郑州市2001～2007年城市扩张过程中城市用地景观特征分析

SCIENTIAGEOGRAPHICASINICA

地理科学

Vol．30No．4Aug．，2010

郑州市2001～2007年城市扩张过程中

城市用地景观特征分析

杨振山

1，2，3

1

，蔡建明，文

辉

4

（1．中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101；2．荷兰乌特勒支大学城市和区域规划系，乌特勒支3508TC，荷兰；3．荷兰国际地理信息科学与地球观测学院城市区域规划和地理信息管理系，恩斯赫德7500AA，荷兰；4．国家发展和改革委员会中国城市和小城镇改革发展中心，北京100045）摘要：城市用地景观对理解城市扩张过程中土地利用的内部特征及其动态变化具有重要意义。利用2001年Landsat7和2007年Spot4影像，采用人工神经网络方法，提取郑州市土地覆被变化信息；并利用景观指数中的平均斑块面积指数、景观形状指数、平均分维指数和平均连接度指数对土地利用景观沿主要方向进行梯度分析。揭示了城市扩张与土地利用的景观变化是一个过程的两个方面；主要经济发展区已成为城市空间扩张的推动力，在提高平均地块面积和地块连通性方面起到一定积极作用，在距市中心10km范围内紧凑度提高，整体上松散式和紧凑式扩张并存。关

键

词：郑州；遥感解译；土地利用；景观指数；城市扩张；空间梯度分析

文献标识码：A

文章编号：1000－0690（2010）04－0600－06

中图分类号：X522

中国城市建设已进入高速发展阶段，城市空间

发展已成为重要议题。为此，中国学者在城市空间

［5～7］

、、动力机制扩张模式和模

［8～10］拟等方面做了大量研究，对土地利用变化和

在单一年份下对城市在现有土地利用图的基础上，

景观变化进行探讨，缺乏对城市扩张与景观特征变化之间关系的检验。

本文以郑州为实例，通过解译和判读遥感影像

然后在此基对城市的空间扩张特征做出初步判断，

础上分析城市在扩张中城市用地的景观特征，特别

是空间梯度上的变化特点，为中国城市在快速发展中合理有效利用土地提供参考。

演化过程

［1～4］

社会经济因素的相互影响进行解释

［11，12］

。这些研

究极大丰富了对城市总体空间格局的认识。

然而城市空间扩张并非同向，城市主要空间方向或特定发展廊道上的空间特征更能如实表现城市在发展中的特点。近年来，景观生态学的发展为城市空间变化特征提供了研究手段。景观生态学通过把握在社会经济因素和生态自然因素的交互影响下营造的景观特征，来反映城市土地开发和利

［13～15］

，用的空间特点，客观反映城市空间结构特征

不仅如此，景观生态学认为从城市到乡村存在变化

1研究区域和研究方法

郑州市位于河南省中部偏北，黄河中游南岸；

22

总面积7446km，其中市区总面积1010km，现辖6区5市1县和两个国家级开发区，是中国重要的铁路和公路等交通枢纽。产业结构以制造业为约占50%。2006年全市总人口724万，城镇化主，

率已达59．2%。随着城市人口的增加和快速经济发展的需要，城市用地不断增长，如各类开发区，尤其是近来郑东新区的建设和中牟新城的发展等。在研究中，我们首先利用遥感数据对土地覆被情况进行解译，分析城市土地总体扩张情况；然后根据遥感影像解译结果在不同方向上测算城市用

这一梯度反映了人类活动对生态系统的影响梯度，

［16］

以及城市扩张的强度。从另一个侧面，也可以理解为城市空间扩张过程中土地景观的局部渐进变化。景观生态指数可以对这一梯度进行有效分析，定量表征特定截面上从城市到乡村的景观变化

［17～21］

。这一分析方法大大提高了人们对城市特征

内部景观形态变化过程的认识。不过，多数研究是

收稿日期：2009－10－10；修订日期：2009－12－28

“中国城市化过程及典型都市密集区协调发展研究（KZCX2－YW－321）”基金项目：中国科学院第三期创新项目资助。

作者简介：杨振山（1979－），男，新疆博乐人，博士研究生，研究方向为城市与区域规划、城市发展战略以及GIS和RS在城市规划研究

。E-mail：zyang@itc．nl中的应用

mail：caijm@igsnrr．ac．cn通讯作者：蔡建明（1961－），研究员，博导。E-

4期杨振山等：郑州市2001～2007年城市扩张过程中城市用地景观特征分析

601

地景观指数，评价郑州市在2001～2007年间城市空间扩张中土地利用的景观变化。研究数据利用USGS提供的2001年5月10日Landsat7的ETM影像和中国遥感地面卫星接收站提供的2007年2月1日Spot4影像。两幅影像均经过几何校正和辐射校正。

2郑州市城市2001～2007年城市扩张分析

1）遥感影像解译。首先对ETM和Spot4影像在空间分辨率30m的基础上（因ETM影像全色波段出现问题）进行配准（0．2个像元误差）。然后利用ENVI软件和人工神经网络分类器进行土地覆被分类。ETM中参与运算的波段为1～5波段，Spot4中为1～4波段。

根据实地情况和研究目的，土地覆盖类型分6大类：建筑物、道路、裸地、农地、林草地和水体。解译后，将建筑物和道路合并为城市用地。借助手持GPS，在2007年5月对2007年分类结果进行地面真值校验：随机采样共118个，总精度87．3%，其中城市用地的制图精度为88．3%，用户精度为99%。对2001年ETM影像的解译结果，我们参考土地利用图以及在实地调研时进行询问，对结果进行抽查，其结果符合实际情况。影像解译结果符合研究需要。

2）城市扩张分析。将两幅解译后的影像进行叠加可以清晰地反映出郑州市2001年和2007年间城市扩张仍然是典型的单中心特征。从城市中心（图中的交叉点，二七广场附近）向外各主要方向上作宽3km，长20km的缓冲带，衡量城市用地的扩张情况。

图1中，由于数据问题，向北半径长度为14．5km，其它7个方向上半径为20km，如图1所示。后续所有分析均在此基础上进行。

结果表明，在以二七广场附近为中心，半径20km的范围内，2007年城市用地比2001年增加了

2

70．6km2，平均每年增加10km，年均扩张速度为4．1%（表1）。城市扩张在主要方向上存在明显差异。其中东部、东北部和东南部扩张明显，城市用2．9%和4．1%。东部快地增长速度分别为5．8%，

速城市化地区中牟县是郑州以汽车工业、农副产品加工业和住宅产业为主发展的卫星城，东北是正在大力建设的商业发展区郑东新区核心区，东南部是

图1

Fig．1

郑州2001～2007年城市扩张

UrbanlanduseexpansionofZhengzhouin2001－2007

表1

Table1

郑州市2001～2007年不同方向上城市扩张速度（%）

Urbanexpansionatthemaindirectionsin2001－2007（%）N2．3S2．0

EN2．9WS0．1

E5．8W2．4

ES4．1WN0．8

经济技术开发区。西部地区，尤其是西南地区城市

扩张速度很低，城市用地增长速度仅为0．1%。另外，西北部高新技术区附近的城市用地有明显增加，但由于我们是以城市为中心的3km缓冲带进西北方向上的城市用地增长只有0．8%。行分析，

2001～2007年间城市总体上是向东迈进，很明显，

从数量上看，这一速度是向西扩张的两倍，而南北

扩张速度大体相当。

3郑州市城市扩张过程中的土地利用景观特征

3．1

土地利用景观特征测算

我们根据2001和2007年遥感解译结果，利用

景观指数对不同方向上的城市用地景观进行测算。分析过程借助ArcInfo和景观结构分析软件Frag-stat3．3［22］完成。本文选择了如下景观指数（表2）来分析城市化进程中城市用地土地的面积、紧凑度、形状和连接度特点。

3．2不同方向上城市用地景观特征梯度分析在8个主要发展方向上（图1），以二七广场为中心，半径为20km范围内，结合移动窗口，在宽3km的截面内对城市用地类型的景观变化特征进行梯度分析。

602

地表2

Table2

理科学30卷

景观指数及其表征意义

物理意义

Landscapeindicatorsandtheirrepresentations

景观指数平均斑块面积（S）景观形状指数（L）分维指数（F）连接度指数（C）

指征景观的破碎程度，越小越破碎

L≥1，L越大说明越分散用来反映斑块的聚合程度，当L=1时，说明紧凑式发展，

1≤F≤2，反映了斑块几何形状的复杂性，值越大越复杂

0≤C≤1，一般来说，高连接度值说明景观中的斑块类型形成了良好的连接性；反之则表明景观是具有多种要素的密集格局，景观的破碎化程度较高，连接性差

注：关于公式计算参考Fragstat3．3手册

1）平均斑块面积。很明显，城市用地斑块平

2

均面积在市中心处于最高值，约在7500m左右（图2）。在东西方向上，东部发展区域斑块平均面积大幅提高，在8～10km和13～17km处出现峰值；而向西方向上变化不大。南北方向上，只有在向北12km附近处明显变化。

西北－东南方向上，西北方向上1km处斑块平均面积减小，由于这一地区受铁路线布局影响严重，城市用地被严重分割；东南方向上8km处斑块平均面积提高。东北方向上，从8km处开始连续出现峰值，而西南方向上则不明显。总体来看，在城市扩张速度快的方向上，城市用地的斑块平均面

图2

Fig．2

平均斑块面积在主要方向上的梯度

Gradientsofmeanpatchsizeatthemaindirections

积大幅度提高，如东、东南、东北，而且在有些地区

已经达到市中心区的平均水平。

2）景观形状指数。景观形状指数可以用来考

因此量城市用地是紧凑式还是松散式的向外扩张，对土地利用效率评价重要意义。总体来看，景观形

状指数在市中心最小，接近于1，城市用地非常紧凑（图3）。2001年这一范围大致是从西向东北由5km逐渐延伸到10km附近，从东北向西南由10km过渡到2km，再由南向西过渡到5km。这一个格局说明城市用地在东北方向上是紧凑的。2007年在10km范围，东部、南部和东南部紧凑度明显提高；东北、西部和西南变化不大；在10km外，东北部的景观形状指数大幅降低，然而在其它地区城市用地紧凑度明显降低。这说明城市扩张时紧凑

式和松散式发展并存。

3）平均分维指数。总体看，郑州市平均分维指数在1．0～1．2之间，且绝大部分地区的值在低城市用地的几何形状并不复杂。说明了在于1．1，

发展时候城市土地开发具有很强的规则性（图4）。

2007年比2001年的值有所提时间上对比，高，城市土地利用斑块形状的复杂性增加，其中东其次是东北、东南和西北。值得部增加的最明显，

指出的是在上述图中，有些点之间并不连续，这是

因为城市在扩张到10km以外，有些地区并没有转变为城市用地，也就是说城市用地分布上并不连续。

4）平均连接度指数。在距市中心5km附近的地区，城市用地连接性最好，其值接近0．9。随后降低，空间上呈现出“几”字形（图5）。外围城

4期杨振山等：郑州市2001～2007年城市扩张过程中城市用地景观特征分析

603

图3

Fig．3

景观形状指数在主要方向上的梯度

Gradientsoflandscapeshapeindexatthemaindirections

图4

Fig．4

平均分维指数在主要方向上的梯度

Gradientsoflandscapefragmentindexatthemaindirections

图5

Fig．5

连接度指数在主要方向上的梯度

Gradientsofcontiguityindexatthemaindirections

604

地理科学30卷

市用地的连接性比中心地区要差。2001年和2007年对比，东、东北、东南和北部大幅提高；西北和南西南方向上则有所下降。在部也有所增加；相反，

西、西北、南、西南和东南方向外围15～20km处，

上一些城市用地的平均连接度指数不足0．4。

发选址和提高土地利用效率等具有重要的参考意

义；同时定期监测这些指标也可帮助规划者检验主要实施项目所产生的空间影响。空间梯度变化分析和城市扩张特征相结合将有利于规划者在城市快速扩张的过程中更加合理地利用土地和设定开发目标。

应该指出的是，文章是在空间分辨率30m的遥感影像进行分析，因此只能分析大体变化趋势。如果空间分辨率能进一步提高，随着城市特征地物的细化，空间梯度景观分析会显示出更有用的一些结果，如沿交通廊道如何变化等。另外，景观变化分析，比如上述分析得出的景观指数值，作为社会经济发展的结果，还有待于结合社会经济数据近一步分析其成因和演化趋势。

4

4．1

讨论与结论

对郑州市空间结构的建议

本文从空间角度探讨了2001～2007年郑州市城市扩张中景观梯度的变化特点。遥感影像解译反映出郑州市单中心蔓延模式；主要扩张方向为东、东北和东南部。城市用地景观变化和空间主要

动力密切地联系在一起。梯度变化得出城市用地

紧凑程度、几何形状以及连接度和城的斑块面积、

市空间扩张有着明显的对应关系。在城市快速扩

张的东部、东南和东北部，城市用地的开发规模增加较快。在市区10km范围内，城市用地紧凑度很高，在快速发展地区如东北、东南和东部，也有明显提高。城市用地的几何形状复杂度有所提高，在快速扩张的东部、东北、东南尤为明显，说明地块开发设计趋于复杂；城市用地的连接度特别在快速城市扩张方向上有所提高，但在城市外围其值仍然较低。相比之下在城市扩张较慢的方向上，如西南和西北，除西北方向上连接度（个别点除外）有小幅西南方向上城市用地景观指数跳动性增强提高，外，其它景观特征指数没有明显变化。这说明，目前各类开发区正在对空间组织变化

如各类开发区的建设。这些开发区起着带动作用，

在开发规模、地块设计上都呈现出大体量和复杂性

的特点，因此在规划上采取慎重的态度；对其建设的合理性和事宜性还需要结合经济发展和环境生态进行综合评价。另外，规划者还应积极考虑缺乏空间经济动力的地区，提高其内部连通性等。一个客观存在的难题是西北部的铁路交通线，目前已对城市土地利用开发起到了严重的分割影响，土地利用破碎化，这势必会造成基础设施成本的增加和土地利用效率的下降。4．2结论

城市化过程，特别是中国前所未有的城市化速度和尺度，要求规划者和决策者在制定城市发展战略时充分考虑城市空间特征。与以往研究不同，本文研究着眼于城市内部的空间变化，其认识是城市化空间过程存在内部差异。这一内部差异对于开

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UrbanExpansionandLandscapeCharacteristics

ofLandUseinZhengzhouCityDring2001－2007

2

YANGZhen-shan1，，CAIJian-ming3，WENHui4

（1．DepartmentofHumanGeography＆UrbanandRegionalPlanning，UtrechtUniversity（UU），3508TCUtrecht，theNL；

2．UrbanandRegionalPlanningandGeo-InformationManagement，InternationalInstituteforGeo-InformationScienceandEarthObservation（ITC），7500AAEnschede，theNL；3．InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch，ChineseAcademyofSciences，Beijing100101；4．ChinaCenterforCityand

TownReformandDevelopment，NDRC，Beijing100045）

Abstract：Rapidurbanization，especiallythespeedandscaleofthecurrentChineseurbanization，requiresde-tailedunderstandingofspatialcharacteristicsofthechangingofurbanlandscape．Thishasasignificantimplica-tionforrationalandeffectiveurbanlanduse．Thepurposeofthispaperistoderivetheinformationoftheland-scapechangeduringthespatialexpansionofZhengzhouCityduring2001－2007．WedetectedthechangeoflandcoveravailoftheremotesensedimageriesofLandsat7ETMandSpot4．Further，wecalculatedtheland-scapematricesofmeanpatchsize，landscapeshapeindex，landscapefragmentindex，andcontiguityindextomeasurethesizeoflandplots，compactnessofthedeveloping，shapeandconnectivityrespectively．Inordertoshowtheheterogeneouscharacterofthespatialexpansion，thegradientanalysiswasconductedintherangeof20kmradiuscenteredtheplacenearbythecitycenter，ErqiSquare．Thechangeofdetectionoflandcoverillustra-tedthat，duringthatperiod，urbanlanduseincreased70．6km2attheaverageannualrateof4%，andtheeast，northeastandsoutheastwerethemainurbanlandusedirectionsofurbanexpansion．Thespeedofexpandingoftheeastpartwasnearlyastwotimesasthatofwestpart．Thelandscapematrixanalysisshowedthatthesizeoflandparcelsincreasedingeneral，yetwithagreatvariation．Generally，thechangeoflandscapeandurbanex-pansionarecorrelated．Theareaswitheconomic-spatialdriversuchastheZhengdongXinquandEconomicZonebecomealeadintheurbanexpansion．Intheprocess，thesizeofplotsandconnectivityincrease．Withinthe10kmradiustothecenter，theurbanlandofthecitybecamemorecompact，especiallyintherapidurbanizingdi-rections．Butbeyondthatdistance，thedevelopmentalpatterncouldbecompactorloose．Bycomparing，land-scapeisslightlychangedalongthecorridorwithlesseconomicdrivers．Theseresultscallforparticularattentionsofplannerstooptimizingurbanspatialstructure．

Keywords：Zhengzhou；remotesensinginterpretation；landuse；landscapematrices；urbanexpansion；spatialgradientanalysis