基于RS和GIS的城市用地扩展的时空特征研究*——以重庆主城区为例

国洪磊, 周启刚

(重庆工商大学 旅游与国土资源学院, 重庆 400067)



基于RS和GIS的城市用地扩展的时空特征研究*
——以重庆主城区为例

国洪磊, 周启刚**

(重庆工商大学 旅游与国土资源学院, 重庆 400067)

摘要：以重庆主城区1986、1995、2004、2007、2010及2014年LandSat TM 遥感影像作为数据源，在利用GIS技术对重庆主城区城市用地提取的基础上，运用空间叠加技术对重庆主城区城市用地扩展进行方向划分，同时选择城市扩展指数、扩展重心迁移模型、紧凑度、分形维数和弹性系数的研究方法，系统分析重庆主城区城市用地扩展的时空特征；结果表明：近30年间，重庆主城区城市用地增加527 km2，年均扩展速率达到18.82 km2；正北、正西和西北方向扩展面积较大，东南方向扩展面积较小，城市重心坐标整体向北偏移；受到自然条件的限制，城市用地扩展表现为组团式、非紧凑的形态，以后的城市用地扩展应更加注重建成区内部的填充；研究结果有助于了解重庆主城区城市用地扩展的时空变化特征，为重庆主城区的城市规划和可持续发展提供参考依据。

关键词：重庆主城区;城市用地扩展;紧凑度;分形维数

城市用地扩展是指土地利用中的城市建成区的动态变化过程。城市地域空间扩展是衡量城市化水平的主要测度指标，也是土地利用/覆盖变化研究的重要内容[1]。城市扩展是城市空间增长的最直接表象，也是一个复杂的经济社会现象和过程，地域不同，城市空间扩展的形态也会有所差异。积极充分的开展城市用地扩展研究，分析城市扩展时空特征及演变趋势，可以有效地引导和调控城市扩展，在城市土地利用规划中具有重要的战略意义[2]。

随着我国城市化进程的加快，城镇用地迅速扩展，城市规模越来越大，城市用地扩展与耕地资源之间的矛盾也愈发突出。伴随着遥感(RS)和地理信息系统(GIS)的发展，这两种技术已成为研究城市动态变化的重要手段。国内学者研究也多集中在北京[3]、上海[4]、南京[5]和济南[6]等东部平原发达城市，对西南山地丘陵地区研究较少。自西部大开发和重庆直辖以来，重庆作为西部大开发重要的增长极和长江上游的中心，城市化进程加快，建设用地扩展明显，建设用地、耕地保护和生态环境建设之间的矛盾日益突出，这给土地利用与规划管理提出了巨大的挑战[7]，加之重庆市复杂的山地地形和长江、嘉陵江两大江流的切割，城市形态也发生了显著变化，其城市扩张也更具独特性。现将遥感与GIS技术相结合，以重庆主城区为研究对象，对多个时相Landsat TM 1986、1995、2004、2007、2010和2014年遥感数据采取人机交互的方法，将城市用地进行叠加分析，研究重庆都市区近30年来的城市空间扩展模式和时空分异特征，为重庆主城区的城市规划和土地合理利用提供参考依据。

1研究区概况

重庆位于中国西南部、长江上游地区，地跨东经105°11′～110°11′、北纬28°10′～32°13′之间的青藏高原与长江中下游平原的过渡地带，与贵州、四川、陕西和湖北接壤，是中国最年轻的直辖市。重庆主城区主要包括渝中区、大渡口区、江北区、南岸区、沙坪坝区、九龙坡区、北碚区、渝北区、巴南区等九区，是全市的政治、经济、文化、交通和金融中心(图1)。研究区以低山、丘陵为主、地形起伏较大，气候温和，属亚热带季风性湿润气候。研究区总面积为5 465 km2，占全市总面积的6.63%。截止到2014年底，重庆主城区常住人口818.98万人，人均生产总值73 154.29元，城镇化率88.20%。重庆作为国家中心城市、长江上游地区金融中心和中西部水、陆、空型综合交通枢纽，是整个西南地区经济发展的重要支撑，对于带动西南地区的经济发展具有重要作用。选取重庆主城区作为研究对象，研究主城区的城市扩展时空变化特征，可以确保城市形态均衡发展，同时对其他山地城市也具有指导意义。

图1　研究区区位图Fig.1　Location of the study area

2数据来源与研究方法

2.1数据来源

研究主要采用1986、1995、2004、2007、2010、2014年5期Landsat TM 遥感数据作为影像数据源、所有影像数据采用Albers投影，中央经线为东经105°，双标准纬线分别为北纬25°和47°。Landsat TM 影像数据1，2，3，4，5，7波段的空间分辨率均为30 m，6波段分辨率为120 m[8]。同时收集其他相关社会经济数据。

2.2数据预处理

在Erdas9.3中对Landsat TM原始遥感影像数据进行投影转换、辐射校正、几何精校正和重采样预处理，减少遥感数据处理过程中的误差与形变，保证校正精度控制在一个像元以内，随后对遥感影像进行人机交互解译，在ArcGis10.1软件的支持下提取研究区5个时期建成区边界图，最后应用GIS空间叠加分析方法对重庆主城区5个时期的建成区扩展图层进行叠加，获取重庆主城区扩展演变图。根据上述方法，在对研究区5个时相的城市用地信息提取的基础上，制作了重庆市主城区8个不同方向范围城市用地分布和空间扩展图。

2.3研究方法

2.3.1城市空间扩展指数

城市扩展强度指数表示单位时间内土地面积变化的幅度，是反映城市空间变化的一个重要指标[9]，即城市扩展的强弱和快慢。通过分析城市扩展强度指数，可以定量地比较城市扩展的程度和速度。以往专家学者对于城市扩展强度进行分析时[9-10]，一般将单一类型土地利用动态度计算公式引申为城市扩展强度指数公式，现将重庆主城区划分为8个方位来获取建成区扩展演变图，为保证各方位计算数据的准确性，也采用该公式作为城市扩展强度指数。扩展速率和扩展强度都是描述城市扩展数量特征的指标，扩展速率表示城镇建设用地面积在研究时段内年均增长率，反映城镇用地扩展的速度和趋势。其表达式(1)、(2)为

(1)

(2)

其中：R为研究末期城市扩展强度；V为研究期扩展速率;Ub为研究末期城市用地面积(km2)；Ua为研究初期城市用地面积(km2)；T为时间间隔(年)。

2.3.2城市空间扩展重心迁移模型

城市空间重心是描述城市空间分布的一个重要指标，是保持城市均匀分布的平衡点[11]，城市空间扩展的重心迁移变化是土地利用变化的空间反映，其计算模型式(3)、式(4)如下[12]：

(3)

(4)

其中：Xt，Yt为第t年建设用地的重心坐标；cti为第i块建设用地斑块的面积；Xi，Yi为第i块建设用地斑块的重心坐标。

根据各时期城市扩展用地的重心坐标，可计算出城市重心迁移率，其表示研究期内城市重心坐标年均迁移距离，公式(5)如下[13]：

(5)

其中：X，Y分别为某时期建设用地重心的X，Y坐标值；ti+1为ti表示地类重心转移的时间间隔；Vti+1-ti表示时间为ti+1为ti内的地类重心年迁移率。

2.3.3城市空间扩展紧凑度指数

研究利用城市形态的紧凑度分析重庆市主城区城市用地在空间上的扩展特征。城市空间紧凑度指数是反映地物离散程度的一个指标，地物离散程度越大，其紧凑度越低，城市空间受外界干扰越大，保持内部资源的稳定性越困难[14]。其表达式(6)为

(6)

式(6)中：C为城市紧凑度；A为城市面积(km2)；P为城市周长(km)。C值为0～1，越接近1，城市形状越紧凑；反之，城市空间离散程度越大。圆是形态最紧凑的图形，其紧凑度为1[2]。

2.3.4城市空间扩展分形维数

城市用地分形维数可描述城市边界形状的曲折性和复杂性[15]，反映了土地利用形状的变化和土地利用受干扰的程度，计算公式(7)为

(7)

式(7)中：D为某一时期城市区域的分维数；A，P分别表示某一时期城市区域的面积(km2)和周长(km)。

分形维数值的理论范围为1～2，当D<1.5时，说明图形趋向于简单；当D=1.5时，则图形处于布朗随机运动状态，越接近于该值，稳定性越差；当D>1.5时，则图形更为复杂。1代表形状最简单的正方形区域，2代表等面积的情况下周边最复杂的区域[16]。分形维数D值越大，表示空间上的镶嵌结构越复杂，当D=1.5时，空间结构最不稳定[17]。

2.3.5城市空间扩展弹性系数

城市扩展弹性系数指城市扩张速度与人口增长速度之间的协调关系，计算公式如下[10]：

(8)

式(8)中：R(i)为城市扩展的弹性系数，弹性系数越大，则人口增长与面积增长的速度越不协调；A(i)为城市面积年均增长率(%)；Pop(i)为城市非农业人口年增长率(%)。当城市扩展弹性系数为1.12时城市扩展较为合理。

3结果分析

3.1重庆主城区城市扩展时空分析

以重庆渝中区朝天门广场为中心，对6期重庆主城区建成区扩展图叠加，并且进行象限划分，分为8个不同的方向(图2)，并统计各方位区域内城市扩展面积，以分析重庆主城区不同时期、不同方位的扩展指数。由表1可知，整体上看，1995—2004年间，重庆主城区城市扩展面积最大，达到224.35 km2。这主要是1997年重庆成为直辖市，经济快速发展，城市面积不断扩张；1986—1995年间，建成区扩展强度最大，扩展强度为0.16；2010—2014年间，建成区扩展速度最快，达到年均29.03 km2；而无论在扩展面积、扩展强度和扩展速度方面，2004—2007年和2007—2010年这两个时间段内均较小。受益于改革开放下市场经济的推动以及重庆市的直辖，1986—2004年间，重庆主城区建成区面积增长较快，2004—2010年间城市建设有所放缓，城市形态基本形成，2014年重庆建成区面积达到651.88 km2。

表1　1986—2014年重庆主城区城市扩展表

图2　重庆主城区建成区不同方位扩展图Fig.2　Chongqing city built area of different direction on expansion plans

从重庆主城区扩展的各方位进行分析，重庆市城市用地在5个时段各空间方位均有扩展，但扩展面积、扩展强度和扩展速度各有差异：

(1) 从扩展面积分析，1986—2014年间，正北和正西扩展面积最大，分别为123.8 km2和116.32 km2，东南方向扩展最少，面积仅为16.16 km2。1986—1995年，西南和正西方向扩展最大，分别为52.76 km2和41.5 km2；正东和东南方向扩展面积较少，分别为1.69 km2和1.24 km2；1995—2004年，正北和正西方向扩展最大，面积分别为65.36 km2和52.54 km2，正东方向扩展面积仅为5.57 km2；2004—2010年，各方位扩展面积均较少，各幅度在1 km2左右；2010—2014年，正北和正东方向扩展面积分别为37.31 km2和28.38 km2，东南方向扩展面积最小为3.22 km2。

(2) 从扩展强度分析，1986—1995年，东北方向扩张强度最大，扩展指数为0.47。正北方向最小，强度指数仅为0.08；1995—2004年，东南方向扩展最大，西南方向扩展最小，分别为0.58和0.03；2004—2007年和2007—2010年间，由于各方位扩展面积较少，因此城市扩展指数较小，指数值均在0.1以下，扩展强度指数最大的为2007—2010年间正东方向的0.027 2，指数值最小的为2004—2007年正西方向的0.000 02；2010—2014年，城市扩展强度指数最大的为东北方向的0.4，而正西和西南方向指数值最小，分别为0.04和0.02。

(3) 从扩展速分析，1986—1995年，西南和正西方向扩展速度最快，年均扩展5.86 km2和4.61 km2，正东和东南方向扩展速度最慢，年均扩展0.19 km2和0.14 km2。1995—2004年间，正北和正西方向扩展速度最快，分别为7.26 km2和5.84 km2，正东方向扩展最少，面积仅为0.62 km2；2004—2007年和2007—2010年间，各方位扩展速度较小，扩展速度值均在1 km2以下，扩展速度最大的是2007—2010年正北方向的0.67 km2，扩展速度最小的是2004—2007年正西方向的0.001 3 km2；2010—2014年，建成区在各个方向上都有所扩展，尤其是正北和东北方向，扩展速度达到9.33 km2和7.78 km2，东南方向扩展速度最少，仅为0.81 km2。

由此可见，重庆市主城区在1986—2014年近30年间，正北、正西和西北方向保持较快的扩展态势，而正东和东南扩展态势较慢，即西北快、东南慢的节奏。随着两江新区的成立建设以及西部片区的开发区和大学城的带动，城市扩展主要集中在渝北地区和西部片区[18]，重庆市主城区扩展具有明显的方位分异特征。

3.2重庆主城区城市扩展形态演变分析

城市紧凑度和分形维数是反映城市空间空间扩展过程中建成区形状变化的重要指标，一般紧凑度指数越高，城市效率也就相应高[19]。由表2可知近30年间重庆主城区分维数的值由1.472下降到1.407，总体上呈现下降趋势，说明主城区城市建设破碎度有所降低，城市建设由外部扩充向内部填充发展转变，重庆主城区城市的扩展进入了一个相对稳定的发展阶段。

整体来看，重庆主城区紧凑度指数总体较为平稳，数值稳定在0.03左右。而1995年紧凑度指数呈现了增长趋势，数值为0.051，说明此时期重庆主城区城市建设向外扩展趋势放缓，多在城市内部进行开发建设；2004、2007、2010年紧凑度指数均为0.033，说明这一时期重庆主城区内部稳定向较高，城市空间受外界干扰小；2014年重庆主城区紧凑度指数有所下降，指数值为0.031，由于这一时期城市扩展面积增加，且向城市的外围有所蔓延。

在重心坐标转移方面，利用式(3)、式(4)、式(5)分别计算，由表2(坐标值为负值见2.1数据来源)、表3和图3可知，1986—2014年间，正西、正北和西北方向(沙坪坝、北碚和渝北区)城市用地扩展面积342.19 km2，占主城区扩展总量的64.93%，主要是沙坪坝区、北碚区和渝北区的城市化速度相对加快，受到政策和经济投入的影响所致，其他方向的城市用地扩展数量和速度较为缓慢。总体上看近30年间重庆主城区的重心坐标总体上向北部偏移，偏移距离达到1 257.69 m，这与重庆主城区近30年来城市扩展的方向是一致的。

表2　1986—2014年重庆主城区城市形态指数表

表3　1986—2014年重庆主城区重心迁移速率表

1986—1995年主城区的重心坐标向西偏移145.85 m，向北偏移421.65 m，年均迁移速率49.57 m；2004年重庆主城区的重心坐标较1995年偏移距离较大，向西偏移621.24 m，向北偏移2 332.47 m，年均迁移速率268.2 m；2007年重庆主城区重心坐标较2004年偏移距离较小，向东偏移41.20 m，向南偏移6.88 m，年均迁移速率4.64 m，且从2004年开始主城区重心坐标有向东北偏移的趋势；2010年重庆主城区重心坐标较2007年向东偏移94.33 m，向北偏移87.15 m，年均迁移速率为14,27 m；2010—2014年重庆主城区重心坐标向东偏移1 889.25 m，向北偏移1 892.14 m，年均迁移速率为297.09 m。重庆市主城区城市用地扩展经历了升高、短期减缓又相对升高的趋势，这种现象主要是受到主城区发展速度和发展方向的影响；而2010—2014年短期内主城区城市发展速度加快，城市发展方向趋于单方位(北部)，直接导致这一时期主城区重心迁移速率上升。

图3　1986—2014年重庆主城区重心迁移速率图Fig.3　1986—2014 Chongqing main city center of gravity migration rate

3.3重庆主城区城市扩展弹性分析

由表4分析可得，在各阶段方面，1986—1995年间，弹性系数值达到5，为整个阶段最高，主要是这期间重庆经济有所发展，城市人口增长缓慢；1995—2004年，城市扩展弹性系数值下降到2，是合理值(1.12)的1.79倍，说明随着重庆市的直辖以及西部大开发，重庆市经济快速发展，主城区人口的增长速度和城区扩展面积增长速度与上一阶段相比有所协调；2004—2014年间，城市扩展弹性系数值又下降到为0.99，表明主城区人口的增长速度和城区扩展面积增长速度趋向合理。整个阶段方面在1996—2014年重庆主城区的城市扩展弹性系数为2.22，是合理值(1.12)的1.98倍，说明整个阶段重庆主城区城市人口的增长速度与主城区城市扩展面积增长速度并不协调，主要原因是重庆市直辖不久，仅为18年，加之区域面积较大(我国四个直辖市中面积最大)人口增长速度远远低于城市发展速度。但是2004—2014年十年间重庆主城区扩展弹性系数值(0.99)开始趋于合理，说明主城区在城市空间扩展与人口增长有了较为合理的规划，在未来的城市发展中，城市扩展弹性系数将更加接近于1.12。

表4　1986—2014年重庆主城区城市扩展弹性系数表

4结论

(1) 基于多时段重庆主城区城市扩展的时间序列分析表明城市用地面积扩展明显，但也具有阶段性。1986—1995年，重庆主城区受自然和经济条件的制约，发展速度缓慢；1995—2004年和2010—2014年城市用地扩展面积较大与改革开放、重庆直辖促使经济快速发展有关。近30年间，重庆主城区城市用地面积增加了527.03 km2，年均扩展速率18.82 km2；同时正北、正西和西北方向扩展面积较大，东南方向扩展面积较小。

(2) 通过对重庆主城区城市用地扩展的空间分析得出，主城区主要向正北、正西和西北方向扩展，主要是由于北部和西部区域地形较为平坦开阔，利于城市的开发建设；总体上主城区向外扩展的趋势较为平稳，且呈现出放缓的节奏；由于主城区受困于山地、河流等自然条件的阻隔和限制，其组团式的城市发展形态并没有发生改变，主城区进行向外扩展的同时，也在原有建成区的基础上填充以形成组团之间连片的趋势；而东南和正东方向一直处于低速扩展阶段，是因为东部铜锣山的阻隔，不适宜开发建设。

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责任编辑：田静

doi:10.16055/j.issn.1672-058X.2016.0004.006

收稿日期：2016-02-01；修回日期：2016-03-10.

*基金项目：国家自然基金项目(41101503);国家社科基金重大项目(11&ZD161).

作者简介：国洪磊(1991-),男,山东菏泽人,硕士研究生,从事资源环境规划与管理研究.

中图分类号：TB84

文献标志码：A

文章编号：1672-058X(2016)04-0035-08

Study on Temporal and Spatial Characteristics of Urban Land Expansion Based on RS and GIS——Taking Main City of Chongqing as an Example

GUO Hong-lei, ZHOU Qi-gang

(School of Tourism and Land Resources, Chongqing Technology and Business University, Chongqing 400067, China)

Abstract：By taking LandSat TM remote sense images in 1986, 1995, 2004, 2007, 2010 and 2014 as data sources, based on using GIS technology to extract urban land of the main city of Chongqing, this paper uses spatial overlay technique to make direction division of urban land expansion of the main city of Chongqing, and by selecting urban expansion index, expansion centroid migration model, compact, fractal dimension, elastic coefficient as the research methods, systematically analyzes temporal and spatial characteristics of urban land expansion of the main city of Chongqing. The results show that in recent nearly 30 years, the urban land of the main city of Chongqing increased 527 km2, yearly average expansion rate reached 18.82 km2, that the expansion area in the north, the west and the northwest is bigger, that the expansion area in southeast is smaller, and that the coordinate of the urban center of the city shifts to the north. Limited by natural condition, the urban land expansion shows a group type but non-compact form. In the future, the expansion of the urban land should pay more attention to the internal filling. The research results are helpful to know the feature of temporal and spatial change of urban land of the main city of Chongqing and provide reference for urban plan and sustainable development of the main city of Chongqing.

Key words：the main city of Chongqing; urban land expansion; compact ratio; fractal dimension

**通讯作者：周启刚(1976-),男,重庆铜梁人,教授,博士，从事3S理论与土地利用研究.E-mail：zqg1050@126.com.