基于RS和GIS的乌鲁木齐市空间扩张特征与驱动力分析时间： 2015-11-07信息来源：丽扎·赛里克 孜比布拉·司马义 作者：wl_admin 责编：
【摘要】研究乌鲁木齐市城市建设用地扩张特征及主要驱动因素。以2001年、2006年和2011年三个时间的Landsat TM和ETM+遥感影像为主要数据源，采用监督分类和人工目视解译的方法，分析了近十年城市建设用地空间分布的动态变化特征。结果表明：(1)乌鲁木齐市2001年以来，城市建设用地面积在不断扩大，面积由2001年的166.80km2增加到2010年的342.67km2;(2)自2001至2006年，建设用地面积年均增长率为7.18%，年均扩张速率为13.82km2/a;(3)自2006年至2010年，建设用地面积年均增长率为7.75%，年均扩张速率为21.36km2/a;(4)城市人口数量、经济发展、产业结构调整等是乌鲁木齐市建设用地扩张的主要驱动力。
【关键词】城市扩张;遥感监测;驱动力;乌鲁木齐市
引言
城市化是一个国家和地区经济、社会、文化和科技水平的重要标志，也是衡量该国家和地区社会组织程度和管理水平的重要标志[1]。然而，随着城市化进程的加快，各大城市建设用地不断扩大，导致大量耕地、林地被占用，用地矛盾异常突出[2]。
近年来乌鲁木齐市发展不断加快，城市功能不断提高，城市建设用地需求不断增大，以至于大量的耕地、林地被占用，直接威胁农业可持续发展和环境保护。城市空间扩展及其形态演变是城市内部发展压力作用于外部形态所产生的结果，其演变动力来自不同时空尺度下的自然、社会、经济、人口等因素，是人地系统复杂的相互作用过程的具体表现[3]。在社会经济快速发展的过程中，如何保护和利用宝贵的土地资源，是迫切需要解决的问题。其次，对一个城市空间扩张过程进行研究，不仅有助于优化城市的空间格局，而且对于提高城市发展速度、提升城市竞争力具有重要的指导意义。因此，了解城市建设用地的扩张规律，合理地科学地利用土地已成为乌鲁木齐乃至全国各大城市面临的严峻问题。
当前，遥感技术已经成为研究土地资源和城市动态扩张的一种最常用的手段，国内外很多学者都对土地资源的时空变化和城市动态监测方面做了大量的研究。如国外有Welch通过对TM的假彩色合成图像目视解译提取了城市建成区面积，进一步分析了建成区面积与人口之间的关系[4]。John等[5]利用遥感影像对城市基础设施和社会属性进行了动态监测研究。Peter等[6]基于遥感影像数据对美国五大湖自1992～2001年的生态环境进行了动态监测。在国内，许多学者利用3S技术对大中城市相继开展了城市扩张研究，并分析了驱动力因素[7]。虽然利用遥感影像进行城市动态监测方面的研究已取得了一些成果，然而遥感分类的效率和精度却一直困扰和限制着遥感科学的进一步发展和应用。在国外，利用面相对象遥感分类的研究起步较早。Qian等[8]利用面相对象法以遥感影像为载体进行了植被分类，结果较为满意。Nancy等[9]对监督、非监督分类、基于栅格图像空间建模法和面向对象分割法进行了比较，最终结果显示面向对象分类法可以取得更高的分类精度。Walter等[10]利用面向对象的最大似然法对遥感图像进行了分类，取得了好的结果。
本文采用监督分类法，利用TM中等分辨率遥感影像和相关辅助资料，对乌鲁木齐市近10年的城市建设用地情况进行研究，并分析城市扩张的驱动机制。本文为乌鲁木齐市发展规划，保护土地资源等提供客观数据。
1 数据来源与研究方法
1.1 研究区概况
乌鲁木齐市是新疆维吾尔自治区首府，是全疆政治、经济、文化、科技的中心。位于新疆维吾尔自治区北部，天山中段北麓、准噶尔盆地南缘，东经86°37′33″～88°58′24″，北纬42°45′32″～44°08′00″。其东、西、南三面环山，地势东南高，西北地，形成一个狭长葫芦状的河谷盆地。总面积14216.30km2，建成区面积342.67km2。2010年末，全市总人口24.30×105人，占全疆总人口的12.79%;其中农业人口9.99×105人，非农业人口17.93×105人，城市化率64.22%。城市分布着7区1县，即天山区、沙依巴克区、新市区、水磨沟区、头屯河区、达坂城区、东山区、乌鲁木齐县。
1.2 数据来源
本文主要采用的数据源包括遥感和非遥感数据两种。遥感数据选取Landsat 5 TM和Landsat 7 ETM+影像数据，轨道号143/30，采集时间为6-9月，三期数据的获取时间均为夏季时间段，这一时间段植被信息突出，山地、水体、草地等也容易与城市用地相区分，有利于城市用地专题信息的提取。且均选择无云影像，质量较好，满足应用要求。非遥感影像数据包括乌鲁木齐行政区划图、乌鲁木齐市土地利用规划图、1:5万地形图、2001～2011年乌鲁木齐市统计年鉴等。结合地物属性信息，利用ENVI软件对遥感影像进行几何校正、正射纠正及监督分类等处理，在将提取分类后图像通过ArcGIS软件做制图处理。
1.3研究方法
首先对影像进行预处理，以获取乌鲁木齐市的有效边界。由于影像已经是大气校正后的结果，因此只需对其进行几何校正和正射纠正，以进一步减少地形对太阳辐射的影响。对校正后的影像进行线性拉升、对比度增强等处理，使地物显示更清晰。影像经过预处理后，利用监督分类，根据不同地物的影像光谱特征不同，选取训练样区，通过计算选择特征，建立判别函数对影像进行分类。根据不同原则和分类标志，可以有多种土地分类系统。本文结合研究区的特点，对土地利用类型的分类实验采用了一级分类，即城市建设用地、绿地、水体和山体及裸地。
2 结果与分析
2.1 城市化土地利用变化监测
对乌鲁木齐市2001、2006和2011年的遥感图像数据分别进行监督分类得到土地利用分类结果，如图1所示。通过对比这三年的土地利用分布图可知，绿地(耕地、林地)面积显著减少，向建设用地变化，且主要向城镇居民点和工矿用地变化。部分未利用地也在向城镇用地转化。且通过土地利用分布图可看出，城区主要扩展方向为沿西北向(新市区方向)扩展，沿西部山体北缘(西山方向)扩展，沿东北向(东山区)的扩展和沿老城区外缘的扩展。其中西北部和正北部与农业区相连，城市扩展阻力较小，扩展趋势最为明显。东北部扩展受到高大山体的影响，城镇扩展受到明显的抑制，扩展强度微弱。总的来说乌鲁木齐市近年来城市扩展的空间趋势是在地形条件的制约下呈现出特有的多轴、发散式的扩展方法。
2.2 城区扩张分析
乌鲁木齐市区三个年度的建设用地情况由表1可知，乌鲁木齐市建设用地从2001年的166.80 km2增长到2006年的235.88 km2，净增了69.08 km2，净增长率、年均增长率和扩张速率分别为41.41%、7.18%、13.82 km2/a：在2006～2010年间，建设用地净增了106.79 km2，净增长率、年均增长率和扩张速率分别为45.27%、7.75%、21.36 km2/a。从中可以看出，2001～2010年间，乌鲁木齐市城市建设用地的年均扩张速率要高于2001～2006年的扩张速率。
为了比较三个年度乌鲁木齐市城市扩张在空间上的变化情况，分别将2001年和2006年，2006年和2011年的建设用地分类图进行叠加。从图2中可以看出，在2001～2006年间，乌鲁木齐市建设用地扩展不是很明显，主要以城市东南方向扩展为主。在2006～2011年间，乌鲁木齐市建设主要以西北、东北地区的扩展为主，且扩展速度和幅度较快。
2.3 城市扩张驱动力分析
为了分析乌鲁木齐市城市扩张驱动力因素，本文在参考相关研究的基础上[11-12]，通过分析总结，采用10个与城市发展紧密联系的备选指标进行了相关分析(表2)。具体指标如下：人口(X1)、非农业人口(X2)、城镇化率(X3)、固定资产投资(x4)、道路面积(X5)、国内生产总值(x6)、人均地区生产总值(X7)、第一产业占GDP比重(X8)、第二产业占GDP比重(X9)、第三产业占GDP比重(X10)。
2.3.1 人口因素
通过分析发现，人口(X1)与城市建设用地的相关性显著，相关系数达0.96。表明人口增长是城市建设用地扩张的主要驱动力因素之一。随着城市的快速发展，乌鲁木齐市区人口不断增多，大量的人口由农村涌向城市。从2001年的186.57×104人增长到2010年的243.03×104万人，人口净增长56.46×104人，增长率为76.77%，年均增长2.98%。增长速度较快。城市合理的人口容量是城市正常生产、消费不可或缺的基本要素。城市的发展一方面需要适度数量的人口，又要避免人口的过快增长。伴随着市区人口的不断增长，就需要更多的生活空间作为保障，客观上就需要城市面积不断扩大。具体表现为居住、生活用地及公共设施需求的增加，最终促使城市建设面积不断增加。其次，随着人民生活水平的不断提高，对住房的需求不断加大，房地产投资不断增长，使得乌鲁木齐市周边的土地转化为城市建设用地，从而加大了城市扩张速度。
2.3.2 经济发展
国内生产总值是衡量一个城市经济发展的指标。乌鲁木齐市区国内生产总值与城市建设用地的相关性显著，高达0.99，属显著正相关。从2001年的32.79×108元增长到2010年的133.85×108元，增长率为308.20%，年均增长率为67%。乌鲁木齐市GDP的增长是依靠大量的建设用地来实现的，主要通过新建工程项目来拉动GDP快速增长。同时通过招商引资、制造业基地建设等措施，全市内生产总值不断增加。经济的发展，必将为城市发展和建设提供足够的动力，也为城市建设用地的扩张提供了资金保障。
2.3.3 产业结构
通过相关分析，计算出第一、第二、第三产业与城市建设用地的相关系数，依次为-0.98、0.99、-0.99，说明第一、第三产业与建设用地的相关性表现为负相关、第二产业与建设用地的相关性表现为正相关。再结合三次产业在GDP中所占的比重变化，见图4，可以看出第一、第三产业在GDP比重从2001年到2010年表现为下降趋势，即：第一产业占GDP比重从2001年的2.27%下降到2010年的1.49%，下降了0.78个百分点，第三产业占GDP比重从2001年的62.27%下降到2010年的53.65%，下降了8.62个百分点;第二产业在GDP比重从2001年到2010年表现为上升趋势，即：第二产业占GDP比重从2001年的35.45%上升到2010年的44.86%，上升了9.41个百分点。针对城市建设用地的不断增长，呈现上升的趋势，与第二产业的比重变化相一致，表现为同向发展的趋势;反之，第一、三产业的比重变化与城市建设用地的扩张相背离，综合得出第二产业是城市建设用地扩张的驱动因素，第一、三产业不是城市建设用地扩张的驱动因素。
2.3.4 其他因素
固定资产投资是社会固定资产再生产的主要手段，投资额的多少直接影响城市的经济发展。近年来，乌鲁木齐市的社会投资不断加大，从2001年的14.61×108元增长到2010年的48.30×108元，增长率达230.59%。固定资产投资的增长会带动经济的增长，投资增加可以引起国内生产总值的成倍增加。固定资产的增加不仅拉动对原材料、生产设备、劳动力等的需求，而且拉动与投资相关行业的产出和消费需求的增长。快速增长的固定资产投资使得城市建设的更新、改建、扩建等活动更加频繁，使得乌鲁木齐市的建设用地面积在不断增长。
城市沿着公路、铁路等主要交通干线发展是城市发展的一大特点。乌鲁木齐自古便有“开天辟地之门户”之称，是连接天山南北、沟通新疆与内地的交通枢纽，现已成为我国扩大向西开放的重要门户和对外经济文化交流的窗口。乌鲁木齐机场为全国五大门户机场之一，已开通国际国内航线84条。乌鲁木齐火车站是全国重点铁路编组站，随着兰新铁路复线和南北疆铁路的运营，其运输能力大增。公路四通八达，3条国道与全疆、全国及周边国家相连。乌鲁木齐所具有的优越地理区位、交通区位和经济区位，使其基础设施建设逐步加快，交通运输状况进一步发展完善。目前，形成了以铁路、公路、航空为主，管道为辅的综合交通运输网络体系。交通线路的开辟与建设往往成为城市空间扩展的伸展轴，对城市空间扩展具有指向作用。另外，交通运输速度的提高也使城市空间扩展速度加快，它使分散的城市空间可以通过快速便捷的交通加强联系而成为有机整体，为城市由集中走向分散、由市中心化走向郊区化提供了可能。密集的交通网有力的推进了城市的扩展，大量占用土地，使得城市建设面积不断增加。
3 结论与讨论
(1)通过不同时期遥感分类图的分析研究发现，乌鲁木齐市的扩张速度较快，不同时间段扩展速度不同。扩展方向的空间趋势是在地形条件的制约下呈现出特有的多轴、发散式的扩展方法。乌鲁木齐市在扩张速率在2006～2011年高于2001～2006年。
(2)乌鲁木齐市城市建设用地发展的主要驱动力为：①城市人口快速增长。市区人口的不断增长，使得乌鲁木齐市周边的土地转化为城市建设用地，从而加大了城市扩张速度;②经济发展加快。乌鲁木齐市国内生产总值与城市建设用地显著相关，GDP的增长是用大量建设用地作为代价的;其次，快速增长的固定资产投资也使得城市建设的更新、改建、扩建等活动更加频繁，政府关于交通和城市发展规划也有力推进了城市的扩展，使城市建设面积不断增加。因此，在今后的城市建设中，城市规划应侧重于城市人口的控制，有效控制乌鲁木齐市建成区面积，根据发展需要不断调整产业结构，正确合理、科学的进行城市建设规划，控制城市盲目扩展。
城市扩展是我国乃至全球不同规模城市发展的必经过程，城市化进程的推进并不是非城市用地到城市用地的简单取代，城市扩张受到诸多因素的影响和制约，可直观地反映城市发展过程中的社会、经济、环境以及政策根源等问题。这些问题已引起政府和学术界的广泛关注。本文仅以乌鲁木齐市为研究对象，利用遥感手段对其城市建设用地的空间发展进行了定量监测，由于数据分辨率的限制，并未对城市建设用地进行进一步分类，且分析其主要的变化类型和驱动机制，尚需进一步探讨。
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