近40年郑州市建成区扩张演变特征与驱动因素研究

李 哲， 郑 瑶， 张亚丽， 赵子龙， 党文辉， 王晓磊

（1.河南农业大学资源与环境学院，郑州 450002； 2.河南省生态环境监测中心，郑州 450046）

城市扩张是城市由于社会生产力和经济的快速发展而引起的城市空间增长、城市规模扩大，农村人口向城市集中的过程，是城市化快速发展阶段的一个重要特征［1-2］. 因此，研究城市扩张变化特征对于促进城市社会经济良性发展和生态环境建设具有重要意义. 学者们广泛运用GIS技术和遥感影像处理技术，研究城市建成区扩张演变特征［3-5］. 国内现有研究多集中在直辖市、东部经济发达地区或城市群［6-8］. 欧阳晓和朱翔［6］以10个不同发育等级的城市群为研究对象，分析了1990—2015年间城市扩张的时空演变特征及其对景观生态效应的影响，同时分析了人口、经济与城市用地协同发展关系. 郑州市是河南省省会也是中部地区重要的工业城市和国家中心城市，同时也是铁路、高速公路、航空和电信等领域重要的枢纽城市. 贺振等［9］利用3期遥感数据，分析了郑州市1988—2000年和2000—2009年两个时间段建设用地的空间变化特征，提出郑州市主要是以中心城区的二七广场向四周呈同心圆状扩展. 李爱民等［10］分析了1999—2007年郑州市建成区的扩展特征及其与人口增长的协调关系，认为人口增长不适应城市用地扩张. 周鹏超和杨永芳［11］分析了1990—2016 年间郑州市建设用地的扩张情况，提出2000 年是城市扩展速率由慢变快的转折点. 近年来，随着郑州市城市功能的不断升级，区域辐射作用不断增强，城市建成区扩张速度也日益加快，对城市管理和市政建设产生了一系列的深远影响. 然而，现有研究时间跨度较短，目前尚缺乏较长时间序列的郑州市城市扩张演变规律研究，不利于系统分析郑州市城市扩张的驱动机制. 因此，本文以郑州市为研究对象，利用GIS/RS技术研究1981—2019年期间郑州市建成区扩张的时空演变特征并分析驱动因素，以期为促进新形势下快速城市化地区城市健康发展与科学规划、制定合理的城市空间增长管理政策提供科学依据.

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法

1）城市扩张强度指数

城市扩张强度指数（Urbanization Intensity Index，UII）是指某空间在研究期内建成区扩张面积占研究区土地总面积的百分比，用来分析不同时期城市扩张的快慢强弱［12］，计算方法如下：

式中：Uib研究期内的末年城市用地面积；Uia为初始年用地面积；TIA为研究区的土地总面积；T表示时间跨度，用年来计算.

2）城市空间紧凑度指数

城市空间紧凑度指数是由城市面积与周长的比值决定. 以圆形区域作为标准度量单位（紧凑度为1），紧凑度越接近于1，说明城市形状越紧凑；越接近于0，则城市空间离散程度越大. 因此，它可以作为衡量城市空间形态变化的一个重要指标［13］，计算公式为：

式中：C为城市紧凑度；P是城市周长；A是城市面积.

3）城市分形维数

城市空间分形维数D用以刻画城市形状的复杂度，体现了城市内部的自组织、自相似以及边界分形扩展能力，也反映了城市土地利用变化的形态［14-15］. 一般情况下，D通常位于1.0到2.0之间.D为1.0，形状是最简单的正方形，当D＜1.5，说明图形是简单的；D=1.5时，表示图形处于布朗随机运动状态；当D＞1.5时，则图形是复杂的；D越大表示图形越不规则，2.0为等面积情况下周边最复杂的区域［16］. 表达式如下：

式中：D为城市在一定时间区间的城市空间的分形维数；P表示该城市对应时间区间的城市区域的周长；A表示该时间区间的城市区域的面积.

4）城市面积-人口扩展弹性系数

城市用地面积的变化速度通常与城市人口数量的增减速度直接相关，用来描述两者关系的城市面积-人口弹性系数是一个用来评价城市扩展合理性的指标［10］，其计算方法如下：

式中：R(i)为第i时期的城区面积-人口扩展弹性系数；A(i)为第i时期的城区面积平均增长率；Pop(i)为第i时期的城区平均人口增长率.

1.2 数据来源

采用的遥感影像数据来源于Landsat 系列卫星（表1），下载于地理空间数据云网站（http：//www.gscloud.cn/），选择平均云量为1%左右的卫星遥感影像以提高分辨率. 对上述遥感影像数据进行校正，进行目视解译，再用ENVI 5.3 软件验证解译精度. 1981、1988、2000、2011 和2019 年解译总精度分别为82.5%、84.6%、83.2%、85.1%和84.3%，Kappa系数分别为0.81、0.79、0.83、0.85和0.84. 解译精度均高于80%，Kappa系数均高于0.70，满足分析郑州市建成区扩张特征需求. 文中经济和人口等统计数据主要来自《中国城市统计年鉴》《河南省统计年鉴》和第七次人口普查结果.

表1 各年份所选取的遥感影像类型Tab.1 Remote sensing image types selected in each year

2 结果与分析

2.1 郑州市建成区扩张的时间演变特征分析

2.1.1 郑州市建成区面积增长情况

1981—1988 年、1988—2000 年、2000—2011 年和2011—2019 年郑州市建成区面积年均增长量分别为5.362 km2、2.606 km2、20.137 km2和25.122 km2. 每个时间区间的增长率都大于30%，其中2000—2011年的面积增长率高达166.3%，为最高值. 总体而言，近40 年来郑州市的建成区面积变化特征是“高速增加”.1981—2000年期间城市建成区扩张速率较慢，这与改革开放早期城市化进程缓慢进程有关. 2000年之后城市扩张速率明显加快，人口向中心城区流动加快，随之也带动了城市建成区面积的快速增加.

2.1.2 郑州市建成区扩张速率和扩张强度分析

依据储金龙等［17］对扩展速率的划分标准，可按照城市扩张速率分别为≥10、6～＜10、2～＜6和＜2 km2/a划分高速扩张型、快速扩张型、中速扩张型和低速扩张型四种类型. 按照郑州市建设用地的扩展速率，对1981—2019年四个时期区间的扩张类型进行划分（表2）. 可知在39年的时间区间里，城市建设用地的扩张速度整体以中高速为主，由1981年的64.383 km2增长至2019年580.8 km2，平均增长量为13.226 km2/a.

表2 城市建设用地演变扩展速率类型划分Tab.2 Classification of expansion rate types of urban construction land evolution

依据储金龙等［17］对扩展强度的划分标准的讨论，可按照城市扩张强度指数值分别为UII ＞1.92、1.05＜UII≤1.92、0.59＜UII≤1.05和0.28＜UII ≤0.59、UII ≤0.28，划为高速扩展型、快速扩展型、中速扩展型、低速扩展型和缓慢扩展型等五种类型. 根据式（1）计算不同时期郑州市建设用地的扩张强度指数，确定1981—2019年四个时期区间的扩张类型（表3）. 由此可知，2000年之前以中速和低速扩张为主，2000年之后为高速扩张，这与周鹏超和杨永芳［11］研究结论一致.

表3 各阶段城市建设用地扩展强度类型Tab.3 Expanding intensity types of urban construction land at each stage

2.1.3 郑州市建成区扩张形态分析

利用式（2）和式（3）分别计算郑州市1981年、1988年、2000年、2011年和2019年的紧凑度指数和分形维数（图1和图2）. 从图1可以看出，1981—2019年间郑州市城市紧凑度指数呈现下滑趋势，整体特征为离散程度越来越高. 其中，1981 年和1988 年的紧凑度指数均接近1，变化不大，表明期间城市正处于缓慢且有序扩张的状态.2000 年城市紧凑度指数下降幅度较大，城市周长也快速增加，与1988 年比翻了约一倍，城市开始高速扩张，这与郑东新区的规划与建设密不可分. 随后郑州市大力发展其他工业区和高新技术开发区，城市紧凑度指数持续下降，城市形态愈发离散.

图1 郑州市不同时期城市周长与紧凑度指数Fig.1 Urban circumferences and compactness indexes of Zhengzhou in different periods

由图2可知1981—2019年郑州市分形维数接近于1，呈缓慢增长态势，表明郑州城市建成区的空间形式整体相对简单. 1981—1988 年郑州市建成区的分形维数呈现上升趋势，但是比较缓慢，说明期间郑州市建成区有向外扩张的动态变化，但扩张程度不大；1988—2011年，分形维数上升较多，表明这段时期郑州市建成区向外扩张程度较大，用地类型变更较多；而2011—2019 年，建成区分形维数有所下降，说明这几年间郑州市建成区形态以内部调整为主.

图2 郑州市不同时期城市面积与分形维数Fig.2 Urban areas and fractal dimensions in different periods in Zhengzhou

2.1.4 郑州市建成区面积-人口扩张弹性指数分析

利用式（4）计算郑州市城市面积-人口扩张弹性指数（表4）. 通常城市用地快速扩张而人口数量增长缓慢，会造成土地的浪费，集约化程度低，反之会出现城市用地利用强度过高的状况. 通过对中国历年来城市化进程的综合分析，陈蕾等［18］认为当城市扩展与人口发展之间处于较协调状态时，R(i)为1.12，如果R(i)值过小，会导致城市用地紧张，如果该值过大，则意味着土地利用率太低. 由表4可知1981—1988年郑州市建成区的扩展弹性指数略高于1.12，城市扩张与人口之间较为合理；1988—2000年为0.347，表明这段时间人口快速增加，而城市建设速度远远滞后；2000—2011年和2011—2019年R(i)值分别为1.737和2.173，扩展弹性指数快速增加，这表明城市扩张速度远超过了人口增长速度，这与前面的扩张类型分析一致，即郑州市2000年之后城市建成区高速扩张，而人口增长速度相应滞后.

表4 各时期郑州市建成区扩展弹性指数Tab.4 Extended elasticity indexes of Zhengzhou built-up area in each period

2.2 郑州市建成区扩张的空间演变特征分析

通过5个时期的Landsat 卫星遥感影像，分别得到郑州市5个时期的建成区范围图像（图3）. 1981年郑州建成区形态紧凑，面积较小，仅64.383 km2，且城镇化率较低，仅为35%. 与1981年相比，1988年的建成区扩张呈现两种形态，一是中心城区的扩张较为缓慢，以同心圆的形态向外蔓延，沿西南方向扩展较多；二是在中心城区以外，郊区的建设用地呈现分散式增长，以居民点分布居多. 2000年建成区面积较上一时期有明显增多，但中心城区扩张缓慢，扩张形态由同心圆式扩张转为多中心外延式扩张发展. 该阶段建设用地增加量主要分布在中心城区以外的地区，形成了以不同行政区为主体的住宅功能区，工矿仓储用地逐渐远离市中心区域，公共管理用地数量随之增多，其中二七区占比最大. 2011年城市建成区的主要扩张方向为西北、东北和东南. 此外，随着郑东新区的建成，城市中心开始向东北部移动. 2019年郑州市各个方向都在有序地扩张，但建成区主要集中在东西发展轴带上扩张. 其中，东区建成区的扩张规模最大，北区次之，之后是西区，最弱的是南区. 由上可知郑州市建成区扩张和大多数地区的城市化进程相似，都是以主城区为基础，以市中心为基准点，沿着道路交通格网线走势和各类产业园区的发展方向，随着城市经济发展和人口数量的增多，城市建成区扩展速率也逐步加快.

图3 郑州市1981—2019年建成区范围变化Fig.3 Scope changes of built-up area in Zhengzhou from 1981 to 2019

2.3 郑州市建成区扩张驱动因素分析

2.3.1 经济因素

自改革开放以来郑州市经济呈高速发展态势，1981年郑州市的国民生产总值为31.1亿元，人均生产总值为684元；到2019年郑州市的国民生产总值达到了11 589.72亿元，同比2011年增长了133.94%，人均国民生产总值高达113 139元. 从三大产业占比布局来看，在1999年之前第二产业占比一直高达50%以上，是三产业中比重最大，发展势头最猛的产业；从1981年开始，第三产业的比重呈现波动上升趋势，并于2001年超过第二产业，成为三产业中发展最快，占比最高的产业，2016—2019年亦是如此（图4）. 经济快速发展需要城市建设用地支撑，在一定程度上促进了城市的快速扩张.

图4 郑州市1981—2019年产业结构比例Fig.4 Industrial structure ratio of Zhengzhou City from 1981 to 2019 years

2.3.2 政策因素

国家政策是影响郑州城市发展的导向性因素. 郑州是河南省省会、中部地区重要的工业城市和国家中心城市、中原城市群的龙头城市. 这些城市定位在政治经济等各领域具有非常重要的引领和示范作用，这对于郑州城市的扩张起到了重要的推动作用. 可以说，40年来郑州城市的快速扩张，既是郑州城市自身发展的客观要求，也是带动中原经济区发展，促进我国中部地区宏观区域经济发展的必然选择［19］.

2.3.3 人口因素

河南省是人口大省，作为省会的郑州市对人口流动具有较强的吸引力. 从全国主要29个大型城市人口增幅来看，郑州人口2009—2019年增加了37%，处在第五位. 根据第七次人口普查结果，与第六次普查结果相比，郑州十年的人口增量占河南省的74.4%，占全国增量的5.5%；增速比全国和河南省均高出40%，十年平均增速比全国和河南均高出3.3%［20］. 结合前文分析，郑州市人口城镇化虽然整体滞后于城市用地的扩张，但对城市建成区扩张起到了不可或缺的推动作用.

2.3.4 交通因素

城市交通的快速发展在很大程度上会加快城市的发展. 作为全国重要的交通枢纽城市，同时也是全国唯一的具有普通铁路和高速铁路网“双十字”中心的城市，郑州在国内交通网络中占据重要的位置. 随着郑州东站、南站等高铁站和新郑国际机场的建设开通，郑州地铁网络的日益完善，城市综合实力不断提升，也为城市建成区的发展起到了极大的推动作用.

2.3.5 环境因素

郑州市城市建设注重生态优先、绿色发展，大力推进绿化建设，完善公园体系和生态廊道体系. 近些年来城市的人均公园绿地面积一直在波动上升，特别是2001年开始，增长率快速提高. 截至2019年，郑州市建成区的绿地率、绿化覆盖率和人均公园绿地面积3项指标分别已达35.84%、40.83%和13 m2，均超过了国家生态园林城市的指标要求［21］. 绿地面积增加使城市环境不断优化，对郑州市建成区的扩张也有促进作用.

3 结论

利用1981—2019年期间五期的Landsat卫星遥感影像得到郑州市5个时期的建成区范围，从时间尺度和空间尺度对演变特征进行分析并分析其驱动力因素，主要结论如下：

1）1981—2019年郑州市建成区面积呈现上升趋势，面积增加量为516.42 km2，期间经历了“中速—低速—高速—高速”的扩张模式. 随着城市发展速率的加快，紧凑指数呈现不断下降趋势，表明城市内部空间越发离散，城市形态愈发离散. 1981—2019年郑州市分形维数接近1，且有增长趋势.

2）从扩展方向上看，近年来郑州市城市重心向东北部移动，建成区向各个方向迅速扩张，以同心圆式扩张为主，以外延型扩张为辅，其中主要的扩张方向是东北和东南方向，其次是西北方向.

3）依据扩展弹性指数来对郑州城市扩张合理性进行分析，从人口数量和用地规模扩张的关系来看，除了1988—2000 年扩展弹性指数低于1.12，其他时段的扩展弹性指数大于1.12，均表明人口规模增加速度低于用地扩张速率.

4）郑州市建成区扩展的驱动力因素有很多，经济、政策、人口和交通等因素的导向力加强，对城市扩张起到主导作用. 城市绿化用地增加、环境改善，对郑州市建成区扩展也有一定的促进作用.