太原市城市扩张的时空特征及动因分析

韩丽君　毕欣芮　刘晋红　李雅琴　裴昕

摘要：近几年来大量农村人口涌入城市，城市为了自身的发展，开始进行城市扩张。本文利用ArcGIS、Erdas软件，以遥感、地理信息系统技术研究太原市近十年来的城市扩张的时空特征及其驱动因素，从多方面分析其扩张的原因，并从动因的角度掌握其变化规律：得到以下结论：（1）2005-2015年间，太原市城市迅速扩张，各种土地类型变化具有明显的差异。（2）2005-2010年间，太原市城市扩张的方位变化大致为：东南-西南-南，总的来说，是向南发展。其中政治、自然、交通、经济等因素起到了重要的作用。

关键词：城市扩张；太原市；转移矩阵

引言：当今社会是一个城市化进程飞速发展的时代，人类的社会发展导致大量城市迅速外建。如何快速准确地获取城市扩张信息，并分析其驱动力机制，对于指导城市规划，优化生态环境与可持续发展都具有十分重要的意义。本文主要以太原市城市扩张为研究对象，利用卫星遥感影像为数据源，运用ArcGIS、Erdas为处理方式，以遥感地理信息系统技术进行分析。研究太原市近十年来的城市的时空特征及其驱动因素，从多方面分析其扩张的原因，并从动因的角度掌握其变化规律，更好的认识和解释城市扩张与耕地保护的决策驱动因素：理性的为城市发展、合理的城市空间规划与布局以及城市可持续的、协调的发展政策，制定、提供建设性参考。

1研究区与数据处理

1.1研究区概况

太原市作为山西省的省会，太原市区面积6909平方千米，据2016年人口抽样调查，年末全市常住人口434.44万人，市区分为杏花岭区、迎泽区、小店区、尖草坪区、万柏林区和晋源区，形成了6区3县l市的格局。太原市地理坐标为东经111°30′～113°09′，北纬37°27′～38°25′，位于山西省境中央，太原盆地的北端，于华北地区黄河流域中部，西、北、东三面环山，中、南部为河谷平原，全市整个地形北高南低呈簸箕形。海拔最高点为2670米，最低点为760米，平均海拔约800米。区域轮廓呈蝙蝠形，东西横距约144公里，南北纵约107公里。汾河，自北向南横贯太原市全境，流经境内约100公里。市区东有太行山阻隔，西有吕梁山作屏障，坐落在两大山脉间的河谷平原上。太原市属温带季风性气候，年平均降雨量456毫米，年平均气温9.5℃，一月份最冷，平均气温6.8℃：7月份最热，平均气温23.5℃。全年日照时数2808小时。太原市三面环山，是中国北方军事、文化重镇，世界晋商都会，中国能源、重工业基地之一。大太原经济圈的空间结构是以发展以现代服务业为重点的第三产业为核心，以发展成为核心城市的工业生产区、都市农业区和都市功能外延区为内层圈，以煤焦产业的疏散地，承担经济圈“全国能源基地”的生产运输职能为外层圈。

1.2数据来源与处理

本文以每5年为间隔，分别选取2005年、2010年、2015年空间分辨率为30m的原始遥感影像图，及太原市辖区行政矢量图，绘制了2005-2015年太原市各土地类型的变化图。具体处理过程如下：（1）在Geodatabase地理空间数据云的辅助下获取2005、2010、2015年遥感影像（2）在ERDAsImage9.2中对原始影像进行几何校正、边界裁剪等处理后，利用监督分类结合历史地图、城市规划图，提取了2005、2010、2015年的土地分类数据，其中土地类型包括建设用地、耕地、水体、植被。（3）在ArcGISl0.0中以在ERDAsImage9.2中监督分类得到的影像图为底图，对其土地类型进行矢量化分析，得到土地类型分类图，同时通过图层的叠加得到不同年份建设用地和水域面积的变化，并分析出其面积增减的空间位置。（4）利用太原市近几年的统计资料、影像数据以及《山西省统计年鉴》，结合城市发展的基本规律，探索近年来促使太原市扩張的主要驱动力因素。

1.3研究方法

1.3.1监督分类法

监督分类法是获取土地利用信息最常见的方法。从研究区域中选择有代表性的训练场地作为样本。本文对影像分为建设用地、耕地、水体、植被、道路五类，这样有利于观察城市扩张变化。

在分类精度评价中，制图精度和用户精度都达到95%以上，符合要求，可以进行以后的继续研究。

1.3.2土地利用类型转移矩阵

土地利用类型转移矩阵来源于系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述.将2005、2010、2015年的土地利用现状图（shp格式）中每一个土地类型图加标属性。在ArcMap里分别打开每两个时相的图层，打开ArcToolbox，用DataManagementToolslGeneral～ationlDlssovlve工具。InputFeature选择要融合的图层，DissolveField（s）选择土地利用类型字段，进行图像融合。在属性表中利用CalculaleGeometr，完成图斑面积计算，最后把所得的数据导入到Excel中进行分析。如下表：

从表2来看，大量的耕地面积转换成了建设用地，耕地转换成建设用地体现在是：各个工程的新建：如万家寨引黄工程、汾河二库工程、汾河三库工程的兴建和部分冶金、化工工程的扩建，高新技术开发区等经济区的开发。同期大量的植被转换成了耕地，多为偏远地区土壤肥力低、水资源条件差的坡地。水体和建设用地的变化并不是特别明显。

从表3来看，大量的植被被转移成了耕地，导致耕地面积增加，建设用地转换成了耕地。其他土地类型没有较大的变化。

1.3.3图层叠加

将在Arcgis中矢量化2005、2010、2015年建设用地和水体的两种土地类型图分别进行叠加，得到如下几幅图

从图1可以看出，太原市在2005年到2010年东建成区范围向中心靠拢。从图2可以看出，2015年比2010年建成区面积在西南部有显著的增加。综合从图1、2幅图可以看出太原市城市建设用地的扩张在近十年来主要表现在集中向南部发展，北部面积有减少的趋势。

从图3可以明显的看出2010年与2005年相比汾河向南北两侧扩张，从图4、图5可看出2015年汾河继续向南扩张，但晋阳湖面积有所减少，但整体水体有所增加。这主要与晋阳湖周边土地的规划与整理有关，因为太原市政府决定新建晋阳湖公园，晋阳湖随着太原市发展中心的不断南移，区位优势逐渐的显现出来，大多房地产在此落户，不断减少了晋阳湖的水体面积。汾河南移也与太原市政府的有关政策有关。汾河太原城区段治理美化三期工程将实施，汾河景区向南延伸12公里，打造汾河生态走廊。

2.结果与分析

太原市城市扩张的时空特征

从表4和图6可以看出，在这10年内太原市扩张十分迅速，2005年太原市的城市用地面积为276.56平方千米，2010年太原市的城市用地面积为329.52平方千米，增加了52.96平方千米：2015年太原市的城市用地面积为436.98平方千米，比2010年增加了107.46平方千米。同时，耕地面积却在持续减少。2005年太原市的耕地面积为812.95平方千米，2010年为596.50平方千米，减少了216.45平方千米：2015年太原市的耕地面积为463.47平方千米，比2010年减少了133.03平方千米。同时，耕地面积却在持续减少。但是在近十年来，太原市的水体和植被却有明显的增加，水体从的8.03平方千米（2005）增加至10.75平方千米（2010），增加了2.71平方千米，在2015年达到了11.73平方千米，增加了0.98平方千米。增加面积越来越大。植被从330.66（2005）平方千米增加到491.42平方千米（2010），增加了160.76平方千米，在2015年达到了516.02平方千米，增加了24.60平方千米。这说明近十年来，太原市主要集中发展水体和植被的建设，注重生态环境。总体来说，太原市的城市扩张是向东南、南部扩张，主要集中于南部地区，其他地区仅有轻微变化.

3讨论

考察太原市近年来出台的相关政策，结合太原市近几年来的统计年鉴，认为太原市扩张的驅动力主要包括以下几个方面：

1.政治因素

现代城市的发展在很大程度上由政府决策和城市规划控制着。山西省建设厅等部门编制了《山西城镇化推进战略研究》。研究结果认为：太原要实现大发展，必须打破现有太原市区划的约束，扩大现有太原市发展的“城圈”，建设太原经济圈，扩大经济发展空间，在更广阔的地域和空间中谋取发展。太原市集中力量开展“一核一圈三群”的规划编制工作，力争年内完成“一核”（太原都市区）、“一圈”（太原都市圈）规划编制，实现太榆同城化。

2.自然因素

自然条件对城市扩张的影响巨大，影响着城市的扩展方向和城市的结构。太原市位于山西省太原盆地的中部，东部、西部和北部群山围绕，可利用土地有限，大大制约了太原市的经济社会的发展。太原市南部属于晋中平原，地势平坦，为太原市的向南扩展提供有利的地形条件。

3.经济因素

城市经济发展是城市空间扩展的根本动力，城市空间发展又是城市经济发展的物质基础。城市经济的发展影响着城市空间拓展的速度、方向、特征。近几年来，太原第三产业发展迅速，特别是加快发展高新技术产业、房地产、科教文化事业。太原原有的老城区已经远远不能满足这样的需求。

通过查阅《山西省统计年鉴》，对建筑业企业房屋建筑面积（Y，平方千米）与总人口（X₁，万人），第一产业（X₂，万元），第二产业（X₃，万元），城镇居民消费（X₄，万元），农村居民消费（X₅，万元），第三产业（X₆，万元），公路里程（X₇，公里）做回归分析，建立的多元线性回归方程为：Y=-14.311-0.008X₁+1.392E5X₂-1.616E-6X₃-2.253E-6X₄+0.020X₅-0.003X₆+0.004X₇

根据以上方程可知：农村居民消费和公路里程与房屋建筑面积存在正相关关系。

根据回归方程得出图7，从中可以明显看出随着城市面积的增加，农村居民消费和公路里程都表现出增加的趋势。由此说明建设用地的扩大与农村城市化发展和城市公路扩建有直接影响，这也符合太原市从市中心向周边扩展，开发城中村，农村城镇化的动态发展，尤其是向南向西的扩展。

4.交通因素

城市交通的发展对城市扩张的作用不可小觑。开辟铁路、公路，提高交通运输的速度，都会对城市的扩张产生重大的影响。在十三五规划《纲要（草案）》中出现的一则内容：构建“三环十线七放射、一网两纵四横两枢纽”的现代综合交通网络。在过去的几年内，最南部的小店区发展尤其迅速，建成了多条次干道为主体的方形闭合式交通网，由此出现了飞地式的城市拓展模式。2014年山西省发改委最新发布，太原榆次城际铁路线项目开通，此条捷径道路位于太榆文化轴线上，加强汾东中心、榆次中心这两个副中心与中部科技城中心的联系。轴线向西经过汾东商务区跨越汾河，形成与大晋阳文化休闲旅游区的休闲文化的渗透，向东加强与山西大学城的教育创新文化联系，全面促进太榆一体化发展。

4.结论

本文分析了太原市建设用地扩张的时空特征及其扩张模式，得出以下结论：

（1）2005-2015年间，太原市城市迅速扩张，各种土地类型变化具有明显的差异。

从中可以看出，2010-2015年的年增长率要比2005-2010年的增长率大。

（2）2005～2010年间，太原市城市扩张的方位变化大致为：东南-西南-南，总的来说，是向南发展。