张掖市甘州区城市空间扩展研究

冉祺祺 范拴喜 董丽娟 崔佳茜

[提要] 城市化作为当今社会发展最显著的特征之一，最首要的表现就是城市的空间扩展。张掖市甘州区在1992～2010年期间城市扩展迅速。基于1992年、2002年和2010年遥感影像，利用GIS和RS提取甘州区城市建成区轮廓，并在此基础上对甘州区城市空间扩展特征及驱动力进行分析。结果表明：1992～2010年期间甘州区建成区面积逐年增长，城市扩展速度在10%以上;1992～2010年甘州区城市空间扩展在各方向上存在较大差异性，正东、东北和东南方向的拓展速度明显高于平均水平1.28，说明这三个方向是城市拓展的主要方向;利用线性回归模型对城市空间扩张人文影响因素进行分析发现，甘州区城市空间扩展主要受经济、人口、交通、政府政策等因素影响，其中经济发展水平是最主要的影响因素。并结合时间序列分析预测到2020年底甘州区主城区的面积将达到4，373.63hm2。

关键词：甘州区;城市拓展;GIS;RS;影响因素

基金项目：陕西省科技厅自然科学基金项目（项目编号：2020SF-438）;宝鸡文理学院重点项目（项目编号：YJSCX19ZD03）;通讯作者：范拴喜

中图分类号：TU984 文献标识码：A

收录日期：2020年8月6日

随着社会的发展，城市化成为了不可逆转的趋势，它深深地改变着人类的聚居状态、生活方式和生存方式。城市空间拓展是社会经济发展的特征之一，以城市空间拓展为主要特征的城市化及带来的许多问题，是中国现在和未来将要面临的主要挑战之一。

20世纪，遥感和地理信息系统的快速发展给城市空间扩展的研究提供了技术支持。国内外学者开始借助于多源遥感数据对城市扩展的形式及规律、城市空间扩展的驱动力、城市空间扩展的对应措施等方面进行了大量研究。Lopez等利用航空影像分析莫雷利亚地区城市扩展过程中的土地利用结构变化，结合回归分析的方法分析了城市扩展和农业景观及人口的变化。赵元洪等利用影像、影像和航空相片数据，对岳阳市地区的城市扩展状况进行研究，得到了岳阳市区的动态扩展图。夏叙、李云梅、李尉尉以无锡市1991年、1996年、2001年和2005年的影像为数据源，采用改进后的波段组合阈值提取法对无锡市城市建成区空间信息进行提取，认为无锡市城市总体扩张呈现出不断增加的态势，同时其城市空间扩张呈现集中连片发展和轴向扩展两种典型的扩展模式。陈顺清认为，城市增长的动力可分成向心力、离心力和摩擦力三种力量的相互作用。但是，我国对城市空间扩展的研究多集中于大城市，对于西北地区小城市的研究较少，小城市的空间扩展问题还需得到进一步的研究。

本文基于RS和GIS对张掖市甘州区城市空间扩展情况及影响因素进行分析，可以正确地把握甘州区城市空间扩展规律和趋势，有效把控和引导甘州区城市空间合理有序的发展，提高城乡建设用地布局的合理性，对于促进甘州区城市进一步发展具有重要意义。

一、研究区概况、数据来源与研究方法

（一）研究区概况。甘州区，是张掖市主要的辖区之一，地处河西走廊中段，南靠祁连山，北临内蒙古，属于温带大陆性气候。甘州区主要河流有4条，季节性河流有26条，河水径流量16.6亿立方米。截至2010年，甘州区面积为4，240 hm2，城市面积2，730.29hm2，人口50.7万人，全年实现生产总值1，153，474万元，比上年增长13.4%。其中，第一产业增加值293，586万元，增长6%;第二产业增加值397，316万元，增长19.9%;第三产业增加值462，572万元，增长13.5%。甘州区不仅是华夏直达西域的唯一要道，世界贸易极其重要中转站，也是我国东西纵横铁路、公路的战略要道，国家四大西能东输工程的能源通道。

本文研究时间选取1992～2010年，该时间段内研究区城市扩展特征较为明显。研究范围以甘州区主城区为中心点，东至李家湾二社，西至西关村，最北到达张家树湾，最南到达二闸庙。该区域是近年城市化進程最快的区域。城市用地的规模越来越大，区域集中代表了城市化的速度与进程，也代表了城市化的总体特征。

（二）数据来源。在进行城市扩展研究时只需要掌握城市建设用地扩展的总体特性，对遥感影像的精度要求并不是太高，因此遥感影像数据使用空间分辨率30m以上的。本文用到的地图数据、土地利用现状图等来源于地理空间数据云。社会经济、人口等数据以及城市建成区面积数据主要来源于1996～2010年甘州区统计年鉴。（表1）

（三）研究方法

1、城市范围的提取。本文将甘州区城市规划图、城市现状图进行电子扫描，再几何精校正。然后，用非监督分类和人工目视解译相结合的方法，使用 ENVI5.1软件对遥感影像解译，总体精度在 75% 以上，之后与谷歌地球进行对比验证，在总体误差不超过10%的前提下在ArcGIS10.3中建立属性数据库，利用软件中的矢量叠加分析功能对不同时期的城市空间扩展数据进行提取。

2、城市扩展速度指数与强度指数。本文在研究城市空间扩展数量时选取了城市扩展速度指数（M）和强度指数（I）两个指标，这两个指标是衡量城市空间扩展进程的重要指标。城市空间扩展速度表示了城市在整个研究时间段内不同时期的年均增长速度，可以直观反映出城市空间扩展的总趋势;而城市扩展强度事实上是对各个方向的年均扩展速度进行标准化的过程，使不同阶段的扩展速度更具可比性。

其计算公式分别为：

M=×100%

I=

式中：△Uij为时刻i到j城市建成区面积的变化数量，△tij时刻为i到j 的时间跨度，ULAi为i时刻的建成区面积，TLA为初始时的建城区面积。

3、GIS空间分析法。本文在对研究区城市空间扩展方位分析时，选取Arcmap中的空间方位分析法来分析研究区城市空间扩展的方位差异性。

4、多元线性回归分析法。在进行城市扩展人文驱动力分析时，选取了与城市扩展密切相关的6个社会经济指标进行多元线性回归分析，分别是非农业人口、国民生产总值、固定资产投资额、工业总产值、地方财政支出以及社会消费总额，然后利用SPSS软件建立个指标与建成区面积之间的多元线性回归模型。

二、城市空间拓展分析

（一）数据预处理

几何纠正：为了得到甘州区几何高精度的覆盖图，论文对每副影像选取了20～25个控制点，对影像使用的纠正方法为二阶多项式几何精校正，重釆样用邻近点插值法进行几何纠正。

遥感图像增强：运用ENVI5.1软件进行直方图匹配、图像色彩变换、去相关拉伸等一系列增强处理，有效提高了TM和ETM+影像的视觉效果和可解译性。图1为图像增强前后的效果。（图1）

（二）城市扩展范围分析。在Arcmap软件中运用拓扑工具，分别提取1992年、2002年和2010年三个时期的城市面积信息，得出1992～2010年甘州区主城区城市面积的动态变化情况，如表2所示。（表2）

利用Arcmap中矢量叠加分析工具，进行1992年、2002年和2010年甘州区城市面积矢量数据的叠加分析，获取甘州区城市扩展过程中城市用地变化的信息。（图2）

从图2可以看出，1992～2010年期间张掖市甘州区主城区城市面积整体处于扩张状态。2002～2010年期间主城区城市面积扩展尤为明显，年均扩展面积和年均扩展率明显上升，呈现加速扩展的趋势。

（三）城市扩展方位分析。为了明确甘州区主城区扩展的方向性，本文应用空间方位分析法，以主城区几何中心为原点，将研究区分为八个方位进行城市扩展的空间分析，如图3所示。对各个方位的城市建设用地分布矢量图进行空间叠加分析，从而得到不同时期城市建设用地在各个方位区中的面积，进而分析出1992～2010年城市建设用地在各个方位扩展的强度特征，研究城市用地扩展变化的方向差异。（图3）

将甘州区城市面积变化进行统计得到表3。（表3）

由图3、表3可以很直观的看出1992～2010年主城区各个方向上的拓展情况：1992～2002年正东、东北、西北方向均高出平均水平，其中正东和西北方向最为显著，达到了272.88hm2和183.19hm2，西南和正北方向拓展面积最少，仅为34.35hm2和45.80hm2，低于平均水平;2002～2010年期间，正东和东南方向面积扩展较多。正西、西北和正南方向拓展面积较少，其中西北拓展面积最少，仅为26.05hm2。

总体来说，甘州区主城区在1992～2010年城市空间拓展的方位差异明显。受到自然和人为因素的影响，正南、西南和正北方向城市空间拓展缓慢，正东、东北和东南方向是城市拓展的主要方向。

（四）城市扩展强度与速度分析。对甘州区城市扩展的速度和强度计算如表4所示。（表4）

由表4可以看出，正东和西北方向的拓展指数分别为2.82和1.90，明显高于平均水平1.10，这是由于在城市规划和交通方面的影响，使得城市在这两个方向快速发展，该方向的城市建设用地的比重在逐年增加。但是在2002～2010年之间，正东和西北方向的拓展指数下降，说明该方向的土地利用已经达到了最大的极限。在东南方向的拓展面积不是很大，但拓展指数达到了1.24，明显高于平均水平0.80，说明在2002～2010年期间，该区域的城市建设面积比重不断增加。

总体来看，1992～2010年期间，正东、东北和东南3个方向城市的拓展速度指数明显高于平均水平1.28，说明城市总体空间拓展沿着这三个方向进行快速的扩展。

三、城市空间拓展人文驱动因子分析

（一）人文驱动因子分析。进行城市空间拓展方面的研究，不仅可以有效直观的观察出一个城市在不同时期空间规模和结构的差异，对不同城市的城市建设用地扩展的特征和驱动因素的認识，而且还可以预测出城市未来的发展布局及其产生的生态环境影响。城市空间扩展过程受到自然、经济、人口、国家政策等多方面因素的影响，自然因素是城市空间扩展的重要限制因素，对于城市空间扩展方向具有约束性，但城市规模的扩张则主要取决于城市社会经济的发展。因此，本文对于甘州区城市扩展的驱动因素分析研究主要集中在人文因素方面，选取1996～2010年经济、人口、交通以及政策等指标进行分析，并建立甘州区城市建成区面积与人文驱动力因素之间的多元线性回归模型。

1、经济因素。GDP（国内生产总值）：是指一个国家（或地区）所有常住单位在一定时期内生产的全部最终产品和服务价值的总和，是衡量一个国家（或地区）经济发展状况的指标。经济发展对城市扩张的影响也是十分巨大的，从图4可以看出，甘州区1996～2010年期间GDP增长十分迅猛。（图4）

对甘州区1996～2010年国内生产总值与城市建成区面积进行一元线性回归分析，如图可以发现二者之间相关度很高，见图5。（图5）

其一元线性回归方程：

M=0.990Z-4.911 （2）

式中，M为建成区面积，Z为国内生产总值。进行检验时可知，相关系数为0.990，判定系数R2为0.979，回归系数检验统计量t=24.845，相伴概率值P<0.001，该回归方程有意义。由此可见，甘州区建成区面积的增长与经济的增长存在显著的相关关系，经济发展是城市空间扩展的重要驱动因素。

2、人口因素。房屋住宅一直以来都是人类生存和生活的基础，随着经济的不断发展，城市化进程不断加快，大批农村人口转入城市，城市扩张成为一种必然的趋向，这使得城市用地急剧增加。利用SPSS对1996～2010年甘州区市区非农业人口数与建成区面积进行一元线性回归分析，发现非农业人口与建成区面积之间存在较好的线性关系，见图6。（图6）

其线性回归方程：

M=0.945Z-4.044 （3）

式中，M为城市建成区面积，Z为非农业人口。进行检验时可知，相关系数為0.945，判定系数R2为0.893，回归系数检验统计量t=10.412，相伴概率值P<0.001，该回归方程有意义。对城市建成区面积与非农人口显著性检验可知建成区面积与人口变化关系密切，二者之间存在极显著正相关性。

3、交通因素。城市空间的规模很大程度也取决于城市交通的发展，便捷的交通扩大了城市半径，使得城市人口集聚、产业集聚、也促使城市规模扩大。甘州区境内有国道有6条，共计828.518公里，省道有13条，共计1，267.4公里，县道有74条，共计2，053.9公里。兰新高铁开通后，新增高速铁路达到262公里，全市铁路营运里程达到496公里。同时，张掖军用机场实现军民合用，民航基础条件得到改善。全市铁路、公路、航空运输三位一体，甘州区交通枢纽的地位日益凸显。立体化交通的发展不仅改变着城市的发展速度，而且还影响着城市空间拓展的形态。

4、政策因素。城市离不开政府，政府是一个城市的核心。政府的一些活动都会影响到城市的规划和未来的发展，其中最重要的就是政府制定的政策。另外，城市的土地空间利用类型很大程度上取决于政策和制度因素。所以，政策与制度因素会影响城市的集聚规模和布局。

综上所述，城市空间拓展最主要的影响因素有人口因素、经济因素、交通因素和政策因素，这些人文驱动直接影响到主城区的拓展速度、方向和空间结构。随着社会经济的不断发展，人文驱动因素将成为影响主城区拓展的最关键因素。

（二）多元线性回归模型。在研究城市规模扩展的人文驱动因素时，主要从人口增长、经济发展、交通因素等方面进行研究，但是这些驱动力因素较为宏观，在建立多元线性回归模型时需要利用具体的指标来体现和衡量。结合甘州区统计年鉴（1996～2010年）的统计数据，选取了与城市扩展密切相关的6个社会经济指标与甘州区主城区建成区面积进行多元线性回归分析。分别是非农人口Z1、国内生产总值Z2、全社会固定资产投资额Z3、工业总产值Z4、地方财政支出Z5、社会消费品零售总额Z6。

对各人文驱动因子与建成区面积进行相关性分析。由表（5）可知各因子与建成区面积存在极显著相关性。（表5）

建立建成区面积与自变量驱动因子的多元线性回归方程：

M=0.241Z1+0.844Z2+0.048Z3+0.022Z4-0.017Z5-0.120Z6-4.376 （4）

式中：M为建成区面积，Z1为非农业人口，Z2为国民生产总值，Z3为固定生产投资，Z4为工业总产值，Z5为地方财政支出，Z6为社会消费总额。

检验可知，回归方程的相关系数R为0.998，判定系数R2为0.997，回归系数检验统计量t=6.206，相伴概率P<0.001，说明该方程有意义，各因子与建成区面积存在显著相关性。

（三）时间序列分析。时间序列分析就是研究社会经济现象的各个指标随时间不断变化而出现一定规律性的统计方法。为了研究事物在不同阶段的发展状态和趋势，就要分析其随时间延伸的发展趋势，预测事物在未来时间的数量及其在空间上的变化。本文采用指数平滑法来预测2020年甘州区的建成区面积。

其计算公式：

（1）一次指数平滑：

yt+1'=ayt+（1-a）yt'

其中，yt+1'为t+1期的预测值，即本期（t期）的平滑值S（t）;yt为t期的实际值;yt'为t期的预测值，即上期的平滑值S（t-1）。

（2）二次指数平滑：

F1+T=at+btT

式中，F1+t为t+T的预测值，T为t期到预测期的间隔期数，at、bt为参数。

at=2St（1）-St（2）

bt=（St（1）-St（2））

St（1）和St（2）分别为一次指数平滑和二次指数平滑值。

St（1）= axt+（1-a）St-1（1）

St（2）= aSt（1）+（1-a）St-1（2）

采用时间序列分析法对甘州区2011～2019年各指标预测，并将2011～2019年的预测值与实际值对比发现，各指标的误差小于10%，所以可以进行后期预测。经预测，到2020年底，甘州区非农业人口可达到262，428人、国民生产总值达到183.37亿元、固定资产投资达到1，649，492万元、工业总产值达到63.92亿元、地方财政支出达到438，189万元、社会消费总额达到1，089，581万元。将这六个指标带入（4）中，计算得出2020年底甘州区主城区的建成区面积可达到4，373.63hm2。（表6）

四、结论

本文基于landsat遥感影像，以张掖市甘州区为研究区，应用地理信息系统方法进行城市扩展研究，并采用多元线性回归分析法对城市空间扩展人文驱动因素进行分析，得到以下结论：

（一）1992～2010年甘州区主城区面积扩展趋势显著，几乎呈现倍数增长。从1992年的966.44hm2到 2010年的2，730.29hm2。其中，2002～2010年期间甘州区城市扩展最为明显，城市扩展面积为916.61hm2，年扩展速率达到了12.5%。

（二）1992～2010年甘州区城市空间扩展在各个方向上存在着较大差异性，主城区面积在正东和东北方向扩展最为明显，达到了613.94 hm2和267.52 hm2，西南、正南和正北方向扩展相对比较少，仅有84.09hm2、106.06hm2和119.22hm2;正东、东北和东南方向的城市扩展速度指数明显高于平均水平1.28，城市总体空间在这三个方向扩张速度较快，扩展强度较大，说明城市在这三个方向的拓展潜力最大，是未来甘州区城市拓展的主要方向。

（三）对各驱动因子分析表明经济因素、人口因素、交通因素及政策因素是张掖市甘州区最主要的驱动因素，对主城区的空间拓展产生了巨大影响。其中，国民生产总值和工业总产值与建成区面积相关系数最高，说明经济的发展是城市扩展的决定性因素。

（四）利用多元线性回归的分析方法，建立了数学模型，并预测2020年底甘州区主城区面积将达到4，373.63hm2。但与政府规划的2020年城市建成区面积5，032hm2有较大的出入，这可能与指标的选取、采用的方法以及具体城市规划中的限制因素有很大的关系，这也是日后研究的侧重点。后期研究时应该多与政府规划部门接触，了解城市规划时涉及的因素，以便在研究中更好地选取指标，预测未来城市空间发展趋势。

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