福州及周边地区城市的时空拓展及机制

陈清云，汤小华



福州及周边地区城市的时空拓展及机制

陈清云，汤小华

（福建师范大学地理科学学院，福州 350107）

基于1984、1989、2001、2010年和2015年等5个时相的Landsat-5/8 TM/MSS遥感影像，利用监督分类和目视解译法对福州及其周边地区城市土地利用类型进行分类，发现这一地区在1984~2015年间经历了低速、低速、高速以及快速扩展等4个过程；城镇扩展强度指数分别为0.15、0.53、1.99和1.75，扩展强度呈现增加趋势；扩展弹性系数从0.91下降到0.75，说明城市的发展与区域的人口关系较为合理；紧凑度从0.09下降到0.06，分形维数从1.28增加至1.34，显示出该区城镇用地日益趋向复杂化趋势，福州城区及周边地区的城市扩展速率等明显受自然条件、社会经济条件以及政策规划等因素的影响较大。

福州；遥感；城市扩张

城市作为人类聚集活动的一个重要场所，是不断变化和发展的，不仅是表现在城市的人口数量的增加或者减少，同时也表现在城市的总体轮廓和形态、城市内部土地利用结构的变化等方面，目前有许多学者对城市形态的变化、城市的结构以及城市扩展等方面进行研究，[1-4]试图通过对城市在一段较长时期内的变化的分析来寻找城市发展的规律或特征，并为未来城市的规划和管理提供依据和参考。随着目前遥感技术的发展和普及，遥感在城市形态、城市发展和城市规划等方面发挥着越来越重要的作用。通过遥感手段能够比较准确和便捷地获取城市不同时期的土地利用状况以及发展的形态。[5]随着改革开放和海峡西岸经济区建设的不断推进，福州得到了不断发展，文章试图通过1984~2015年五期遥感影像，对福州以及与目前受福州城市扩展影响最大的闽侯县近40年的城市发展变化进行分析，以期为今后福州城市规划以及政府决策提供一定的参考。

一、研究区概况

福州是海峡西岸经济区的一座重要城市，也是该区政治、经济、文化、科研的中心要地，同时也在现代金融方面发挥着重要作用，全市陆地总面积11 968 km2，东临太平洋，地处中国东南沿海、福建省中东部的闽江口，与台湾省隔海相望。位于北纬25°15'~26°39'，东经118°08'~120°31'，分别在南北西三个方位与莆田市、宁德市以及三明市接壤。福州属典型的亚热带季风气候，气温适宜，温暖湿润。福州研究区位见图1。

图1　研究区位置图

二、数据来源与研究方法

（一）数据来源

为了研究区域的遥感数据具有一致性和连续性，统一采用Landsat系列遥感影像进行分析处理，数据下载渠道来自以下网站：中国科学院科学数据库地理空间数据云（http://www.csdb.cn/）及美国美国地质勘探局（United States Geological Survey，http://earthexplorer.usgs.gov/），成像时间分别为1984年、1989年、2001年、2010年以及2015年，影像空间分辨率均为60m和30m，选取影像质量较好，云量较少为标准。

（二）研究方法

利用envi软件对下载的五期遥感影像进行预处理（几何校正、大气校正、图像的镶嵌融合等），其次通过Acrgis软件提取福州市区以及周边主要地区的矢量格式文件，并结合envi软件对五期遥感影像进行裁剪和分类。

三、分析及结论

通过envi软件对目标地区对福州进行土地利用分类，文章将其利用类型分为5类，分别为：河道沿海水体、城镇用地、农业用地、绿地森林、空地以及局部地区的云层类，并对影像的分类结果进行必要的后处理。结果如图2所示。

图2　福州不同时期土地利用类型

用土地利用类型的转移矩阵对福州40年的土地利用类型变化进行分析，其转移矩阵模型为，其中，为面积转移矩阵，A为k时期种土地利用类型转移为+1时期种土地利用类型面积。通过转移矩阵可以计算时期种土地利用类型转化为+1时期种土地利用类型的比例，其公式为。计算k+1时期的种土地利用类型由k时期种土地利用类型转化而来的比例，其公式为。

（一）福州土地利用类型变化

通过对1984-1989、1989-2001、2001-2010、2010-2015年分类结果进行叠加分析，并得到4个时间段的福州土地利用变化的转移矩阵，见表1-表4。

（二）矩阵分析

分析上述土地利用转移矩阵从1984年-1989年的变化，其中水体面积和空地面积变化幅度不明显；林地面积出现小幅度的下降；城镇用地面积也从1984年的88.66 km2增加扩展到1989年的116.67 km2，城镇面积有较大增加幅度增加，农业类型的用地从1984年的1 442.70 km2持续减少到1989年的1 195.96 km2。

从1989~2001年土地利用转移矩阵分析可知，水体部分转为城镇以及农业用地，林地面积减少了65.21 km2，城镇用地面积增加了236 km2，农业类用地减少了76 km2。水体和空地的变动微小，与1989~2001年变化相似，农业用地在该时期内减少了649 km2，城镇面积持续在增加，该时期增加了355 km2。林地的变化幅度不大，大体在相似水平。农业用地减少146 km2，城镇用地面积继续不断扩大，增加面积为358 km2，林地面积减少了236 km2。

表1 泉州湾地区1984-1989年土地利用转移矩阵 /km2

表2 泉州湾地区1989-2001年土地利用转移矩阵 /km2

表3 泉州湾地区2001-2010年土地利用转移矩阵 /km2

表4 泉州湾地区2010-2015年土地利用转移矩阵 /km2

（三）城市用地扩展时序分析

为了描述研究区域的城市扩张特征，文章引入城市扩展速率指标和城市扩展强度、城市扩展弹性系数、紧凑度和城市用地分行维数等指标对福州及周边区域的城市扩展进行分析。[6-8]其中扩展速率为研究时段内城市的平均扩展的面（即绝对扩展）；而扩展强度为研究时段内城市面积的年际之间的面积增长速率（即相对扩展）；公式为，其中与表示在时间和时间城市建设用地的变化面积（km2）；表示该时间段内的时间长度，本文以年为单位。表示城市建设用地年变化率。扩展强度公式为，式子中表示研究时期内的城市建设用地扩展的面积（km2）；表示研究时间的长度（本文以年a为单位）；为研究区的总面积（km2）。根据公式可以计算出福州地区的城市扩展强度。

城市扩展弹性系数。该指标体现人口对城市建设用地的影响，是描述福州城市的整体扩张速度和福州人口增长速度之间的协调关系，也是用来衡量一个城市用地扩展是否合理的指标，城市扩展弹性系数公式为，式子中为城市扩展弹性系数，为的非农业人口，为城市建成区面积，计算结果见表5。

表5 1984~2015年福州市及周边城镇用地扩展变化情况

福州市及周边主要区域城市扩展速率每个阶段都在不断地提高，从5.64%增加到全区范围内10.62%，福州及周边区域城镇面积转变的速率非常明显。其次1984~2015年城镇扩展强度指数分别为0.15、0.53、2.00和1.75，可以看出扩展强度指数在不断提高，但在2010年之后有放缓的趋势。文章借用已有的理论划分对扩展强度这个指标进行如下划分：[9-10]高速扩展阶段：M＞1.92；快速扩展阶段1.05～1.92；中速扩展阶段0.59～1.05；低速扩展阶段0.28～0.59；缓慢扩展阶段0～0.28。依据研究结果，可以得出结论：1984~2015年福州市以及周边地区的扩展强度分别属于低速扩展、低速扩展、高速扩展以及快速扩展，总体上说明了福州市区以及周边主要区域的城镇扩展趋势。

城市扩展弹性系数在1984~2015年的发展过程中，从0.908 0下降到0.751 6，在该指标上，城市规划设计院认为城市人口每年的增长率与城市用地之间的比例比较合理的是1:1.12，该指标也是目前比较认可的一个合理比例。福州市从1984年到2015年其系数基本在合理范围这之内，且呈现不断下降的趋势，这也体现和反应出福州城市的发展与该区域的人口关系较为合理。

（四）城市用地空间分异分析

表6　福州地区城镇扩展空间变化特征指数

由表3可知福州市区及周边主要地区的城镇扩展紧凑度从1984~2015年是不断的下降的，说明这一时期福州城区及周边的用地在不断发生变化，城市在不断扩展，城市形态也在不断地发生变化。城市用地扩展紧凑度越小，分形维数的值也会越来越大，分行维数值也呈现不断增加的趋势说明福州地区的城镇用地日益趋向复杂化，城市的形态也变得不规则，这主要与福州城市沿江分布的地形有很大关系。

四、扩展驱动力分析

（一）自然因素制约

城市的选址与自然地理环境有很大的联系，福州城位于福州盆地内部，福州盆地的四周被山地环绕，周边区域主要是以海拔较低的丘陵地形为主。该区的地势总体上为自西向东倾斜。南部为福州盆地的大部分；北部为山地，因此也影响了福州城市向北部扩展，导致福州城区向西，向南不断扩展。总体地形从西南向东倾斜，闽江与乌龙江将福州城区分割，目前福州逐步向西和向南拓展的趋势明显。[11-12]

（二）社会经济因素影响

通过选取该区常住人口、非农人口、第一产业、第二产业、第三产业产值、GDP、人均地区生产总值、固定资产投资等8项指标作为衡量标准，其中每个指标与该区城市土地变化的相关性分别为0.95、0.89、0.0005、0.64、0.87、0.99、1.00、0.93，除了第一产业与其相关性较弱之外，其余指标与该区城市面积扩展圾较大的相关性。其次借助SPSS分析软件对指标进行主成分分析，得到常住人口与GDP这两个主成分对城市扩展影响作用较大，因而根据两个变量建立回归方程，其中、分别代表地区常住人口与该地区的GDP。因此在社会经济方面可以发现福州及周边地区的扩展主要受该地区的常住人口和GDP也就是经济发展水平的影响较大。

（三）政策与规划诱导

政策对城市的发展有很大的影响，福州在2004年提出海峡西岸经济区建设后，较好地抓住发展机遇，使区域经济有了很大发展，产业结构和空间布局得到调整，许多重大项目得到实施。福州周边的闽侯上街大学城、青口汽车城以及南台岛等功能区在空间上的布局也符合福州发展西进南拓的发展策略，促使福州的城市建成区不断的外扩，目前福州规划方向更多往西部闽侯上街以及南部地区拓展，沿江滨调整城市功能区的空间结构和产业的趋势也越来越明显。

从对1984~2015年近40年的城市土地利用变化的分析，发现该区的城市建成区面积在不断向外拓展，城镇用地面积在不断增加、农业用地在缩小，林地面积大致变化幅度不大，较1984年略有缩小。城镇用地扩展时序变化情况是1984~2015年城市的扩展速率分别为5.00、18.19、32.09、71.59，扩展的强度从0.15增加至1.75，城市扩展的弹性系数从0.91降低至0.33，总体上反应出福州城市扩展的速度较快，城市的发展与该区域的人口关系较为合理。

从福州及周边地区城镇扩展空间变化特征指数上看，紧凑度从0.09降低到0.05，分形维数从1.28增加至1.34，总体反应出该区的城镇用地面积在不断地变大，城市在不断地向外拓展。研究区的城市拓展形态主要是受福州盆地以及四面环山的地形特征影响，其次城镇用地的拓展与该区常驻人口、非农人口、第二产业、第三产业产值、GDP、人均地区生产总值、固定资产投资等7项人口与社会经济指标有很大相关性，福州及周边主要地区的城市扩展也受到政府政策以及规划的诱导，西进南拓的城市发展战略影响着该区城市扩展的形态和方向。

在福州以及周边地区的发展过程中，应该充分考虑福州的地势特点以及沿江的优势，合理布局福州地区的产业结构，适当合理地对城市内部的功能区进行调整，充分利用海峡西岸经济区建设这一发展契机，提升福州地区的整体竞争力，促进福州城市空间的可持续发展道路。

[1] 徐涵秋. 近30a来福州盆地中心的城市扩展进程[J]. 地理科学, 2011(03): 351-357.

[2] 张治清, 陈静, 胡艳, 等. 永川区城市时空扩展动力机制研究[J]. 重庆交通大学学报: 自然科学版, 2011(10): 180-184.

[3] 阿斯耶姆·图尔迪, 阿里木江·卡斯木. 基于多源遥感数据的奎屯市城市扩展分析[J]. 水土保持研究, 2013(2): 233-237.

[4] 黄庆旭, 何春阳, 史培军, 等. 城市扩展多尺度驱动机制分析——以北京为例[J]. 经济地理, 2009(5): 714-721.

[5] 陈龙乾, 郭达志, 胡召玲, 等. 城市扩展空间分异的多时相TM遥感研究[J]. 煤炭学报, 2004(3): 308-312.

[6] 吴晓青, 胡远满, 贺红士, 等. 沈阳市城市扩展与土地利用变化多情景模拟[J]. 地理研究, 2009(5): 1264-1275.

[7] 李文亮, 张丽娟, 陈红, 等. 哈尔滨市城市扩展与地表热环境变化关系研究[J]. 地域研究与开发, 2010(2): 49-52+58.

[8] 冯仕超, 高小红, 亢健, 等. 西宁市30多年来土地利用/土地覆被变化及城市扩展研究[J]. 干旱区研究, 2012(1): 129-136.

[9] 方刚. 宿州市城市扩展的遥感动态变化监测与评价[J]. 沈阳大学学报: 自然科学版, 2014(4): 284-289.

[10] 刘盛和, 吴传钧, 沈洪泉. 基于GIS的北京城市土地利用扩展模式[J]. 地理学报, 2000(4): 407-416.

[11] 廖其林, 王振明, 邱陶兴, 等. 福州盆地及其周围地区地壳深部结构与构造的初步研究[J].地球物理学报, 1990(2): 163-173.

[12] 吴文英. 福州城市空间结构形态发展[J]. 闽江学院学报, 2007(2): 98-104.

Mechanism of Time and Space to Expand in Fuzhou City Areas

CHEN Qingyun, TANG Xiaohua

（Colleg of Geographical Science, Fujian Normal University, Fuzhou, Fujian 350107, China）

In order to explore the development features, based on the 1984, 1989, 2001, 2010 and 2015 when five phase of Lands at TM - 5/8 / MSS remote sensing image analysis, using the method of supervised classification and visual interpretation of fuzhou city and its surrounding areas of land use types are classified, it found in fuzhou and the surrounding areas of town land area is growing fast during the study, the agricultural land area is narrow.The analysis results show that the fuzhou and surrounding areas between 1984 and 2015 experienced a low speed, low speed, high speed and rapid expansion of the four process; Urban expansion intensity index were 0.1469, 0.5343, 1.9980 and 1.7525 changes in the process; Extended elasticity coefficient decreased from 0.9080 to 0.9080, indicating the development of the city and a reasonable relationship between the population of the region; Compact degree decreased from 0.09 to 0.09, fractal dimension increased from 1.28 to 1.34, showing the towns land increasingly complicated trend. Fuzhou city and surrounding areas of the change of the urban expansion rate significantly affected by natural conditions and social economic conditions and influenced by the policy planning.

Fuzhou; remote sensing; urban sprawl

（责任编校：贺常颖）

TU984

A

10.3969/j. issn. 2096-059X.2016.06.021

2096-059X(2016)06–0087–05

2016-08-30

陈清云（1990-），女，福建龙岩人，硕士研究生，主要从事城市与区域规划及人文地理方面研究；汤小华（1957-），男，福建福州人，副研究员，硕士生导师，主要从事区域经济与规划方面研究。