基于多时相遥感影像的宁晋县主城区城市扩张分析

张宗函 李 帅 黄惠南 钱文浩 姜 慧 方武生

（1.湖南农业大学资源环境学院，湖南长沙 410128；2.北京佰信蓝图科技有限公司，河北石家庄 050000）

随着我国经济体量增大，人口增长同有限的自然资源特别是土地资源间可能产生矛盾。土地资源有限，建设用地增加可能导致其他非建设用地尤其是农用地减少，农用地组成成分中，耕地占据绝大部分。因此，人口增长与城市扩张可能直接或间接导致耕地面积的减少。

1 研究区概况

宁晋县隶属于河北省邢台市，位于河北省中南部，宁晋县下辖13个镇、3个乡、1个街道办事处、1个省级开发区、364个行政村，总面积1 110.9 km2。研究选取宁晋县2010、2015、2020年BIGEMAP的航空拍摄影像，人口、经济等数据资料在河北省统计年鉴和宁晋县人民政府门户网址获取[1]。

2 影像分析与建设用地提取

研究采用迭代自组织的数据，使用动态聚类分析法对影像进行非监督分类，结合目视解译法对影像进行判读。非监督分类时，迭代分析过程的最大迭代次数为5[2]。

根据聚类分析成果进行目视解译、矢量化处理、叠加分析与擦除操作，得到研究区2015年和2020年的新增建设用地情况[3]。为了保证新增建设用地情况准确，利用研究区矢量道路网进行缓冲区分析，得出研究区矢量道路面数据，针对2010年建设用地和2015年、2020年新增建设用地分别擦除矢量道路数据，打散地块后对地块面积进行几何计算和统计汇总，得到研究区内原有建设用地及新增建设用地分布情况。2010、2015、2020 年宁晋县的建设用地面积为1 772.36、2 081.29、2 321.19 hm2。

研究区2010、2015、2020年聚类分析结果如图1～图3所示。

图1 研究区2010年聚类分析结果

图2 研究区2015年聚类分析结果

图3 研究区2020年聚类分析结果

3 城市扩张时空分析

3.1 城市扩张的空间特征分析

（1）新增建设用地地理中心偏移。

2010—2020年，研究区扩张的整体方向为由东南向西北。2010—2015年，城市扩张中心偏移幅度较小；2015—2020年城市扩张中心偏移幅度较大。

（2）建设用地缓冲区分析。

以研究区2010年建设用地地理中心为基点，针对研究区建设用地建立7个1 km的多环缓冲区[4]，与3个时间段的研究区建设用地进行矢量叠加分析，得出3个时间段内研究区建设用地距地理中心点不同区域范围内的空间分布情况。

建设用地多环缓冲区空间分布如图4所示。

图4 建设用地多环缓冲区空间分布

由图4可知，距离城市地理中心3 000 m范围内，建设用地面积量达到最大值，且每个缓冲区范围内，每个年份的建设用地面积均增长。1 000～3 000 m范围内，建设用地面积不断增长；3 000～7 000 m范围内，建设用地面积开始下降；7 000 m处，2015—2020年新增建设用地面积几乎为0。结果表明，研究区内建设用地面积的扩张速度逐步减慢，总体仍有向外扩张趋势。

3.2 城市扩张时间特征分析

城市建设用地扩展强度指城市扩展或收缩时的总体变化速率，消除了建设用地的初始规模对扩张特征的影响[5]。

式中：UII——建设用地的扩展强度；S'——后一时期的建设用地面积（hm2）；S——前一时期的建设用地面积（hm2）；ΔT——时间间隔（年）[6]。

研究区2010—2020年建设用地扩展强度和扩展速度如表1所示。

表1 研究区2010—2020年建设用地扩展强度和扩展速度

由表2可知，研究区2010—2015年建设用地扩展速度和扩展强度较大，2015—2020年建设用地扩展速度和扩展强度较小。

3.3 城市扩张社会经济因素灰色关联度分析

本研究采用灰色关联度分析法对驱动力因子进行分析，将9项指标分别以X1～X9进行排序，利用各驱动力因子的均值对驱动力因子进行无量纲化处理。

计算灰度关联系数：

各项驱动力数据无量纲化汇总如表2所示。

表2 各项驱动力数据无量纲化汇总

各驱动力因子的关联系数（ρ=0.5）如表3所示。

表3 各驱动力因子关联系数（ρ=0.5）

如表3所示，各驱动力因子的关联度排序为X5＞X7＞X8＞X2＞X9＞X1＞X6＞X4＞X3，表明影响宁晋县主城区城市扩张的主要因素为社会驱动力，包括年末人口数量（X5=0.881）、粮食总产量（X7=0.853）、中学在校人口数（X8=0.808）、小学在校人口数（X9=0.743）。

4 结语

从城市扩张的空间角度分析，宁晋县主城区城市扩张的整体方向为由东南向西北，以向外扩张为主。距城市地理中心3 000 m处，城市扩张量及城市扩张速度达到最大。从城市扩张的时间角度分析，宁晋县主城区建设用地的面积逐年增加，扩张速度逐年减慢。城市扩张是各项驱动力因子相互作用的结果，宁晋县主城区城市扩张过程中，社会因素占主导地位，经济、政策因素起推动和促进作用，人口数量和中学在校学生数量是研究区城市扩张的核心驱动力，经济指标是研究区城市扩张的强力催化剂，交通指标为研究区内城市扩张提供基础保障。