哈尔滨城市扩展特征及驱动力分析

徐杰佳，臧淑英

(哈尔滨师范大学寒区地理环境监测与空间信息服务黑龙江省重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150025)

目前我国正在大力推进城市化进程，城市建成区面积正加速扩张，在此过程中城市空间的无序蔓延会对区域的土地资源承载力与生态安全形成巨大压力[1]，因此需要准确把握城市扩展的过程和空间特征，为城市规划和可持续发展战略的制定提供科学的现实基础。遥感技术快速、实时、周期性、成本低的优势为城市扩展监测提供了强有力的手段，有助于准确地了解和掌握城市的扩展特征。在相关研究中经常使用多光谱遥感影像[2-7]，通过影像拼接裁剪和监督分类等步骤得到城市的建成区范围再加以分析，但数据量大、步骤繁琐、费时费力。因此，夜间灯光数据就逐渐成为一种用于城市扩展监测的理想遥感影像资源。

1976年美国军事气象卫星计划(defense meteorological satellite program，DMSP)开始获取全球范围内的夜间灯光数据，后续新一代国家极轨合作伙伴(suomi national polar-orbiting partnership，Suomi NPP)卫星能获取更高分辨率的夜间灯光数据。该数据以人口分布较为密集的城市区域夜间灯光为成像目标，具有波段单一、数据量小、全球一张图等优势，能直观反映城市轮廓的形态变化，是进行城市发展研究的理想数据资源。文献[8]利用DMSP/OLS数据构建了反映我国城市化水平的灯光指数。文献[9]从国家、8大经济区、省和地等4个尺度综合分析了1992—2010年我国土地城镇化水平的时空动态特征。文献[10]综合使用MODIS和DMSP/OLS数据对2001—2010年浙江省城市扩张情况进行了动态监测。文献[11]使用DMSP/OLS夜间灯光数据对中国的城市体系等级结构和空间结构进行了实证研究。此外，文献[12]和文献[13]还利用灯光数据估算人口密度。综合来看，现有研究多以DMSP/OLS数据为主，同时使用上述两种夜间灯光数据的研究较少，因此本文使用两种数据对1992—2017年哈尔滨市建成区进行提取，计算扩展速度、圆度、紧凑度和分形维数等指标分析城市空间扩展特征，对城市扩展的驱动力进行探讨，以期为哈尔滨的城市空间规划提供参考。

1 数据与研究区

本文使用的夜间灯光数据来自于美国国家地理信息中心，包括1992、1997、2002、2007和2012年的DMSP稳定强度夜间灯光数据，空间分辨率为1 km；2017年1月的VIIRS灯光数据，空间分辨率为500 m；哈尔滨市建成区数据来源于《黑龙江统计年鉴》。

哈尔滨市是东北北部交通、政治、经济、文化和金融中心，也是全国省辖市中陆地管辖面积最大的城市，辖9区7县，并代管两个县级市。考虑到城市建成区的实际含义，本文的研究范围仅包含道里区、南岗区、道外区、平房区、松北区和香坊区，以下简称为哈尔滨主城区。

2 研究方法

2.1 数据预处理和建成区提取

将6个年份的夜间灯光数据转换为兰伯特等积投影，像元分辨率重采样为1 km×1 km，裁剪得到1992、1997、2002、2007、2012和2017年哈尔滨市主城区建成区范围。由于传感器自身的特性导致DMSP影像在城市中心会出现饱和现象，即灰度值达到63后不再升高，因此参考文献[14]提出的一元二次校正模型对影像的灰度值进行校正。采用统计数据比较法提取哈尔滨市主城区，设定一个初始阈值并逐步提高，统计灯光数据中大于该阈值的像元面积。当像元面积与统计数据中的建成区面积差值最小时即为真实阈值，由此提取得到6个年份的哈尔滨主城区的建成区范围。

2.2 城市空间扩展格局

城市空间扩展是城市化进程在时空尺度和空间格局的具体反映[15]，描述空间扩展特征的指标有很多，本文选择扩展速度、圆度、紧凑度和分形维数等指标对哈尔滨主城区的扩展过程进行分析。

2.2.1 扩展速度

扩展速度表示某时间段内建成区面积和轮廓周长的增长率，用以比较不同时间段内建成区扩展的快慢和趋势[15]。计算公式如下

a=(A2-A1)/A1×100%

(1)

p=(P2-P1)/P1×100%

(2)

式中，a为面积增长率；p为周长增长率；A1、A2和P1、P2为主城区首末年份的面积和周长。

2.2.2 圆 度

圆度是一种反映城市空间外围轮廓的形状指数，计算公式如下

C=4A/P2

(3)

式中，C为建成区的圆度指数；A为建成区面积；P为建成区周长。圆度值越大表明建成区的形状越接近于圆形，反之则体现为明显的带状特征。

2.2.3 紧凑度

紧凑度是用于测度区域形状特征的指标，用于描述城市空间的聚集程度[16]。A、P分别为面积、周长；BCI为紧凑度，值越大，表明城市建成区的紧凑性越高。计算公式如下

(4)

2.2.4 分形维数

本文选用边界维数来评价建成区的填充能力与边界形状的复杂程度，计算公式如下

S=2ln(P/4)/lnA

(5)

式中，A、P分别为面积、周长；S为建成区的分形维数，值越大，表明形状越复杂。若在某时段内分形维数增大，意味着空间形态的不规则程度加大，表明该时段内建成区面积增加以外部扩展为主，反之则表明面积增加以内部填充为主；保持稳定则城市扩展也相对稳定。

2.2.5 城市重心位置识别

重心理论从全局性角度定量解释地理要素空间分布的中心性、展布性、方向性和空间形态等特征[17]。城市重心和转移距离可以反映城市扩展的趋势与轨迹，计算公式如下

(6)

(7)

式中，n为区域像元总数；(xi，yi)为第i个像元的坐标；DNi为第i个像元的灰度值；(X,Y)、(x1、y1)和(x2，y2)为重心坐标；S为重心转移距离。

3 哈尔滨主城区空间扩展态势

3.1 建成区提取结果

提取得到哈尔滨市主城区在1992—2017年的建成区范围如图1所示。由图1可知，在不同时间段内，建成区的扩张具有不同的特征。扩展方式既包括跳跃式的新城区建立，也有外延式的扩展，辅以圈层式的内部填充扩展。城市轮廓形态则经历了从圆形到近似条带形的转变过程。

3.2 城市空间扩展分析

依据建成区提取结果，计算得到哈尔滨市主城区在1992、1997、2002、2007、2012和2017年的面积和周长的增速以及圆度、紧凑度和分形维数等指标，见表1、表2。

表1 哈尔滨市主城区面积和周长变化情况 (%)

表2 哈尔滨市主城区景观指标变化情况

哈尔滨主城区面积和周长的增速表明二者都有较大幅度的波动且呈现间歇性变化。1992—2002年二者的增幅较为接近；2002—2017年则是面积增速大于周长增速，二者差距逐渐减小且放缓趋势明显。1992—2002年圆度、紧凑度和分形维数等指标的变化幅度最大，说明哈尔滨主城区空间形态的复杂度变化明显，城区扩张方向较为集中，城市轮廓的形态变化较大。其他阶段景观指标较为稳定，说明城区扩展方向较为分散。总体来看，随着时间的推移，哈尔滨主城区的圆度和紧凑度持续减小，由接近圆形变为条带形，基本保持外延式扩展状态。分形维数增大，之后逐渐稳定，表明主城区空间格局的复杂度呈先增加后基本保持稳定。

3.3 城市重心位置及转移规律

计算得到哈尔滨市6个年份的城市重心位置，绘制其转移轨迹如图2所示，并计算得到不同阶段重心移动距离，可以发现哈尔滨主城区的重心移动具有明显的阶段性特征。1992—2002年，重心持续向南移动。1992—1997年，重心南移的距离最大，表明此阶段内城区向南扩张明显。2002—2007年，城市重心向西移动。2007—2012年，重心向西北方向移动。2012—2017年，重心向东移动。由于哈尔滨市位于松花江南岸，因此在1992—1997年其城市扩展以向南为主，到哈大齐工业走廊等规划决策提出之后，城市才逐渐向北扩张。

4 城市扩展驱动因素分析

城市空间扩展是多种因素共同作用的过程，随着城市的不断发展，各种因素对城市扩展的影响程度也在不断变化，导致城市不同发展阶段有着不同的形态特征。参考已有研究成果可知[18-20]，经济发展、人口数量、政策规划等因素对城市空间扩展的影响程度最为显著。因此本文选取国民生产总值、年末总人口和城镇固定资产投资额等指标分别代表上述因素，计算与哈尔滨主城区面积的相关系数，分析城市扩展的驱动机制。

4.1 经济发展因素

经济发展是城市空间扩展的根本动力。统计数据显示，1992年哈尔滨市GDP为247.3亿元，到2017年GDP增加到6355亿元。分析表明GDP与哈尔滨市主城区面积的相关系数达0.963。经济快速发展意味着城市居民收入和生活水平的提高，消费需求多元化，对城市公园、绿地等市政基础设施和商场、游乐场等娱乐设施的需求不断增加。经济持续增长促进了第一、二、三产业的升级和发展，主要表现为第一产业比重降低，第二、三产业比重升高，因此对于工业建设用地的需求增加。居民对于改善居住条件的需求也随之升高，带动了房地产行业的蓬勃发展，这都导致城市建设用地需求的加大，成为城市空间扩展的主要驱动因素之一。

4.2 人口数量因素

人口是城市活动构成中最为活跃的组成要素，是城市空间扩展的直接动力[19]。1992年哈尔滨市辖区年末总人口为285.45万人，2017年增长到550.8万人，增幅将近一倍。人口数与主城区面积的相关性达0.956，仅次于GDP与面积的相关系数，是城市扩展的又一主要驱动因素。人口增长对城市空间扩展的推动作用主要体现在对住房建设用地、道路、学校和医院等配套服务设施建设用地需求的增加。

4.3 政策规划因素

政策规划是政府对城市空间扩展的助推力量，具体表现为自上而下的固定资产投资、产业布局引导、基础设施建设等[21]。1984年通过的《中共中央关于经济体制改革的决定》将改革重心从农村转向城市，此后我国城市扩张步伐大大加快。哈尔滨市城镇固定资产投资额与城市面积的相关系数为0.916，足见政策规划对城市扩展的影响之大。哈尔滨市紧邻北侧的松花江，随着城市不断发展，对建设用地需求加大，城区持续向南扩张。2004年黑龙江省提出建设哈大齐工业走廊的决策，在哈尔滨市规划了江北工业新区、平房工业新区、群力新区、太平空港经济区和香坊工业新区5个大型工业区，总面积251.68 km2，建设用地39.79 km2，松北区迎来了快速发展的契机。2009年，哈尔滨市提出“北跃、南拓、中兴、强县”的发展战略，加之工业走廊建设的深入推进，哈尔滨主城区向北扩张明显。

5 结 语

利用夜间灯光数据提取哈尔滨市主城区1992、1997、2002、2007、2012和2017年的空间范围，通过计算城区面积、周长增速和圆度、紧凑度、分形维数等指标探究城市空间扩展特征，结合哈尔滨市经济发展情况、人口数量变化和城市规划政策分析其扩展的驱动因素。从城区形态变化角度分析，城区形状变化较大，城市扩展以外延式为主。城市格局的复杂度先增加后续保持稳定。扩展方向则集中在东南和西北方向。从城市扩展驱动因素分析，经济发展因素对城市扩展的推动作用最大，体现为居民收入增加使得改善居住条件的需求得到满足，人口数量增长对住房建设用地的需求加大，城市规划政策对城市扩展具有明显的导向作用。