基于遥感的宜春主城区城市空间扩展时空特征及形态演变

罗嘉东 华怡凯 熊光康 汪盛民 喻龙华

摘 要：基于宜春市多时相Landsat TM遥感影像提取不同时期城市建设用地信息，采用景观指数法等空间方法对宜春市袁州区城市扩张特征和形态演变进行定量分析。结果表明，2000—2018年间宜春市建设用地的扩张主要通过大面积侵占耕地实现，城市扩张速度快于人口增长速度，不利于城市空间结构的可持续发展;建成区面积持续增长，外部轮廓趋于紧凑，主城区扩张减弱，城市扩张的方向主要集中在袁州区东部和北部;城市扩张过程中紧凑指数降低，土地利用开发程度较低，建成区由紧变松。

关键词：城市扩张;演变;宜春;Landsat TM

中图分类号 S757.2;P237 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）21-0182-04

Abstract： In this paper， the multi temporal Landsat TM remote sensing image of Yichun city is used to extract the urban construction land information in different periods. The spatial methods such as landscape index method are used to quantitatively analyze the urban expansion characteristics and morphological evolution of Yuanzhou District in Yichun city. The results show that， from 2000 to 2018， the expansion of construction land in Yichun city is mainly realized by large-scale occupation of cultivated land. Urban expansion is faster than population growth， which is not conducive to the sustainable development of urban spatial structure. The area of built-up areas continued to increase， mainly in the East and north of Yuanzhou district. In the process of urban expansion， the compactness index decreases， the degree of land use and development is low， and the built-up area changes from compact to loose.

Key words： Urban expansion; Evolution; Yichun; Landsat TM

城市是人类走向文明和成熟的标志，是人类建立的“自然-经济-社会”复合生态系统，城市空间结构的发展是衡量城市化的重要指标[1，2]。改革开放以来，我国城镇发展水平低，但发展快，随着城市化进程的不断推进，局部自然生态环境破坏严重，造成人居环境质量下降，阻碍城市的健康可持续发展[3-5]。

宜春的城市空间扩展及形态演变在中等城市中具有一定的典型性和代表性。对于城市空间扩张和形态演变的研究，国外起步较早，早在19世纪就对城市的结构和形态进行了大量研究，“杜能圈”是德国学者杜能提出的较为著名的理论[6-8]。随着遥感技术的快速发展，基于遥感技术的城市地理学和土地利用变化研究成为热点。当前国内基于遥感数据研究城市扩张和演变的多集中在北京、上海、广州等大城市。柴宝惠等[9]结合Landsat数据和DMSP/OLS夜间灯光数据，采用分类后比较法，分析天津市建成区的变化信息，比仅以单一数据源的精度有显著提高。王佳等[10]以多源遥感数据，采用梯度分析、等扇形分析等方法研究北京城市边缘时空结构变化过程。钱志友等[11]以Landsat数据对南京城市扩张和形态演变进行定量分析。迟文峰等[12]利用Landsat、SPOT5、GF2遥感数据，采用线性光谱混合模型得到內蒙古的土地覆盖结构信息，监测城市扩张动态和土地覆盖变化特征。宜春作为中等城市，是长江中游城市群重要成员，各个城市间城市规模、水平、地域特征等方面存在较大差异。本研究利用2000年、2002年、2014年和2018年4期Landsat TM遥感影像，对江西省宜春市袁州区进行土地覆盖信息提取，分析和探讨宜春袁州区18年来城市空间扩展时空特征和形态演变。

1 资料与方法

1.1 研究区概况 宜春市袁州区位于江西省西北部（113°54′～114°37′E、27°33′～28°5′N），属中亚热带季风气候区，气候温和湿润，无霜期长，冬季温暖，夏季凉爽，平均气温18.1℃，年平均降水量1624.9mm。袁州区总面积2532.36km2，森林覆盖率62.7%[13，14]。

1.2 数据来源 数据包括2000年、2002年、2014年、2018年4期Landsat TM遥感影像（见表1）和宜春市袁州区政府官网统计数据。解译遥感数据过程中结合实地调查GPS点位和宜春市袁州区市域图，TM遥感数据提取结果如图1所示。

1.3 研究方法 采用扩张强度指数、城市蔓延指数、紧凑度指数和城市用地分形维数来揭示宜春袁州区城市扩张速度、蔓延态势以及区域差异特征[8，15-19]。

1.3.1 扩张强度指数 应用城市扩张强度指数反映袁州区城市建设用地扩张的程度，定量比较袁州区城市扩张程度和速度。

式中：I为从时间i至j跨度内城市扩张强度指数;Si和Sj分别表示时间i和j时期的建设用地面积;S表示土地总面积（km2）;T表示时间i至j的时间变化。

1.3.2 城市蔓延指数 针对中小城市扩张的无序蔓延情况，利用城市蔓延指数SI来测定宜春市袁州区的城市蔓延情况。

式中：SI为时间i到j时间段内的城市蔓延指数，为建设用地面积与常住人口增长速度之比;Si和Sj分别表示时间i和j时期的建设用地面积（km2）;Pi和Pj分别表示时间i和j时期的常住人口数量（万人）。

1.3.3 紧凑度指数 城市外围轮廓形态紧凑度是反映空间斑块完整性和聚集程度的指标，值介于0～1，值越大表明城市斑块越具有紧凑性，相反则紧凑性越差。

式中：C为城市外围紧凑度指数;S为建成区面积（km2）;P为城市外围轮廓周长（km）。

1.3.4 城市用地分形维数 城市用地分形维数用来描述城市边界形状的曲折性和复杂性。

式中：S为第i年城市斑块分形数;li和Pi分别为第i年城市斑块面积（km2）和周长（km）。S理论取值在1～2，维数越大表示形状越复杂。

2 结果与分析

2.1 城市空间扩展特征

2.1.1 城市扩张强度指数 进入21世纪后，全国城市化进程不断加快，特别是随着城市新区建设速度加快，城市建成区面积增长极其迅速。2000—2018年间宜春袁州区建成区域面积大幅增加，由20km2增至88km2，净增加68km2，扩大了4.4倍，年均扩展3.78km2/a。由图2可知，2014年之前，袁州区建成区面积增长缓慢，之后进入快速扩张阶段，城市建设进入快车道;但由于袁州区全区面积大，达到2532.36km2，相比总面积而言，建成区扩张面积较小，扩张强度I仅为0.15%。

2.1.2 城市扩展空间特征 利用ENVI提取各个时期建成区范围，利用ArcGIS提取各个时期城市外围轮廓。各个时期袁州区城市蔓延指数、紧凑度指数和分形维数如表2所示。由表2可知，2000—2014年间城区蔓延指数稳定在相对较小的4以下，而后上升至2018年的16.67，表明袁州区城区建设在2014年之前新增建设面积维持较低水平，而后至2018年进入快速扩张。紧凑度指数在2000—2002年维持在较高值，反映当时城市建成区范围较小，城市空间利用率较高;而后随着高铁新区、城北新城和工业区的发展，城市建成区不断扩大，但城市建成区各部分斑块之间的紧密性逐渐降低，城市形态变得较松散，土地利用开发程度较低，反映袁州区主城区经历了一个由紧凑到较松散的过程。

2.1.3 城市空间扩展分析 2000年袁州区城市主要由老城区及周边的中心城区组成，2018年呈现明显“一核三轴”的组团式格局。“一核”指中心城区，包括老城区及老城区周边;“三轴”指中心城区至彬江和中心城区至西村和中心城区至三阳发展轴。通过中心城区至彬江和中心城区至西村两轴发展，加快东西交通功能轴发展，促进宜新萍一体化进程;通过中心城区至三阳轴发展，推动城市空间北拓，实现产城融合。

2.1.4 城市空间扩张过程中的土地利用变化 遵循全国《土地利用现状调查技术规程》，将研究区土地利用现状分为建设用地、耕地、林地和水域四大类，采用2000年和2018年Landsat TM遥感影像，采用监督分类方法识别城市扩展过程中主要侵占的土地类型。由表3可知，主要的侵占土地類型为耕地。对比分类识别结果如图1所示，被侵占土地主要分布与“三轴”发展轴一致。

2.2 城市扩展的驱动力

2.2.1 地形 袁州区城北和东西向存在较广阔的平坦区域，适宜城市建设，因此成为城市扩展的热点区域。

2.2.2 经济和人口 袁州区经济指标大幅攀升，2000年GDP为9.21亿元，2018年达300.79亿元，全市增长了32.66倍。袁州区人口2000年为93.31万人，城镇人口22.32万人，2018年达107.92万人，城镇人口62.44万人，全区净增加14.61万人，城镇人口增长了2.80倍。

2.2.3 行政区划 袁州区作为宜春市委、市政府所在地，位于辖区边界，不利于行政管理。袁州区的城镇规模等级不明显，辐射能力有限，而且辖区的东面更靠近南昌，进一步制约了袁州区的人口吸引力。

2.2.4 政策 宜春作为长江中游城市群重要成员，抢抓赣西经济转型发展新机遇，将宜春建设为赣西地区的中心城市。《宜春市中心城总体规划（2008—2030年）》提出宜春中心城区将形成“一心一轴六板块”的空间结构布局，城乡统筹上构筑“一核三轴五组团”的空间结构。科学合理的城市规划确定城市的发展方向、规模和布局，使整个城市的建设和发展具有有序性和持续性。

3 结论与讨论

研究结果表明：2000—2018年间袁州区建成区面积由20km2增加到88km2，扩张了4.4倍，但由于辖区面积大，相比之下建成区扩张面积较小，扩张强度仅为0.15%;在此期间，袁州区东部的新城高铁新区和北部新城发展进入大规模扩张期，城市扩展空间特征明显，主要向北和向东发展，城市重心向东北方向偏移，总体形成“一核三轴”的空间结构;但发展过程中紧凑指数降低，反映城市各个斑块间紧密度降低，表明土地开发程度在降低;建成区扩张4.4倍，但人口仅增长2.8倍，反映城市扩张过快;城市扩张过程中，以占用大量耕地为主，侵占了50.6km2，占总侵占面积的74.4%，侵占土地主要在“三轴”发展方向。由此可见，政府政策、城市规划和经济发展对城市空间扩张具有较大影响。基于遥感的城市空间扩张研究有利于政府实时精准掌握城市空间扩展数据，对政府决策具有重要意义。

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（责编：徐世红）