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干旱区绿洲城市建设用地扩张时空格局变化特征研究.pdf

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资源描述

1、第42卷 第5期 生 态 科 学 42(5):231240 2023 年 9 月 Ecological Science Sep.2023 收稿日期:2021-04-05;修订日期:2021-04-17 基金项目:新疆维吾尔自治区高校科研基金项目(XJEDU2021I021)作者简介:尹慧慧(1994),女,河南商丘人,硕士研究生,研究方向为资源环境遥感,E-mail:*通信作者:毋兆鹏(1976),男,陕西西安人,博士教授,主要从事 3S 技术与绿洲资源开发研究,E-mail:wuzhaopengxj 尹慧慧,毋兆鹏.干旱区绿洲城市建设用地扩张时空格局变化特征研究J.生态科学,2023,42(

2、5):231240.YIN Hui hui,WU Zhao peng.Spatiotemporal changes of urban construction land expansion in oasis in arid regionJ.Ecological Science,2023,42(5):231240.干旱区绿洲城市建设用地扩张时空格局变化特征研究 尹慧慧1,毋兆鹏1,2,*1.新疆师范大学地理科学与旅游学院,乌鲁木齐 830054 2.新疆干旱湖泊环境与资源实验室,乌鲁木齐 830054 【摘要】基于 2000、2010 和 2018 年 3 期 Landsat 遥感影像,借助建设

3、用地扩张年增量和年增长率,明确了干旱区绿洲城市乌鲁木齐城市建设用地扩张强度和速度,并分析了飞地式、边缘式和填充式三种扩张模式特征及其带来的热力环境影响。研究结果能为绿洲城市未来土地利用结构优化和生态效益提高,预防土地利用冲突的发生,促进区域和谐稳定、建设人与自然和谐共生提供例证和科学支撑。结果表明:(1)20002018 年间城市建设用地面积持续地增长,其扩张速度呈先增后减趋势,城市扩张方向主要是东北、南和西南;(2)20002018 年城市扩张模式是以填充式和飞地式为主,18a 间三种扩张模式均是以草地和耕地转入为主;(3)在建设用地扩张背景下,20002018 年热力场环境分布与建设用地在

4、空间上具有一致性,热力现象在此期间局部有所下降但总体呈上升趋势。关键词:关键词:建设用地;扩张模式;时空格局;乌鲁木齐市 doi:10.14108/ki.1008-8873.2023.05.027 中图分类号:P208 文献标识码:A 文章编号:1008-8873(2023)05-231-10 Spatiotemporal changes of urban construction land expansion in oasis in arid region YIN Hui hui1,WU Zhao peng1,2,*1.Xinjiang Normal University School of

5、 Geosciences and Tourism,Urumqi,Xinjiang 830054,China 2.Xinjiang Arid Lakes Environment and Resources Laboratory,Urumqi,Xinjiang 830054,China Abstract:Based on the 3rd issue of Landsat remote sensing images in 2000,2010 and 2018,the intensity and speed of urban construction land expansion in Urumqi,

6、an oasis city in arid areas,and the characteristics of the three expansion modes of enclave,edge and fill were analyzed and their thermal environmental impact were analyzed.The results can provide examples and scientific support for optimizing the future land use structure and improving ecological e

7、fficiency of oasis cities,preventing the occurrence of land use conflicts,promoting regional harmony and stability,and building harmonious coexistence between man and nature.The results showed that the area of urban construction land continued to grow from 2000 to 2018,and its expansion rate showed

8、a trend of first increase and then decrease,and the direction of urban expansion was mainly northeast,south and southwest.The three expansion modes between 18a were mainly grassland and arable land transfer.Under the background of construction land expansion,the environmental distribution of thermal

9、 field and construction land was spatially consistent from 2000 to 2018.The thermal phenomenon decreased locally during this period but showed an overall upward trend.Key words:construction land;expansion pattern;spatial and temporal pattern;Urumqi city 232 生 态 科 学 42 卷 0 前言 我国耕地资源短缺,未来工业化、城市化进程中仍需占

10、用大量耕地,我国适度开发的后备耕地总量中约 70%属生态脆弱区土地,维持国家耕地总量平衡已成必然。因此开展绿洲城市建设用地扩张研究,既是从理论上协调农业开发与生态退化关系、优化土地配置的需要,更是维护国家安全的实际需求。城市空间扩展研究,已因此成为当前众多学者在城市化进程研究中的热点。相关成果主要包括城市土地扩张模式13、驱动力机制3、生态效应45、城市增长边界划定6以及空间模拟预测等。地理信息系统和遥感技术在此方面的应用,则极大推动了该领域的发展。但在此过程中,国内对于经济发达地区一二线大中型城市的相关研究较多,而对于干旱区绿洲城市,尤其是其内部用地功能演化关注较少。2013年9月,国家主席

11、习近平倡议共同建设“丝绸之路经济带”,2015 年 3 月,新疆被确定为丝绸之路经济带核心区7。尤其是,十八大提出要构建“生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”的“三生空间”,指出了国土空间优化的目标和原则。乌鲁木齐属典型干旱区绿洲城市,同时也是新疆的政治、经济和文化中心,由于地形地质条件限制及水土资源空间分布不平衡,使得在工业化、城市化快速发展中,已无法按照“以水定地”原则实现耕地占补平衡,适宜城市建设发展的空间与周边耕地和基本农田分布高度重叠,导致城市在发展用地布局上频频掣肘。加之局部地区土地退化和土地污染现象较为严重,区域农业发展、生态保护与城市化发展之间的矛盾日益尖锐。

12、在此背景下,本文借助 20002018 年 Landsat 卫星影像,基于乌鲁木齐市建设用地,通过计算其扩展速率、城市扩展强度、扩展面积变化等指标,刻画乌鲁木齐城市扩展的时空特征,并分析建设用地扩张后城市热力环境,为绿洲城市未来土地利用空间结构优化提供例证和科学支撑。1 材料与方法 1.1 研究区概况 乌鲁木齐市地处中国西北新疆中部地区的天山中段北麓、准噶尔盆地南缘,位于东经 864862885824,北纬 424532450000(图 1),地势起伏悬殊,山地面积广大。地势由东南向西北降低,市区平均海拔 800 米,属中温带大陆性干旱气候78。研究区辖天山区、沙依巴克区、高新技术开发区(新市

13、区)、水磨沟区、经济技术开发区(头屯河区)、达坂城区和米东区 7 个区,及 1 个乌鲁木齐县。1.2 数据来源与预处理 本文2000 年和2010 年空间数据主要选取Landsat5 TM 影像,2018 年空间数据主要选取 Landsat8 OLI影像,成像时间均为当年 8 月,影像云量小于 10%。在完成辐射定标、大气纠正、几何纠正等常规处理的基础上,结合研究区和研究目标,采用最大似然监督分类法完成对建设用地提取。分类结果经与Google 影像对比验证,总体精度均在 85%以上。所有空间数据的运算均在 Arcgis10.5 平台上完成。需要说明的是,本研究城市建设用地是指,已按城市建设规划

14、布局完成的非农业建设生产用地,包括市区内供人们生产生活的建设用地,以及其余与城市有着紧密联系的郊区建设用地。1.3 研究方法 1.3.1 城市建设用地扩张分析 为了获取乌鲁木齐市城市建设用地扩张的时空变化特征,考虑不同时期计算数据之间的可比性,本文采用年增量(annual increments,AI)和年增长率(annual growth rate,AGR)两个指标4,9。前者用于描述年均变化的强度,后者用于测量年均变化的速度 图 1 研究区概况图 Figure 1 Overview map of the study area 5 期 尹慧慧,等.干旱区绿洲城市建设用地扩张时空格局变化特征研究

15、 233(式 1,式 2)。endstaSSAId (1)1endsta1100%dSAGRS (2)式中,AI(km2a-1)和 AGR/%分别是城市土地年增量和年增长率;staS、endS分别为研究区单元初期、末期建设用地面积;d为时间间隔(年数)。其中,根据建设用地扩张强度大小将AI分为五种类型10,分别为缓慢扩张(00.28 km2a-1)、中速扩张(0.591.05 km2a-1)、快速扩张(1.051.92 km2a-1)和高速扩张(1.92 km2a-1)。1.3.2 城市建设用地扩张类型分析 城市建设用地作为景观类型之一,其扩张是一种重要的生态过程,也将促进格局的演变。“格局一

16、过程”作为景观生态学中的重要思想,同样也被地理学研究广泛采用1115。因此,本文选用景观扩张指数(Landscape expansion index,LEI)来定量识别城市空间扩张过程(式3)。00100VALEIAA (3)式中,LEI的取值范围0100,0A为扩张斑块缓冲区与原斑块重合的面积,VA为扩张斑块缓冲区面积与0A的差值。为分析需要,将城市空间扩张过程分为飞地式、边缘式和填充式3种,具体见表1。1.3.3 城市建设用地扩张热力环境分析 采用覃志豪的单窗算法1618,根据Landsat反 演出的地表温度数据,引入城市热力场变异指数(Thermal Field Variation In

17、dex,TFVI)4定量分析城市建设用地扩张带来的热力环境变化(式4)。meanmeanTTTFVIT (4)式中,TFVI为城市热力场变异指数,T为城市某点的LST,meanT为城市研究区域的平均LST。为了直观地表述城市热力场1923变化,在采用阈值法将其 划 分 为 非 热 岛(TFVI0)、弱 热 岛(TFVI(0,0.15)、强热岛(TFVI(0.15,0.30)和极强热岛(TFVI0.30)。2 结果与分析 2.1 城市建设用地时间变化分析 在完成研究区20002018年间土地利用现状图(图2)的基础上,进一步制作了乌鲁木齐市建成区动态专题图(图3)。结果表明,随着城市化进展,乌鲁

18、木齐市城市建设用地面积由期初286.54 km2增加到期末459.59 km2,随着时间推移城市面积扩张显著。表 1 城市空间扩张类型划分 Table 1 Classification of urban spatial expansion types 类型 LEI 取值范围 说明 飞地式 0 新增建设用地斑块与原有建设用地斑块分离 边缘式(0,50)新增建设用地斑块沿原有建设用地斑块的边缘扩张 填充式 50,100 新增建设用地斑块填充在原有建设用地斑块的内部 图 2 研究区土地利用现状 Figure 2 Land use status of study area 234 生 态 科 学 42

19、 卷 图 3 建设用地面积变化图(km)Figure 3 Map of construction land area change (km)研究区建设用地面积扩张强度(AI)计算结果表明,各区扩张强度虽存在内部差异,但在不同时段上表现一致(图4,表2)。其中,20002010年建成区面积增长98.53 km2,年均增长速率为35.87%;20102018年建成区面积增长74.52 km2,年均增长速率22.89%,两个时期均属快速扩展时期。图 4 各区建设用地面积 Figure 4 Area of construction land by district 研究区建设用地积扩张速度(AGR)的

20、计算结果表明,20002018年间乌鲁木齐市城市建设用地面积年均增长率为30.01%,乌鲁木齐县和达坂城区处于增长前两位,新市区和天山区则位居最后两位。分时段来看,20002010年间为35.87%,20102018年间为22.89%,呈现先增后减趋势。其中,除米东区处于增长趋势外,乌鲁木齐县、达坂城区、头屯河区、水磨沟区、新市区、沙依巴克区和天山区共余6区1县均为下降趋势(图5)。2.2 建设用地扩张空间特征分析 以新市区新疆医科大学附属肿瘤医院为中心,将研究区分为8个象限,并按2 km间隔构建24个同心圆缓冲区,根据扩张强度观察其空间扩展方向,定量分析各象限和各缓冲区内城市建设用地空间分布

21、特征和时间变化特征。表 2 各区建设用地扩张强度及类型 Table 2 Extending intensity and types of construction land in districts 20002010 年 20102018 年 20002018 年 行政辖区 扩张 面积/km2 扩张强度 AI(km2a-1)扩张类型扩张 面积/km 扩张强度 AI/(km2a-1)扩张类型扩张 面积/km2 扩张强度 AI/(km2a-1)扩张类型乌鲁木齐县 14.26 1.43 快速 8.90 1.11 快速 23.16 1.29 快速 米东区 13.06 1.31 快速 26.46 3.3

22、1 高速 39.52 2.20 高速 达坂城区 1.61 0.16 缓慢 1.79 0.22 缓慢 3.41 0.19 缓慢 头屯河区 20.95 2.09 高速 19.82 2.48 高速 40.77 2.26 高速 水磨沟区 10.95 1.09 快速 9.61 1.20 快速 20.56 1.14 快速 新市区 11.10 1.11 快速 1.13 0.14 缓慢 12.23 0.68 中速 沙依巴克区 25.60 2.56 高速 6.08 0.76 中速 31.68 1.76 快速 天山区 0.98 0.10 缓慢 0.74 0.09 缓慢 1.71 0.10 缓慢 总和 98.51

23、9.85 快速 74.53 9.32 快速 172.77 9.61 快速 5 期 尹慧慧,等.干旱区绿洲城市建设用地扩张时空格局变化特征研究 235 图 5 各区建设用地面积年增长率 Figure 5 Annual growth rate of construction land in each district 各时段城市扩张面积结果表明,东北、南和西南始终是城市扩张面积的三个主要方向(图6)。相对而言,近18 a,米东区所在东北方向和乌鲁木齐县所在的南方向处于持续纵深扩展过程,而西南则更多呈现的是由沙依巴克区向头屯河区的区位偏移,纵深扩展较其他两个方向较为缓慢。图 6 各时段建设用地扩张面

24、积雷达图 Figure 6 Radar map of construction land expansion area for each period 进一步统计8个象限内建设用地扩张强度结果表明(图7,图8),20002010年间第5、6象限(即西南方向)的扩张强度最大,属高速扩张,范围主要包括沙依巴克区大部分空间。第3、4象限即东南方向扩张强度最小,属低速扩张,范围主要包括天山区和水磨沟区。20102018年间,第2、7象限扩张强度最大,与上一阶段相比,这两象限由原来的快速扩张上升为高速扩张,符合乌鲁木齐市“南控、北扩、先西延、后东进”的城市发展战略。第4、6象限扩张强度则分别由原来的低速

25、扩张和高速扩张均转变成缓慢扩张,这种发展趋势同样表明“南控”要求的有效落实。图 7 建设用地扩张面积缓冲区象限界定 Figure 7 Construction land expansion area buffer quadrant definition 图 8 各象限建设用地扩张强度(AI)类型对比 Figure 8 Comparison of construction land expansion intensity(AI)types in quadrants 236 生 态 科 学 42 卷 以新市区新疆医科大学附属肿瘤医院为几何中心完成的空间距离分析结果表明,城市扩张面积峰值主要集中在距

26、中心点826 km范围内,并间断在3036 km和4448 km出现小峰值。随着时间的推移,曲线波峰逐渐上移,中心城区的辐射能力也在不断加强(图9)。图 9 各时段缓冲区建设用地扩张面积 Figure 9 Area of construction land expansion in the buffer zone by time period 2.3 扩张模式分析 城市建设用地扩张模式空间分析结果表明,20002018年研究区总体以填充式和飞地式为主。其中,20002010年城市扩张模式是以填充式和飞地式为主,20102018年城市扩张模式则是以填充式和边缘式为主(图10)。将各种扩张模式类型

27、的斑块数量和面积在新增斑块总数量中的相应占比进行计算,以此对研究区扩张类型进行分析。结果表明,随着时间推移填充式扩张虽在斑块数量占比上有小幅度上涨,但却在斑块面积上呈现下降趋势(表3)。与此相反的是,边缘式斑块数量占比虽有所下降,但在斑块面积比例上却有所增长。飞地式则在斑块数量和面积占比上都呈现持续上升趋势,说明了研究区建设用地扩张模式分布呈现空间不均衡特点。进一步分析20002018年间建设用地的转入来源,三种扩张模式均是以草地和耕地转出为主且以前者居多,而水体和未利用地等类型转出虽有但占比很少(表4、图11)。对草地类型而言,飞地式对草地的占用持续上升,但填充式扩张的占用则呈下 图 10

28、建设用地扩张模式分布 Figure 10 Distribution of expansion pattern of construction land 表 3 不同类型扩张模式斑块数量和面积占比 Table 3 Number and area of plaque in different types of expansion pattern 20002010 年 20102018 年 20002018 年 扩张模式 斑块数量比例/%斑块面积比例/%斑块数量比例/%斑块面积比例/%斑块数量比例/%斑块面积比例/%填充式 5.37 55.52 13.72 37.18 10.29 40.95 边缘式

29、 29.53 11.58 41.77 33.50 20.59 23.27 飞地式 65.10 32.90 44.51 29.32 69.12 35.78 5 期 尹慧慧,等.干旱区绿洲城市建设用地扩张时空格局变化特征研究 237 表 4 三个时期扩张模式面积转化来源 Table 4 Sources of area transformation of expansion patterns in three periods 扩张模式类型 年份 草地/km2 耕地/km2 水体/km2 建设用地/km2 未利用地/km2 75.47 28.18 0.82 33.63 9.56 1.64 飞地式 20

30、002018 20002010 20102018 40.03 11.10 20002018 20002010 35.04 11.99 23.50 4.33 0.86 边缘式 20102018 31.96 25.68 1.04 20002018 70.76 20.57 0.24 20002010 66.78 10.62 填充式 20102018 46.92 18.25 0.22 降趋势。对耕地类型而言,三种扩张模式对耕地的占用均持续上升,尤其是边缘式扩张对耕地的占用从20002010年的4.33 km2增至20102018年的25.68 km2,增长了近5倍。这种以草地和耕地为代价,尤其是对耕地

31、的占用,将不利于城市可持续发展,在带来城市生态环境问题同时也极易引发粮食安全问题。2.4 城市热力环境分析 城市热环境及其变化与城市发展关系密切,由于乌鲁木齐市建设用地面积整体处于快速扩张之中,因此其所引起的生态环境问题直接导致了城市地表热环境的剧烈变化。热环境空间分布结果表明,20002018年间研究区非热岛比例持续下降,弱热岛总体增长较为突出,强热岛和极强热岛则呈现明显先升后降趋势(表8)。分期来看,2000年地表热力场高值区主要分布在米东区、新市区、头屯河区及水磨沟区,强热岛蔓延方向主要是在东北和西北方向。2010年,随着建设用地向北部扩张,热岛现象也越来越明显,在头屯河区、新市区、沙依

32、巴克区域强热岛最显著,地处南部的乌鲁木齐县和达坂城区域也出现了热岛现象。2018年,中心城区的热力场呈现下降,热岛效应得到减缓,但边缘区域的强热岛则明显加强(图12)。3 讨论 受地理条件限制,20002018年间乌鲁木齐的城市扩张,既有与其他省会城市的相似性,也表现出了自身的独特性。20002010年乌市的建设用地扩张方向是以东南和西南为主;但随着城市化进程以及经济快速发展,人口不断增加对建设用地的需 求也相应增加,20102018年建设用地以东北、西南和南方向为主要扩张方向;并结合2 km为间隔的缓冲区看,城市建设用地扩张最聚集区域是在距中心点826 km处,方向虽然在南部分布多,但均在乌

33、鲁木齐市城市总体规划(20112020 年)规划范围之内。就建设用地扩张模式而言,与平原区城市及特大城市的“摊饼式”扩展特征相比较,乌鲁木齐市南部受到山地坡度及水源地保护限制,中部河谷地形受红山、雅玛里克山的限制分隔,东西方向扩张受限,三面环山的河谷地形决定了乌市城市建设用地布局呈南窄北宽的T形,导致无法以相似形态进行扩展。因此,只能采取受水域、山体阻隔的“填充式”和“飞地式”扩张模式,并且二者兼具,以填充式为主,外延式和飞地式为辅,主要集中在北部冲洪积平原方向。在研究区建设用地扩张过程中,对其影响的因素是多元的。其中,最主要和最具活力的影响因素是人口。近18年间,研究区城市人口数量从2000

34、年的164.38万人增长至2018年的222.26万人,增加变化量57.88万人。人口规模的膨胀,不仅要满足最基本的生活需求,同时也对就业岗位、娱乐休闲设施、居住用地和消费的需求增加,从而刺激了建设用地的需求也相应增加。从城市交通状况来看,近18年间城市道路长度从2000年的988.38 km增加到2018年的2304 km,在降低了城市内部交通成本的同时,也使得城市建设用地增加,致使城市向外扩张。此外,城市扩张与其自身经济发展密不可分,经济因素是城市建设用地扩张的最根本、最直接影响因素。近18年间,研究区的GDP从2000年的315.00亿元增长至2018年的3099.77亿元;地方财政收入

35、从2000年的26.16亿元增长到2018年的 238 生 态 科 学 42 卷 图 11 三个时期扩张模式转入源 Figure 11 Three-period expansion patterns into sources 表 8 城市热力场等级分级 Table 8 Classification of urban thermal field 热力场 等级 2000 年面积 比例/%2010 年面积 比例/%2018 年面积 比例/%非热岛 11.90 3.64 2.04 弱热岛 57.49 51.75 82.89 强热岛 21.33 26.90 10.72 极强热岛 9.29 17.71 4

36、.35 热岛 88.10 96.36 97.96 458.28亿元。随着生产力的逐渐扩大,第二、三产业产值比重逐渐升高,使得更多农用地向城市建设用地类型进行转变,进而导致对基础设施用地、工业用地和其他用地,特别是对建设用地的需求增加。由于本研究只是综合分析扩张面积、扩张强度及速度,扩张模式及转化来源,以及建设用地扩张后对城市生态的影响,但伴随城市的不同发展阶段,于哪种扩张模式能够与其过程更加适合需要进一步论证。5 期 尹慧慧,等.干旱区绿洲城市建设用地扩张时空格局变化特征研究 239 图 12 城市热力场等级空间分布 Figure 12 Spatial distribution of urba

37、n thermal field 4 结论 研究主要结果如下:(1)20002018年间城市建设用地面积持续地增长,其扩张速度呈先增后减趋势。城市扩张方向主要是东北、南和西南。(2)20002018年城市扩张模式是以填充式和飞地式为主,按阶段来看却有所不同。20002010年城市扩张模式是以填充式和飞地式为主;20102018年城市扩张模式是以填充式和边缘式为主。20002018年间三种扩张模式均是以草地和耕地转入为主,同时有少部分水体、未利用地等的转入。(3)在建设用地扩张背景下,20002018年热力场分布与建设用地在空间上具有一致性,热力现象在此期间局部有所下降但总体呈上升趋势。参考文献

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41、敏,濮励杰,张晶.基于改进景观扩张指数苏锡常地区城镇扩展空间形态变化J.地理科学,2015,35(3):314321.15 车通,李成,罗云建.城市扩张过程中建设用地景观格局演变特征及其驱动力J.生态学报,2020,40(10):32833294.16 覃志豪,LI Wenjuan,ZHANG Minghua,等.单窗算法的240 生 态 科 学 42 卷 大气参数估计方法J.国土资源遥感,2003(2):3743.17 覃志豪,李文娟,徐斌,等.陆地卫星 TM6 波段范围内地表比辐射率的估计J.国土资源遥感,2004(3):28 32.18 李净.基于 Landsat-5 TM 估算地表温度J.遥感技术与应用,2006(4):322326.19 贡璐.干旱区城市热岛效应定量研究D.乌鲁木齐:新疆大学,2007:1952.20 孙茂存,李俊锋.基于 TM 遥感影像数据的乌鲁木齐热岛效应分析J.测绘通报,2015(5):9598.21 耿庆龙,陈蜀江,魏真真,等.基于 RTI 的城市热岛效应变化分析研究乌鲁木齐市为例J.遥感技术与应用,2007(5):618621.22 马桂.乌鲁木齐市中心城区建设用地扩张及其驱动力分析D.乌鲁木齐:新疆大学,2018:2025.23 吝涛,李新虎,张国钦,等.厦门岛城市空间扩张特征及其影响因素分析J.地理学报,2010,65(6):715726.

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