南水北调东线山东段沿岸城镇化空间特征研究

薛 凯，于泉洲*，曹建荣

（1.聊城大学环境与规划学院，山东 聊城 252000）

城镇化即城市化，城镇化的过程是指在一定区域内由于社会经济的不断发展，它的主要功能和空间分布不断的向城市的特点变化，是现阶段社会经济发展中出现的最明显的变化趋势[1]。城市用地面积的空间扩展情况是城镇化过程的重要标志。此前，国内外对于城镇化的研究已经有了较为坚实的基础，而国内城市的发展起步较晚。随着上个世纪改革开放的实行，城镇化的进程发展迅速，对城镇化的研究也有了较大的进展。

遥感影像可以展示出城市的区域变化情况，通过对遥感图像的处理可以得出依据时间变化的城市空间扩展的变化演变图[2]。近年来，国内外对城市空间扩展的研究热度越来越高，关于城镇化的研究成果也层出不穷。将RS 和GIS 相结合应用于城市扩展研究，可以实行空间动态监测。

我国北方地区水资源严重缺乏，南水北调工程是解决中国北方地区水资源短缺的特大项目，尤其是山东西部的城市得益于南水北调工程，缓解了城市发展过程中水资源缺乏的窘况，对沿岸城市的发展起了重要作用[3]。以研究区1985-2015 三十年来的多幅遥感图像为基础，运用ENVI5.3 和ArcGIS10.2 对图像进行分析处理，计算相关指标并对城市重心进行提取，分析其空间扩展情况。并结合相关的统计数据，分析城市空间扩展的驱动力，对于沿岸城镇化的发展变化也提供了一定的参考作用。

1 研究区概况

南水北调东线工程是指从江苏扬州江都水利枢纽引水，经过江苏、山东、河北三省，向华北地区输送生产生活用水的国家跨省界区域工程。东线工程基本沿京杭大运河进行。截至2018 年12 月，中东线工程累计调水222 亿m3，东线沿岸受益人口达到6 600 万余人[3]。本文选取山东省经过的济宁、泰安、聊城、德州4 个城市进行城镇化空间特征的研究（如图1）。南水北调东线工程所经过的地区位于山东省西部，属于温带季风气候区，年平均降水量在500 mm 左右，流域的降水也有显著的季节变化。

图1 研究区在山东省的地理位置

2 数据与研究方法

2.1 数据源

为了揭示近几十年的南水北调东线工程对研究区城镇化空间格局特征的影响，选取了1985、1995、2005、2015 三十年来的四期Landsat 遥感数据（如表1）。

表1 研究所使用的遥感数据

2.2 数据处理

几何校正与图像配准：在提取南水北调东线工程沿岸城市建设用地信息之前，需要对下载的4 个城市的多幅遥感影像进行图像的预处理。然后对四期遥感影像进行配准，最终将其与沿岸城市的行政区划图配准在同一坐标系下。

图像拼接与裁剪：在对图像进行预处理之后，在ENVI 中进行图像拼接，得到研究区完整的影像。裁剪通常是按照行政区划边界或者自然区划边界进行。南水北调东线工程在山东经过的区域较大，包含多个城市，因此需要下载多幅影像。

城市建设用地的提取：为了提取南水北调山东段沿岸城市的城区建设用地变化情况，采用监督分类的方法对研究区域的遥感影像进行分类。将研究区的土地类型分为建筑用地、耕地、植被和水体四类，然后提取出城市建设用地。对结果进行精度验证，确保分类精度满足要求。

为了使结果更加直观，另外选取了沿岸典型地区进行单独分析。保留了城市建成区内的绿地和湖泊等，将其算作城市用地的一部分[4]。

2.3 研究方法

近几十年以来，国内的许多学者对城市区域扩展的研究主要是基于RS 和GIS 技术，通过分析城区扩展面积、城市扩张强度指数、城区的年扩展率、分形维数、紧凑度、形状指数等指标，定量的分析城市区域的扩展变化情况和演变特征[5]。本文选取城市扩张强度、紧凑度、分形维数、城市重心坐标4 个指标分析研究区城市的空间扩展情况。

2.3.1 城市扩张强度指标

城市扩张强度指标可以用来分析城市的扩张状态[6]，其计算公式如式（1）：

式中，ARG 代表城市年均扩张强度；UAn+1和UAi分别代表第n+i 年和第i 年的城市面积；n 以年为单位。

2.3.2 紧凑度指标

紧凑度反映了一个地区地物的紧凑程度[7]，其计算公式如式（2）：

2.3.3 分形维数

分形维数反映城市建设用地边界的形态和复杂程度[8]，其计算公式如式（3）：

式中，At代表城区的面积；Pt代表城区的周长；分形维数取值为1～2，取值越大表明城市边界的复杂程度越高。

2.3.4 城市重心坐标指标

通过ArcGIS 软件的空间统计工具计算城市中心位置，然后再根据以下公式和城市扩展面积计算城市的重心坐标[9]。其计算公式如式（4）、（5）。

式中，Xt、Yt分别为第t 年城市重心的经、纬度坐标；Cti为第t 年第i 块矢量图的面积；Xi、Yi分别为第i 块矢量图几何中心的经纬度坐标。

3 结果与分析

通过分析研究区的城市建设用地的变化情况，研究南水北调东线工程对沿岸城市城镇化的影响作用。由研究结果可知，南水北调工程对沿岸城市的扩展有一定的影响作用，对缓解沿岸城市由于城市扩展过快而引起的水资源短缺问题发挥了重要作用。另外，南水北调东线工程所流经的地区都有城市中心地区沿河流发展的趋势，并促使城区的扩展方向有沿此工程发展扩展的趋势，沿岸的城镇化水平不断提高。

3.1 城市空间扩张强度分析

根据1985 年、1995 年、2005 年、2015 年四个时期城区矢量图层，对其相关统计参数进行统计，得出其城市用地面积的空间扩展变化情况[10]。计算结果分别如下（以每个城市的城市中心区域为例）。

表2 1985－2015 年济宁市城市空间扩展强度

表3 1985－2015 年聊城市城市空间扩展强度

表4 1985－2015 年德州市城市空间扩展强度

表5 1985－2015 年泰安市城市空间扩展强度

可以看出近30 a 来，各个城市的城市建设用地面积不断增加，尤其是在2005-2015 年这10 a 年内，随着经济和科技水平大幅度提高，城市建成区面积不断增加。

由表2 可以看出，济宁市建成区的面积从1985 年的28.825 km2扩展到了2015 年的125.016 km2，年平均扩展了3.206 km2，扩展的总强度达到了11.124%。在整个30 a 年的时间段内，扩展强度并不是一直保持相同的速度。1985-1995 年间，由于经济发展还比较缓慢，城市扩展比较慢；1995-2005 年间，城市扩展速度明显增加，空间变化主要以向外部扩展为主；2005-2015 年间，城市扩展速度依旧比较高，城市的空间变化不仅仅是向四周扩展，还有城市内部的填充。由以上数据看来，济宁市城市空间呈现不断扩大的趋势，城市扩展强度也在不断增加。

由表3 可以看出，聊城市建成区面积由1985 年的23.393 km2扩展到了2015 年的123.568 km2，年平均扩展面积为3.339 km2，扩展的总强度为14.274%。1985-1995 年间，扩展强度较低，建成区面积增加仅为6.502 km2；而在1995-2005 年间，城市扩展强度大幅度增加，建成区面积增加近一倍；2005-2015 年间，扩展强度依旧较大。在此时间段内，聊城市的建成区面积不断扩大，城镇化水平也在不断提高。

由表4 可以看出，德州市建成区面积由1985 年的34.003 km2扩展到了2015 年的117.418 km2，年平均扩展2.781 km2，扩展总强度为8.177%。德州市在1985 年的城市建成区面积较大，由于其靠近河北省，城市的空间扩展受到一定的限制，因此其扩展强度相较于其他几个城市来说相对较小，扩展强度也较为均衡。在研究的时间段内，其城市用地面积不断增加，城镇化水平也有了较大的提高。

由表5 可以看出，泰安市建成区面积由1985 年的21.179 km2扩展到了2015 年的153.496 km2，年平均扩展4.416 km2，扩展总强度为20.825%。泰安市在1985 年的城市建成区面积较小，但其扩展速度相对于其他城市较快。1985-1995 年间，城市扩展强度较快，城市往四周扩展较为明显；在1995-2005 年间，城市扩展强度减小到了5.358%，面积增加也较少，这一时期城市扩展主要以内部的填充为主，向四周扩展趋势较小；2005-2015 年间，由于其经济快速发展，伴随着旅游业的突飞猛进，京沪高铁的过境设站，泰安市城市扩展强度大幅度增加，城市用地面积增加近两倍，城市扩展主要是往四周发展，不断扩大其城市范围，城镇化的水平也大幅度增加。

3.2 城市扩展的紧凑度和分形维数指标分析

紧凑度和分形维数这2 个指标可以描述城市空间扩展的形态特征[11]。紧凑度越小，城市空间形态越分散；反之，越紧凑。分形维数越小时，说明城市的空间形状越简单，反之，则越复杂[7]。4 个城市的紧凑度和分形维数计算结果如表6 所示。

表6 1985－2015 年4 个城市扩展的紧凑度和分形维数变化

由表6 可以看出，在1985-2015 三十年的时间段内，这几个城市的城市建设用地的紧凑度和分形维数变化较为明显。1985 年4 个城市的紧凑度都较大，说明城市用地相对紧凑，城市用地面积较为集中。1995 年，均有不同程度的减小，济宁市和聊城市的分形维数增加较大，德州市和泰安市的分形维数相对变化较小，说明这一时期城市空间形态向四周扩展，用地面积增加。2005-2015 年间，各个城市的紧凑度略有不同，济宁市城市用地面积的紧凑度有上升的趋势，城市用地开始向微山湖扩展，城市空间形态更加紧凑，组团城市群的特征明显分形维数依旧有所下降[12]。聊城市和德州市的城市空间扩展比较相似，在2015 年紧凑度都达到了最小值，分形维数都在逐渐增加，说明城市用地有一直向外部扩展的趋势。2015 年泰安市的紧凑度最低，说明泰安市的城市空间用地最为分散，这与泰安市独特的地形是分不开的。总体来看，三十年间，各个城市的空间形态都有较大的扩展，城镇化水平也越来越高。

3.3 城市重心轨迹变化特征

利用ArcGIS 软件对4 个城市4 个时期的城市重心进行计算，得出1985-2015 年间城市重心的轨迹变化。另外选取了2 个南水北调山东段沿岸影响较大的2 个城市：泰安市的东平县和聊城市的临清市，来探讨南水北调东线工程山东段沿岸城镇空间扩展变化情况。

由图2 到图7 可以看出，各个城市在三十年来城市重心都有不同程度的转移。济宁市的城市重心在1985-2005 年间向东北方向转移，而在2005-2015 年间又有向东南方向转移的趋势，且迁移距离为764 m，总体是向东南方向转移。由于济宁市境内有微山湖，因此它的存在使空间扩展方向有一定的局限，其城市重心的转移也相应的不会太大，只在小范围内发生移动。聊城市在1985-2005 年间的城市重心转移情况可以分两个阶段来看：第一个阶段是1985-2005 年，其城市重心变化情况不大，转移距离也比较小，并且方向性并不明显；1985-1995 年稍微向北偏西方向转移，到2005 年又有向东方向转移的趋势，但是距离都很小，并不明显；第二个阶段是2005-2015 年，城市重心转移较为明显，具有明显的方向性，是往偏东方向转移，转移距离也较大，为1 062 m。这是因为聊城市的城市用地开始迅速向东蔓延，开发区的经济突飞猛进。德州市的城市重心在1985-2015 有着向东方向扩展的趋势，第一个阶段是1985-1995 年，城市重心没有太大变化，往偏西方向偏移了186 m，偏移距离跟角度都很小。这是因为这一阶段经济发展比较缓慢，城市用地面积扩展较小，因此其城市重心变化较小；第二个阶段是1995-2015 年，城市重心开始有了明显的转移，首先是往东北方向转移了401 m，然后又向东南方向转移了924 m，总体扩展趋势是向偏东方向。泰安市的城市重心在1985-2015 年间的总体转移方向是往偏南方向，1985-1995 年，城市重心往东南方向转移了510 m；1995-2005 年间转移并不明显；2005-2015 年往西南方向转移了667 m。由于泰安市旅游业的带动，使泰安市经济不断发展，城市用地往南方向扩展，城市重心也相应的往向南方向转移。东平县的城市重心往西北方向转移，临清市的城市重心往东南方向转移，但总体趋势都是靠近南水北调工程沿岸转移，说明南水北调工程对沿岸城市的城镇化发展有一定作用。

图2 1985－2015 年济宁市城市空间扩展变化

图3 1985－2015 年聊城市城市空间扩展变化

图4 1985－2015 年德州市城市空间扩展变化

图5 1985－2015 年泰安市城市空间扩展变化

图6 1985－2015 年东平县城市空间扩展变化

图7 1985－2015 年临清市城市空间扩展变化

4 城市扩展的驱动力分析

4.1 经济发展因素

城市经济发展是城市空间扩展的根本动力。经济的快速发展使得人们趋向城市中心的心理也越来越明显，与之相应的是人们对城市的居住区、商业区、工业区以及各项基础设施和娱乐设施的需求也不断增加[12]。随着这些现象的出现，城市发展所占用的空间和土地面积不断增加，城市的区域越来越大。同时，随着近年来城市的发展，对各种商品的需求量也有了较大的变化。消费需求结构的变化，也会带动产业结构的变化，各种新型产业的发展又会带动经济的发展，从而使城市的区域发生扩展[13]。

4.2 自然条件因素

一个地区的自然条件状况会决定该地区是否会发展为城市以及所发展城市的规模情况。自然条件状况如地形、海拔、以及气候等都会对城市的发生与发展有着举足轻重的影响[14]。南水北调东线工程山东段所经过的地区地形平坦，其中很大一部分位于鲁西平原，平坦开阔的地形有利于发育城市。沿岸经过的城市海拔高度适中，没有过高的地形起伏，适宜城市建筑用地的延展[15]。南水北调东线工程沿岸所经过的德州聊城，地形属于平原。聊城市主要位于鲁西平原，也叫“江北水城”，流经境内的京杭大运河对沿岸的经济发展有着重要的作用。同时，京杭大运河的经过对济宁市的经济社会发展也起到了较大的推动作用。南水北调对泰安的影响主要是对东平县的影响，其境内的东平湖是省内第二大淡水湖。南水北调东线工程山东段所经过的地区的自然条件优越，有利于城市规模的扩展。

4.3 政府的政策与规划

城市发展和扩展的方向速度会受到政府的政策和相关城市规划方案的影响与制约[16]。政府政策也会影响城市的扩展情况。尤其是基于京杭大运河而启动的南水北调工程，流经山东省的地段对沿岸城市的发展起到了积极的带动作用，并且很大程度上缓解了沿岸城市的水资源短缺的问题。政府的政策在很大程度上对城市的扩展方向和速度起着引导、调控的作用[17]。

4.4 其他因素的影响

其他重要因素诸如交通条件、人口数量等也会对城市的空间扩展产生影响。便利的交通条件易于带动地区的经济发展，从而有利于城市区域的扩展[18]。南水北调东线工程山东段所经过的地区交通条件便利，有许多条重要的交通干线从该区域经过。

人口数量的增长也是促进城市区域扩展的重要因素之一。山东省人口基数大、增长快，城市中心区人口密度大。南水北调山东段沿岸的农业水平也比较发达，随着经济得到发展，农业人口也逐渐向非农业人口过渡，产业结构也由第一、二产业向第三产业转移。从而促进了沿岸城市的城市化进程，使城市的建设用地有了不同程度的增加。

5 结 语

本文重点研究了近三十年来南水北调东线工程山东段沿岸城市的时空扩展特征，总结了城市空间扩展的驱动因素，分析了南水北调工程与沿岸城市发展之间的相互作用。根据扩张强度可以看出整体扩展速度都比较快，紧凑度和分形维数可以看出城市不仅向外扩张还有内部的填充。根据城市重心的迁移轨迹可以看出城市发展的历程和未来的发展趋势。城市扩展的驱动力包括经济发展、自然条件、政府的政策与规划以及其他因素诸如交通和人口等，不同因素对城市发展的驱动作用不同。对城镇化空间扩展的研究在一定程度上为预测未来城市的发展趋势提供了支持。