腾冲市城市建成区扩张特征分析

腾冲市城市建成区扩张特征分析

王东驰1  李盈盈2

（1.陕西省西咸新区地理信息中心，西安 712000;2.济宁市任城区自然资源局,济宁 272000）

摘要：城市化背景下，腾冲市作为支撑中缅边境地区经济社会发展的关键节点，正处在开放发展和城市扩张的重要阶段。为更好了解其城市建成区时空演变特征，本研究以Landsat影像为数据源，提取4期腾冲市建成区范围，并从建成区扩张数量、空间扩张形态两方面，研究了2000-2019年腾冲市建成区的扩张变化特征，结果表明：①近20年间腾冲市建成区扩张的自然限制较少，扩张较快，从855.96hm2扩张至3204.06hm2，其中又以2006-2012年扩张动态度最高，是主要扩张阶段。②腾冲市建成区各个方向扩张较为均衡，但整体形态较为松散，需在未来规划建设中不断优化调整，引导城市建成区良性发展。

关键词：城市建成区扩张；空间扩张形态；标准差椭圆

中图分类号：K901文献标志码：A

在城市化背景下，每一座处在不同经济发展阶段的城市都有其与众不同的扩张演变特征。分析城市建成区的扩张过程，了解其时空演变特征，总结扩张模式并评估扩张的合理性，对了解城市建成区的扩张机制，探索扩张管理和控制措施等具有重大意义[1]。

腾冲市作为中缅边境地区重要的支点城市，在2015年实现撤县设市，其城市化发展水平处在地区前列。伴随着“一带一路”、滇缅国际经济合作圈和“孟中印缅”经济走廊等系列发展战略措施的提出，可预见未来一段时间腾冲市仍将保持着快速发展态势。本研究基于提取出的腾冲市建成区信息，从建成区扩张数量、空间扩张形态两个方面总结提炼出研究区建成区扩张演变特征，希望在城市化快速推进，城市空间急剧变化的当下，为当地乃至地区其他城市未来下一阶段的建成区发展提供借鉴参考。

1数据来源与预处理

研究选用的数据主要是腾冲市2000年、2006年、2012年、2019年的Landsat遥感影像。利用2019年高分辨率谷歌影像描绘出2019年的城市建成区。然后，利用历史年份的LandsatOLI/TM遥感影像，分别对TM、OLI影像进行红绿蓝453、543波段的假彩色组合，突出建设用地的显示特征，以2019年的城市建成区作为底图修改得到2012、2006和2000年的腾冲市建成区范围，可充分利用高分辨率谷歌影像的细节优势，准确框定出建成区的最大范围。

2研究方法

2.1城市建成区扩张数量分析

2.1.1扩张速度

城市建成区扩张速度是利用各阶段建成区面积的变化来体现其在数量上的演变情况，了解其扩张演变的速度趋势[1]。具体是通过年均增速来量化城市建成区面积的数量变化情况，公式如下：

上式中：L为城市年平均扩张速度，Sa、Sb为研究基期和末期的城市建成区面积，T为研究时段。参考相关文献[2-3]将城市建成区扩张速度划分为：高速扩张型（>100hm2/年）、快速扩张型（60～l00hm2/年）、中速扩张型（20～60hm2/年）、低速扩张型（<20hm2/年）。

2.1.2扩张幅度

扩张幅度指数是研究时段内，城市建成区扩张面积与初始建成区面积的比值，可以有效地反映城市建成区的扩张幅度大小，公式如下[4]：

式中：F为扩张幅度，Sa为某时间段内城市建成区的初始面积，Sb为该时间段内城市建成区的末年面积。

2.1.3扩张动态度

扩张动态度是在扩张幅度的基础上，进行年平均计算，反映城市建成区扩张的动态变化率，反映城市扩张的相对速度，公式如下 [5]：

式中：T为该时间段的时间间隔。

2.2城市建成区空间扩张形态分析

2.2.1紧凑度

紧凑度通过对城市建成区周长和面积的组合计算，能够反映出建成区空间形态的紧凑和饱满程度。公式如下[4]：

式中：N为城市建成区紧凑度，S为城市建成区面积，G为城市建成区周长。N值介于(0，1]之间，越接近1说明城市建成区空间越集中、紧凑。相反，数值越低代表城市建成区越疏散，离散程度越高[1]。

2.2.2标准差椭圆

标准差椭圆是依据一组空间数据的分布精确地绘制出一个椭圆，可以揭示数据的整体分布特征。空间组数据的总体空间轮廓和主导方向可根据标准差椭圆的中心点、方向角、长轴长度、短轴长度等形态指标进行一定程度的反映[6]。

标准差椭圆是通过计算X轴坐标和Y轴坐标的标准差，以空间分布数据的平均中心为起点，得到椭圆轴，而定义出椭圆形状。计算步骤和公式如下所示[7]。

利用算术平均重心计算出椭圆的圆心和长短半轴：

式中：SDEx和SDEy为椭圆的最大和最小方差，代表长半轴和短半轴；xi和yi为每一个要素的坐标；、为所有要素的算术平均中心。以X轴为基准，以正北方向为0度，顺时针旋转确定椭圆的方向：

式中：、分别是xi、yi与、的差值。分别确定x轴和y轴的标准差：

式中：、分别为X轴和Y轴的标准差。标准差椭圆方程式如下:

式中：S为置信度，可通过卡方概率表获得。在得到的多项椭圆形态指标中，长半轴代表了空间数据的分布方向，短半轴代表了空间数据的分布范围。长短半轴长度差越大，表明空间数据分布的方向特征越明显。当长短半轴相等时，数据分布无方向性。

由于城市建成区为面状数据，故需先将研究区建成区数据按照100m×100m的渔网进行分割，再将分割后的斑块集合转为点状数据，通过点阵形式反映城市建成区的空间分布特征，以进行标准差椭圆计算。

3结果与分析

3.1腾冲市建成区扩张数量变化分析

借助ArcGIS10.5对腾冲市4期建成区信息进行空间统计分析，得到腾冲市建成区2000年、2006年、2012年、2019年面积分别为855.96hm2、1199.92hm2、2412.23hm2、3204.06hm2，且建成区扩张数量变化情况如表1、表2。

表12000-2019年腾冲市建成区扩张速度表

表2 2000-2019年腾冲市建成区扩张幅度和扩张动态度

分析表1可知，腾冲市建成区在19年中的变化较大，从855.96hm2扩张到3204.06hm2，扩张速度在各阶段波动剧烈，特别是2000-2006年和2006-2012年的速度差达到144.72hm2，表明腾冲市在2006年后建成区扩张有了一个显著的提速，城市建设进入高潮。从不同阶段看，2000-2006年腾冲市的增长速度最慢，为57.33hm2/年，处在中速扩张阶段；2006-2012年的扩张速度最快，达到202.05hm2/年，上升为高速扩张阶段；2012-2019年的扩张速度又下降为1113.12hm2/年，但仍然处在高速扩张阶段。

根据扩张幅度和扩张动态度的变化，腾冲市建成区的扩张过程可以分为明显的三个阶段。2000-2006年，扩张动态度仅有6.70%，城市建成区变化较为有限；2006-2012年是主要扩张阶段，扩张动态度达到16.84%，城市建成区扩张面积是初期建成区面积的一倍以上，城市空间面貌也有了极大变化；2012年以后，扩张速度回落到2000-2006年的水平，城市建成区仅扩张了32.82%。

3.2腾冲市建成区空间扩张形态分析

本文选择紧凑度和标准差椭圆，从数量和图形两个角度，对腾冲市的建成区扩张形态特征进行分析（表3、表4、图1）。

表3 2000-2019年腾冲市建成区周长和紧凑度

表4 2000-2019年腾冲市建成区标准差椭圆参数

图1 2000-2019年腾冲市建成区标准差椭圆变化图

根据表3可知，腾冲市建成区紧凑度呈现出了较为连续的下降态势，从2000年的0.250下降至2019年的0.205，城市框架不断拉大，形态也越来越趋于不规则。但在2012-2019年，下降趋势转变，紧凑度有小幅上升，说明腾冲市建成区空间布局将逐渐趋于合理和优化。

根据标准差椭圆的变化，腾冲市建成区的空间形态变化在19年中可以划分为两个阶段。在2000-2006年，标准差椭圆的方向性较为明显，长短轴在X轴和Y轴间发生转化，长轴从Y轴变为X轴，城市建成区也由东向西扩展；到2006-2019年，椭圆呈现出逐渐趋圆的变化过程。在X轴和Y轴在不断增长的过程中，XY轴长度差也从最大的1109.01m逐渐缩小到108.11m。

4结论与讨论

本文从建成区的扩张数量和空间扩张形态两个方面，对腾冲市在2000-2019年建成区的扩张变化特点进行了研究，并得出如下结论：（1）在近20年的发展过程中，腾冲市建成区扩张显著，从855.96hm2增长到3204.06hm2，增加了2.7倍，其中又以2006-2012年为主要扩张阶段，扩张速度、扩张动态度和扩张幅度均最高。20年的快速扩张主要得益于腾冲市处于自然限制较少、开发空间冗余度较高的河谷坝区，建成区分散拓展条件较好。（2）从空间扩张形态看，腾冲市的紧凑度指数一直都保持在较低的水平，波动变化十分有限，表明其建成区的空间形态都较为疏散，处于较为粗放式的扩张阶段，未来仍有较大扩张优化空间。标准差椭圆则表明腾冲市建成区在各个方向均衡发展，方向性并不明显。

参考文献

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[3]凌赛广,焦伟利,龙腾飞,刘慧婵,易予晴,武盟盟,王威,何国金.2000～2014年武汉市城市扩展时空特征分析[J].长江流域资源与环境,2016,25(07):1034-1042.

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[7]高文信.基于地形地貌的陕甘宁地区城市扩张动态变化分析[D].兰州理工大学,2020.

作者简介：王东驰（1994-12-26），男，汉族，陕西西安人，硕士研究生，主要从事测绘、地理信息管理工作。

单位：陕西省西咸新区地理信息中心，陕西省，西安市， 712000。