近60年南宁市城区城市空间扩展遥感监测研究

刘清，范城城，刘润东，罗慰生，李彬，施宇军

(1.广西壮族自治区遥感信息测绘院， 广西南宁530023；2.中国科学院微小卫星创新研究院， 上海201210)；3.广西壮族自治区森林资源与生态环境监测中心， 广西南宁530028)

0 引言

联合国统计数据指出，中国目前是世界上城市化发展进程最快的国家之一[1]。在全球范围内，城市地区正在迅速扩大，现在世界上大多数人口居住在城市。周边城市化，一种以快速和零散增长为特征的特定形式的城市化，也在增加，特别是在发展中国家[2]。南宁市作为广西自治区的首府，在近60年的时间内，城市发展不断加快,是区域内城市化进程最快的城市。随着城市区位因素的重要性和自治区政府对城市建设的大力投入以及国家发展战略的倾向，促使城市的发展进程不断提速，城市建设日趋完善，南宁市正往建成特大城市和边境国际城市的道路快速健康发展。从1978年的改革开放开始，南宁城市加大了商业用地的比重，城市发展转变为圈层式发展；1991年和1992年，先后出现中越两国恢复友好关系，邓小平南巡讲话两件大事件，使南宁拥有和平的周边环境的同时获得了沿海开放城市的优惠政策，南宁发展有了更明朗的方向和前景；1996年，南宁到昆明的铁路建成通车，交通方式的转变带动了南宁工业的发展，更带动了南宁工业园区的扩展建设；2001年，中国—东盟自由贸易区的建立使南宁担负起区域性国际中心的作用，促使南宁的商业贸易用地大大增加；2004年，南宁成为中国东盟国际博览会的永久举办地，强化与东南亚各国的经济纽带作用，因此业带动了高档居住用地、高级商贸用地和会展用地的发展；2008年，广西北部湾经济区规划获国家批准成立，使南宁成为北部湾经济区中心城市[3]；2011年，自治区党委、政府提出“南宁市要紧紧围绕区域性国际城市目标，实施重点向南发展战略，建设五象新区，再造一个南宁”，这一政策加快了南宁南部的发展规划和城区建设速度，目标是使南宁城市形态由单中心，高集聚向多中心，组团式转变，历时10年，分三个阶段；2013年，国家主席习近平提出“一带一路”政策，建立“一带一路”经济区，作为国家“一带一路”海上丝绸之路有机衔接的重要门户城市，更结合北部湾经济带中心城市的优势，南宁城市化进程的大大提速[4]；2017年，国务院发布《北部湾城市群发展规划》，将南宁定位为面向东盟的核心城市，支持建成特大城市和边境国际城市。近60年来，大事件的发生促进了南宁市的发展，南宁逐渐发挥区域竞合的功能，转变为区域中心城市。南宁的发展由广西的中心城市向区域中心城市转变，成为西南地区的交通纽带。回顾南宁城区的发展史，并对南宁在时间序列上的城市空间扩展和形态变化进行研究，有助于找到城区发展的最优方式。

全国600多个城市，每个城市在发展过程中由于地理区位、地形地貌、政治需求、经济发展等差异条件而致使城区的形态出现差异[5]。对于这些差异的具体诱因以及形态的表现与城市发展的优良性的关系使得城市城区的扩展研究一直成为学术界的热门研究点，并以此出现了不同的论点[6]。而遥感技术的出现对学者进行城市扩展的研究提供了助力。遥感技术可以快速、及时、大范围的获取城市地表的影像信息，并且可以人工交互的进行城区各类信息的有效提取，是城市空间扩展分析的基础数据获取技术路径之一。国内外学者在应用遥感监测技术对城市扩展进行研究方面做了大量研究工作并取得很大的成效[7]。本研究利用1960～2017年的9个时期不同数据源的遥感影像对南宁市城区信息进行提取，结合专题数据和统计数据，开展了近60年南宁主城区的扩展变化趋势，为南宁发展规划与调控提供有效的依据，为南宁建设成为特大城市和边境国际城市提供理论方法和科学数据支撑。

1 研究区域概况

南宁市位于广西壮族自治区南部偏西，是广西壮族自治区首府及广西政治、经济、文化中心，总面积 22112 km2。南宁与越南社会主义共和国毗邻，地处亚热带，北回归线穿域而过，位于东经107°45′～108°51′，北纬22°13′～23°32′之间，地理坐标东经108°22′，北纬22°48′。南宁市总面积33 112 km2，土地面积22 112 km2。

南宁市是中国中西部地区的广西壮族自治区首府，北部湾城市群核心城市、中国面向东盟十国国际大通道、内陆开放型经济高带、西南出海综合交通枢纽城市，中国东盟博览会暨中国东盟商务与投资峰会的永久举办地，国家“一带一路”海上丝绸之路有机衔接的重要门户城市，也是南部战区陆军机关驻地。南宁市行政区划为七区五县，共84个镇、15个乡、3个民族乡、22个街道。本研究选取南宁市主城区6个市辖区(分别为江南区、青秀区、邕宁区、西乡塘区、良庆区、兴宁区)作为一个整体监测对象，提取南宁主成区范围。

南宁市主城区地理区位示意图见图1。

图1 南宁市主城区地理区位示意图Fig.1 Geographical location map of Nanningmain urban area

2 研究数据与方法

2.1 数据源与影像处理

本文采用1960、1977、1985、1997、2001、2005、2009、2013年和2017年9个时相的多源遥感影像，数据来源于广西测绘局地理信息中心。影像数据源包括航摄黑白、真彩、彩红外影像和天绘一号卫星影像、北京二号卫星影像、高分二号卫星影像、SPT5卫星影像，相关参数见表1。

表1 影像数据Tab.1 Image data

通过ERDAS影像处理软件对影像进行辐射校正、几何校正、影像配准和影像拼接后，然后还需要对影像进行影像增强、影像融合、影像分割和匀色等，得到满足监测要求的正射影像(图2)。此外，本文还收集了南宁市部分的专题数据(如地理国情监测数据和数字广西数字线化图(DLG)等)和统计数据作为遥感监测分析的辅助资料。

图2 南宁市2016年正射影像Fig.2 2016 Orthophoto image of Nanning City

2.2 城区范围提取

对收集的不同时相的遥感影像和专题资料进行汇总，以9个时相的影像为基础，结合第一次全国土地调查、第二次全国土地调查、地理国情监测数据和数字广西DLG等数据对南宁主城区边界进行人工勾绘提取，城区的主要包括南宁6个市辖区:兴宁区、青秀区、西乡塘区、江南区、良庆区、邕宁区。边界的提取首先以影像为地图进行宏观提取，然后结合专题资料进行精细边界的修改，要求完整体现城区边缘的微细形态，并按时相的倒序依次提取城区边界，既先提取2017年时相的城区边界。最后对主城区边界提取结果进行检核，确定边界提取的可靠性。最终获取南宁市建城区边界提取结果，并制成南宁市主城区扩展变化矢量图(图3)进行主城区扩展变化分析。主城区主要采集外围边缘线，蓝线表示前一个时像的主城区范围，叠加的红线则表示后一时像的主城区范围，红蓝线间的区域则表示时间段内的主城区面积的增长区域，影像底图为后时相的影像。

图3 南宁市主城区扩展变化矢量图Fig.3 Comparison of spatial change of Nanning main urban area

2.3 城市空间扩展评价指标

本研究结合南宁市统计资料和主城区范围计算南宁城区的扩展速率、扩展强度和城市用地弹性系数，用于分析城市近六十年空间扩展的时空变化情况。并通过计算分形维数、紧凑度和城市重心变化研究南宁市城市空间扩展监测的发展趋势、城市发展的驱动力和承载力情况，实现对南宁市主城区近六十年空间形态特征演变的定量分析。

2.3.1 城市空间扩展指标

城市扩展强度指数是指某空间单元在一定时期内的城市土地利用扩展面积占其土地总面积的百分比，数字越大表示扩展越快。城市用地增长弹性系数表现的是城市用地扩张与人口增长的协调性，中国城市规划设计院经过多年对历年城市进程的研究分析为这一系数设置了一个阈值指数，其值为1.12。当城市用地增长弹性系数大于该阈值，则表现为城市占地过量且土地利用率低；若低于该阈值，则表现为城市拥挤，基础设施落后等一系列城市问题。

① 城市扩展强度和速度指数:

Qi=ΔQij/(Δtj×Aj)×100 %,

(1)

Vi=ΔQij/Δtj,

(2)

式中:Qi为城市扩展强度指数；Vi为城市扩展速度指数；ΔQij为j时段第i个研究单元主城区的扩展面积；Δtj为j时段的时间跨度；Aj为第j个时段土地面积。

② 城市用地增长弹性系数:

κ=CR/UR,

(3)

(4)

(5)

式中:κ为城市用地增长弹性系数；UR为城市非农人口年均增长率;At为某个时间段末主城区的面积;A0为某个时间段初主城区的面积;Ut为某个时间段末城市人口数;U0为某个时间段初城市人口数;CR为城市主城区年均增长率;Δt为时间段的跨度,以年为单位。

2.3.2 城市空间形态变化指标

分形维数N的取值区间为[1,2],N值的大小与图形的复杂程度相关[12]。具体关系如下：

(6)

由式(6)可知，分形维数N值愈大，城区的图形复杂程度越高，反之越小[13]。城区紧凑度BCI是反映城市空间形态的指标。紧凑值越大，形状越具有紧凑性。圆是一种紧凑度最高的图形，其紧凑度为1；紧凑度越小于1，则形状越狭长[14-15]。城区空间重心转移可以直观的体现城市在发展过程中的扩展方向，该指数与城市大事件和政府相关重大决策有直接关系。

① 城市空间形态的分形维数:

N=2lg(Z/4)/lgA,

(7)

式中:N为分形维数；Z为城市主城区周长；A为城市主城区面积。

② 城市空间形态的紧凑度：

(8)

式中：BCI为城区紧凑度；Z为城市主城区周长；A为城市主城区面积。

③ 城市空间重心转移。

空间重心坐标：

(9)

(10)

式中：Xt、Yt分别为t时像城市主城区重心；Xi、Yi为第i块城市建设用地的几何中心坐标；Ati为第i个片区面积。

(11)

式中：Lt+1表示从t到t+1时期地理单元空间重心转移距离；at+1表示从t到t+1时期地理单元空间重心转移方向与正东方向夹角。城市中心坐标可在获取主城区边界矢量图后通过Arcmap软件的Feature to point功能进行计算获取，并通过公式(11)计算重心转移距离。

3 南宁市主城区空间扩展遥感监测研究

3.1 城市空间扩展变化研究

由表2和表3的统计数据可以看出，从1960年至2017年南宁主城区的面积发生巨大变化，历经58年，由原来的16.2 km2增加到了2017年294.0 km2，增幅为277.8 km2。8个时间段中，面积增量最小的为1977～1985年时段，面积增量最大值出现在2009～2013年时段。其中增速最慢的为1960～1985年时段，为1.51 km2/a，最大增速为2009～2013年时段，为13.45 km2/a。

表2 南宁主城区相关统计数据Tab.2 The relevant statistical data of Nanning main urban area

表3 南宁主城区面积统计数据Tab.3 Statistical data on the area of Nanning main urban area

9个时间段来看(表4)，南宁市主城区的扩展面积逐年增加，扩展速度较快，整体表现为前期相对缓慢，中后期发展速度较快，总趋势为加速提高，且对应的扩展强度呈现相同的趋势。其中1960～1977年间最扩展速度和强度最小，分别为2.30 %和1.50；而2009～2013年扩展速度和强度最大，分别达到了20.5 %和13.45。扩展速率变化和扩展强度变化基本一致。此外城市用地弹性系数在近60年的城市发展中均出现不同程度的问题，1960～1977年的弹性系数最大，且严重偏离阈值，说明该时期段内城市土地利用率很低； 2005～2013年间城市发展速度快，城市占地多，处于快速发展时期；而2001～2005年和2013～2017年弹性系数很低，偏离阈值较大，表明城市也处于快速发展阶段，但基础建设与城市扩展没有实现同步，导致在城市化进程中会现一系列问题。

表4 城市空间扩展指标Tab.4 Index of urban spatial expansion

由图4对比分析可知，1977年后城市扩展指数、强度指数和城市用地增长弹性系数的趋势性存在同一性，几乎均表现出两个阶段的先升后降，趋势为整体提升，这表明南宁市城市建设在改革开放(1978年)以来均稳定扩展。但1960～1977年城市用地增长弹性系数偏高，由数值表明该时段南宁市城市占地过量且土地利用率低，仍处于摸索阶段。

联合表3和表4研究可知，1997年以后城市的扩展强度和速度有了很大的提升，年城市扩展强度指数均值为9.70，年城市扩展速度指数均值为14.8 %，两项指数均为1997年以前2.5倍以上。即在1996年南昆铁路开通以来，带动工业园区建设后，城市扩展进程开始提速，城市扩展双指标分别提升到9.7 %和14.8 %。到2001年中国—东盟自由贸易区的建立，加大了商业用地后，城市扩展双指标分别提升到11.0 %和16.80 %。尤其是在政府出台建设五象新区政策后，城市扩展双指标提升到历史最大值，分别为13.45 %和20.5 %。而在2013年“一带一路”事件的带动下，南宁城市化进程加快。这表明城市的发展速度与政府相关决策和大事件的发生存在正向强相关性。

3.2 城市空间形态变化研究

通过统计数据计算获取了南宁市主城区城市空间形态分形维数及紧凑度指标数据，制作成如下图5。本研究由于对城区内或边缘区域的零散部分进行了综合，因而会整体减小计算得出的分形维数值，但对整体趋势和个体表现的影响较小。由图5可知，南宁市主城区9个时相的分形维数从1960年的1.58下降至1977年1.23，然后上升至1997年的1.30，然后2001年下降到1.28，又上升至2005年的1.36，随后又下降至2013年的1.31，最后2017年上升至1.38，整体的呈现上升的趋势，中后半段趋于平缓。结合9个时相的南宁市主城区扩展变化矢量图(图3)分析可知，1960年至2001年城区内部填充和外部扩展同步进行，2001年之后，城区形状越来越不规则化，内部填充的同时向外扩展的程度逐年增大，且偏向南部和东部延伸扩展，呈现快速外扩发展的趋势。

由图5可知，南宁市城区1960年到1977年的BCI由较大增长趋势，中后段整体平缓，呈整体下降趋势，其中BCI在1977年最高，约为0.57；2017年BCI最低，约为0.30。结合9个时相的南宁市主城区扩展变化矢量图(图3)和分形维数，南宁主城区的空间扩展已从内填充式转为外延扩展。自2005年至2017年，城区开始延南部和东部延伸发展，城区形态开始逐步变为狭长，紧凑度降低，表明城市处在迅速扩展的发展阶段，城市管理成本较高，城市基础设施建设和已开发土地的利用率需逐步提高。

图5 南宁市主城区空间形态分形维数及紧凑度Fig.5 Fractal dimension and compactness of spatial morphology of Nanning main urban city

由图6可知，1960～1977年城区重心往西南方向移动距离为1044.1 m, 1977～1985年城区重心往东北方向移动距离为215.2 m, 1985～1997年城区重心往西北方向移动距离为194.7 m, 1997～2001年城区重心往西南方向移动距离为475.2 m, 2001～2005年城区重心往东南方向移动距离为1736.1 m, 2005～2009年城区重心往西北方向移动距离为299.1 m, 2009～2013年城区重心往东北方向移动距离为314.5 m, 2013～2017年城区重心往东南移动距离为1362.0 m。整体趋势段为：1960～2001年城区重心往西南方向移动，2001～2017年城区重心往东南方向移动。更为具体的，1960～1977年间南宁城区重心在兴宁区内，1977～2001年逐步向西乡塘区小迁移，2005～2017年城区重心向青秀区迁移。其中1960～1977年，2001～2005年，2013～2017年城区重心变化最大，迁移距离分别为1.04 km、1.74 km和1.36 km。结合南宁市主城区扩展变化矢量图(图3)可知，城区重心的迁移紧随城区发展动向，1977～2001年城区建设主要往西南方向，则城区重心向西南方向移动；2005～2017年，城区主要加大投资力度跨江向南和延伸向东建设，则城区重心向东南方向移动，且移动趋势明显。改造老城区成本过高，发展新区成本较低以及政府政策成为影响因子，同时结合南宁市规划管理局发布的南宁市2011～20120年城市总体规划(图7)发现数据计算的出的主城区重心转移方向与之同趋势。

图6 南宁主城区重心坐标转移示意图Fig.6 Gravity center coordinate transfer of Nanning main urban area

图7 南宁市2011～2020年城市整体规划(来源：南宁市规划管理局网站)Fig.7 Comprehensive urban planning of Nanning from 2011～2020 (from:NPAW)

4 总结分析

本文通过遥感技术对南宁市主城区空间形态的演变分析与定量化研究，可以得出以下结论 ：

① 南宁城市空间形态处于延伸发展的趋势。早期(1960～1997)主城区城市扩展相对缓慢，内部填充式发展结合外部多向扩展；中期(1997～2005)调整了规划，逐步提高了外部扩展的强度，在扩展方向上开始向西南延伸；后期(2005～2007)，主城区城市空间增长方向逻辑清晰，明确了发展重心向东南方向转移，向东南方向延伸扩展，且为主城区城市布局留出了继续增长的空间，城市空间增长具备较强的衔接性和可持续性。空间形态的紧凑度先升后降，表明主城区正处在快速扩展阶段。

② 城市大事件的发生同样起到引导调控的作用。从1978～1996年，改革开放开始，中越两国恢复友好关系，邓小平南巡讲话到南昆铁路的开通，南宁城市开始发生变化。城区加大了商业用地的比重，城市发展转变为圈层式发展，交通方式的转变带动了南宁工业的发展，更带动了南宁工业园区的扩展建设；2001～2008年，自由贸易区的建立和中国东盟国际博览会的落地，强化与东南亚各国的经济纽带作用，带动了高档居住用地、高级商贸用地和会展用地的发展，此外广西北部湾经济区规划批准成立，使南宁成为北部湾经济区中心城市，加大了对城区南部的扩展；2011年，自治区党委、政府提出“建设五象新区，再造一个南宁”的规划加快了南宁南部的发展进程；“一带一路”政策提出，使南宁区位重要性提升，南宁城市化进程的大大提速[3]；2017年，国务院发布《北部湾城市群发展规划》，将南宁定位为面向东盟的核心城市，支持建成特大城市和边境国际城市，南宁城市重点向东南方向开发建设。

在研究时间段内， 2012 年南宁市规划管理局发布了南宁市2011～20120年城市总体规划(图6)对城区的城市空间形态以及城市用地扩展、功能结构演变起到了推进作用，促进了城市空间的新旧交替。尽管城市规划并不是城市空间发展的直接动力，但却通过为城市发展不断提供政策调控手段，对城市空间形态变化起到了引导作用。

③ 城市空间扩展受到水系走向和地势的影响。生命水系和地形复杂程度将极大地影响城市的整体发展[16]，受自然环境影响南宁市城市主城区空间扩展存在一定的局限性。南宁市地貌分平地、低山、石山、丘陵、台地5种类型。平地是南宁市面积最大的地貌类型，分布于邕江南北两岸区域，这使南宁城区沿江扩展不会遇到自然地形地貌阻隔。而西部边缘为一穹窿山地的凤凰山和北部呈东北——西南西走向的高峰山以及西北部的峰林石山、孤峰石山成为了南宁城区向西部和北部扩展的天然屏障。而中部地区沿江大片地区地势平坦，利于减少建设的成本，适合成为商业用地、工业用地和居住用地的建设，这就决定了南宁市城区以邕江为轴，向东南拓展的扩张格局。此外，南宁主要水系—邕江水系东西走向决定了其他市辖区城市的空间形态和发展局限。