快速城市化地区建设用地的空间特征与演变分析——以成都市为例<br/>

快速城市化地区建设用地的空间特征与演变分析——以成都市为例

2015-12-16冯文兰牛晓俊

四川师范大学学报（自然科学版） 2015年4期

冯文兰，牛晓俊

(成都信息工程学院资源环境学院，四川成都610225)

自20世纪90年代以来，我国进入快速城市化发展阶段，城市空间扩张和形态演化现象成为社会各界普遍关注的问题［1-4］.众多学者在城市空间演化过程、扩张模式和模拟等方面做了大量研究，极大地丰富了对城市总体空间格局的认识［5］，有关成果对于有效地引导和调控城市扩展具有重要的战略意义.作为城市空间结构的外在表象，建设用地空间特征与其相关的自然、经济、人文等要素具有时间上的阶段性和顺序性.因而，积极充分地开展建设用地空间扩展以及变化趋势、时空特征的研究，探讨城市空间扩展的驱动机制，有利于控制和引导城市建设用地合理扩展［6-7］.近年来，许多对城市扩展的研究内容不断向更深的机理分析和调控措施发展.研究方法多利用相关分析、回归分析以及定量描述来探讨影响城市扩展的自然因素和社会经济因素［8-9］.然而，已有的研究多着眼于我国大城市及东部沿海城市［10-11］，尽管现已开始向中西部城市过渡，但对西部地区城市化速度显著上升的区域主导型城市的研究成果仍相对较少［12］.

西部大开发战略的实施，使得西部地区加大了城市进程的步伐［13］.作为西部地区的重要城市，成都市也进入了城市化快速发展的时期［14］.作为所在区域的政治、经济和文化中心，成都市建设用地空间形态演变的研究对于其他城市的发展研究具有明显的启示意义和借鉴作用.为此，研究以成都市为对象，利用多期遥感影像提取建设用地信息，计算各城镇的空间自相关系数并分析建设用地拓展的空间特征及其时间演变规律，通过与社会经济的相关分析寻找影响成都城市空间扩张的主要驱动力，以期能有助于丰富我国主要城市空间成长研究的实证，为新形势下更好地把握城市发展脉络和城市合理空间组织提供有益的参考.

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区域成都市位于四川省中部，地处E102°54'～104°53'和 N30°5'～31°26'之间，幅员面积1.24万km2.2011年末，全市总人口1 163.28万人，其中市区人口544.78万人，县(市)人口618.50万人.全市人口密度约为954人/km2，其中，市区人口密度达2 486人/km2.自1998年以来，随着改革开放政策的实施，成都市城市化推进一直保持着快速、稳定的发展态势.经过一系列的行政区划调整，目前市辖9区4市(县级市)6县.城市空间具有典型的圈层式结构［15］，以中心五城区(金牛、青羊、成华、武侯、锦江区)构成中心第1圈层，近郊包括新都区、郫县、温江区、新津县、双流县、龙泉驿区、青白江区共7个区(县)构成第2圈层，远郊包括彭州市、都江堰市、崇州市、大邑县、邛崃市、蒲江县、金堂县等7市(县)构成第3圈层.2003年10月，成都市实施统筹城乡发展、推进城乡一体化战略.2007年，国务院正式批准成都市成为全国统筹城乡综合配套改革试验区.一系列相关政策的实施加快了城市化的进程，目前成都市城市化已开始步入郊区城市化的发展阶段，并已初步形成了以中心城区为核心、中小城市为节点、小城镇为依托的城镇空间格局.

1.2 数据基础与处理基础数据包括遥感影像、统计年鉴、成都市交通道路图和成都市行政区划图等，其中，遥感影像主要用于建设用地信息的提取，统计年鉴用于获取各县(市、区)社会经济数据，地形图用于遥感影像的校正，交通道路图用于研究结果的分析.

1.2.1 遥感影像处理及建设用地信息提取 2000年和2005年建设用地信息基于Landsat TM影像提取，2010年建设用地的提取基于中国环境减灾卫星(HJ-1A)影像并辅以Landsat TM影像.在对遥感图像进行了波段配准、几何校正与图像匹配、图像增强等预处理后，采用面向对象与决策树分类器相结合的方式，经过多轮人工目视修正提取了城市化进程中的土地利用变化信息，提取结果符合研究需要.在各期土地利用图中分别提取建设用地信息，包括城镇用地、农村居民点用地、独立工矿用地和交通设施用地.

1.2.2 社会经济数据成都市各区(市、县)社会经济数据取自2001年、2006年和2011年《成都统计年鉴》.为较全面地揭示研究区建设用地扩展的社会经济驱动因子，结合资料的可获得性，共选取22项社会经济统计指标(表1).对各期原始数据进行了标准化处理，以消除不同量纲可能带来的影响.

1.3 研究方法

1.3.1 建设用地的扩展强度分析利用成都市行政区划图分别对各区(市、县)3个时期建设用地面积进行统计并计算扩展强度指数，以反映快速城市化过程中建设用地扩展的空间差异和时序变化特征.建设用地扩展强度指数的计算公式和参数含义如下:

式中，Φ代表建设用地扩展强度指数，Ua和Ub为起止时间建设用地面积，T为研究时段的时间跨度，TA为研究区总面积.

表1 成都市建设用地扩展的社会经济驱动因子Table 1 Socioeconomic factors of on the build-up land expansion in Chengdu city

1.3.2 建设用地增长的空间特征分析引用空间自相关分析定量描述成都市各城镇建设用地增长的空间变化特征.Moran's I指数一般用来描述空间的自相关性，能够探测出空间聚集范围的扩展，也可以分析集中和分散的程度［16］.指数取值一般在［-1，1］之间.在给定显著性水平下，若Moran's I显著为正，表示建设用地在空间上显著集聚.反之，若显著为负，则表明区域与其周边地区的用地类型具有显著的空间差异［5］.Moran's I指数的计算方法参见文献［17］.利用ArcGIS 9.3的空间统计分析功能，统计分析研究区各区(市、县)在2000、2005和2010年的建设用地的全局Moran's I指数.

1.3.3 建设用地扩展空间特征的驱动力分析国内外学者普遍认为在较短时间尺度，社会经济因素对城市扩展起重要影响.首先，运用SPSS 16.0统计分析软件对3个时期标准化后的社会经济指标采用主成分分析方法测度各县域单元社会经济综合实力水平;然后，采用相关分析方法分析建设用地扩展的空间特征与社会经济综合实力的相互关系;为进一步确定成都市建设用地扩展空间特征的主要影响因素，为避免变量之间可能存在的共线性问题给回归系数的估计带来的不合理的解释，以Mo-ran's I作为因变量，以社会经济指标作为自变量，选用逐步回归的方法分析建设用地扩展空间特征的影响因素.

2 建设用地扩展的空间分异与演变特征

2.1 建设用地扩展强度的区域差异及其变化 3个时期建设用地扩展分布图(图1)直观地显示出，成都市2000—2010年各区(县)建设用地扩展受城市空间结构圈层式布局的影响，具有明显的空间差异性:1)中心圈层五城区建设用地在研究时段内填充式增长，城市核心区及其外围功能区具有集中紧凑型的圈层式扩展模式;2)近郊圈层属于典型的带状扩展模式，建设用地在沿交通道路延伸的同时向紧凑型演化;3)远郊圈层的城市空间多为指状扩展，建设用地自城镇中心沿高速公路向中心城区内部圈层发展，具有明显的交通指向性.从图1还可以看出，成都市建设用地空间扩展具有明显的阶段性特征.城市中心及其外部功能区和近郊圈层的建设用地在2000—2005年间的扩展规模明显大于2005—2010年，城市远郊圈层的各县域单元2个阶段的城市扩展差异不明显.

不同时期建设用地的面积及变化统计结果(表2)显示，2010年成都市建设用地的面积共计约1 253.07 km2，在2000—2005和2005—2010年的2个5年间分别增加了394.31和175.92 km2，增幅分别为57.75%和16.33%.从建设用地的总面积来看，处于近郊圈层的双流县和郫县最大，尤其是双流县，其建设用地的部分区域已与中心圈层连片发展.中心圈层和其余近郊圈层各行政单元的建设用地面积均大于远郊城镇.从2000—2010年建设用地的增幅来看，各行政单元介于26.32% ～179.76%之间.其中，温江区的增幅最大，其次为郫县和龙泉驿区.武侯区的增幅最小，其次为青羊区.总的来看，近郊圈层＞远郊圈层＞中心圈层.与中心城区交通距离最远的远郊圈层的蒲江县，建设用地总面积和增幅都很小，分别仅为17.18 km2和45.30%.从各行政单元建设用地扩展强度来看，2个时段中心圈层＞近郊圈层＞远郊圈层，但第2阶段各圈层间的差异明显减小.对比2个时期不同行政单元的扩展强度变化，中心圈层在前1时段表现出更大的扩展强度，近郊圈层在2个时段都有较大的扩展强度，远郊圈层则在第2阶段明显加速了扩展.

2.2 建设用地空间自相关的空间分异及演变统计不同时期Moran's I指数的计算结果并制作柱状图(图2)，结合图1可知:成都市建设用地的Moran's I指数核心圈层＜近郊圈层＜远郊圈层，且中心圈层和接近中心圈层的各行政单元的指数值为负值，反映出这些城镇建设用地布局向外分散的特点.其余近郊圈层和远郊圈层的各县域单元建设用地的Moran's I指数多为正值，且距离中心城区越远值越大，反映出这些城市建设用地主要围绕中心城市向外扩展，具有集中分布的特征.对比3个时期Moran's I指数的变化可以发现，受建成区向东向南发展的城市规划和城区西边建设用地连片发展的影响，成都市中心城市及其周边功能区在2000—2010年建设用地蔓延式发展的趋势有所增强.近郊圈层Moran's I指数的变化不大，说明该圈层城镇建设用地在沿交通道路扩展的同时以原建设用地为中心填充式向外扩展.除金堂县外，远郊圈层各城镇Moran's I指数的值稍增大，反映出现阶段该圈层建设用地的扩展仍然主要围绕行政中心向外扩展.金堂县Moran's I指数在研究时期内均为负值，且逐渐减小，这与其低山丘陵区的地形特征以及南北走向的龙泉山脉在一定程度上限制了成都市中心城区的辐射有关.以上结果揭示出成都市各级城镇体系的空间结构普遍存在的摊大饼式的发展特征，受中心城市对外辐射能力随距离衰减的影响，不同等级和区位条件的城镇在同一时期所处的城市化阶段不同，因而建设用地空间分布和扩展特征也存在明显的差异.

表2 2000、2005、2010年成都市建设用地扩展的空间分异Table 2 The spatial variation of the build-up land expansion of Chengdu city in 2000，2005 and 2010

3 建设用地扩展空间特征演变的驱动力分析

3.1 建设用地扩展空间特征与社会经济综合实力的相关关系采用主成分分析方法计算得到3个时期各县域城镇的综合实力得分(图3)，可以看出，成都市各行政单元的综合实力也存在明显的区域差异，大致排序为中心圈层＞近郊圈层＞远郊圈层.对比2010年和2000年各单元综合实力的得分情况，随着城乡一体化的进程，城市中心圈层各单元的综合实力水平的优势度减小，近郊圈层综合实力水平明显提升，远郊圈层与其他圈层的差距则进一步拉大.其中，受成都市向东向南的城市发展规划的影响，与核心圈层东、南方向毗邻的近郊圈层各单元(如双流县、龙泉驿区等)综合实力的提升优于其他方向(如郫县、温江等).

分别以Moran's I指数为横坐标，以各县域综合实力得分为纵坐标，制作建设用地扩展的空间特征与综合实力的散点图(图4).由图4可知，成都市各行政单元的综合实力与建设用地Moran's I指数具有一定的相关性，综合实力水平高的各单元Moran's I值较低，综合实力水平低的各单元Moran's I值则相对较高.社会经济综合实力较低的行政单元建设用地空间自相关系数的波动性相对较低，综合实力值较高的行政单元Moran's I值的3个时期的差异较大.从2000—2010年，综合实力较高的各单元间Moran's I指数的差异性增大，综合实力较低的各单元Moran's I指数的差异性则减小.

3.2 建设用地扩展空间特征的驱动因素及其变化Moran's I指数与社会经济指标多元逐步回归分析的结果显示(表3)，2000、2005和2010年对自变量和变量的分析都取得了较好的回归效果，3个时期的回归方程都具有较高的相关系数和决定系数，较小的F值，极小的P值和剩余标准差S.结果表明，社会经济因素可以显著地对成都市建设用地的空间分布特征进行解释.综合3个时期回归分析的结果发现，2000—2010年影响成都市建设用地空间分布特征的主要因素包括耕地面积(X1)、人均GDP(X3)、人均财政收入(X4)、人口密度(X8)、学校数(X9)、第一产业增加值(X12)、财政支出(X16)、地区生产总值(X18)、全社会固定投资资产(X19)、社会消费品销售总额(X20)、规模以上企业总产值(X21).进一步根据回归方程的系数可以知道，成都市建设用地的扩展在很大程度上取决于经济发展水平和产业发展，人口因素和社会消费水平也对其产生较大的影响.随着社会经济水平的提高和产业结构的转变，后2个因素的作用更加明显.

考虑到成都市建设用地扩展和社会经济实力都存在明显的空间差异，用上述同样的方法分别对3个时期城市各圈层建设用地空间特征的影响因素进行多元线性回归，结果显示方程的回归效果也均较好(表4).由表4可知，区位条件、时间的不同导致建设用地空间自相关性的主要影响因素有所不同:1)中心圈层建设用地的分布主要受第二产业发展的影响，且其影响力随时间的变化而愈加突出，反映出成都市在加快城市化过程中中心圈层建设用地空间分布特征的变化主要来自于产业结构调整引起的用地匹配的变化;2)快速城市化对近郊圈层建设用地扩展及其空间特征影响最为深刻，表现在城市化发展的不同时期建设用地空间自相关性的主要影响因素明显不同，2000年人口因素的影响较大，2005年社会生产力水平的影响更明显，2010年则主要为产业发展和社会投资状况;3)主要受成都市21世纪初大规模的老工业企业调迁［18］的影响，以及随后出现的大型零售项目的建设和成都市田园城市建设的逐步推进，远郊圈层建设用地空间分布特征在不同时期分别与工业化水平、人口因素和第三产业的发展水平密切相关.

表3 2000、2005、2010年成都市建设用地空间特征回归分析及确定的影响因素Table 3 Regression analysis for build-up land's spatial feature and its driving factors of Chengdu city in 2000，2005 and 2010

表4 2000、2005、2010年不同圈层的建设用地空间特征回归分析及确定的影响因素Table 4 Regression analysis for build-up land's spatial feature in different circles and its driving factors in 2000，2005 and 2010

4 结论与讨论

建设用地扩展是当前我国快速城市化进程中城市空间发展最重要的表现之一.分析建设用地空间分布特征的变化及其对社会经济影响因素的响应有助于丰富对城市总体空间格局的认识.本文在利用RS和GIS技术获取并分析成都市建设用地时空分布特征的基础上，讨论了成都市快速城市化进程中社会经济实力与建设用地空间特征的相互关系，并确定了不同时期影响建设用地空间分布特征的主要因素.

1)受城镇圈层分布格局的影响，成都市建设用地扩展也具有明显的圈层性.中心城区建设用地填充式增长，近郊圈层以带状模式向外扩展，远郊区则主要沿高速公路向中心城区方向指状扩展.李阳兵等［19］在重庆市的研究也发现，重庆市建设用地演变可归纳为圈层式、组团状和跳跃式或零星式扩展3种模式.王金亮等［20］对城镇扩张的空间趋势分析结果也发现，重庆市区城镇的空间分布为先集聚后再分散.各圈层所处的不同城市化阶段，以及地形地貌引起的自然条件的限制，是西部城市快速城市化地区建设用地扩展圈层分异的主要原因.从建设用地扩展的时序特征来看，在2000—2010年间，建设用地扩展强度中心圈层＞近郊圈层＞远郊圈层.其中，2000—2005年中心圈层和近郊圈层的扩展规模和扩展强度明显大于2005—2010年，远郊圈层的扩展则在第2阶段明显加强.结果说明，远郊圈层的城市化进程将逐渐进入一个更为活跃的发展阶段，为避免“摊大饼”规模进一步扩大，应采取相应措施对建设用地扩展进行科学的引导.

2)空间自相关分析进一步揭示了成都市建设用地扩展特征的空间差异.Moran's I指数远郊圈层＞近郊圈层＞中心圈层，反映出郊区城镇建设用地聚集式发展，中心城区蔓延式发展.2000—2010年Moran's I指数的变化同样具有圈层分异特征，中心圈层各城镇的Moran's I指数大多减小，远郊圈层的多增大，近郊圈层则变化不大，揭示出平原地区城市建设摊大饼式的发展以及中心城市对外辐射随距离衰减的特征［21］.周锐等［22］的研究也指出，单中心城市的城镇用地有显著的“圈层式”扩展模式.应该指出的是，论文中建设用地信息的提取是基于30 m左右分辨率的遥感影像，对于较短时期郊区建设用地扩展空间特征的表达能力有限.同时，Moran's I指数大小仅代表一种统计关系，为更准确地掌握建设用地空间扩展的细节特征需要获取更高空间分辨率的数据源.

3)成都市社会经济综合实力中心圈层＞近郊圈层＞远郊圈层，且远郊区与中心城区的实力差异有增大的变化.社会经济实力水平与建设用地Moran's I指数具有一定的相关性，城市化过程中产业结构调整、城市规划等引起的用地匹配和城市要素的空间变化是引起不同时期建设用地空间分布特征差异的主要原因.不同圈层的城镇建设用地扩展的主要驱动因素也有明显的不同，且不同城市化发展阶段的驱动因素也不同.关兴良等［23］对武汉群城镇用地空间扩展的研究中也指出，不同时期城镇用地变化的主导驱动机制有所差别.需要指出的是，论文仅根据成都市社会经济综合实力水平和社会经济统计指标从社会经济因素的角度讨论了建设用地扩展的影响因素，实际上建设用地扩展具有复杂性，有关成都市建设用地空间特征的动态演变机制仍有待进一步的研究.下一步着重需要解决的问题包括:城市发展战略和政策的定量表达，资源环境、自然条件和社会经济因素对建设用地扩张影响的定量区分等.

致谢成都信息工程学院校中青年学术带头人科研基金项目(J201414)对本文给予了资助，谨此致谢.

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