綿陽市城市擴(kuò)展及其驅(qū)動(dòng)力分析

曹 琦，韓元明

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川綿陽 621000)

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綿陽市城市擴(kuò)展及其驅(qū)動(dòng)力分析

曹 琦，韓元明

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川綿陽 621000)

摘要以遙感影像為數(shù)據(jù)源，借助GIS的空間疊加分析技術(shù)和多要素綜合分析功能，提取1985、1990、1995、2000、2005、2010、2014年7個(gè)時(shí)期綿陽市建成區(qū)的擴(kuò)展信息，并結(jié)合綿陽市經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)據(jù)，從擴(kuò)展數(shù)量、擴(kuò)展形態(tài)、擴(kuò)展合理性、擴(kuò)展空間差異4個(gè)方面對綿陽市城市建成區(qū)擴(kuò)展情況進(jìn)行分析；選取自然因素、經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)因素等方面指標(biāo)，分析綿陽城市擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力。結(jié)果表明，1985~2014年綿陽市建成區(qū)面積增加了126.27 km2，1985~1995年以中心區(qū)為中心呈外延式多方向擴(kuò)展，1995~2010年呈多方向廊道式擴(kuò)展，2010~2014年以內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整為主；經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長是綿陽市城市擴(kuò)展的決定因素。研究結(jié)果可為政府提供科學(xué)的決策依據(jù)，為綿陽市今后的城市規(guī)劃和生態(tài)保護(hù)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞城市擴(kuò)展；驅(qū)動(dòng)力分析；GIS；綿陽市

西部大開發(fā)以來，我國西部的城市化進(jìn)程加快，特別是大中城市的擴(kuò)張，對其周邊地區(qū)的耕地侵占加劇，已深刻地影響著城市的周邊環(huán)境[1]。城市用地?cái)U(kuò)張直觀地體現(xiàn)了城鎮(zhèn)化和城市發(fā)展的空間過程和特征[2]，因此研究城市建成區(qū)擴(kuò)展及其驅(qū)動(dòng)力機(jī)制，對城市的發(fā)展有著重大的意義。國內(nèi)許多學(xué)者采用不同數(shù)據(jù)源，以RS與GIS為手段，采用空間分析方法，對北京、上海、重慶、杭州等城市的用地?cái)U(kuò)展及驅(qū)動(dòng)力等進(jìn)行了系統(tǒng)研究[3-6]。筆者運(yùn)用RS和GIS技術(shù)分析1985年以來綿陽市城市擴(kuò)展動(dòng)態(tài)變化，并結(jié)合統(tǒng)計(jì)年鑒、規(guī)劃資料來分析城市擴(kuò)展內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，以期為相關(guān)規(guī)劃的制定和城市的生態(tài)保護(hù)等提供依據(jù)。

1數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1研究區(qū)概況綿陽市作為成渝經(jīng)濟(jì)區(qū)第二梯隊(duì)的城市，位于成都、重慶、西安“西三角”的腹心地帶，是成都平原城市群的重要節(jié)點(diǎn)城市。綿陽市區(qū)三面臨水，一面靠山，作為河流階級(jí)型城市，涪江縱穿于南北，在南山山麓納安昌河，城市形狀呈西北東南向條帶狀，東西寬約144 km，南北長約296 km。筆者主要研究綿陽市城市規(guī)劃區(qū)范圍內(nèi)的城市用地?cái)U(kuò)展。

1.2數(shù)據(jù)來源 數(shù)據(jù)涉及綿陽市的城市空間擴(kuò)展數(shù)據(jù)；1995年版地形圖(1∶5萬)；Google Earth綿陽市2010年城市衛(wèi)星圖，以及通過遙感技術(shù)所獲得的1985～2014年7個(gè)時(shí)相(1985、1990、1995、2000、2005、2010、2014年)的綿陽市的遙感影像圖，通過分析解譯，獲得了7個(gè)時(shí)相的城市建成區(qū)邊界；還有從2004~2015年《綿陽統(tǒng)計(jì)年鑒》獲得的社會(huì)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)資料。

1.3技術(shù)路線利用遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)可以獲取不同時(shí)相關(guān)于城市空間結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確信息，這些信息的解譯、分析將為城市變遷的動(dòng)態(tài)監(jiān)測與規(guī)劃調(diào)控提供有用的技術(shù)參數(shù)。該研究以綿陽市城區(qū)為例，基于多時(shí)相TM、ETM+數(shù)據(jù)，結(jié)合1∶5萬地形圖，用Erdas Imagine 8.7對遙感影像圖進(jìn)行校正配準(zhǔn)，利用ArcGIS軟件進(jìn)行解譯、處理和空間分析，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，結(jié)合相關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料，通過將不同時(shí)期的圖像疊加處理，確定各個(gè)時(shí)相城市建成區(qū)面積，得到不同時(shí)期的城市用地范圍。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合《綿陽統(tǒng)計(jì)年鑒》，利用SPSS軟件，運(yùn)用城市建成區(qū)擴(kuò)展分析方法，系統(tǒng)深入地分析綿陽市城市擴(kuò)展的特征、方向和驅(qū)動(dòng)力機(jī)制。

1.4研究方法選擇城市建成區(qū)擴(kuò)展分析方法來分析綿陽城市擴(kuò)展空間特征，它包括3個(gè)方面：擴(kuò)展數(shù)量分析法、擴(kuò)展形態(tài)分析方法、擴(kuò)展合理性的分析方法。

1.4.1擴(kuò)展數(shù)量分析法。用擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)來分析城市擴(kuò)展數(shù)量。擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)是指研究區(qū)域在研究時(shí)期內(nèi)的城市用地?cái)U(kuò)展面積占用地總面積的百分比。計(jì)算公式為：

R=(Ab-Aa)/Aa×(1/T)×100%

(1)

式中，R為研究期末城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)；Aa為a時(shí)間城市建成區(qū)用地面積；Ab為b時(shí)間城市建成區(qū)用地面積；T為時(shí)間間隔。

1.4.2擴(kuò)展形態(tài)分析方法 。

(1)城市空間的緊湊度指數(shù)。城市的形態(tài)變化是城市內(nèi)部的空間布局和結(jié)構(gòu)的綜合反映。衡量城市空間形態(tài)變化的重要指標(biāo)之一就是緊湊度指數(shù)。其表達(dá)式為：

(2)

式中，C為城市緊湊度；A為城市面積；P為城市周長。

(2)城市空間的分形維數(shù)。分形維數(shù)在描述城市外輪廓邊界形狀的復(fù)雜性時(shí)是一個(gè)比較重要的指標(biāo)。其公式為：

D=2ln(P/4)/lnA

(3)

式中，D為某一時(shí)期城市斑塊的分形維數(shù)；A、P分別是某一時(shí)期城市斑塊的面積和周長。 分維數(shù)D值越大，表示城市形狀的不規(guī)則程度越大。

1.4.3擴(kuò)展合理性的分析方法。

(1)建成區(qū)擴(kuò)展彈性系數(shù)。城市面積-人口彈性系數(shù)描述了城市擴(kuò)展速度與城市人口增長速度之間的關(guān)系，是用來評(píng)價(jià)城市擴(kuò)展合理性的指標(biāo)之一。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

R(i)=A(i)/Pop(i)

(4)

式中，R(i)為第i時(shí)段建成區(qū)擴(kuò)展彈性系數(shù)；Pop(i)為第i時(shí)段市區(qū)人口平均增長率；A(i)為第i時(shí)段建成區(qū)面積平均增長率。通過對綿陽市歷年城市化過程的綜合分析，認(rèn)為R(i)為1.120較為合理。

(2)異速生長模型。 異速生長模型是用來反映建成區(qū)人口數(shù)量和占地面積增長速度的模型，其表達(dá)式為：

(5)

式中，A為城市建成區(qū)占地面積；P為城區(qū)的人口數(shù)量；a、b為常系數(shù)。不同的異速生長關(guān)系是由與常系數(shù)b=0.9比大小來反映的。

2結(jié)果與分析

2.1建成區(qū)擴(kuò)展數(shù)量分析通過ArcGIS對7個(gè)時(shí)期城市建成區(qū)范圍進(jìn)行空間分析，得到不同時(shí)期綿陽市建成區(qū)的擴(kuò)展情況(圖1、表1)。從圖1、表1得出，綿陽市在1985年建成區(qū)面積僅為16.88km2，1985~2014年綿陽市建成區(qū)面積呈逐年上升趨勢。由表1得出，經(jīng)過29年的建設(shè)，至2014年，建成區(qū)面積增長了126.27km2，平均每年擴(kuò)展4.354km2，擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)為25.794%。其具體特征如下。

2.1.1城市擴(kuò)展強(qiáng)度呈階段性特征，整體呈快速擴(kuò)展的特征。1985~1990年，由于城市用地面積基數(shù)較小，城市的擴(kuò)展強(qiáng)度高于其他階段；1990~1995年，城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)達(dá)到14.84%，該時(shí)期各類開發(fā)區(qū)建設(shè)使城市向周邊快速擴(kuò)展；1995~2010年，擴(kuò)展強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定，但仍然較高，該時(shí)期表現(xiàn)為快速擴(kuò)展的特征；2010年以后，城市調(diào)整了發(fā)展模式，城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)為1.926%，為29年間最低。

圖1　1985~2014年主要年份綿陽市城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)建成區(qū)擴(kuò)展情況Fig.1　The expansion diagram of the built-up area in Mianyang City in 1985-2014

年份Year面積Areakm2周長Perimeterkm緊湊度指數(shù)Compactnessindex分維數(shù)Fractaldimension年份Year面積增長量Incrementofarea∥km2面積增長率Growthrateofarea∥%擴(kuò)展速率Expansionspeed∥km2/年擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)Indexofexpansionstrength∥%198516.8855.800.2611.8651985~199015.2990.5813.05818.116199032.17102.070.1971.8661990~199523.8774.2004.77414.840199556.04174.860.1521.8771995~200018.3832.7893.6766.560200074.42230.870.1321.8822000~200526.4735.5685.2947.1142005100.89316.400.1131.8952005~201032.0232.7386.4046.3482010132.91426.400.0961.9112010~201410.247.7042.5601.9262014143.15436.800.0971.9111985~2014126.27748.0454.35425.794

2.1.2城市擴(kuò)展方式呈階段性特征。根據(jù)圖1、表1數(shù)據(jù)和實(shí)地的調(diào)研分析將綿陽城市擴(kuò)展分為3個(gè)階段：第一階段為1985~1995年，城市建成區(qū)以中心區(qū)為中心呈外延式多方向擴(kuò)展；第二階段為1995~2010年，保持較高速度外延式擴(kuò)展，同時(shí)伴隨填充式擴(kuò)展，擴(kuò)展呈多方向廊道式特征；第三階段為2010~2014年，擴(kuò)展方式以內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整為主，伴隨少量填充式擴(kuò)展。

2.2建成區(qū)擴(kuò)展形態(tài)分析對綿陽市進(jìn)行緊湊度和分形維數(shù)進(jìn)行分析，得出綿陽市建成區(qū)擴(kuò)展總體變化特征：1985~2014年綿陽市城市用地?cái)U(kuò)展表現(xiàn)為快速外延式并伴隨階段性填充式的特征。

2.2.1緊湊度指數(shù)。由表1可知，1985~2014年，綿陽市建成區(qū)緊湊度指數(shù)總體呈下降趨勢，最后達(dá)到平穩(wěn)，說明29年間綿陽城市空間呈離散型擴(kuò)展，形態(tài)偏離緊湊，2010年后逐漸達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。

2.2.2分維數(shù)指數(shù)。由表1可知，1985~2014年綿陽市建成區(qū)外輪廓邊界分維數(shù)均在1.8以上，說明綿陽市建成區(qū)的空間形狀比較復(fù)雜。1985~2010年分維數(shù)呈增長的狀態(tài)，表明城市以向外擴(kuò)展為主。1990~1995年分維數(shù)變化較大，緊湊度指數(shù)由0.197下降到0.152，是由于綿陽市各類開發(fā)區(qū)的建設(shè)使城市快速向外擴(kuò)展。2000~2010年分維數(shù)由1.882增長到1.911，緊湊度由0.132下降0.096，形態(tài)離散的程度減小，表明該階段城市任以外延式擴(kuò)展為主并伴隨內(nèi)部填充式擴(kuò)展。2010年是一個(gè)拐點(diǎn)，2010~2014年分維數(shù)開始減小，緊湊度指數(shù)逐漸趨于平穩(wěn)，說明該時(shí)期城市以內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整為主?？傮w來說，1985~2010年綿陽建成區(qū)是以外部擴(kuò)展為主，2010~2014年是以內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整為主。

2.3建成區(qū)擴(kuò)展合理性分析

2.3.1城市面積-人口彈性系數(shù)。城市面積采用基于遙感影像提取的建成區(qū)面積，城市人口采用綿陽市年鑒中市區(qū)平均人口，利用公式(4)計(jì)算1985~2014年各時(shí)期綿陽市建成區(qū)擴(kuò)展彈性系數(shù)，結(jié)果見表2。

表21985~2014年各時(shí)期綿陽市建成區(qū)擴(kuò)展彈性系數(shù)

Table 2Expansion elasticity coefficient of the built-up area in Mianyang City in 1985-2014

時(shí)期Period建成區(qū)平均增長率Averageincreasingrateofbuilt-uparea∥%市區(qū)人口平均增長率Averageincreasingrateofurbanpopulation∥%R(i)1985~1990年13.7676.0412.2791990~1995年11.7404.3322.7101995~2000年5.8372.4962.3392000~2005年6.2754.6931.3372005~2010年5.6684.2001.3502010~2014年1.8889.4310.201

由表2可知，1985~2014年綿陽市各個(gè)時(shí)段建成區(qū)擴(kuò)展彈性系數(shù)的平均值為1.703，高于經(jīng)驗(yàn)值1.120。以2010年為拐點(diǎn)，2010年以前的建成區(qū)面積-人口彈性系數(shù)均高于1.120，2010年以后的低于1.120。其中1990~1995年建成區(qū)擴(kuò)展彈性系數(shù)最大，達(dá)到2.710。2010~2014年建成區(qū)擴(kuò)展彈性系數(shù)最小，僅為0.201。這表明2010年以前綿陽市建成區(qū)空間擴(kuò)展速度明顯快于人口增長速度，處于不合理狀態(tài)；2010年以后綿陽市建成區(qū)空間擴(kuò)展與人口增長的關(guān)系是相對協(xié)調(diào)的，但要低于合理值。

表31995~2014年各時(shí)期綿陽市建成區(qū)人口與面積

Table 3Population and area of the built-up area in Mianyang City in 1985-2014

年份Year建成區(qū)人口Populationofbuilt-uparea∥萬人建成區(qū)面積Built-uparea∥km2198522.316.88199029.932.17199534.356.04200038.874.42200548.8100.89201059.9132.91201485.9143.15

2.4城市擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力分析

2.4.1經(jīng)濟(jì)發(fā)展是城市擴(kuò)展的決定性因素。城市郊區(qū)化是城市發(fā)展到一定水平的必然產(chǎn)物，而經(jīng)濟(jì)發(fā)展是城市發(fā)展的最根本動(dòng)力。自綿陽市成為地級(jí)市以來，城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)取得了飛速發(fā)展，綿陽市居民人均消費(fèi)水平從2004年的4 179元提高到2013年的12 056元，地區(qū)GDP從2004的415.05億元增加到2013年的1 455.12億元，平均每年增長13.37%，高于全國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同期平均水平。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展促使人們對居住環(huán)境的要求提高了，經(jīng)濟(jì)條件好的居民紛紛遷向居住條件好的郊區(qū)，導(dǎo)致城市擴(kuò)展。

城市居民收入的高低是一個(gè)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要體現(xiàn)，通過對2003~2014年綿陽城市居民人均可支配收入和建成區(qū)面積的研究，發(fā)現(xiàn)二者存在線性關(guān)系。對綿陽市人均可支配收入和建成區(qū)面積進(jìn)行Z-score(標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù))標(biāo)準(zhǔn)化后，用SPSS軟件進(jìn)行分析，建立一元線性回歸方程：Y=0.882X+3E-06，R2=0.778?？梢?，綿陽市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平影響建成區(qū)面積的擴(kuò)張，這種影響是決定性的。

2.4.2產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級(jí)促進(jìn)城市的擴(kuò)展。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，綿陽市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的變化。第一產(chǎn)業(yè)占GDP的比例有所降低，從2004年的24%降低到2013年的17%；第二產(chǎn)業(yè)有了較大的發(fā)展，其中GDP中所占比重從2004年的38%增長到2013年的42%；第三產(chǎn)業(yè)所占比重由38%增加到40%。第二、三產(chǎn)業(yè)的比重均高于第一產(chǎn)業(yè)的比重，產(chǎn)業(yè)由低級(jí)向高級(jí)發(fā)展。新興工業(yè)用地和科技產(chǎn)業(yè)用地在郊

區(qū)的增加，促進(jìn)城市向外擴(kuò)展。

2.4.3自然地理環(huán)境影響城市的擴(kuò)展。自然地理環(huán)境是城市空間擴(kuò)展的基礎(chǔ)條件，直接影響著城市空間擴(kuò)展的潛力、方向和速度等[7]。綿陽市作為淺丘平壩地形的城市，特殊的地理環(huán)境導(dǎo)致城市的擴(kuò)展只能依托自然地理環(huán)境，城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展空間深受地形和水域限制。中心城區(qū)坐落在涪江、安昌河、芙蓉溪3江匯合處，城市的東部為富樂山風(fēng)景區(qū)，西南部為高起伏丘的區(qū)陵，城市建成區(qū)基本不向這兩個(gè)方向擴(kuò)展。而西部、北部、東南部為涪江、安昌河谷平壩，地形較為平坦，城市擴(kuò)展容易實(shí)現(xiàn)。所以綿陽市建成區(qū)沿涪江、安昌河、芙蓉溪的河谷平壩地呈放射狀進(jìn)行擴(kuò)展，形成了綿陽現(xiàn)在的“Y”形空間布局形態(tài)。

總之，經(jīng)濟(jì)發(fā)展是綿陽城市擴(kuò)張的決定性因素，自然地理環(huán)境是城市擴(kuò)展的基礎(chǔ)條件和門檻，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級(jí)加劇了城市擴(kuò)展。

3結(jié)論

該研究基于遙感數(shù)據(jù)，運(yùn)用GIS空間分析技術(shù)和多要素綜合分析功能，對綿陽市建成區(qū)擴(kuò)展分析和城市擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力分析，揭示了綿陽市空間擴(kuò)展的過程、規(guī)模和規(guī)律。主要結(jié)論如下：

(1)1985~2014年綿陽市建成區(qū)面積在數(shù)量上呈逐年上升趨勢，建成區(qū)面積增長了126.27 km2，平均每年擴(kuò)展達(dá)到4.354 km2，擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)為25.794%，擴(kuò)展強(qiáng)度呈階段性特征。擴(kuò)展過程分為3個(gè)階段：第一階段為1985~1995年，城市以中心區(qū)為中心呈外延式多方向擴(kuò)展；第二階段為1995~2010年，保持較高速度外延式擴(kuò)展，同時(shí)伴隨填充式擴(kuò)展，擴(kuò)展呈多方向廊道式特征；第三階段為2010~2014年，擴(kuò)展方式以內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整為主，伴隨少量填充式擴(kuò)展。

(2)通過對綿陽市進(jìn)行緊湊度和分形維數(shù)的分析，綿陽市城市用地?cái)U(kuò)展總體空間格局變化表現(xiàn)為快速外延式并伴隨階段性填充式的特征。

(3)通過空間合理性分析分析得出，綿陽市建成區(qū)增長速度快于人口的增長速度，土地城市化快于人口城市化，土地利用方式是粗放型的，是不合理的?？焖贁U(kuò)張是在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的推動(dòng)下進(jìn)行的，帶有盲目性，缺乏規(guī)劃的科學(xué)管理，造成郊區(qū)農(nóng)業(yè)用地被侵占，城市周邊的生態(tài)環(huán)境遭到了一定程度的破壞。

(4)對綿陽市建成區(qū)擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力分析結(jié)果表明，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長是綿陽城市擴(kuò)張的決定性因素，自然地理環(huán)境是城市擴(kuò)展的基礎(chǔ)條件和門檻，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級(jí)加劇了城市擴(kuò)展。

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Urban Expansion of Mianyang City and Analysis of Its Driving Force

CAO Qi, Han Yuan-ming(College of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang, Sichuan 621000)

AbstractWith remote sensing image as the data sources, the expansion information of built-up area in Mianyang City was extracted in seven periods by GIS spatial overlay analysis technology and multi-factor comprehensive analysis function. Combining with the economic and social data in Mianyang City, the expansion situation of built-up area in Mianyang City was analyzed from the aspects of expansion quantity, expansion form, expansion rationality, and expansion space. With natural factor, economic and industrial structure and other factors as the indexes, driving force for the urban expansion of Mianyang City was analyzed. Results showed that the built-up area in Mianyang City increased by 126.27 km2from 1985 to 2014. With the central area as the center, Mianyang City showed multi-direction extensive expansion in 1985-1995, multi-direction gallery expansion in 1995-2010, and mainly internal structure adjustment in 2010-2014. Both economic development and population were the determinants of urban expansion in Mianyang City. This research provides decision basis for the government, and offer guidance for the urban planning and ecological protection in Mianyang City in future.

Key wordsUrban expansion; Driving force analysis; GIS; Mianyang City

收稿日期2015-12-17

作者簡介曹琦(1984- )，女，甘肅蘭州人，講師，博士，從事區(qū)域規(guī)劃與人居環(huán)境研究。

基金項(xiàng)目西南科技大學(xué)博士研究基金項(xiàng)目(14zx7133)。

中圖分類號(hào)S-9；F 291

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)02-248-03