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论文在线分享-广西典型城市用地空间扩张与驱动因子分析--以贵港

2021-05-13 12:43:53

  本文以贵港市市辖区为研究区域,基于贵港市四个时相的影像,采用最大似然法提取建设用地等地类信息,然后利用ArcGIS等软件对数据进行分析统计,并计算相应的评价指标;同时研究建设用地面积的空间扩张与不同区域、方向以及海拔高度之间的关系。研究得出结论:(1)贵港市在不同方向上城市用地扩展面积有较大不同,多集中在低海拔地区,而且城市扩张方向主要向正东、东南、正西方向扩展;(2)贵港市1990-2010的城市用地扩张多集中在城市市中心周围,在2010-2019年则逐渐向城郊周围发展;(3)贵港市城市用地的扩张面积与距市中心的距离有关。

  城市作为人口和经济高度集中的载体,城市用地的空间扩张是一个城市发展的必然,也是衡量城市化程度的重要指标之一,城市的扩张往往通过占据周边其他用地来实现[1]。无限制的城市扩张会给城市的发展带来许多负面影响,例如城市发展不合理规划带来的土地资源浪费、城市生态环境的恶化。城市用地的空间扩张一直是研究的热点,在我国,大多数学者对于这个问题的研究多集中于大型城市或者沿海城市,或是以一个整体的地区来进行研究,对于西部的一些中小城市的研究较少。近20年来,中小城市不断加快城镇化和工业化的进程,人们对于城市建设用地的需求增大,使得城市用地的扩张与保护耕地、生态环境之间的矛盾日益紧张,所以,对于一些中小城市开展城市建成区的动态监测,能够更加科学、有效的对土地资源进行开发利用。

  随着RS和GIS技术的快速发展,为城市建成区的空间扩张提供了强有力的技术保障。本文以贵港市为研究区域,利用RS技术分别提取1990年、2000年、2010年及2019年四个时相的建设用地面积,同时利用GIS工具统计计算1990-2000年、2000-2010年、2010-2019年三个时段的扩张速度以及扩展强度指数,对贵港市的空间扩展进行多角度的分析,旨在为贵港市的城市发展提供借鉴。

  1.2国内外研究现状

  1.2.1国外研究现状

  国外学者对于城市扩张的研究较早。19世纪初,由于工业革命,使得城市建设用地急剧增加,城市开始快速扩张。在19世纪,国外学者提出了许多著名的理论,如:同心圆模式、扇形模式以及多核心理论。RS技术的快速发展,国外的一些学者开始利用遥感技术对城市扩张进行动态监测,并运用相应的理论和模型对城市扩张的过程、影响因素进行分析。

  1.2.2国内研究现状

  国内对于城市扩张的研究起步较晚,但发展速度较快。对城市空间形态的研究,朱锡金总结出了8种类型;武进则将其分为两大类。GIS和RS的发展,运用这两个技术对城市扩张进行研究成为了热潮,研究的主要内容有扩张速度、强度等的定量分析,如刘盛和等基于北京市遥感影像,利用RS对其进行了定量分析[2];李晓文等缓冲区法对研究区域进行空间特征分析,并指出扩张过程受距离中心远近的影响[3]。

  国内学者对于城市扩张的驱动分析主要归结为两大类,一类是自然地理环境另一类是社会经济因素[4]。但是国内学者对于驱动力的分析会由于研究区域的不同而有差别,如王萌以计量分析的方法,对长三角地区的驱动因素进行研究,得出人均国民生产总值、第三产业比重以及外商投资是重要驱动因素[5]。陈可欣对嘉兴市不同时期的建成区进行城市扩张的时空特征,指出经济、产业结构以及人口变化是主要的驱动力[6]。

  1.3研究内容与方法

  1.3.1研究的主要内容

  本文以贵港市四个时相的遥感影像为数据源,选取贵港市的市辖区为研究区域,利用软件对四期遥感影像进行几何校正、图像裁剪等处理后,再运用ENVI5.3软件中的最大似然的监督分类方法对贵港市市辖区的四期遥感影像进行分类,分类完成后,在ArcGIS里面进行空间统计分析,提取贵港市辖区的城市建设用地面积,并绘制成图,即贵港市建设用地分布图。计算扩张强度指数、扩张速度和扩张面积等指标,对贵港市进行城市时间特征分析;同时引用象限方位分析、缓冲区分析以及地形分析分别对其扩张的具体空间方向以及与海拔高度之间的关系进行分析研究。最后结合社会经济等统计数据,对贵港市城市用地扩张进行驱动力分析,以期为贵港市的城市规划和可持续发展提供借鉴。

  1.3.2研究方法

  1.3.2.1监督分类

  监督分类,是指通过选取多个不同类别的训练区,依据训练区的特征参数,建立判别函数对影像进行分类的技术[7]。本文选用监督分类中的最大似然法进行土地利用分类。最大似然法是通过比较每个像元与训练区的相似度,然后将相似度最大的自动归为一类。监督分类的优点是我们可以根据自己的研究目的,主动选取一定的分类类别,但是在训练样本的选择上主观因素较强。

  1.3.2.2缓冲区分析与象限方位分析

  在城市用地扩张研究中运用缓冲区分析法,可以定量描述城市用地的扩展过程以及空间特征,还有研究距离影响因素。本文中运用的缓冲区分析,即通过围绕城市重心根据一定距离建立缓冲区,计算相应的度量指标,并以此分析四个时期城市用地扩张的空间特征。

  衡量城市化的重要指标有多个,城市的空间区域是其中一个重要指标[8],城市发展的方向被城市用地扩张的方向影响着[9]。为了更好的了解贵港市城市空间扩张的变化特征,本文将通过对四期建设用地分布图进行象限方位分析,了解四个时期城市扩张在不同方向上的扩张变化,从而反映城市用地扩张的空间特征。

  2.研究区概况与数据处理

  2.1研究区概况

  贵港市在109°11′E~110°39′E,22°39′N~24°2′N之间,位于广西的东南部。贵港市的名称曾多次发生变化,唐朝时称为贵州;明时改称贵县;直到1988年,才从贵县变成贵港市;在1996年贵港市升级,改为地级市,从玉林地区中脱离出来,管理港北区、港南区、覃塘区三个区和一个平南县, 黄管桂平市。本文研究区域为港北区、港南区以及覃塘区三个区所组成的市辖区。

  贵港市地理区位优越,与西南、华南以及北部湾经济圈联系紧密;是西江河段的核心城市。贵港市还是一个内河港口城市,由于西江水道贯穿全境,境内航运发达,一年四季均可通航2000吨级的船舶。拥有广西机械化程度最高的内河港口—贵港港,大西南的货物可以通过这个方式东向出海,这是最便捷的通道。

  贵港市地处浔郁冲积平原,地势平坦;北回归线横穿全境,光热充足,水资源丰富,非常适合农业的发展。贵港市拥有多个广西重要的生产基地,如商品粮、林果等生产基地,拥有9个广西特色农业示范区,例如港北区富硒稻产业示范区。同时,贵港市的工业和旅游业也在快速发展,2017年,贵港市的GDP为1169.88亿元,第二产业、第三产业占GDP的比重分别为42.2%、40.8%。

  2.2数据源及处理

  2.2.1数据来源

  本文选用的遥感数据均来源于地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn),选取1990年、2000年、2010年的TM影像,以及2019年的OLI影像作为基础数据。具体遥感参数如表1-1,选取的均为该研究区域内的云量低于10%的影像数据,保证了图像质量。其它辅助数据有贵港市行政区划图、贵港市高程数据、广西统计年鉴(2000~2018)、《贵港市土地利用总体规划(2006-2020)》等。

  表1-1 Landsat数据及其特征

  传感器成像时间轨道号分辨率/m

  TM 1990 125/44 30

  TM 2000 125/44 30

  TM 2010 125/44 30

  OLI 2019 125/44 30/15

  2.2.2数据处理

  2.2.2.1数据预处理

  选取贵港市的市辖区为研究对象,先分别对贵港市的四期遥感影像进行辐射定标和大气校正,然后以贵港市行政区划图为参考,选取若30个地面控制点,利用ENVI5.3软件对四期遥感数据进行几何校正。我们需要的研究区范围小于遥感影像的范围,所以要进行影像的区域裁剪,利用贵港市的矢量边界图,在ArcGIS里,用掩膜提取的方式进行裁剪,就可得出研究区域的范围。然后进行影像的波段组合,波段组合需要选择合适的波段,使得能够将目标地物与其它地物区别开[10],本文选取7、5、3波段的组合对贵港市进行土地利用分类,这几个组合波段的建设用地更好识别。

  2.2.2.2数据提取

  数据预处理完之后,建立分类体系,根据研究目的,本文将贵港市市辖区的土地利用类型划分为5种类型,然后运用最大似然法进行土地分类,在ENVI5.3中,利用ROI功能,选取10以上各个类型的区域样本,选择最大似然法进行分类。分类完成后,需要进行分类精度的评价,来检验我们分类的结果是否良好。Montserud和Leamans证明Kappa大于0.75,就表示这个分类是成功的[9]。本文中四个时期的kappa系数均大于0.8,说明这四个时期的分类成功。

  2.3主要评价指标

  2.3.1扩张面积

  扩张面积是指在研究时期内城市建成区的面积变化,它是城市扩张最直观的表现,公式为:

  (2-1)

  公式中为城市建成区的面积变化量,、分别为研究区在监测时段结束时与初始时的建成区面积。

  2.3.2扩张速度

  扩张速度通常是用来衡量城市扩张的数量变化,它是指某空间单元在研究时期内建成区的年平均扩展面积[3]。本文将利用它来衡量贵港市城市建成区扩张速度的快慢。其计算公式为:

  (2-2)

  公式中的V 黄表城市年扩张速度,T为研究的时间长度,一般设定为年。

  2.3.3扩张强度

  扩展强度指数是指在研究区内的某种土地利用类型的变化面积与其土地利用的总面积的百分比,主要用于比较不同时期城市扩张面积变化的快慢与强弱程度[10],其数值越大,表明扩张速度越快,公式为:

  (2-3)

  上述公式中UI、A分别表示城市扩展强度指数、研究区土地总面积。

  3.研究结果与分析

  3.1 1990年-2019年贵港市城市用地扩展总体状况

  通过数据处理中的步骤操作,得到下面图3.1.

  图3-1贵港市1990年、2000年、2010年以及2019年的建设用地分布示意图

  从图上我们可以看出,贵港市的建设用地在不断的增加,这四个时期的建设用地面积分别为43.97km2、53.82km2、66.08km2、92.66km2。通过运用上面的公式进行了相应的运算,我们得到了一些指标的数值,如下图表所示。

  表3-1贵港市城市建设用地扩张速度、扩张强度类型表

  时期扩张面积/km2扩张速度(km2/年)扩展强度指数(km2/年)

  1990-2000年9.85 0.985 0.31

  2000-2010年12.26 1.226 0.39

  2010-2019年26.58 2.658 0.84

  图3-2贵港市各个时期建设用地扩张速度图

  图3-3贵港市各个时期城市用地扩展强度图

  通过表3.1和图3.2可以看出,贵港市城市用地的扩张速度呈增大的趋势,1990-2000年、2000-2010年这两个时期的增长速度较慢,1990年-2000年贵港市的第一产业的比重大,工业基础薄弱,社会经济发展缓慢;2000-2010年,相对上个时期有了一定的发展,这个时期的工业开始逐渐发展,第二产业的比重逐渐增大,经济有所增长;最后一个时期的扩张速度相对前面的两个时段来说很快,这是由于工业有了较好的基础,产业不断集聚,形成相应的工业园区,以及不断招商引进企业,使得就业机会增多,人口不断涌入城市,对于城市用地的需求增加,扩张速度加快。通过表3.1和图3.3可以看出,贵港市城市用地的扩张强度呈递增趋势,2011-2019年的扩张强度分别是1990-2000年的2.7倍和2001-2010年的2.1倍。总的来说,1990-2010年城市用地的扩展速度相对较慢,2011-2019年的扩展速度快,扩展速度和扩展强度均较大。

  3.3城市用地象限方位分析

  首先,在GIS的支持下,以1990年贵港市市辖区的重心坐标为圆心,以这个为圆心画一个圆,并将研究区域划分为16个象限,在对同一个方向上的象限进行两两合并,最后得到8个象限,再对它们进行方向的标注。之后,将建立的八方向图与四个时期的城市用地分布图进行叠加分析,并通过计算得出各个时期在八个方向的城市扩张面积。如下图表所示。

  表3-2贵港市城市用地在八个象限内的扩张面积表

  方向1990-2000年扩张面积/km2 2000-2010年扩张面积/km2 2010-2019年扩张面积/km2

  正北0.25 0.78 2.06

  东北1.41 2.48 2.46

  正东3.07 1.75 4.54

  东南1.92 1.55 4.24

  正南0.77 0.84 2.6

  西南0.21 0.43 1.41

  正西1.44 2.64 4.64

  西北2.92 1.78 3.64

  图3-4贵港市各时期在不同象限内的扩张面积雷达图

  从表3.2和图3.4可以看出:在1990-2000年期间,正东、西北、东南三个方向是城市扩张的主要方向,正东方向扩张了3.07km2,是面积扩展最大的方向,面积扩展最小的是西南方向,仅扩张了0.21km2;2001-2010年在八个方向均有所扩张,与前一个时期相比,它在正东、西北、东南方向分别扩张了1.75km2、1.78km2、1.55km2,但这个时期面积扩展最小的仍是西南方向,以及这个时期的主要扩张方向为东北和正西方向;在2011-2019的时段内,贵港市各个方向较前面两个时期均有较大的扩张,扩张方向仍然集中在正东、东北、西北、正西、东南这五个方向,但正东、东南和正西这三个方向的扩张面积较大,分别占到城市总扩张面积的17%、16%、17%。总体来说,贵港市主要向正东、正西、东南方向扩展,这三个方向上的交通便利,河流与铁路从这几个方向穿过,河流和铁路周围分布着一些工业园区,例如正东方向分布着热电循环经济产业园区,东南方向分布江南工业园区,正西方向则是一些工业集中区,像黄练工业以及甘化工业集中区;往正东、东南方向发展,有利于加强与桂平市和平南县的工业区的联系。

  3.4城市用地缓冲区分析

  首先,在ArcGIS的支持下,以1990年贵港市市辖区的重心坐标为圆点,使用缓冲区功能建立起15个2km的缓冲区,之后,将其与四期建设用地分布图进行叠加分析,计算得出城市建设用地在不同缓冲区的扩张面积,并将数据导入excel里面制作相应的图表进行分析。

  表3-2贵港市城市用地各缓冲区扩张数量表

  距离/㎞1990-2000年(km2)2001-2010年(km2)2011-2019年(km2)

  2 0.9 1.49 1.29

  4 2.17 3 5.3

  6 1.48 1.63 4.82

  8 0.85 0.68 2.6

  10 0.62 0.53 1.63

  12 0.63 0.81 2.95

  14 0.47 0.45 1.81

  16 0.35 0.15 0.69

  18 0.61 0.63 0.57

  20 0.18 0.19 0.75

  22 0.4 0.75 1.36

  24 0.47 1.14 0.92

  26 0.25 0.5 1.16

  28 0.14 0.11 0.34

  30 0.02 0 0.01

  图3-5贵港市城市用地各时期在缓冲区内的扩张量

  图3-5贵港市城市用地各时段在缓冲区内的扩张量

  由以上图表可以看出,三个时期的扩张量的最大峰值分别为2.17km2、3km2、5.3km2,均分布在距离城市重心的4㎞处,离市中心的距离较近,在距离城市重心30㎞处时,城市用地的扩张量降至0㎞2。这三个时期的城市扩张主要集中在城市中心的周围,由于工业基础薄弱,1990-2000年的城市扩张是围绕着贵糖产业园区、贵县钢铁厂以及贵港港向周围进行扩张;2000-2010年,根据《贵港市国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》,将要在中心城区创建国家生态工业(制糖)示范园区,也就是说,城市用地的扩张仍在中心城区,还处于不断完善中心城区基础设施建设的阶段;但在距离城市重心24㎞处,有了一个次高峰,一些工业集中区在这里集聚,使得这里的城市用地面积增大;2010-2019年,城市扩张仍是集中在中心城区周围,在距离城市重心12㎞处有一次高峰,这里规划整合提升了贵港市产业园区,工业在这里集聚,用地增加;在22㎞以及26㎞处仍有较大的扩张量,这是由于贵港市积极引导工业园区化,这里整合了两大工业区,分别是。贵港国家生态工业示范园区和覃塘区产业园。

  3.5城市城镇用地空间扩展与地形的关系分析

  图3-5贵港市1990年、2000年、2010年、2019年城市用地各高程面积变化图

  由于贵港市地处广西最大的冲积平原-浔郁平原,整体海拔相对较低。由图3.5可知,贵港市市辖区的海拔高度最高为1140m,海拔300~1140m的区域主要位于贵港市的西北、东北方向;最低为31m,海拔31~100m的范围最大。从1990年到2019年,贵港市市辖区的建设用地主要集中在海拔31~100m的范围;1990年、2000年、2010年以及2019年在海拔31~100m的城市建设用地占总城市用地的比例分别为91.4%、92.2%、92.0%、91.9%,占比都很高;海拔100m以上的地区城市用地面积很小,占比不到10%。总体来说,贵港市的城市开发主要集中在海拔31~100m的区域,是以西江为轴,向西江流域的两边进行扩张,不断填充其空白区域;对于海拔100m以上的地区开发程度低,而且在这个区域的建设用地的分布很分散。

  4.城市用地空间扩张驱动力分析

  4.1人口因素

  城市化就是人口不断向城市集聚的过程,城市人口是城市扩张的重要驱动力[12]。人类的生产、生活离不开土地,随着经济的发展,城市里涌入大量的人口,对土地的需求量也在增加,从而导致城市用地的不断扩展。从图4.1中我们可以看到贵港市市辖区非农业人口在波动中上升的;2001年到2009年的非农业人口的增长很平稳,2014年到2015年非农业人口快速增长,人口增长了1.84倍,2018年的非农业人口与2001年的相比,增长了2.5倍。由此可见,城市人口是驱动城市扩张的因素之一。

  图4-1研究区非农业人口(2001-2018年)

  4.2经济因素

  社会经济一直是城市扩展的重要驱动力,社会经济的快速发展,在一定程度上从数量和方向上影响着城市的扩张。从图4-2可以看出,2000年内贵港市生产总值仅有120.81亿元,而到2018年增至1169.88亿元,增长了近10倍,经济发展快速。从图中可以看出,第一产业的比值总体呈下降趋势,在2000-2010年快速下降,在2010-2018年缓慢下降;第二产业的比值在2002-2010年内快速增长,2010年之后,第二产业的比重虽然有所下降,但是仍然比重较大,比重下降是在进行产业结构布局的调整,由传统工业逐步转向高新技术产业。2010年以前,贵港市工业的主导产业为食品、木竹材加工、家具制造与建材等传统工业为主,高新技术产业较少,近年来,贵港市为了推动工业高质量发展,强力引进了一批新能源汽车产业、电子信息技术等产业,推动工业的发展。第三产业2000年到2018年一直在35%到45%之间上下波动,占据着较大的比重。贵港市的港口运输业依托贵港港,发展较快,2018年港口货物吞吐量增长了10.8%;集装箱吞吐量增长了35.1%,达到了30万标箱;贵港市积极利用自身的历史文化以及宗教文化,积极发展旅游业;2018年,旅游人数增长了30.6%,国内旅游消费增长了35.9%,达到了319.62亿元,贵港市的旅游业近年来有了较大的发展,

  图4-2贵港市GDP及三个产业比值示意图

  4.3交通因素

  社会产业的生存与发展依赖于城市交通,城市交通越便利,城市发展越快,城市交通在一定程度上影响着城市的扩张。贵港市的交通发展较快,是集铁路、公路以及水路运输为一体的交通体系。贵港市的城市交通网络正在逐步完善,一方面是通过对城市交通网络的改造,比如实施中心城区至覃塘一级路、江南大道等一批项目,以此改善城市的交通状况;另一方面,加强与外部的交通网络建设,例如南广高铁、桂平至来宾高速公路、梧贵高速公路(贵港段)的通车,贵港至合浦、梧州至柳州高速公路(贵港段)开工建设,这些建设使得贵港的陆路交通体系更加完善,与其它省市的交流更加便利,有利于贵港市社会经济的发展。贵港市水路交通发达,一年四季均可通航;近年来不断加大对交通、港口以及基础设施的建设,今后的水路交通将会更加完备。贵港市交通便利的条件,将会吸引更多的投资,对于城市的发展有一定的促进作用。

  4.4其它因素

  除了上述因素外,政策对于贵港市城市用地的空间扩张具有非常重要的导向作用。在之前的象限方位分析中,城市建设用地主要向正东、东南以及正西方向上发展,在《贵港市城市总体规划(2008-2030)》中,贵港市中心城区的空间发展方向是积极向西、培育东部,这与政策里面的要求是符合的。贵港市近年来在不断推动工业的高质量发展,依据《贵港工业高质量发展实施方案(2018-2020年)》,贵港市将实施产业集群行动,主要将新能源汽车、电动车,农林产品加工、电子信息制造以及服装制造产业进行集群,将打造多个工业园区,来推动工业的高质量发展,工业的发展使得对土地的需求增大,从而影响着城市的扩张。