黑龙江工业城市建设用地时空扩张遥感监测

郭晶鹏， 赵映慧， 谌慧倩， 项亚楠， 赵旭朦， 乔 畅

(东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030)

0 引言

工业在国家经济发展中起到了中流砥柱的作用，但快速工业化引发的一系列安全问题已成为困扰城市健康发展的严重障碍； 建设用地扩张问题掣肘城市的可持续发展，研究工业城市建设用地扩张的机理形势刻不容缓。2014年国务院发布《国家新型城镇化规划(2014─2020年)》明确要求改变城市的发展方式，包括速度型向质量型转变、外延式向内涵式转变等5种转变方式； 2016年“两会”期间又提出了地区性哈尔滨─长春(简称哈长)城市群的一体化建设方案。黑龙江省作为东北老工业基地和哈长城市群的重要组成部分，哈尔滨、大庆、齐齐哈尔(分别简称哈、大、齐)又是哈大齐工业走廊沿线重要的核心城市，以哈、大、齐为例研究黑龙江省工业城市建设用地扩张问题具有一定的前瞻性。但是目前尚缺乏一种自动化提取城市建设用地变化的机制，无法及时、客观、真实地反映城市建设用地扩张变化的区域特性。为了有效改善黑龙江省工业型城市发展带来的粗放式利用问题，推进工业4.0、新型城镇化的进程和集约且高效的土地利用机制，必须分析哈、大、齐大型工业城市建设用地扩张过程的主要特征，探索城市扩张过程的内在的发展规律。

城市建设用地扩张是城市空间发展的变化，更是人类生产活动范围的直接表征。国内诸多学者开展了大量关于城市建设用地扩张的研究工作[1-6]，从最初采用统计与实地调研数据研究城市建设用地，到遥感监测与地理信息系统(geographic information system，GIS)技术在城市建设用地研究中的普及与深化，在研究尺度和空间特征分析等方面均取得了显著成果[7-10]。不同空间尺度的城市建设用地，其空间特征存在着显著的差异性[11-12]。在国家尺度上，刘纪远等[13]基于全国城市功能分区及东、中、西、东北4大区域功能区规划，进行了空间特征遥感对比分析； 叶昌东等[14]探讨了1990─2010年间全国特大城市空间特征的演变； 黄永斌等[15]对比了全国地级市以上城市紧凑度的时空特征，发现其存在显著的规模等级递增效应； 舒帮荣等[16]通过面板计量数据分析法，对比了全国不同职能地级市建设用地扩张的特征及驱动机理。在区域尺度上，主要集中在对长三角、珠三角等5大城市群及经济特区城市变化的研究[17]： 施利锋等[18]采用多源遥感数据剖析了1973─2013年间经济特区的城市空间扩张特征； 曹银贵等[19]运用聚类分析、判别分析研究了我国东部地区87个城市的建设用地变化规律； 李加林等[20]依托遥感和GIS分析了1979─2005年间长三角城市建设用地变化特征。在城市尺度上，多集中于北京、天津、上海、广州、深圳、厦门、沈阳等发达城市[21]： 丛晓男等[22]探讨了北京市1991─2011年间城市空间形态演变及增长态势； 苏建忠等[23]针对1980年广州市建设用地蔓延及调控展开了研究； 孙雁等[24]利用GIS技术对比了1910─2010年间不同时段沈阳市建设用地扩张变化特征。目前，针对东北地区和资源型工业城市建设用地的相关研究较少，且对区域内多个功能联系密切的城市建设用地扩张问题亟待研究。本文以哈、大、齐工业城市为例，分析2000─2015年间哈、大、齐主城区建设用地扩张变化的时空特征，模拟城市重心迁移过程，以期为黑龙江省哈、大、齐等工业城市转型、加快新型城镇化建设并在一定程度上减少其对耕地的侵占提供参考。

1 数据源及研究方法

1.1 数据源

本研究选取的数据包括： ①哈、大、齐工业城市2000年、2005年、2010年和2015年4个时间节点的Landsat遥感影像； ②研究区城市主城区《2010─2020总体规划图》； ③2000─2015年《城市统计年鉴》； ④《黑龙江统计年鉴》。由于2014年5月阿城区和双城区刚刚撤县变区，故本研究中哈尔滨市不包括阿城区和双城区。

1.2 数据处理

首先下载轨道号/行号为118/28、119/28和120/27，且含云量少于10%的Landsat遥感影像，空间分辨率为30 m； 其次，利用BIGMAP与ENVI5.0软件，结合哈、大、齐《2010─2020年城市总体规划图》，对Landsat影像进行裁剪和纠正，得到多个波段的哈、大、齐主城区影像； 然后对主城区影像进行B7(R)，B6(G)，B4(B)波段假彩色合成，采用最大似然法进行监督分类，通过人工目视解译进行纠正，得到分类图，并用统计数据进行验证，以保证图斑属性的解译准确率达到90%以上； 最后，将分类结果导入ArcGIS10.2中，进行统计和空间叠置分析(图1)。

1.3 测度指标

本文采用扩张强度与速度指数、紧凑度、增长弹性系数、分维指数、变异系数和空间重心转移模型等6项测度指标，探讨哈、大、齐城市建设用地扩张时空特征。

1)扩张强度与速度指数，计算公式为

(1)

(2)

式中：Q和S分别为扩张强度和扩张速度指数；Ai为i时期城市主城区建设用地面积；n为时间间隔；An+i为i+n时期的城市建设用地面积。

2)紧凑度，计算公式为

(3)

式中：J为紧凑度指数；A为城市主城区建设用地面积；Z为城市主城区轮廓周长[18]。

3)增长弹性系数，计算公式为

Ii=[(Pit-Pi0)/Pi0]/[(Yit-Yi0)/Yi0]，

(4)

式中：Ii为i时期的增长弹性系数；Yit和Yi0分别为某一要素(人口、经济、社会固定资产投资)i时期期末和期初的总量；Pit和Pi0分别代表期末和期初的建设用地总量[10]。

4)分维指数，计算公式为

Fi=2ln(Zi/4)/ln(Ai),

(5)

式中：Fi为斑块i城市分维指数；Ai为斑块i的面积；Zi为斑块i的周长。F范围在1～2之间，F越大表示城市内部的填充能力越弱，城市形态越复杂。当F<1.5时，图形趋向于简单； 当F=1.5时，说明图形处于布朗运动的边缘，越接近该值稳定性越差； 当F>1.5时，图形更趋向于复杂。以城市形态为研究对象时，F极限值应在1.71上下[21]。

5)变异系数，计算公式为

(6)

6)空间重心转移模型，空间重心转移距离为

(7)

空间重心转移角度为

(8)

式中：yi+1和yi为y轴上相邻两点；xi+1和xi为x轴上相邻两点；xi为i时期地理单元的重心横坐标；yi为i时期地理单元的重心纵坐标；Di+1为从i到i+1时期地理单元空间重心转移距离；βi+1为从i到i+1时期地理单元空间重心转移方向与正东方向夹角[18]。

2 结果与分析

2.1 城市建设用地扩张总体特征

2.1.1 扩张强度与速度

对哈、大、齐城市建设用地信息进行提取与统计分析的结果表明，2000─2015年间哈、大、齐城市建设用地发生强烈扩张，2000年建设用地总面积为800.16 km2，2015年增至1 526.41 km2，扩张近1倍； 受2003年振兴东北老工业基地战略及哈大齐工业走廊项目的实施诱导，2000─2005年间哈、大、齐城市建设用地面积增长量最大，2010─2015年增长量次之，增长量最小时段在2005─2010年(表1)。

表1 城市扩张建设用地扩张强度与速度指数变化Tab.1 Change of expansion strength and speed index of urban construction land

从城市扩张强度指数来看，2000─2015年间哈、大、齐工业城市整体扩张强度指数呈波动递减态势，由7.01%降至3.88%； 齐齐哈尔和哈尔滨的扩张强度指数维持在3.50%～5.90%之间，大庆呈现宽幅波动态势，扩张强度指数在3.50%～10.40%之间； 2000─2005年间大庆市扩张强度指数最大(10.36%)，远大于齐齐哈尔(5.80%)和哈尔滨(4.61%)； 2005─2010年间哈、大、齐3市的扩张强度基本相同，扩张强度指数稳定在3.50%左右； 2010─2015年间齐齐哈尔和哈尔滨扩张强度保持在4.50%左右，大庆相对较弱，仅为3.04%。

从建设用地扩张速度分析，2000─2015年间哈、大、齐城市建设用地总扩张速度维持在50 km2/a左右，其中齐齐哈尔和哈尔滨分别稳定在10 km2/a和15 km2/a左右，大庆扩张速度呈“跳跃”式波动； 2000─2005年间大庆速度最高，高达33.51 km2/a，齐齐哈尔及哈尔滨扩张速度分别为11.21 km2/a及13.06 km2/a； 2005─2010年间大庆市扩张速度骤降到16.50 km2/a，但与齐齐哈尔(9.28 km2/a)和哈尔滨(12.08 km2/a)相比仍较高； 2010─2015年间哈尔滨扩张速度最高(19.03 km2/a)，大庆次之(17.41 km2/a)，齐齐哈尔最低(13.17 km2/a)，且相比前一时段处于加速状态。大庆为石油城市，建设用地与石油开发用地交叉进行，扩张速度高于其他城市； 2010─2015年间哈尔滨由于对平房区(南)、松北区(北)大规模开发建设，故在该时段扩张速度最大。

2.1.2 扩张形态

利用紧凑度指数和分维指数分析城市建设用地扩张空间形态。2000─2015年间哈大齐工业城市紧凑度持续下降，说明哈、大、齐城市居民主活动区外扩，建设用地多处扩张； 2000年和2005年大庆市紧凑度最大(分别为0.47和0.28)，说明大庆城市的城区比较紧凑； 2010年和2015年紧凑度发生反转，齐齐哈尔趋于紧凑，大庆和哈尔滨相对分散，即齐齐哈尔紧凑度(分别为0.21和0.19)高于大庆(分别为0.18和0.13)及哈尔滨(分别为0.15和0.13)(表2)。

2000─2015年间城市分维指数不断上扬，反映出城市发展趋向不规则； 2000年各城市的分维指数均小于1.44，说明城市形态简单，趋于稳定； 2005年的分维指数均接近于1.5，处于布朗运动边缘，稳定性差，城市显露出扩张现象； 2010─2015年间分维指数均大于1.5，映射出趋于复杂的城市形态，外扩趋势明显，填充能力弱(表2)。

表2 城市扩张紧凑度与分维指数Tab.2 Compactness and fractal dimension index of urban expansion

2.1.3 时间序列上扩张评价

运用弹性系数，从人口、经济和固定投资角度剖析建设用地扩张情况(表3)。

表3 2000─2015年间城市扩张增长弹性系数与变异系数Tab.3 Elastic coefficient and coefficient of variation of urban expansion during 2000─2015

①Ia为人口增长弹性系数； ②Ib为经济增长弹性系数； ③Ic为固定资产投资增长弹性系数。

2000─2015年间齐齐哈尔Ia最大(28.95)，远大于大庆和哈尔滨，且三地都大于1，揭示哈、大、齐建设用地相比其人口数量处于蔓延状态，其中齐齐哈尔蔓延最为显著； 2000─2015年间大庆市Ib和Ic最大(分别为0.38和0.25)，远大于齐齐哈尔及哈尔滨，表明大庆市相比齐齐哈尔和哈尔滨市，土地利用效益最低； 2000─2015年间哈、大、齐城市用地Ia与Ib之比远大于2，说明工业城市过度重视经济产出，而忽视了“人”的发展；Ib与Ic之比在40左右，映射出东北振兴战略、哈大齐工业走廊给工业城市带来海量资金的投入，但与收益相比，投资效益不高，土地要素投入粗放。

为比较城市时间序列上年均建设用地变化率的变异程度，计算出2000─2015年间城市建设用地年均扩张变化率变异系数(表3)。大庆市的变异系数最大(0.74)，齐齐哈尔次之(0.23)，哈尔滨市的最小(0.16)，表明2000─2015年大庆市建设用地年均变化率波动较大，而齐齐哈尔和哈尔滨的建设用地年均变化率近乎稳定，产生这种现象是因大庆市石油工业用地与城市居住用地同时开发导致，这与扩张强度是吻合的。

2.2 2000─2015年间城市建设用地扩张空间分异

2.2.1 城市空间扩张模式分析

把不同时段建设用地信息与2005年城市主要公路、铁路进行空间叠置分析(图2)，探索2000─2015年间哈、大、齐城市的主要空间扩张模式。本文的扩张模式参考周翔等[26]对苏锡建设用地扩张的分析，因篇幅所限，本文不再赘述。

图2 哈、大、齐城市建设用地变化Fig.2 Changes of Ha-Da-Qi urban construction land

哈尔滨市2000─2010年间以道里、道外、南岗和香坊4区为核心，以填充式、边缘式为主向外扩张，呈圈层结构； 2010─2015年间以边缘式、外延式为主向西南、西北2个方向扩张，道路两侧条带状特证明显[26]。大庆市在2000─2005年间以让胡路区、龙凤区、萨尔图区为核心，以边缘式为主、填充式为辅向外扩张，城市形态相对简单，呈核心-边缘结构； 2005─2015年间以外延式、飞地式为主，朝红岗区、大同区扩张，扩张模式趋于多元化，城市边缘不规则，呈T型轴带。齐齐哈尔2000─2015年间以原来的建华、龙沙、铁峰区为核心，沿轴带状向昂昂溪区延伸，再朝富拉尔基区延伸，G111和G302国道对齐齐哈尔城市扩张具有导向作用。

2.2.2 城市空间扩张方向分析

为明确2000─2015年间工业城市主要的扩张方向，以2000年各个城区建设用地的重心为圆心，按照北、东北、东、东南、南、西南、西和西北8个方向，将城市主城区空间分割为8个象限(图3)，并按象限依次统计各城市不同年份的建设用地面积，生成各个时段城市扩张的雷达图(图4)。

(a) 哈尔滨 (b) 大庆 (c) 齐齐哈尔

图3哈、大、齐城市扩张8象限统计图

Fig.3StatisticalmapofHa-Da-Qiurbanexpansionineightquadrants

(a) 哈尔滨 (b) 大庆 (c) 齐齐哈尔

图4城市分时段各象限空间扩张强度对比

Fig.4ComparisonofspatialexpansionintensityofeachquadrantinHa-Da-Qicitiesduringdifferentperiods

结合图3与图4总体来看，哈尔滨市2000─2015年间建设用地扩张明显方向为北、西北、南3个方向，西和西南方向次之，东、东南和东北方向最弱，呈现出“北跃南拓、东优西扩”空间发展格局； 大庆市2000─2015年间建设用地主要的扩张方向包括北、东、南、西南4个方向，东北、西北、东南方向扩张均匀，西城区扩张最不显著，呈现出斜“T”形扩张格局(图2)； 齐齐哈尔市2000─2015年间建设用地扩张显著方向为东北、东、南和西南4个方向，西和东南方向扩张稳定，西北和北方向扩张最弱，城内交通线路对城市扩张影响显著，表现出一个斜“上”字扩张格局(图2)。

结合图3与图4分时期剖析来看，哈尔滨市2000─2005年间明显的扩张为西北和南方向，东北、北、东、西南和西方向均匀扩张，东南方向最弱； 2005─2010年间南─北轴带扩张最为显著，西北、西南和西方向扩张次之，东、东南和东北方向扩张微弱； 2010─2015年间主要扩张为北、西、西南、南、东和西北方向，且南北轴带扩张显著，东南和东北扩张较弱。2010─2015年间西、南、东南方向强烈扩张，其他方向扩张较弱。大庆市2000─2005年间主要的扩张方向为北、西北、东3个方向，西、西南、东北、东南和南方向均匀扩张； 2005─2010年间以东─东南、西南─北为上、下底，其他扩张方向为斜边，呈“梯形”状扩张； 2010─2015年间主要的扩张方向为西南、东北与南，构成“三角形”发展格局，其他方向扩张不显著。齐齐哈尔市2000─2005年间显著的扩张方向为东北、东、南3个方向，东南、北和西南次之，西和西北方向扩张不显著； 2005─2010年间东北—西南轴带扩张最为显著，东、南、北次之，西、西北、东南扩张较弱。

2.2.3 建设用地空间重心转移模拟

2000─2015年间哈、大、齐城市主城区建设用地均向多个方向扩张，为了更直观地反映城市建设用地重心迁移过程，把同一时间节点主城区的多个斑块作为一个整体，仅生成一个重心，并在重心转移过程中标注上市政府在重心空间上的相对位置，绘制出市政府与城市用地重心迁移相对位置图(图5)。

同时，为了比较各城市重心迁移距离和方向，利用生成的城市重心的经纬度坐标，计算出城市建设用地重心变化情况(表4)。

(a) 哈尔滨 (b) 大庆 (c) 齐齐哈尔

图5 城市建设用地重心迁移路线Fig.5 Shift of gravity center of urban construction land表4 城市建设用地重心变化Tab.4 Changes of gravity center of urban construction land

综合分析图5与表4的结果表明，哈尔滨市在2000─2015年间城市建设用地重心依次向西北—西北—西南移动，移动距离和移动角度分别为1 528.21 m(124.46°)、391.90 m(170.46°)以及415.93 m(233.07°)，其中2000—2010年间城市重心向市政府方向移动，2010—2015年间向市政府方向移动迹象减弱，说明未来哈尔滨市西南(平房区)和西北(松北区)将成为城市扩张的热点区。大庆2000─2015年间城市建设用地重心分别朝西南—东南—西南方向移动，逐渐偏离市政府的空间位置，移动距离和移动角度分别为4 527.90 m(239.71°)、465.30 m(352.20°)和3 889.92m(259.92°)，表明未来大庆市西南方向的红岗区和大同区将成为城市扩张的热点区。齐齐哈尔市2000─2015年间城市建设用地重心移动轨迹为东北—东北—西南移动，移动距离和移动角度(与正东方向夹角)分别为635.87 m(18.38°)、1 338.37 m(25.91°)和2 016.08 m(243.71°)，2000—2010年间城市重心向靠近市政府的位置移动，2010—2015年间城市重心向偏离市政府的位置移动，说明市政府周围开发短期之内达到饱和状态，未来齐齐哈尔市的西南将成为城市扩张的热点区。

3 结论与建议

1)从扩张强度、扩张速度、紧凑度和分维指数来看，2000─2015年间哈、大、齐的城市扩张快慢交替，其中大庆市波动最大，齐齐哈尔和哈尔滨市波动相对较小； 2000─2015年间城市紧凑度不断下降，2000年最紧凑的是大庆市，2015年最紧凑的为齐齐哈尔市； 2000─2010年间城市扩张形态简单，城市分维指数小于1.5； 2010─2015年间各城市存扩张模式趋于多元化，城市边缘不规则，形态复杂。

2)从弹性增长系数和变异系数来看，在2000─2015年间城市建设用地快速扩张态势中，齐齐哈尔城市用地-人口蔓延最为突出，大庆市次之，哈尔滨市最弱； 2000─2015年间哈、大、齐城市整体投资效益不高，其中大庆市建设用地的土地利用效益最低； 2000─2015年间大庆年均扩张变化率显示较大波动的迹象，齐齐哈尔和哈尔滨市则相对稳定。

3)2000─2015年间哈尔滨市建设用地呈现出“北跃南拓、东优西扩”发展格局； 大庆市则呈现出斜“T”形扩张格局； 齐齐哈尔市呈现出一个斜“上”字扩张态势。

4)城市重心向市政府空间位置方向移动，2010年后，这种移动减弱，甚至反向移动。2000─2015年间哈尔滨市重心沿西北—西北—西南移动，西北(松北区)和西南(平房区)将成为城市扩张的热点区； 大庆市重心朝西南—东南—西南方向移动，西南方向的红岗区和大同区是城市扩张的热点区； 齐齐哈尔市建设用地重心向东北—东北—西南移动，西南方向为扩张的热点区。

需要说明的是，虽然本文通过多指标的方法研究了哈、大、齐城市建设用地的扩张特征，并取得了阶段性结论与认识，但随着工业化与城镇化不断推进，各城市扩张受到多种因素共同作用，无论是测度方法还是基础数据仍有很大的挖掘和研究潜力； 城市扩张的测度方法除本文采用的方法外，还有优势度指数、景观扩张指数等方法[27]； 基础数据除Landsat数据外，还有城市面板数据、夜间灯光数据等，可供进一步提高城市边界的提取精度。因此，仅靠增长弹性系数和变异系数对建设用地在时间序列上的扩张进行评价是不够的，且目前对建设用地空间扩张布局的自相关性还缺少研究，对城市扩张的时空耦合也有待进一步研究。