GIS和RS基础上城市空间扩展研究分析——以青岛市为例
第一章 引言
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
当前经济不断发展，大量人口不断涌入城市，促进了城市的发展，带动了城市化水平的提高，当前也导致了城市空间压力不断增大，现有空间的资源难以满足人类生存的需要，城市开始不断的向周围蔓延，形成了本文所研究的城市空间扩展。在过去生产力发展水平较低，城市扩张速度缓慢，但随着经济社会发展的不断加快，城市扩展速度与规模同步增长，城市空间扩展也就越来越明显了。由此可知，人口增多、资源集中、环境变化、经济发展、社会开化、文明进步等等因素是城市空间扩展的主要成因，归根到底，就是人类活动导致的产物，其在形态、扩张规律方面具有一定的特征性。当然，早起的人类活动是无序的、杂乱的，因此而引起的城市空间扩张也是无序的，空间格局被改变了，自然界原有的平衡被打破了，相应的一些矛盾就出来了，尤其是人与地、人与自然的矛盾。这些矛盾的产生，与我国经济的飞速发展不无关系，因为我国推动城市化的影响已经令世界为之震惊，外国城市上百年才能完成的发展任务，在我国几十年的历程中已经完成，大量的砍伐森林、占用耕地、开采资源，以此来推动城市发展。。在近年来，国家也开始逐渐意识到这种发展模式已经不适宜当前的国情，更多的应该走一条科学合理的城市空间扩展之路，才能解决制约我们城市再度跨越发展的瓶颈，才能为人民群众提供更好的生活居住环境，之前遇到的人地矛盾、人与自然的矛盾、人与城市发展的矛盾、城市空间扩展与自然环境平衡的矛盾都会逐步解决，才能人与城市的和谐发展。
本文选取青岛市作为研究对象主要基于研究区域在山东省乃至全国都具有重要的地位。青岛市在 1984 年 5 月，经过党中央、国务院批准，成为改革开放以来的开放的14 个沿海港口城市之一，其地位和影响作用在全国位居前列。从此开始，青岛市发展速度逐渐加快，不但自身被列入中国经济强市，也充分带动了北部的烟台、东部的威海、西部的日照，以及西北的潍坊等地发展，形成了以青岛市为核心的经济圈。随着时间的变迁，青岛市与周边的城市发展已经不在同一水平线，远远地超越了一个海边渔村的古老状况，城市空间不断扩展，经济增长不断加快。但是仔细研究其发展的规律可知，青岛市与其他城市发展过程一样，都是因为破坏森林、占用耕地、填海造陆等方式来促进其自身城市的快速扩张，在未来的发展过程中，这都是潜在的危险。
1.2 国内外研究现状
就城市空间扩展研究这一领域，国外的发展相对较早，历史比较久远，也形成了一些比较知名的流派，比如最早的 March 和 Martine（1972 年），中期的 Steadman（1983年），Mitchen（1990年）在通过对多个城市空间扩展做出对比分析后，研究出了城市的组成部分，并提出基本空间元素组成了城市的空间发展。在后来的 Hillie(1996)，B.jiang(1992，2002)等人，充分对比多个城市后，运用空间和元素法研究现代城市空间扩展模式的形成，都取得了丰硕的成果。当然，追溯起来，城市空间扩展研究最初登上历史舞台的时候应该早在20世纪50年代，最早研究的是西方学者对城市蔓延的研究。当时随着生产力的不断发展，西方城市人口开始增多，城市开始向周边扩展 ，相关学者开始对城市扩展进行研究，从研究的范围与影响角度来说，这个时期的研究还比较浅显，不能完全概括城市空间扩展的全部，仅从时空的角度研究分析人与社会的关系，将相应的数据进行统计分析，来研究城市空间扩展，仅仅是城市空间扩展的一个方面。研究的方法也结合了许多其他学科理论知识和研究方法，如部分学者采用生态学的连续阶段研究法研究城市生长周期以及阶段性发展的研究。
随着社会的快速发展，各种社会问题不断出现，如土地资源越来越少、浪费，农用地不断减少，建设用地不断增多，进而加剧了人地、人与自然的矛盾，导致城市发展困难，尤其是老城区的发展问题，环境污染严重，交通堵塞严重等等，人们的生活环境越来越不利。此时，学者对城市空间扩展研究开始重视起来，但仅采用对人口和经济数据的研究难以全面解释城市空间扩展的变化，相对来说过于单一和草率，20 世纪 60 年来以来，城市空间扩展的动力机制成为国内外许多学者争相研究的对象。在这一阶段，城市的扩散凝聚（DLA），分形增长（Batty and Longley，1994）以及元胞自动机技术（cellular automation）开始用于城市形态和城市增长的模拟研究，并取得了丰硕的成果，其中最具代表性的理论成果主要包括，伯吉斯通过城市进行研究，以中心为圆心，向周围进行扩散的同心圆模型、霍伊特将城市的居住区与交通道路进行研究，提出了扇形模型等等。后期，随着学科技术的进步，极大的推动了该领域的研究，比如航空拍照，再到后来的卫星航拍等等，早期获取的照片相对来时信息量少，只是直观的反映变化而已，当遥感技术出现的时候，该领域的发展出现了一个腾飞期，随着RS和GIS技术手段的不断完善，城市空间扩展研究也越来越深入。
第二章 研究区现状和研究内容概括
2.1 研究区概况
2.1.1 地理位置和历史
青岛市对于山东省乃至全国都具有重要的影响，层次高于一般的地级市，是副省级城市，改革开放以来获取了大量的城市荣誉，比如国家级历史文化名城，全国文明城市、卫生城市、品牌之都、啤酒之城、帆船之都等美誉。从城市的竞争力来看，青岛市无疑是山东省的标杆，在全国排第九位，并于去年年底，在全国的城市排名当中，跻身一线城市行列。
2.12 社会经济概况
青岛市诞生了海尔、海信、青岛市啤酒、双星等一批企业和品牌。2021年，全年全市固定资产投资 5027.9 亿元，增长 21.1%。2021 年，全年全市社会消费品零售总额实现 2904.3 亿元，增长 13.3%。 2021 年，全年居民消费价格累计同比上涨 2.5%。2021年，全年城市居民人均可支配收入35227元，增长9.6%；城市居民人均消费性支出22060元，增长 8.2%。农民人均纯收入 15731 元，增长 12.4%；农民人均生活消费支出 9786元，增长 13.1%。全年全市实现公共财政预算收入 788.7 亿元，增长 17.7%；公共财政预算支出1014.2亿元，增长32.4%。年末，金融机构本外币存款余额11418亿元，比年初增加1551亿元，其中，居民人民币储蓄存款4141亿元，比年初增加386亿元；本外币贷款余额9642亿元，比年初增加988亿元。
2.2 研究方法及内容
2.2.1 研究方法
回归分析法：是一种大量的观测数据的基础上掌握因变量和独立变量之间的数理统计回归关系函数表述式的使用（称回归方程式）。青岛市城市空间扩展过程中，不仅仅是一个单一的变化，与多类用地变化关于，而且在前期研究过程中发现，各类用地变化与城市空间扩展存在一个线性变化关系，因此，在综合权衡之后，本文选取多元线性回归的分析方法研究青岛市城市空间扩展与各类用地的关系，进而分析城市空间扩展的特征。
2.2.2 定性分析
基于青岛市 20022021 年经济社会统计数据指标，选取了包括了区域内的经济发展、人口变迁、空间地域结构调整、社会文明进步、生态发展等方面的内容。为更好、更全面、更精确的做好本次研究，本文选取 X1（城市建设），用青岛市的城市建设用地占市区面积比重来反映、X2（经济发展水平），用青岛市的人均国内生产总值来反映、X3（产业结构），用青岛市的第三产业增加值占 GDP 的比重来反映、X4（居民生活水平），用青岛市的城镇居民可支配收入来反映、X5（社会发展），用青岛市的城镇人口占市区总人口比重来反映、X6（生态环境），用青岛市的建成区绿化覆盖率来反映，借助以上 6个主要影响青岛市城市化进程的因素，参考相关研究，构建代表 20022021 年青岛市城市空间扩展程度的综合指标城市空间扩展进程参数 ，用极大值标准化方法对指标进行标准化处理，定性确定城市空间扩展与土地利用变化关系，建立模型。本文查阅了 20022021 年中国城市建设统计年鉴对于青岛市的城市建设数据，做好了大量的数据基础，为数据库的构建奠定了良好基础，特别是对于本文研究青岛市的城市空间扩展，形成了青岛市城市空间扩展基础GIS数据库，因为研究城市空间扩展主要的是研究城市变化过程中建设用地与农业用地的关系，大体是一个建设用地在不断增多，而农业用地逐渐减少的过程，因此，并通过数学建模的方法，建立起了城市空间扩展与建设用地的关系模型。
第三章 平台选择与数据采集...............8
3.1 研究平台选择................8
3.2 数据的选取..............8
3.3 遥感影像的预处理..............10
3.4 分类系统的确定......................10
第四章 青岛市城市空间扩展与土地利用变化分析.................15
4.1 青岛市土地利用现状...............15
4.2 总体变化分析...................15
4.3 类型转化分析.........................16
第五章 青岛市城市空间扩展分析........24
5.1 城市实体的提取...................24
5.1.1 城市实体的概念...............24
5.1.2 城市实体的提取方法................25
第六章 青岛市未来几年城市空间扩展特征分析
通过查阅青岛市规划局网站，了解青岛市2006-2021年城市总体规划（详见图6.1），规划面积确定为青岛市行政辖区，但城市规划区仅仅为中心城区、胶州市的营海等环胶州湾地区，以及滨海公路沿线的胶南城区和琅琊、泊里、鳌山卫、温泉、田横、王村、丰城等7镇组成。因此，从城市规划的角度不能完全的对比进行分析比较，同时缺少了周边县市区的规划思路，城市扩张走向无法研究，与本文研究的不能同期比较。但是也有值得借鉴的资料，城市总规的理念，青岛市规划局官方网站专门介绍了青岛市2006-2021 年的城市发展思路，全面包含了经济、政治、交通等多个方面，规划范围的扩大对本文研究青岛市未来几年城市空间扩展具有重要意义。
（1）从城市规划定位的角度来看，青岛市未来几年的发展还是一个向中心城区集聚，周边缓慢扩展的过程。本次2006-2021年青岛市总体规划中，范围确定为中心城区和胶州市的营海等环胶州湾地区，以及滨海公路沿线的胶南城区和琅琊、泊里、鳌山卫、温泉、田横、王村、丰城等地区，可以简易地看成是，环湾发展，周边蔓延的趋势，这也与青岛市环湾发展的战略口号相匹配。
第七章 结论和展望
7.1 结论
本文基于 GIS 与 RS 遥感技术，通过采集美国马里兰大学网站遥感影像数据，获取了2002年、2006年、2021年、2021年4个不同年份，统一选取10月的TM遥感影像图，为了研究的更为准确，本文结合了《中国城市建设统计年鉴》、《山东省统计年鉴》、《青岛市统计公报》的文献资料，以及参阅了青岛市规划局官方网站资料中心数据，获取了青岛市行政区划图、青岛市 2021 年规划发展思路（包含了城市建设、经济发展、交通道路发展、城市发展理念等）等等。采用目视解译的方法，利用软件处理获取4个年份的青岛市辖区（包括周边四市）土地利用现状图，并应用 Arcgis 软件技术提取了青岛市城市空间实体。在研究方法选取上，本文采用了回归分析法、分型模型、分维模型、统计模型等方法对城市进行研究，同时对比青岛市 2021 年城市规划图以及部分规划思想，展望青岛市未来几年城市空间扩展的发展方向。在此数据研究基础之上，深入的进行城市空间扩展研究，得出结论概括如下：
（1）各类用地的变化情况。在整个研究时期内（2002-2021 年），用地类型减少最多的耕地，这与城市化发展思路相近，大量的农业户口转为非农业户口，大量的耕地被转化为其他类型用地；其次是林地和水域，其中，2002-2006年之间林地减少较为集中，减少数量不多，与国家退更换林、保护林地的政策相匹配；耕地减少是一个长期性的现实，2021年之前持续减少，之后有所放缓；水域减少主要出现在2006-2021年之间，这与城市建设用地紧缺关于，部分养殖水域和填海造陆使得水域面积大量减少；最为唯一一个持续增长的土地利用类型建设用地，相对来说也与城市化发展相对应，城市化就是一个建设用地不断增多，城市建筑、城市面积逐渐增大的过程，其增长主要出现在2006-2021年之间，大幅增加的时期出现在2008、2009、2021年时间里。通过研究观察发现，城市空间扩展过程中城市建设用地大量增多与农用地（耕地）和林地的大量减少呈现相互关系，也是研究中变化最大的土地利用类型，由此可知，青岛市在近几年的城市空间扩展过程中，主要表现在城市建设用地大量占用农用地（耕地）与林地的过程中。因此，城市要想保持一个健康的发展现实，就应该在管理上下功夫，加强监督管理，规划管理、建设审批管理等等，制定保护性政策，确保林地、耕地不被违规占用，控制城市的盲目性的扩张。
参考文献（略）