doi：10.3969/j.issn.1005-8141.2021.07.003
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蒋伟峰，李天宇，李倩，吴锶梦，周裕祺，陆林
（安徽师范大学地理与旅游学院，安徽芜湖241000）
摘要：以遥感影像和统计年鉴为数据源，选取城市空间扩张速度等为测度指标，运用空间形态分析等方法探讨了1981—2018年安徽省阜阳市城市建成区扩张的时空演变规律及其影响因素。结果表明：①阜阳市城市建成区处于扩张阶段，扩张速度和强度呈增长趋势。②城市建成区外延城市化和内涵城市化并存，其空间形态由紧凑型向分散型转变。③城市重心由西北部向东南部转移，东南方向仍是城市扩张主导方位。④经济、人口、政策、地理环境是影响建成区扩张的主要因素。 关键词：城市建成区；遥感影像；时空特征；阜阳市
中图分类号:TU984文献标志码：A文章编号:1005-8141（2021）07-0780-07
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Spatial and Temporal Characteristics of Urban Sprawl in Northern Anhui Based on Multi一temporal Remote Sensing Images
-------A Case Study of Fuyang City，Anhui Province
JIANG Wei-feng，LI Tian-yu，LI Qian，WU Si-meng，ZHOU Yu-qi，LU Lin
（School of Geography and Tourism,Anhui Normal University,Wuhu241000,China）Abstract:This paper used remote sensing images and statistical yearbooks as data sources,urban spatial expansion rate etc.as measurement indicators and spatial analysis etc.as methods to explore the temporal and spatial evolution of Fuyang urban expansion from1981to2018 and its influencing factors.The results showed that：①Fuyang urban area was in the expansion stage,and its expansion speed and intensity are increasing.②T he urban built-up area had both extended urbanization and internal urbanization，and its spatial form has changed from compact to decentralized.③The city's centerof gravity shifted from the northwest to the southeast,and the southeast is still the dominant direction of urban expansion.④E conomy,population,policies,and geographical environment were the main factors affecting the expansion of built-up areas.
Key words:urban built-up area;remote sensing image;spatial and temporal characteristics;Fuyang Cit
y
城市建成区是指行政区范围内经过征用的土地和实际发展起来的非农业生产建设地段，包括城市中集中连片的区域、近郊内联系密切的其他城市建设用地中的非农业生产建设用地［1］。总结国内外学者对城市建成区的研究成果，主要集中在研究城市建成区的空间形态格局演变［2］、扩张模式［3］、驱动机理⑷、生态效应［,］等方面。城市空间形态研究从传统定性描述城市扩张，转变为以现代测绘技术为基础，定性定量分析城市建成区扩张特征［［］；建成区扩张模式研究以分析国内外城市建成区（不透水面）土地利用类型为背景，探究建成区扩张的规模、速率等［］；建成区扩张驱动机制研究分为单一要素和综合要素两大类，采用回归分析、聚类分析、地理因子探测器等方法分析区域城市扩张的内在机理［9］；在建成区扩张生态效应研究方面，主要探讨建成区扩收稿日期：2021-02-10；修订日期：2021-04-16
基金项目：国家自然科学基金重点项目（编号：41930644）。
第一作者简介：蒋伟峰（1997-），男，安徽省安庆人，硕士研究生，主要研究方向为旅游地理与城市地理。
通讯作者简介：陆林（1962-），男，安徽省芜湖人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为旅游管理与旅游地理。
-780-张的水环境效应、景观格局风险及空间耦合关系等［5，］。上述研究内容从不同研究角度分析了城市建成区扩张特征，揭示了一般城市建成区扩张的普遍规律。遥感影像具有获取空间尺度大、周期短、地物信息丰富等特点，在研究方法上，一些学者基于不同遥感数据源［10-12］，多角度探究了城市空间扩张过程；另一些学者基于不同遥感数据处理平台［13］，分析了城市空间演化格局以及驱动机制；还有学者基于像元二分法、改进型聚集密度法等提取城市建成区外围边界［4］。利用上述研究方法提取、测度城市建成区，可较为准确地分析城市扩张演变格局。在研究区域上，现有研究更多以沿海发达城市和内陆地区重要省会城市为案例地，测度城市扩张演变格局，以及发展模拟预测［15-18］。在数学方法上，现有研究一般选取城市扩张热点等数学方法表征城市扩张的绝对与相对测度值［19］，但缺少绝对测度值与相对测度值相融合的综合测度指标体系去表征城市建成区扩张，这可以在研究中进一步完善。
皖北地区包括宿州、淮北、蚌埠、阜阳、淮南、亳州6市，各市所处地理环境具有相似性：均位于华北
平原南部区域，地势平坦开阔，农业生产发达，是我国重要的粮食生产基地。但相对应的是，皖北地区人地关系紧张、基础设施建设滞后等问题突出，尢以阜阳市最为典型。阜阳市是皖北人口大市、全国重要劳务输出城市，2018年市区人口229.88万人，庞大的人口数量对城市空间扩张产生了强大刺激作用。在快速城市化和经济转型的背景下，研究城市建成区的空间扩张过程对探索人口密集城市扩张
与人口、经济、土地供需等方面的关系具有借鉴意义。本文以阜阳市为案例地，基于多源长时序遥感影像，从时空维度构建综合测度指标体系，分析了城市建成区扩张时空过程并探讨了驱动机制，旨在为该市城市规划提供决策支持，同时为研究其他城市扩张提供参考。
1研究区概况
阜阳市隶属于安徽省，地处该省的西北部，处于115°37'58”_115°59'46"E,32°46'17"—33°2'32"N之间，现辖颖州、颖泉、颖东3区(图1)，市辖区面积1836km2。截至2018年末，全市总人口1070.8万人，人口数量居全省第一，是全国重要劳务输出大市。2019年，全市实现生产总值2705亿元，居全省第四位。同时，阜阳市拥有京九线最大的货运编组站、高铁站、西关机场等交通设施，交通条件优越。
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阜阳市区高程值
■齡“U5°30'0"E lU'WCB U5°50'0"E116'0'0*£llClO'O'E
图1研究区位置
2数据来源与研究方法
2.1数据来源
本文主要数据包括1981年,1990年,2003年、2008年、2013年、2018年6个时相的Landsat系列遥感影像数据，数据来源于遥感数据共享平台(http：// de.ac/)，影像空间分辨率为30m x30m；阜阳市区边界数据来源于国家测绘局地理信息局标准地图底图(v/index.jsp)，所用底图边界完全无修改；阜阳市人口经济信息数据来源于《阜阳市统计年鉴》、《安徽省统计年鉴》(1999—2020)和《中国城市统计年鉴》，部分缺失数据通过内插法补全。
2.2遥感图像预处理
首先，本文通过ENVI5.1和ArcGIS10.2软件进行遥感图像预处理，包括快速大气校正、去云降噪等；其次，对各年份遥感影像进行波段合成与裁剪，得到建成区多时相遥感影像；第三，在完成上述操作后，进行监督分类、提取建成区面积和精确度评价，得到符合要求的建成区分类结果；最后，通过拓扑处理得到不同年份的城市建成区矢量图层，并通过字段计算器得出其周长和面积等数据(图2)。
图2影像处理流程
2.3主要测度指标
关于对城市建成区的相关测度，一般从时间和空间维度进行。时间维度指在研究年份的时间范围内，测度建成区的土地使用规模的变化规律，可选取扩张强度与速度等指标进行量化表述［19］；空间维度是指在单位时间内城市建成区用地空间扩展的强弱和快慢情况［20］，可选取重心转移指数、分形维数与紧凑度等指标进行量化表述。测度公式如下：扩张时间测度指标/
厶=(s2-S1)T x100% (1)
12=[(S2-S1)T]S1x100% (2)
式中，1、2分别为扩张速度指数、扩张强度指数;S1、S2分别为研究期始末城市建成区面积；T为 研究时间。
扩张空间测度指标/
厶=n x(S3/L1) (3)
I,=2ln(1/4x I1) (4)
式中，3、4分别为紧凑度指数和分形维数指数；3、L1分别为某一时期城市建成区图斑面积与周长。
X,=壬(C tJ x X,)/£C］；Y-=壬(C］x£)/£C］
(5)
D=槡(工+1-工)2+(1+1-亍 (6)
式中，X j、Y j分别为T时相城市重心经、纬度坐标；C,」为第i块矢量图斑面积；X,、Y，分别为第i块矢量图斑几何中心坐标；D为T到T n+1时刻地理单
北京时间几分几秒精确到毫秒-781-
元空间重心转移距离。
为了更直观地解释城市建成区扩张方位差异，
本文采用“等扇方位法”分析了各年份城市建成区， 分别计算了 8个方位上的扩张强度指数，以达到定
量分析城市建成区扩张时空特征的目的。
3阜阳市城市建成区扩张时空特征
3.1建成区扩张时间特征
阜阳市区城市建成区扩张速度呈明显的不均衡 性特征(表1)1981-1990年，建成区面积共增加 了19.5km 2，扩张速度为2.2； 1990—2003年，处于上
升阶段，扩张速度为2.4;2003—2008年，处于快速 扩张阶段，这一时期城市化高速推进，伴随承接产业
转移与房地产开发，城市功能布局不断优化调整，建
成区面积增加了 28.8km 2，扩张速度为2.8; 2008—
2012年处于调整阶段，城市发展以内部城市化为
主，城市基础设施建设与完善产业发展配套体系同
步展开，建成区面积增加了 10.1km 2，扩张速度为
2.0;2012—2018年，城市发展进入新阶段，城南新区
和重大基建项目(合阜高铁)同时开工建设，建成区
面积增加了 133.9km 2，扩张速度达到26.8。
城市建成区扩张强度与扩张速度变化呈一致性
桂林山水风景区(表1)o 1981—1990年处于开始阶段，建成区扩张
面积小、速度慢，但在研究期初始就存在建成区面 积，这一阶段扩张强度系数为0.3; 1990—2008年
处 于平稳阶段，扩张强度系数为0.1;2008—2013年处 于过渡阶段，城市建成区扩展面积小，扩张强度系数 为0.09;2013—2018年处于上升阶段，城市建成区
扩张速度最快，面积最大，扩张强度系数达到最大值
0.3。
表1
1981—2018年阜阳市城市建成区空间扩张情况
3.2城市扩张形态与边界
时间
建成区面积 (m 2)
时段()
扩张面积(m 2)扩张速度(m 2 ?a )扩张强度
(%)1981 6.3—
—
—
—
199025.8
1981—199019.5
2.20.3
200357.41990—2003
31.6 2.40.1200886.2
2003—200828.8
5.8
0.1
201396.32008—201310.1 2.00.092018
230.2
2013—2018
133.9
26.8
0.3
分形维数可测度城市边界形状的不规则性和复
皇家艺术学院杂性，紧凑度可测度城市形态的紧凑程度，二者拥有 较强的独立性和相互验证的效果［21-23］o 阜阳市城 市建成区扩张分形维数与紧凑度指标二者呈负相关 关系(表2、图3)，说明该市城市建成区大而分散的 格局正在逐步形成。1981年城市化水平较低，功能
-782 -
布局主要倾向于行政领域和重化工领域，人口主要 集聚于周边乡镇，紧凑度指数达到最大值0.11，分
形维数指数达到最小值1.25O 1981—1990年，阜阳 市火车站扩建，推动城市建成区向东扩张，颍州区逐 步成为居住功能为主的片区，推动建成区向西南扩 张，因此紧凑度指数下降至0.07。同期，城市建设
规划不断引导城市扩张，城市建成区边界逐渐突破
自然限制，分形维数则上升至1.26。20世纪90年代 末，房地产行业进入金融化开发阶段，颍州区和颍泉
区成为商品房集中分布区，城市建成区面积进一步
增大，城市边界则进一步规则，紧凑度指数下减至
0.06，分形维数指数上升至1.29。2003年以后，经
济发展与承接区域产业转移政策共同推动建成区地 域结构变化;2011年以后，市区启动城南新区建设
规划，城市进一步南扩；到2018年，城市紧凑度指数 达到最小值0.02，分形维数达到最大值1.35。
表2分形维数与紧凑度年际变化南京两日游跟团多少钱
时间
19811990
2003
2008
2013
2018紧凑度指数0.110.070.060.050.04
0.02
分形维数指数
1.25
1.26
1.29
1.32
1.34 1.35
城市建成区空间格局从小且紧凑转为大而分
散。市区正处于外延城市化和内涵城市化并存阶 段，为预测建成区未来扩张情况，对紧凑度指数和分 形维数指数进行趋势线拟合，研究发现紧凑度函数 为 y= - 0.0021x + 4.2263, R 2 = 0.975，分形维数函
数为 y= 0.0029x- 4.468,R 2 = 0.955。二者呈负相 关关系，说明在未来一段时间内市区城市发展仍是
以空间扩张与内部城市化并存模式为主导。
3.3城市重心迁移
城市空间重心是解释城市空间分布的指标［24］。 纵观1981—2018年城市建成区重心迁移情况，总体
呈现出东偏南的趋势(图4)o 1981—1990年，随着 颍东区基础设施建设和早期城市化推进，城市重心
开始向东部地区迁移，迁移角度为23.53°，迁移距离
为1989.33m ; 1990—2003年，市区重化工业建设以 及房地产开发逐步推进，城市重心向南迁移，迁移角 度为79.13°，迁移距离为1417m ； 2003—2008年，阜
阳市承接区域产业转移，各地企业进驻，城市重心向
西南迁移，迁移角度为83.17°，迁移距离为912.45m;
2008—2013年，伴随转移产业配套体系的完善以及
城南新区建设启动，城市重心向南迁移进程加快，迁 移角度为45.24°，迁移距离为1878.07m ；2013年后, 城南新区开发进程加快，包括政府机构、医院、学校、 市民中心等单位迁至此处，城市重心向东南迁移，迁
移角度为8.44°，迁移距离为3863.9m，城市重心最
终位于市区的东南部。
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程集镇三合镇
a. 1981-1990年
袁赛镇
I
|阜阳市区行政区划
袁寨镇
姜堂镇
正午镇
袁寨镇
姜堂镇
程集镇
N
)-201!
插花镇
姜堂镇
正午镇
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淒镇卫钱
图3阜阳市城市建成区年际变化
[■ 2013 年城
2018年城市建成区I 車阳市区行政区划
向上最快，系数为0.07，在N — NE 、W — NW 方向上
扩张较快，系数为0.04,0.05; 1990—2003年间，城市
扩张在E — SE 、E — NE 方向上扩张最快，系数为
0.003,0.002; 2003—2008 年间，在 N — NW 、N — NE
方向上扩张较为迅速，系数为0.03、0.027，在南部方
向上则无明显扩张;2008—2013年间，总体扩张系数 较小，处于内涵城市化阶段，仅E — SE 、E — NE 方向
上扩张较快，系数为0.02; 2013—2018年间，建成区 总体呈现快速扩张趋势。在N — NW 方向上扩张最 快，系数为 0.07，在 W 、S — SE 、E — NE 、W — SW 等方
向上也以较快速度扩张，这一时期阜阳市城市建成 区面积增加迅速。同时，阜阳市城市建成区扩展呈 明显的轴向性，城市沿河道向两侧发展，主导发展方
向仍是南部方向，城南新区的开发使其成为高速发
展翼。
3.4城市扩张方位差异
为更加直观地展现建成区的扩张特征，本文采
用“等扇方位法”分析阜阳市城市建成区1981-2018
年在各方位的扩张情况（图5）。因各扇形区面积夹 角均等，所以得到的扩张强度系数在时空上具有可
比性。
阜阳市城市建成区在各方位上的扩张存在明显 不均衡性。1981—1990年间，城市扩张在E — NE 方
b. 1990—2003年
• 783
•
c. 2003—2008年
d. 2008—2013年
图5阜阳市城市建成区扩张强度方位示意图
4阜阳市城市建成区扩张影响因素
大值26.8，工业产业对区域生产总值的贡献逐步加
大。这说明以重化工、装备制造业为主的第二产业城市建城区的空间分布形态是城市化进程中人
正逐步占据阜阳市产业发展的主导地位。目前阜阳文因素和自然因素共同作用的结果。本文结合现有 研究［9-19>27］，从经济发展、人口因素、政府政策、地理
因素4个方面考虑，分析了推动阜阳市城市建成区 空间格局形成及变化的影响因素。
4.1经济发展与产业产值
经济社会发展带动城市发展，为城市扩张提供 了不竭的动力［25］。改革开放以来，阜阳市生产总值
持续增长（表3），从1981年的4.29亿元增加至2018
年的604.17亿元，近40年GDP 增加了 599.88亿 元，约140.83倍。通过对阜阳市各年份GDP 和建成 区面积进行回归分析可知，二者呈明显正相关性，线
性回归方程为y = 0.314x+ 19.005，相关性系数平方
是R 2 =0.91，说明区域经济增长对建成区扩张的刺 激作用显著。其中，2003年是阜阳市城市建成区扩 张转折点。2003年之前年生产总值增长缓慢，年均
增长率为9.1%，这一时期建成区扩张以空间填充 为主,2003年以后阜阳市经济发展进入高速增长阶
段，年增长率为17.67%，这一时期建成区扩张以跳 跃式大面积扩张为主。至2018年底，阜阳市城市建
成区面积达到230.2km 2，区域经济格局演变过程与 城市建成区扩张阶段一一对应。
经济对城市扩张的驱动作用，本质是经济增长
过程中产业结构重塑产生了新的用地需求［16］。阜 阳市重化工产业的发展直接推动了城市扩张进程。
1981—1990年间，工业产值从2.34亿元增长到3.96
亿元，年均增长率仅为6.8%，市区经济处于低速增 长阶段，同一时期城市扩张速率仅为2.2； 2003—
2018年间，工业产值从31.24亿元增至214.62亿
元，年均增长率达到14.8%，工业发展直接推动了
经济进入高速发展阶段，同期城市扩张速率达到最 市已建成4家省级经济开发区（阜阳市经济技术开
发区、阜阳一合肥现代产业园、颍州经济开发区、颍 东经济开发区）和一批县区级别工业园区，伴随这些
经济开发区的成长壮大，现已成为初具规模的城市 工业新区，不断推动着城市建成区向外围扩张，其中 阜阳市经济技术开发区在2019年被列入国家级经 济技术开发区培育期名单；第三产业对城市扩张推
动力也正逐步加强，其中房地产业成为区域经济新
的增长极。2015—2018年间，阜阳市房地产行业产 值由19.17亿元增长至26.56亿元，房地产建设投资
额达到589.7亿元，仅次于合肥市。阜阳市房地产 的繁荣一方面会抬高地区房价，另一方面则直接推 动郊区城市化进程，在城市外围兴建大批住宅、购物
中心、物流仓储、生产基地等，以追求更低房价和工
业生产成本，这将进一步推动城市建成区空间向外 围扩张。
4.2 人口增长与空间重组
经济因素不仅直接对城市空间扩展产生影响 还通过刺激人口增加对城市空间扩展起作用［26］
（表3）。1981—2018年，阜阳市总人口从18.6万人 增长至229.88万人，人口增长了约12.36倍，而城
市建成区面积扩张了约36.5倍。通过对人口和建
成区面积进行回归分析可知二者呈正相关性，线性 回归方程为y = 71.091lnx- 134.42，相关性系数平方
是R 2=0.83，说明人口增长对城市扩张的刺激作用
显著。
城市绝对人口数量的增加和空间移动对城市原 有基础设施造成巨大压力，这一点在中心城区、老城
区尤为突出，现有人口数量超过基础服务设施上限,
交通拥挤、住房困难、卫生环境状况下降等问题相继
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