罗刚++王成++孟从伍++李进品
摘 要：該文以不同时相的遥感影像数据作为主要的数据源，采用监督分类和人工目视解译相结合的方法，提取北碚区城市建成区范围，并运用GIS空间分析方法和数理统计方法，分析北碚区2004—2014年城市建成区变化的数量特征和空间特征。结果表明：在2004—2014年10年间，北碚区城市建成区面积增加了91.2%，2004—2007年扩展2.85 km2，年均增长0.95 km2，扩展速度较快；2007—2010年扩展了1.57 km2，年平均增长0.52 km2，扩展速度缓慢；2010—2014年扩展了3.85 km2，年均增长1.28 km2，增长速度较快。北碚区城市扩展受到缙云山脉和中梁山脉的阻隔，城市扩展沿着缙云山脉和中梁山脉中间的槽谷地带分别向歇马镇、东阳镇方向扩展。通过对北碚区城市扩展驱动力研究表明：地形因素对北碚区城市扩展方向及形态起着限制性作用，经济发展和城市人口的增长是北碚区城市扩展的主要动力，交通基础设施建设、固定资产投资以及政策等因素也对北碚区城市扩展起着一定的影响。通过建立多元线性回归模型，对北碚区2020年城市建成区面积进行预测表明：北碚区2020年城市建成区面积将达到23.08 km2。
关键词：城市扩展 驱动力 RS和GIS 北碚区
中图分类号：S15 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）08（c）-0057-09
A Research and Forecast On Urban Expansion Law in Beibei based On Remote Sense and Geographical Information System
Luo Gang Wang Cheng Meng Congwu Li Jinpin
（School of Geographical Sciences， Southwest University， Chongqing， 400715， China）
Abstract：This paper used different times of remote sensing images as data source， applied the method of supervised classification combined with artificial vision imagery understanding， to extract the urban built-up area， and adopted GIS spatial analysis and statistical methods to analysis the quantity feature and spatial feature of changes in the built-up area of Beibei. Results show that： during the 10 years from 2004 to 2014， the urban built-up area of Beibei increased 91.2%， during the period from 2004 to 2007， the urban built-up area of Beibei expanded 2.85 km2， average annual growth of 0.95 km2， the speed of expansion is relatively fast； during the period from 2007 to 2010， the urban built-up area of Beibei expanded 1.57 km2， average annual growth of 0.52 km2， the speed of expansion is relatively slow； during the period from 2010 to 2014， the urban built-up area of Beibei expanded 3.85 km2， average annual growth of 1.28 km2， the speed of expansion is relatively fast. The urban expansion of Beibei is cut off by JinYun Mountain and ZhongLiang Mountain. The urban built-up area expands along the valley between JinYun Mountain and ZhongLiang Mountain to the direction of XieMa town and DongYang town. Through the research on the driving forces of urban expansion in Beibei show that： terrain plays a limited role on the propagation of the built-up area， population growth and society economic growth are the main driver of extension， the traffic infrastructure construction， fixed assets investment and policy also play a certain influence on the urban expansion. By establishing a multiple linear regression model， the urban built-up area of Beibei in 2020 was predicted， which showed that the urban built-up area of Beibei District in 2020 will reach 23.08 km2.
Key Words：Urban expansion； Driving force； S and S； Beibei District
城市是人类文明的集中地，是人类生活的重要场所之一，也是地表各类物质、信息、能量等交换的场所。城市化过程是指由于社会生产力的发展而引起的城市空间增长，城市规模扩大，农村人口向城市集中的过程[1]。改革开放至今，我国城镇化水平不断提高，从1978年的19.7%提高到2014年的54.77%，增长十分显著。据研究表明，从1952年至1997年，我国所有城市的建成区面积都增长10%以上，部分城市达到50%，城市的发展呈现出平面扩展势态[2]。20世纪90年代以来，我国城市建设用地的速度以年4%的增长率快速扩展，远远高于世界平均水平1.2%[3]。近年來，国内外众多学者对城市扩展模式和驱动力进行了大量的研究[6-10]，加拿大学者Pierce在1981年对加拿大境内的城镇扩展现象进行研究，他认为城市扩展的动力包括城市人口的增长、该地区的经济发展水平、城市所在地区域、城市周围农田的肥沃程度等[11]。国内学者刘盛和对西方学者在城市扩展驱动力研究上的成果进行了全面总结，他认为城市扩展的动力机制总体上可以分为以下几大类：动力因素、“自然”机制、社会价值机制、市场机制、政治权力机制[12]。顾朝林等则从系统动力学的角度研究城市扩展驱动力，他认为城市土地利用是城市内部与外部社会、政治、经济、技术等多种因素作用的结果[13]。目前对城市扩展驱动力研究多为定性分析，对城市扩展驱动力的定量分析不足，该研究将采取定性与定量相结合的方式对城市扩展驱动力进行研究。
1 研究区概况
北碚区位于东经106°18′14″至106°56′53″、北纬29°30′41″至30°11′21″，幅员面积754.21 km2，东接渝北区，南连沙坪坝区，西界璧山区，北邻合川区，如图1所示。北碚区属亚热带季风湿润气候，雨量充沛，有春早、夏热、秋短、冬迟特征。最高气温44.3 ℃。最低气温-3.1 ℃，年平均气温18.2 ℃。重庆市北碚区，以浓郁的文化氛围、著名的风景名胜、雄厚的科技实力、秀丽的花园而被称为“重庆的后花园”，是重庆市重要的风景旅游区和智力型清洁工业基地。1997年，北碚区被命名为国家级社会发展综合实验区和重庆市第一个山水园林城区，它还是国家卫生区、国家环境保护模范城区，并于2006年获联合国迪拜最佳人居范例奖。
2 数据源与研究方法
2.1 数据获取
由于此研究的重点是获取城市扩展的总体特征，因此对遥感影像的精度要求较低，只需要30 m及其以上空间分辨率的遥感影像来对研究区城市扩展进行研究。此研究选取2004年的IKONOS影像数据、2007年WorldView影像数据以及2010年和2014年Landsat TM影像数据。4期不同时相的遥感影像，具有一定的时间间隔，基本上能满足城市扩展研究数据源实时、准确的要求。对北碚区城市扩展进行驱动力分析，文章选取了北碚区地区生产总值、三大产业产值、固定资产投资、总人口、城镇人口、非农人口、地方财政收入、城镇居民人均可支配收入、城镇居民人均消费支出等社会经济基础数据。这些数据来源于北碚区统计年鉴、北碚区统计公报、重庆市统计年鉴、北碚区人民政府官网等，统计数据真实性可靠。
2.2 数据处理与分析
首先对研究区遥感影像数据进行了辐射校正、几何校正、遥感影像图像增强处理、遥感影像兴趣区裁剪等预处理。然后根据研究目的的需要，采用监督分类结合人工目视解译的方法，将研究区土地利用分为城市用地、水体、非城市用地、林地4种类型。分类后对分类结果进行分类后处理，获取了理想的分类效果。此研究主要运用GIS分析命令Clump和Eliminate完成小斑去除。结合人工目视解译，对错误分类进行修正。根据遥感影像分类结果，运用ArcGIS软件制作2004年、2007年、2010年、2014年北碚区城市范围图并运用ArcGIS空间分析功能，获取2004—2014年北碚区城市扩展图，如图2所示。
2.3 研究方法
（1）城市扩展指标选取。为了更好地对北碚区城市扩展进行分析，从而揭示北碚区城市扩展的时空规律，文章选取了以下3个指标。
①城市扩展重心。
通过对城市不同时期的重心转移研究，分析城市空间扩展规律。
城市空间重心坐标（，）：
（1）
式（1）中：，分别为第t年城市分布重心的经、纬度；为第t年第i块矢量图的图斑面积（km2）；，分别为第i块矢量图斑的几何中心的经、纬度坐标[14]。
空间重心转移距离：
（2）
式（2）中：为从t到t+1时期地理单元空间重心转移距离。
②城市扩展强度。
城市扩展强度指数是用来表示单位时间内土地面积变化的幅度，是反映城市扩张空间变化的一个指标，通过对城市扩展强度的分析可以定量地比较城市扩展的程度和速度[14]，其表达式为：
（3）
式（3）中：R为研究末期的城市扩展强度；Ua为研究初期城市用地的面积（km2）；Ub为研究末期城市用地的面积（km2）；T为时间间隔（年）。
③城市空间紧凑度。
城市外围轮廓形态的紧凑度可以反映城市空间的形态特征，它反映了土地利用受干扰的程度。形态紧凑度计算公式为[14]：
（4）
式（4）中：c为城市紧凑度；At、Pt分别为第t年城市板块的面积（km2）和周长（km）。值在0～1之间变化，其值越大，表明地物的形状紧凑性越好；反之，地物的形状紧凑性越差。
（2）提取城市扩展信息的方法。采用监督分类和人工目视解译修正相结合的方法。运用ERDAS IMAGINE 9.2软件确定遥感影像分类模板，然后进行监督分类。根据研究区地形图、土地利用现状图，人工目视判读对分类结果进行修正，提高分类精度。
（3）GIS空间分析法。此研究运用ArcGIS空间分析功能，对各研究年份的城区范围进行叠加分析，获取研究区城区在不同时期的变化范围以及城市边界。
（4）线性回归分析法。此研究对城市扩展进行驱动力分析，选取了多个与城市扩展相关的社会经济指标，并运用线性回归的分析方法分析城市扩展与这些指标的相关性，从而得出结论。
3 分析与讨论
3.1 城市扩展数量特征分析
通过对遥感图像进行处理获得4个时期北碚区城市范围，通过ArcGIS对4个时期北碚区城区面积进行统计，面积数据可见表1。
3.2 城市扩展空间特征分析
3.2.1 城市扩展方向分析
由于受到缙云山脉和中梁山脉的阻隔，北碚区城市发展沿着缙云山脉和中梁山脉中间的槽谷地带分别向歇马镇、东阳镇方向扩展。其中以向西南方向的歇马镇发展为主要拓展方向，拓展速度较快；东北方向由于嘉陵江对城市扩展的切割，因此城市在东阳镇方向拓展相对缓慢。
3.2.2 城市扩展中城市重心变化分析
由北碚区2004年到2014年各个时期城市重心（见表2）分布可知，在不同时期北碚区城市扩展空间分异明显。在方向上，北碚区在各个时期城市重心均向西南方向移动。图3为城市重心变化示意图。
3.2.3 城市扩展空间紧凑度分析
通过表3可以看出，北碚区城市紧凑度随着时间变化先上升后下降。2004—2007年由于北碚区城市扩展速度较为缓慢，城市扩展以填充式扩展为主，北碚区城市空间紧凑度呈上升趋势但变化不显著，城市形态趋于紧凑。2007—2014年由于北碚区城市空间扩展速度加快，以城南新城区开发建设为主，城南新城区逐渐成为新的城市中心，并围绕新中心不断向西南方向扩展，此时段城市扩展呈多中心组团式扩展，导致空间紧凑度呈下降趋势，该时间段北碚区城市外部轮廓破碎不规则，城市形态分散，城市内部空隙较多。
3.3 城市扩展驱动力分析
3.3.1 自然地理因素
通过对北碚城区地形高程（见图4）分析可得：北碚城区位于缙云山和中梁山之间，由于受到山脉的阻隔，限制了北碚城区向西北、东南方向扩展。位于北碚城区东北方向的嘉陵江将北碚城区与东阳镇分离，限制了北碚城区向东北扩展。对北碚城区地形坡度（见图4）分析可知，西北、东南方向多山地地形，坡度较大，不利于城市建设；东北、西南坡度较小，地势平坦，利于城市建设。综上，北碚城市的方向为西南方向和东北方向，但以向西南方向扩展为主。
3.3.2 经济的快速增长
经济的快速增长是推动城市扩展的决定性因素，当经济发展较快时，就会有更多的资金用于城市建设，推动城市的快速扩展。图5反映了北碚区2004年到2014年地区生产总值、三大产业产值的历年变化情况。
利用Excel对2004—2014年北碚区生产总值与城市建成区面积进行一元線性回归分析，可以发现二者之间有很高的相关性，如图6所示。
由其线性方程可得，y为城市建成区面积，x为北碚区生产总值。经检验可得相关系数R=0.984，判定系数R2=0.9674，P=0.0000000534<0.0001，故模型在的水平上显著。由此可见北碚区城市建成区与北碚区经济增长有着显著的相关性，北碚区国民经济多年持续快速、健康发展，是推动北碚区城市扩展的主要动力。
3.3.3 城镇人口的增加
人口是推动城市用地扩展变化的内在动因。北碚区经济的快速发展，大量的人口流入北碚区。北碚区城市人口的大量增加，加大了对住房、交通等用地的需求，大量的农用地转换为建设用地，从而促进了城市扩展的速度。北碚区2004年到2014年10年时间内增加了11.15万人，非农人口增加了8.34万人，非农人口的大量增加进一步促进了北碚区城市的快速扩展。
对北碚区非农人口与建成区面积进行一元线性回归分析可得，二者之间具有良好的线性关系，其拟合方程为 y=0.7992x-13.104，复相关系数R2=0.898，线性拟合效果较优。由此可见，北碚区建成区面积与非农人口的关系密切，非农人口的增加是北碚区人口增加的重要因素，是衡量城市扩展的重要指标。
3.3.4 固定资产投资额的大幅度增加
2004年以来，由于国有单位基本建设资金的逐年增长以及其他各种资金的流入，大大促进了北碚区的城市建设，加速了北碚区城市扩展。如图7所示，北碚区固定资产投资额从2004年的37.58亿元增长到2014年的536.11亿元，大量的投资促进了北碚区城市的快速扩展。
3.3.5 城市居民物质生活水平的提高
居民生活水平的高低对城市用地扩展有重要影响[15]。随着北碚区经济的快速发展，人民的收入水平和消费水平也随之大幅度提高。从图8可知，北碚区2004年到2014年城镇居民人均可支配收入由2004的8 991元增长到2014年的28 071元，农村居民人均纯收入由2004年的3 280元增长到2014年的13 169元。收入水平的大幅度提高，人民对生活水平、住房质量、社会公共设施等提出了更高的要求，从而促进城市房地产开发。随着人民对高质量生活的不断追求，又将进一步促进北碚区城市用地的增加。
3.3.6 交通基础设施的不断完善
交通建设对城市空间扩展具有重要影响，城市作为区域和文化中心，交通实现了地区间的物质联系。因此，交通的发展促进了城市空间扩展，改变了城市外部形态，是城市空间扩展的牵动力。城市交通的建设为北碚区的发展提供了基础，起到了积极的空间引导作用[16]。2004年到2014年北碚区交通得到快速发展，截至2014年，兰海高速、绕城高速、渝广高速穿越北碚区全境。重庆市绕城高速西段起于北碚城区，与兰海高速交叉形成北碚枢纽互通。国道212线、中环快速、悦复大道等城市干道快速连通主城核心区。襄渝铁路、遂渝铁路、兰渝铁路横穿南北，重庆轨道交通6号线由北碚区通往南岸区茶园。交通路网的不断完善有力推进了北碚区城市的扩展。
3.3.7 行政因素的影响
政策以及制度因素对城市用地有着重要的影响，2007年北碚区行政中心转移到北碚新城区，对促进北碚新城区的扩展有着极为重大的意义。
3.4 城市扩展预测
由表4可知，与城市扩展相关的社会经济指标与北碚区城市建成区面积存在着显著的相关关系，因此，文章选取了地区生产总值、固定资产投资、非农人口、工业总产值产值、地方财政收入、城镇居民人均可支配收入、社会消费品零售总额等7个与城市扩展相关的社会经济指标与北碚区城市建成区面积进行了多元线性回归分析。
利用SPSS对建成区面积y与自变量x1～x7建立线性回归方程：
y=0.121x1+0.007x2+0.263x3-0.159x4-0.025x5+0.0003x6+0.014x7 （5）
经检验可知：回归方程的相关系数R为0.998，判定系数R2为0.998，F（F显著性统计量）的P值为0.001，小于显著性水平0.05，该回归方程回归效果显著。运用SPSS软件采用时间序列分析法预测北碚区2020年各项经济数据指标：其中地区生产总值将达到620.35亿元，固定资产投资将达到803.91亿元，非农人口将达到42.37万人，工业总产值将达到425.40亿元，地方财政收入将达到57.58万元，城镇居民人均可支配收入将达到40 270元，社会消费品零售总额将达到223亿元。将7个指标值带入式（5），经过计算得到北碚区2020年城市建成区面积为23.08 km2。
4 结论
文章以多时相遥感数据为数据源，运用GIS技术对北碚区城市扩展进行分析，并结合北碚区2004—2014年社会经济数据对北碚区城市扩展驱动力进行研究。主要结论归纳如下。
（1）2004年北碚城区面积为9.07 km2，2007年北碚区城区面积为11.92 km2，2010年北碚城区面积为13.49 km2，2014年北碚城区面积为17.34 km2。
（2）北碚区城市发展沿着缙云山脉和中梁山脉中间的槽谷地带分别向歇马镇、东阳镇方向扩展。其中以向西南方向的歇马镇发展为主要拓展方向，拓展速度较快，而在东阳镇方向拓展相对缓慢。
（3）北碚区2004年到2014年各个时期城市重心均向西南方向移动，北碚区城市紧凑度随着时间变化先上升后下降。
（4）通过对北碚区城市扩展驱动力研究表明：自然地理因素中的地形和河流对北碚区城市扩展的方向起限制性作用，经济的快速增长、城镇人口的增加、固定资产投资额的大幅度增加、城市居民物质生活水平的提高、交通基础设施的不断完善以及行政因素等是北碚区城市扩展的重要驱动因素，对北碚区城市扩展起着巨大的影响。
（5）通过多元线性模型计算，北碚区2020年城市建成区面积将到达23.08 km2。
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