南水北調(diào)東線山東段沿岸城鎮(zhèn)化空間特征研究

薛 凱，于泉洲*，曹建榮

（1.聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，山東 聊城 252000）

城鎮(zhèn)化即城市化，城鎮(zhèn)化的過程是指在一定區(qū)域內(nèi)由于社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，它的主要功能和空間分布不斷的向城市的特點變化，是現(xiàn)階段社會經(jīng)濟發(fā)展中出現(xiàn)的最明顯的變化趨勢[1]。城市用地面積的空間擴展情況是城鎮(zhèn)化過程的重要標志。此前，國內(nèi)外對于城鎮(zhèn)化的研究已經(jīng)有了較為堅實的基礎(chǔ)，而國內(nèi)城市的發(fā)展起步較晚。隨著上個世紀改革開放的實行，城鎮(zhèn)化的進程發(fā)展迅速，對城鎮(zhèn)化的研究也有了較大的進展。

遙感影像可以展示出城市的區(qū)域變化情況，通過對遙感圖像的處理可以得出依據(jù)時間變化的城市空間擴展的變化演變圖[2]。近年來，國內(nèi)外對城市空間擴展的研究熱度越來越高，關(guān)于城鎮(zhèn)化的研究成果也層出不窮。將RS 和GIS 相結(jié)合應(yīng)用于城市擴展研究，可以實行空間動態(tài)監(jiān)測。

我國北方地區(qū)水資源嚴重缺乏，南水北調(diào)工程是解決中國北方地區(qū)水資源短缺的特大項目，尤其是山東西部的城市得益于南水北調(diào)工程，緩解了城市發(fā)展過程中水資源缺乏的窘?jīng)r，對沿岸城市的發(fā)展起了重要作用[3]。以研究區(qū)1985-2015 三十年來的多幅遙感圖像為基礎(chǔ)，運用ENVI5.3 和ArcGIS10.2 對圖像進行分析處理，計算相關(guān)指標并對城市重心進行提取，分析其空間擴展情況。并結(jié)合相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分析城市空間擴展的驅(qū)動力，對于沿岸城鎮(zhèn)化的發(fā)展變化也提供了一定的參考作用。

1 研究區(qū)概況

南水北調(diào)東線工程是指從江蘇揚州江都水利樞紐引水，經(jīng)過江蘇、山東、河北三省，向華北地區(qū)輸送生產(chǎn)生活用水的國家跨省界區(qū)域工程。東線工程基本沿京杭大運河進行。截至2018 年12 月，中東線工程累計調(diào)水222 億m3，東線沿岸受益人口達到6 600 萬余人[3]。本文選取山東省經(jīng)過的濟寧、泰安、聊城、德州4 個城市進行城鎮(zhèn)化空間特征的研究（如圖1）。南水北調(diào)東線工程所經(jīng)過的地區(qū)位于山東省西部，屬于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量在500 mm 左右，流域的降水也有顯著的季節(jié)變化。

圖1 研究區(qū)在山東省的地理位置

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

為了揭示近幾十年的南水北調(diào)東線工程對研究區(qū)城鎮(zhèn)化空間格局特征的影響，選取了1985、1995、2005、2015 三十年來的四期Landsat 遙感數(shù)據(jù)（如表1）。

表1 研究所使用的遙感數(shù)據(jù)

2.2 數(shù)據(jù)處理

幾何校正與圖像配準：在提取南水北調(diào)東線工程沿岸城市建設(shè)用地信息之前，需要對下載的4 個城市的多幅遙感影像進行圖像的預(yù)處理。然后對四期遙感影像進行配準，最終將其與沿岸城市的行政區(qū)劃圖配準在同一坐標系下。

圖像拼接與裁剪：在對圖像進行預(yù)處理之后，在ENVI 中進行圖像拼接，得到研究區(qū)完整的影像。裁剪通常是按照行政區(qū)劃邊界或者自然區(qū)劃邊界進行。南水北調(diào)東線工程在山東經(jīng)過的區(qū)域較大，包含多個城市，因此需要下載多幅影像。

城市建設(shè)用地的提?。簽榱颂崛∧纤闭{(diào)山東段沿岸城市的城區(qū)建設(shè)用地變化情況，采用監(jiān)督分類的方法對研究區(qū)域的遙感影像進行分類。將研究區(qū)的土地類型分為建筑用地、耕地、植被和水體四類，然后提取出城市建設(shè)用地。對結(jié)果進行精度驗證，確保分類精度滿足要求。

為了使結(jié)果更加直觀，另外選取了沿岸典型地區(qū)進行單獨分析。保留了城市建成區(qū)內(nèi)的綠地和湖泊等，將其算作城市用地的一部分[4]。

2.3 研究方法

近幾十年以來，國內(nèi)的許多學(xué)者對城市區(qū)域擴展的研究主要是基于RS 和GIS 技術(shù)，通過分析城區(qū)擴展面積、城市擴張強度指數(shù)、城區(qū)的年擴展率、分形維數(shù)、緊湊度、形狀指數(shù)等指標，定量的分析城市區(qū)域的擴展變化情況和演變特征[5]。本文選取城市擴張強度、緊湊度、分形維數(shù)、城市重心坐標4 個指標分析研究區(qū)城市的空間擴展情況。

2.3.1 城市擴張強度指標

城市擴張強度指標可以用來分析城市的擴張狀態(tài)[6]，其計算公式如式（1）：

式中，ARG 代表城市年均擴張強度；UAn+1和UAi分別代表第n+i 年和第i 年的城市面積；n 以年為單位。

2.3.2 緊湊度指標

緊湊度反映了一個地區(qū)地物的緊湊程度[7]，其計算公式如式（2）：

2.3.3 分形維數(shù)

分形維數(shù)反映城市建設(shè)用地邊界的形態(tài)和復(fù)雜程度[8]，其計算公式如式（3）：

式中，At代表城區(qū)的面積；Pt代表城區(qū)的周長；分形維數(shù)取值為1～2，取值越大表明城市邊界的復(fù)雜程度越高。

2.3.4 城市重心坐標指標

通過ArcGIS 軟件的空間統(tǒng)計工具計算城市中心位置，然后再根據(jù)以下公式和城市擴展面積計算城市的重心坐標[9]。其計算公式如式（4）、（5）。

式中，Xt、Yt分別為第t 年城市重心的經(jīng)、緯度坐標；Cti為第t 年第i 塊矢量圖的面積；Xi、Yi分別為第i 塊矢量圖幾何中心的經(jīng)緯度坐標。

3 結(jié)果與分析

通過分析研究區(qū)的城市建設(shè)用地的變化情況，研究南水北調(diào)東線工程對沿岸城市城鎮(zhèn)化的影響作用。由研究結(jié)果可知，南水北調(diào)工程對沿岸城市的擴展有一定的影響作用，對緩解沿岸城市由于城市擴展過快而引起的水資源短缺問題發(fā)揮了重要作用。另外，南水北調(diào)東線工程所流經(jīng)的地區(qū)都有城市中心地區(qū)沿河流發(fā)展的趨勢，并促使城區(qū)的擴展方向有沿此工程發(fā)展擴展的趨勢，沿岸的城鎮(zhèn)化水平不斷提高。

3.1 城市空間擴張強度分析

根據(jù)1985 年、1995 年、2005 年、2015 年四個時期城區(qū)矢量圖層，對其相關(guān)統(tǒng)計參數(shù)進行統(tǒng)計，得出其城市用地面積的空間擴展變化情況[10]。計算結(jié)果分別如下（以每個城市的城市中心區(qū)域為例）。

表2 1985－2015 年濟寧市城市空間擴展強度

表3 1985－2015 年聊城市城市空間擴展強度

表4 1985－2015 年德州市城市空間擴展強度

表5 1985－2015 年泰安市城市空間擴展強度

可以看出近30 a 來，各個城市的城市建設(shè)用地面積不斷增加，尤其是在2005-2015 年這10 a 年內(nèi)，隨著經(jīng)濟和科技水平大幅度提高，城市建成區(qū)面積不斷增加。

由表2 可以看出，濟寧市建成區(qū)的面積從1985 年的28.825 km2擴展到了2015 年的125.016 km2，年平均擴展了3.206 km2，擴展的總強度達到了11.124%。在整個30 a 年的時間段內(nèi)，擴展強度并不是一直保持相同的速度。1985-1995 年間，由于經(jīng)濟發(fā)展還比較緩慢，城市擴展比較慢；1995-2005 年間，城市擴展速度明顯增加，空間變化主要以向外部擴展為主；2005-2015 年間，城市擴展速度依舊比較高，城市的空間變化不僅僅是向四周擴展，還有城市內(nèi)部的填充。由以上數(shù)據(jù)看來，濟寧市城市空間呈現(xiàn)不斷擴大的趨勢，城市擴展強度也在不斷增加。

由表3 可以看出，聊城市建成區(qū)面積由1985 年的23.393 km2擴展到了2015 年的123.568 km2，年平均擴展面積為3.339 km2，擴展的總強度為14.274%。1985-1995 年間，擴展強度較低，建成區(qū)面積增加僅為6.502 km2；而在1995-2005 年間，城市擴展強度大幅度增加，建成區(qū)面積增加近一倍；2005-2015 年間，擴展強度依舊較大。在此時間段內(nèi)，聊城市的建成區(qū)面積不斷擴大，城鎮(zhèn)化水平也在不斷提高。

由表4 可以看出，德州市建成區(qū)面積由1985 年的34.003 km2擴展到了2015 年的117.418 km2，年平均擴展2.781 km2，擴展總強度為8.177%。德州市在1985 年的城市建成區(qū)面積較大，由于其靠近河北省，城市的空間擴展受到一定的限制，因此其擴展強度相較于其他幾個城市來說相對較小，擴展強度也較為均衡。在研究的時間段內(nèi)，其城市用地面積不斷增加，城鎮(zhèn)化水平也有了較大的提高。

由表5 可以看出，泰安市建成區(qū)面積由1985 年的21.179 km2擴展到了2015 年的153.496 km2，年平均擴展4.416 km2，擴展總強度為20.825%。泰安市在1985 年的城市建成區(qū)面積較小，但其擴展速度相對于其他城市較快。1985-1995 年間，城市擴展強度較快，城市往四周擴展較為明顯；在1995-2005 年間，城市擴展強度減小到了5.358%，面積增加也較少，這一時期城市擴展主要以內(nèi)部的填充為主，向四周擴展趨勢較?。?005-2015 年間，由于其經(jīng)濟快速發(fā)展，伴隨著旅游業(yè)的突飛猛進，京滬高鐵的過境設(shè)站，泰安市城市擴展強度大幅度增加，城市用地面積增加近兩倍，城市擴展主要是往四周發(fā)展，不斷擴大其城市范圍，城鎮(zhèn)化的水平也大幅度增加。

3.2 城市擴展的緊湊度和分形維數(shù)指標分析

緊湊度和分形維數(shù)這2 個指標可以描述城市空間擴展的形態(tài)特征[11]。緊湊度越小，城市空間形態(tài)越分散；反之，越緊湊。分形維數(shù)越小時，說明城市的空間形狀越簡單，反之，則越復(fù)雜[7]。4 個城市的緊湊度和分形維數(shù)計算結(jié)果如表6 所示。

表6 1985－2015 年4 個城市擴展的緊湊度和分形維數(shù)變化

由表6 可以看出，在1985-2015 三十年的時間段內(nèi)，這幾個城市的城市建設(shè)用地的緊湊度和分形維數(shù)變化較為明顯。1985 年4 個城市的緊湊度都較大，說明城市用地相對緊湊，城市用地面積較為集中。1995 年，均有不同程度的減小，濟寧市和聊城市的分形維數(shù)增加較大，德州市和泰安市的分形維數(shù)相對變化較小，說明這一時期城市空間形態(tài)向四周擴展，用地面積增加。2005-2015 年間，各個城市的緊湊度略有不同，濟寧市城市用地面積的緊湊度有上升的趨勢，城市用地開始向微山湖擴展，城市空間形態(tài)更加緊湊，組團城市群的特征明顯分形維數(shù)依舊有所下降[12]。聊城市和德州市的城市空間擴展比較相似，在2015 年緊湊度都達到了最小值，分形維數(shù)都在逐漸增加，說明城市用地有一直向外部擴展的趨勢。2015 年泰安市的緊湊度最低，說明泰安市的城市空間用地最為分散，這與泰安市獨特的地形是分不開的。總體來看，三十年間，各個城市的空間形態(tài)都有較大的擴展，城鎮(zhèn)化水平也越來越高。

3.3 城市重心軌跡變化特征

利用ArcGIS 軟件對4 個城市4 個時期的城市重心進行計算，得出1985-2015 年間城市重心的軌跡變化。另外選取了2 個南水北調(diào)山東段沿岸影響較大的2 個城市：泰安市的東平縣和聊城市的臨清市，來探討南水北調(diào)東線工程山東段沿岸城鎮(zhèn)空間擴展變化情況。

由圖2 到圖7 可以看出，各個城市在三十年來城市重心都有不同程度的轉(zhuǎn)移。濟寧市的城市重心在1985-2005 年間向東北方向轉(zhuǎn)移，而在2005-2015 年間又有向東南方向轉(zhuǎn)移的趨勢，且遷移距離為764 m，總體是向東南方向轉(zhuǎn)移。由于濟寧市境內(nèi)有微山湖，因此它的存在使空間擴展方向有一定的局限，其城市重心的轉(zhuǎn)移也相應(yīng)的不會太大，只在小范圍內(nèi)發(fā)生移動。聊城市在1985-2005 年間的城市重心轉(zhuǎn)移情況可以分兩個階段來看：第一個階段是1985-2005 年，其城市重心變化情況不大，轉(zhuǎn)移距離也比較小，并且方向性并不明顯；1985-1995 年稍微向北偏西方向轉(zhuǎn)移，到2005 年又有向東方向轉(zhuǎn)移的趨勢，但是距離都很小，并不明顯；第二個階段是2005-2015 年，城市重心轉(zhuǎn)移較為明顯，具有明顯的方向性，是往偏東方向轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移距離也較大，為1 062 m。這是因為聊城市的城市用地開始迅速向東蔓延，開發(fā)區(qū)的經(jīng)濟突飛猛進。德州市的城市重心在1985-2015 有著向東方向擴展的趨勢，第一個階段是1985-1995 年，城市重心沒有太大變化，往偏西方向偏移了186 m，偏移距離跟角度都很小。這是因為這一階段經(jīng)濟發(fā)展比較緩慢，城市用地面積擴展較小，因此其城市重心變化較??；第二個階段是1995-2015 年，城市重心開始有了明顯的轉(zhuǎn)移，首先是往東北方向轉(zhuǎn)移了401 m，然后又向東南方向轉(zhuǎn)移了924 m，總體擴展趨勢是向偏東方向。泰安市的城市重心在1985-2015 年間的總體轉(zhuǎn)移方向是往偏南方向，1985-1995 年，城市重心往東南方向轉(zhuǎn)移了510 m；1995-2005 年間轉(zhuǎn)移并不明顯；2005-2015 年往西南方向轉(zhuǎn)移了667 m。由于泰安市旅游業(yè)的帶動，使泰安市經(jīng)濟不斷發(fā)展，城市用地往南方向擴展，城市重心也相應(yīng)的往向南方向轉(zhuǎn)移。東平縣的城市重心往西北方向轉(zhuǎn)移，臨清市的城市重心往東南方向轉(zhuǎn)移，但總體趨勢都是靠近南水北調(diào)工程沿岸轉(zhuǎn)移，說明南水北調(diào)工程對沿岸城市的城鎮(zhèn)化發(fā)展有一定作用。

圖2 1985－2015 年濟寧市城市空間擴展變化

圖3 1985－2015 年聊城市城市空間擴展變化

圖4 1985－2015 年德州市城市空間擴展變化

圖5 1985－2015 年泰安市城市空間擴展變化

圖6 1985－2015 年東平縣城市空間擴展變化

圖7 1985－2015 年臨清市城市空間擴展變化

4 城市擴展的驅(qū)動力分析

4.1 經(jīng)濟發(fā)展因素

城市經(jīng)濟發(fā)展是城市空間擴展的根本動力。經(jīng)濟的快速發(fā)展使得人們趨向城市中心的心理也越來越明顯，與之相應(yīng)的是人們對城市的居住區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)以及各項基礎(chǔ)設(shè)施和娛樂設(shè)施的需求也不斷增加[12]。隨著這些現(xiàn)象的出現(xiàn)，城市發(fā)展所占用的空間和土地面積不斷增加，城市的區(qū)域越來越大。同時，隨著近年來城市的發(fā)展，對各種商品的需求量也有了較大的變化。消費需求結(jié)構(gòu)的變化，也會帶動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化，各種新型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展又會帶動經(jīng)濟的發(fā)展，從而使城市的區(qū)域發(fā)生擴展[13]。

4.2 自然條件因素

一個地區(qū)的自然條件狀況會決定該地區(qū)是否會發(fā)展為城市以及所發(fā)展城市的規(guī)模情況。自然條件狀況如地形、海拔、以及氣候等都會對城市的發(fā)生與發(fā)展有著舉足輕重的影響[14]。南水北調(diào)東線工程山東段所經(jīng)過的地區(qū)地形平坦，其中很大一部分位于魯西平原，平坦開闊的地形有利于發(fā)育城市。沿岸經(jīng)過的城市海拔高度適中，沒有過高的地形起伏，適宜城市建筑用地的延展[15]。南水北調(diào)東線工程沿岸所經(jīng)過的德州聊城，地形屬于平原。聊城市主要位于魯西平原，也叫“江北水城”，流經(jīng)境內(nèi)的京杭大運河對沿岸的經(jīng)濟發(fā)展有著重要的作用。同時，京杭大運河的經(jīng)過對濟寧市的經(jīng)濟社會發(fā)展也起到了較大的推動作用。南水北調(diào)對泰安的影響主要是對東平縣的影響，其境內(nèi)的東平湖是省內(nèi)第二大淡水湖。南水北調(diào)東線工程山東段所經(jīng)過的地區(qū)的自然條件優(yōu)越，有利于城市規(guī)模的擴展。

4.3 政府的政策與規(guī)劃

城市發(fā)展和擴展的方向速度會受到政府的政策和相關(guān)城市規(guī)劃方案的影響與制約[16]。政府政策也會影響城市的擴展情況。尤其是基于京杭大運河而啟動的南水北調(diào)工程，流經(jīng)山東省的地段對沿岸城市的發(fā)展起到了積極的帶動作用，并且很大程度上緩解了沿岸城市的水資源短缺的問題。政府的政策在很大程度上對城市的擴展方向和速度起著引導(dǎo)、調(diào)控的作用[17]。

4.4 其他因素的影響

其他重要因素諸如交通條件、人口數(shù)量等也會對城市的空間擴展產(chǎn)生影響。便利的交通條件易于帶動地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，從而有利于城市區(qū)域的擴展[18]。南水北調(diào)東線工程山東段所經(jīng)過的地區(qū)交通條件便利，有許多條重要的交通干線從該區(qū)域經(jīng)過。

人口數(shù)量的增長也是促進城市區(qū)域擴展的重要因素之一。山東省人口基數(shù)大、增長快，城市中心區(qū)人口密度大。南水北調(diào)山東段沿岸的農(nóng)業(yè)水平也比較發(fā)達，隨著經(jīng)濟得到發(fā)展，農(nóng)業(yè)人口也逐漸向非農(nóng)業(yè)人口過渡，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也由第一、二產(chǎn)業(yè)向第三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移。從而促進了沿岸城市的城市化進程，使城市的建設(shè)用地有了不同程度的增加。

5 結(jié) 語

本文重點研究了近三十年來南水北調(diào)東線工程山東段沿岸城市的時空擴展特征，總結(jié)了城市空間擴展的驅(qū)動因素，分析了南水北調(diào)工程與沿岸城市發(fā)展之間的相互作用。根據(jù)擴張強度可以看出整體擴展速度都比較快，緊湊度和分形維數(shù)可以看出城市不僅向外擴張還有內(nèi)部的填充。根據(jù)城市重心的遷移軌跡可以看出城市發(fā)展的歷程和未來的發(fā)展趨勢。城市擴展的驅(qū)動力包括經(jīng)濟發(fā)展、自然條件、政府的政策與規(guī)劃以及其他因素諸如交通和人口等，不同因素對城市發(fā)展的驅(qū)動作用不同。對城鎮(zhèn)化空間擴展的研究在一定程度上為預(yù)測未來城市的發(fā)展趨勢提供了支持。