绵阳市城市扩展及其驱动力分析

曹 琦，韩元明

(西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621000)



绵阳市城市扩展及其驱动力分析

曹 琦，韩元明

(西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621000)

摘要以遥感影像为数据源，借助GIS的空间叠加分析技术和多要素综合分析功能，提取1985、1990、1995、2000、2005、2010、2014年7个时期绵阳市建成区的扩展信息，并结合绵阳市经济社会数据，从扩展数量、扩展形态、扩展合理性、扩展空间差异4个方面对绵阳市城市建成区扩展情况进行分析；选取自然因素、经济和产业结构因素等方面指标，分析绵阳城市扩展的驱动力。结果表明，1985~2014年绵阳市建成区面积增加了126.27 km2，1985~1995年以中心区为中心呈外延式多方向扩展，1995~2010年呈多方向廊道式扩展，2010~2014年以内部结构调整为主；经济发展和人口增长是绵阳市城市扩展的决定因素。研究结果可为政府提供科学的决策依据，为绵阳市今后的城市规划和生态保护提供指导。

关键词城市扩展；驱动力分析；GIS；绵阳市

西部大开发以来，我国西部的城市化进程加快，特别是大中城市的扩张，对其周边地区的耕地侵占加剧，已深刻地影响着城市的周边环境[1]。城市用地扩张直观地体现了城镇化和城市发展的空间过程和特征[2]，因此研究城市建成区扩展及其驱动力机制，对城市的发展有着重大的意义。国内许多学者采用不同数据源，以RS与GIS为手段，采用空间分析方法，对北京、上海、重庆、杭州等城市的用地扩展及驱动力等进行了系统研究[3-6]。笔者运用RS和GIS技术分析1985年以来绵阳市城市扩展动态变化，并结合统计年鉴、规划资料来分析城市扩展内在驱动力，以期为相关规划的制定和城市的生态保护等提供依据。

1数据来源与研究方法

1.1研究区概况绵阳市作为成渝经济区第二梯队的城市，位于成都、重庆、西安“西三角”的腹心地带，是成都平原城市群的重要节点城市。绵阳市区三面临水，一面靠山，作为河流阶级型城市，涪江纵穿于南北，在南山山麓纳安昌河，城市形状呈西北东南向条带状，东西宽约144 km，南北长约296 km。笔者主要研究绵阳市城市规划区范围内的城市用地扩展。

1.2数据来源 数据涉及绵阳市的城市空间扩展数据；1995年版地形图(1∶5万)；Google Earth绵阳市2010年城市卫星图，以及通过遥感技术所获得的1985～2014年7个时相(1985、1990、1995、2000、2005、2010、2014年)的绵阳市的遥感影像图，通过分析解译，获得了7个时相的城市建成区边界；还有从2004~2015年《绵阳统计年鉴》获得的社会经济基础资料。

1.3技术路线利用遥感和地理信息系统技术可以获取不同时相关于城市空间结构的准确信息，这些信息的解译、分析将为城市变迁的动态监测与规划调控提供有用的技术参数。该研究以绵阳市城区为例，基于多时相TM、ETM+数据，结合1∶5万地形图，用Erdas Imagine 8.7对遥感影像图进行校正配准，利用ArcGIS软件进行解译、处理和空间分析，运用数理统计方法，结合相关社会经济统计资料，通过将不同时期的图像叠加处理，确定各个时相城市建成区面积，得到不同时期的城市用地范围。以此为基础，结合《绵阳统计年鉴》，利用SPSS软件，运用城市建成区扩展分析方法，系统深入地分析绵阳市城市扩展的特征、方向和驱动力机制。

1.4研究方法选择城市建成区扩展分析方法来分析绵阳城市扩展空间特征，它包括3个方面：扩展数量分析法、扩展形态分析方法、扩展合理性的分析方法。

1.4.1扩展数量分析法。用扩展强度指数来分析城市扩展数量。扩展强度指数是指研究区域在研究时期内的城市用地扩展面积占用地总面积的百分比。计算公式为：

R=(Ab-Aa)/Aa×(1/T)×100%

(1)

式中，R为研究期末城市扩展强度指数；Aa为a时间城市建成区用地面积；Ab为b时间城市建成区用地面积；T为时间间隔。

1.4.2扩展形态分析方法 。

(1)城市空间的紧凑度指数。城市的形态变化是城市内部的空间布局和结构的综合反映。衡量城市空间形态变化的重要指标之一就是紧凑度指数。其表达式为：

(2)

式中，C为城市紧凑度；A为城市面积；P为城市周长。

(2)城市空间的分形维数。分形维数在描述城市外轮廓边界形状的复杂性时是一个比较重要的指标。其公式为：

D=2ln(P/4)/lnA

(3)

式中，D为某一时期城市斑块的分形维数；A、P分别是某一时期城市斑块的面积和周长。 分维数D值越大，表示城市形状的不规则程度越大。

1.4.3扩展合理性的分析方法。

(1)建成区扩展弹性系数。城市面积-人口弹性系数描述了城市扩展速度与城市人口增长速度之间的关系，是用来评价城市扩展合理性的指标之一。其数学表达式为：

R(i)=A(i)/Pop(i)

(4)

式中，R(i)为第i时段建成区扩展弹性系数；Pop(i)为第i时段市区人口平均增长率；A(i)为第i时段建成区面积平均增长率。通过对绵阳市历年城市化过程的综合分析，认为R(i)为1.120较为合理。

(2)异速生长模型。 异速生长模型是用来反映建成区人口数量和占地面积增长速度的模型，其表达式为：

(5)

式中，A为城市建成区占地面积；P为城区的人口数量；a、b为常系数。不同的异速生长关系是由与常系数b=0.9比大小来反映的。

2结果与分析

2.1建成区扩展数量分析通过ArcGIS对7个时期城市建成区范围进行空间分析，得到不同时期绵阳市建成区的扩展情况(图1、表1)。从图1、表1得出，绵阳市在1985年建成区面积仅为16.88km2，1985~2014年绵阳市建成区面积呈逐年上升趋势。由表1得出，经过29年的建设，至2014年，建成区面积增长了126.27km2，平均每年扩展4.354km2，扩展强度指数为25.794%。其具体特征如下。

2.1.1城市扩展强度呈阶段性特征，整体呈快速扩展的特征。1985~1990年，由于城市用地面积基数较小，城市的扩展强度高于其他阶段；1990~1995年，城市扩展强度指数达到14.84%，该时期各类开发区建设使城市向周边快速扩展；1995~2010年，扩展强度基本保持稳定，但仍然较高，该时期表现为快速扩展的特征；2010年以后，城市调整了发展模式，城市扩展强度指数为1.926%，为29年间最低。

图1　1985~2014年主要年份绵阳市城市规划区内建成区扩展情况Fig.1　The expansion diagram of the built-up area in Mianyang City in 1985-2014

年份Year面积Areakm2周长Perimeterkm紧凑度指数Compactnessindex分维数Fractaldimension年份Year面积增长量Incrementofarea∥km2面积增长率Growthrateofarea∥%扩展速率Expansionspeed∥km2/年扩展强度指数Indexofexpansionstrength∥%198516.8855.800.2611.8651985~199015.2990.5813.05818.116199032.17102.070.1971.8661990~199523.8774.2004.77414.840199556.04174.860.1521.8771995~200018.3832.7893.6766.560200074.42230.870.1321.8822000~200526.4735.5685.2947.1142005100.89316.400.1131.8952005~201032.0232.7386.4046.3482010132.91426.400.0961.9112010~201410.247.7042.5601.9262014143.15436.800.0971.9111985~2014126.27748.0454.35425.794

2.1.2城市扩展方式呈阶段性特征。根据图1、表1数据和实地的调研分析将绵阳城市扩展分为3个阶段：第一阶段为1985~1995年，城市建成区以中心区为中心呈外延式多方向扩展；第二阶段为1995~2010年，保持较高速度外延式扩展，同时伴随填充式扩展，扩展呈多方向廊道式特征；第三阶段为2010~2014年，扩展方式以内部结构调整为主，伴随少量填充式扩展。

2.2建成区扩展形态分析对绵阳市进行紧凑度和分形维数进行分析，得出绵阳市建成区扩展总体变化特征：1985~2014年绵阳市城市用地扩展表现为快速外延式并伴随阶段性填充式的特征。

2.2.1紧凑度指数。由表1可知，1985~2014年，绵阳市建成区紧凑度指数总体呈下降趋势，最后达到平稳，说明29年间绵阳城市空间呈离散型扩展，形态偏离紧凑，2010年后逐渐达到平稳状态。

2.2.2分维数指数。由表1可知，1985~2014年绵阳市建成区外轮廓边界分维数均在1.8以上，说明绵阳市建成区的空间形状比较复杂。1985~2010年分维数呈增长的状态，表明城市以向外扩展为主。1990~1995年分维数变化较大，紧凑度指数由0.197下降到0.152，是由于绵阳市各类开发区的建设使城市快速向外扩展。2000~2010年分维数由1.882增长到1.911，紧凑度由0.132下降0.096，形态离散的程度减小，表明该阶段城市任以外延式扩展为主并伴随内部填充式扩展。2010年是一个拐点，2010~2014年分维数开始减小，紧凑度指数逐渐趋于平稳，说明该时期城市以内部结构调整为主。总体来说，1985~2010年绵阳建成区是以外部扩展为主，2010~2014年是以内部结构调整为主。

2.3建成区扩展合理性分析

2.3.1城市面积-人口弹性系数。城市面积采用基于遥感影像提取的建成区面积，城市人口采用绵阳市年鉴中市区平均人口，利用公式(4)计算1985~2014年各时期绵阳市建成区扩展弹性系数，结果见表2。

表21985~2014年各时期绵阳市建成区扩展弹性系数

Table 2Expansion elasticity coefficient of the built-up area in Mianyang City in 1985-2014

时期Period建成区平均增长率Averageincreasingrateofbuilt-uparea∥%市区人口平均增长率Averageincreasingrateofurbanpopulation∥%R(i)1985~1990年13.7676.0412.2791990~1995年11.7404.3322.7101995~2000年5.8372.4962.3392000~2005年6.2754.6931.3372005~2010年5.6684.2001.3502010~2014年1.8889.4310.201

由表2可知，1985~2014年绵阳市各个时段建成区扩展弹性系数的平均值为1.703，高于经验值1.120。以2010年为拐点，2010年以前的建成区面积-人口弹性系数均高于1.120，2010年以后的低于1.120。其中1990~1995年建成区扩展弹性系数最大，达到2.710。2010~2014年建成区扩展弹性系数最小，仅为0.201。这表明2010年以前绵阳市建成区空间扩展速度明显快于人口增长速度，处于不合理状态；2010年以后绵阳市建成区空间扩展与人口增长的关系是相对协调的，但要低于合理值。

表31995~2014年各时期绵阳市建成区人口与面积

Table 3Population and area of the built-up area in Mianyang City in 1985-2014

年份Year建成区人口Populationofbuilt-uparea∥万人建成区面积Built-uparea∥km2198522.316.88199029.932.17199534.356.04200038.874.42200548.8100.89201059.9132.91201485.9143.15

2.4城市扩展驱动力分析

2.4.1经济发展是城市扩展的决定性因素。城市郊区化是城市发展到一定水平的必然产物，而经济发展是城市发展的最根本动力。自绵阳市成为地级市以来，城市经济建设取得了飞速发展，绵阳市居民人均消费水平从2004年的4 179元提高到2013年的12 056元，地区GDP从2004的415.05亿元增加到2013年的1 455.12亿元，平均每年增长13.37%，高于全国经济发展的同期平均水平。经济的快速发展促使人们对居住环境的要求提高了，经济条件好的居民纷纷迁向居住条件好的郊区，导致城市扩展。

城市居民收入的高低是一个城市经济发展水平的重要体现，通过对2003~2014年绵阳城市居民人均可支配收入和建成区面积的研究，发现二者存在线性关系。对绵阳市人均可支配收入和建成区面积进行Z-score(标准分数)标准化后，用SPSS软件进行分析，建立一元线性回归方程：Y=0.882X+3E-06，R2=0.778。可见，绵阳市经济发展水平影响建成区面积的扩张，这种影响是决定性的。

2.4.2产业结构的升级促进城市的扩展。随着经济的发展，绵阳市产业结构产生了较大的变化。第一产业占GDP的比例有所降低，从2004年的24%降低到2013年的17%；第二产业有了较大的发展，其中GDP中所占比重从2004年的38%增长到2013年的42%；第三产业所占比重由38%增加到40%。第二、三产业的比重均高于第一产业的比重，产业由低级向高级发展。新兴工业用地和科技产业用地在郊

区的增加，促进城市向外扩展。

2.4.3自然地理环境影响城市的扩展。自然地理环境是城市空间扩展的基础条件，直接影响着城市空间扩展的潜力、方向和速度等[7]。绵阳市作为浅丘平坝地形的城市，特殊的地理环境导致城市的扩展只能依托自然地理环境，城镇用地扩展空间深受地形和水域限制。中心城区坐落在涪江、安昌河、芙蓉溪3江汇合处，城市的东部为富乐山风景区，西南部为高起伏丘的区陵，城市建成区基本不向这两个方向扩展。而西部、北部、东南部为涪江、安昌河谷平坝，地形较为平坦，城市扩展容易实现。所以绵阳市建成区沿涪江、安昌河、芙蓉溪的河谷平坝地呈放射状进行扩展，形成了绵阳现在的“Y”形空间布局形态。

总之，经济发展是绵阳城市扩张的决定性因素，自然地理环境是城市扩展的基础条件和门槛，产业结构的升级加剧了城市扩展。

3结论

该研究基于遥感数据，运用GIS空间分析技术和多要素综合分析功能，对绵阳市建成区扩展分析和城市扩展驱动力分析，揭示了绵阳市空间扩展的过程、规模和规律。主要结论如下：

(1)1985~2014年绵阳市建成区面积在数量上呈逐年上升趋势，建成区面积增长了126.27 km2，平均每年扩展达到4.354 km2，扩展强度指数为25.794%，扩展强度呈阶段性特征。扩展过程分为3个阶段：第一阶段为1985~1995年，城市以中心区为中心呈外延式多方向扩展；第二阶段为1995~2010年，保持较高速度外延式扩展，同时伴随填充式扩展，扩展呈多方向廊道式特征；第三阶段为2010~2014年，扩展方式以内部结构调整为主，伴随少量填充式扩展。

(2)通过对绵阳市进行紧凑度和分形维数的分析，绵阳市城市用地扩展总体空间格局变化表现为快速外延式并伴随阶段性填充式的特征。

(3)通过空间合理性分析分析得出，绵阳市建成区增长速度快于人口的增长速度，土地城市化快于人口城市化，土地利用方式是粗放型的，是不合理的。快速扩张是在经济快速发展的推动下进行的，带有盲目性，缺乏规划的科学管理，造成郊区农业用地被侵占，城市周边的生态环境遭到了一定程度的破坏。

(4)对绵阳市建成区扩展的驱动力分析结果表明，经济发展和人口增长是绵阳城市扩张的决定性因素，自然地理环境是城市扩展的基础条件和门槛，产业结构的升级加剧了城市扩展。

参考文献

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Urban Expansion of Mianyang City and Analysis of Its Driving Force

CAO Qi, Han Yuan-ming(College of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang, Sichuan 621000)

AbstractWith remote sensing image as the data sources, the expansion information of built-up area in Mianyang City was extracted in seven periods by GIS spatial overlay analysis technology and multi-factor comprehensive analysis function. Combining with the economic and social data in Mianyang City, the expansion situation of built-up area in Mianyang City was analyzed from the aspects of expansion quantity, expansion form, expansion rationality, and expansion space. With natural factor, economic and industrial structure and other factors as the indexes, driving force for the urban expansion of Mianyang City was analyzed. Results showed that the built-up area in Mianyang City increased by 126.27 km2from 1985 to 2014. With the central area as the center, Mianyang City showed multi-direction extensive expansion in 1985-1995, multi-direction gallery expansion in 1995-2010, and mainly internal structure adjustment in 2010-2014. Both economic development and population were the determinants of urban expansion in Mianyang City. This research provides decision basis for the government, and offer guidance for the urban planning and ecological protection in Mianyang City in future.

Key wordsUrban expansion; Driving force analysis; GIS; Mianyang City

收稿日期2015-12-17

作者简介曹琦(1984- )，女，甘肃兰州人，讲师，博士，从事区域规划与人居环境研究。

基金项目西南科技大学博士研究基金项目(14zx7133)。

中图分类号S-9；F 291

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)02-248-03