封建民，趙敏寧，李曉華

（咸陽師范學院 旅游與資源環(huán)境學院，陜西 咸陽712000）

城市是社會、經(jīng)濟、政治和文化等多因素聚合的產(chǎn)物。城市化是人地關(guān)系的焦點，是工業(yè)化、現(xiàn)代化和經(jīng)濟高速增長所無法遏制的必然。改革開放以來，我國城市化水平和城鎮(zhèn)建設(shè)取得了巨大的成就［1］。城市擴展實際上是城市中心的經(jīng)濟、社會、政治和文化等人文因素和土地利用、地貌形態(tài)等自然因素在地域上的向外推進與擴散，是城市發(fā)育成長的各種因素綜合作用的結(jié)果。目前，中國的城市化正以空前的速度進行，快速城市化重要的特征之一就是城市用地擴展時空演變加速［2］，因而城市化過程當中所引起的大規(guī)模土地利用與土地覆蓋變化（LUCC）格外引人關(guān)注［3－5］。近年來，RS和 GIS技術(shù)的應(yīng)用推動了我國城市化進程研究，國內(nèi)許多學者采用不同的數(shù)據(jù)源，對北京、上海、南京、成都、廈門、濟南等東部平原地區(qū)大城市演變過程中所表現(xiàn)的城市用地擴展形態(tài)、擴展模式、驅(qū)動機制等進行了系統(tǒng)研究。中國大城市用地擴展具有交通脈動規(guī)律、定向開發(fā)規(guī)律、經(jīng)濟集聚與擴散規(guī)律［6］；平原地區(qū)城市土地空間擴展模式主要有圈層式、輻射式、跳躍式等類型［7－9］。這些研究成果為中國城市規(guī)劃與建設(shè)走可持續(xù)發(fā)展之路奠定了理論基礎(chǔ)，但針對西部地區(qū)城市用地擴展研究依舊較少。本文擬在這些研究的基礎(chǔ)上，采用多時相、多源空間數(shù)據(jù)，借助RS和GIS技術(shù)和景觀生態(tài)學方法，對近30 a來西安市城市用地擴展模式和時空分異特征進行系統(tǒng)地分析，以期為新一輪土地利用規(guī)劃及城市用地規(guī)劃提供科學依據(jù)，為解決保護耕地總量動態(tài)平衡與生態(tài)環(huán)境建設(shè)之間的矛盾提供現(xiàn)實依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

西安，古稱長安，位于黃河中游關(guān)中盆地中部渭河平原的二級階地上，北臨渭河，南依秦嶺，是世界四大文明古都之一，地理范圍界于東經(jīng)107.40°—109.49°和北緯33.42°—34.45°之間。本文所研究的區(qū)域包括新城區(qū)、碑林區(qū)、蓮湖區(qū)、雁塔區(qū)、未央?yún)^(qū)、灞橋區(qū)及周圍一些繁華地區(qū)，研究區(qū)面積872.01 k m2，截至2011年5月12日，有常住人口846萬，其中主城區(qū)人口497.38萬，在全國大城市中排名第七。研究區(qū)屬暖溫帶半濕潤季風氣候，四季冷暖干濕分明；春季升溫迅速，干燥多風；夏季炎熱高溫，日照強烈；秋季溫和濕潤、時有陰雨；冬季寒冷干燥，雨雪偏少，年平均氣溫13.3℃，極端最高氣溫為45.2℃，極端最低氣溫－20.6℃，年均降水量604.2 mm，無霜期207 d。對農(nóng)作物生長和人民生息都極為有利。

西安是中國七大區(qū)域中心城市之一，亞洲知識創(chuàng)新中心，新歐亞大陸橋中國段和黃河流域最大的中心城市，中國大飛機制造基地。同時，西安也是中國中西部地區(qū)最大、最重要的科研、高等教育、國防科技工業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)基地，電子信息產(chǎn)業(yè)基地，航空、航天工業(yè)的核心基地，是中國科技實力最強，工業(yè)門類最齊全的特大型中心城市之一，是活力四射的內(nèi)陸新特區(qū)，中國中西部和北方內(nèi)陸地區(qū)的金融中心、交通中心，全國科技資源統(tǒng)籌試驗特區(qū)、以及關(guān)中—天水經(jīng)濟區(qū)的核心，國家賦予西安的定位是：建設(shè)現(xiàn)代化國際大都市。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理及信息提取

以西安市新城區(qū)、碑林區(qū)、蓮湖區(qū)、雁塔區(qū)、未央?yún)^(qū)、灞橋區(qū)及周圍一些繁華地區(qū)為監(jiān)測區(qū)域，以城市建成區(qū)為研究對象。以1977年4月10日、1988年8月23日、1998年10月22日、2008年11月2日Landsat MSS／T M／ET M影像和同期西安市統(tǒng)計年鑒和土地利用變更調(diào)查資料為基本數(shù)據(jù)源，影像分辨率分別為79 m、30 m和28.5 m。數(shù)據(jù)處理主要包括：在Erdas Imaging 9.3平臺中，以研究區(qū)1∶5萬地形圖為基準，進行影像的幾何精糾正，校正精度在一個像元以內(nèi)；將校正后的影像和土地利用現(xiàn)狀掃描柵格圖統(tǒng)一變換到UT M投影，坐標系以WGS-84為基準；進行圖像的增強與融合處理、研究區(qū)域裁剪，最后形成4個時相的遙感圖像。

本研究中城市用地主要指西安市（含建制鎮(zhèn)）城市建成區(qū)，及城市行政區(qū)內(nèi)實際已成片開發(fā)建設(shè)、市政公用設(shè)施和公共設(shè)施基本具備的地區(qū)［10］。城市用地擴展是指土地利用中的城市建成區(qū)的動態(tài)變化過程。城市建成區(qū)信息的獲取因數(shù)據(jù)源類型的不同而采用不同的提取方法，遙感影像主要采用監(jiān)督分類法中的最大似然法和人機交互目視解譯法［11］；土地利用現(xiàn)狀圖主要采用掃描矢量化方法［12］。城市用地擴展信息主要是在對研究區(qū)1977年、1988年、1998年和2008年圖像進行城市和建制鎮(zhèn)建成區(qū)用地識別和邊界提取基礎(chǔ)上，在Arc GIS 9.3軟件中利用空間疊加功能來提取。根據(jù)上述方法，在對研究區(qū)4個時相城市用地信息提取的基礎(chǔ)上，制作了西安市各時期城市用地分布和空間擴展圖。

2.2 城市用地擴展時序特征分析

城市用地擴展時序變化是指研究時段內(nèi)起止時相城市用地規(guī)模數(shù)量在時間維上的變化特征，一般采用擴展強度指數(shù)（UII）［13－15］來表征，其計算公式如下：

式中：UII——城市擴展強度指數(shù)；Ua，Ub——起、止時間城市用地數(shù)量；T——擴展年數(shù)；TLA——研究單元土地總面積。

按上述方法，對研究區(qū)城市用地擴展進行統(tǒng)計分析，求出其擴展面積、擴展倍數(shù)以及擴展強度指數(shù)，并用GIS空間疊加分析方法對西安市4個時相的建成區(qū)地塊分布圖進行疊置，制作擴展過程演變圖。

2.3 城市用地擴展空間特征分析

城市用地擴展空間變化特征是指研究時段內(nèi)起止時相城市用地規(guī)模在空間分布維上的變化特征，評價指標依據(jù)景觀結(jié)構(gòu)與變化評價指標選擇，主要有緊湊度（C）、分形維數(shù)（D）、重心轉(zhuǎn)移指數(shù)（重心坐標、重心轉(zhuǎn)移距離、重心轉(zhuǎn)移角度）、擴展方位指數(shù)（OP）等［16］，其計算公式見表1。

本研究中，以西安市鐘樓為中心點（108°56′32.28″E，34°15′39.5″N），將研究區(qū)劃分為8個方向進行擴展空間分異分析，利用Arc GIS軟件的空間分析功能，按上述相關(guān)公式測算4個時相城市建成區(qū)用地規(guī)模在空間上的變化特征值，并制作城市建成區(qū)空間擴展方位和擴展強度演變圖。

表1 城鎮(zhèn)用地擴展時空變化評價指標

3 結(jié)果與分析

3.1 城市用地擴展時序變化特征

城市用地擴展時序變化特征主要由各時期城市用地分布（圖1）和擴展圖（圖2）反映，具體數(shù)值見表2。從表2可以看出，西安市在20世紀70年代末城市建成區(qū)面積僅128.43 k m2，占研究區(qū)總面積的14.7%，經(jīng)過30 a的建設(shè)到2008年已擴展到441.28 k m2，占研究區(qū)總面積的50.6%，增加了近2.5倍，平均擴展速率為9.92 k m2／a，平均擴展強度指數(shù)為1.14，可以看出，近30 a來西安市城市用地擴展表現(xiàn)為快速增長的態(tài)勢。具體特征為：

圖1 1977－2008年西安市4個時相城市建成區(qū)用地分布

圖2 1977－2008年西安市城市建成區(qū)擴展情況

表2 1977－2008年西安市城市用地擴展情況

（1）擴展速率和擴展強度指數(shù)持續(xù)增長。20世紀70末到80年代末為低速增長期，這一時期的城市用地年均擴展速率雖然＞1，擴展強度指數(shù)＞0，但明顯低于整個研究時段的平均水平（多年平均擴展速率和擴展強度指數(shù)分別為9.92 k m2／a和1.13）；20 世紀90年代為穩(wěn)步增長期，年均擴展速率和擴展強度指數(shù)略低于整個研究時段的平均水平，城市用地面積達到255 k m2，比1988年增加了近50%；21世紀為快速增長期，年均擴展速率和強度指數(shù)均超過整個研究時段的平均水平，分別達到18.58 k m2／a和2.13，建成區(qū)面積達到441.28 k m2，超過了整個研究區(qū)面積的50%，比1998年增加了73%。

（2）城市用地規(guī)模擴展不斷加快。城市用地規(guī)模一般取決于人口規(guī)模和人均用地指標，只有二者的增長速度使得人均用地規(guī)模符合人均用地的國家標準時，城市用地的擴展才是較為合理的擴展［17］。城市用地擴展系數(shù)（k）（建成區(qū)面積的年均增長速度與非農(nóng)業(yè)人口的年均增長速度的比值）為衡量城市用地擴展是否合理的指標，當k＞1.12時，城市用地規(guī)模擴展過快；當k＜1.12時，城市用地規(guī)模擴展不足；當k＝1.12時，城市用地規(guī)模擴展較為合理［15］。由表2數(shù)據(jù)計算得知，西安市各時段城市用地擴展系數(shù)分別為0.9，1.77和9.28，多年平均值為2.74。1977—1988年城市用地擴展系數(shù)＜1.12，表明這一時段城市用地規(guī)模擴展不足；1988—1998，1998—2008年這兩個時段內(nèi)城市用地擴展系數(shù)均＞1.12，用地增長速度遠遠高于非農(nóng)業(yè)人口增長速度，說明其城市用地規(guī)模擴展過快，處于相對不合理狀態(tài)，特別是1998—2008年城市用地擴展系數(shù)高達9.28，為極不合理狀態(tài)，表明存在非理性圈地現(xiàn)象。

3.2 城市用地擴展空間分異特征

城市用地擴展空間分異特征值列于表3和表4。由表3—4可以看出，西安市近30 a來城市用地擴展總體空間格局變化特征是：城市用地擴展表現(xiàn)為非緊湊、不穩(wěn)定性增強、近同心圓擴展與方向分異十分明顯的特征。具體表現(xiàn)為：

表3 1977－2008年西安市城市用地擴展空間變化特征指數(shù)

表4 1977－2008年西安市城市用地空間八方位擴展情況

（1）擴展形狀向非緊湊、復雜化方向發(fā)展。城市緊湊度和分形維數(shù)是反映城市空間擴展過程中建成區(qū)形狀變化的重要指標，一般緊湊度指數(shù)越高，城市效率也就相應(yīng)高［18］，分形維數(shù)D值越大，表示空間上的鑲嵌結(jié)構(gòu)越復雜，當D＝1.50時，空間結(jié)構(gòu)最不穩(wěn)定，徐建華等［19］定義了景觀要素的穩(wěn)定性指數(shù)S＝∣1.50－D∣，S值越大，表示空間形態(tài)越穩(wěn)定。由表3可知，4個時期的緊湊度均＜1，分形維數(shù)均＜1.5，但緊湊度有逐漸減小的趨勢，二分形維數(shù)有逐漸增大的趨勢，表明城市用地擴展形態(tài)屬非緊湊型且形態(tài)趨向復雜化，穩(wěn)定性差但有逐步增強的趨勢。20世紀80年代緊湊度值由0.14下降到0.10，分形維數(shù)值1.27上升到1.43，城市形態(tài)偏離緊湊且不規(guī)則、不穩(wěn)定性程度明顯在增強，城市用地表現(xiàn)為由中心城區(qū)向外擴展；90年代緊湊度變化不明顯，分形維數(shù)值由1.43下降到1.40，規(guī)則性、穩(wěn)定性呈緩慢增強趨勢，城市用地表現(xiàn)為由中心城區(qū)向外快速組團式擴展；21世紀緊湊度值由0.10下降到0.08，分形維數(shù)值由1.40上升到1.43，城市形態(tài)偏離緊湊且不規(guī)則、不穩(wěn)定性程度明顯在增強，城市用地表現(xiàn)為中心城區(qū)和各組團城市建設(shè)用地的內(nèi)部填充與四周蔓延。總的來說，上世紀80年代以來，城市用地穩(wěn)定性指數(shù)S有減小的趨勢，這種擴展形態(tài)的轉(zhuǎn)變在一定程度上反映了西安市城市用地不規(guī)則、不穩(wěn)定性程度有增強的趨勢，城市效率有降低的趨勢，進一步表明城市擴展為快速增長型。

（2）擴展重心轉(zhuǎn)移特征。根據(jù)表3，1977—2008年西安市城市用地擴展重心總體趨勢為向正北部轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移距離達2 411.31 m，轉(zhuǎn)移角度為89.13°。其中，上世紀80年代以向北方向擴展為主，空間重心向北移動499.82 m，與正東方向的夾角為83.86°；90年代繼續(xù)向北偏西方向擴展，空間重心移動1 605.7 m，與正東方向的夾角為101.85°；21世紀初以向東北和東兩個方向擴展為主，空間重心繼續(xù)向東北方向移動466.36 m，與正東方向的夾角為47.52°。

（3）擴展方位分異特征。根據(jù)表4數(shù)據(jù)，利用GIS和其他統(tǒng)計軟件測算8個方位城市用地擴展指數(shù)，并制作不同時間段西安市城市建成區(qū)用地空間強度演變圖（圖3）。由表3可以看出，西安市城市用地在3個時段向各個空間方位均有擴展，但擴展面積和強度明顯不同：① 從擴展面積來看，20世紀70年代末至80年代正東、正西和正北方向較大，分別增加了10.35，8.68 k m2和8.23 k m2，其它方向都在3 k m2左右；80年代末至90年代正北方向最大，增加了28.59 k m2，正東、東北、西北、正西和西南方向次之，增加了7～12 k m2，而正南和東南方向增加較少，僅增加了4 k m2左右；90年代末至新世紀初正北和東北方向增加較多，分別增加了40.09 k m2和31.79 k m2，正南方向最少，僅增加了9.09 k m2，其它方向均增加了20 k m2左右；② 從擴展幅度來看，20世紀70年代末至80年代正北、正東、正西和東南方向較大，分別增加了65.53%，38.51%，36.73%和34.14%，其它方向較小，都在26%以下；80年代末至90年代正北和西北方向較大，分別增加了137.617%，72.317%和59.77%，正東、正西和正南方向較小，增幅僅為26.517%，23.887%和20.51%，其它均在30%～50%；90年代末至21世紀初東北和西南方向增加較多，分別增加了108.887%和117.28%，西北、東南和正北方向次之，增加幅度在70%以上，其它方向較小，僅45%左右；③ 從擴展強度來看，20世紀70年代末至80年代正西和正南方向較大，強度指數(shù)分別達到1.15和0.93，東北方向最小，僅為0.17；80年代末至90年代正北方向最大，強度指數(shù)為2.00，正南、西南、西北、正西和西南方向次之，均為1.0左右，而其它方向較小，均在0.5左右；90年代末至21世紀初各方向的擴展強度都在1.0以上，其中最大的是西南方向，達4.51，正東、東北和西北較小，均小于2.0，其它方向均在2.0～3.0之間。由此可見，西安市在1977—2008年這30 a間，正北方向一直保持快速擴展態(tài)勢，西南和東北方向在80年代末以來處于快速擴展態(tài)勢，東南和正東表現(xiàn)為穩(wěn)步擴展趨勢，而正南與西北一直處于低速擴展。因此，西安市城市用地擴展具有十分明顯的方位分異特征。

圖3 1977－2008年西安市不同時段建成區(qū)空間擴展強度演變

3.3 城市用地擴展模式分析

西安城區(qū)在1977—2008年30 a間，城市用地以中心城區(qū)為核心向四周呈近同心圓式擴展，但其擴展模式在各個時期呈現(xiàn)明顯的空間差異，具體來講，20世紀80年代改革開放初期城市擴展速度較慢，城市用地在各方位差異不大，表現(xiàn)為以中心城區(qū)向四周呈放射狀蔓延輻射；90年代以來，城市擴展出現(xiàn)明顯的空間分異特征，其中西部、北部和東北部呈現(xiàn)組團式擴展，西部工業(yè)區(qū)、北部經(jīng)濟開發(fā)區(qū)和東北部灞河生態(tài)區(qū)初具規(guī)模，東部和西南部為鑲嵌式擴展，表現(xiàn)為主城區(qū)與遠離主城區(qū)的工業(yè)用地間農(nóng)業(yè)用地、未利用土地和閑置土地向城市用地的轉(zhuǎn)化，其它方向依然為蔓延式擴展；21世紀初東部、東南部、南部、西南部和西部為組團式擴展，東部工業(yè)區(qū)、西南部旅游度假區(qū)、南部文教區(qū)和西南部高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)、西部工業(yè)區(qū)形成，東北部、北部和西北部為鑲嵌式擴展，表現(xiàn)為主城區(qū)與先期形成的各組團間農(nóng)業(yè)用地、未利用土地和閑置土地向城市用地的轉(zhuǎn)化，北部經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、西北部漢城遺址和東部工業(yè)區(qū)建成。

4 結(jié)論與討論

（1）通過對不同時期城市用地信息提取和空間疊加分析研究發(fā)現(xiàn)，西安市城市用地擴展總體格局表現(xiàn)為非緊湊、不穩(wěn)定性增強、近同心圓擴展與方向分異十分明顯的特征，其擴張速率在1988—2008年要遠遠高于1977—1988年。

（2）西安市區(qū)城市建設(shè)用地擴展的主要原因是城市人口快速增長和20世紀90年代以來新興工業(yè)用地和經(jīng)濟開發(fā)區(qū)的建設(shè)。城市用地快速擴展和土地利用始終是一對矛盾，造成的負面影響較多，并帶來諸如耕地大量被占用、生態(tài)環(huán)境破壞、城市負荷增大、城市效率降低等問題。因此，在城市發(fā)展過程中，如何有效控制城市人口和城市建成區(qū)面積，根據(jù)發(fā)展需要不斷調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，正確、合理、科學地進行城市建設(shè)規(guī)劃，集約利用土地，增強土地利用強度，提高城市效率，控制城市盲目擴張是政府和相關(guān)人員需要進一步研究的問題。

（3）本文僅就西安市城市建設(shè)用地空間擴展的總體特征進行了定量監(jiān)測，由于數(shù)據(jù)分辨率的限制，并未對城市建設(shè)用地進行進一步分類，如未對城市內(nèi)部工業(yè)用地、商業(yè)用地、行政用地、住宅用地等進行時空擴展分析，同時缺少城市及其周邊城鎮(zhèn)動態(tài)擴展的比較分析，缺少以城市環(huán)路為單元的分析探討，這些無疑對未來建設(shè)用地區(qū)域調(diào)控更具有針對性，也為下一步研究提供了方向。

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