基于的GIS兴平市城市用地扩展时空特征分析

王 荣，刘晓曼，刘世锋

（1.天水师范学院 资源与环境工程学院，甘肃 天水 741001；2.环境保护部卫星环境应用中心，北京 100101）

建设用地演变是城市化的一个重要标志，城市化过程对社会、经济和环境产生了广泛而深远的影响，成为重点关注的问题.而建设用地的空间扩展作为衡量城市化水平的重要测度指标，[1]成为经济地理研究的热点.要解决城市扩展带来的相关问题，首先必须深入分析城市建设用地扩展的具体特征，从而揭示城市扩张的演变规律.目前国外对不同地区的建设用地扩张模式及动力机制等问题进行了大量的研究，主要采用RS与GIS技术、数学方法、空间模型等综合集成技术来进行城市扩张特征的定量化分析、动态监测及模拟和预测.[2-9]在中国快速城市化的背景下，对城市土地扩张的时空特征、模式及其影响机制方面有大量研究.特别是北京、上海、广州、西安等大都市区由于城市规模大、功能强、结构复杂，其研究成果具代表性.][10-22平原地区城市的空间扩张不同于西部河谷型城市，虽有一些研究，但成果不多，其中贺振等对郑州这个典型的平原型城市的研究比较深入.[23-26]

兴平市作为以大中城市——关中中部为依托的“卫星城”，近年来城市化进程逐渐加快，特别是2009年关中—天水经济区批复通过后，是我国西部发达的城市群和产业集聚带，国家“十一五”西部大开发战略规划提出的重点经济建设区.经济区的建设带动了西北地区经济的快速发展.因此，本文以不同时期的兴平市行政区划边界及多时相TM遥感影像为基础，基于eCognition、GIS等空间分析软件平台，运用缓冲区分析方法，提取城市建设用地信息，并利用年均扩展强度指数、年均扩张率、城市用地扩展弹性等特征指数指标进行定量分析，为咸阳兴平市的基础设施建设、空间规划及功能分区提供科学依据.

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

兴平市地处陕西关中平原腹地、咸阳市西部，渭河北岸，界于34°11′51″N～35°32′N，107°38′E～109°10′E，是以大中城市为依托，国家“十一五”西部大开发战略规划提出的重点经济建设区.兴平市地区差异不大，渭河一级阶地比黄土台原多30mm，市西略大于市东；该市属于暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候，年均气温13.1℃，≥10℃活动积温4269.5℃，年平均日照平均数为2065.2h，≥10℃期间的日照时数为1253.4h，占年总数的62%；年平均降水量584.7mm，降水年际变化大.现辖5个街道办事处(东城街道办、西城街道办、店张938街道办、马嵬街道办、西吴街道办)及8个乡镇(庄头镇、桑镇、南位镇、南市镇、赵村镇、汤坊镇、丰仪镇、阜寨镇)、2个工业区，总面积510km2，2013年总人口61.13万人，其中非农业人口13万人；研究区以城市建设中心区为中心，西宝高速公路横穿东西，西兰高速纵贯南北，形成“一核两轴”的空间布局体系.

1.2 数据来源及处理

本文以1999年、2004年、2009年和2014年的四期Landsat TM遥感影像、兴平市行政区划图、地形图(1：10万)及相关统计年鉴为基础数据源，首先，利用ENVI4.8对地形图进行几何校正，然后利用校正后的地形图几何纠正四期TM影像，误差控制在0.5个象元内，并进行图像增强等处理，然后利用面向对象综合考虑纹理、形状、上下语义关系等空间及光谱信息的eCognition软件，提取四期关中-天水经济区城市建设用地信息，最后，通过1：10万地形图和实地调查进行检核.利用arcgis10将四期城市用地数据层空间数据叠置分析，得到1999～2014年兴平市城市用地扩展进程图（图1）：

图1 1999～2014年兴平市城市用地扩展进程图

1.3 研究方法

1.3.1 城市用地扩展强度指数

城市用地扩展强度指数指标是指研究单元在研究时间内城市土地利用扩展面积占土地总面积的百分比，即城市用地年均扩展速度的标准化处理指标，使得不同单元的城市用地扩展强度具有可比性，[27]城市扩展强度指数指标公式：

注：I(i，t+n)为城市用地扩展强度指数；A(i，t+n)为第i个研究单元、第t+n年的城市用地面积；A(i，t)为第i个研究单元、第t年的城市用地面积；pi为第i个研究单元总面积；n为研究时段的时间间隔.

1.3.2 城市用地扩展规模弹性系数

城市用地扩展是一个复杂的动态变化过程，为分析城市用地扩展的合理性，国内外学者一般采用城市扩展规模弹性系数来衡量城市扩展的合理性.根据中国城市规划设计院对我国历史城市化进程的研究表明：该弹性指数指标为1.12时较为合理，即城市人口每增加1个百分点，城市用地面积增加1.12个百分点，城市用地扩展规模弹性系数小于1.12时，会导致城市用地紧张；大于1.12时，则可能造成城市用地扩展过快，导致土地利用效率低下；[27]城市用地扩展规模弹性系数指标公式：

注：Ri为时间间隔内城市用地扩展弹性系数；Ci为时间间隔内城市用地面积年均增长速度；Pi为时间间隔内改成是人口年均增长速度.

1.3.3 城市用地空间扩展分析

以研究区1999年中心城区为核心，向外每1km间隔做16个等距离缓冲带，然后将个缓冲带分别于各期城市用地分布图及扩展强度分布图进行空间叠加分析，利用GIS的相关统计分析功能计算出各缓冲带内不同时段城市用地扩展面积、扩展强度等特征，再以各缓冲带位研究单元，利用等级分类法对各时段城市用地扩张强度进行聚类分析，依次划分为高速扩展、快速扩展、中速扩展、低速扩展及缓慢扩展五个等级，获取各时段内兴平市城市用地扩张的空间分异图.

2 结果分析

2.1 城市用地规模弹性特征分析

城市用地规模弹性系数指标是城市用地扩展合理性与否的重要衡量指标，根据中国城市规划设计院对历年城市化进程的分析，该弹性指数指标为1.12时较为合适，城市用地规模弹性系数等于城市用地增长率与城市人口增长率之比.1999～2004年兴平市城市用地规模弹性系数为0.76，2004～2009减小到0.55，2009～2014年城市用地规模弹性系数降低至0.08，远远低于1.12的合理水平；说明随着关中—天水经济区、十一五及十二五规划进行，兴平市工业化、城市化水平的不断提高，兴平市城市用地越来越紧张.

2.2 城市用地扩展面积空间分异特征

图2 1999～2014年城市用地扩展面积统计图

图3 1999～2014年各缓冲区城市用地扩展面积统计图

1999～2014年兴平市城市用地面积逐年均有所增加，但不同时段不同缓冲带空间范围内其扩展规模和强度均有较大的差异.兴平市城市用地由1999年32.23 km2增加到2014年的155.28km2，扩展了123.05km2，平均每年扩展了8.2km2（见表1、图2）.且扩展面积在个缓冲带空间分异明显，总体上呈现距中心城区的近郊圈层扩展面积变化较大，在距中心城区8km处达到最大，具有较强的空间集中性和中心邻近性；在远郊圈层扩展面积逐渐减小，整体呈明显的“圈层式”扩展模式（见图3）.其中，第一时段（1999～2004年）为缓慢扩展阶段，该时段的扩展区域比较集中，主要分布在核心建成区周围，扩展量不大，扩展区域比较直观、明显，扩展面积峰值在距中心城区8km处，缓冲区8km之外的圈层，扩展面积依次逐渐减小；第二时段（2004～2009年）为平稳扩展阶段，与第一时段相比，兴平市城市用地有所扩展，总扩展面积为33.31，但扩展速率较慢，年均扩展速率为0.23，年均扩展面积比第一阶段增加了0.21，各缓冲区扩展面积统计曲线表明：第二阶段扩展面积峰值分别出现在1km、5km、8km处，且峰值处扩展面积相差不大；第三时段（2009～2014年）为快速扩展阶段，由兴平市城市用地扩展面积统计图可知，该阶段扩展面积统计曲线斜率明显增大，即扩展面积迅速扩大，总扩展面积为155.28km2，占研究区总面积的30.44%，年均扩展面积31.05km2；由兴平市城市用地扩展空间分布图（图4）D图与C图对比可知：该阶段城市用地空间扩展主要分布在在两条交通主干道轴线所分象限的第I、III象限，第III象限城市用地扩展主要发生在兴平市与县市的交界边际处；兴平城市用地扩展面积统计分析图表明：与前两时段相比，该时段扩展主要表现为距中心城区4km以内，第三时段城市用地扩展面积介于第一与第二时段之间，城市用地扩展面积峰值为17.77km2，8km缓冲带圈层以外，城市用地面积各圈层呈逐渐衰减趋势.

图4 1999～2014年兴平市城市用地扩展空间分布

2.3 城市用地扩展强度空间分异

1999～2014年兴平市城市用地扩展扩展指数指标统计分析表(表1)：

表1 1999～2014年兴平市城市用地扩展特征指数统计分析表

1999～2014年兴平市城市用地扩展强度及扩展率统计图（图5）、扩展强度随距中心城区距离变化图（图6）表明：

图5 1999～2014年年均扩展强度及扩展率统计图

图6 1999～2014年扩展强度随距中心城区距离变化图

1999～2004年、2004～2009年兴平市城市扩展年均扩展强度统计曲线基本保持水平，年均扩展强度指数Ei由1.26增长到1.30，后期与前期相比，仅增长了0.04，因此，与1999～2004年相比，2004～2009年兴平市城市扩张年均扩展强度保持平稳过渡；但2009～2014年年均扩张强度指数迅速增加，增长了4.78；与之不同的是：与1999～2004年、2004～2009年相比，2009～2014年城市用地扩展的年均扩展率有所减小，但整体上基本保持不变.不同时段兴平市城市用地扩展强度指数随距中心城区距离变化表现出显著时间特征分异规律；2009～2014年城市用地扩展强度指数指标整体高于1999～2004年、2004～2009年变化曲线.

1999～2004年不同时段各缓冲带城市用地扩展空间分异规律变化图(图7)及各缓冲区城市用地扩展面积及扩展强度指数指标统计分析表(表2)：

图7 1999～2004年不同时段各缓冲带城市用地扩展空间分异规律变化图

从图7及表2可知，兴平市城市用地扩展强度在各缓冲区空间分异分布明显，总体上呈现城镇扩展速度由近中心区到远郊区逐渐减缓的趋势，城市用地呈现明显的“圈层”扩展模式，紧邻中心城区的圈层具有将强的空间集中性和中心邻近性，1999～2004年、2004～2009年及2009～2014年，紧邻中心城区的圈层均为高速扩展区，且随着时间的推移，紧邻中心区的区域扩展强度逐渐缓慢，而边缘远郊区城市用地扩展强度逐渐由中速扩展区变为快速扩展区；其中1999～2004年，城市用地快速扩展区主要集中在2～5km缓冲带区域范围内，该区域占研究区总面积的43.55%，该区域内城市用地扩展面积占该区域总面积的9.35%；该区域年均扩展强度指数为5.58，是该时段研究区总体水平的4.43倍；2004～2009年各等级扩展区均匀分布，但与1999～2004年相比，紧邻中心城区的2～5km缓冲区城市扩展强度有所减缓，但8～12km缓冲区城市扩展强度逐渐增强；至2009～2014年时间段该变化特征更加显著，紧邻中心城区的2～5km缓冲带内，城市用地扩展强度进一步变缓，但城市用地快速扩张区主要集中在6～15km缓冲带的边缘远郊区，该区域占研究区总面积的45.69%，该区域内城市用地扩展面积占该区域总面积的40.31%；该区域年均扩展强度指数为6.81，是这一时期研究区总体水平的1.12倍.

表2 1999～2014年各缓冲区城市用地扩展面积及扩展强度指数指标统计分析表

3 结 论

通过以上结果分析可得出以下几方面结论：

（1）1999～2004年、2004～2009年兴平市城市用地扩展面积、年均扩展强度指数基本保持平稳，但与1999～2004年、2004～2009年相比，2009～2014年城市用地扩展强度迅速增加，分别是前两者的4.83、4.67倍；出现差距的原因主要在于2009年关中—天水经济区建设的启动；

（2）1999～2014年，兴平市城市用地呈显著的“圈层式”、扩展模式及“过渡式”演变模式.以5km缓冲区为分界，随着 1999～2004年、2004～2009年、2009～2014年三个时间段的推移，5km以内，城市用地扩展速率逐渐缓慢，呈快速-中速-缓慢扩展的演变模式；5km以外，城市用地扩展速率逐渐加快，呈低—中—快扩展的演变模式；总体符合城市用地演变逐渐“边缘化”的扩展规律；

（3）2009～2014年，兴平市城市用地扩展面积比1999～2004年、2004～2009年分别增大了4.83、4.676倍；但2009～2014年城市用地扩展比较集中，主要分布在西宝、西兰两条主干高速交通道所形成的象限的第I、III象限，引起该现象的主要原因是兴平市十二五规划工业园区集群发展与历史文化、依傍渭河一带旅游商贸区的开发.

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