曹睿星

（滁州學(xué)院地理信息與旅游學(xué)院, 安徽滁州 239000）

0 引言

國(guó)際上曾制定了“土地利用與土地覆被變化”這一研究計(jì)劃，并確定了兩個(gè)方向的主要研究：一方面是通過(guò)做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，從而揭示不同狀態(tài)下覆被動(dòng)態(tài)的特征與引起該變化的原因；另一個(gè)方面是建立全球或局部區(qū)域土地利用變化模型，通過(guò)建立模型的方法，揭示土地利用與驅(qū)動(dòng)力之間的相關(guān)關(guān)系，預(yù)測(cè)全球或局部區(qū)域土地利用的未來(lái)發(fā)展方向[1]。土地利用目前已經(jīng)成為全球變化研究的核心領(lǐng)域和熱點(diǎn)問(wèn)題之一[2]。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)有很多學(xué)者利用遙感和GIS技術(shù)對(duì)城市建成區(qū)提取展開(kāi)深入研究，積累了許多經(jīng)

驗(yàn)[4～5]。

建成區(qū)，指市轄區(qū)范圍內(nèi)經(jīng)過(guò)開(kāi)發(fā)利用的土地以及從實(shí)際生產(chǎn)生活建設(shè)中發(fā)展起來(lái)的非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建設(shè)用地，它包括城市密集區(qū)和與城市有著緊密的郊區(qū)，城市建設(shè)用地與城市基本和完善的設(shè)施[3]。

國(guó)內(nèi)利用遙感影像進(jìn)行城市用地規(guī)模監(jiān)測(cè)，有如下兩種方法：一種方法是將遙感圖像按照類(lèi)別分類(lèi)處理后進(jìn)行光譜分類(lèi)比較；還有一種是基于像元光譜變化直接比較的方法[4]。由于利用光譜變化檢測(cè)對(duì)于數(shù)據(jù)來(lái)源的要求比較高，很難為城市的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)獲取數(shù)據(jù)[5]。本研究采取了先分類(lèi)之后再進(jìn)行提取的方法，對(duì)遙感影像運(yùn)用多種分類(lèi)方法進(jìn)行提取比較，對(duì)比尋找最優(yōu)的方法。在GIS技條件支撐下，綜合利用了擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)、緊湊度指數(shù)等數(shù)學(xué)模型和相關(guān)回歸分析等數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分析，并結(jié)合各項(xiàng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)建成區(qū)驅(qū)動(dòng)力作出分析，因地制宜，以此促進(jìn)滁州市經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定健康發(fā)展，使城市得到合理規(guī)劃。

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，城市化進(jìn)程逐漸加快，隨著這一個(gè)大時(shí)代的發(fā)展背景，城市建成區(qū)的規(guī)模擴(kuò)大范圍日新月異。城市建成區(qū)的目的性分析通過(guò)數(shù)據(jù)分析和模型論證，可以從時(shí)間和空間上反映城市的擴(kuò)展和演變過(guò)程，從而有助于了解城市的擴(kuò)展變化情況，并預(yù)測(cè)其未來(lái)擴(kuò)展趨勢(shì)[6]。遙感和GIS技術(shù)二者相結(jié)合，既能方便獲取城市用地狀況及其變化數(shù)據(jù)，又能極大地提高管理土地資源的能力。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

1.1研究區(qū)概況

滁州市市轄區(qū)由南譙區(qū)和瑯琊區(qū)組成。南譙區(qū)位于江蘇省和安徽省的交界之處，東南方向距離南京市僅50km，西面與安徽省省會(huì)合肥的距離僅在一百公里之內(nèi)。以瑯琊山系為分界線，包圍著皖東政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心——滁州市城區(qū)，位于沿海向內(nèi)地過(guò)渡的主要區(qū)域?，樼饏^(qū)則位于滁城北部，占地面積約12.1km2的瑯琊新區(qū)，是城市空間發(fā)展中的重要組成部分。

1.2數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

基于2013，2015，2018年3期TM數(shù)字遙感影像數(shù)據(jù)，空間分辨率30m（見(jiàn)表1）。影像整體云量小于2.5，時(shí)間均為03～05月份，故成像質(zhì)量好，縱向來(lái)看研究區(qū)土地各類(lèi)信息變化情況較小，益于建成區(qū)周?chē)渌匚锖徒ǔ蓞^(qū)進(jìn)行對(duì)比分析，以便減小誤差。

2 總體技術(shù)流程

2.1技術(shù)路線簡(jiǎn)介

本文總體操作技術(shù)流程如圖1所示。對(duì)所獲取的遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、圖像融合、圖像鑲嵌等預(yù)處理，同時(shí)還運(yùn)用了安徽省行政區(qū)劃矢量圖，裁取研究區(qū)遙感影像，獲取得到研究區(qū)的影像數(shù)據(jù)。對(duì)城市擴(kuò)展強(qiáng)度與城市緊湊度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合2013～2018年滁州市市轄區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，分析建成區(qū)擴(kuò)展方向以及相關(guān)因素，預(yù)測(cè)未來(lái)的擴(kuò)展方向。

圖1 總體技術(shù)流程Figure 1.Overall technical flow

2.2建成區(qū)提取

當(dāng)今對(duì)城市建成區(qū)提取的方法中，較成熟與可行的主要有監(jiān)督、非監(jiān)督分類(lèi)、主成分分析法、歸一化裸露指數(shù)（NDBI）。NDBI是NDVI的一個(gè)擴(kuò)展應(yīng)用，它基于城市建設(shè)用地在TMS的反射率大于4波段的特點(diǎn)而創(chuàng)建。但是不能單純的認(rèn)為NDBI＞0時(shí)提取準(zhǔn)確可靠，因此需要設(shè)定一個(gè)合適的閾值。NDBI的模型為：NDBI=（TM5-TM4）/（TM5+TM4）[4]。

在本研究中，采用監(jiān)督、非監(jiān)督分類(lèi)和NDBI對(duì)建成區(qū)進(jìn)行提取。通過(guò)對(duì)提取結(jié)果與實(shí)際地物的契合程度進(jìn)行比較，選擇最準(zhǔn)確、契合程度最高的提取方法。由于遙感圖像中存在同物異譜、異物同態(tài)圖和混合像元等影響分類(lèi)精度的現(xiàn)象，光譜值統(tǒng)計(jì)的分類(lèi)方法可能會(huì)出錯(cuò)。故決定結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查的同時(shí)進(jìn)行人工目視判讀[7]。結(jié)果表明，最大似然法具有最高的分類(lèi)精度，與目標(biāo)的實(shí)際分布最為吻合。

因?yàn)樽畲笏迫环ǚ诸?lèi)的精度可以通過(guò)選擇樣本數(shù)量的提高而提高[8]，所以經(jīng)過(guò)多次分類(lèi)提高精度處理后，得到的分類(lèi)結(jié)果如圖2所示：

圖2 監(jiān)督分類(lèi)結(jié)果圖Figure 2.Supervised classification result diagram

3 滁州市市轄區(qū)城市擴(kuò)展變化分析

3.1指數(shù)分析

3.1.1擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)

城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)是指單位時(shí)間內(nèi)，一個(gè)空間單元的城市用地?cái)U(kuò)展的面積總量占土地總面積的百分比。擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)越大，表示城市擴(kuò)展速度越快。即可展現(xiàn)其時(shí)間上的擴(kuò)展特征[9～12]，公式如下：

表1 Landsat數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介T(mén)able 1.Introduction to Landsat data

其中：AGR為擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)；△An+i和△Ai分別為后一年第n+i年和第i年的城市建成區(qū)面積；n為以年為單位的時(shí)間跨度，其值越大，表示擴(kuò)展速度越快，反之則慢。

3.1.2緊湊度指數(shù)

緊湊度指數(shù)是反映城市空間形態(tài)密集程度以及空間功能的重要指標(biāo)。它衡量城市建成區(qū)的緊湊性和豐滿(mǎn)程度，以防止城市的無(wú)限蔓延，以節(jié)約土地利用為最終目標(biāo)。城市緊湊度是衡量城市發(fā)展中城市空間密集程度的尺度[13]，通過(guò)緊湊度來(lái)分析滁州城市用地的空間分布。各種物質(zhì)（工業(yè)、資本、人口、交通、城市設(shè)施等）的密度越大，緊湊度越高[14～15]，公式如下：

其中：C為緊湊度，通常在0～1之間，值越大，地物形狀分布越密集；值越小，地物形狀分布越稀疏。Ai和Pi分別為第i年城市的面積和周長(zhǎng)。

3.2結(jié)果與分析

3.2.1建成區(qū)擴(kuò)展面積和強(qiáng)度

滁州市市轄區(qū)主要建成區(qū)從2013年的82.90km2增加到2018年的192.88km2，凈增長(zhǎng)面積達(dá) 109.98km2，增加了2.33倍，平均年增長(zhǎng)18.33km2（見(jiàn)表2）。

表2 2013-2018年滁州市市轄區(qū)建成區(qū)面積統(tǒng)計(jì)Table 2.Statistics of built-up areas of Chuzhoumunicipal districts from 2013 to 2018

滁州市市轄區(qū)建成區(qū)擴(kuò)展特征（見(jiàn)表3）。

表3 年滁州市市轄區(qū)建成區(qū)擴(kuò)展特征Table 3.Expansion characteristics of built-up areas of Chuzhou City

3.2.2擴(kuò)展方向分析

對(duì)各個(gè)時(shí)期的建成區(qū)數(shù)據(jù)，進(jìn)行矢量化處理后再進(jìn)行疊加分析（見(jiàn)圖3）。藍(lán)色表示2013年滁州市市轄區(qū)的建成區(qū)分布，紅色表示2015年滁州市市轄區(qū)的建成區(qū)分布，黃色表示2018年滁州市市轄區(qū)的建成區(qū)分布；可以清晰的看出滁州市市轄區(qū)建成區(qū)的時(shí)空分布變化。從圖中可以看出滁東部分、城南部分以及烏衣部分都有建成區(qū)的擴(kuò)展。其中滁東是經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，城南則是商業(yè)中心以及政府辦公聚集地，而烏衣地區(qū)則是與南京比較近。依據(jù)滁州市十三五期間重大建設(shè)項(xiàng)目，對(duì)近期建設(shè)用地布局進(jìn)行合理優(yōu)化，快速推進(jìn)城南新區(qū)、明湖片區(qū)、瑯琊新區(qū)、高鐵原創(chuàng)科技城以及城東產(chǎn)業(yè)園區(qū)的建設(shè)步伐，提升老城區(qū)的功能和品質(zhì)，才形成了獨(dú)特的邊緣擴(kuò)展變化[16]。

圖3 空間疊加分析Figure 3.Spatial superposition analysis

如表4所示，從2013年到2018年城市的緊湊度變大，說(shuō)明了城市建成區(qū)的擴(kuò)大，反映出滁州市市轄區(qū)近年來(lái)的發(fā)展，輔證了空間疊加分析的變化結(jié)果。

4 研究區(qū)城市擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力分析

4.1人口因素

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，滁州市市轄區(qū)城區(qū)人口呈不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。根據(jù)滁州市市轄區(qū)2013-2018年的國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展公報(bào)數(shù)據(jù)顯示，滁州市市轄區(qū)常住人口從2013年的31.5萬(wàn)人，發(fā)展到2015年的33.9萬(wàn)人，再到2018年的47.1萬(wàn)人，6年增長(zhǎng)了15.6萬(wàn)人；戶(hù)籍人口從2013年的49.8萬(wàn)人，減少到2015年的49.7萬(wàn)人，再增加到2018年的51.2萬(wàn)人，6年增長(zhǎng)了1.4萬(wàn)人。

表4 2013～2018年滁州市市轄區(qū)緊湊度指數(shù)值Table 4.Compactness index of Chuzhou municipal district from 2013 to 2018

2013～2018年滁州市市轄區(qū)的GDP也是逐漸上升的。2013年滁州市市轄區(qū)的經(jīng)濟(jì)總量是543.09億元，2015年滁州市市轄區(qū)的經(jīng)濟(jì)總量是652.85億元，是2013年的1.20倍；2018年滁州市市轄區(qū)的經(jīng)濟(jì)總量是900.85億元，是2015年的1.38倍。

因?yàn)槿丝诘脑龆?，人們?duì)住房以及各類(lèi)基礎(chǔ)設(shè)施的需求也日益增加，同時(shí)也帶動(dòng)了國(guó)民生產(chǎn)總值的飛速發(fā)展。從而使城市居民用地增加，城市建成區(qū)面積增大。

對(duì)人口和GDP與建成區(qū)面積進(jìn)行相關(guān)性回歸分析，通過(guò)在Excel中擬合散點(diǎn)分布趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)之間呈現(xiàn)較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系（如圖4），相關(guān)系數(shù)分別為R2=0.98,R2=0.99,相關(guān)系數(shù)都十分接近1，說(shuō)明建成區(qū)面積與人口和GDP成正相關(guān)關(guān)系。人口的增長(zhǎng)可以推動(dòng)建成區(qū)面積的擴(kuò)大。

圖4 建成區(qū)面積和人口及GDP相關(guān)性Figure 4.Correlation between built-up area and population and GDP

4.2經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素

經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展與城市建設(shè)規(guī)模是呈現(xiàn)正相關(guān)性的。因?yàn)槿绻鞘锌傮w建設(shè)的范圍、目標(biāo)和要求，不能滿(mǎn)足當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，就會(huì)制約整個(gè)城市，甚至整個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。換句話說(shuō)，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，也會(huì)推動(dòng)城市的建設(shè)。

滁州市市轄區(qū)2013年一、二、三產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值比例分別占地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展總值的19.17%，53.09%，7.83%，到2015年3個(gè)產(chǎn)業(yè)的占比分別為16.96%，53.22%，29.82%，再到2018年3個(gè)產(chǎn)業(yè)的占比分別為12.25%，51.62%，36.13%。滁州市市轄區(qū)第一、二產(chǎn)業(yè)比值輕微呈下降趨勢(shì)，第三產(chǎn)業(yè)比值則呈迅猛上升趨勢(shì)。第二產(chǎn)業(yè)比值雖有所下降，但由于該地區(qū)經(jīng)濟(jì)總量的呈上升趨勢(shì)，第二產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)總值也呈現(xiàn)迅速增長(zhǎng)趨勢(shì)。由圖5可知，二、三產(chǎn)業(yè)與建成區(qū)面積的相關(guān)關(guān)系與生產(chǎn)總值與建成區(qū)面積的相關(guān)關(guān)系（見(jiàn)圖5）趨勢(shì)大致相同。故可得出由于二、三產(chǎn)業(yè)的迅速增長(zhǎng)，大量工業(yè)用地、服務(wù)產(chǎn)業(yè)占地面積擴(kuò)大，直接反映為城市建成區(qū)面積的擴(kuò)大。而第一產(chǎn)業(yè)的下降，則說(shuō)明城市建設(shè)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著一定的抑制作用。

圖5 滁州市市轄區(qū)2013～2018一二三產(chǎn)業(yè)與建成區(qū)面積相關(guān)關(guān)系Figure 5.Correlation between primary,secondary and tertiary industries and built-up area of Chuzhou City from 2013 to 2018

4.3交通因素

交通線路可影響城市空間的擴(kuò)展方向、速度以及城市空間結(jié)構(gòu)的建設(shè)，這與它有著高經(jīng)濟(jì)集聚性這一性質(zhì)密不可分。一方面，對(duì)外可以加速城市空間的擴(kuò)張速度；另一方面,如果交通建設(shè)滯后于經(jīng)濟(jì)發(fā)展，它將成為城市可持續(xù)發(fā)展的瓶頸[17]。滁州市市轄區(qū)屬泛長(zhǎng)江三角洲合作核心區(qū)，商貿(mào)流通暢達(dá)。該市轄區(qū)全區(qū)已形成多方向開(kāi)放式的新型流通網(wǎng)絡(luò)。交通網(wǎng)絡(luò)的完善度直接影響到一個(gè)區(qū)域在地理方位上的可進(jìn)入性，交通便利性高，意味著對(duì)外交往可能性高，無(wú)論是針對(duì)原料產(chǎn)地、生產(chǎn)制造地還是最后的消費(fèi)地而言，都可以起到促進(jìn)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)發(fā)展的作用，從而帶動(dòng)城市的建設(shè)發(fā)展。

如圖6中交通線密集處與建成區(qū)聚集區(qū)域較為吻合，可以得出交通便捷程度也是建成區(qū)發(fā)展的一個(gè)重要制約因素。滁州市市轄區(qū)深化市域鐵路交通規(guī)劃以及優(yōu)化市域高速公路布局的實(shí)施，都為滁州市市轄區(qū)建成區(qū)的擴(kuò)展起到了推動(dòng)性作用[16]。

5 結(jié)論

（1）滁州市市轄區(qū)主要建成區(qū)面積從2013年的82.90km2增加到2018年的192.88km2，凈增長(zhǎng)面積達(dá)109.98km2，增加了2.33倍，平均年增長(zhǎng)18.33km2。

（2）從空間上看，滁州市市轄區(qū)總體擴(kuò)張方向?yàn)槌鼥|方向、城南方向以及烏衣方向。這三塊主要擴(kuò)展區(qū)域都受到經(jīng)濟(jì)政治等方面的影響，其中滁東是經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，城南則是商業(yè)中心以及政府辦公聚集地，而烏衣地區(qū)則是與南京比較近。

（3）滁州市市轄區(qū)建成區(qū)的擴(kuò)展主要受人口、經(jīng)濟(jì)、交通3個(gè)因素綜合影響。其中，人口因素和經(jīng)濟(jì)因素對(duì)建成區(qū)的擴(kuò)展起到推動(dòng)性作用，而交通的不便則對(duì)建成區(qū)的擴(kuò)展起到制約作用。三個(gè)因素共同作用導(dǎo)致建成區(qū)的擴(kuò)展。夏陽(yáng)、李洋洋在《基于遙感和GIS的德州市德城區(qū)建成區(qū)擴(kuò)展變化及驅(qū)動(dòng)力分析》指出政策因素是驅(qū)動(dòng)城市發(fā)展的主導(dǎo)力量[4]。劉濤《城市用地?cái)U(kuò)張及驅(qū)動(dòng)力研究進(jìn)展》中，基于LUCC、區(qū)域統(tǒng)計(jì)和個(gè)案剖析等3個(gè)視角的研究都發(fā)現(xiàn)城市人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工業(yè)化和地方政策對(duì)城市用地?cái)U(kuò)張的核心驅(qū)動(dòng)作用，同時(shí)肯定了開(kāi)發(fā)區(qū)、交通和地理基礎(chǔ)的作用[19]。楊呂悅在《成都市城市蔓延程度與驅(qū)動(dòng)因素》指出城市蔓延驅(qū)動(dòng)因素中，房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)投資、城市道路面積與社會(huì)消費(fèi)品零售總額對(duì)建成區(qū)面積有正向影響，地區(qū)生產(chǎn)總值、固定資產(chǎn)投資與職工平均工資與建成區(qū)面積表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系[20]。國(guó)內(nèi)外還有許多學(xué)者都提出了關(guān)于建成區(qū)擴(kuò)展影響因素的分析[21～28]。主要因素還是人口、經(jīng)濟(jì)和交通因素對(duì)建成區(qū)面積的影響。