基于GIS的绿洲城市时空扩展特征研究——以新疆伊宁市为例

赵禾苗，阿里木江·卡斯木

（新疆师范大学地理科学与旅游学院，乌鲁木齐 830054）

自地球迈入“人类世”后，认知人类活动与地表环境系统之间相互作用机理从而对人类行为调控和管理，已成为国际“Future Earth”研究计划、IPCC项目、生物多样性和生态系统服务政府间科学-政策平台（IPBES）等重大研究计划倡导的前沿领域与优先级主题［1，2］。随着全球城市化进程的迅猛发展，城市规模发展成为各国参与国际竞争的重要内容，作为世界上最大的发展中国家，中国经济高速发展的同时，城镇化进程有了质的飞跃，城市规模日趋庞大复杂［3-5］。20世纪90年代以来，西部大开发战略的实施促使西北部地区经济社会快速发展，导致西部干旱区城市化、经济化发展进程迅速，但城市急速扩张过程导致地表覆被发生明显变化，大量沥青、水泥等人造景观代替了自然土地覆被，使其面临着城市“三生”（生态-生产-生活承受能力）空间比例失调、城市局部热岛、区域景观格局破碎、生态退化等一系列问题［6，7］。

遥感数据能大面积同步观测及获取瞬时信息，监测城市扩展动态，已被广泛应用于区域城市发展及时空变化特征研究。目前，国内学者通过借助GIS及RS相关技术对城市扩展及驱动力因素、影响机制等做了大量工作，如采用扩张面积、扩张速度等指标分析城市时空扩展变化态势［8，9］；通过紧凑度、重心转移模式等反映城市扩张方向及重心迁移特点［10］；应用景观格局指数、地统计学方法和空间测算模型等分析城市扩张模式及驱动力等［11，12］，但对于西部干旱地区城市扩张及空间驱动力因素研究还较少。

由于水资源的有限性及生态环境及其脆弱等特点，中西部干旱半干旱区人地关系更加紧张［13］。在2014年5月召开的第二次中央新疆工作会议上，新疆被确认为丝绸之路经济带核心区，在此背景下，研究丝绸之路重要节点的中小型城市城镇扩张动态具有现实意义［14］。鉴于此，本研究以新疆伊犁州首府城市——伊宁市为研究对象，基于2000、2005、2010、2015和2018年5年Landsat TM/ETM/OLI影像数据，采用最大似然法（MLC）对伊宁市土地利用进行分类，提取城市建成区范围，采用扩张速度、扩张强度、综合扩张程度指数及标准差椭圆等指标分析伊宁市2000—2018年城市建设用地扩张及其空间分异特征。

1 研究区概况

伊宁市位于新疆伊犁哈萨克自治州，地处中国西北边陲，伊犁河谷绿洲中部，市区辖五乡四镇二场，北纬43°50′—44°09′、东经80°04′—81°29′，区域内地形总体分为北部山区、南部平原及河谷平原，坐落于人民渠以南，伊犁河以北。作为丝绸之路经济带建设新疆段的重要节点，新亚欧大陆桥中西部的主要窗口，连接中西亚间的枢纽，战略与地理位置至关重要。自1992年被党中央确认为沿边开放城市后，经过近几十年的发展进程，伊宁市已成为西部地区最大的开放城市。

市区属半干旱大陆性气候，四季分明，年均降水量超245 mm，空气相对湿度达60%，因位于“天然湿岛”——伊犁，素有“塞外江南”“不到新疆，不知新疆之大；不到伊犁，不知新疆之美”等美誉，其所在的伊犁河谷由于气候湿润与特殊地理环境，为世界薰衣草三大种植基地之一。伊宁市先后荣获“中国十座宜居中小城市之一”“中国优秀旅游城市”“国家历史文化名城”等称号。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源及预处理

本研究主要采用轨道号为147/29的美国Landsat系列5景卫星影像（2000、2005、2010、2015和2018年），5年影像数据均来自美国地质勘探局（USGS）网站，云量均低于10%且季相相近（6—7月），夏季遥感影像云量偏低，植被易于区分，地物识别度较高，更有利于提高结果的精确度，满足研究需求（表1）。研究区行政边界矢量数据来源于全国地理信息资源目录服务系统（http：//www.webmap.cn）1∶100万基础地理信息数据库，DEM数据来源于国家地理信息中心。

表1 影像基本信息

借助ENVI5.3软件平台中Flash模块对5年遥感数据进行大气校正、裁剪等预处理工作，以2018年影像为基准，对其余4年数据影像进行几何精纠正，误差控制在0.5个像元内。同时对2000年和2005年ETM影像进行条带修复，然后通过所获研究区边界矢量数据对遥感影像进行裁剪处理提取研究区影像。

此外，除了遥感数据，在综合国内外相关研究的基础上，本研究还收集了伊宁市相应年份的社会经济数据，用于城市建设用地扩张驱动因素分析，数据来源于《伊犁哈萨克族自治州统计年鉴》；气象数据来源于中国气象数据网。

2.2 研究方法

2.2.1 监督分类法 监督分类是指在目视解译的基础上，利用已知地物样本判别遥感影像上未知区域单元属性类别的过程，其特点具有分类结果精度高、准确性好以及与实际地物类别吻合度高等优点［15］。本研究利用监督分类法中的最大似然分类法（MLC），参照中国土地资源分类系统的土地分类标准（GB/T 21010—2007）及《2006—2020年新疆维吾尔自治区土地利用总体规划》［16］，同时考虑伊宁市目前土地覆被情况，把研究区LUCC划分为建设用地、林地、草地、耕地及水体5类（图1），进而提取城市建成区范围，此项操作在ArcGIS软件平台中进行，为确保土地分类结果的精确性，采用精度评估工具（Accuracy assessment）对5期遥感影像分类结果进行精度评价，Kapper系数均达到0.80以上，满足试验要求。

图1 伊宁市土地利用类型及覆被空间分布状况

2.2.2 土地利用转移矩阵 土地利用转移矩阵是用来表示一定时间内各土地利用类型之间随时间的转移方向和转化量的方法［17］，能直观反映出土地利用类型数量的分布特征及相互转化的方向，具体计算公式如下：

式中，Sij为研究初期与研究末期的土地利用状态；n为土地利用类型数。

2.2.3 建设用地扩展指数 主要引入的指标包括城市扩张速度指数指标、扩张强度指数和综合扩张程度指数以揭示伊宁市城市扩张特征及空间变化状况。ESI表征建设用地的年均增长速率，体现了城市的扩展速度以及增长趋势，但未能对研究区内土地利用总体变化情况进行概括；EII指单位时间内城市建设用地面积占研究区土地利用总面积的百分比，表示城市建成区在不同时期扩展的强弱程度，但缺点是未对基期建设用地面积进行考虑；EDI指数在内梅罗公式（当前国内外进行综合污染指数计算的常用方法之一）的基础上被提出，通过将ESI和EII2个指数指标合成标准化得到，EDI指数兼顾前两者优点，弥补了ESI、EII单一指数的不足［18］。3个指标具体计算公式如下：

式中，At和A（t+n）分别为t年和（t+n）年建设用地面积；S为研究区土地总面积。

2.2.4 标准差椭圆法 标准差椭圆法（SDE）是通过椭圆中心、长轴、短轴及旋转角参数来度量数据方向和分布状况以表征城市空间扩展特征的一种方法，能精确地理清要素空间分布的中心性、方向性，揭示空间要素时空演化过程［19，20］。该方法被广泛用于城市扩张状况、经济分布格局等方面。椭圆长半轴表示数据的分布方向；其短半轴表示垂直主方向上数据的主要分布趋势，短半轴越短，数据所表示的向心力则越明显，扁率（长短半轴距离差值）越大，则表示数据分布的方向性越明显。

方位角α为：

x轴标准差δx和y轴标准差δy分别为：

式中，（xi，xi）表示研究对象的空间区位；Wi表示对应权重；（xi，yi）表示各研究对象区位到重心的坐标偏差。

2.2.5 相关分析 相关分析是研究两个或两个以上相关变量间相互关系的统计分析方法，使用Pearson相关系数分析城镇建设用地扩张的驱动因子及相关系数，变量间相关性越显著，相关系数则越大［21］。

3 结果与分析

3.1 土地利用空间变化特征

在GIS平台中，通过监督分类获得5年土地利用类型空间变化图，即LUCC时空变化特征，由图1、图2可知，伊宁市土地利用/土地覆被在2000—2018年发生了明显变化，建设用地、耕地及林地变化最为显著，草地和水域变化较稳定。2000—2005年城市扩展较缓慢，2005年城市化进程加快，耕地空间范围缩退明显，2015年建设用地取代大部分农用耕地。2000—2005年，研究区土地利用结构以耕地、草地为主，两种土地类型占比分别为45.22%、40.21%，2015年耕地及草地占比分别为36.32%、40.08%，林地面积由2000年的30.37 km2减少至2015年的10.39 km2（表2）。城市扩张形态由2000年的散射式转变为2018年“摊大饼”式外沿扩张，同时在市区西北部低植被覆盖草地有少部分“飞地式”建设用地。

表2 2000—2018年伊宁市不同土地利用类型面积及比例

图2 伊宁市土地利用类型变化趋势

伊宁市建设用地大多集中在东南部及伊犁河谷盆地，城镇空间扩展呈稳步增加，由初期的伊犁河域附近，逐渐向北递进，北部为天山山脉，经过实地调查，多为半荒漠草原草地及草甸草地，由于地势等原因，土地利用及开发较为困难，导致建设用地选址多集中在南部的平原区；伊犁河丰沛的水资源及良好的生态环境形成了初期的伊宁市建成区，后来人地关系的不断演变促使建设用地等人造下垫面不断在伊犁河沿岸及中部平原及河谷盆地落成，同时机场附近还分布有零星点状建设用地。近19年来，伊宁市建设用地空间持续扩展，面积增长加快，但建设用地区域始终集中在北部人民渠与南部伊犁河水域之间，2015年后，城市区域西北向扩展缓慢，受水域阻隔，城区已有向东北向扩张的趋势。

3.2 土地利用转移矩阵分析

通过不同时期土地利用转移矩阵（表3、表4）可得出，伊宁市2000—2018年各类土地利用类型转移变化情况。2000—2010年，耕地转出面积286.04 km2，是转出面积最多的土地利用类型，其中，41.70 km2转为建设用地，9.20 km2转化为草地；转入面积最多的土地利用是耕地，转入面积255.60 km2，其次为草地。建设用地转入91.94 km2，转出47.54 km2，面积增加明显。伊宁市土地利用空间范围的剧烈变化主要由于快速城镇化对建设用地的大量需求所致，而主要的转入来源为农用耕地及草地，所占比例分别为66.96%和31.81%。

表3 2000—2010年伊宁市土地利用转移矩阵（单位：km2）

由表4可以看出，2010—2018年，伊宁市耕地转出面积255.22 km2，为面积最多的土地转出类型，其中，28.56 km2转化为建设用地，其他类型土地利用转入较少；建设用地转入面积为127.51 km2，主要来自耕地，来自草地占比较少。相比2000—2010年，近8年间建设用地增长转入面积增加，建成区扩张速率有所下降。

表4 2010—2018年伊宁市土地利用转移矩阵（单位：km2）

3.3 城市扩展分析

伊宁市不同时段的城市建设用地扩张指数如表5所示。2000—2018年，近19年间建设用地共扩展了80.03 km2，与2000年建设用地面积相比，增加了1.68倍。2000—2005年（前期5年）、2005—2010年（中期5年）、2010—2018年（后期8年）3个时间段城镇建设用地扩展面积分别为5.40、39.01和35.62 km2，分别占19年间扩张面积的6.66%、48.14%和45.19%；ESI分别为2.27%、14.73%、4.84%；ESI分别为0.17%、1.23%、1.12%，2005—2010年（中期5年）建设用地扩张速率及强度最大，表明这5年间伊宁市建设用地呈加速扩张态势，后期扩张强度有轻微下降趋势。

表5 伊宁市2000—2018年间城市建设用地扩张情况

3.4 伊宁市空间分异特征分析

利用ArcGIS 10.7软件建立伊宁市城区建设用地的空间点格局，在伊宁市范围内生成随机样点，然后将随机点样层与研究区建设用地进行叠加分析，计算研究区2000—2018年建设用地空间分布椭圆（图3）。2000—2018年间，伊宁市建设用地扩张总体呈“东南-西北”空间分布格局，人造下垫面及城镇用地主要分布在伊宁市老城区中心，2000—2005年，椭圆重心有缓慢向西北移动趋势，前期5年城市化进程较缓慢，建设用地扩张强度较低，2010—2015年（中期5年）重心移动明显，城市建设用地变化强度加大，由于地理位置影响，南部人民渠水域与北部伊犁河流域限制了建设用地的扩张，2010—2018年后期建设用地扩张速率降低，重心转移变弱，伊宁市建设用地已有向人民渠水域与伊犁河流域夹角处即西北向扩张的趋势。

图3 2000—2018年伊宁市城市扩展标准差椭圆

由表6可以看出，伊宁市建设用地面积持续扩张的过程中，短半轴持续增加，随着年份增加增幅变大，尤其2010年和2018年变化趋势增大且离散程度增加。2000—2010年，扁率增幅持续上升，建设用地西北向扩张，方向性趋于明显，而2010—2018年，长半轴增幅变小，扁率呈下降趋势，建设用地趋于均衡扩张，方向性不如此前年份明显。

表6 2000—2018年伊宁市城市扩展空间分布SDE参数

3.5 城市空间扩展驱动因素分析

3.5.1 自然因素 自然地理环境是城市形成与发展的基础，地势、地貌等自然因素主导着城市空间扩张形态的演变及土地覆被变化形式，某种程度上对城市扩展有一定的约束作用。新疆伊宁市位于伊犁河谷盆地中央，市区北依天山支脉科古尔琴山，南濒伊犁河，整体地势北高南低，北部巨大山脉导致近19年伊宁市城市扩展范围主要集中在南部伊犁河冲击平原。随着时间推移，北部山地区域虽然出现一定面积的建设用地，但地块破碎化明显，且不集中连片，利用潜力较低，建设用地受到明显制约。伊犁河从区内南沿由东向西蜿蜒流过，北部人民渠由东北流经市区汇入伊犁河，导致南部建设用地扩展只能在两条河流夹角处。2000—2015年城市急剧向西北扩展，直至河流边缘，西北方向扩展空间明显受限，随后建设用地扩展呈东北向转移的趋势。

3.5.2 社会经济因素 已有研究表明［21］，经济发展、人口增长等社会经济因素对城市扩张具有直接推动性。为探明伊宁市建设用地扩张的时间驱动机制，选取2000—2018年地区生产总值、年末人口总数、固定资产投资、财政支出等指标，利用同时间段城市建成区增量与4个指标增量通过SPSS软件进行相关性分析，结果（表7）表明，各因素与城市建设用地面积增长量间存在较强相关性，其中财政支出与城市扩张的相关性最高，地区生产总值及固定资产投资变化量相关性次之，说明国家政策强有力地推动着区域发展。自20世纪90年代以来，党中央开始注重对边疆经济扶持，加大了对各市县的经济投资，随着社会经济与二、三产业所占比重不断增加，伊宁市城市化速度增加明显，建设用地范围不断向原有耕地蔓延；2000年伊宁市城镇人口为34.27万人，2018年人口增至55.78万人，近8年间人口上升了62.77%，人口总数与城市扩张呈中等相关，间接促进城市的扩展（图4）。

表7 城市扩张驱动因素分析

图4 城市建设用地发展与社会经济因素关系分析

4 结论与讨论

4.1 结论

本研究利用2000—2018年间5幅Landsat TM/ETM/OLI多时相卫星遥感影像，采用最大似然法（MLC）对伊宁市土地利用进行分类，提取城市建成区范围，采用ESI、EII、EDI和SDE等指标分析伊宁市2000—2018年19年间的城市空间扩张特征及其驱动力因素，结论如下：

1）伊宁市持续发展过程中，耕地、草地利用类型不断转化为建设用地；2000—2010年和2010—2018年的耕地转出面积分别为286.04和255.22 km2，为转出面积最多的土地利用类型，其中大部分土地转化为建设用地，小部分转化为草地。

2）伊宁市建设用地面积持续增长，共增加了80.03 km2，为净增初期的1.7倍。由标准差椭圆分析可得，研究区建设用地呈西北向蔓延式扩张，2005—2010年间，建设用地扩展强度最大，城市化呈急剧扩张态势，2010年后城市扩张较之前缓慢，且由于河流阻挡，后期城市有向东北扩张的趋势。

3）2000—2005年（前期5年）、2005—2010年（中期5年）、2010—2018年（后期8年）3个时间段城镇建设用地扩展面积分别为5.40、39.01和35.62 km2，ESI分别为2.27%、14.73%、4.84%，建成区不断向西北远郊区推进，中期城市建设用地扩张变化剧烈。

4）地区生产总值、政府财政支出等社会经济因素是区域建设用地扩展的主要驱动因素，两者相关性分别达0.78、0.99，区域的持续发展与政策密不可分；地形地势、海拔及水域条件等自然因素影响城市扩展空间形态，河流的分割导致北部山地出现破碎不规则建设用地，紧凑度偏低。

4.2 讨论

通过对伊宁市城市扩展演变格局的分析，较为全面地掌握了城市土地利用强度及建设用地的时空演变过程及形成的驱动因素，结果可为更精确地判断伊宁市城市扩展规律及未来城市改造及区域资源可持续利用提供理论支撑。由于研究区南缘河流及北部山脉的影响，2000—2018年伊宁市城市扩张始终集中于市区南部平原地带，伊犁河与人民渠水域的阻隔促使建设用地扩展方向有“西北→东北”转移的趋势。随着城市化进程加快，城镇范围持续扩展，西南方向已无充裕可利用地，市区东北部人民渠水域附近平原地带还余少量可发展空间，城镇通过侵占大量耕地、林地发展区域空间的过程，造成了地表植被覆盖变化剧烈，由此也引发一些区域生态问题，此后的土地利用及城镇化建设应以资源集约利用为主，在提高土地利用效率基础上实现区域经济与社会协调发展，同时加强区域生态保护。