□ 張 政 楊海鎮(zhèn)
研究城鎮(zhèn)擴(kuò)張過(guò)程對(duì)城市開(kāi)發(fā)邊界劃定有著重要的意義。隨著國(guó)家支持青海等省藏區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展政策的出臺(tái)、蘭西格(蘭州、西寧、格爾木)經(jīng)濟(jì)區(qū)的確立以及以格爾木為主戰(zhàn)場(chǎng)的柴達(dá)木循環(huán)經(jīng)濟(jì)實(shí)驗(yàn)區(qū)和住房城鄉(xiāng)發(fā)展示范區(qū)的加快建設(shè),格爾木市在新時(shí)期面臨更大的發(fā)展機(jī)遇。目前格爾木市缺乏明確的城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)邊界線,迫切需要根據(jù)格爾木市的實(shí)際情況對(duì)城鎮(zhèn)擴(kuò)張的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行科學(xué)研究。近年來(lái)學(xué)者們對(duì)影響城市擴(kuò)張的要素進(jìn)行了深入的研究,主要的技術(shù)手段是GIS和RS。馮浩城等應(yīng)用了動(dòng)態(tài)度模型等分析了城市擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)要素,認(rèn)為城鎮(zhèn)人口數(shù)量、經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與區(qū)域政策極大地促進(jìn)了墾區(qū)城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)張,交通條件是城鎮(zhèn)擴(kuò)張速率和模式的重要影響因素[1]。胡銀根等從供需關(guān)系的視角探討城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張及其配置的動(dòng)力,認(rèn)為居民收入增長(zhǎng)、常住人口增加、私人汽車(chē)的普及和固定資產(chǎn)投資的增長(zhǎng)是城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的主要?jiǎng)恿2]。王海軍等基于空間句法的擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)研究得到交通狀況改善是城市擴(kuò)張的驅(qū)動(dòng)力之一,交通對(duì)城市發(fā)展模式和方向具有重要的導(dǎo)向作用[3]。
綜上所述,城市擴(kuò)張是由多種要素共同驅(qū)動(dòng)的。本文以青海省格爾木市為研究區(qū)域,通過(guò)構(gòu)建模型,對(duì)2010—2019年城市擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)變化及驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行分析,探索其影響機(jī)制,為后續(xù)城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)邊界的劃定提供一定的理論基礎(chǔ),以保障格爾木市未來(lái)國(guó)土資源的高效利用和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。
格爾木市地處青海省西部,青藏高原腹地,東接西寧,北上敦煌,南至拉薩。地理位置十分重要,是通往新疆、西藏等地的中轉(zhuǎn)站。轄區(qū)由柴達(dá)木盆地中南部和唐古拉山地區(qū)兩塊互不相連的區(qū)域組成。本文的研究區(qū)域?yàn)楦駹柲臼械闹行某菂^(qū),城區(qū)地處郭勒木德鎮(zhèn),平均海拔為2780m,地理坐標(biāo)為東經(jīng)94°89′,北緯36°42′。
研究數(shù)據(jù)主要包括2010年美國(guó)地球資源衛(wèi)星landset ETM+影像(9月12日,空間分辨率為30m)和2019年LandSet 8 OLi衛(wèi)星影像(9月13日,空間分辨率為30m),云量均小于10%,以便于建設(shè)用地識(shí)別提??;遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云;行政邊界數(shù)據(jù)獲取自國(guó)家基礎(chǔ)信息中心;10年城鎮(zhèn)面積數(shù)據(jù)來(lái)源于格爾木市自然資源局;社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均來(lái)源于格爾木市統(tǒng)計(jì)公報(bào)。
遙感圖像解譯分類(lèi)的依據(jù)主要是根據(jù)圖像像元所反映地物的光譜特征和空間信息的異同進(jìn)行分析,將影像中的每一個(gè)像元按照一定的算法或特定的規(guī)則劃分為不同的類(lèi)別,從而實(shí)現(xiàn)遙感圖像的分類(lèi)。本文采用監(jiān)督分類(lèi)法分別對(duì)格爾木市中心城區(qū)2010年ETM和2019年LandSet 8 OLi的遙感影像進(jìn)行建設(shè)用地提取,在研究前借助ENVI 5.3軟件平臺(tái)中的Flash快速大氣校正模塊對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,同時(shí)對(duì)2010年ETM數(shù)據(jù)進(jìn)行條帶修復(fù),用格爾木市中心城區(qū)的矢量數(shù)據(jù)裁剪遙感圖像得到研究區(qū)的遙感影像,參考中國(guó)土地資源分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)和格爾木市城區(qū)的真實(shí)狀況,將研究區(qū)土地類(lèi)型劃分為建設(shè)用地、林地、草地、耕地、水體、裸地、農(nóng)業(yè)設(shè)施用地等7類(lèi)土地利用類(lèi)型,鑒于陸地資源衛(wèi)星分辨率較低,在目視解譯的過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)一些誤差。所以本研究結(jié)合了遙感影像與同時(shí)期谷歌地球影像,在谷歌地球上選取各類(lèi)典型地物的樣本數(shù)據(jù),并轉(zhuǎn)化為ROI,之后采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法提取建設(shè)用地,并進(jìn)行目視判讀,為保證研究區(qū)土地分類(lèi)的準(zhǔn)確性,采用精度評(píng)估工具對(duì)分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià),kapper系數(shù)均在0.85以上,得到2010年和2019年格爾木市中心城區(qū)城鎮(zhèn)用地提取結(jié)果及新增建設(shè)用地,使用ArcGIS軟件將圖導(dǎo)出,如圖1—3所示。
圖1 2010年城市建設(shè)用地分布圖
圖2 2019年城市建設(shè)用地分布圖
圖3 新增建設(shè)用地分布圖
3.3.1 城市用地?cái)U(kuò)張變化分析
關(guān)于城市建成區(qū)的相關(guān)測(cè)度,一般從時(shí)間和空間維度進(jìn)行[4]。建成區(qū)面積變化(ΔS)是城市擴(kuò)張最直接的表現(xiàn);擴(kuò)張速度(Vs)表達(dá)城市擴(kuò)張速度在一定時(shí)間段的快慢,用城市擴(kuò)張面積年平均值表示[5];城市擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)(urbanization intensive index, UII)表示面積相對(duì)變化的年平均值;要表達(dá)某一時(shí)期城市擴(kuò)張快慢,值越大,表示城市擴(kuò)張速度越快[6]。以上評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算公式為:
3.3.2 城市空間重心坐標(biāo)變化分析
空間重心通常被定義為一個(gè)多邊形的幾何中心,通過(guò)計(jì)算建設(shè)用地的空間重心有助于跟蹤城鎮(zhèn)用地的空間布局變化??蛇x取重心轉(zhuǎn)移指數(shù)進(jìn)行量化表述。測(cè)度公式如下:
3.3.3 相關(guān)分析
相關(guān)分析是研究?jī)蓚€(gè)或兩個(gè)以上相關(guān)變量間相互關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析方法,使用Pearson相關(guān)系數(shù)分析城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的驅(qū)動(dòng)因子及相關(guān)系數(shù),變量間相關(guān)性越顯著,相關(guān)系數(shù)則越大[7]。
3.3.4 主成分分析
主成分分析(Principal Component Analysis,PCA),將多個(gè)變量通過(guò)線性變換以選出較少個(gè)數(shù)重要變量的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法。
對(duì)格爾木市中心城區(qū)建設(shè)用地提取結(jié)果進(jìn)行柵矢轉(zhuǎn)換,分別計(jì)算城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積,2010年和2019年中心城區(qū)建設(shè)用地面積分別為40.50km2、49.15km2,城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展面積為8.65km2,平均擴(kuò)展速度為0.865km2/a,年平均擴(kuò)張強(qiáng)度為2.14,10年內(nèi)建設(shè)用地規(guī)模比增加了21.4%。結(jié)果表明,城鎮(zhèn)化進(jìn)程緩慢但穩(wěn)步向前。通過(guò)對(duì)10年來(lái)格爾木市中心城區(qū)新增建設(shè)用地變化情況的觀察分析,發(fā)現(xiàn)城區(qū)擴(kuò)張分為填補(bǔ)式和外延式兩種發(fā)展方式同時(shí)進(jìn)行,主要的外延方向?yàn)闁|南向與西南向。由于格爾木東方向有大量的農(nóng)田分布,城市擴(kuò)張并沒(méi)有侵占農(nóng)田,大部分新增建設(shè)用地都是在裸地的基礎(chǔ)之上進(jìn)行建設(shè)的,因此可認(rèn)為格爾木市城市擴(kuò)張受到土地類(lèi)型的影響。
城市空間重心是解釋城市空間分布的指標(biāo)[8],通過(guò)對(duì)2010年、2019年格爾木市中心城區(qū)城市重心的計(jì)算,得出2010年格爾木市中心城區(qū)的重心坐標(biāo)處在東經(jīng)94°54′14″,北緯36°24′17″,2019年的重心坐標(biāo)在東經(jīng)94°54′11″,北緯36°23′49″。10年間城市建成區(qū)重心轉(zhuǎn)移情況呈現(xiàn)出了向西南方向轉(zhuǎn)移的趨勢(shì),轉(zhuǎn)移的長(zhǎng)度為366m。
4.3.1 經(jīng)濟(jì)社會(huì)因素分析
已有研究表明,經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長(zhǎng)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)城市擴(kuò)張具有直接推動(dòng)性[7]。格爾木市作為西部高原新型工業(yè)型城市,與一般內(nèi)陸城市相比,驅(qū)動(dòng)城市擴(kuò)張因素可能更為復(fù)雜。為探明格爾木市中心城區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張機(jī)制,選取2010—2019年地區(qū)生產(chǎn)總值、第二產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)值、第三產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)值、固定資產(chǎn)投資額、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入、社會(huì)消費(fèi)品零售總額、常住人口、戶籍人口等8個(gè)指標(biāo)與同時(shí)期格爾木市中心城區(qū)建設(shè)用地面積通過(guò)SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)分析。分析結(jié)果如表1所示,結(jié)果表明,除了常住人口因素外其他因素均與城市擴(kuò)張之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性。其中城鎮(zhèn)居民人均可支配收入的相關(guān)性最高,相關(guān)性高達(dá)0.899,且極其顯著。地區(qū)生產(chǎn)總值,戶籍人口與第三產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)值相關(guān)性次之,相關(guān)性均在0.7以上,且影響顯著。說(shuō)明10年間格爾木市的城市擴(kuò)張受經(jīng)濟(jì)、收入、消費(fèi)、人口的綜合影響。
表1 城市擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)因素相關(guān)性分析
考慮到所選相關(guān)因素在一定程度上存在交叉,所以對(duì)選定的8個(gè)要素進(jìn)行降維分析,以此分析影響格爾木市城市擴(kuò)張的主要因素。利用SPSS對(duì)所選要素進(jìn)行主成分分析。本文選擇了前兩個(gè)主成分,發(fā)現(xiàn)累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了92.18%,其中第一主成分、第二主成分貢獻(xiàn)率分別為79.53%、12.65%。各因子的旋轉(zhuǎn)成分矩陣如表2所示。由主成分分析因子負(fù)荷矩陣可得,第一主成分與第二產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)值、地區(qū)生產(chǎn)總值和固定資產(chǎn)投資有關(guān),說(shuō)明格爾木市城市擴(kuò)張主要是由第二產(chǎn)業(yè)及固定資產(chǎn)投資驅(qū)動(dòng)的,第二主成分與常住人口、社會(huì)消費(fèi)品零售總額及第三產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)值有關(guān),說(shuō)明人口與消費(fèi)是格爾木市城市擴(kuò)張的次要驅(qū)動(dòng)因素。綜上所述可得,第二產(chǎn)業(yè)投資、常住人口的增加以及居民消費(fèi)水平的提升是促進(jìn)格爾木市城市擴(kuò)張的主要因素,也充分說(shuō)明格爾木市是一座消費(fèi)型工業(yè)城市。
表2 主成分分析表
4.3.2 自然要素分析
自然地理環(huán)境是城市擴(kuò)展的物質(zhì)基礎(chǔ),地理環(huán)境的差異性直接影響了城市空間擴(kuò)展的方向、潛力、形態(tài)格局[9]。本文選擇高程、坡度作為影響城市擴(kuò)張的自然要素因子進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)大部分新增建設(shè)用地都偏向于低海拔、低坡度地區(qū)。只有新增建設(shè)用地向南部擴(kuò)張時(shí),才會(huì)向高坡度高海拔地區(qū)聚集,原因在于南部新增建設(shè)用地均為商業(yè)物流設(shè)施用地,商業(yè)集聚會(huì)產(chǎn)生一定的規(guī)模效應(yīng),且緊臨道路,交通優(yōu)勢(shì)度高。但高程均在3000m,坡度均在25°范圍內(nèi),當(dāng)新增建設(shè)用地向北部擴(kuò)張時(shí),會(huì)向高坡度低海拔地區(qū)聚類(lèi),原因在于北部大部分土地為園地、河流、灘涂,可供利用程度低;新增建設(shè)用地在向東擴(kuò)張時(shí)向低海拔、低坡度的地區(qū)聚類(lèi),原因在于東部土地類(lèi)型大多為鹽堿地,土地可利用程度高。由此可以得到格爾木市中心城區(qū)擴(kuò)張時(shí)受土地利用類(lèi)型的影響較大,在土地可利用程度高的地區(qū),建設(shè)用地在擴(kuò)張時(shí)會(huì)選擇低海拔、低坡度的地區(qū)進(jìn)行擴(kuò)張。
本文以2010年和2019年兩個(gè)時(shí)相的遙感影像為基礎(chǔ),應(yīng)用監(jiān)督分類(lèi)的方法對(duì)兩個(gè)時(shí)期的城區(qū)建設(shè)用地進(jìn)行提取,并結(jié)合同時(shí)期的社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及DEM數(shù)據(jù),分析了格爾木中心城區(qū)10年來(lái)動(dòng)態(tài)性及影響城市擴(kuò)張的因素。研究表明,10年間格爾木市中心城區(qū)建成區(qū)面積增加了8.65km2,建設(shè)用地規(guī)模比增加了21.4%,屬于緩慢擴(kuò)張類(lèi)型。結(jié)合中心城區(qū)重心轉(zhuǎn)移的軌跡,10年間格爾木市重心位置向西南方向轉(zhuǎn)移了366m,說(shuō)明了城鎮(zhèn)擴(kuò)張的趨勢(shì)和方向。之后通過(guò)對(duì)格爾木10年間的社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)應(yīng)用相關(guān)分析法,主成分分析法進(jìn)行分析得出了增加第二產(chǎn)業(yè)投資和增加常住人口是格爾木市城市擴(kuò)張的主要驅(qū)動(dòng)因素。同時(shí)城市的擴(kuò)張形式主要分為內(nèi)涵式與外延式,本文對(duì)新增建設(shè)用地的坡度高程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),格爾木市中心城區(qū)擴(kuò)張受土地利用類(lèi)型的影響較大,在土地可利用程度高的地區(qū),建設(shè)用地在擴(kuò)張時(shí)會(huì)選擇低海拔、低坡度的地區(qū)進(jìn)行擴(kuò)張。