付治河

（河南省基础地理信息中心，河南郑州450003）

一、引 言

地理国情是基本国情的重要组成部分，是对包括国土面积、地理区域划分、地形地貌特征、道路交通网络、江河湖海分布、土地利用与土地覆盖、城市布局和城镇化扩展、生产力空间布局等在内的自然和人文地理要素宏观性的综合表达。监测地理国情就是对地理国情进行动态的测绘、统计和分析研究，并向政府、企业、社会公众等各方面及时发布地理国情监测报告，为政府部门决策提供参考，为社会公众提供服务。开展地理国情监测是新时期党中央、国务院赋予测绘与地理信息服务工作的新使命，是党和国家进行科学决策的迫切需要，是准确掌握国情国力的重要手段，是实施国家重大战略和重大工程的重要保障，是发展地理信息产业的重要支撑。

目前，地理国情监测在我国尚处于启动阶段，系统完整的监测体系还未形成。本文以地理国情监测为目的，对城市建成区内诸多要素的变化进行监测，结合区域发展规划，对监测对象的发展趋势进行分析和研究，并揭示其内在动力，可为城市发展提供技术和数据支持，同时也可为对象区域地理国情监测提供一定的示范作用。

二、监测要素获取

1.监测要素和监测年点

根据对已有地理空间数据、社会经济人文数据的收集与分析，本着先易后难、以点带面的原则，确定监测要素和监测年点。根据分析确定监测要素为郑、汴一体化区域城市(郑州、开封、中牟)建成区内的建成区范围、道路、绿化、建筑物用地、人口、GDP等。监测年点为8个年份，它们分别为:1963年、1971年、1984年、1996年、2001年、2005年、2008年、2010年。

2.监测要素获取

（1）技术流程

技术流程如图1所示。

图1 监测要素获取技术流程

（2）技术方法

监测要素获取主要通过监测年点已有的1∶1万比例尺数字线化图(DLG)、数字栅格图(DRG)和影像图，经融合、纠正、采集、整合等处理后，再按照数据库建库要求，将提取的监测要素入库。对于不同的数据源，采用如下方法:对于该年份已有1∶1万地形图数据的，可直接从1∶1万地形图数据库中提取，结构与属性保持与1∶1万比例尺地形图数据库一致;对于该年份没有1∶1万地形图数据库数据但有高分辨率遥感影像和邻近年份的1∶1万DLG数据的，利用反演法在ArcMap中将该年份纠正后的遥感影像与邻近年份的1∶1万DLG叠加，并对两者进行类比分析;对于1∶1万DLG数据中有而影像上没有的监测要素进行删除，对于1∶1万DLG数据中没有而影像上有的监测要素进行采集，从而获取所对应监测年点的监测要素;对于监测年点只有1∶1万DRG数据的，在Arc-Map中利用纠正后的1∶1万DRG进行监测要素数据的采集;对于监测年点只有遥感影像数据的利用ERDAS IMAGINE和ENVI软件，采用最大似然法、监督分类法和人机交互方式对监测要素进行采集;对于社会经济、人文要素信息，主要根据城市统计年鉴、国民经济和社会发展统计公报来统计。

为了有效组织、管理和分析应用郑汴一体化区域郑州、开封和中牟3个城市城区范围内监测要素数据，应按照国家1∶1万比例尺地形图数据库建设标准和规范，确定监测要素数据库结构与分层代码，并根据监测要素具体内容对数据库的层和代码进行扩充，以满足后期监测要素数据统计需要。

三、监测要素变化分析

1.空间密度分析

首先利用GIS的空间分析功能对建筑区与非建筑区、道路与非道路区、绿化和非绿化区进行空间赋值;然后栅格化为100 m×100 m的格网，并利用邻域分析功能计算出该格网所在的1 km2区域内建筑用地、道路、绿化区的面积;最后分别对郑州市、开封市和中牟县建成区内的建筑用地区、道路、绿化区进行分析，并制作多年份建筑用地、道路、绿化区空间分析密度图。从建筑用地空间密度来看，郑州市、开封市、中牟县建成区内建筑用地在1963—1984年间用地密集区较为集中;1984—1996年间则由老城集中区向外分散;1996—2010年间建筑用地密集区范围扩大;由集中分布向均质化发展，建筑用地密度有所提高。从道路空间密度来看，3个城市在1963—1984年间建成区面积较小，道路较为密集;2001年后，随着建成区的扩大，道路建设呈现网络化发展，道路密度密集区增加，区域化的道路高密度区在各区均有分布。从绿化区空间密度来看，郑州市建成区绿化用地的斑块有由破碎到整合的趋势，通达性较好;开封市建成区绿化用地的斑块有由整合到破碎的趋势，通达性变差;中牟县建成区绿化用地的斑块有由破碎到整合的趋势，通达性有变好的趋势。下面为建筑用地空间密度的一些例图，如图2、图3所示。

图2 郑州市2008年空间密度分布图

图3 郑州市2010年空间密度分布图

2.扩张数量分析

根据对3个城市建成区面积增长量、增长率与时间序列的关系，可以看出郑州市各监测年点建成区面积增长量均大于开封市、中牟县，并且都呈现出两个明显的增长区段，分别是1984—1996年期间、2001—2005年期间，如图4所示。

图4 3城市建成区面积增量图

3.扩张速率分析

建设用地扩张速率表示单位时间内建设用地面积变化的幅度，其计算公式为

式中，Ua、Ub分别表示各监测时段开始和结束时建设用地的面积;T为监测时段的长度，时间步长设定为年;Rs表示年均变化率。城市建成区扩张速率见表1。

表1 城市建成区扩张速率分析统计表 (%)

城市建成区扩张速率表明，郑州市建成区扩张总体呈现出增—减—增—减的趋势;开封市建成区扩张总体呈现出增—减趋势;中牟县建成区扩张总体呈现出与开封市相类似的增—减趋势。

4.扩张形态分析

城市形态的变化，是城市空间布局和机构变化的综合反映。从城市空间形态的变化可以分析城市的生长过程，揭示扩展规律。分别从城市的紧凑度指数、分维数指数、放射状指数对郑州市、开封市、中牟县各监测年点建成区的形态进行分析。结果表明，各监测年点城市空间紧凑度指数总体呈现先增后减的趋势，城市空间越来越离散，城市形态越来越复杂。从分维指数上看，郑州市2001年前分维数减小，说明该时期城市以内部结构调整为主;2001年后分维数逐渐增加，说明建成区以向外扩展为主;2001与2005分维数相差较大，说明该时期建成区向外扩展程度大。开封市、中牟县各监测年点建成区城市分维指数接近1，说明开封市、中牟县各监测年点建成区空间形状相对简单。

5.扩张空间特征分析

通过对建成区质心位置变化和八方位区域建成区面积增量，来判断城市发展轨迹和发展方位差异。

质心位置是描述地理目标空间分布的最有用的指标之一。质心是目标保持均匀分布的平衡点，通过对目标坐标值加权平均可以求得，公式如下

式中，i为离散目标物;Wi为该目标权重;Xi、Yi为目标。

八方位建成区的面积扩张是以1963年各城市建成区中心为城市扩展的原点，并把建成区分割为8个区域，分别统计不同区域内城市建成区扩张量在不同时期内的变化，并绘制3个城市监测年点城市建成区在8个区域内的扩张分布图。如图5所示。

图5 郑州、开封、中牟建成区八方位分布图

结果表明，郑州市建成区质心出现明显的东移，总体扩张方向为东向、北向;开封市建成区质心出现明显的西移，总体扩张方向为西向、西北向;中牟县城区质心出现明显的西移，总体扩张方向为西向。

四、城市扩张内在动力

1.人口增加是城市扩张的主要驱动力

人口是城市构成要素中最活跃的因素，人口数量的增加将直接影响到城市建成区用地的扩张。随着城市化水平的提高，大量农村人口转入城市，使得城市市区人口不断增加，人口的增加必将导致城市住宅用地、交通道路、公共建设用地的快速增加。因此，建成区扩张将是必然结果。2010年郑州市建成区面积是1963年的6.29倍，市区人口415.147万人，是1963年的4.97倍。通过对郑州市市区总人口与建成区扩张进行相关性分析，发现郑州市建成区面积与市区总人口呈现很强的幂函数相关性，且R2=0.909 4。2010年开封市建成区面积是1963年的2.88倍，市区人口89.606万人，是1963年的2.18倍。通过对开封市市区总人口与建成区扩张进行相关性分析，发现开封市建成区面积与市区总人口呈现很强的二次相关性，且 R2=0.985。2010年中牟县建成区面积是1963年的11.72倍，市区人口10.874万人，是1963年的12.08倍。通过对中牟县市区总人口与建成区扩张进行相关性分析，发现中牟县建成区面积与市区总人口呈现很强的线性相关性，且R2=0.955。

2.经济发展助推城市扩张

经济发展是影响城市建成区用地扩张的又一重要因素。经济的快速发展，带来实际收入水平、固定资产投资的增加，促使城市用地规模与扩张速度加快。郑州市2010年GDP是1963年的4万多倍，郑州市建成区面积随着GDP的增长而增加。通过建成区面积与GDP之间相关性分析知，二者之间的相关性很高，R2=0.910;开封市2010年GDP是1963年的148.62倍，开封市建成区面积随着GDP的增长而增加。通过建成区面积与GDP之间相关性分析知，二者之间的相关性很高R2=0.971;中牟县2010年GDP是1963年的2500多倍，中牟县建成区面积随着GDP的增长而增加。通过建成区面积与GDP之间相关性分析知，二者之间的相关性很高，R2=0.966。

3.居住环境变化促使城市扩张

通过对铺装道路面积、园林绿地面积等居住环境与建成区扩张进行相关分析，结果表明建成区面积扩张与二者分别呈现二次关系。这说明，随着人口向建成区的转移、城市外扩的进展、城区人民生活水平的改善，其对交通、绿地、市政设施用地的要求越来越高，更加促使城市建成区面积的扩张。

4.政策支持是城市扩张重要推力

郑汴一体化作为“十一五”期间优先推动的建设项目，是要将郑州建成全国重要的现代物流中心、区域性金融中心、先进制造业基地和科技创新基地，将开封建成国际文化旅游城市和中原城市群的纺织、食品、化工和医药工业基地，成为郑州都市圈重要功能区。同时，其还将加快郑州的休闲、娱乐等服务功能与开封衔接，使开封成为郑州都市圈中具有浓郁文化特色的休闲娱乐功能区，实现郑汴两市互补。在郑东新区与中牟之间、中牟与开封之间，发展都市型农业和观光农业。受郑汴一体化建设相关政策的引导和支持，郑州市建成区呈现明显向东扩张，开封市建成区呈现向西扩张的趋势，而处于郑汴之间的中牟县，其建成区向西扩张。

五、结束语

城市扩张是地理国情变化的重要组成部分。本研究基于多期历史地理空间数据，结合相应时期的社会经济、人文数据，从地理空间的角度分析郑汴一体化区域中心城区监测要素的变化趋势，研究结果表明，郑汴一体化区域城市建成区保持着较高的城市扩张速率。建成区质心位置有着明显的变化，形成相互凝聚的态势。郑汴一体化区域城市建成区城市紧凑度和放射状指数说明郑汴一体化区域城市空间发展经历了先聚集再离散过程，城市形态也经历了复杂到简单再到复杂的过程，并且近年城市空间将会越来越离散，城市形态越来越复杂。郑汴一体化区域城市建成区扩张方位具有明显的空间特征，具有重点的发展方向，这也体现出了一定政策性、规划性。随着城市经济实力的增强和加大城市环境整治和生态保护的力度，3个城市的绿化用地均有所增加，区域生态景观建设效果明显。总体来看，高速外延式的发展是近年来郑汴一体化区域城市扩张的主要特征。

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