兰州新区城市空间扩展研究

叶萍萍

(甘肃省基础地理信息中心，甘肃 兰州 730000)

随着全球经济快速发展，各国城市建设空前活跃，城市空间扩展也引起国内外学者的广泛关注。国外对城市空间扩展的研究，最早可以追溯到19世纪末城市地理学对城市空间形态结构的研究[1]。上世纪80年代，随着国内城市化进程加快，国内学者开始研究城市空间扩展，主要利用RS和GIS技术[2-3]，但是国内研究的重点集中在东部发达城市，西北部城市涉猎较少[4]。

兰州地处中国西北地区的中心，是古丝绸之路的重要节点。2012年8月12日，兰州新区成立，作为西北第一个、全国第五个国家级新区，新区自成立之初就受到各级政府和社会各界的高度重视，城市化进程不断加快。研究新区城市空间扩展历程,总结不同时期不同社会经济发展背景下城市扩展规律，可以为城市的建设发展提供地理信息支撑，更好的服务于“一带一路”建设。

1 新区概述

兰州新区坐落于甘肃省兰州市北部秦王川盆地，位于东经103°26′20″～103°58′18″，北纬36°12′30″～36°52′27″之间。现新区下辖六乡镇，分别为永登县中川镇、秦川镇、上川镇、树屏镇和皋兰县西岔镇、水阜镇。

2 数据来源

2.1 遥感影像数据

选取2010年、2013年、2015年、2016年、2017年、2018年共计6期的航空影像和Pleiades、WorldView2、WorldView3、GF1、GF2、ZY3等多源高分辨率卫星遥感影像，范围覆盖兰州新区全域。为了保证遥感解译提取信息的精度和准确性，影像要求层次丰富、清晰易读、色调均匀、反差适中、色彩接近真实自然、色彩均衡、时相尽量保持一致[5]。

2.2 地理国情普查和监测数据

地理国情普查数据包括2013年兰州新区地理国情普查试点成果数据和2015年地理国情普查标准时点核准成果数据，地理国情监测数据包括2016年、2017年、2018年兰州市基础性地理国情监测成果数据。数据覆盖兰州新区全域，具体内容包括地形地貌数据、正射影像数据、地表覆盖与地理国情要素数据、遥感影像解译样本数据等[6]。

2.3 专题数据

主要由兰州新区城乡规划建设局提供的最新版本的《兰州新区总体规划(2011-2030)》、由兰州新区经济发展局提供的统计年鉴等。

3 技术路线和方法

3.1 技术路线

基于地理国情普查和监测数据等丰富的地理信息数据资源[7]，结合高分辨率遥感影像，采用遥感技术手段，提取兰州新区从2010～2018年城市建成区范围，结合收集整理的行业专题资料，采用空间分析方法，从城市空间扩展的规模和强度、扩展的方向性以及空间形态演变等方面对新区城市空间扩展的历程进行分析。

图1 总体技术路线

3.2 技术方法

3.2.1 数据资料整理整合

根据各类专题数据的类型，通过格式转换和坐标系统一，实现专题空间数据时空基准归一化。地理国情普查和监测数据的处理包括按照新区范围裁切；遥感影像数据的处理包括几何精校正、辐射纠正、辐射增强、镶嵌、裁切、格式转换、坐标系转换、配准等；专题数据的处理包括数据裁切、格式转换、坐标系统转换、信息提取。

3.2.2 遥感影像解译

基于地理国情普查和监测数据，对遥感影像进行判读解译，生成历史年份的城市建成区范围，在此基础上，利用叠合分析，获得城市扩展的时空变化信息。

本文引入“城市建成区”这一概念来反映城市已建设开发的范围。城市建成区，是指城市行政区内实际已成片开发建设、市政公用设施和公共设施基本具备的地区[8]。在划分标准上，依据遥感影像图上城市建成区的特征表现，可以按照“成规模连片、多层建筑为主、具备街区形态、基础设施配套”原则，提取城市建成区范围。

3.2.3 统计与分析

基于解译结果，统计各个年份城市建成区的面积、两个相邻年份间的面积变化量、扩展强度和年均扩展速率等，以反映城市扩展规模和强度，在此基础上，对城市建成区扩展的方向性和空间形态演变进行统计，分析兰州新区时空尺度的变化历程。

4 城市空间扩展分析

4.1 城市空间扩展规模和强度

为了准确反映兰州新区设立前后城市建成区范围的持续变化情况，本文选取2010年、2013年、2015年、2016年、2017年、2018年6个时期的遥感影像进行解译，提取城市建成区边界。基于解译结果，统计兰州新区城市建成区面积变化，扩展强度和扩展速率，进而分析城市空间扩展规模和强度。

扩展强度是指某一时间段内城市建成区面积相对于基期城市建成区面积的年扩展比例，表示单位时间内不同城市建成区扩展快慢的相对比例差异；扩展速率是指某一时间段内城市建成区面积的年增长速率，表示单位时间内不同城市建成区扩展快慢的绝对面积差异。

图2 2010～2018年兰州新区城市建成区面积

从图2可以看出，2010～2018年，兰州新区城市建成区一直处于扩展状态。2010年，兰州新区设立之前，城市建成区只有2.5 km2。2012年8月，兰州新区被确定为国家级新区后，城市建成区面积飞速增长，至2018年已达79.08 km2。

表1 2010～2018年兰州新区城市建成区扩展信息

从表1中可以看出，兰州新区城市建成区的扩展速率呈现“先升后降再缓升再降”的特点。新区自2012年8月成立后，便开展大规模的开发建设，所以2010～2015年，城市建成区的扩展速率一直在上升阶段。经过几年的建设，城市框架基本成形， 2015～2016年扩展速率相对放缓。2016年，新区职教园区开始建设，所以，2016～2017年扩展速率有小幅度回升，到2018年，职教园区基本框架已成形，所以，2017～2018年扩展速率有所下降。

4.2 城市空间扩展的方向性

城市扩展的方向性可以用扇形分区统计法或者城市空间重心迁移这两个指标来描述，本文选用城市空间重心迁移指标。

空间重心是描述城市空间分布的一个重要指标，通过追踪其不同时期的移动，可以得到城市扩展方向变化的轨迹，预测城市的空间发展趋势[9]。其计算公式如下：

式中，Xt、Yt分别为t时间城市建成区的重心坐标，Ati为第i个地块面积，Xi、Yi为第i个城市建成区地块的几何中心坐标。

根据公式分别计算出2010、2013、2015、2016、2017和2018年的空间重心坐标，如图3所示。

从图3可以看出，2010～2018年，城市建成区空间重心总体上呈现出向东北方向移动的趋势，2015～2016年呈现轻微向西北方向移动的趋势,2017～2018年呈现向轻微东方向移动的趋势。由于新区职教园区在东北部，平山造地区域主要集中在东部和东南部，结合新区的规划相关资料，可预测未来几年新区城市空间扩展的主要方向依然在东、东北及东南方向。

图3 2010～2018年兰州新区城市建成区空间重心变化图

4.3 城市空间形态演变

4.3.1 城市建成区空间形态

城市建成区占据着一定的地表空间，并在各种自然、人为因素的制约和影响下，形成一定的用地轮廓形态，这种形态称为城市建成区空间形态。城市建成区空间形态主要模式有集中团块型、带型、放射型、组团型、星座型、散点型。

根据《兰州新区总体规划(2011-2030)》中的空间结构规划，兰州新区呈现出“两区一城四片”的总体空间结构。“两区”为北部的生态农业示范区以及南部的生态林业休闲区。“一城”为核心城区，包括保税物流、科技研发、行政办公、金融商业、职业教育、文化旅游等综合服务职能。“四片”包括石化产业片区、机场北飞地经济产业片区、树屏飞地经济产业片区以及综合产业片区，为新区主导产业空间落实的地区。规划对“一城”空间结构进行指引，为“T轴、六组团”。T轴由核心城区东部依托自然山体形成的生态绿化廊道及沿纬三路、纬五路以及纬七路形成的功能轴组成，为新区风貌特色重要的组成部分。六组团包括综保产业组团、高新技术产业组团、综合服务组团、职教园区组团、区域中心组团及文化旅游组团。

从影像解译结果看，目前兰州新区城市建成区呈现出“一片五团”的组团型空间形态。“一片”为位于建成区北部的综合产业片区；“五团”分别为综保产业组团、高新技术产业组团、综合服务组团、区域中心组团和职教园区组团。

4.3.2 城市建成区空间紧凑度

空间紧凑度表征城市形态的变化，是城市空间布局和结构变化的综合反映。从城市空间形态的变化可以分析城市的生长过程，揭示扩展规律[9]。紧凑度是反映城市空间布局形态的重要指标，其值一般在0～1之间，空间紧凑度越接近1，城市形状越接近圆形，城市空间越紧凑；反之，城市紧凑度越低，空间离散程度就越大。通常采用Batty提出的计算公式[10]：

式中，BCI指城市建成区的空间紧凑度，A指城市建成区的面积，P指城市建成区的轮廓周长。

图4 2010～2018年兰州新区城市建成区空间紧凑度

从图4可以看出，2010～2018年，兰州新区空间紧凑度总体呈下降趋势，空间离散程度较大。主要是近年新增的城市建成区与原有的城市建成区在空间上不连续，造成资源集聚不凸显。随着新区的发展，城市建成区连接地带完成建设，空间紧凑度会有所上升。

4.3.3 城市建成区空间分形维数

城市空间形态是城市各构成要素的空间分布模式，是城市实体的地域空间投影。城市有着复杂的、非线性的空间形态，这种空间形态具有分形特征[9]。城市空间的分形维数可以描述城市边界形状的复杂性。描述城市建成区形态的分形维数主要有网格维数、半径维数和边界维数等，使用边界维数来衡量建成区空间形态的分形特征，采用格子计数法进行分维估值。使用不同大小的正方形格网覆盖的城市建成区平面轮廓图形，当正方形长度r出现变化时，覆盖有城市建成区轮廓边界线的网格数目N(r)和覆盖面积的网格数目M(r)必然会出现相应的变化。根据分形理论有如下公式成立：

InN(r)=C+DInM(r)1/2

式中，C为待定常数，D为建成区平面轮廓分形维数。只需在不同大小正方形格网覆盖下获得不同点对(InN(r),InM(r)1/2)，然后拟合这些点对，求得回归方程，其斜率即为D的估值。

由于城市建成区平面图斑为二维空间，故D的理论值范围在1.0～2.0之间，D值越大表示图形形状越复杂。当D<1.5时，说明图形趋向于简单；当D=1.5时，表示图形处于布朗随机运动状态，越接近该值，稳定性越差；当D>1.5时，则图形更为复杂。1.0代表形状最简单的正方形斑块，2.0表示等面积的情况下周边最复杂的斑块。

图5 2010～2018年兰州新区城市建成区空间分形维数

从图5可以看出，2010～2018年，兰州新区空间分形维数总体呈先降后升的趋势。2010～2015年，空间分形维数下降，城市内部变化比较显著，扩展方式主要为内部填充；2015～2018年，空间分形维数上升，城市空间扩展方式主要为外部延伸。

4.4 城市空间扩展占地分析

从地表覆盖类型的时空转换来看，2010～2018年，兰州新区地表覆盖分类变化主要为种植土地、林草覆盖等自然地类逐年减少，人工堆掘地、房屋建筑(区)、铁路与道路等人工地类逐年增加，这与新区的建设进程相符合。新区城市空间扩展以占用种植土地、林草覆盖等为主。

图6 2010～2018年兰州新区地表覆盖分类面积变化统计图

5 结 论

(1)兰州新区城市空间扩展遵循着“内部填充扩展-外部延伸扩展”的模式，空间形态呈现组团型，这使得兰州新区空间形状较为简单，稳定性较好。

(2)兰州新区城市空间扩展方向总体呈现出向东北方向移动的趋势，2018年空间重心呈轻微向东南方向移动的趋势。这种变动在很大程度上与城市规划和地方政府政策引导的结果有关。

(3)兰州新区城市空间扩展以占用种植土地、林草覆盖等非建设用地为主。

(4)兰州新区自设立以来开展了大规模的城市建设，城市空间发展总体保持扩张趋势，扩展速率呈现“高-低-高-低”波动式增长的特点。近几年，新区城市框架已经基本成型，空间扩展速度有所放缓。