城市化是指社会经济变化的过程，主要包括农业人口非农业化、城市人口规模不断扩大、城市用地不断向郊区扩展、城市数量不断增加以及城市社会、经济、技术变革进入乡村的过程等，成为20世纪以来最为显著的人类活动过程之一^[1]。但随着社会经济的发展与城市化进程的不断加快, 出现了诸如交通拥挤、城市无序扩张、环境污染等一系列城市问题, 人地矛盾日益突出, 为了更好地解决这些城市问题, 进行科学合理的规划布局, 促进城市的持续健康发展, 因此对城市的空间扩展及驱动因素研究就显得十分必要。近年来, 城市扩展研究已经成为城市化研究热点之一, 国内外大量学者将RS和GIS等空间信息技术相结合对城市的时空扩展进行动态监测研究, 如Masek^[2]等利用Landsat遥感影像数据分析了华盛顿特区城市扩展的动态变化; 冯晓刚等^[3]利用Landsat TM和ETM+影像数据, 通过非监督分类法、NDBI指数提取、监督分类法以及叠置分析等对西安市的城市扩展进行分析, 并得出城区扩展空间主要集中在南北方向的结论; 康红刚等^[4]利用Landsat TM和ETM+影像数据并结合ArcGIS9.0等软件研究济南市的城市扩展; 谭雪兰等^[5]利用长沙市4个时相的TM影像数据, 在MapGIS6.7的支持下, 通过等扇形法和重心迁移定量模型等研究方法对长沙市城市空间扩展做了研究; 王涛等^[7]以多期遥感影像数据为基础, 结合社会经济数据, 通过计算景观指数与提取城市建设用地重心来研究南通市的城市扩展时空特征。足见, 诸多学者已经对城市扩展的时空分异特征及驱动因素等各方面做了大量研究并取得了丰硕的成果, 但大多是从一个城市或区域的整体空间视角出发, 从城市内部各市辖区视角出发的城市扩展研究则相对较少。

基于此, 本文以太原市为研究区, 利用2000年、2007年和2015年三期Landsat遥感影像数据, 通过Erdas Imagine9.0和ArcGIS10.2软件对其进行信息解译、提取、处理和分析^[6], 得到3个时期的城市用地范围, 并引入城市扩张强度指标与紧凑度指标, 通过等扇形法与重心轨迹转移分析法对城市空间扩展特征进行探究, 结合太原市DEM图件、经济人口数据及相关政策, 从太原市城市的整体及其各市辖区空间的视角出发对城市空间扩展特征及驱动因素进行探索分析, 以期为太原市未来更加科学合理的规划与健康持续的发展提供一定的参考^[7]。

1 研究区概况及数据处理 1.1 研究区概况

太原市位于山西省中北部太原盆地(111°30′~113°09′E, 37°27′~38°25′N)，西、北、东三面环山，中、南部为河谷平原，地势北高南低呈簸箕状, 黄河第二大支流汾河自北向南贯穿全境。太原市是山西省省会城市及政治、经济、文化、交通和国际交流中心, 自古就有“锦绣太原城”的美誉, 是中国北方军事、文化重镇, 世界晋商都会, 也是中国能源、重工业基地之一。太原市辖6个市辖区、3个县, 代管1个县级市, 其市辖区包括小店区、迎泽区、万柏林区、尖草坪区、杏花岭区与晋源区。截止2015年底, 全市地区生产总值2 735.34亿元, 三次产业比重分别为1.4%，37.3%，61.3%, 地区人均GDP为63 483元; 常住人口431.87万人, 城镇人口364.51万人, 城镇化率84.40%, 比2000年提高18.35%。

1.2 数据处理 1.2.1 数据来源

本文研究的基础数据包括太原市城市空间及驱动因素数据。其中城市空间数据来自于太原市2000年, 2007年, 2015年三期的Landsat遥感影像数据, 驱动因素数据主要来源于太原市DEM数据(30m分辨率)及2001—2016年太原市统计年鉴。

1.2.2 几何校正及配准

几何校正是指消除或改正遥感影像几何误差的过程。在提取太原市建设用地信息之前, 需对影像进行几何校正^[12]。本文先以太原市地形图与DEM数据为基准, 对2000年遥感影像进行几何精度校正, 将其总的均方根误差控制在0.4以内, 然后以校正好的2000年影像数据为基准, 对2007年及2015年遥感影像及太原市行政区划图进行几何配准, 最终将三期遥感影像及行政区划图统一校正在“WGS_1984_UTM_Zone_49N”这一坐标系统下。

1.2.3 城市边界信息提取及裁剪

为了保证3个时期的太原市城市用地信息具有可比性^[13], 需对太原市城区范围进行目视解译及边界信息提取, 本文利用ArcGIS10.2软件对太原市2000年、2007年、2015年的城市用地范围进行目视解译并生成3个时期的矢量图层。通过栅格裁剪工具对提取出的城市边界进行裁剪, 最终裁剪出太原市2000年、2007年及2015年的城市用地范围(如图 1)。

2 研究方法 2.1 指标分析 2.1.1 城市扩张强度指标

城市空间扩张强度反映了城市扩张的强弱与速度^[3], 主要用于分析城市建成区用地的扩张状态, 表示为某空间单元在其研究时间段内的城市土地利用扩展面积与原空间单元总面积比值的年平均值^[4], 计算公式如下(其中:ARG代表城市年均扩张强度, UA_n+i和UA_i分别代表第n+i年和第i年的城市面积, n以年为单位。):

$ {\rm{ARG}} = \frac{1}{n}\frac{{({\rm{U}}{{\rm{A}}_{n + i}} - {\rm{U}}{{\rm{A}}_i})}}{{{\rm{U}}{{\rm{A}}_i}}}*100\% $

(1)

2.1.2 紧凑度指标

紧凑度是反映地物形状的参数, 体现一个地区的城市建设用地的开发强度与土地利用效率^[8], 紧凑度指标则主要用于分析城市空间扩展形态的变化特征, 其计算公式如下(其中:A代表建成区面积, P代表建成区轮廓的周长, C代表城市紧凑度指标, 其值介于0~1, 值越大, 表示形状越紧凑, 越接近于圆形, 反之, 形状的紧凑性则越差^[9]：

$ C = \frac{{2\sqrt {{\rm{ \mathsf{ π} }}A} }}{P}。$

(2)

2.2 等扇形分析

等扇形分析是指以研究区中心为圆心, 设定适当半径画圆, 将圆划分为若干相等的扇形区域, 再与各时期的城市用地范围进行叠加以分析城市在各个方向的扩展程度^[5]。本文以2000年城市重心为圆心(112°32′03″E, 37°51′33″N), 设定20km为半径绘圆, 将绘制的圆分成16等份, 与太原市2000年, 2007年, 2015年的城市用地范围进行叠加形成城市形态等扇叠加结果图(如图 2)。

2.3 重心轨迹转移分析

城市在发展过程中由于区域间差异性的存在, 处于一种不平衡的状态, 不同区域对城市发展的影响程度不同, 即各个区域的权重不同。根据几何重心的计算原理, 可将城市重心定义为:不同区域的权重差异所导致的拉力平衡点。这个重心点实际上是一个区域的概念, 该区域可以理解为是一个城市最充满活力、最繁华、发展速度最快、建设规模最大、开发力度最强的地区^[11]。重心计算方法如下(其中:X，Y分别表示城市空间重心的经度与纬度, C_i表示第i个图斑的面积, X_i，Y_i分别表示第i个图斑的重心坐标。):

$ X = \sum\limits_{i = 1}^n {({C_i}^*{X_i})} /\sum\limits_{i = 1}^n {{C_i}} , $

(3)

$ Y = \sum\limits_{i = 1}^n {({C_i}^*{Y_i})/\sum\limits_{i = 1}^n {{C_i}} } 。$

(4)

3 城市空间扩展特征分析 3.1 空间扩张强度特征

根据2000年、2007年、2015年太原市城区矢量图层, 对其面积分别进行统计, 计算城市扩张强度。结果显示, 2000年城区面积为20 900.88hm², 2007年为29 839.05hm², 2015年为34 920.49hm², 2000—2007年间城市扩展面积为8 938.17hm², 扩张强度达6.11%;2008—2015年间城市扩展面积为5 081.44hm², 扩张强度达2.13%, 可见前期的城市扩张强度明显快于后期, 约为后期的2.87倍。

其次, 从市辖区尺度对太原市城市扩张强度进行具体分析, 经ArcGIS10.2统计计算得2000年、2007年、2015年各辖区面积, 将其代入公式得太原市各辖区扩展面积统计表(如表 1)。可以看出, 2000—2007年间城市扩展面积最大的是小店区, 其次是尖草坪区和杏花岭区, 小店区扩张强度指标也为最大, 其次是杏花岭区和迎泽区; 2008—2015年间城市扩展面积最大的仍是小店区, 其次是晋源区和尖草坪区, 但晋源区的扩张强度指标最大, 其次是小店区和迎泽区。除晋源区外, 其他五个区前期的扩展面积与扩张强度相比后期均较大, 仅晋源区后期的扩展面积与扩张强度较前期大。综上所述, 在2000—2015年间, 太原市城市扩展较快的行政区域是小店区与迎泽区, 且前期扩张强度更大; 晋源区后期扩张强度较大, 说明晋源区后期的城市化发展潜力较大。

3.2 空间紧凑度指标特征

通过计算得2000年、2007年和2015年的城市空间紧凑度指标分别为0.215，0.165，0.199, 指标呈现先减小后增加的变化趋势, 表明太原市2000—2007年间城市扩展是一种以城市用地范围不断扩大为主的外延式扩展, 2008—2015年间城市扩展则是以城市空间内部的填充为主, 这是因为在此期间太原市城市内部的基础设施与市政设施逐渐得到补充与完善, 做到资源配置最优化^[14], 从而实现城市的不断扩展。

3.3 空间扩展方向特征

为了更直观地体现太原市城市用地在不同方位扩展的空间特征, 采用等扇形分析法(如图 2), 可以看出2000—2007年和2008—2015年这两个时间段的城市扩展在各个方位上有着明显的差异。2000—2007年间城市扩展主要集中在N, NNE, E, SE, SSE这5个方位上, 在NEE, SEE, S, SW, NWW, NNW这6个方位上有少量扩展, 而在其余的NE, SSW, SWW, W, NW这5个方位上基本没有扩展; 2008—2015年间城市扩展主要集中在SEE, SSE, S这3个方位上, 在N, NNW这2个方位上有少量扩展, 而在其余的11个方位上基本没有扩展。总的来看, 2000—2015年间城市扩展主要集中在SEE, SE, SSE, S这4个方位上, 即东部和南部, 而在西部和北部则扩展较少。

3.4 重心轨迹转移特征

通过ArcGIS10.2分别对2000年、2007年、2015年的城市重心进行量算, 并做出2000—2015年间太原市城市形态重心轨迹转移变化图(如图 3)。可见, 15年间城市重心逐渐向东南方向移动, 其中, 2000—2007年间城市重心主要向东南扩展, 重心转移距离为536.36m, 而2008—2015年间城市重心主要向南扩展, 重心转移距离为676.75m。总体来说, 2000—2015年间太原市城市用地向东南方向扩展, 重心转移距离为1 115.57m。

4 城市扩展驱动因素分析 4.1 社会经济因素 4.1.1 经济发展因素

城市经济发展是城市空间扩展的根本动力^[15-16]。经济的快速发展促使人们对城市工业区、居住区、基础设施、娱乐设施和市政设施等的需求不断增加, 从而导致土地需求量不断上升; 同时经济的发展提高了人们的收入水平, 使其消费需求逐渐变得多元化与个性化而不仅局限于单一产品, 消费者需求结构的变化, 必然会带动企业投入结构与产业结构的改变, 第一产业开始向第二产业和第三产业转移, 第二、三产业的快速发展又促进了城市的经济发展, 二者相辅相成, 互相促进, 共同推动城市化进程。足见, 经济发展对城市化步伐与城市空间扩展的影响是极其重要的, 其增长的快慢直接决定着城市的扩展速度与空间格局的演变。GDP是国民经济计算的核心指标, 也是衡量一个国家或地区总体经济状况的重要指标。对太原市城区面积与GDP数据进行相关分析, 相关系数为0.979, 表明城区面积与GDP具有较强的相关性。

通过太原市统计年鉴得2000—2015年六个市辖区的GDP数据(如图 4), 在2000—2002年间各辖区GDP差异较小且增长缓慢, 据太原市2003年政府工作报告可知, 2002年是太原市率先发展的起步之年, 这一年产业结构调整初见成效, 工业经济稳步增长, 全市经济快速健康发展, 创“九五”以来最好水平, 实现了率先发展的良好开局, 所以2002年之后各辖区GDP开始大幅度增长并出现快慢之分。GDP增长速度最快的是小店区, 在2002年之后一直呈上升趋势, 并在2015年达到辖区最高, 其次是迎泽区, GDP也在不断上升, 但其增长速度明显小于小店区。这一结果同上述城市空间扩张强度特征分析中得出的太原市城市扩展较快的行政区域是小店区与迎泽区的结论相一致, 表明GDP的增长明显促进城市空间的扩展。

4.1.2 人口增长因素

人口是城市活动构成中最活跃的组成要素, 城镇人口的增长是城市空间扩展的直接动力, 主要表现在对住房用地的需求上, 同时对基础设施、公园绿地和道路建设等的需求也会增加^[15]。通过对太原市城区面积与总人口做相关分析, 二者相关性高达0.927, 足见城市扩展面积同人口增长密切相关。

通过查询2001—2016年太原市统计年鉴, 绘制太原市2000—2015年人口统计图(如图 5), 可以看出太原市人口呈逐年增加趋势, 从2000年的308.75万人到2015年的431.87万人, 增长幅度为39.88%。其主要原因可能是, 随着太原市第二、三产业的快速发展, 城市用工数量需求增加, 大量外来人口的进入使城市人口迅速增加, 导致城市出现住房紧张、交通拥挤等一系列问题, 政府不得不采取相应措施增加城市建设用地以缓解住房与交通压力, 促使了太原市城市空间的扩展。为了更具体的分析人口因素对市区扩展的影响, 本文计算了2000—2015年各辖区的城镇人口增长幅度, 由大到小依次是晋源区(2.56)、小店区(2.07)、尖草坪区(1.12)、万柏林区(0.92)、迎泽区(0.42)、杏花岭区(0.37), 可见晋源区和小店区的城镇人口增长幅度较大, 说明城镇人口的增长在一定程度上会促进一个地区的城市扩展。

4.2 自然环境因素

关于城市扩展多尺度驱动机制的研究, 黄庆旭等认为一个地区的自然条件因素在微观尺度上会影响城市的扩展, 坡度、海拔等决定着土地的生物物理状况, 并得出影响城市扩展最明显的因子是坡度和高程的结论^[17]。

4.2.1 坡度因素

在分析坡度因素对城市扩展的影响时, 根据“0-2-6-15-25-65”等级对坡度图进行重分类分级, 利用栅格分区统计工具得到不同等级坡度下的城市空间扩展面积(如表 2)。在整个研究期间内, 太原市城市扩展面积主要集中在0~25度低坡度之间, 大部分集中在0~2度与2~6度之间, 二者的扩展面积累积占比在前后期均达80%以上, 在2~6度之间, 两期占比均在50%以上, 其次是在0~2度之间, 占比均在30%以上, 表明太原市的城市用地范围主要向低坡度区域扩展。

4.2.2 海拔因素

参考相关海拔分级^[18-19], 结合太原市海拔实际情况, 根据“680-800-1 000-1 500-2 000”等级对DEM数据进行重分类分级, 通过栅格分区统计工具得到不同等级海拔高度下的城区扩展面积(如表 3)。可见在整个研究期间内太原市的城市扩展面积均集中在海拔680~1 500m之间, 其中2000—2007年间城市扩展面积主要集中在800~1 000m之间, 其次是680~800m之间, 表明在此期间城市用地主要向较高海拔区域扩展, 在2008—2015年间扩展面积主要集中在680~800m之间, 其次是800~1 000m之间, 说明在此期间城市用地主要向较低海拔区域扩展。

4.3 规划政策导向因素

城市发展的方向受到相关城市规划的制约^[20]。2002年12月3日, 山西省首条城际公交线路901路开通, 由太原火车站开往榆次老城, 自此同城化建设进入实质性操作阶段。2011年4月, 山西高校新区开始建设, 2012年, 国务院正式批准《山西省国家资源型经济转型综合配套改革试验总体方案》, 并将太原晋中同城化列为城乡统筹发展重点, 即太榆同城化, 是指山西省太原市与晋中市榆次区的城市一体化进程, 是山西省在中部崛起背景下提出的构建太原经济圈的重要组成部分。通过太榆同城化, 太原市与榆次区在各方面联系将越来越密切, 更加强了它们之间的交通联系, 诸如城际公交的开通、轨道交通的开通以及太榆路的建设等, 也推动了山西科技创新城与太原高校新校区的建设与发展, 从而促进了太原市建成区向东南方向发展。

5 结论

通过对2000年、2007年、2015年三期太原市遥感影像城市边界的提取, 引入城市扩张强度与紧凑度指标, 通过指标分析、等扇形与空间重心轨迹转移等方法探究城市空间扩展特征; 同时结合太原市DEM图件、各辖区GDP与人口数据及相关政策进行城市扩展驱动因素研究, 得到如下结论:

1) 在空间扩展特征方面:从指标分析上看, 2000—2007年间太原市城市扩张强度较2008—2015年大; 紧凑度指标先减小后增加的趋势表明前期扩展特点是以城市用地范围的外延式扩展为主, 后期则以城市空间内部填充为主。从扩展方向上看, 前期城市空间趋于东南方向扩展, 重心转移536.36m, 后期则偏于向南方扩展, 重心转移676.75m;从行政区域上看, 各辖区城市化发展较快的依次是小店区、迎泽区与晋源区。

2) 在扩展驱动因素方面:从社会经济因素上看, GDP的增长与城镇人口的增加促进城市空间扩展; 从自然环境因素上看, 太原市城市的扩展面积主要分布在0~6度低坡度与680~1 000m低海拔区域; 从政策导向因素上看, 城市规划政策调整也会影响一个城市的空间扩展方向。