秦明星,馬建根，郭青霞

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,山西 太谷 030801；2.晉中市國土資源局榆次分局,山西 晉中 030600)

在城市化進程中，城市用地明顯地向外擴張，這種擴張不僅影響城市自身的發(fā)展，還對城市的土地利用及所處的區(qū)域經(jīng)濟、環(huán)境有著深刻的影響。許多學(xué)者從不同角度對城市擴張及影響進行了分析研究。李開宇、車前進等對城市空間擴展及空間結(jié)構(gòu)演化進行了研究[1～3]；曹銀貴、文楓等對城市土地利用變化及效益評價進行了研究[4～6]；劉云剛、叢沛桐等對快速城市化下的城市建設(shè)用地規(guī)模預(yù)測模型及方法進行了研究[7～9]。趙可、王偉武等對城市用地擴張?zhí)卣骷膀?qū)動機制進行了研究[10～14]。關(guān)于城市擴張及驅(qū)動力分析的研究，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界關(guān)注經(jīng)濟發(fā)達城市較多，如武漢、廈門、珠海等地區(qū)。采用的方法和手段多為通過遙感影像獲取數(shù)據(jù)，結(jié)合經(jīng)濟、交通等數(shù)據(jù)分析建設(shè)用地變化的驅(qū)動因素，但是土地利用有著很強的地域性，不同城市在不同時段擴張速度和驅(qū)動機制大有不同。合理分析城市擴張?zhí)卣骷膀?qū)動力對區(qū)域土地利用變化和總體規(guī)劃設(shè)計有很大的參考意義。

榆次區(qū)作為省會太原的衛(wèi)星城市，其地理位置十分優(yōu)越。近年來榆次區(qū)大幅擴張，人口急劇增加，住房要求隨之高漲，土地利用情況變化很大。為了實現(xiàn)榆次區(qū)城市發(fā)展合理調(diào)控以及未來城區(qū)土地合理利用，對其城市擴張及驅(qū)動機制進行研究有很強的現(xiàn)實性和必要性。本文采用GIS方法研究榆次區(qū)城市空間格局演變，定量分析榆次區(qū)不同時段的擴張過程、特點及成因，有利于了解榆次區(qū)發(fā)展過程和制定榆次區(qū)土地利用總體規(guī)劃，為中心城區(qū)用地布局提供重要參考理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

榆次區(qū)地處山西省中部，晉中盆地的東北邊緣，地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°34′～113°08′，北緯37°23′～37°53′。南與太谷相鄰，西與清徐相鄰，西北與太原南郊相鄰，東北與壽陽相鄰，東南與和順、榆社相鄰。境內(nèi)東南部和北部為山地，西部為平川，地勢由東向西傾斜。轄10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，310個行政村，總?cè)丝?2萬。素有“省城門戶”之稱，是山西省交通運輸?shù)闹匾獦屑~。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

結(jié)合榆次區(qū)實際擴張情況，選取1990年9月16日、2000年9月19日和2010年9月21日的TM、ETM+影像，時隔10年，可有效分析其擴張規(guī)律。由于大氣輻射、遙感平臺位置、地球自轉(zhuǎn)等一系列原因，衛(wèi)星影像存在誤差，需要對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理過程包括輻射校正和幾何校正。首先對遙感數(shù)據(jù)進行輻射校正，由于衛(wèi)星地面站提供的數(shù)據(jù)已經(jīng)進行過系統(tǒng)輻射校正，但大氣和太陽光照引起的輻射差異依然存在，所以采用ENVI軟件中FLAASH功能模塊對影像進行輻射校正處理。然后對遙感影像進行幾何精校正，具體采用的校正方法為：以1∶1萬地形圖為基準(zhǔn)，在影像上均勻選取30個明顯地物點；采用UTM投影，WGS84坐標(biāo)系，運用多項式變換進行校正。對于重采樣的算法，軟件提供3種常用的算法，最鄰近點法、雙線性內(nèi)插法和3次卷積法。3種方法中三次卷積法有很好的精度，但其亮度值改變費時且數(shù)據(jù)計算量大。雙線性內(nèi)插法計算簡單，并能有很好的亮度連續(xù)和圖像平滑作用，這里采用雙線性內(nèi)插法進行重采樣，完成幾何精校正。

1.3 建成區(qū)提取

經(jīng)幾何精校正后的TM影像，以最新的城區(qū)連片建設(shè)用地范圍進行裁剪?？紤]到城市總體是建成區(qū)擴張的，所以采用2010年底的城區(qū)連片建設(shè)用地范圍進行裁剪，得出研究范圍的影像。通過分析典型地物在不同波段上的波譜值，建立模型，找尋其最大差異，進而提取所需城市建成區(qū)專題信息。據(jù)實地調(diào)查，榆次區(qū)城區(qū)的典型地物分為5類：建設(shè)用地，包括工業(yè)企業(yè)用地和居民住宅商鋪用地；耕地，包括城區(qū)內(nèi)水澆地和居民點附近菜地；林地，包括城區(qū)內(nèi)的苗圃、居民自栽的果樹等；草地和未利用地，其中草地多為荒廢土地，可與未利用土地并為一類。在充分分析研究區(qū)典型地物的波譜值后，發(fā)現(xiàn)高植被覆蓋的耕地和已經(jīng)收割或未種植作物的耕地波譜值變化有很大差異，所以這里將此兩類耕地分開采集樣點。將榆次區(qū)城區(qū)典型地物均勻采集樣點，每種地類采集20個樣點，分析其在不同波段上的變化差異，最后將采樣地物的波譜值求平均值得到5組地物波譜值隨波段變化的地物波譜特征值。由NDBI=(T5-T4)/(T5+T4)可以清楚得出，以NDBI=0為分界線，可以將高植被覆蓋耕地和低植被覆蓋耕地區(qū)分。依此粗劣的將建成區(qū)分為兩大類：建設(shè)用地、低植被覆蓋耕地、草地與未利用地；高植被覆蓋耕地和林地。

由NDVI=(T4-T3)/(T4+T3)得出，以NDVI=0為分界線，大體也可以將有植被覆蓋區(qū)域和無植被覆蓋區(qū)域區(qū)分。就建成區(qū)來說，分為兩大類：建設(shè)用地；低植被覆蓋耕地、草地與未利用地、高植被覆蓋耕地和林地。

受土壤光譜噪音、表層植被等的影響，以NDVI=0為界限不能很好的區(qū)分有植被覆蓋區(qū)域和無植被覆蓋區(qū)域。而NDBI取值以0為界限也不能很好的區(qū)分建設(shè)用地和非建設(shè)用地，需要劃定一個合適的值作為界限進行區(qū)分。經(jīng)反復(fù)試驗，得出NDVI取值為0.15時得出的分類與實際面積與分布相似；而NDBI取值為0.18時得出的分類與實際面積與分布相似。

在ArcGIS10下對NDBI和NDVI值求合并運算，可以得到無植被覆蓋并且為建設(shè)用地的城市建成區(qū)范圍。但僅僅靠NDBI、NDVI進行分類，得到的分類后建設(shè)用地中仍會混雜低植被覆蓋的耕地和部分草地與未利用地。為了提高分類精度，更好的將城市建成區(qū)提取，在此基礎(chǔ)上采用最大似然法監(jiān)督分類，以初始感興趣區(qū)分類，然后根據(jù)NDBI和NDVI合并運算得出的城市無植被建成區(qū)圖與先前分類圖疊加運算。得出誤分、錯分的區(qū)域，然后制作誤差圖，和彩色合成后的原始影像鏈接顯示，采用人機交互的方式，記錄，修正分類錯誤區(qū)域，并以此重新補充感興趣區(qū)，以修正后的感興趣區(qū)繼續(xù)分類，得到新的分類圖。

1.4 精度檢驗

分類結(jié)果判定即為精度驗證。對于一般監(jiān)督分類，精度驗證分兩類：一類是分類圖與高精度的影像進行比對；一類是實地核查比對，計算分類后的各個地類與實際地類之間的相近關(guān)系。

精度評價是土地利用遙感分類的重要步驟。目前，衡量分類精度最常見的方法是混淆矩陣法。其主要評價指標(biāo)有生產(chǎn)者精度、用戶精度、總體精度和Kappa系數(shù)等。生產(chǎn)者精度是指某一類被正確分類的概率，對應(yīng)的誤差為漏分誤差；用戶精度是指被分為某一類中的像素被正確分類的比率，與之對應(yīng)是錯分誤差；總體精度是所有分類正確的樣本數(shù)與樣本總數(shù)的比值，反應(yīng)分類結(jié)果總的正確程度；Kappa系數(shù)是一個反映整個誤差矩陣的精度系數(shù)，其計算公式為：

式中，K為Kappa系數(shù)；r為分類矩陣的行數(shù)；Xii為第i行i列的觀察值；Xi+和X+i分別為分類誤差矩陣的總行數(shù)及總列數(shù)；N為采樣總數(shù)。

對分類結(jié)果的評價一般是以已有的分類圖或更高精度的遙感圖像為參照,而本文研究區(qū)域為城市建成區(qū)，面積較小，而且多為建設(shè)用地，所以采用土地部門的城區(qū)地籍?dāng)?shù)據(jù)，選擇1990年、2000年、2010年3期的城區(qū)地籍?dāng)?shù)據(jù)等間隔選取樣點，與分類后數(shù)據(jù)對比。經(jīng)檢驗，監(jiān)督分類的總體精度為91.4%，Kappa系數(shù)為89.6%，滿足分類精度要求。

1.5 空間分析

將通過遙感影像提取的三期城市建成區(qū)進行空間疊加分析，可得出城市建成區(qū)疊加圖。以建成區(qū)質(zhì)心為坐標(biāo)原點，建立平面直角坐標(biāo)，將整個建成區(qū)分成8個方向，以水平方向零度角為起始邊逆時針旋轉(zhuǎn)，為第一、第二、第三等共8個方向。將建成區(qū)按8個方向裁剪，計算得出各個方向不同時間段建成區(qū)擴張面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 城市建成區(qū)地類轉(zhuǎn)換特征

由不同年份城區(qū)范圍內(nèi)不同地類土地利用現(xiàn)狀(表1)可以看出，1990年至2010年榆次區(qū)城區(qū)范圍內(nèi)建設(shè)用地逐年增加，耕地、林地及草地與未利用地則逐年減少。其中， 1990～2000年建設(shè)用地增加了404.2 hm2，年增長率為1.59%，耕地減少了299.95 hm2，年減少率為2.91%，林地減少了4.85 hm2，年減少率為2.65%，草地與未利用地減少了99.39 hm2，年減少率為3.88%；2000～2010年建設(shè)用地增加了643.81 hm2，年增長率為2.19%，耕地減少了492.34 hm2，年減少率為6.73%，林地減少了7.11 hm2，年減少率為5.3%，草地與未利用地減少了144.4 hm2，年減少率為9.22%。

表1 不同年份下區(qū)范圍內(nèi)土地利用現(xiàn)狀/hm2

由圖1可見，自1990～2010年20年來，榆次區(qū)城市建成區(qū)呈現(xiàn)擴張的趨勢，且明顯擴張方向主要集中在北部。正北和西北方向面積都有大幅擴張。2000～2010年，主要是西部、北部城區(qū)擴張。1990～2010年，北部近似整體平移擴張，西部擴張巨大。其余方向沒有大的擴張變化，可認(rèn)為榆次區(qū)這20年來是某些因素導(dǎo)向造成城市建成區(qū)擴張。為了更好地說明各類用地轉(zhuǎn)移情況，對用地面積變化進行了轉(zhuǎn)移矩陣分析，結(jié)果如表2所示。由表2可見，1990～2010年，城區(qū)范圍內(nèi)建設(shè)用地共增加1048.01 hm2，而耕地減少792.29 hm2，林地減少11.96 hm2，草地與未利用地減少243.79 hm2。這20年來，城市建成區(qū)逐步擴張，主要是占用耕地，占總增加的75.6%。

圖1 榆次區(qū)1990、2000、2010年建成區(qū)疊加圖Fig.1 The overlay analysis of the land use of yuci during 1990, 2000 and 2010

2.2 城市擴張?zhí)卣?/h3>

由圖2可以得出1990～2010年不同方向擴張范圍和趨勢。具體擴張面積由表3可得，1990～2000年，第二、三、四、五方向年份段擴張面積較多，且擴張面積大小接近，說明這段時間榆次區(qū)北部擴張空間均勻，有整體平移的感覺，西部出現(xiàn)框架式擴張模式。2000～2010年，第二、五方向擴張面積變化尤為明顯。說明榆次區(qū)北部區(qū)域此段時間仍在繼續(xù)擴張，第五方向橫向拉伸擴張。進一步分析數(shù)據(jù)可得，1990～2000年，第二、三、四、五方向年均擴張面積較多；可見，1990～2000年，榆次區(qū)北部年均擴張比其他方向快，而第五方向年均擴張面積高于同期別的方向，但低于2000～2010年的擴張面積，說明第五方向面積擴張在1990～2000年已經(jīng)開始，但仍處于起始階段，并未全面擴張。2000～2010年，第二、五方向年均擴張面積較多，由此得出2000～2010年北部第二方向依然擴張，而第五方向全面擴張，且擴張速率明顯高出1990～2000年的幅度。

表2 1990至2010年城區(qū)范圍內(nèi)各個地類面積變化轉(zhuǎn)移矩陣/hm2

表3 榆次區(qū)各個方向不同時間段建成區(qū)擴張面積/hm2

圖2 1990、2000、2010年城區(qū)范圍建成區(qū)擴張方向示意圖Fig.2 The expansion orientation of build-up in the city area during 1990, 2000 and 2010

2.3 城市擴張驅(qū)動力分析

1990～2000年，擴張面積貢獻率較高的是第二、三、四、五方向，這個時間段，榆次區(qū)的發(fā)展為中心區(qū)域外擴，重點發(fā)展迎賓路(榆次區(qū)北部)，并通過道北街將新華街與迎賓路相連，形成一個工字型中心區(qū)。很多商家開始沿街開鋪，使得商業(yè)集中化有了明顯改善。此后隨著廣場的不斷建設(shè)，成片的住宅區(qū)在其周圍建立起來，使得工人俱樂部成為城市的娛樂休閑中心。為適應(yīng)居住區(qū)的遷移，在迎賓路北側(cè)擴建校園路，并新建逸夫小學(xué)，使得榆次一中、榆次五中、逸夫小學(xué)成為教育的集中區(qū)。而經(jīng)緯廠、晉華廠(榆次西北部)規(guī)模上升，人口密集，城市建設(shè)擴大。這個時期，榆次的建設(shè)以北部和西北部為主。2000～2010年，擴張面積貢獻率較高的是第二、三、五方向。這個時間段，榆次區(qū)北部的烏金山鎮(zhèn)成為重要建設(shè)地段。積極地構(gòu)建北部新城，加快基礎(chǔ)設(shè)施與中心城區(qū)的對接，瑞光電廠熱電聯(lián)供和智海水泥三期擴產(chǎn)項目，省禁毒基地、清泰安養(yǎng)園的建設(shè)，加快了榆次區(qū)與太原在金融、通訊等方面同城化的步伐，烏金山鎮(zhèn)成為太榆同城化的強力跳板。榆次區(qū)西部，工業(yè)園區(qū)和工業(yè)基地建立，150余家企業(yè)入駐，產(chǎn)值、稅收連年翻番，園區(qū)地段房屋大幅建設(shè)。隨后，榆次區(qū)西部張慶鄉(xiāng)北部整體搬遷，工業(yè)園區(qū)二期開發(fā)加速開展，地域直接與太原市小店區(qū)汾東新區(qū)對接。

1990～2010年，擴張面積貢獻率最高的是第二、三、五方向。第二、第三方向擴張明顯對應(yīng)“北部新城”的政策。由第二、第三方向擴張面積貢獻率最高得出榆次區(qū)北部正大力擴張，建成區(qū)面積直線上升。第五方向上擴張面積貢獻率高說明榆次區(qū)在為構(gòu)建“大太原經(jīng)濟圈”戰(zhàn)略中積極響應(yīng)和具體運作。順應(yīng)省會太原向東、向南擴張的趨勢，積極引進外資，建立工業(yè)園區(qū)，工業(yè)基地。

3 結(jié)論

隨著經(jīng)濟發(fā)展、人口集聚和城市建設(shè)速度的加快，城市建設(shè)用地擴張是必然的結(jié)果。采用多時相遙感數(shù)據(jù)、結(jié)合RS、GIS技術(shù)，對榆次區(qū)進行城市擴張動態(tài)監(jiān)測研究和驅(qū)動力分析。

1)從1990～2010年，在太原榆次“同城一體化”大趨勢的引導(dǎo)下，積極發(fā)展工業(yè)政策的推動下，榆次區(qū)城市建成區(qū)表現(xiàn)出明顯的空間分布和時間變化上的方向性。城市建成區(qū)擴張，北部和西部擴張較為明顯。擴張面積貢獻率，第二、三、五方向較高。這與榆次區(qū)優(yōu)越的地理位置和政府大力推進“同城一體化”建設(shè)有密切關(guān)系。

2)城市化過程中，建設(shè)用地占用耕地是該區(qū)域土地利用變化的主要特征。榆次區(qū)城市建成區(qū)擴張時空分析顯示，1990～2010年，建設(shè)用地增加了1048.01 hm2，年增長率達到4.1%；耕地減少了792.29 hm2，年減少率達到7.68%。

3)城市化過程中，土地利用變化受到不同因素的多種驅(qū)動力綜合作用。地理位置因素和政策因素是導(dǎo)致榆次區(qū)城市建成區(qū)擴張的主要原因。

參 考 文 獻

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