基于RS和GIS的重慶市北碚區城市擴展規律研究與預測

羅剛++王成++孟從伍++李進品

摘 要：該文以不同時相的遙感影像數據作為主要的數據源，采用監督分類和人工目視解譯相結合的方法，提取北碚區城市建成區范圍，并運用GIS空間分析方法和數理統計方法，分析北碚區2004—2014年城市建成區變化的數量特征和空間特征。結果表明：在2004—2014年10年間，北碚區城市建成區面積增加了91.2%，2004—2007年擴展2.85 km2，年均增長0.95 km2，擴展速度較快；2007—2010年擴展了1.57 km2，年平均增長0.52 km2，擴展速度緩慢；2010—2014年擴展了3.85 km2，年均增長1.28 km2，增長速度較快。北碚區城市擴展受到縉云山脈和中梁山脈的阻隔，城市擴展沿著縉云山脈和中梁山脈中間的槽谷地帶分別向歇馬鎮、東陽鎮方向擴展。通過對北碚區城市擴展驅動力研究表明：地形因素對北碚區城市擴展方向及形態起著限制性作用，經濟發展和城市人口的增長是北碚區城市擴展的主要動力，交通基礎設施建設、固定資產投資以及政策等因素也對北碚區城市擴展起著一定的影響。通過建立多元線性回歸模型，對北碚區2020年城市建成區面積進行預測表明：北碚區2020年城市建成區面積將達到23.08 km2。

關鍵詞：城市擴展 驅動力 RS和GIS 北碚區

中圖分類號：S15 文獻標識碼：A 文章編號：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

城市是人類文明的集中地，是人類生活的重要場所之一，也是地表各類物質、信息、能量等交換的場所。城市化過程是指由于社會生產力的發展而引起的城市空間增長，城市規模擴大，農村人口向城市集中的過程[1]。改革開放至今，我國城鎮化水平不斷提高，從1978年的19.7%提高到2014年的54.77%，增長十分顯著。據研究表明，從1952年至1997年，我國所有城市的建成區面積都增長10%以上，部分城市達到50%，城市的發展呈現出平面擴展勢態[2]。20世紀90年代以來，我國城市建設用地的速度以年4%的增長率快速擴展，遠遠高于世界平均水平1.2%[3]。近年來，國內外眾多學者對城市擴展模式和驅動力進行了大量的研究[6-10]，加拿大學者Pierce在1981年對加拿大境內的城鎮擴展現象進行研究，他認為城市擴展的動力包括城市人口的增長、該地區的經濟發展水平、城市所在地區域、城市周圍農田的肥沃程度等[11]。國內學者劉盛和對西方學者在城市擴展驅動力研究上的成果進行了全面總結，他認為城市擴展的動力機制總體上可以分為以下幾大類：動力因素、“自然”機制、社會價值機制、市場機制、政治權力機制[12]。顧朝林等則從系統動力學的角度研究城市擴展驅動力，他認為城市土地利用是城市內部與外部社會、政治、經濟、技術等多種因素作用的結果[13]。目前對城市擴展驅動力研究多為定性分析，對城市擴展驅動力的定量分析不足，該研究將采取定性與定量相結合的方式對城市擴展驅動力進行研究。

1 研究區概況

北碚區位于東經106°18′14″至106°56′53″、北緯29°30′41″至30°11′21″，幅員面積754.21 km2，東接渝北區，南連沙坪壩區，西界璧山區，北鄰合川區，如圖1所示。北碚區屬亞熱帶季風濕潤氣候，雨量充沛，有春早、夏熱、秋短、冬遲特征。最高氣溫44.3 ℃。最低氣溫-3.1 ℃，年平均氣溫18.2 ℃。重慶市北碚區，以濃郁的文化氛圍、著名的風景名勝、雄厚的科技實力、秀麗的花園而被稱為“重慶的后花園”，是重慶市重要的風景旅游區和智力型清潔工業基地。1997年，北碚區被命名為國家級社會發展綜合實驗區和重慶市第一個山水園林城區，它還是國家衛生區、國家環境保護模范城區，并于2006年獲聯合國迪拜最佳人居范例獎。

2 數據源與研究方法

2.1 數據獲取

由于此研究的重點是獲取城市擴展的總體特征，因此對遙感影像的精度要求較低，只需要30 m及其以上空間分辨率的遙感影像來對研究區城市擴展進行研究。此研究選取2004年的IKONOS影像數據、2007年WorldView影像數據以及2010年和2014年Landsat TM影像數據。4期不同時相的遙感影像，具有一定的時間間隔，基本上能滿足城市擴展研究數據源實時、準確的要求。對北碚區城市擴展進行驅動力分析，文章選取了北碚區地區生產總值、三大產業產值、固定資產投資、總人口、城鎮人口、非農人口、地方財政收入、城鎮居民人均可支配收入、城鎮居民人均消費支出等社會經濟基礎數據。這些數據來源于北碚區統計年鑒、北碚區統計公報、重慶市統計年鑒、北碚區人民政府官網等，統計數據真實性可靠。

2.2 數據處理與分析

首先對研究區遙感影像數據進行了輻射校正、幾何校正、遙感影像圖像增強處理、遙感影像興趣區裁剪等預處理。然后根據研究目的的需要，采用監督分類結合人工目視解譯的方法，將研究區土地利用分為城市用地、水體、非城市用地、林地4種類型。分類后對分類結果進行分類后處理，獲取了理想的分類效果。此研究主要運用GIS分析命令Clump和Eliminate完成小斑去除。結合人工目視解譯，對錯誤分類進行修正。根據遙感影像分類結果，運用ArcGIS軟件制作2004年、2007年、2010年、2014年北碚區城市范圍圖并運用ArcGIS空間分析功能，獲取2004—2014年北碚區城市擴展圖，如圖2所示。

2.3 研究方法

（1）城市擴展指標選取。為了更好地對北碚區城市擴展進行分析，從而揭示北碚區城市擴展的時空規律，文章選取了以下3個指標。

①城市擴展重心。

通過對城市不同時期的重心轉移研究，分析城市空間擴展規律。

城市空間重心坐標（，）：

（1）

式（1）中：，分別為第t年城市分布重心的經、緯度；為第t年第i塊矢量圖的圖斑面積（km2）；，分別為第i塊矢量圖斑的幾何中心的經、緯度坐標[14]。

空間重心轉移距離：

（2）

式（2）中：為從t到t+1時期地理單元空間重心轉移距離。

②城市擴展強度。

城市擴展強度指數是用來表示單位時間內土地面積變化的幅度，是反映城市擴張空間變化的一個指標，通過對城市擴展強度的分析可以定量地比較城市擴展的程度和速度[14]，其表達式為：

（3）

式（3）中：R為研究末期的城市擴展強度；Ua為研究初期城市用地的面積（km2）；Ub為研究末期城市用地的面積（km2）；T為時間間隔（年）。

③城市空間緊湊度。

城市外圍輪廓形態的緊湊度可以反映城市空間的形態特征，它反映了土地利用受干擾的程度。形態緊湊度計算公式為[14]：

（4）

式（4）中：c為城市緊湊度；At、Pt分別為第t年城市板塊的面積（km2）和周長（km）。值在0～1之間變化，其值越大，表明地物的形狀緊湊性越好；反之，地物的形狀緊湊性越差。

（2）提取城市擴展信息的方法。采用監督分類和人工目視解譯修正相結合的方法。運用ERDAS IMAGINE 9.2軟件確定遙感影像分類模板，然后進行監督分類。根據研究區地形圖、土地利用現狀圖，人工目視判讀對分類結果進行修正，提高分類精度。

（3）GIS空間分析法。此研究運用ArcGIS空間分析功能，對各研究年份的城區范圍進行疊加分析，獲取研究區城區在不同時期的變化范圍以及城市邊界。

（4）線性回歸分析法。此研究對城市擴展進行驅動力分析，選取了多個與城市擴展相關的社會經濟指標，并運用線性回歸的分析方法分析城市擴展與這些指標的相關性，從而得出結論。

3 分析與討論

3.1 城市擴展數量特征分析

通過對遙感圖像進行處理獲得4個時期北碚區城市范圍，通過ArcGIS對4個時期北碚區城區面積進行統計，面積數據可見表1。

3.2 城市擴展空間特征分析

3.2.1 城市擴展方向分析

由于受到縉云山脈和中梁山脈的阻隔，北碚區城市發展沿著縉云山脈和中梁山脈中間的槽谷地帶分別向歇馬鎮、東陽鎮方向擴展。其中以向西南方向的歇馬鎮發展為主要拓展方向，拓展速度較快；東北方向由于嘉陵江對城市擴展的切割，因此城市在東陽鎮方向拓展相對緩慢。

3.2.2 城市擴展中城市重心變化分析

由北碚區2004年到2014年各個時期城市重心（見表2）分布可知，在不同時期北碚區城市擴展空間分異明顯。在方向上，北碚區在各個時期城市重心均向西南方向移動。圖3為城市重心變化示意圖。

3.2.3 城市擴展空間緊湊度分析

通過表3可以看出，北碚區城市緊湊度隨著時間變化先上升后下降。2004—2007年由于北碚區城市擴展速度較為緩慢，城市擴展以填充式擴展為主，北碚區城市空間緊湊度呈上升趨勢但變化不顯著，城市形態趨于緊湊。2007—2014年由于北碚區城市空間擴展速度加快，以城南新城區開發建設為主，城南新城區逐漸成為新的城市中心，并圍繞新中心不斷向西南方向擴展，此時段城市擴展呈多中心組團式擴展，導致空間緊湊度呈下降趨勢，該時間段北碚區城市外部輪廓破碎不規則，城市形態分散，城市內部空隙較多。

3.3 城市擴展驅動力分析

3.3.1 自然地理因素

通過對北碚城區地形高程（見圖4）分析可得：北碚城區位于縉云山和中梁山之間，由于受到山脈的阻隔，限制了北碚城區向西北、東南方向擴展。位于北碚城區東北方向的嘉陵江將北碚城區與東陽鎮分離，限制了北碚城區向東北擴展。對北碚城區地形坡度（見圖4）分析可知，西北、東南方向多山地地形，坡度較大，不利于城市建設；東北、西南坡度較小，地勢平坦，利于城市建設。綜上，北碚城市的方向為西南方向和東北方向，但以向西南方向擴展為主。

3.3.2 經濟的快速增長

經濟的快速增長是推動城市擴展的決定性因素，當經濟發展較快時，就會有更多的資金用于城市建設，推動城市的快速擴展。圖5反映了北碚區2004年到2014年地區生產總值、三大產業產值的歷年變化情況。

利用Excel對2004—2014年北碚區生產總值與城市建成區面積進行一元線性回歸分析，可以發現二者之間有很高的相關性，如圖6所示。

由其線性方程可得，y為城市建成區面積，x為北碚區生產總值。經檢驗可得相關系數R=0.984，判定系數R2=0.9674，P=0.0000000534<0.0001，故模型在的水平上顯著。由此可見北碚區城市建成區與北碚區經濟增長有著顯著的相關性，北碚區國民經濟多年持續快速、健康發展，是推動北碚區城市擴展的主要動力。

3.3.3 城鎮人口的增加

人口是推動城市用地擴展變化的內在動因。北碚區經濟的快速發展，大量的人口流入北碚區。北碚區城市人口的大量增加，加大了對住房、交通等用地的需求，大量的農用地轉換為建設用地，從而促進了城市擴展的速度。北碚區2004年到2014年10年時間內增加了11.15萬人，非農人口增加了8.34萬人，非農人口的大量增加進一步促進了北碚區城市的快速擴展。

對北碚區非農人口與建成區面積進行一元線性回歸分析可得，二者之間具有良好的線性關系，其擬合方程為 y=0.7992x-13.104，復相關系數R2=0.898，線性擬合效果較優。由此可見，北碚區建成區面積與非農人口的關系密切，非農人口的增加是北碚區人口增加的重要因素，是衡量城市擴展的重要指標。

3.3.4 固定資產投資額的大幅度增加

2004年以來，由于國有單位基本建設資金的逐年增長以及其他各種資金的流入，大大促進了北碚區的城市建設，加速了北碚區城市擴展。如圖7所示，北碚區固定資產投資額從2004年的37.58億元增長到2014年的536.11億元，大量的投資促進了北碚區城市的快速擴展。

3.3.5 城市居民物質生活水平的提高

居民生活水平的高低對城市用地擴展有重要影響[15]。隨著北碚區經濟的快速發展，人民的收入水平和消費水平也隨之大幅度提高。從圖8可知，北碚區2004年到2014年城鎮居民人均可支配收入由2004的8 991元增長到2014年的28 071元，農村居民人均純收入由2004年的3 280元增長到2014年的13 169元。收入水平的大幅度提高，人民對生活水平、住房質量、社會公共設施等提出了更高的要求，從而促進城市房地產開發。隨著人民對高質量生活的不斷追求，又將進一步促進北碚區城市用地的增加。

3.3.6 交通基礎設施的不斷完善

交通建設對城市空間擴展具有重要影響，城市作為區域和文化中心，交通實現了地區間的物質聯系。因此，交通的發展促進了城市空間擴展，改變了城市外部形態，是城市空間擴展的牽動力。城市交通的建設為北碚區的發展提供了基礎，起到了積極的空間引導作用[16]。2004年到2014年北碚區交通得到快速發展，截至2014年，蘭海高速、繞城高速、渝廣高速穿越北碚區全境。重慶市繞城高速西段起于北碚城區，與蘭海高速交叉形成北碚樞紐互通。國道212線、中環快速、悅復大道等城市干道快速連通主城核心區。襄渝鐵路、遂渝鐵路、蘭渝鐵路橫穿南北，重慶軌道交通6號線由北碚區通往南岸區茶園。交通路網的不斷完善有力推進了北碚區城市的擴展。

3.3.7 行政因素的影響

政策以及制度因素對城市用地有著重要的影響，2007年北碚區行政中心轉移到北碚新城區，對促進北碚新城區的擴展有著極為重大的意義。

3.4 城市擴展預測

由表4可知，與城市擴展相關的社會經濟指標與北碚區城市建成區面積存在著顯著的相關關系，因此，文章選取了地區生產總值、固定資產投資、非農人口、工業總產值產值、地方財政收入、城鎮居民人均可支配收入、社會消費品零售總額等7個與城市擴展相關的社會經濟指標與北碚區城市建成區面積進行了多元線性回歸分析。

利用SPSS對建成區面積y與自變量x1～x7建立線性回歸方程：

y=0.121x1+0.007x2+0.263x3-0.159x4-0.025x5+0.0003x6+0.014x7 （5）

經檢驗可知：回歸方程的相關系數R為0.998，判定系數R2為0.998，F（F顯著性統計量）的P值為0.001，小于顯著性水平0.05，該回歸方程回歸效果顯著。運用SPSS軟件采用時間序列分析法預測北碚區2020年各項經濟數據指標：其中地區生產總值將達到620.35億元，固定資產投資將達到803.91億元，非農人口將達到42.37萬人，工業總產值將達到425.40億元，地方財政收入將達到57.58萬元，城鎮居民人均可支配收入將達到40 270元，社會消費品零售總額將達到223億元。將7個指標值帶入式（5），經過計算得到北碚區2020年城市建成區面積為23.08 km2。

4 結論

文章以多時相遙感數據為數據源，運用GIS技術對北碚區城市擴展進行分析，并結合北碚區2004—2014年社會經濟數據對北碚區城市擴展驅動力進行研究。主要結論歸納如下。

（1）2004年北碚城區面積為9.07 km2，2007年北碚區城區面積為11.92 km2，2010年北碚城區面積為13.49 km2，2014年北碚城區面積為17.34 km2。

（2）北碚區城市發展沿著縉云山脈和中梁山脈中間的槽谷地帶分別向歇馬鎮、東陽鎮方向擴展。其中以向西南方向的歇馬鎮發展為主要拓展方向，拓展速度較快，而在東陽鎮方向拓展相對緩慢。

（3）北碚區2004年到2014年各個時期城市重心均向西南方向移動，北碚區城市緊湊度隨著時間變化先上升后下降。

（4）通過對北碚區城市擴展驅動力研究表明：自然地理因素中的地形和河流對北碚區城市擴展的方向起限制性作用，經濟的快速增長、城鎮人口的增加、固定資產投資額的大幅度增加、城市居民物質生活水平的提高、交通基礎設施的不斷完善以及行政因素等是北碚區城市擴展的重要驅動因素，對北碚區城市擴展起著巨大的影響。

（5）通過多元線性模型計算，北碚區2020年城市建成區面積將到達23.08 km2。

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