基于gis的石家莊市城市用地擴展模式研究

城市化進程導致土地使用和土壤覆蓋的急劇變化，影響區域生態環境，或通過累積效應影響區域生態環境。因此城市土地利用及其變化,近年來越來越引起人們的研究興趣。顧朝林利用3期SPOT衛星資料分析了北京市近30年來的城市化進程及土地利用變化機制;張鐿等以地形圖和航片為基礎,結合實地調查和歷史文獻研究了拉薩近50年的城市用地變化進程;劉盛和等則根據北京市3個不同時期的土地利用現狀圖,利用GIS技術對城市邊緣區土地利用擴展的時空分異規律做了深入分析;何流等也曾利用南京市不同時期的城建圖和城市規劃資料論述了南京市的空間擴展特征及其動力機制。國外的相關研究,近年來多涉及城市化引起的土地利用變化對局地小氣候和水文環境的影響,城市化與農地縮減的平衡,以及城市擴展的模擬與預測等方面。目前,國內關于城市擴展的研究多以鄉鎮為基本單位進行分析,能與行政區域的統計資料進行結合,鄉鎮的合并與界限的變換也使分析趨于復雜。本文將歷史地圖資料和現實空間數據相結合,利用GIS軟件的空間分析功能,采用網格分割法對石家莊市近70年來城市土地利用擴展的時空變化特征進行分析,并簡析驅動因素及環境影響。揭示石家莊市發展的規律和問題,為今后的發展規劃提供依據。1研究領域的總結和研究方法1.1蘇集河推行的概況本文以石家莊市為研究區域,市域部分處于東經114°23′～114°42′,北緯37°58′～38°60′之間。研究區內地貌類型以平原為主,地勢平坦,海拔在45～150米之間。屬于暖溫帶大陸性季風氣候,多年平均氣溫為13℃,年降水量為550mm。市區內部無大的河流,滹沱河在市郊北部及正定縣通過,近年因區域性的缺水,僅雨季有少量徑流通過。上游的黃壁莊水庫,是除地下水之外的城市重要水源地之一。據石家莊志記載,歷史上石家莊市所在區域屬戰略要地,幾經變換,但始終無大發展。隋時的石邑城曾一度繁華。至明時,仍為一小村莊。1903和1907年,京漢、正太鐵路在石家莊建站通車后,才繁榮發展起來。1925年北洋政府批準設立石門市,1938年1月實行市制,至1939年,正式命名石門市。1940年石德鐵路建成通車。1947年11月石門市解放,12月更名石家莊市。1968年1月河北省省會遷址于此,后逐漸發展成為河北省的政治、經濟和文化中心。1.2時間和地域擴展本文采用石家莊市的近70年來的經濟和土地資料,分析和確定城市擴展的時間變化特點,并將不同時期的5幅地圖,應用MapInfo5.0進行坐標統一、城區確定和圖形運算,分析各擴展階段的空間分異特征,研究城市擴展規律和原因。圖形運算所得的城市建成區數據與統計資料基本吻合(見圖1)。本文所用地圖資料及技術處理如表1所示。在研究過程中,衡量空間擴展變化的指標是否具有可比性是很重要的。常用的方法是比較分析城市擴展速度在不同空間方位上的差異,可以從總體上簡明地了解城市擴展的空間形態。但是比較空間方位上的差異因其劃分的空間單元并不具有均等的土地面積而不具有嚴格意義上的可比性。劉盛和等曾利用空間單元的土地面積對年平均擴展速度進行標準化處理,得到年平均擴展強度指數,并成功地應用于北京城市邊緣區擴展的研究中[5\]。本研究亦參考這一指標的算法,但是將計算單元縮小到單位面積單元(1km2),從而得到各單位面積空間單元的相對年均擴展率,即某單位面積空間單元在研究時段內城市土地利用擴展面積百分比的年平均值。相對年均擴展率由下式計算:AGR=UAi+n?UAin×100%AGR=UAi+n-UAin×100%(1)式中,AGR為相對年均擴展率(AnnualGrowthRate),UAi+n和UAi分別代表單位面積單元內第i+n年的城市土地利用面積和第i年的城市土地利用面積,n是以年為單位的時間。采用這一指標的優點在于,可以更細微地反映城市擴展強度的空間分布,這對于中小城市的擴展研究尤其重要。本文將石家莊市不同時期的城市用地擴展圖進行1km×1km的網格化(gridding)分割,計算各單元格的相對年均擴展率,并運用自然斷裂法對相對年均擴展率進行聚類分析,繪制不同時期城市用地擴展強度的空間分布圖,研究石家莊市的城市用地擴展的空間分異規律和特點。網格分割法能夠更客觀地反映擴展的客觀性,突出城市用地變化的時空分異特征。2生長階段分布20世紀初,石家莊村面積不足0.1km2,分布有六處廟宇、一處寺院、六條街道,較大居住區為六個大院。石太鐵路通車運行后才日趨繁榮發展起來。縱觀石家莊市近一個世紀以來城市用地的擴展狀況,具有時間上的快慢交替,空間上重心東西移動的特點。綜合分析自1934年以來石家莊市建成區面積的地圖資料和土地統計資料,由城市建成區面積近70年來的變化推移圖(見圖1),可以將石家莊市的發展過程劃分為緩慢成長期、快速發展期、迂回增長期和高速增長期四個階段。表2顯示了各階段劃分、城市土地利用擴展的平均速度和主要土地利用類型的發展演變。體現了城市用地擴展在時間上的波動性。2.1型:小型商業城市,消費城市該時期年平均增長速度為1.15km2,又可分為兩個階段,一是戰時階段,即1934～1947年,石家莊市因交通便利,地理位置優越,而成為物資運輸集散地,且日趨繁華,城市類型為小型商業城市和消費城市,城市用地擴展緩慢。到1947年,石家莊市因其重要的交通樞紐地位和軍事要塞的戰略作用而受到重視,城市用地擴展多為軍事用地的增加,環石家莊市還修建了鐵路,并有兩道封鎖溝,僅軍事用地面積就達4.7km2,占城市總面積的35.7%。年平均擴展0.69km2。二是戰后恢復階段,1948～1949兩年間清除軍事用地如防空壕、封鎖溝及碉堡等,恢復為正常的城市面貌,并布局工業用地、居住用地。到1950年,石家莊市建成區面積達到22.52km2。年平均擴展速度為3.12km2,是戰時的4～5倍。2.2城市內涵擴展這一階段石家莊市城市用地發展很快,一些國家重點工程項目相繼落戶于此,如紡織聯合企業、華北制藥廠及熱電廠等,僅這三項工程就占地1.87km2。相應地,城市人口加速增長,城市基礎設施建設用地增加,居住區、交通、市政設施等用地都在擴張,僅這5年城市基本建設就占用耕地約2000ha,城市建成區面積從22.52km2擴展到40.76km2,5年增加81%,年均擴展速度為3.65km2,其中工業用地、居住區、交通等占主要部分。這是石家莊市城市用地的第一個高速擴展時期。2.3城市建設緩慢,發展條件滯后從圖1可以看出,這一階段石家莊市的城市用地擴展非常緩慢,26年間城市建成區面積增加11.88km2,年均擴展速度僅為0.46km2。分析其原因,1958～1960年大躍進時期,重、輕工業比例失調,工礦用地增加迅速,但城市基本建設,如居住、交通、商業等用地,卻少有發展,3年間的城市建設投資僅占基本建設投資總額的1.5%,城市面貌混亂且擁擠,城市用地擴展緩慢。1960～1976年是自然災害時期和文革時期,人口曾一度減少,城市建設幾乎停滯。只是在1968年河北省省會遷入石家莊市,成為城市發展的一大契機,之后國家又將發展經濟作為工作重點,其城市經濟才開始恢復,隨著城市人口數量的上升,相應居住、辦公、商業、交通用地增加,城市土地利用規模才開始擴大。2.4城市用地發展概況這一時期,石家莊市城市用地呈現出快速發展趨勢。建成區從1981年的52.64km2以年平均3.43km2的速度向外擴展,1991年達到86.98km2,增加了65.2%。之后的10年間城區面積翻了一番,到2001年增加到165.5km2,年均擴展7.85km2,成為石家莊市歷年城市用地發展的最高峰。人口也從1981年的103.1萬發展到1999年的160.9萬,增長了52%多,城市二、三產業發展迅速,工礦、商業、居住、交通、市政、綠化等用地都有所增長,其中有舊城改造,但更多的是占用耕地向外擴張,如1995年石家莊市建設占用耕地就達126.67hm21。盡管90年代人們對高速增長的城市人口對糧食的需求不斷增加與郊區耕地驟減的矛盾以及城市土地利用/覆蓋面積的擴張所帶來的環境質量下降等問題有所認識,但隨著經濟的發展、社會的進步,城市用地的擴展已經勢不可擋。3特殊目的型的城市擴展石家莊市從空間上看是一個東西長、南北短、近似橢圓形的城市,其空間擴展在不同的發展時期有著不同的特點,但也存在共同的特征,即城市用地高速擴展的重心區域在京廣鐵路線東西兩側擺動,東西方向快于南北方向,東側發展又快于西側,沿石太、石德鐵路線向南側發展快于北側,這不僅表明了交通線對城市發展的巨大作用,也與城市周圍土地的自然條件有關,符合城市擴展總是向用地條件好的平原地帶發展的趨勢。石家莊市不同發展階段的城市土地利用擴展強度分布如圖2所示。在緩慢成長期的1934～1947年期間(圖2a),最大年平均擴展率為7.2%,平均1.9%,標準差0.017。擴展率大于3.01%的快速擴展單元占27.0%。主要集中分布在圍繞1934年城區的郊區邊緣地帶,布局有大量的市政設施、居住區、工廠、倉庫、醫院、學校及商業用地;另外,在遠離市中心的西部,分布有2個快速增長單元,是以軍事用地為主的兵站和倉庫。擴展率在0.8～3.0%之間的擴展單元占45%,主要分布在西部。可見石家莊市在緩慢增長期城市擴展的空間分布特點主要是以交通改善為動力帶來的舊城區周圍的增長,但由于戰爭原因,以軍事目的為主的大量特殊用地擴展也是使城市規模擴大的一個非常重要的原因,因此,可稱之為特殊目的型。1947～1981年間雖然有建國后一個短暫的快速增長時期,但其后是長達26年之久的大躍進和文革的非常時期,發展非常緩慢,最大年平均相對擴展率僅有2.95%,平均1.32%,標準差0.010,這些數字甚至低于緩慢成長期。相對年均擴展率大于1.98%的空間單元占30%,主要分布在舊城區的周圍,但以京廣鐵路東部占較大比例(圖2b)。這主要是由于東北部工業區的形成以及東南部相應的生活區的建設所致;京廣鐵路以西的擴展主要是因省會遷入所引起的行政用地和居住用地的增加。相對年均擴展率在0.72～1.98%之間的空間單元占34%,均勻地分布在較快速發展區域的外圍。這一時期的發展受社會政治形勢影響明顯,為文革前后受社會政治形勢左右的行政干涉型,城市擴展主要以京廣鐵路以東為主。改革開放以后,石家莊的城市發展進入了一個全新的階段。從1981～1991年的10年是石家莊市城區擴展的加速期。城市的東南部擴展較快,擴展土地利用類型主要為居住用地及文教衛生、商業和工業用地。這一時期最大相對年均擴展率達到9.75%,平均3%,標準差0.0273。相對年均擴展率大于6.23%的高速增長單元占總擴展單元的15.9%,主要分布在石太、石德鐵路以北以及市區東部和東南部(圖2c),利用類型以居住用地為主。相對年均擴展率在3.59～6.23%的中速擴展單元占總擴展單元的23.36%,多分布在城區的南部,以居住、文教、衛生及工業用地為主。這一階段的相對年均擴展率很快,這主要因為自80年代開始,有一個利于城市發展的社會環境,石家莊市進入了城市擴展的高速增長期的預備階段。1991～2001年的城市用地以前所未有的速度向外擴展,城市規模迅速擴大。相對年均擴展率的最大值為10.01%,平均達到7.81%,標準差為0.0413。相對年均擴展率大于6.8%的高速擴展單元占18%,主要分布于市區東部的高新技術產業開發區和市區的西北、西南部呈東北-西南和西北-東南走向的兩條帶狀的住宅區域(圖2d)。相對年均擴展速率在4.2～6.8%之間的次高速擴展單元占總量的25%,分布在高速擴展單元的外圍,但是以東南部連片分布較多,主要為居住用地和工業用地。綜上所述,石家莊市不同時期的城市用地擴展空間上可以概括為緩慢增長期的特殊目的型、迂回發展期的行政干涉型和改革開放后高速增長期的正常增長型3種不同的圈層式擴展模式。圖3為1934、1947、1981、1991和2001年的城市用地擴展變化圖,顯示了城市用地擴展重心沿鐵路線兩側左右擺動的變化趨勢。1947年以前原石太鐵路向南擴展迅速、向北則無擴展。1947～1981年間京廣鐵路東側石德鐵路南側為快速發展區域,1981年石德、新石太鐵路仍成為城市擴展的北界。1981年以后才越過石太、石德鐵路向北大幅擴展。1991～2001年城市四周均有擴展,但以東北部為少。4基本條件對城市擴展的影響綜觀石家莊市城市用地變化的時間及空間分異特點,探究其城市用地擴展原因,可看到社會經濟與自然環境兩方面的重大影響。整個歷史時期土地利用的變化大都是人類社會為滿足自身對生存環境的需求而通過對土地利用方式的改變,對土地這個自然綜合體進行長期的干預行為的積累所造成的。社會經濟因素,包括人口變化(數量、素質)、價值取向、技術進步、經濟增長、社會政治經濟政策環境、富裕程度等因素,這些因素通過對土地產品的需求、對土地的投入、城市化程度、土地權屬、土地利用政策及對土地資源保護的態度等作用于城市土地利用。在石家莊市的城市發展過程中,社會政治經濟環境的影響非常巨大。如在1937～1947年間,戰亂使人口數量減少,經濟蕭條,但在戰爭目的指導下,與軍事相關的特殊用地增加成為城市用地擴展的主要原因。戰爭結束后的幾年中(如1950～1955年),社會穩定,經濟迅速發展,城市用地也以超出前一階段2倍多的速度擴展。但在大躍進、自然災害、文革近20年的時間里,城市用地擴展變化很小,年平均擴展速度僅為0.46km2,幾乎趨于停滯。自70年代末以來,社會政治大環境穩定,國家的一系列政治、經濟政策又有利于發展經濟,將經濟建設作為工作的重點,城市建成區也以空前的速度向外擴展,尤其是1992年鄧小平南巡講話以后,開放程度進一步擴大,工商業領域投資的增加也促使城市用地飛速擴展,建成區面積到2001年為止,幾乎比1991年翻了一番。從最近20年的城市擴展變化圖中亦可看出,石家莊市城市用地的擴展不同于南京的沿交通線向外迅速擴張,也不同于深圳的與交通干線、距城市中心區的成本距離、坡度、距城鎮用地的最近距離密切相關的特點,而是沿城市郊區的邊緣地帶向外蔓延,這與城市的區位條件和發展政策關系密切。分析1978年以來的石家莊市建成區面積與人口、工業總產值、公路鐵路貨運總量和全民基礎建設投資額等幾個主要因子之間的關系(圖4),發現人口數量與建成區面積具有很強的相關性,二者之間具有如下的線性關系(圖4a):y=0.8793x-32.154,相關系數r2=0.9833,表明人口增長是城市擴展的最主要的動力之一。1987年以前工業總產值與建成區面積有很高的相關性(圖4b),而進入90年代后,雖然工業總產值增加很快,但建成區面積的增加相對變緩。說明80年代城市迅速擴展主要可能與鄉鎮企業的大量興起有關,進入90年代以后,工業總產值的迅速增長主要源于第三產業產值所占比例的迅速增大,因而并不對城市擴展產生顯著的影響。交通條件對城市擴展的影響在石家莊市的發展初期已被證明。80年代以來,交通條件的進一步改善更促進了石家莊市的擴展。京廣、石太、石德鐵路,107、307、308等幾條國道干線,京深、石太、石黃高速公路等多種類多層次交通干線的交錯布局促使石家莊市在1990年快速發展成為區域重要的交通樞紐和物流的中轉地。采用年貨運量來衡量城市的交通狀況,分析發現建成區面積與公路鐵路年貨運總量之間具有顯著的線性關系(圖4c),二者的關系可以表示為,y=0.0621x-18.847,相關系數r2達到0.8087。表明交通狀況的改善對城市擴展有著明顯的促進作用。圖4d顯示了全民基礎建設投資額與城市擴展之間的對應關系。1991年成為一個關鍵的轉折點,在此之前的80年代,基礎建設投資增長緩慢,而建成區面積的增加卻異常迅速,說明了當時城市擴展主要是并入周邊發展快的鄉鎮而使城市面積迅速擴大,實際的基礎建設投資比較小。20世紀90年代之后大量基礎建設投資的投入很大程度上用于城市面貌的改造,主要是立體發展,其中也有對新增開發區的建設和新建住宅的投入,因而對城市面積擴展的影響相對減緩。由此亦可見政策因素對城市擴展起著重要的作用。此外,地質條件、地形地勢及自然環境等,也決定了城市擴展的總體趨勢。如西面的太行山和北面的滹沱河成為石家莊市向外擴展的天然屏障,而東面與南面均為地勢平坦的平原地帶,因此總體上石家莊市城市土地利用向東向南擴展。另外,氣候水文條件,如風向、地下水流向等也決定著城市土地利用方式的布局。石家莊市的主導風向為東南風和西北風,地下水的天然流向是自西北流向東南,因而大部分工業用地布局在市區的東北部,而居住用地則多分部于市區的東南部和西北部。5地表環境生態改變城市化進程改變了原有的自然生態系統中的地表特征,如粗糙度、反射率等,影響自然環境中的物質循環、能量流動和大氣中部分組成氣體的含量以及水資源的質量和數量。城市氣候的研究結果表明,城市土地利用變化極大地影響了城市氣候和城市水資源,在城市化過程中,幾乎所有的地表天氣環境都發生了變化,如太陽輻射、溫度、濕度、能見度、風速、風向及降雨;城市土地利用方式對水資源的影響在于城市下滲能力和樹木的截流能力遠小于非城市土地利用方式以及城市土地利用方式對水質帶來的污染。石家莊市從20世紀30年代的自然生態系統占絕對優勢變成目前的城市生態系統占絕對優勢,原有耕地、林地以及未利用地變為工業、交通、居住、休