葉萍萍

(甘肅省基礎(chǔ)地理信息中心，甘肅 蘭州 730000)

隨著全球經(jīng)濟快速發(fā)展，各國城市建設(shè)空前活躍，城市空間擴展也引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。國外對城市空間擴展的研究，最早可以追溯到19世紀(jì)末城市地理學(xué)對城市空間形態(tài)結(jié)構(gòu)的研究[1]。上世紀(jì)80年代，隨著國內(nèi)城市化進程加快，國內(nèi)學(xué)者開始研究城市空間擴展，主要利用RS和GIS技術(shù)[2-3]，但是國內(nèi)研究的重點集中在東部發(fā)達城市，西北部城市涉獵較少[4]。

蘭州地處中國西北地區(qū)的中心，是古絲綢之路的重要節(jié)點。2012年8月12日，蘭州新區(qū)成立，作為西北第一個、全國第五個國家級新區(qū)，新區(qū)自成立之初就受到各級政府和社會各界的高度重視，城市化進程不斷加快。研究新區(qū)城市空間擴展歷程,總結(jié)不同時期不同社會經(jīng)濟發(fā)展背景下城市擴展規(guī)律，可以為城市的建設(shè)發(fā)展提供地理信息支撐，更好的服務(wù)于“一帶一路”建設(shè)。

1 新區(qū)概述

蘭州新區(qū)坐落于甘肅省蘭州市北部秦王川盆地，位于東經(jīng)103°26′20″～103°58′18″，北緯36°12′30″～36°52′27″之間?，F(xiàn)新區(qū)下轄六鄉(xiāng)鎮(zhèn)，分別為永登縣中川鎮(zhèn)、秦川鎮(zhèn)、上川鎮(zhèn)、樹屏鎮(zhèn)和皋蘭縣西岔鎮(zhèn)、水阜鎮(zhèn)。

2 數(shù)據(jù)來源

2.1 遙感影像數(shù)據(jù)

選取2010年、2013年、2015年、2016年、2017年、2018年共計6期的航空影像和Pleiades、WorldView2、WorldView3、GF1、GF2、ZY3等多源高分辨率衛(wèi)星遙感影像，范圍覆蓋蘭州新區(qū)全域。為了保證遙感解譯提取信息的精度和準(zhǔn)確性，影像要求層次豐富、清晰易讀、色調(diào)均勻、反差適中、色彩接近真實自然、色彩均衡、時相盡量保持一致[5]。

2.2 地理國情普查和監(jiān)測數(shù)據(jù)

地理國情普查數(shù)據(jù)包括2013年蘭州新區(qū)地理國情普查試點成果數(shù)據(jù)和2015年地理國情普查標(biāo)準(zhǔn)時點核準(zhǔn)成果數(shù)據(jù)，地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)包括2016年、2017年、2018年蘭州市基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測成果數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)覆蓋蘭州新區(qū)全域，具體內(nèi)容包括地形地貌數(shù)據(jù)、正射影像數(shù)據(jù)、地表覆蓋與地理國情要素數(shù)據(jù)、遙感影像解譯樣本數(shù)據(jù)等[6]。

2.3 專題數(shù)據(jù)

主要由蘭州新區(qū)城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)局提供的最新版本的《蘭州新區(qū)總體規(guī)劃(2011-2030)》、由蘭州新區(qū)經(jīng)濟發(fā)展局提供的統(tǒng)計年鑒等。

3 技術(shù)路線和方法

3.1 技術(shù)路線

基于地理國情普查和監(jiān)測數(shù)據(jù)等豐富的地理信息數(shù)據(jù)資源[7]，結(jié)合高分辨率遙感影像，采用遙感技術(shù)手段，提取蘭州新區(qū)從2010～2018年城市建成區(qū)范圍，結(jié)合收集整理的行業(yè)專題資料，采用空間分析方法，從城市空間擴展的規(guī)模和強度、擴展的方向性以及空間形態(tài)演變等方面對新區(qū)城市空間擴展的歷程進行分析。

圖1 總體技術(shù)路線

3.2 技術(shù)方法

3.2.1 數(shù)據(jù)資料整理整合

根據(jù)各類專題數(shù)據(jù)的類型，通過格式轉(zhuǎn)換和坐標(biāo)系統(tǒng)一，實現(xiàn)專題空間數(shù)據(jù)時空基準(zhǔn)歸一化。地理國情普查和監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理包括按照新區(qū)范圍裁切；遙感影像數(shù)據(jù)的處理包括幾何精校正、輻射糾正、輻射增強、鑲嵌、裁切、格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、配準(zhǔn)等；專題數(shù)據(jù)的處理包括數(shù)據(jù)裁切、格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、信息提取。

3.2.2 遙感影像解譯

基于地理國情普查和監(jiān)測數(shù)據(jù)，對遙感影像進行判讀解譯，生成歷史年份的城市建成區(qū)范圍，在此基礎(chǔ)上，利用疊合分析，獲得城市擴展的時空變化信息。

本文引入“城市建成區(qū)”這一概念來反映城市已建設(shè)開發(fā)的范圍。城市建成區(qū)，是指城市行政區(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)[8]。在劃分標(biāo)準(zhǔn)上，依據(jù)遙感影像圖上城市建成區(qū)的特征表現(xiàn)，可以按照“成規(guī)模連片、多層建筑為主、具備街區(qū)形態(tài)、基礎(chǔ)設(shè)施配套”原則，提取城市建成區(qū)范圍。

3.2.3 統(tǒng)計與分析

基于解譯結(jié)果，統(tǒng)計各個年份城市建成區(qū)的面積、兩個相鄰年份間的面積變化量、擴展強度和年均擴展速率等，以反映城市擴展規(guī)模和強度，在此基礎(chǔ)上，對城市建成區(qū)擴展的方向性和空間形態(tài)演變進行統(tǒng)計，分析蘭州新區(qū)時空尺度的變化歷程。

4 城市空間擴展分析

4.1 城市空間擴展規(guī)模和強度

為了準(zhǔn)確反映蘭州新區(qū)設(shè)立前后城市建成區(qū)范圍的持續(xù)變化情況，本文選取2010年、2013年、2015年、2016年、2017年、2018年6個時期的遙感影像進行解譯，提取城市建成區(qū)邊界。基于解譯結(jié)果，統(tǒng)計蘭州新區(qū)城市建成區(qū)面積變化，擴展強度和擴展速率，進而分析城市空間擴展規(guī)模和強度。

擴展強度是指某一時間段內(nèi)城市建成區(qū)面積相對于基期城市建成區(qū)面積的年擴展比例，表示單位時間內(nèi)不同城市建成區(qū)擴展快慢的相對比例差異；擴展速率是指某一時間段內(nèi)城市建成區(qū)面積的年增長速率，表示單位時間內(nèi)不同城市建成區(qū)擴展快慢的絕對面積差異。

圖2 2010～2018年蘭州新區(qū)城市建成區(qū)面積

從圖2可以看出，2010～2018年，蘭州新區(qū)城市建成區(qū)一直處于擴展?fàn)顟B(tài)。2010年，蘭州新區(qū)設(shè)立之前，城市建成區(qū)只有2.5 km2。2012年8月，蘭州新區(qū)被確定為國家級新區(qū)后，城市建成區(qū)面積飛速增長，至2018年已達79.08 km2。

表1 2010～2018年蘭州新區(qū)城市建成區(qū)擴展信息

從表1中可以看出，蘭州新區(qū)城市建成區(qū)的擴展速率呈現(xiàn)“先升后降再緩升再降”的特點。新區(qū)自2012年8月成立后，便開展大規(guī)模的開發(fā)建設(shè)，所以2010～2015年，城市建成區(qū)的擴展速率一直在上升階段。經(jīng)過幾年的建設(shè)，城市框架基本成形， 2015～2016年擴展速率相對放緩。2016年，新區(qū)職教園區(qū)開始建設(shè)，所以，2016～2017年擴展速率有小幅度回升，到2018年，職教園區(qū)基本框架已成形，所以，2017～2018年擴展速率有所下降。

4.2 城市空間擴展的方向性

城市擴展的方向性可以用扇形分區(qū)統(tǒng)計法或者城市空間重心遷移這兩個指標(biāo)來描述，本文選用城市空間重心遷移指標(biāo)。

空間重心是描述城市空間分布的一個重要指標(biāo)，通過追蹤其不同時期的移動，可以得到城市擴展方向變化的軌跡，預(yù)測城市的空間發(fā)展趨勢[9]。其計算公式如下：

式中，Xt、Yt分別為t時間城市建成區(qū)的重心坐標(biāo)，Ati為第i個地塊面積，Xi、Yi為第i個城市建成區(qū)地塊的幾何中心坐標(biāo)。

根據(jù)公式分別計算出2010、2013、2015、2016、2017和2018年的空間重心坐標(biāo)，如圖3所示。

從圖3可以看出，2010～2018年，城市建成區(qū)空間重心總體上呈現(xiàn)出向東北方向移動的趨勢，2015～2016年呈現(xiàn)輕微向西北方向移動的趨勢,2017～2018年呈現(xiàn)向輕微東方向移動的趨勢。由于新區(qū)職教園區(qū)在東北部，平山造地區(qū)域主要集中在東部和東南部，結(jié)合新區(qū)的規(guī)劃相關(guān)資料，可預(yù)測未來幾年新區(qū)城市空間擴展的主要方向依然在東、東北及東南方向。

圖3 2010～2018年蘭州新區(qū)城市建成區(qū)空間重心變化圖

4.3 城市空間形態(tài)演變

4.3.1 城市建成區(qū)空間形態(tài)

城市建成區(qū)占據(jù)著一定的地表空間，并在各種自然、人為因素的制約和影響下，形成一定的用地輪廓形態(tài)，這種形態(tài)稱為城市建成區(qū)空間形態(tài)。城市建成區(qū)空間形態(tài)主要模式有集中團塊型、帶型、放射型、組團型、星座型、散點型。

根據(jù)《蘭州新區(qū)總體規(guī)劃(2011-2030)》中的空間結(jié)構(gòu)規(guī)劃，蘭州新區(qū)呈現(xiàn)出“兩區(qū)一城四片”的總體空間結(jié)構(gòu)?！皟蓞^(qū)”為北部的生態(tài)農(nóng)業(yè)示范區(qū)以及南部的生態(tài)林業(yè)休閑區(qū)?！耙怀恰睘楹诵某菂^(qū)，包括保稅物流、科技研發(fā)、行政辦公、金融商業(yè)、職業(yè)教育、文化旅游等綜合服務(wù)職能。“四片”包括石化產(chǎn)業(yè)片區(qū)、機場北飛地經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)片區(qū)、樹屏飛地經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)片區(qū)以及綜合產(chǎn)業(yè)片區(qū)，為新區(qū)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)空間落實的地區(qū)。規(guī)劃對“一城”空間結(jié)構(gòu)進行指引，為“T軸、六組團”。T軸由核心城區(qū)東部依托自然山體形成的生態(tài)綠化廊道及沿緯三路、緯五路以及緯七路形成的功能軸組成，為新區(qū)風(fēng)貌特色重要的組成部分。六組團包括綜保產(chǎn)業(yè)組團、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)組團、綜合服務(wù)組團、職教園區(qū)組團、區(qū)域中心組團及文化旅游組團。

從影像解譯結(jié)果看，目前蘭州新區(qū)城市建成區(qū)呈現(xiàn)出“一片五團”的組團型空間形態(tài)。“一片”為位于建成區(qū)北部的綜合產(chǎn)業(yè)片區(qū)；“五團”分別為綜保產(chǎn)業(yè)組團、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)組團、綜合服務(wù)組團、區(qū)域中心組團和職教園區(qū)組團。

4.3.2 城市建成區(qū)空間緊湊度

空間緊湊度表征城市形態(tài)的變化，是城市空間布局和結(jié)構(gòu)變化的綜合反映。從城市空間形態(tài)的變化可以分析城市的生長過程，揭示擴展規(guī)律[9]。緊湊度是反映城市空間布局形態(tài)的重要指標(biāo)，其值一般在0～1之間，空間緊湊度越接近1，城市形狀越接近圓形，城市空間越緊湊；反之，城市緊湊度越低，空間離散程度就越大。通常采用Batty提出的計算公式[10]：

式中，BCI指城市建成區(qū)的空間緊湊度，A指城市建成區(qū)的面積，P指城市建成區(qū)的輪廓周長。

圖4 2010～2018年蘭州新區(qū)城市建成區(qū)空間緊湊度

從圖4可以看出，2010～2018年，蘭州新區(qū)空間緊湊度總體呈下降趨勢，空間離散程度較大。主要是近年新增的城市建成區(qū)與原有的城市建成區(qū)在空間上不連續(xù)，造成資源集聚不凸顯。隨著新區(qū)的發(fā)展，城市建成區(qū)連接地帶完成建設(shè)，空間緊湊度會有所上升。

4.3.3 城市建成區(qū)空間分形維數(shù)

城市空間形態(tài)是城市各構(gòu)成要素的空間分布模式，是城市實體的地域空間投影。城市有著復(fù)雜的、非線性的空間形態(tài)，這種空間形態(tài)具有分形特征[9]。城市空間的分形維數(shù)可以描述城市邊界形狀的復(fù)雜性。描述城市建成區(qū)形態(tài)的分形維數(shù)主要有網(wǎng)格維數(shù)、半徑維數(shù)和邊界維數(shù)等，使用邊界維數(shù)來衡量建成區(qū)空間形態(tài)的分形特征，采用格子計數(shù)法進行分維估值。使用不同大小的正方形格網(wǎng)覆蓋的城市建成區(qū)平面輪廓圖形，當(dāng)正方形長度r出現(xiàn)變化時，覆蓋有城市建成區(qū)輪廓邊界線的網(wǎng)格數(shù)目N(r)和覆蓋面積的網(wǎng)格數(shù)目M(r)必然會出現(xiàn)相應(yīng)的變化。根據(jù)分形理論有如下公式成立：

InN(r)=C+DInM(r)1/2

式中，C為待定常數(shù)，D為建成區(qū)平面輪廓分形維數(shù)。只需在不同大小正方形格網(wǎng)覆蓋下獲得不同點對(InN(r),InM(r)1/2)，然后擬合這些點對，求得回歸方程，其斜率即為D的估值。

由于城市建成區(qū)平面圖斑為二維空間，故D的理論值范圍在1.0～2.0之間，D值越大表示圖形形狀越復(fù)雜。當(dāng)D<1.5時，說明圖形趨向于簡單；當(dāng)D=1.5時，表示圖形處于布朗隨機運動狀態(tài)，越接近該值，穩(wěn)定性越差；當(dāng)D>1.5時，則圖形更為復(fù)雜。1.0代表形狀最簡單的正方形斑塊，2.0表示等面積的情況下周邊最復(fù)雜的斑塊。

圖5 2010～2018年蘭州新區(qū)城市建成區(qū)空間分形維數(shù)

從圖5可以看出，2010～2018年，蘭州新區(qū)空間分形維數(shù)總體呈先降后升的趨勢。2010～2015年，空間分形維數(shù)下降，城市內(nèi)部變化比較顯著，擴展方式主要為內(nèi)部填充；2015～2018年，空間分形維數(shù)上升，城市空間擴展方式主要為外部延伸。

4.4 城市空間擴展占地分析

從地表覆蓋類型的時空轉(zhuǎn)換來看，2010～2018年，蘭州新區(qū)地表覆蓋分類變化主要為種植土地、林草覆蓋等自然地類逐年減少，人工堆掘地、房屋建筑(區(qū))、鐵路與道路等人工地類逐年增加，這與新區(qū)的建設(shè)進程相符合。新區(qū)城市空間擴展以占用種植土地、林草覆蓋等為主。

圖6 2010～2018年蘭州新區(qū)地表覆蓋分類面積變化統(tǒng)計圖

5 結(jié) 論

(1)蘭州新區(qū)城市空間擴展遵循著“內(nèi)部填充擴展-外部延伸擴展”的模式，空間形態(tài)呈現(xiàn)組團型，這使得蘭州新區(qū)空間形狀較為簡單，穩(wěn)定性較好。

(2)蘭州新區(qū)城市空間擴展方向總體呈現(xiàn)出向東北方向移動的趨勢，2018年空間重心呈輕微向東南方向移動的趨勢。這種變動在很大程度上與城市規(guī)劃和地方政府政策引導(dǎo)的結(jié)果有關(guān)。

(3)蘭州新區(qū)城市空間擴展以占用種植土地、林草覆蓋等非建設(shè)用地為主。

(4)蘭州新區(qū)自設(shè)立以來開展了大規(guī)模的城市建設(shè)，城市空間發(fā)展總體保持?jǐn)U張趨勢，擴展速率呈現(xiàn)“高-低-高-低”波動式增長的特點。近幾年，新區(qū)城市框架已經(jīng)基本成型，空間擴展速度有所放緩。