徐州城市空间扩展特征分析

薛丽芳，孟瑶瑶，江 燕，于红学

（1.中国矿业大学 资源与地球科学学院, 江苏 徐州 221116）

在全球城市化进程中，城市空间急剧扩张给城市发展带来诸多问题，使得脆弱的城市生态环境承受巨大的压力，对可持续发展构成了严峻的挑战。对城市建设用地扩展进行及时的监测及模拟，并制定具有前瞻性、科学而连贯的城市扩展调控政策一直是国内外城市发展研究的热点[1-4]。国内的相关研究开始于1990年代，侧重于城镇用地扩展的时空过程、模式及其特征、影响因素与驱动机制、导致的资源环境问题、未来发展预测以及增长控制、保障研究等方面。实证研究一方面是全国尺度[5]以及京津冀、长三角、珠三角[6-9]等主要宏观经济区域尺度的城市建设用地增长；另一方面是对经济较发达城市和大城市的研究较多[10-13]。相对而言，欠发达区域和低等级城市的研究较少。

徐州地处东部经济发达地带的相对低谷区，但作为全国重要的水陆交通枢纽和淮海经济区的核心城市，1980年以来经济和城市建设发展迅速。同时，徐州有百余年的煤炭开采史，随着资源的枯竭，由典型的矿业城市向多样化与综合化职能城市转型。区域中心性城市建设和矿业城市发展转型的背景对徐州空间扩张以及土地利用结构产生双重而深刻的影响。本文探讨1983年以来徐州空间发展以及城镇建设用地扩展的时空变动趋势和差异，可补充城市发展的实证研究，也为制定徐州城市化与可持续发展相关政策提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

徐州位于江苏省西北部，苏、鲁、豫、皖4省交界处。徐州市区面积3 059 km2，辖鼓楼、云龙、泉山、铜山、贾汪5个区。1990年以来，江苏省加大对苏北老工业基地的投资建设力度，徐州的基础设施和投资环境得以大幅改善，促进了经济扩张和城市化快速发展。2013年，徐州市区总人口321万人，非农人口250万人，GDP 2 403亿元，建城区面积253 km2。1983～2013 年，徐州市区GDP增加了2 395亿元，非农人口增加189万人，建成区扩展了212 km2。

1.2 数据源及处理

以1983、1993、2003、2013年4期Landsat TM/ETM+影像提取徐州土地利用变化以及建设用地的扩张信息。采用ENVI软件对影像进行处理、解译和精度评价，最终得到4期的土地利用分类数据以及建设用地扩展信息（图1）。利用ArcGIS软件对城镇建设用地进行信息提取和空间统计分析。

图1 1983～2013年徐州土地利用类型及城镇建设用地扩展

徐州市土地利用结构以耕地、建设用地和林地为主，3种用地类型占比4期均在90%以上。1983～2013 年间占比变化增加的主要土地类型为建设用地、水域。建设用地从311.06 km2增加到755.51 km2，增加了1.4倍，水体增加了68 km2。建设用地的增加无疑源于城镇化进程，结合土地利用变化的转移矩阵，其用地来源主要为耕地（438 km2）、林地（59 km2）和草地（19 km2）。水体的增加主要源于东北贾汪和西北铜山的煤矿区内采空区和塌陷地的增加。减少的土地利用类型为耕地、林地和草地，分别减少了286 km2、174 km2、71 km2。

1.3 研究方法

1.3.1 空间形态指数

1）分形维数。分形可反映城市形态的复杂程度及土地利用受干扰的程度：

式中，St为第t年研究区域的分形维数；At、Pt分别为第t年城镇建设用地的面积和周长。S值的理论范围是1～2之间，S值越大表示图形形状越复杂。当S<1.5时，图形趋于简单；越接近1.5越不稳定；当S>1.5时，图形更加复杂。

2）紧凑度。紧凑度是衡量城市空间形态变化的重要指标：

式中，Ct为第t年研究区紧凑度；At为第t年研究区城镇建设用地面积；Pt为第t年研究区内城镇建设用地的周长。C值在0～1之间，其值越大紧凑性越好。城市形态分形维数的倒数与紧凑度之间服从指数关系[14]。

1.3.2 空间扩展指数

1）扩展强度指数。城市扩展强度用以比较不同时期城市土地利用扩展的强度和空间差异：

式中，Et为研究区域的城市扩展强度指数；Ft为研究区域的城市扩展速度指数；ΔA为研究时段内非城镇建设用地转化为城镇建设用地的面积；A为研究区总面积；Ai为研究时段初期研究区内城镇建设用地的面积；T为研究时段的时间跨度。根据年均扩展强度指数，划分为缓慢（<0.28）、低速（0.28～0.56）、中速（0.56～1.05）、快速（1.05～1.95）、高速扩展（>1.95）[10]。

2）城市建设密度，指某区域范围内建设用地面积占总土地面积的比例：

式中，Iti为t时间i区域城镇建设用地的建设密度；Abti为t时间i区域城镇建设用地的面积；At为t时间i区域的总面积。

陈少平：2019年，广东垦区上下将全面贯彻党的十九大和十九届二中、三中全会精神，以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，深入贯彻习近平总书记对农垦和广东重要讲话精神，高举新时代改革开放旗帜，抓住粤港澳大湾区建设这一大机遇、大文章，立足农垦定位，发挥垦区优势，持续推进“走出去”发展，让广东农垦的发展搭上新一轮改革发展的快车，为实施乡村振兴战略、质量兴农战略、健康中国战略做出广垦贡献。

1.3.3 空间扩展分析方法

1）象限方位分析。以1983年建设用地的中心为原点、东西方向为横轴、南北方向为纵轴，将研究区划分为8个象限，与各时期城镇建设用地分布图叠加，以定量分析城镇建设用地的时空方位变化。

2）缓冲区分析。以1983年建设用地的中心为基准点向外作4 km等间距多环缓冲区，将各缓冲区与建设用地图叠加，以分析城镇建设用地随中心城市距离的变化。

2 结果与分析

2.1 城市空间扩展及形态变化特征

根据影像特征和空间形态指数的计算结果（表1），将研究期内城镇空间扩展及其形态特征分为3个阶段。

“星形结构”及其内部充填时期（1983～1993年）。城镇用地沿城北、城西、城南呈星状内部填充扩展，分维数下降而紧凑度上升。建设用地增加了144 km2，年平均增加14.4 km2，扩展强度（0.47）为低速扩展。

“蔓延扩展”期（1994～2003年）。徐州城东北、城西北和城南不同级别的经济技术开发区建成，表现为外部扩张发展。分维数上升而紧凑度下降，空间形态变得复杂。建设用地扩展了214.9 km2，年均增加21.49 km2，扩展强度（0.70）为中速。

表1 1983～2013年各时间段城镇建设用地扩展强度和速度

“双核+组团”城市起步期（2004～2013年）。随着新城区和高铁商务区的建设，“双核（老中心区和新城区）五组团（金山桥、坝山、九里、铜山、高铁新区）”的城市空间结构初步形成。建设用地在区域范围内进一步扩张，分形维数上升而紧凑度下降。建设用地增加85.6 km2，年均增加8.56 km2，扩展强度（0.28）为低速。

2.2 各象限城镇建设用地变化的时空特征

表2 1983～2013年各时期各象限城镇建设密度变化/%

1983～1993年，新增加的工业用地集中在Ⅴ、Ⅵ象限的段庄、余窑、矿山路、八里屯等地。城北的Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ象限是传统的工业、对外交通、仓储以及军事用地的集聚区，建设用地的发展方向延续了这一趋势。

1993～2003年，传统的建材、煤电、冶金等工业集中于Ⅳ象限的九里山经济技术开发区；装备制造、新能源、新材料以及现代服务业聚于Ⅱ象限的金山桥高新技术产业开发园；城南铜山经济开发区和城东南徐州新区位于Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ象限，其建设密度的增加值超过8%。

2003～2013年，高铁商务经济区的形成、新城区成为新的行政、商务中心区以及2010年铜山县撤县建区，共同推动了Ⅴ、Ⅵ象限建设用地的快速扩展。

2.3 各缓冲区城镇建设用地变化的时空特征

图2、3显示了徐州城镇建设用地密度和扩展强度在各缓冲带的空间分异。

1983～2013年，建设用地的密度随着时间推移在各缓冲区内都表现为增加趋势。其空间分异特点为：①距中心点0～8 km内为中心城市建设的核心区，建设密度不断加强；②8 km之外，建设密度随着与中心城区距离的增加呈逐渐降低的梯度变化；③中心城区的吸引力和辐射范围到24 km处达到最低点，24 km以外，小城镇成为建设用地扩展的主要核心区。

图2 各时期建设用地密度随距中心城区距离的变化

图3 各时间段各缓冲区城镇建设用地扩展的空间分异

建设用地的扩展强度亦呈现从中心向外围的“圈层式”扩展趋势，扩展活跃地域从4 km以内向4～8 km再向8～20 km缓冲带处推移，城市空间格局从内圈聚集向外圈扩散发展。1983～1993年间，4 km以内建设用地为中速扩展，4～8 km处建设用地快速扩展，城市处于集聚发展阶段。1993～2003年间8 km以内为快速扩展区，以外由于各类工业区的建设普遍为中速扩展。2003～2013年间， 4～8 km、12～20 km由于新区和高铁经济区的建设为中速扩展。

3 徐州城市扩展的影响因素分析

1）自然条件的约束。徐州市区以平原为主，北面的九里山和京杭大运河成为城市拓展的自然屏障；西部、西北部和东北部有较大面积的煤炭塌陷地，短期内不宜进行大规模的城市建设；南部是云龙湖、云龙山风景区，作为城市休闲场所和生态屏障，需限制发展；而城东部和东南部，地质条件较好，地势平坦适合作为城市的主要发展方向。

2）经济发展和人口增长的促动。选取1983～2013 年徐州城市社会经济指标与城市建设用地面积进行相关性分析，得出GDP、城市人口、第二产业增加值、社会固定资产投资、第三产业增加值与城市用地面积具有较强的相关性。30 a间，以工业和房地产为主的用地扩展导向是城市扩展的主要驱动力。

3）交通的牵引。交通作为城市发展的基础动脉，成为城市用地规模扩展的主要引导因素之一。1993年前，市内主要道路的铺设奠定了市区发展的主体框架。1993年以后，外环路、国道、高速公路以及高铁等对外交通网络的建设，推动了徐州城市空间多方向和圈层式扩展的动力。

4）规划与政策的引导。徐州城市1984、2003年城市总体规划、1994年修编规划以及徐州都市圈规划等都对城市空间扩展起到了较好的引导作用。此外，城市土地政策、住房制度、户籍制度的改革也推动了城市空间扩展。

4 结 语

1）1983～2013年，徐州城镇建设用地311.06 km2增加到755.51 km2，增加了1.4倍。

2）城镇建设用地在空间象限和距离缓冲区内呈现明显的空间分异特征。建设用地的密度和扩展强度均呈现从中心向外围的“圈层式”扩展趋势。

3）徐州城市用地扩展的速度远远超过人口增长的速度，城市扩展占用大量近郊优质土地，部分近郊农民存在“被城市化”现象，城市扩张与耕地保护、农民利益保障、环境保护之间的诸多利益的协调，从可持续发展的角度，构建科学而合理的紧凑型城市空间发展模式，是摆在城市决策和研究者面前亟待解决的重大课题。

[1]陆大道.我国的城镇化进程与空间扩张[J].城市规划学刊,2007(4):47-52

[2]方创琳.中国城市化进程及资源环境保障报告[M].北京：科学出版社,2009

[3]Lambin E F，Geist H J.Land-use and Land-cover Change:Local Processes and Global Impacts[M].Berlin: Springer,2006

[4]王婧,方创琳.城市建设用地增长研究进展与展望[J].地理科学进展,2011,30(11):1 440-1 448

[5]庄大方,田光进.90年代中国城镇用地动态变化的遥感监测[J].资源科学, 2003,25(3):78-82

[6]张文忠,王传胜,薛东前.珠江三角洲城镇用地扩展的城市化背景研究[J].自然资源学报,2003,18(5):576-582

[7]Tan M H, Li X B, Xie H, et al.Urban Land Expansion and Arable Land Loss in China: a Case Study of Beijing-Tianjin-Hebei Region[J].Land Use Policy,2005,22(3):187-196

[8]李加林,许继琴,李伟芳,等.长江三角洲地区城市用地增长的时空特征分析[J].地理学报,2007,62(4):437-447

[9]黎夏,叶嘉安.利用遥感监视和分析珠江三角洲的城市扩张过程:以东莞市为例[J].地理研究,1997,16(4):56-62

[10]Liu S H.Prieler S, Li X B.Spatial Patterns of Urban Landuse Growth in Beijing[J].Journal of Geographical Sciences,2002,12(3):266-274

[11]张心怡,刘敏,孟飞.基于RS和GIS的上海城建用地扩展研究[J].长江流域资源与环境,2006,15(1):29-33

[12]Seto K C, Fragkias M.Quantifying Spatiotemporal Pat-terns of Urban Land-use Change in Four Cities of China with Time Series Landscape Metrics[J].Landscape Ecology,2005,20(7):871-888

[13]王厚军,李小玉,张祖陆,等.1979～2006 年沈阳市城市空间扩展过程分析[J].应用生态学报，2008,19(12):2 673-2 679

[14]陈彦光,刘继生.城市形态边界维数与常用空间测度的关系[J].东北师范大学学报,2006,38(2): 126-131