居尔艾提·吾布力， 安瓦尔·买买提明,2

(1.新疆师范大学 地理科学与旅游学院, 新疆 乌鲁木齐 830054;2.新疆师范大学丝绸之路经济带城市发展研究中心, 新疆 乌鲁木齐 830054)

城市土地作为人类活动最频繁的地区，其不断变化的动态特征深刻地反映了城市化过程中城市空间结构的变化规律及矛盾[1-3]。城市建设用地扩展及其外围轮廓的变化是城市内部发展压力作用于外部形态所产生的结果，其影响的动力来自于不同时间、不同空间尺度下的自然、社会、经济、文化等诸多因素，是人地关系相互作用的具体表现[4-6]。随着社会经济的快速发展，生活水平的不断提高、城市人口持续增长等多方面需求引起城市用地规模逐步扩大，尤其是城市建设用地的扩展。城市扩展是一个复杂的社会经济现象和过程，城市化进程快速加快的今天，城市的外延扩张日益显著，并且出现难以控制的趋势[7]。因此，研究城市扩展特征、准确判断扩展规律、剖析演化过程是制定合理城市发展规划、调控政策具有重要的意义[8-9]。不同时相的多源遥感数据提供的土地利用信息，已经成为研究城市建设用地动态变化监测的重要手段，与传统的监测手段相比更实时、高效[10-12]。目前，中国诸多学者利用遥感影像图在ArcGIS 和ENVI等辅助软件对城市扩展方面做了大量工作，成果丰收，但是这些研究都集中在中部、沿海发达地区，对新疆一样欠发达干旱地区城市扩展研究比较少，新疆城市是典型的绿洲城市，人地关系十分敏感，其空间变化和驱动机制与其他地方有所不同[13-15]。

新疆阿克苏市位于南疆背部，塔里木盆地北缘，南疆铁路、高速公路沿线，是联系库尔勒、喀什、伊宁的枢纽。该区域农产品资源丰富，与此相邻库车、沙雅、新和和拜城等地，石油天然气开发和加工产业增长迅速。阿克苏市在南疆四地州中经济基础相对较好，区位优越，增长潜力相对较大的绿洲城市之一。新疆城市结构体系中缺少大城市，而阿克苏市将变成新疆大城市有潜力的战略性地域。将来在新疆跨越式发展中，带动周边区域城市化发展的核心城市。在阿克苏市城市化发展过程中，如何合理调整建设用地与城市本身的自然环境，实现可持续城市化发展是政府最关心的问题之一，本文拟借用Arc GIS和ENVI的支持，利用阿克苏市1990，2000，2010和2015年的遥感图像进行分类，得到阿克苏市不同时相的建设用地、耕地、林地、水体、未利用地等信息，研究阿克苏市城市建设用地演变特征，并借助有关统计资料揭示阿克苏市建设用地扩展的驱动机制，以期为阿克苏市跨越式发展合理调整城市建设用地提供参考依据。《城市规划基本术语标准》对城市建成区的概念规定为：城市行政区内实际已成片开发建设、市政公用设施和公共设施基本具备的地区[8]。本文对阿克苏市城市集中连片区进行研究，以期得到不同时期建设用地空间信息。

1 研究区概况

阿克苏市位于塔里木盆地北部，天山山麓山前冲击平原，阿克苏河冲积扇上，地处东经79°39′—82°01′，北纬39°30′—41°27′。阿克苏市城区坐落在多浪河畔，南疆背部交通要道，南疆重镇，阿克苏地区政治、经济、文化中心，东与新和县、沙雅县毗邻，西隔印干山与乌什县、柯平县相望；北接温宿县，南连阿瓦提县，东南部延伸到塔克拉玛干大沙漠的中部，与和田地区策勒、洛甫县交界[16-17]。地形由西北向东南倾斜，南部为塔克拉玛干大沙漠，南北两部最低处为塔里木河河床，西北部为印干山区，中部为冲积扇平原。气候特点属于大陆性干旱性气候，相应降水很少，年平均降水量为43.9～65.3 mm，年平均气温9.8～11.4 ℃。近十几年来，随着社会经济发展、国家投资增长、政策上的支持等诸多因素的影响下，阿克苏市发展速度不断加快，城市化水平不断提高，城市规模不断扩展。2015年生产总值为172.8亿元，第一产业增加值20.89亿元，第二产业增长值47.34亿元，第三产业增加值104.55亿元，固定资产投资为45.02亿元，人均生产总值36 505元。

2 数据与研究方法

2.1 数据来源与数据处理

研究使用的数据是阿克苏市1990—2015年的不同时相遥感影像图，来自于USGS(美国地质调查局)提供的Landsat系列遥感影像图，影像质量好。所利用的图像共4个时间段的Landsat TM/ETM+和OLI遥感影像数据，包括1990，2000，2010和2015年。其他数据包括阿克苏市1990—2015年的人口总数，非农业人口数，国内生产总值，国内生产总值构成，基本建设投资，新增固定资产投资等数据来自于《新疆统计年鉴》。

数据基本处理过程为1990，2000，2010和2015年遥感影像图进行几何校正、大气校正、条带修复、图像镶嵌、图像裁剪等预处理，在ENVE的支持下对4期的遥感影像图进行监督分类，按照《土地利用分类》国家标准，分类5个1级类，建设用地、耕地、林地、水体、未利用地等土地利用类型并进行了精度检验(见表1)。在ArcGIS的支持下得到上述5种土地类型的适量化图及其面积。

表1 分类精度统计

2.2 研究方法

利用城市重心坐标指数，分析城市建设用地几何重心的迁移特征及其总体扩展方向；通过扩展强度和速度指数，分析不同时期城市建设用地扩展面积增长比率和年均增长速度；利用紧凑度，分析城市空间形状特征；利用弹性系数，分析城市建设用地扩展速度和非农业人口增长速度之间的协调关系；综合分析阿克苏市建设用地扩展特征。

2.2.1 城市重心坐标 计算城市重心坐标的迁移，可以得知城市不同时期几何重心的移动情况，通过重心位置可以定量分析城市空间演变规律。公式如下：

(1)

(2)

式中：Xt，Yt——第t年城市建设用地重心的经度和纬度；Cti——城市第i块斑面积；Xi,Yi——第i块斑面积几何重心的经纬度[18]。

重心的转移距离公式为：

(3)

式中：D——转移距离；X1，Y1——研究对象初期的重心坐标；X1，Y2——后期的中心坐标[19]。

2.2.2 扩展强度及扩展速度 城市扩展强度(AGR)和扩展速度指数(I)是定量评价城市空间扩展进程的重要指标。扩展强度和速度可以分析和描述城市用地扩展状态，比较不同时间段建成区面积扩展的强弱、快慢及趋势。城市扩展强度是对年均扩展速度进行标准化处理，使不同时期的扩展速度具有了可比性；城市用地扩展速度表示整个研究时期内不同阶段城市用地扩展面积的年增长速率[20-21]。其计算公式为：

(4)

(5)

式中：AGR——城市扩展强度；I——城市扩展速度； UAn+1和UAi——n+i年和i年的城市建设用地面积(km2)；T——时间隔； ΔUij——时刻i到j城市建设用地面积变化量(km2)。

2.2.3 紧凑度 紧凑度可以用来表达城市的形状特征，是反映城市空间形态内部各部分空间集中化程度的指标。所定义的紧凑度是将研究斑块的周长与和它面积相等的圆的周长进行对比，这种对比也表现出土地的利用效率。城市外围轮廓形状是城市土地利用不断向外围扩展的结果，也是城市化的一个非常重要特征。其计算公式为：

(6)

式中：c——城市的紧凑度；A——城市建设用地面积(km2)；P——城市建设用地外围周长，c(0

2.2.4 城市扩展的弹性系数 弹性系数是描述城市扩展速度和人口增长速度之间的协调关系，城市用地扩展系数R(i)是表示城市扩展速度合理与否的重要指标，当R(i)的系数大于1时，城市用地规模扩展过快；R(i)小于1时，城市用地规模扩展不足；R(i)等于1时，城市用地规模较为合理。，其计算公式为：

(7)

式中：R(i)——城市i的建设用地扩展的弹性系数；A(i)——城市i的建设用地面积年均增长率； Pop(i)——城市i的非农业人口年增长率[23-24]。

3 结果与分析

3.1 阿克苏市建设用地特征分析

3.1.1 阿克苏市建设用地扩展的时空变化特征 4个时间段遥感影像图分类结果表明，阿克苏市建设用地面积在1990—2015年的25 a增长幅度不断提高，不同时期扩展面积有差异性。1990年的建设用地面积为18.34 km2(见表2)，在研究区中占的比列为0.13%，到了2015年建设用地增加到91.61 km2，25 a里扩展的建设用地总面积为73.27 km2，净增加了1990年的4倍，在研究区占的比例为0.64%。2010—2015年扩展的建设用地面积最大，1990—2000年扩展面积最少。扩展速度来看，2010—2015年最快，其次于1990—2000，2000—2010年比较慢。总体上看，1990—2015年阿克苏市建设用地一直保持增长趋势，除了向东和南部小幅度扩展外，更多的是向北、西部面状扩展，向东南、西南方向条状扩展。

表2 阿克苏市不同时间段建设用地面积及其总面积中占的比率

城市建设用地扩展中不断地占用周围的其他土地类型，进而扩展自身面积。阿克苏市建设用地面积1990—2015年大幅度提高，并且占用周边的其他土地类型。阿克苏市现用土地类型主要有建设用地、耕地、林地和水体等。1990—2015年总扩展的建设用地面积为73.27 km2，其中向建设用地转变的耕地面积为28.04 km2，未利用地向建设用地转变的面积为43.84 km2，林地向建设用地转变的面积为0.94 km2，水体向建设用地转变的面积为0.89 km2。25 a内向建设用地转变的其他土地类型中面积最大的是未利用地，其次是耕地，林地和水体总面积本来就少，向建设用地转变的面积也少。

1990—2015年内不同期间向建设用地转变的各土地类型面积有所不同(见图1)。1990—2000年内向建设用地转变的耕地面积为7.08 km2，未利用地面积为9.87 km2其中未利用地被建设用地占用地面积最多，其次为耕地，该阶段北和东南方向主要占用的土地类型为未利用地，东北和西南方向占用的是耕地；2000—2010年内向建设用地转变的耕地面积为11.99 km2，未利用地面积为10.40 km2，其中耕地被建设用地占用的面积最多，其次为未利用地，该阶段东、东南、西南方向占用土地类型是未利用地，东北、西和西南方向占的是耕地；2010—2015年内向建设用地转变的耕地面积为18.33 km2，未利用地面积为21.99 km2，其中未利用地被建设用地占用地面积最多，其次为耕地，该阶段北、西北、西南方向占用的是耕地，东南、西南方向占用地是未利用地。各类土地类型向建设用地转变的情况来看，阿克苏市建设用地扩展是不断地占用未利用地和耕地的结果，向北、东南、西南方向主要占用的土地类型为未利用地，向东北、西方向主要占用的土地类型为耕地。

图1 阿克苏市不同时期向建设用地转变的土地类型数量变化

3.1.2 城市重心坐标转移、扩展强度指数和扩展指数变化特征 通过公式(1)，(2)和(3)计算得出，阿克苏市建设用地1990,2000,2010,2015年的重心坐标及其移动距离(见表3)。1990—2000年建设用地重心坐标移动不太明显，移动方向是东北方向(EN)，移动距离是0.243 7 km，扩展方式是面状；2000—2010年建设用地重心坐标迁移较大，移动方向是西南方向(WS)，扩展方式是条带状和面状；2010—2015年建设用地重心坐标移动最大，移动方向西南方向(WS)，扩展方式是条带状和面状。

表3 不同时期阿克苏市建设用地重心坐标转移情况

城市重心坐标转移是多种原因引起的，主要是自然因素导致的重心转移、老城区改造成本过高导致的重心转移、城市某一期间呈现飞跃式发展导致的重心转移等。阿克苏市的建设用地重心坐标转移是多种因素共同导致的，其中最主要的因素是飞跃式发展导致的重心坐标转移。25 a内国家对阿克苏市在内的新疆诸多城市在经济上大力支持，政治上出台各种优惠政策，为新疆的城市发展提供优越条件。这引起阿克苏市快速发展，建设用地不同方向扩展。

运用公式(4)和(5)计算出，阿克苏市1990—2000,2000—2010,2010—2015年的建设用地扩展强度指数和扩展速度指数(见图2)。1990—2000，2000—2010，2010—2015年的扩展强度分别为8.85%，5.85%，13.43%，扩展速度系数分别为1.624，2.022，7.362 km2/a。从计算结果可以看出，扩展强度是2000—2010年相对低，新扩展的建设用地面积与1990—2000年和2010—2015年相比相对低，2010—2015年的扩展强度最高，新扩展的建设用地面积最多；扩展速度一直上升，1990—2000年出现最低值，2010—2015年扩展速度指数最高，年增长速度突破性地提高。1990年开始，阿克苏市社会经济开始发展，随着国家对新疆城市投资的增加，人民生活水平的提高，城市人口的不断增加，具备了阿克苏市建立工业区进一步扩大的潜力，随后建立了阿克苏经济技术开发区、阿克苏东城工业园、阿克苏纺织工业城、阿克苏纺织特色工业区等工业区域，建设用地不断扩展。阿克苏市建设用地扩展强度和速度不断上升。

图2 阿克苏市建设用地扩展强度和扩展速度

3.1.3 阿克苏市建设用地外围轮廓形状特征和人口发展协调度 通过建设用地紧凑度公式(6)的计算得出阿克苏市外围紧凑度一直下降趋势。1990年出现最高值0.201，2000年为0.120，开始紧凑度下降的比较快，2010年为0.096，到2015年出现最低值，为0.066。按照紧凑度公式特征，紧凑度指数越小于1，城市外围轮廓越复杂，紧凑度指数越接近1，城市外围轮廓越接近圆形，这样城市的用地效率越好，交通、基本设施等设备更加合理的发挥作用。紧凑度的结果来看，阿克苏市紧凑度越来越差，城市不断向周围扩展，城市空间形态越来越复杂。紧凑度的越来越下降导致城市各部门之间的联系距离增加，交通不便利，基础设施效率下降等诸多不利影响。

通过公式(7)计算出阿克苏市弹性系数，得到不同时期城市扩展和城市人口协调关系(见表4)。一般，城市建设用地扩展小于城市人口增长，这样为新增的人口不需要建设一个独立的城市基础设施系统，根据中国城市规划设计研究院对中国历年城市化过程的分析，中国城市合理的弹性系数为1.12[8]。

表4 阿克苏市不同阶段城市扩展率、非农业人口增长率和弹性系数

从表4可以看出，阿克苏市城市人口年增长率不断下降，2010—2015年的年增长率出现最低，但是城市建设用地扩展率2000—2010年表现最低，2010—2015年表现出最大值，2010—2015年建设用地扩展率大于城市人口增长率的10倍；弹性系数1990—2015年一直提高，提高跨度也越来越大，弹性系数最低值的1990—2000年的也是2.3，高于合理系数1.12，2010—2015年弹性系数出现最高值。总而言之，阿克苏市建设用地扩展速度在研究期间一直高于人口增长速度，而两者之间差距越来越大，城市扩展与人口增长高度不合理。建设用地扩展快于人口增长虽然是常态，但是高度不合理导致城市用地效率低、各功能区分散、工作效率低等一系列问题。

为了避免紧凑度下降、城市扩展与人口增长不合理等导致的负面影响，阿克苏市要致力于建设紧凑城市，不断完善城市建设规划，提高城市各种功能效率，推进城市建设用地和人口增长合理性发展。

3.2 阿克苏市城市发展的驱动力机制分析

3.2.1 社会经济因子 经济发展是阿克苏市城市扩展的根本动力，统计阿克苏市1990—2015年国内生产总值构成可以看出(见图3)。这25 a来，国内生产总值不断增长，从1990年的78 873.3万元增加到2015年的1 672 126万元。25 a内三产业生产总值构成比率波动较大，但总体上看第一产业表现出下降趋势，第二、三产业构成比率表现出上升趋势；第二产业和第三产业生产总值构成比率变化来看，第三产业在生产总值中占的比率较高，上升的也较快。综上所述，第二产业和第三产业的增长速度比第一产业快，尤其是2005年开始第二、第三产业的增长提速上升。为了更好的解释哪些因素对研究区建设用地扩展具有同等重要程度的推动作用，本文以建设用地定为应变量(Y)，非农业人口(X1)、国内生产总值(X2)、第一、第二、第三产业国内生产总值(X3，X4，X5)、基本建设总投资(X6)、新增固定资产投资(X7)等定为自变量，进行多元线性回归分析，分别为标准化后的变量，并且其决定系数高达0.994。

Y=14.797+4.746X2+0.455X5+1.167X7

(8)

从公式(8)中可以看出，建设用地扩展与非农业人口、第三产业国内生产总值和新增固定资产投资等的关系较为密切。

图3 阿克苏市国内生产总值构成

3.2.2 人口因子 人口增长是城市扩展影响最大的推动要素之一。通过研究发现，阿克苏市的建设用地扩展与城市非农业人口的增长有很密切的相关性，阿克苏市非农业人口1990—2015年内不断增长，非农业人口1990年的16.409 2万人增加到2015年的30.772 7万人，净增加了14.363 5万人；同样建设用地也1990—2015年不断扩展，从1990年的18.34 km2增加到2015年的91.61 km2，净增加了73.27 km2，是1990年的4倍。统计1990—2015年之间总人口和非农业人口的增加幅度得出，阿克苏市总人口增加幅度为34.73%，非农业人口增加幅度为87.53%，可以看出非农业人口增加幅度比总人口大得多。计算阿克苏市建设用地和非农业人口灰色关联度，相关系数为0.987，高度关联，究其原因是第二、第三产业飞速发展所引发的非农业人口急剧膨胀，非农业人口数量迅速增加的同时又导致了工业占地、住房等用地面积的不断增加，致使城市不断向周边的郊区扩张，使得城区边界不断扩大。

3.2.3 政策因子 国家政策对一个城市的发展具有很大的推动作用。尤其是像新疆这样经济落后，远离沿海发达地区，长时间封闭、隔离的缓慢发展地区来说，国家政策上的支持，经济上的帮助注入了强大的生机和动力。国家始终重视新疆的发展，为新疆等西部地区基础设施建设的完善出台了诸多优惠政策。从1990年的分税制开始新疆的发展有了较大的变化，2000年提出的《西部大开发》战略，2010年出台的《对口援疆》政策，2013年出台的《丝绸之路经济带》这一战略思想。在国家出台的优惠政策和共同发展战略的推进下，引导中部和东部发达区域有实力的企业到新疆来投资、建立各方面的合作，使他们之间达到一种既相互促进又相互联系的关系。逐步推进工业化、改善经济结构、培养人才、增加投资，减弱阻碍新疆发展的不利因素。在国家的这种大力支持下，阿克苏市在内的新疆诸多城市不断发展、扩展，实现历史性的突破。这些政策上的支持对阿克苏市城市发展，建设用地扩展起重要的驱动作用。

3.2.4 交通因子 交通是城市发展中不可缺少的重要因素之一。交通是链接城市和城市的重要渠道，而且增强区域和区域之间的交流，提高区域经济发展具有重要作用的因素。新疆地广人少，城市和城市之间的距离特别远，阿克苏市和首府乌鲁木齐的公路路程约1 005.2 km，喀什和库尔勒的公路路程分别是459.4和548 km，所以交通的便利对于绿洲城市来说起决定性作用。交通不便会增加新疆大多数城市的封闭性，阻断区域之间的交流，阻止城市的发展。阿克苏市从1998年开始火车实行，1999年建成了314国道，这也是阿克苏市2000年开始扩展速度快的原因之一。阿克苏市建设用地重心在研究期间后两次持续向西南部迁移，也就沿着吐和高速公路扩展，这说明交通运输设施的建设和完善对阿克苏市建设用地扩展起了重要驱动作用。

4 结 论

(1) 阿克苏市建设用地扩展速度比较快，扩展面积大。1990—2015年总扩展面积为73.24 km2，其中1990—2015年的扩展面积为16.24 km2，2000—2010年扩展面积为20.22 km2，2010—2015年扩展面积为36.81 km2。在城市扩展中必然占用其他土地类型，阿克苏市建设用地扩展占用了28.04 km2的耕地、43.84 km2的未利用地、0.89 km2的水体、0.94 km2的林地，其中未利用地的占用面积最多，其次是耕地。

(2) 建设用地重心坐标迁移方向1990—2000,2000—2010,2010—2015年分别为EN，WS，WS，靠近交通路线移动，1990—2000年重心坐标移动距离不大，2000—2015年移动距离越来越大，扩展形状为面状和条带状。阿克苏市建设用地扩展强度和扩展速度比较高，2010—2015年扩展强度和速度都表现出最高值，这段时间建设用地扩展面积大，速度快，建设用地面积达到历史上最大值。

(3) 阿克苏市建设用地外围紧凑度1990—2015年一直下降趋势，2000年开始下降的更快，城市空间形态越来越复杂，这种情况导致城市各部门之间的联系距离增加，交通不方便，基础设施效率下降等诸多不利影响；为了避免不紧凑而带来的负影响，阿克苏市要致力于建设紧凑城市，不断完善城市建设规划，提高城市各种功能效率。

(4) 阿克苏市建设用地扩展速度在研究期间一直高于人口增长速度，而两者之间差距越来越大，城市扩展与人口增长高度不合理，这种现象导致城市用地效率低、各功能区分散、工作效率低等一系列问题，所以阿克苏市尽量完善城市建设规划，推进城市建设用地和人口增长合理性发展。

(5) 从城市发展驱动因素来看，阿克苏市非农业人口快速增长、经济因子、国家政策和交通因子是引起阿克苏市土地利用变化的最主要的驱动因素。

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