株洲市城市扩展及其驱动力分析
罗春
摘 要 本文以湖南省株洲市区作为研究区，选取1999、2006、2009和2016年的Landsat遥感影像，利用IBI建筑指数分别提取了4个年份的建筑用地，在ARCGIS中对城市的建成区面积及扩展方向进行分析。结果表明，1999-2016年间株洲市面积净增74.94 km2，净增面积为1999年的114%；城市扩展方向，1999-2006年间主要为西北和东南，2006-2009年间主要为东南，2009-2016年间主要为西南和东北。运用SPSS对株洲城市扩展的驱动因素进行分析，结果表明，株洲的城市空间的扩展是各种因素和机制的综合叠加，其中人口、经济、交通、政府策略和规划均对株洲城市扩展方向产生了一定的引导作用。
关键词 城市扩展；驱动力；IBI指数；株洲
中图分类号：P237 文献标识码：A
Abstract： Four Landsat time-series images for 1999， 2006， 2009 and 2013 of Zhuzhou city have been used to study the urban expansion of Zhuzhou urban area with the assistance of remote sensing and GIS technology. The index-based built-up index （IBI） was used to extract urban build-up land information of Zhuzhou from the four images. The results indicated that during the 17-year study period， the urban built-up area of Zhuzhou had a net increase of 74.94km2， which was 114% more than the area in 1999. The main directions of urban expansion are different in different stages ，the expansion direction is northwest and southeast in 1999-2006； the direction of expansion is mainly southeast in 2006-2009；the expansion direction is mainly southwest and northeast in 2009-2016. Use SPSS to analyze the driving factors of Zhuzhou city expansion， the results shows that combined effect of various factors and mechanisms has led to the expansion of urban space， including population， economy， traffic and government strategy should pay attention to the intelligent use of urban land.
Keywords： urban expansion； driving force data； IBI； Zhuzhou city
0 引言
城市化進程的快速发展，城市人口迅速增加，必然引起城市建设用地不断向外扩展，城市建设用地扩张与城市空间形态演变，逐渐引起了国内外学者以及政府部门的高度重视[1]。1970年Lee等[2]提出了定量测度城市空间形态的方法。2003年Wilson等[3]提出了填充式、孤岛式、蔓延式、扩展式和分支式5种扩展模式。徐涵秋[4]利用IBI指数提取了近30年福州的城市建成区边界。刘盛和[5]总结了历史形态、区位经济、决策行为、政治经济学等4种城市扩展模式。朱锡金[6]根据8种城市空间扩展归纳出匀质分布、蛛网、海星状、群体、带状5大城市扩展形态。株洲处于“3+5长株潭”城市群建设的核心之一，地处湖南乃至全国的重工业基地和交通心脏地带。本文以湖南省株洲市为研究对象，采用RS和GIS技术对株洲实行动态监测，研究株洲市城市空间扩展及驱动因素进行分析的方法，对研究“长株潭城市群”的扩展及发展提供借鉴参考。
1 研究区数据及分析方法
1.1 研究区数据
株洲市位于湖南省东部，处于北纬26°03′
05″～28°01′07″，东经112°57′30″～114°07′15″
之间，全年平均气温在16～18°C，年均降水量1280 mm。株洲是我国南方乃至全国重要的铁路枢纽，与郑州并称为“北郑南株”，便利的交通是株洲发展的厚实基础。
1.2 数据预处理
本研究采用Landsat遥感数据，获取时间为1999年9月2日、2006年6月10日（TM）、2009年10月24日和2016年11月28日（OLI）（下载于中国科学遥感与地球地理研究所和地理空间数据云），由于获取的遥感数据的质量及数量有限，所选取研究的年份间隔和月份不一致，但是对于研究株洲整体上的城市扩展没有影响。在ENVI中，以1999年的影像为基准，对2006年、2009年和2016年的影像进行辐射校正配准[7-9]。
1.3 城市扩展分析方法
（1）城市用地提取
本文根据2007年徐涵秋提出的IBI建筑指数[10]进行建筑用地提取，表达式如式1～式4所示。
式中，NDBI为建筑指数[11]；SAVI为土壤调节植被指数[12]；MNDWI为改进水体指数[13]；MIR、NIR、GREEN、RED分别表示中红外、近红外、绿光和红光波段的反射率；土壤调节因子。
根据IBI建筑指数[7]提取4个年份影像的建筑用地信息，通过与原始影像进行叠加及目视判别进行人工调试，得到结果如图1所示。其中，图1a～图1d为已掩膜掉非株洲市区的行政区域的RGB真彩色影像，图1e～图1h为提取的建筑用地二值影像，用图上黑色图斑代表建筑用地。采用随机抽样的方法，将上述提取的建筑用地分别与同期或准同期的土地利用现状图进行对比，验证结果表明，4个年份的建筑用地提取总精度都超过85%，满足精度要求。
在此基础上，进一步将提取的建筑用地（图1e～图1h）矢量化，为了更准确清晰地显示株洲市城市建成区的变化，采用象限方位法对影像进行分象限讨论[14]，即以1999年株洲市的建筑用地重心为原点，东西向为横轴，南北向为纵轴，按8个方位将研究区划分成8个象限区域（图2），并計算各年份之间8个象限的增加面积。
（2）城市扩展速度计算
城市扩展速度指数[15]表示在整个研究时期内的城市不同阶段的增长速度，用以描述城市空间扩展的总体趋势，其主要根据所获取建筑面积以进行计算（式5）。
式中：为城市扩展速度指数，和分别为年和年的城市建成区面积，以年为单位。
2 株洲市城市扩展分析
2.1 株洲市城市扩展时空变化
在ArcGIS中，根据获取的4个年份的建筑用地进行分象限叠加分析，计算17年间整个株洲市主城区及各个象限的建筑用地扩展范围和扩展速率。由各年份主城区影像叠加图（图2）看出，17年间株洲的城市扩展十分明显，株洲市建成区面积由1999年的63.71 km2增长到2016年的138 km2，增幅为1.17倍。1999-2006年间增长27.93 km2，年平均城市扩展速度为3.99 km2，结合8个象限图，株洲市的主要扩展方向为西北、东南，其次是西南，这是由于株洲在这期间受到国家重点项目布局的影响，利用交通路线优势，沿京广线分布大力发展工业，城市要素往京广铁路线集聚，同时芦淞区大力发展服装业，成为江南最大的服装批发市场；2006-2009年间增长14.2 km2，年平均城市扩展速度为3.55 km2，株洲市的主要扩展方向为东南，较之前的期间有所下降，这主要是由于政府重新规划城市布局，芦淞及荷塘区政府把重点转移到旧城区改造，市政府搬迁至天元区。同时，2007年末国务院批准“长株潭城市群”战略刚刚起步，对株洲市的城市扩展具有滞后性；2009-2016年增长32.16 km2，年平均城市扩展速度为5.36 km2，株洲市的主要扩展方向为西南和东北，其中东北方向是由于在“长株潭城市群”战略政策下，株洲与湘潭和长沙快速融为一体，创建了云龙示范区，而西南方向是由于为了打开株洲的西门，株洲市在2012年开发完成了栗雨工业园，加速了株洲向西的扩展速度，这一时期株洲的空间扩展属于现代快速扩展阶段。
2.2 城市扩展的驱动因子分析
城市空间扩展演化受制于经济、社会和政治方面的力量与作用，按照其自身的发展律而增长[16]，对于株洲这一在短期内发展起来的大城市，各种因素和机制的综合作用导致了城市空间的扩展，城市各组成要素通过竞争寻求适合其发展的最佳区位，在不同的发展时序演化共生，形成集聚或扩散的自组织演替，促进了株洲的发展。
（1）人口增长
从城市扩展的驱动力影响因子中分析人口增长是城市扩展的直接推动力。据表1分析，株洲市区人口由1999年的73.7万人上升到2016年的122.2万人，这是由于人口的增长从而需要提供更多的生产生活用地，同时，随着人们的生活水平提高，追求更高的生活质量，要求更大的生活空间，其中包括居民用地、工业用地、配套设施的建设用地、交通和公共设施用地等，这些因素都会导致城市建成区扩展。而在这期间城市化水平由1999年73.7%上升2009年91.83%，之后到2016年稍微下降至87.2%，究其原因是在1999-2009年城市扩展的过程中促进了农业人口转非农人口，而在2009-2016年期间，株洲市出现了逆城市化现象，究其原因可能是城市内环境质量下降，同时乡村地区和小城镇基础设施建设日趋完善，从而引起城市人口向乡村和城镇迁移。
（2）经济发展
据表1分析，社会经济发展与城市空间的扩展密切相关，株洲市区GDP由1999年的1384913万元猛增到2016年的11281076万元，第二产业始终占主导位置，同时，在1999-2006年期间第一产业比重3.03%降至2.36%，第二产业60.5%下降至56.28%，第三产业由36.47上升至41.36%；2006-2009年期间第一产业比重2.36%下降至1.65%，第二产业56.28%上升至64.06%，第三产业41.36%下降至34.29%；2010-2015年期间第一产业比重1.65%上升至2.17%，第二产业64.02%下降至58.33%，第三产业34.29%上升至39.4%；而根据遥感影像提取的建成区面积，1999-2006年城市扩展速度为3.99 km2，2006-2010年城市扩展速度为3.55 km2，2009-2016年城市扩展速度为5.36 km2。可见株洲市主城区的城市扩展在与第二产业的发展有紧密联系的同时，城市扩展的速度与第三产业成正相关，这表明株洲在产业结构发展方面已经在升级转型阶段，在发展第二产业的同时，大力促进发展第三产业，优化产业结构，推动经济转型升级。
（3）交通线路
交通是城市与区域及区域外的物质联系的主要通道，交通线路的开辟与建设往往成为城市空间扩展的大门，而在株洲市的城市扩展中更加明显。为了更好直观地反映交通线路对株洲城市扩展的影响，根据2016年地理国情普查数据调查的株洲市主城区范围，提取出各个年份的株洲市主城区的建成区叠加图，同时叠加上株洲市主干道分布图（图3）来进行分析，可以看出株洲市的城市扩展主要沿京广铁路和沪昆铁路，使车站成为城市人货流集散的次中心，通过集聚与扩散作用，促使株洲城市逐步向外扩展。随后，株洲市的公路网络和大桥不断完善，联通株洲市对的河东与河西，缩短了各个城区的距离。
（4）社会人文因素
“政府力”往往成为影响城市空间结构演化的最大因素之一。1992年，在邓小平南方讲话的影响下，株洲市第三产业异军突起，株洲市的芦淞区成为江南最大的服装批发市场，同时带动了中心商业区的迅速发展，并逐步向周边扩展。随后，株洲市提出计划经济转型，逐渐从计划经济向市场经济转型，企业冲破封闭式发展，建立了高新技术产业开发区给株洲市注入了新的活力。十七大之后，武汉城市圈和长株潭城市群被国家确定为“两型社会”，在总体规划中，明确长株潭城市群核心区面积由此前规划的894.49 km2扩大到1411.69 km2，其中株洲市区占到535.39 km2，这一政策，将促进株洲城市不断向外扩展，其中向北，重点建设云龙新城，力争尽快建成生态城、文化城；向西加快新马、栗雨等片区开发，建设长株潭自主创新示范区核心区。
3 結语
株洲市建成区从1999-2016年间面积增幅是1999年建成区的总面积1.14倍，并且在1999-2006年的扩展速率超过了2006-2010年，而在2010-2016年城市的扩展速率又加速增长。综合分析表明，株洲市建成区的扩展方向主要先是沿交通干道西北向东南方向呈带状扩展，之后受政策影响呈现西南和东北扩展趋势。
株洲市的空间扩展同时受交通、经济、人口和政府决策因素的综合影响。研究表明：（1）在交通线路沿线，株洲市城市建筑用地扩展十分显著；（2）人口的快速增长促进了株洲市的快速扩展，但近年来，由于城市环境质量下降和乡镇交通设施改善等原因，株洲市人口较前段时期有所下降，出现了逆城市化现象；（3）目前，株洲市的城市扩展主要以第二产业驱动为主，但是，近年来株洲市加速对产业优化，推动经济转型，促进发展第三产业，在株洲城市扩展的驱动因素中，第三产业所占比重逐渐上升，而城市发展质量的提高主要靠第三产业，这也意味着株洲市城市发展逐步成熟；（4）城市规划引导和政府力对推动株洲的城市空间扩展扮演着重要的角色。
参考文献/References
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[19] 湖南省统计局. 湖南省统计年鉴2009[M]. 北京：中国统计出版社， 2009.
[20] 湖南省统计局. 湖南省统计年鉴2016[M]. 北京：中国统计出版社， 2016.
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[22] 张永志. 株洲城市空间扩展特征及影响因素研究[D]. 长沙：湖南师范大学， 2006.
摘 要 本文以湖南省株洲市区作为研究区，选取1999、2006、2009和2016年的Landsat遥感影像，利用IBI建筑指数分别提取了4个年份的建筑用地，在ARCGIS中对城市的建成区面积及扩展方向进行分析。结果表明，1999-2016年间株洲市面积净增74.94 km2，净增面积为1999年的114%；城市扩展方向，1999-2006年间主要为西北和东南，2006-2009年间主要为东南，2009-2016年间主要为西南和东北。运用SPSS对株洲城市扩展的驱动因素进行分析，结果表明，株洲的城市空间的扩展是各种因素和机制的综合叠加，其中人口、经济、交通、政府策略和规划均对株洲城市扩展方向产生了一定的引导作用。
关键词 城市扩展；驱动力；IBI指数；株洲
中图分类号：P237 文献标识码：A
Abstract： Four Landsat time-series images for 1999， 2006， 2009 and 2013 of Zhuzhou city have been used to study the urban expansion of Zhuzhou urban area with the assistance of remote sensing and GIS technology. The index-based built-up index （IBI） was used to extract urban build-up land information of Zhuzhou from the four images. The results indicated that during the 17-year study period， the urban built-up area of Zhuzhou had a net increase of 74.94km2， which was 114% more than the area in 1999. The main directions of urban expansion are different in different stages ，the expansion direction is northwest and southeast in 1999-2006； the direction of expansion is mainly southeast in 2006-2009；the expansion direction is mainly southwest and northeast in 2009-2016. Use SPSS to analyze the driving factors of Zhuzhou city expansion， the results shows that combined effect of various factors and mechanisms has led to the expansion of urban space， including population， economy， traffic and government strategy should pay attention to the intelligent use of urban land.
Keywords： urban expansion； driving force data； IBI； Zhuzhou city
0 引言
城市化進程的快速发展，城市人口迅速增加，必然引起城市建设用地不断向外扩展，城市建设用地扩张与城市空间形态演变，逐渐引起了国内外学者以及政府部门的高度重视[1]。1970年Lee等[2]提出了定量测度城市空间形态的方法。2003年Wilson等[3]提出了填充式、孤岛式、蔓延式、扩展式和分支式5种扩展模式。徐涵秋[4]利用IBI指数提取了近30年福州的城市建成区边界。刘盛和[5]总结了历史形态、区位经济、决策行为、政治经济学等4种城市扩展模式。朱锡金[6]根据8种城市空间扩展归纳出匀质分布、蛛网、海星状、群体、带状5大城市扩展形态。株洲处于“3+5长株潭”城市群建设的核心之一，地处湖南乃至全国的重工业基地和交通心脏地带。本文以湖南省株洲市为研究对象，采用RS和GIS技术对株洲实行动态监测，研究株洲市城市空间扩展及驱动因素进行分析的方法，对研究“长株潭城市群”的扩展及发展提供借鉴参考。
1 研究区数据及分析方法
1.1 研究区数据
株洲市位于湖南省东部，处于北纬26°03′
05″～28°01′07″，东经112°57′30″～114°07′15″
之间，全年平均气温在16～18°C，年均降水量1280 mm。株洲是我国南方乃至全国重要的铁路枢纽，与郑州并称为“北郑南株”，便利的交通是株洲发展的厚实基础。
1.2 数据预处理
本研究采用Landsat遥感数据，获取时间为1999年9月2日、2006年6月10日（TM）、2009年10月24日和2016年11月28日（OLI）（下载于中国科学遥感与地球地理研究所和地理空间数据云），由于获取的遥感数据的质量及数量有限，所选取研究的年份间隔和月份不一致，但是对于研究株洲整体上的城市扩展没有影响。在ENVI中，以1999年的影像为基准，对2006年、2009年和2016年的影像进行辐射校正配准[7-9]。
1.3 城市扩展分析方法
（1）城市用地提取
本文根据2007年徐涵秋提出的IBI建筑指数[10]进行建筑用地提取，表达式如式1～式4所示。
式中，NDBI为建筑指数[11]；SAVI为土壤调节植被指数[12]；MNDWI为改进水体指数[13]；MIR、NIR、GREEN、RED分别表示中红外、近红外、绿光和红光波段的反射率；土壤调节因子。
根据IBI建筑指数[7]提取4个年份影像的建筑用地信息，通过与原始影像进行叠加及目视判别进行人工调试，得到结果如图1所示。其中，图1a～图1d为已掩膜掉非株洲市区的行政区域的RGB真彩色影像，图1e～图1h为提取的建筑用地二值影像，用图上黑色图斑代表建筑用地。采用随机抽样的方法，将上述提取的建筑用地分别与同期或准同期的土地利用现状图进行对比，验证结果表明，4个年份的建筑用地提取总精度都超过85%，满足精度要求。
在此基础上，进一步将提取的建筑用地（图1e～图1h）矢量化，为了更准确清晰地显示株洲市城市建成区的变化，采用象限方位法对影像进行分象限讨论[14]，即以1999年株洲市的建筑用地重心为原点，东西向为横轴，南北向为纵轴，按8个方位将研究区划分成8个象限区域（图2），并計算各年份之间8个象限的增加面积。
（2）城市扩展速度计算
城市扩展速度指数[15]表示在整个研究时期内的城市不同阶段的增长速度，用以描述城市空间扩展的总体趋势，其主要根据所获取建筑面积以进行计算（式5）。
式中：为城市扩展速度指数，和分别为年和年的城市建成区面积，以年为单位。
2 株洲市城市扩展分析
2.1 株洲市城市扩展时空变化
在ArcGIS中，根据获取的4个年份的建筑用地进行分象限叠加分析，计算17年间整个株洲市主城区及各个象限的建筑用地扩展范围和扩展速率。由各年份主城区影像叠加图（图2）看出，17年间株洲的城市扩展十分明显，株洲市建成区面积由1999年的63.71 km2增长到2016年的138 km2，增幅为1.17倍。1999-2006年间增长27.93 km2，年平均城市扩展速度为3.99 km2，结合8个象限图，株洲市的主要扩展方向为西北、东南，其次是西南，这是由于株洲在这期间受到国家重点项目布局的影响，利用交通路线优势，沿京广线分布大力发展工业，城市要素往京广铁路线集聚，同时芦淞区大力发展服装业，成为江南最大的服装批发市场；2006-2009年间增长14.2 km2，年平均城市扩展速度为3.55 km2，株洲市的主要扩展方向为东南，较之前的期间有所下降，这主要是由于政府重新规划城市布局，芦淞及荷塘区政府把重点转移到旧城区改造，市政府搬迁至天元区。同时，2007年末国务院批准“长株潭城市群”战略刚刚起步，对株洲市的城市扩展具有滞后性；2009-2016年增长32.16 km2，年平均城市扩展速度为5.36 km2，株洲市的主要扩展方向为西南和东北，其中东北方向是由于在“长株潭城市群”战略政策下，株洲与湘潭和长沙快速融为一体，创建了云龙示范区，而西南方向是由于为了打开株洲的西门，株洲市在2012年开发完成了栗雨工业园，加速了株洲向西的扩展速度，这一时期株洲的空间扩展属于现代快速扩展阶段。
2.2 城市扩展的驱动因子分析
城市空间扩展演化受制于经济、社会和政治方面的力量与作用，按照其自身的发展律而增长[16]，对于株洲这一在短期内发展起来的大城市，各种因素和机制的综合作用导致了城市空间的扩展，城市各组成要素通过竞争寻求适合其发展的最佳区位，在不同的发展时序演化共生，形成集聚或扩散的自组织演替，促进了株洲的发展。
（1）人口增长
从城市扩展的驱动力影响因子中分析人口增长是城市扩展的直接推动力。据表1分析，株洲市区人口由1999年的73.7万人上升到2016年的122.2万人，这是由于人口的增长从而需要提供更多的生产生活用地，同时，随着人们的生活水平提高，追求更高的生活质量，要求更大的生活空间，其中包括居民用地、工业用地、配套设施的建设用地、交通和公共设施用地等，这些因素都会导致城市建成区扩展。而在这期间城市化水平由1999年73.7%上升2009年91.83%，之后到2016年稍微下降至87.2%，究其原因是在1999-2009年城市扩展的过程中促进了农业人口转非农人口，而在2009-2016年期间，株洲市出现了逆城市化现象，究其原因可能是城市内环境质量下降，同时乡村地区和小城镇基础设施建设日趋完善，从而引起城市人口向乡村和城镇迁移。
（2）经济发展
据表1分析，社会经济发展与城市空间的扩展密切相关，株洲市区GDP由1999年的1384913万元猛增到2016年的11281076万元，第二产业始终占主导位置，同时，在1999-2006年期间第一产业比重3.03%降至2.36%，第二产业60.5%下降至56.28%，第三产业由36.47上升至41.36%；2006-2009年期间第一产业比重2.36%下降至1.65%，第二产业56.28%上升至64.06%，第三产业41.36%下降至34.29%；2010-2015年期间第一产业比重1.65%上升至2.17%，第二产业64.02%下降至58.33%，第三产业34.29%上升至39.4%；而根据遥感影像提取的建成区面积，1999-2006年城市扩展速度为3.99 km2，2006-2010年城市扩展速度为3.55 km2，2009-2016年城市扩展速度为5.36 km2。可见株洲市主城区的城市扩展在与第二产业的发展有紧密联系的同时，城市扩展的速度与第三产业成正相关，这表明株洲在产业结构发展方面已经在升级转型阶段，在发展第二产业的同时，大力促进发展第三产业，优化产业结构，推动经济转型升级。
（3）交通线路
交通是城市与区域及区域外的物质联系的主要通道，交通线路的开辟与建设往往成为城市空间扩展的大门，而在株洲市的城市扩展中更加明显。为了更好直观地反映交通线路对株洲城市扩展的影响，根据2016年地理国情普查数据调查的株洲市主城区范围，提取出各个年份的株洲市主城区的建成区叠加图，同时叠加上株洲市主干道分布图（图3）来进行分析，可以看出株洲市的城市扩展主要沿京广铁路和沪昆铁路，使车站成为城市人货流集散的次中心，通过集聚与扩散作用，促使株洲城市逐步向外扩展。随后，株洲市的公路网络和大桥不断完善，联通株洲市对的河东与河西，缩短了各个城区的距离。
（4）社会人文因素
“政府力”往往成为影响城市空间结构演化的最大因素之一。1992年，在邓小平南方讲话的影响下，株洲市第三产业异军突起，株洲市的芦淞区成为江南最大的服装批发市场，同时带动了中心商业区的迅速发展，并逐步向周边扩展。随后，株洲市提出计划经济转型，逐渐从计划经济向市场经济转型，企业冲破封闭式发展，建立了高新技术产业开发区给株洲市注入了新的活力。十七大之后，武汉城市圈和长株潭城市群被国家确定为“两型社会”，在总体规划中，明确长株潭城市群核心区面积由此前规划的894.49 km2扩大到1411.69 km2，其中株洲市区占到535.39 km2，这一政策，将促进株洲城市不断向外扩展，其中向北，重点建设云龙新城，力争尽快建成生态城、文化城；向西加快新马、栗雨等片区开发，建设长株潭自主创新示范区核心区。
3 結语
株洲市建成区从1999-2016年间面积增幅是1999年建成区的总面积1.14倍，并且在1999-2006年的扩展速率超过了2006-2010年，而在2010-2016年城市的扩展速率又加速增长。综合分析表明，株洲市建成区的扩展方向主要先是沿交通干道西北向东南方向呈带状扩展，之后受政策影响呈现西南和东北扩展趋势。
株洲市的空间扩展同时受交通、经济、人口和政府决策因素的综合影响。研究表明：（1）在交通线路沿线，株洲市城市建筑用地扩展十分显著；（2）人口的快速增长促进了株洲市的快速扩展，但近年来，由于城市环境质量下降和乡镇交通设施改善等原因，株洲市人口较前段时期有所下降，出现了逆城市化现象；（3）目前，株洲市的城市扩展主要以第二产业驱动为主，但是，近年来株洲市加速对产业优化，推动经济转型，促进发展第三产业，在株洲城市扩展的驱动因素中，第三产业所占比重逐渐上升，而城市发展质量的提高主要靠第三产业，这也意味着株洲市城市发展逐步成熟；（4）城市规划引导和政府力对推动株洲的城市空间扩展扮演着重要的角色。
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