徐焕1,2
,
付碧宏1
,
郭强1,2
,
时丕龙1
,
薛国梁1
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收稿日期: 2016-12-26
基金项目: 中国科学院—澳大利亚联邦科学与工业研究组织合作项目(编号：GJHZ1407)
第一作者简介: 徐焕(1992— )，男，硕士研究生，研究方向为植被环境遥感、城市化进程。E-mail：xuhuan@radi.ac.cn
通讯作者简介: 付碧宏(1966— )，男，研究员，研究方向为地质遥感、资源环境遥感。E-mail：fubh@radi.ac.cn
中图分类号: TP701
文献标识码: A
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摘要
随着国家“一带一路”倡议的推进和“新型城镇化建设”战略的实施，中西部城市群建设的步伐大大加快，坚持“集约、节能、生态”的绿色发展理念和落实“以人为本”的城市发展核心价值已经成为具有中国特色城市发展的新潮流，中国中西部大城市群的时空扩展过程及其驱动力分析已经成为热点研究课题。本研究以丝绸之路起点大城市—西安市为研究对象，利用近30年来的多时相(1985年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年)Landsat卫星遥感数据，提取城市化扩展过程的时空变化信息。通过引入扩展强度指数、扩展速率指数、紧凑度等定量变化指数，从时间和空间尺度上分析西安市城市化扩展的数量及几何学特征。同时，选取西安市相应的社会经济统计数据，从人口、国内生产总值(GDP)、宏观政策(包括西咸经济一体化规划)、道路交通4个方面对城区扩展的驱动力进行了综合分析。研究结果表明：(1)城市面积的变化方面：西安市城区从1985年的107.44 km2增长到2015年的724.19 km2，30年间城区面积扩展了6.74倍。扩展强度和扩展速率都呈现先降后升的趋势，在2005年—2010年达到了最大值。(2)空间特征方面：1985年至2000年西安市主要向东部、北部及西北部扩展，2000年至2015年城区则转变为主要向西部、南部与西南部扩展。(3)紧凑度方面：1985年至2000年城市紧凑度呈快速下降趋势，由紧凑型(0.367)转变为较紧凑型(0.262)，2000年之后表现为缓慢下降，15年间下降了0.07。(4)城市扩展驱动因子方面：GDP和人口是城市扩展的关键因素，城区面积与GDP呈现出二次幂关系，而城区面积与人口数量则表现为线性正相关关系；此外，“西咸一体化”政策决定了西安市扩展和发展的宏观格局和规模；道路交通基础设施的配套建设也对城市发展起到牵引作用。西安市作为中国中西部“新型城镇化建设”的引领示范城市，城市发展面临着人口快速增长、水资源不足、生态环境脆弱等问题。因此，在今后的城市化发展过程中，应当秉持“绿色、生态、低碳”可持续发展理念，要加强生态功能区的规划，加快生态屏障区建设；统一渭河、泾河、灞河等主要河流的协调管理，合理配置水资源；优化产业结构，大力发展旅游等绿色产业，提高城市竞争力。
关键词
西安市, 城市扩展, 时空变化, 遥感监测, 驱动力分析
XU Huan1,2
,
FU Bihong1
,
GUO Qiang1,2
,
SHI Pilong1
,
XUE Guoliang1
Abstract
The construction pace of the Middle-West urban agglomeration has greatly accelerated with the implementation of the " One Belt One Road” initiative and the new urbanization construction strategy. Adhering to the green concept of " intensive, energy saving, ecological development” and implementing a " people-oriented view” as core value have become the new trends. To understand the process of urban temporal-spatial growth pattern and driving forces, the urban spatial patterns at seven periods (1985, 1990, 1995, 2000, 2005, 2010, 2015) in Xi’an (the starting point of Silk Road) were extracted from multi-temporal Landsat satellite remote sensing data gathered in the past 30 years. Moreover, the quantitative and geometric characteristics of urban expansion were analyzed using the Urban Expansion Intensity Index (UEII), Urban Expansion Rate Index (UERI), and Compact Degree (CD). We analyzed the driving forces of urban expansion in Xi’an city from five aspects, such as population, Gross Domestic Product (GDP), macro policy (such as the integration of Xi’an and Xianyang), and traffic conditions. These measures were analyzed using social and economic statistical data in the same period. The results show the following. (1) Urban coverage increased from 107.44 km2 to 724.19 km2, which shows an expansion of 6.74 times. The annual average expansion area in the past 30 years was approximately 20.56 km2. UEII and UERI displayed a growth tendency after initial declines, simultaneously reaching the summit from 2005 to 2010. (2) The urban spatial pattern mainly expanded to the east, north, and northwest districts from 1985 to 2000. However, the trend moved to the west, south, and southwest areas in the next 15 years. Meanwhile, CD showed a rapid decrease of 0.367 to 0.262 from 1985 to 2000 and then slowly declined by 0.07 since 2000. (3) The urban area presented two power relations with GDP and displayed a linear positive correlation with population. Finally, government policy, such as the integration of Xi’an and Xian Yang, can influence the urban macro structure, scale of expansion and development, road traffic, and infrastructure-supporting construction. As a Middle-West China megacity, Xi’an plays a leading role in the new urbanization construction strategy. However, urban development faces problems, such as rapid population growth, insufficient water resources, and fragile ecological environment. Therefore, we suggest that the government take the " green, ecological, low-carbon” sustainable development path, improve the planning of ecological function areas, accelerate the construction of ecological barriers, reasonably allocate water resources, and develop competitive industries.
Key words
Xi’an city, urban expansion, spatial-temporal change, remote sensing monitoring, driving forces analysis
1 引 言
城市是社会、政治、经济、文化、自然等多因素共同作用聚合的产物，而城市化反映了社会经济变化过程，其包括农业人口非农业化，城市人口规模不断扩张，城市用地不断向郊区扩展，城市数量及规模不断增加以及城市社会、经济、技术变革进入乡村偏远地区等过程(王思远 等，2002；Montgomery，2008；Xu和Min，2013)。改革开放以来，中国的城市化进程正以迅猛的速度不断推进，快速城市化引起城市用地扩展时空演变加速(刘纪远 等，2003；苏高华，2011；Wang 等，2012)。西安市是中国西北的中心城市，也是关中城市群和西三角经济区的核心城市。自从1998年实行西部大开发政策以来，尤其是2013年“一带一路”倡议相关政策落地后，西安市城市化进程不断加快，城市结构和功能不断提高，应运而生的城市建设用地需求不断增加，由此导致大量的耕地、林地、城市绿地大量被占用(Liu 等，2005)，严重威胁农林业的可持续发展和城市及其周边地区的生态环境安全(冯晓刚和李锐，2011)。在经济社会高速发展的同时，如何协调和解决快速城市化进程带来的日益增长的城市用地需求和有限的土地资源之间的矛盾已经迫在眉睫(Henríquez 等，2006)。因此，科学地对城市空间扩展进行动态监测，了解城市扩展的动态过程同时分析城市扩展的驱动力机制，对指导城市的宏观战略规划，探究生态环境的可持续发展，保护有限的可耕地资源以及科学、合理、有效的利用宝贵的土地有着非常重要的战略意义(Ma和Xu，2010；闫梅和黄金川，2013；Zhang 等，2014)。
利用不同时相的卫星遥感影像数据、土地利用数据以及地形地貌数据，借助遥感与地理信息技术来获取城区动态变化信息(Bhatta，2009)，已经成为研究城市空间动态变化监测的重要手段。与传统的监测手段相比，遥感技术具有更实时，更高效，范围更大，精度更高等优点(Gilliesa 等，2003；李爱民，2009)。随着各种陆地资源卫星升空，许多学者采用不同数据源，利用遥感和地理信息系统技术，对比分析不同时间序列的遥感数据，对城市扩展过程开展了大量监测研究(Bhatta 等，2010)。牟凤云等人(2007)利用多源遥感数据对北京市城市扩展机制、驱动力以及土地利用现状变化进行分析研究。匡文慧等人(2013)基于Landsat和DEM数据对21世纪初中国人工建设不透水地表进行了遥感监测与时空分析。对于城市空间扩展驱动力分析，学者们也做了相应的许多研究，Schneider和Mertes(2014)通过对TM假彩色合成图像目视解译提取了城市面积，进一步分析了城区面积与人口之间的关系。陈晓红等人(2016)以261个地级市为例，分析了中国城市空间拓展与经济增长的关系。2010年以来，对于西安市城市扩展进程的分析，特别是如何有效地获取城市边界，结合城市边界的扩展变化关系及城市扩展驱动力因素分析方面，尚缺少综合分析研究。
本文基于多时相Landsat MSS、TM、ETM+、OLI遥感图像数据以及社会经济统计数据，以1985年以来西安市城市化进程及城市扩展驱动力为研究对象，采用监督分类以及图像处理的方法，提取西安市1985、1990、1995、2000、2005、2010、2015年7个时相的城市边界信息，对西安市的城区扩展面积进行了统计，并采用城市用地扩展变化特征指数对空间扩展的速率、强度开展了探究和科学推测，并结合GDP、人口等社会经济数据对扩展驱动力进行了分析，以期为西安市城市用地的科学规划和合理布局提供依据(夏叡 等，2009；Dewan和Yamaguchi，2009；吝涛 等，2010)。
2 资料来源与研究方法
2.1 研究区概况
西安，古称长安，位于黄河中游关中盆地中部渭河平原的二级阶地上，北临渭河，南靠秦岭，是世界著名文明古都之一。它地处关中平原中部，位于107°40′E—109°49′E，107°40′N—109°49′N，平均海拔高度约424 m，属温带大陆性气候，四季冷暖干湿分明；多年平均气温13℃，多年平均降水量604.2 mm，境内河流(泾河、渭河、灞河等)众多。同时，西安是古丝绸之路的起点，也是中国中西部地区重要的科研、教育、飞机制造、国防科技工业和高新技术产业基地，随着国家“一带一路”倡议的实施，区域发展优势更加凸显(图1)。
2.2 数据来源
以西安市城区为重点研究对象，利用1985年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年7期Landsat MSS/TM/ETM/OLI影像(轨道号为127/36，成像时间为6—9月，空间分辨率为30 m)，结合30 m分辨率DEM数据及同期西安市统计年鉴等基本数据源开展分析和研究。
2.3 数据预处理及城市边界提取
本文利用遥感和地理信息软件对7景Landsat遥感图像进行几何校正，首先，以国家测绘地理信息局公布的数字栅格地形图为基准，通过挑选地面同名控制点，同名控制点的个数大于15个，均匀分布在图像上，对2000年的TM影像进行配准，校正方法采用三角网格法，通过双线性内插进行几何校正，校正精度优于1个像元即30 m(Galster 等，2001；匡文慧 等，2005)。然后，以校正好的2000年的TM影像为基准，采用上述同样方法分别对1985年MSS影像，1990年、1995年、2005年、2010年TM/ETM+影像及2015年OLI图像进行几何校正，精度均优于0.5个像元即15 m(岳文泽和吴次芳，2007；李富祥 等，2010；Arsanjani 等，2013)。在预处理的基础上，采用监督分类中的最大似然法和人机交互目视解译法对城区建筑进行分类，由于分类后图像呈小斑块状，很难直接提取城区面积，所以需要将分类图像进行聚类统计和重分类以及去除错分类等分析处理(黄惠萍 等，2004；Friedl 等，2010；匡文慧 等，2010)。然后，利用空间分析模块进行城区边界提取，得到7景栅格图像，结合行政区划图、DEM数据以及同期土地利用现状数据将栅格图像矢量化，获得7期城区边界图(张亦汉 等，2013)。最后，利用叠置分析功能对7期影像进行叠加分析处理(杨叶涛 等，2010；李明财 等，2011)，制作7期西安市城市用地分布和空间扩展图。
2.4 城市用地扩展时序特征分析
城市用地扩展时序变化是指研究时段内起止时相城市用地规模数量在时间维度上的变化特征，一般采用扩展强度指数UEII(Urban Expansion Intensity Index)和扩展速率指数UERI(Urban Expansion Rate Index)来表征，分别代表着城市城区的扩展强弱与扩展快慢(封建民 等，2013；王伟武 等，2009)。
(1)城市扩展强度指数(UEII)
| ${{UEII}} = \frac{{\left( {{U_{{b}}} - {U_{{a}}}} \right)}}{{{U_{{a}}}}} \cdot 100\% $ | (1) |
式中，Ua与Ub分别代表两个不同时期的城区面积。
(2)城市扩展速率指数(UERI)
| ${{UERI}} = \frac{{\left( {{U_{{b}}} - {U_{{a}}}} \right)}}{{\left( {{T_{{b}}} - {T_{{a}}}} \right)}}$ | (2) |
式中，Ua与Ub分别代表两个不同时期的城区面积，Ta与Tb分别代表两个不同研究时相。
2.5 城市用地扩展空间特征分析
城市用地扩展空间变化特征是指研究时段内起止时相城市用地规模在空间分布维度上的变化特征，评价指标依据景观结构与变化评价指标选择，本文引入面积(A)、周长(P)、紧凑度CD(Compact Degree)来衡量。其中面积与周长为自带属性，不再赘述计算方法。紧凑度定义为图形轮廓的聚拢程度，城市紧凑度是反映城市空间扩展过程中城区形状变化的重要指标(田光进 等，2001)，一般紧凑度指数越高，城市用地效率也就相应高，城市边界越紧凑，城市功能区相对集中，计算公式如下
| ${{CD}} = \frac{{2\sqrt {{\text{π}}A} }}{P}$ | (3) |
式中，A代表面积，P代表周长。
扩展方位特征主要采用等扇分析法，以研究区的中心为原点，选取适当半径，将研究区划分成若干相等扇形区域，与各时期城市空间图层进行叠加，计算不同方位扩展面积来描述城市用地在不同方位的扩展差异。
3 西安市城市动态扩展分析
3.1 城市边界信息的提取
在前期预处理研究的基础上，采用监督分类分别对1985年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年7期影像进行城市边界信息提取。城市用地以中心城区为核心向四周呈现不同速度的扩展，但其空间扩展模式在各个时期呈现各自明显特点：1985年的遥感图像显示西安城区主要围绕明代古城而建，1985年—1990年，面积扩展幅度比较平缓；90年代以后，城市扩展出现明显空间分异特征，其中西部、北部和东北部呈现快速扩展，分别与未央经济开发区、西咸新区和灞河生态实验区建设有关，而南部和西南部呈现相对较慢的蔓延式扩展，表现为主城区慢慢吞并周边农业用地和未利用地；进入21世纪以来，北部和东部受到渭河、泾河、浐河、灞河以及洪庆山等地形地貌的限制，空间扩展主要向南部和西南部扩展，尤其是向西南方向快速扩展，其南部文教区和西南部高新技术产业开发区是重点扩展区域(图2)。
3.2 城市空间扩展数量分析
对西安市7期城区扩展图进行分析统计，主要计算城市扩展强度和扩展速率。如表1所示，1985年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年的城区面积分别为107.44 km2、172.65 km2、234.30 km2、258.16 km2、326.10 km2、565.33 km2、724.19 km2。1985年—2005年城区面积扩展了218.66 km2，2005年城区面积为1985年的3.04倍，这20年城区处于平缓扩展过程中，除1995年—2000年扩展面积相对较小(23.86 km2)，1985年—1990年、1990年—1995年、2000年—2005年5年间扩展面积均为60—70 km2，扩展强度和扩展速率都呈现先降后升的趋势，在1985年—1990年、1990年—1995年和1995年—2000年等不同5年间，扩展强度由60.69%下降到35.71%，最后为10.18%，而扩展速率则从13.04 km2/a减缓到12.33 km2/a，最后为4.77 km2/a。21世纪的前5年，扩展强度与扩展速率都明显上升，分别上升到26.32%和13.69 km2/a；2005年后，西安市城区迅速扩展，2005年—2015年城区扩展了398.09 km2，2015年城区面积是2000年的2.22倍，尤其是2005年—2010年间，扩展面积、扩展强度和扩展速率都达到了最高值，分别为219.23 km2、73.36%、47.85 km2/a，主要是该时期经济发展迅速，城市建设步伐较快，城市人口大量增加导致；2010年—2015年期间其扩展面积、扩展强度和扩展速率又表现出下降趋势，扩展面积为158.86 km2，扩展强度和扩展速率分别下降了45.26%和16.08 km2/a，其主要原因是城市面积在前期已经达到较大基数，政府对城市用地采取了宏观调控政策。
表 1 西安市不同时期城区面积及扩展情况
Table 1 Urban expansion areas of Xi’an in different periods
| 参数 | 1985 | 1990 | 1995 | 2000 | 2005 | 2010 | 2015 |
| 城区面积/km2 | 107.44 | 172.65 | 234.30 | 258.16 | 326.10 | 565.33 | 724.19 |
| 扩展面积/km2 | —— | 65.21 | 61.65 | 23.86 | 67.94 | 219.23 | 158.86 |
| 扩展强度/% | —— | 60.69 | 35.71 | 10.18 | 26.32 | 73.36 | 28.10 |
| 扩展速率/
(km2/a) |
—— | 13.04 | 12.33 | 4.77 | 13.59 | 47.85 | 31.77 |
从整个时间序列上来看，2000年—2015年的扩展速率及扩展强度均大于1985年—2000年，除1995年—2000年外，每个5年间扩展强度都在20%以上，近15年以来甚至达到了180%，扩展十分明显(图3)。
此外，除1995年—2000年外，其他时期年平均扩展速率都在10 km2以上，扩展趋势非常迅速，尤其是21世纪以来，由于经济迅速发展，居民可支配收入的增加，进城人口增加，城镇化进程急剧加速，建设用地需求也越来越大，导致扩展面积、扩展强度、扩展速率都大于1985年—2000年的15年期间(图4)。
3.3 城市用地扩展空间特征分析
一般紧凑度指数越高，城市用地效率相应也高。如表2所示，1985年—2015年西安市紧凑度数值呈不断下降趋势，空间扩展十分快速，城区向四周急剧碎片化式扩展比较明显，说明城市用地规划不太规则，扩展向四周蔓延，甚至呈现斑块状，松散化程度高；而在2000年—2015年紧凑度数值虽然在下降，但下降数值较1985年—2000年要小，表明这15年间城市化进程对城市空间紧凑度仍然起到减小作用，但由于城市面积基数较大、可用地逐渐减少、城市用地规划更加科学等原因，导致紧凑度数值下降幅度逐渐减小。综上所述，西安市城市空间扩展呈现由快速急剧扩展到慢慢趋于稳定的转变。
表 2 西安市1985年—2015年城区空间扩展特征
Table 2 Spatial expansion characteristics from 1985—2015
| 参数 | 1985 | 1990 | 1995 | 2000 | 2005 | 2010 | 2015 |
| 面积/km2 | 107.44 | 172.65 | 234.30 | 258.16 | 326.10 | 565.33 | 724.19 |
| 周长/km | 100.12 | 145.11 | 185.19 | 217.39 | 272.40 | 393.86 | 496.86 |
| 紧凑度 | 0.367 | 0.321 | 0.293 | 0.262 | 0.235 | 0.214 | 0.192 |
扩展方位特征是描述城市空间在不同时段不同方位上的扩展，借助Excel绘制雷达图，以更直观地形式表达在不同时间段城市空间在各个方位的扩展情况(图5)。
研究发现西安市城市用地在各个时段向各个空间方位均有扩展，但扩展面积有明显不同。1985年—1990年的5年间，城区分别向东面、东北、北面及西北扩展了16.31 km2、13.05 km2、7.83 km2和11.09 km2。1990年—1995年5年间，正东面扩展面积最大，达到了12.33 km2，西面、北面及西北面次之，增加了9—11 km2。1995年—2000年的5年间，各个方位扩展都较小且均衡，分别向北面、南面、东面扩展了4.77 km2、3.58 km2和3.56 km2。进入21世纪来，2000年—2005年以向西面、北面、东面、东南扩展为主，向西面及北面积分别扩展了约12 km2，向东面和东南分别扩展了约10 km2。2005年—2010年的五年间，各个方位扩展都比较大，最大的西面扩展面积达到了47.85 km2，最小的西南面扩展面积也增加了近20 km2。2010年—2015年的5年间，最大的扩展方位是向西南和南面，面积分别增加了33.36 km2和28.59 km2，其他方位扩展面积基本均衡介于东南面12 km2到北面的20 km2之间(表3)。
表 3 西安市不同时期城区扩展方位面积
Table 3 Urban expansion bearing areas of Xi’an in different periods
| 年份扩展
面积/km2 |
1985—
1990 |
1990—
1995 |
1995—
2000 |
2000—
2005 |
2005—
2010 |
2010—
2015 |
| 北 | 7.83 | 9.86 | 4.77 | 12.23 | 26.32 | 20.65 |
| 东北 | 13.05 | 5.55 | 2.15 | 8.15 | 23.92 | 19.06 |
| 东 | 16.31 | 12.33 | 3.58 | 10.19 | 23.93 | 12.71 |
| 东南 | 3.26 | 1.23 | 2.39 | 9.51 | 21.53 | 11.12 |
| 南 | 6.53 | 4.93 | 3.56 | 6.79 | 45.45 | 28.59 |
| 西南 | 1.96 | 7.39 | 1.91 | 2.03 | 19.14 | 33.36 |
| 西 | 5.22 | 11.09 | 2.86 | 12.22 | 47.85 | 17.47 |
| 西北 | 11.09 | 9.25 | 2.62 | 6.79 | 31.09 | 15.89 |
4 城市扩展驱动力分析
西安城区面积扩展主要受人类活动与自然等方面因素的综合影响，人口增长会使得居住、教育、工作、娱乐等功能区土地需求大量增加，经济的增长会导致大量工厂建筑用地、商业建筑用地等土地面积的扩张，政府的各项宏观政策调节土地的分配与扩展方向，道路交通、水系分布又是决定城市扩展的生态因素。同时，城市扩展结果也会反馈给人口、经济、宏观政策、生态环境，城市向某一方位扩展后，该区域的经济、人口也会随之增加，进而影响宏观政策和生态环境，这些因素与城市扩展环环相扣，既相互协调，又相互制约。由于城市扩展驱动力的多样性和复杂性，本文选取对西安市发展影响较大的几个因素，结合最近30年来的社会经济统计数据，分析西安市城市空间扩展的驱动力主要包括以下几方面。
4.1 社会经济和人口快速增长
自从西部大开发战略实施以来，西安市经济取得长足发展，GDP从1985年的57.78亿增长到2000年的646.13亿，2015年更是大幅增加到5801.20亿，相比30年前增长了100.4倍。伴随经济高速增长的同时，人均GDP也随之增加，1985年人均GDP只有每人0.104万元，2015年人均GDP达到7.112万元。经济的发展是城市空间扩展的重要动力，经济发展水平越高，促使居住用地向城市郊区扩展，同时各种配套设施也随之建设，进一步导致建设用地的增加，因而快速增长的经济，促进了城市的扩展，通过相关性分析发现，西安市城区与GDP呈现二次幂指数关系(图6)。
人口的变化是城市化进程的重要驱动力，人口的快速增长也带来了大量用地需求，进而影响城市扩展进程。西安市人口由1985年的553.11万增长到2015年的815.66万人，增长了47%。城镇人口增加导致城镇化水平越来越高，西安市城镇人口由比例由36.50%增长到66.93%。城镇人口增加所带来的用地需求使得西安市周边大片农业用地转变为城市建设用地，从而加快城市扩展速度与规模，研究表明西安市城区面积与人口呈线性正相关(图6)。
4.2 政府宏观政策
城市规划作为政府制度政策的体现，对城市扩展起到引导作用，也决定了城市发展的宏观格局和规模。随着1998年国家西部大开发战略的实施，由于国家政策的扶持和大量资本的注入，导致西安的经济快速发展。同时2013年国家的“一带一路”倡议相关的政策推进以来，西安市政府大力推动创新引领发展的政策，给经济发展注入了改革创新的新活力。西安市目前具有规模较大经济技术开发区和高新技术产业开发区：北部经济技术开发区始建1993年9月，2000年2月被国务院批准为国家级开发区；西南部高新技术产业开发区是1991年3月经国务院首批批准的国家级高新区(图7)。开发区和高新区的建立导致了城市的快速扩展，使城市向开发区发展并与其连接形成一体，城市的面积快速增加。开发区的建立不仅仅让区内土地开发成为城市的一部分，而且它的扩展带动了基础设施迅速建设(商业、饮食、教育、休闲等服务业快速发展)，开发区的周边地区也得到了迅速开发，因而西安市北部和西南部城区面积增加明显，1985年—2000年15年间城市北部面积大量增加，2000年—2015年15年间城市南部和西南部面积急剧增加，成为西安市城市用地面积增加的主要因素。
4.3 西咸一体化
自2002年西咸一体化政策实施以来，特别是国务院2014年批复“西咸新区”以及2016年被列为第2批国家新型城镇化综合试点地区后，西安和咸阳两市的城市发展空间相向而行，西安市未央区与咸阳市秦都区的城区边界由西咸一体化之前的相隔10 km到现在最近处几乎相邻，西咸一体化大大推进了西安市西北部和咸阳市东南部的城市化进程(图7)。在城市空间结构上，优化整合两市的发展空间，形成“一核、五区、十个卫星城”的整体空间结构，而最主要的核心是西安主城区，围绕西安市建设大西安新中心，进而带动西安市由中心老城向外迅速扩展，从整体上加快了西安市的城市化进程，在西咸一体化政策实施后，西安市城区面积整体向外扩展了446.03 km2。
在产业结构上，西咸产业一体化的发展战略是以高新技术产业为龙头，以先进制造业为支柱，建成面向国际的中国西部航空枢纽以及西部最大的物流中心，西安咸阳国际机场位于西安市西北部，离咸阳市中心10 km，离西安市中心25 km，因而与航空物流相关的公司和企业大多聚集于城市西北部，从而带动了城市向西北建设和扩展。为了落实国务院关于“西咸新区”的相关政策，同时加之老城区土地资源紧张，西安市将部分高校及科研单位搬迁到靠近咸阳、杨凌等区域，因此，新建的沣河新区吸引了诸多高科技企业入住，以世纪大道、沣河大桥为轴的道路两侧农业用地迅速转变为城市建设用地，最终导致2000年—2015年间，西安市城区向西北部扩展了102.46 km2。
在社会福利上，两市要在教育、医疗、公共交通、通信等方面最终实现全面一体化，但由于西安市具有的教育、医疗等资源优势，也吸引咸阳市人口向东南方向聚集，城市建设逐渐向西安方向扩展。同时，西安市老城中心区域居民在同等社会福利条件下，回迁至西北部新区定居，由此也带动了西安市西北部和咸阳市东南部的城市化进程，咸阳市在西咸一体化实施13年来，城市面积向东南部扩展了41.78 km2，从而加快了西咸一体化进程。在西咸一体化政策牵引下，西安、咸阳两市的空间距离不断缩短，从而实现地域的一体化进程。
4.4 道路交通
现代交通发展是城市扩展最直接因素之一，交通工具变革和高速公路网建设，为城市扩展提供了必要条件，对城市发展建设起到牵引作用。西安作为西部中心城市，其公路四通八达，主要线路有西安绕城高速、榆蓝高速、京昆高速、沪陕高速、福银高速、包茂高速、银百高速、西宝高速公路，密集的高速公路网有力地推进了城市扩展，城市面积快速增长(图8)。高速公路大大便捷了市区与郊区居民出行，加上市区建设用地短缺，越来越多居民选择居住郊区，加速郊区融入市区的进程，使得城区面积越来越大。30年来，西安市与咸阳市沿312和210国道的城区面积扩展2.3倍。绕城高速将咸阳市秦都区、西安市未央区郊区、长安区、灞桥区、临潼区等远郊区汇入城市圈中，进而加速了西咸一体化进程，环绕城高速区域的城区面积由10.36 km2增加至43.57 km2。世纪大道、沣河大桥的建设使得西、咸两市相邻区域发展都十分迅速，沿道路建设了许多企业、公司及科研单位，西、咸两市在城市空间结构上已经基本实现融合。因此，现代道路交通建设大大影响了城市化进程和城市发展步伐。
5 讨 论
5.1 城市规划与生态功能区建设
过去30年间，西安市城区扩展十分迅速，面积从100 km2增至730 km2，在这扩展过程中，大量优质农田、水体、森林、草地、公园等生态自然土地迅速转变为城市建设用地。由表4可见，从1985年—2015年城市扩展主要占用了城市周围地势平坦、交通便利、土壤肥沃的农业用地以及居民点，面积分别为300.60 km2和130.81 km2；而生态用地，如林地、草地、水体的面积也迅速减少，这3类土地面积占到总扩展面积的26.08%。如果继续按照该趋势发展，城区面积不断扩大的同时，大量优质农田以及生态用地将被占用，同时，如果城区缺乏配套的生态功能区，城市将成为一座钢铁水泥“森林”。因此，为了落实“集约、节能、生态”的绿色发展理念，西安市应当科学合理地进行城市建设规划，控制城市无限制地盲目扩展。在城区扩张的同时，在东部洪庆山、北部渭河、西部沣河、南部秦岭等地规划建设一系列生态屏障区，加强生态功能区建设。西安市属于西部缺水城市，城市建设时要避免占用水体、滩涂等湿地，落实河长负责制，统一协调管理西安和咸阳两市及周边河流与湖泊，同时考虑在秦岭北侧建设一批可持续性水库用于防洪蓄水发电，开辟一条“绿色、生态、低碳”的可持续发展道路。
表 4 西安市1985年—2015年城区扩展所占土地利用类型
Table 4 The land type and structure occupied by urban expansion of Xi’an from 1985 to 2015
| 占用的土地利用类型 | 面积/km2 | 比例/% |
| 耕地 | 300.60 | 48.74 |
| 林地 | 77.59 | 12.58 |
| 草地 | 53.23 | 8.63 |
| 水体 | 30.04 | 4.87 |
| 居民点及工矿用地 | 130.81 | 21.21 |
| 未利用地 | 24.48 | 3.97 |
5.2 西咸一体化的困境与机遇
西咸一体化发展已取得初步成果，西安市与咸阳市在城市空间结构上已经实现融合；在道路交通建设方面，西安市地铁、公交等公共交通都已经与咸阳实现对接；同时两市在通讯、网络、媒体等方面已实现并网联通。但一体化政策目前面临着城市建筑与美丽山水不协调、城市边界一体化而行政差异化、经济产业结构单一、城市经济发展与文物保护相冲突等突出问题。针对上述问题，在“西咸一体化”深度发展的同时，特别是“国家西咸新区”设立后，两市不能只在城市边界上合为一体，应该生态环境有机融合，建议两市在沣河、渭河沿岸建设一系列集居住、休闲、商业、旅游、教育于一体的生态旅游休闲区，既能带动社会经济发展，也能实现绿色生态的可持续发展。由于在行政上归属不同地方政府，政策在规划与实施上很难统一，由此使得许多政策只停留于表面，无法真正落地实施。为了打破这一局限，西安、咸阳两市应该设立“西咸一体化”统筹小组，负责各类政策与规划的制定与实施，推动一体化不断深度发展。西安与咸阳都是老工业城市，经济产业结构单一，因此两市应当注重经济发展质量，优化产业结构，因此，在“西咸新区”布局中，沿渭河、泾河周边建设一批以高新技术产业为龙头，以先进制造业为支柱，以现代服务业和旅游休闲业为支撑的产业集群。同时两市都是古文化名城，境内文物众多，面临巨大文物保护压力，为了破解这一难题，应当设置相应文物保护机构，在经济发展同时协调文物古迹保护，造福子孙后代。
6 结 论
本研究通过对西安市城市扩展过程及驱动力因素分析，得出以下结论与认识：
(1) 时间和空间尺度上，过去30年西安市城区面积从1985年的107.44 km2增长到2015年的724.19 km2，城区面积扩展了6.74倍。1985年至2000年城区扩展主要向北部经济技术开发区发展，这一时期北部、东北部的城市面积扩展迅速；而2000年至2015年扩展主要向南部和西南部扩展，面积由2000年的108.24 km2扩展至2015年的244.37 km2。扩展强度和扩展速率都呈现先降后升趋势，在2005年至2010年达到最大值，分别为73.36 %和47.85 km2/a；1985年至2000年城市由紧凑型变为较紧凑型，2000年之后逐渐发展成为松散型，紧凑度由0.367下降到0.192。
(2) 西安市城市化进程的主要驱动因子为国内生产总值(GDP)和人口增长，城区面积与GDP表现为二次幂关系，而与人口数量则呈现出线性正相关关系；此外，政府的“西咸一体化”政策决定了西安市扩展和发展的宏观格局和规模；道路交通基础设施的配套建设也对城市发展起到牵引作用。
同时，针对西安市城市扩展过程中存在的一些突出问题，对其驱动力及今后城市发展提出以下建议：
(1) 西安市城市扩展经历了由向东部、北部扩展转为向南部、西南部扩展的一个转换，但西安市整体扩展存在不均衡现象及规划缺少长期性，今后要站在大西安乃至关中城市群发展的全局角度进行中长期规划。
(2) 西安市城市扩展的驱动力因素较多，但主要受人口数量和GDP增长驱动，在今后发展过程中应引导人口的合理流动，疏散不适合大西安发展的低端产业，实现人口数量与经济发展的动态平衡。
(3) 城市发展要秉持“以人为本”的核心价值，科学合理地进行城市建设规划，适度控制城市发展规模，大力提升生态功能区规划和生态屏障区建设水平，把大西安建成中西部宜居城市。
(4) 落实国务院最新提出的“河长负责制”政策，统一渭河、泾河、灞河等主要河流的协调管理，合理配置水资源，建议在秦岭北侧建设一批生态水库，用于防洪、蓄水、发电，以缓解水资源季节分配不均衡问题。
(5) 优化产业结构，大力发展以“绿色生态、丝路文化、历史古迹”为特色的旅游、教育和特色医疗产业，可以将西安部分高校、科研院所、企业疏解到周边的咸阳、杨凌、阎良、宝鸡等地，缓解老城区土地资源不足、交通不畅的压力，从而提高城市竞争力，真正实现“西咸一体化”与关中大都市群的协调可持续发展。
志 谢 本研究采用美国国家航空航天局网站提供了Landsat卫星数据，陕西省统计局以及西安市统计局网站提供社会经济统计数据，野外实验的数据获取得到了澳大利亚科学与工业研究组织Thomas Cudahy的协助，在此表示衷心的感谢！
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