资源枯竭型城市建成区用地扩张时空特征

范 强，史 月，王戏游

（1.辽宁工程技术大学 测绘与地理科学学院，辽宁 阜新 123000；2.广州南方测绘科技股份有限公司 导航事业部，广东 广州 510663）

0 引言

城市建成区用地扩张为城市发展带来城市地表温度变化[1]、PM2.5 污染程度变化[2]和区域生态安全性变化[3]等多种城市问题.现今国内外学者针对城市扩张的研究逐渐增多，其中，中国学者关于城市扩张特征研究及分析以中国、珠三角、京津冀、江西省和武汉市等国家、省和大中发达城市为主[4-7]；国外则以亚利桑那州、美国和印度等西方南亚国家为主[8-11].国内外对于大中城市或城市群以及发达地区的建成区用地研究逐渐升温，但长时间序列的资源枯竭型城市建成区用地扩张研究较少.资源枯竭型城市作为独特的城市类型，其建成区用地扩张导致的城市问题尤为严重，而且资源枯竭型城市转型是国家可持续发展的重要环节，因此，对资源枯竭型城市建成区用地扩张特征进行量化分析、合理解读资源枯竭型城市的扩张特征，对资源枯竭型城市规划及决策等有着重大意义.

综上所述，本文利用Landsat TM/OLI 遥感影像，综合运用RS、GIS 和景观学相结合的方式，分析1999—2019 年阜新市建成区用地扩张的时空特征，对资源枯竭型城市的发展及转型有着重要的参考意义.

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

由图1 可知，阜新市位于辽宁省西北部，东经121°01′～122°56′，北纬41°41′～42°56′.下设细河区、太平区、新邱区、清河门区、海州区、彰武县和阜新蒙古族自治县（下文简称阜蒙县）7 个行政区.矿产资源十分丰富，是中国重要的矿业开发基地之一，除矿产资源外，煤层气及地热等资源也相继被开发使用.自1897 年以来，经过120 多年的开采，地下煤矿几近枯竭，而且造成水污染、大气污染、土地资源严重破坏等一系列生态环境问题.2001 年被国务院正式认定为全国第一个资源枯竭型城市.

图1 研究区位置Fig.1 location of study area

1.2 数据来源与处理

采集1999 年、2004 年、2009 年、2014 年和2019 年5 个年份的Landsat TM/OLI 遥感影像（来源于美国地质勘探局网站：http://glovis.usgs.gov/），利用随机森林分类方法对5 期遥感影像进行解译.最终提取得到建成区用地的Kappa 系数为0.85～0.92，符合研究精度要求.

1.3 用地扩张时空特征

（1）城市扩张强度指数

城市扩张强度指数（UEI）表示同一城市在不同时间段的扩张强度，对于研究城市扩张强度及扩张特征具有良好的表征意义，公式[12]为

式中，UEIn为第n年城市扩张强度指数；分别为t2和t1时间段的城市建成区面积，m2；t为t2和t1的间隔年份.

单一时间段的城市扩张强度指数可以较好地反映出研究区域各县区建成区用地的扩张强度，但是缺乏县区间的横向对比，故构建城市扩张强度均指数（AUEI）为

式中，N为年份时间间隔个数.

（2）Voronoi 图变异系数

离散的点集在空间上一般分为均匀、随机和聚集3 种空间布局分布方式.离散点集的Voronoi 图可以较为直观地描述区域内建成区用地的分布情况.本文引用Voronoi 图的变异系数来描述城市建成区用地的空间分布情况.DUYCKAERTS[13]等认为Voronoi 图的变异系数小于33%时，点集呈均匀分布；变异系数在33%～64%时，点集呈随机分布；变异系数大于64%时，点集呈聚集分布.本文采用的离散点集是由建成区用地的质心集合而成.

式中，CV为Voronoi 图的变异系数；Ai为第i个Voronoi 多边形的面积，m2；n为Voronoi 多边形的总数.

（3）景观格局指数

随着时间的演变，城市建成区用地逐渐扩张，从而导致景观格局随之变化.利用景观学中指数分析方式进行城市建成区情况分析，可以较好地反映建成区用地的演变规律.本文选用最大斑块指数、斑块类型比例、景观形状指数、结合度指数和分维数共5 个景观格局指标.

2 城市建成区用地扩张时空格局

2.1 城市扩张强度时空分析

将1999—2004 年、2004—2009 年、2009—2014年和2014—2019 年4 期阜新市各县区建成区用地扩张强度进行量化分析，见图2.

图2 阜新市各县区用地扩张强度Fig.2 UEI of Fuxin each county area

1999—2019 年，阜新市各县区的建成区面积不断增加，不同时间段内各县区扩张强度存在较大差异.1999—2019 年，彰武县的UEI指数在阜新市各县区内维持在最高数值.1999—2004 年，细河区的UEI指数位于彰武县之后，阜蒙县次之，海州区、清河门区、太平区和新邱区UEI指数均处于0.04%以下.2004—2009 年，阜蒙县UEI指数超过细河区，细河区为0.0472%，其余海州区、清河门区、太平区和新邱区四区依然维持在0.04%以下.2009—2014 年，阜蒙县和细河区UEI指数为0.092%和0.043 6%，清河门区首次达到0.04%，海州区、太平区和新邱区依然处于0.04%以下.2014—2019 年，海州区、新邱区和太平区的扩张强度维持在0.04%以下，其余各县市的扩张强度处于0.04%之上.另外通过AUEI指数横向对比阜新市各县区建成区用地扩张强度，可以得知，20 年间，阜新市各县区的建成区用地扩张强度均指数以彰武县为首；阜蒙县和细河区在其之后；海州区、清河门区、太平区和新邱区的AUEI指数较小.

2.2 城市建成区用地分布模式

根据阜新市各县区建成区用地质心构成的点集生成Voronoi 图，计算变异系数Cv值见图3.

图3 各县区变异系数Fig.3 variation index of each county district

Voronoi 图的变异系数Cv可以较为直观地表示城市建成区用地分布情况，由图3 可以看出阜蒙县在1999—2019 年，呈现均匀分布模式，变异系数值均小于33%；海州区的变异系数在各年趋近于64%，总体为随机分布模式；清河门区在1999—2004 年从聚集模式转为随机模式后，在2004—2019 年保持聚集模式分布；太平区的变异系数在1999—2019 年逐年递减，但总体分布模式为聚集模式；细河区的变异系数维持在33%以下，属均匀分布模式；新邱区1999—2019 年的变异系数均大于64%，保持在聚集模式；而彰武县的整体分布模式是由均匀分布转为随机分布，变异系数数值呈“V”型分布.

2.3 景观生态效应

由图4 可以看出，1999—2019 年阜新市各县区的景观格局变化趋势.海州区、太平区、新邱区和清河门区的LPI指数在1999—2019 年保持稳定态势，阜蒙县和彰武县呈现下降趋势，细河区则呈现上升趋势，表示海州区、太平区、新邱区和清河门区的建成区用地优势斑块地位几乎没有改变；阜蒙县和彰武县的优势斑块地位有所下降，而细河区则出现上升态势.所有县区的PLAND指数呈现逐年增长趋势，其中细河区和清河门区增长的线条更为陡峭，说明20 年间，城市建成区的面积相对自身来说，增长的幅度较大.海州区、细河区、新邱区、太平区和清河门区的LSI指数变化较为平缓，1999—2019年，形状几乎没有太大的改变；而彰武县和阜蒙县呈现的波动性十分巨大，二者的数值都有增大后稳定的趋势，彰武县变化幅度较大.海州区、太平区和新邱区在COHESION指数上表现为变化较为平缓，但是数据值较大，说明三区内部建成区用地的连通性较好；细河区建成区用地的内部连通性也在不断地增大；随着时间的变化，阜蒙县、彰武县和清河门区的建成区用地内部连通性较差，其中以彰武县变化最为明显.PAFRAC指数作为一个衡量建成区用地受人为干扰程度的指数，在1999—2019 年表示为清河门区和海州区受人为干扰程度振荡递减；其余5 县区，受人为干扰程度总体呈上升趋势，其中彰武县在2009 年以后受人为干扰程度最大.

图4 各县区景观格局指数变化Fig.4 landscape pattern of each county area changes exponentially

3 结论

阜新市作为中国第一个资源枯竭型城市，是资源枯竭型城市的典型代表，基于1999—2019 年城市建成区用地数据，综合运用城市扩张强度指数、扩张强度均指数、Voronoi 图变异系数Cv和景观格局指数对城市扩张强度、用地分布模式及景观生态效应进行分析，得出结论：

（1）1999—2019 年，随着阜新市各县区建成区用地面积逐渐增加，建成区范围逐渐扩大，城市扩张强度也随之发生变化.从全市视角来看，东部城市扩张强度高于西部，整体的扩张中心由西部向东部移动.其中，彰武县的扩张强度变化程度最大，呈高速扩张趋势.2009 年以后，由于资源枯竭型城市的转型工作不断推进，致使除细河区外的所有县区城市扩张强度变大；而细河区的城市扩张强度在20 年间，基本保持相对稳定的趋势.

（2）由于阜新市各县区建成区建设情况不均.各县区的用地分布模式以聚集、随机和均匀3 种分布模式共存，其中阜蒙县和细河区呈均匀分布模式；太平区和新邱区呈聚集分布模式；海州区呈随机分布模式；而彰武县和清河门区则由于建成区用地的扩张，用地分布模式发生了转换.

（3）20 年间，阜新市各县区建成区用地面积不断增大，人类与自然相互作用程度也不断增大，景观格局随之发生较大的变化.其中彰武县、阜蒙县和细河区的优势斑块地位发生了明显改变；所有县区的建成区面积均呈上升趋势，导致建成区用地内部连通性演变趋势也随之变化；从建成区用地形状上来说，彰武县和阜蒙县波动情况较为明显，且彰武县受人为干扰程度较大.

（4）从县区尺度上分析阜新市建成区用地时空扩张特征、用地分布及景观格局，对深刻了解阜新市建成区用地扩张特征具有重要意义.但是资源枯竭型城市的建成区用地扩张是一个集经济、社会、政策和环境等多种元素影响的过程，本文以阜新市为例，对于资源枯竭型城市的用地扩张分析的不够全面，在后续的研究中将进一步对不同类型的资源枯竭型城市进行分析，从而全面地分析资源枯竭型城市建成区用地演变规律.