基于GIS的城市扩展特征及驱动力分析——以河南省巩义市为例

汪 潇， 王培鑫

(河南农业大学，河南郑州 450000)



基于GIS的城市扩展特征及驱动力分析
——以河南省巩义市为例

汪 潇， 王培鑫

(河南农业大学，河南郑州 450000)

摘要以河南省巩义市为例，对采集到的2006、2009、2013年3期的巩义市遥感影像进行处理，借助GIS技术手段以及ArcGIS平台，选用城市紧凑度、城市扩展强度、 城市扩展弹性系数等指标，运用城市用地等扇方位法的空间分析方法，分别提取3期的城市边界和3期的城市形态图进行城市中心城区扩展的对比分析，并从自然因素、交通因素、人口因素、经济与产业结构因素等方面研究城市扩展的驱动力。结果表明，2006～2013年巩义市中心城区面积由21.997 5 km2扩展为33.633 1 km2，逐步形成城区中心和西北组团状、南部放射状、东北沿交通干线轴发展的扩展模式；巩义市城市扩展是多重因素共同作用的结果。

关键词城市扩展；巩义市；GIS技术；遥感影像；驱动力

城市化，又称作城镇化(Urbanization)，指的是非城市人口向城市不断聚集的过程,这一过程包含了社会、人口、资源、空间和经济转换等多方面多层次的内容。近年来，经济的飞速发展使得城市化进程明显加快[1]。同时，城市形态以及城市周边地区土地利用的模式也在不断变化，人口增加导致的用地需求量增加与用地不合理性的问题日渐突出。社会经济发展必然会导致城市化，并且城市化也是社会经济发展的重要一环，城市化不但表现在城市人口的增长,城市农业人口比例减少，而且也表现在城市空间区域的扩展。

巩义市位于河南省郑州和洛阳之间，隶属于郑州市，东接荥阳，西邻偃师，南靠嵩山，北依黄河。在中原城市群崛起以及中原经济区上升为国家战略的背景下，紧邻省会郑州为巩义城市发展和城市边界扩大注入了源源不断的动力，但同时也出现了诸多问题与挑战，怎样实现城市发展的科学性与可持续性发展，如何调节好人地关系，成为未来巩义市发展的主要难题。笔者选用2006、2009、2013年3期的遥感影像数据[2]，基于GIS技术平台[3]，运用城市用地等扇方位法对巩义市中心城区的城市用地扩展程度和城市空间形态变化进行研究，并对其驱动力进行分析。

1数据来源与研究方法

1.1城市形态信息提取

1.1.1遥感影像数据的选择。以河南省巩义市城区为研究对象，选取2006、2009、2013年3期Landsat 遥感影像数据， 研究的时间跨度为7年，正处在巩义市城市快速发展时期。结合巩义市的相关统计资料，利用Erdas Imagine 和 ArcGIS 软件进行影像数据信息解译提取与处理。

1.1.2城市边界提取。城市边界是指城市已建成的边界，而不是城市的行政边界[4]，在进行巩义市城市边界提取时，要遵循以下原则：城市边界实体应当保持在空间上的不间断性，在城市内部出现的比较微小的、非城市用地的地块或者是城市内部的水体都将其划到城市实体内，而较大的地块如林地、荒地则不将其划入。

利用Erdas Imagine遥感软件对巩义市3期的遥感影像进行多波段合成，使各期影像都能精准匹配，再对配准过的影像图进行数字化功能增强。在ArcGIS软件中以人机交互目视的判读方式解译巩义市3期的遥感影像，利用拓扑处理获得3期的巩义市城市边界矢量图即城市形态图并进行栅格化输出。

1.2城市扩展的研究方法和指标根据巩义市3期的城市形态图，选取叠加分析法、城市用地等扇方位法的空间分析方法，以及城市紧凑度、城市扩展强度、城市扩展弹性系数等指标来分析巩义市城市空间扩展和相关特征。

2结果与分析

2.1巩义城市扩展分析根据2006、2009、2013年3期遥感数据，在ArcGIS软件中进行处理，得到2006～2013年的中心城区城市形态图谱(图1)。从城市用地扩展的数量特征、形态空间分异特征以及合理性3方面分析巩义市的城市扩展状况。

图1　2006～2013年巩义市城市形态演化轨迹

2.1.1巩义城市用地扩展的数量特征。利用ArcGIS软件中的统计测量工具，分别对2006、2009、2013年3期的巩义市城市形态矢量图进行测量，得出各时期城市用地面积的信息，并以此作为分析巩义市城市扩展的数量特征的基础。为了使不同时期的巩义市城市土地扩展的速度具有可比性，用巩义市土地总面积(根据国土部门提供的土地利用现状图统计得知，2007年巩义市全市总面积为53.75 km2)对其年平均扩展面积进行计算，得到巩义市2006～2013年的城市用地扩展强度指数(表1)。

表1　2006～2013年巩义市城市用地扩展面积以及强度指数

由表1可知，2006～2013年内巩义市中心城区城市用地扩展明显，城市用地面积由2006年的21.997 5 km2扩展到2009年的26.443 6 km2，再扩展到2013年的31.633 1 km2，7年间城市用地增加了9.64 km2;2006～2009年城市用地增加了4.45 km2，2009～2013年城市用地则增加了5.19 km2，城市形态显著扩大。

依照城市用地扩展强度指标，2006～2013年巩义市城市用地扩展强度为2.54，大于1.92，因此为高速扩展阶段。其中2006～2009年巩义市城市用地扩展强度为2.75，而2009～2013年的扩展强度指数略有下降为2.41，但却仍然远大于高速扩展阶段的强度指数临界值。总体上巩义市城市用地扩展规模较大，城市处于高速扩展阶段。

2.1.2巩义城市用地扩展的形态空间分异特征。随着巩义市中心城区的不断扩展，城市用地的不断增加，其城市形态也在不断发生着变化。根据巩义市城市形态演化轨迹(图1)，2006年巩义市城区规模较小，城市总体呈现团块状，城市部分边缘不规则的向外辐射，即西北部呈整体团块状，东南部则向外发散的狭长型。2009年巩义市整体形态基本不变，东南部的向外发散的狭长型之间出现小部分新的城市用地。2009～2013年，巩义市城市东部团块状的城市用地部分不断扩展，同时东北部，以及城市南部的4条放射带规模也在不断扩大，南部的放射带之间出现了更多碎小的块状城市用地，使城市南部射带之间有了更强的联系。

运用ArcGIS软件基于巩义市3期城市边界矢量图测量统计获得2006、2009、2013年的城市边界轮廓周长和建成区面积，并根据城市紧凑度计算方法可得各期的紧凑度指数(表2)。

表2　2006～2013年巩义市城市用地紧凑度

由表2可知，2006年巩义市城市用地紧凑度为0.185，到2009年由于城市放射状的发展，整体趋于狭长型，导致巩义市城市内部尤其是南部各部分之间的联系减弱，紧凑度下降到仅为0.061。2013年城市紧凑度指数又回升至0.161，表明巩义市南部的放射状的城市部分之间的联系不断加深，城市整体凝聚性得到一定提高，趋向于团状发展。

为了进一步分析巩义市城市用地在不同方位的扩展分异特点，可采用“城市用地等扇方位法”。以巩义市人民路路东端点为所要绘制圆的圆心，以6 km长为半径绘圆，以南偏东11.25°为起点，将所绘制的圆等分成16个夹角与面积均等的区域，等扇分割2006、2009、2013年3期巩义市城市形态图，形成巩义市城市形态等扇叠加结果(图2)。

图2　2006～2013年巩义市城市形态等扇叠加结果

由图2可知，2006～2009年和2009～2013年2个阶段巩义市城市用地扩展在方位上存在明显差异。2006～2009年城市用地主要集中在N、NEE、SEE、SE 4个方位上，在NNE、NE、E、S、SSW、SW、SWW、W 8个方位上有少量扩展，而在剩余的SSE、NWW、NW、NNW 4个方位上基本没有扩展。2009～2013年，巩义市在NE、NEE、S 3个方位城市扩展较为明显，在W、NW上基本没有城市用地的扩展，在剩余的11个方位上有少量的扩展。总体来看，2006～2013年巩义市城市用地的扩展集中在NEE、E、SEE、S方位，即城市东部和南部，而在城市的西部、北部则扩展较少，城市整体空间形态处于非均衡扩展状态。

2.1.3巩义城市用地扩展的合理性。为了准确定量地评价巩义市城市用地扩展的合理性，根据《河南省统计年鉴》[6]有关巩义市中心城区人口的统计资料，运用城市用地扩展弹性系数公式(城市扩展弹性系数=城市面积年均增长率/城市人口年均增长率)，计算得出巩义市2006～2009年、2009～2013年和2006～2013年3个时段的城市用地扩展弹性系数(表3)。

表3　不同时段巩义市城市扩展弹性系数

由表3可知，2006～2009年巩义市的城市人口年均增长率远高于城市面积年均增长率，城市扩展弹性系数则远低于合理临界值1.12，表明城市用地的扩展已经跟不上城市人口的增长，城市扩展用地已无法满足人口快速增长的土地需求，人地矛盾比较突出。2009～2013年虽然城市人口年均增长率明显下降仅为0.09，城市扩展的弹性系数上升为0.8，但仍然低于合理值，人地供需关系的问题仍然存在。总体上，2006～2013年巩义市的城市用地扩展与人口增长之间存在着不协调，但有向合理性方向发展的趋势。

2.2巩义城市用地扩展的驱动力分析

2.2.1自然环境。城市空间的扩展的基础与前提就是其所处的自然地理环境，城市的地形、周围的山脉和水文等条件都影响着城市形态以及城市的扩展。巩义位于位于嵩山北翼，西距古都洛阳市76 km，东距省会郑州市82 km。

巩义地势总体上呈现出南高北低，东高西低的态势。全市范围内地貌形式多样，有中山、低山、丘陵以及河谷平原。巩义市行政边界内的最高点玉柱峰(嵩山)海拔为1 487 m，最低点位于河洛镇的河洛滩，海拔为104 m，相对高差达到1 336 m。按地形地貌成因类型，巩义市全市(行政边界)可划分为丘陵山地、黄土台塬和河谷阶地3种类型。市域范围内主要西南丘陵区和北部河谷平原区分为2种地貌类型[7]。

正是由于处在这样的地貌环境下，对巩义市的城市用地扩展在各方位上产生了相关差异：西南部的丘陵区使其周围的城市用地受地形的影响呈现出放射状的扩展；而在北部的河谷平原区的城市用地则出现团块状的扩展。

黄河、淮河2大流域都在巩义市内均有分布，巩义市境内的水系主体主要为黄河和伊洛河，其他部分河流属季节性河流，大气降水和其他河流的过境水成为巩义市水资源的主要补给来源。巩义市中心市区的西北部靠近伊洛河，水文条件优越，加上地势平坦，适合城市用地扩展的需要。

同时，重点文物保护单位如北宋皇陵位以及生态保护区都影响城市的扩展。不同区域的自然地理环境条件的不同造成了巩义市城市用地扩展在不同方位上的差异。

2.2.2交通建设。城市交通设施的发展，城市交通网络的不断完善，可以大大加快有效信息和相关资源的流通效率，扩大城市的服务半径，增进与周边中心城市如洛阳与郑州的交流联系，增强城市中心与周围乡镇如芝田镇与站街镇的通达性，促进城市内部的资源向城市边界扩展[8]。

巩义市域现状综合交通运输网络由铁路和各级公路2部分组成。铁路方面，陇海铁路横贯全境，专用支线5条，地方铁路1条。公路方面，巩义市15个镇(办)，292个行政村全部通油路或水泥路，境内公路里程达到1 991.409 km。其中主要有连霍高速，国道G30,省道S237、S314，县道8条，乡道64条，村道1 074条。

基于ArcGIS软件平台，提取巩义市遥感影像中的道路信息并与城市扩展图进行叠加绘制出巩义市综合交通图(图3)。由图3可知，巩义市的城市扩展与其道路网关系密切，中心城区可以利用铁路获取用于城市发展的资源，以铁路交通网络为轴心不断发展，并依托北部的连霍高速公路以及周围的主要交通干道(如国道G30)加强与周围城镇的联系。而巩义中心城区周围的乡镇则依靠于邻近的主要交通干道，以道路为发展中心沿道路两侧向四周扩散。可以说城市交通的建设为巩义市的发展提供了基础，起到了积极的空间引导作用。

图3　2013年巩义市综合交通情况

2.2.3人口的增长与流动。由于与郑州、洛阳2大城市的距离较近，并且巩义市自身经济飞速增长的条件下，巩义市人口持续增长。

根据《巩义市城市总体规划(2001-2020)》，2006年巩义市城镇化水平为40.1%，中心城市城镇人口为18.02万，2009年为28.33万，2013年则达到了39.68万。依据巩义市目前的城市扩展速度以城镇化的进程，预计到2020年中心城市人口规模将达到45万以上。

城市人口的发展趋势与城市用地的扩展趋势之间具有很高的一致性。一方面，城市人口的增加会对住房、交通、公共基础设施、公共福利设施的需求量增大，进而对城市空间的需求量也进一步增大，这就成为城市用地的向外扩展的必然性要求[9]，而同时城市用地的不断扩展也将会吸引更多的外来人口或者农村人口转化为城市人口；另一方面，当城市人口增长过快时，如2006～2009年巩义市中心城区人口年均增长率达到15%，而城市用地年均扩展面积仅为6.2%，城市用地扩展远远跟不上人口增长速度，将会导致城市人口密度过大，交通拥挤，相关基础配套设施跟不上，引发各种城市问题的出现，即城市用地扩展的合理性较低。

此外，人口流动如中心城区与城郊乡镇之间的人口流动也会对城市扩展产生一定影响。例如随着城市居民物质生活水平的提高，其对自身的居住条件有了更高的要求，而巩义市东南部城郊具有优质的居住环境，这就会促进巩义市东南部城市用地的扩展，城市边界向外延伸。

2.2.4经济发展与相关产业布局。城市经济的发展为城市扩展注入了强大动力[10]。根据《河南统计年鉴》，2006～2013年巩义市GDP由242.87亿元急速上升至527.81亿元，人均GDP由30 358元迅速翻倍至65 024元。在巩义市经济飞速发展的同时，三大产业也在不断发展，进而又推动了城市用地的扩展。

首先是第一产业，巩义市农业经过近几年的发展，目前已初步形成5大农业产业布局：西村镇、芝田镇、回郭镇、鲁庄镇、优质粮食作物基地；北部邙岭林果生产基地；黄河滩区高效经济作物生产基地；东南部山区无公害农产品生产基地；G310沿线生猪、蛋鸡养殖业基地。并以此为基础打造4大农业生产基地：西部沿伊洛河、陆浑灌区，建设优质专用粮和优质畜产品生产基地；北部沿黄区，建设高效经济作物和养殖业基地；东南部山区，建设优质干果基地；北部邙岭，建设林果业基地。

其次是第二产业，要构筑巩义 “一带三区”的产业格局。“一带”是指东部沿G310线，建设米河—大峪沟的冶金建材轻纺产业带；“三区”即回郭镇铝工业园区、豫联工业园区和工业示范园区。

最后是第三产业，巩义市在郑汴洛“三点一线”旅游带内，应发展自身的多元化旅游资源，形成以北宋皇陵、杜甫故里、唐三彩等为代表的唐宋文化游；以康百万庄园、刘镇华庄园等为代表的庄园文化游；以浮戏山雪花洞、青龙山慈云寺等为代表的风景名胜游；以河洛文化游览区为代表的河洛文化游；以豫西抗日先遣支队历史遗址为代表的红色文化游；以现代名人纪念馆、陈列馆等为代表的名人文化游；以重点园区(企业)为代表的工农业游的多元化旅游体系。

纵观巩义市整体，第一、三产业的比重偏低，而第二产业的比重偏高，产业结构以及产业区的布局都将影响城市扩展。工业的不断扩展，所需要的园区用地量也就越大，进而部分的城市用地会围绕工业园区的设立而向外扩展，同时工业开发区也能带动小城镇实现空间的不断扩展。南部山地旅游区和北部生态保护区，小城镇撤并力度不断加大，城镇的中心极化作用在不断加强，这样以旅游业为首的第三产业的发展，就对城市扩展的方位产生了重要影响。

3结语

该研究借助ArcGIS和Erdas Imagine软件平台对采集到的2006、2009、2013年3期巩义市遥感影像进行处理，并提取出3个时期巩义市中心城区的城市边界，对巩义市城市用地扩展在程度和空间分异上进行分析。结果表明，2006～2013年巩义市中心城区面积由21.997 5 km2扩展到33.633 1 km2，扩展程度较大，且扩展主要集中在城市南部以及东北部，由于受丘陵地形等影响，东南部呈现出城市边界放射状扩展，东北部城区由于围绕主要道路和铁路也呈现出放射状扩展。逐步形成巩义城区中心和西北组团状、南部放射状、东北沿干线交通轴发展的扩展模式。巩义市城市用地扩展程度虽大，但由于城市人口增长过快，导致城市扩展用地的合理程度十分低；但在2009年以后，城市扩展用地弹性系数上升，城市扩展用地的合理程度正在不断提高。

城市扩展是自然环境、人口与经济、交通与产业等多重因素共同影响作用的结果。自然环境是前提，人口则为城市扩展提供支撑，经济成为城市扩展的动力，交通为引导城市扩展方向标，而产业布局则影响着城市扩展的方位。如何利用好自身的区位优势，调节好人口增长与城市用地扩展的关

系，如何合理利用土地和安排产业布局以及相关城市扩展目标，成为当下巩义市城市发展的关键问题。

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Research on Urban Expansion and Its Driving Force Based on GIS—A Case Study of Gongyi City in Henan Province

WANG Xiao, WANG Pei-xin (Henan Agricultural University, Zhengzhou, Henan 450000)

AbstractBased on ArcGIS software platform and GIS technical means, this paper collects remote sensing images of Gongyi at different periods(2006,2009,2013)and adopts methods of fans analysis and urban expansion intensity, compactness, elasticity coefficient to urban expansion by means of extracting the urban built-up area boundary. By analyzing the various affecting factors such as the society, economy, environment, population and triffic and so on, this paper studies the driving force of urban expansion, as well as the influence produced due to the city dynamic changes. The results showed that during 2006-2013, the central urban area of Gongyi expanded from 21.997 5 km2to 33.633 1 km2, gradually form the city center and the northwest group, the south radial, northeast along the route of transportation development model, Gongyi City expansion is the result of multiple factors.

Key wordsUrban expansion; Gongyi City; GIS technical means; Remote sensing; Driving force

收稿日期2015-11-30

作者简介江潇(1988- )，女，河南固始人，助教，硕士，从事人文地理与城市规划研究。

中图分类号S-9

文献标识码A

文章编号0517-6611(2015)36-330-04