基于GIS的聊城市建成区空间扩张研究

汤 力，刘一光

(青岛理工大学 建筑与城乡规划学院，青岛 266033)

城市空间的扩张一直是城市问题的研究重点，土地的可持续利用是城市发展的必然要求[1]。在国土空间开发规划新背景的要求下，运用GIS技术与数理统计方法分析城市空间扩张的时空特征以及驱动机制，将对城市低效用地与存量用地的判定起到积极的指导作用。国内对城市扩张方面的研究相对于国外起步较晚，但发展速度很快，在“城市空间利用”方面已经形成了较为完善的概念、技术等框架体系。如王士君等利用GIS技术提取了区位坐标、城市形态、用地规模等相关信息，分析了1984年以来大庆的建成区空间扩张规律[2]。谭雪兰等应用多元回归模型分析了长沙市空间扩展的影响因素，得出长沙市主要驱动力是快速推进的工业化、社会经济发展水平、交通区位引导以及相应的国家政策制度[3]。吝涛等指出行政区划演变、城市总体规划的演变、产业经济的发展布局、地形、围填海、交通、人口分布等七大因素影响厦门岛的空间扩张[4]。此外，还有诸多学者对淮北、武汉、宁波、长春等城市进行了城市空间形态、土地利用模式等方面的分析[5-9]。

聊城作为鲁西地区重要城市，在新的时代发展背景和时间节点上，特别是大运河成功申请世界遗产、大运河文化带崛起的发展战略契机下，运用新技术对聊城市建成区拓展的时空特征进行分析，并对其空间拓展的动力机制进行剖析，对于指导聊城未来发展具有十分重要的意义。

1 研究设计

1.1 聊城概况

1.1.1 地理区位

聊城市介于东经115°16′～116°32′和北纬35°47′～37°02′之间，地处冀鲁豫交界，东靠济南、西临邯郸、北依德州、南接濮阳和菏泽，是连接中原和西北地区、通往沿海的重要开放口岸。在战略发展层面，聊城先后被国家列入中原经济区，被山东省列入“省会城市群经济圈”“西部经济隆起带”以及在2016年纳入国家战略“京津冀协同发展区”。聊城市相比鲁西德州等市，目前交通地位一般，铁路有京九铁路、邯济铁路穿城而过，济馆高速公路也经过聊城。

1.1.2 经济水平

2017年，聊城市地区生产总值为3013.55亿元，按可比价格计算，比上年增长7.50%，位列全省第12名，占山东省总产值比重4.15%。三次产业结构比重11.50∶49.40∶39.10，居民消费水平偏低，2017年聊城市全体居民人均消费水平17 581元，仅高于临沂市和菏泽市(图1)。

图1 2017年山东各市经济情况

1.1.3 社会发展现状

按照聊城市公安局户籍统计人口数据可知，2017年聊城市户籍总人口达到639.69万人，常住人口城镇化率为50.34%，相比2016年增长1.84%。

1.2 数据收集及研究方法

1.2.1 数据收集

本文遥感影像分别来源于聊城市1985，1996，2006和2017年4期Landsat TM和Landsat 8OLI，分辨率为30 m。除2017年数字遥感数据略有云量外，其余均无云层覆盖，成像质量优良。同时，该4期影像成像时间均为6月或7月。此外，相关分析数据还来源于1985—2017年的社会经济统计公报、政府工作报告以及部分聊城市统计年鉴和山东省统计年鉴等。

1.2.2 研究方法

本文在ENVI 5.1和Arcgis 10.2等相关软件的支持下，首先对4期遥感影像进行解译。采用目视解译方法提取聊城市的土地利用信息，并在Arcgis中绘制出聊城市建成区的范围，重点分析聊城市建成区的时空拓展特征。

2 聊城市城市发展历史进程

2.1 聊城市建成区扩张的空间特征

从1985，1996，2006和2017年聊城市建成区范围可以直观看出(图2)，聊城市空间拓展在近30年经历了北向、东扩、南展3个发展阶段。在1997年之前，聊城作为县级市，且在山东省“海上山东” “黄河三角洲开发”两大战略背景下，投资大范围地向东部沿海倾斜，同时由于西部铁路与南部天然河流的阻隔，使得聊城偏向于北、东两处交通环境更便利的门户区扩张，但由于此时的聊城为鲁西地区的县级市尚未得到重视而发展极为缓慢。1997年8月，聊城撤地设市，城市发展重点由传统农业经济转向城市经济，城市建设开始逐步驶上快车道。聊城开始实施“大开放、大招商，促进大发展”战略，同时“江北水城”的框架也基本形成。特别是1992年聊城开发区正式获批，1995年正式启动建设，位于徒骇河东部的开发区迎来了新一轮的建设发展，城市建成区实现跨河向东发展。2006年聊城市提出要制定全市流通业发展规划，加快在城区北部建设大型物流基地，城区北部在政策的大力引导下得到进一步的发展。同时，随着聊城确定融入济南都市圈的战略以及聊城开发区于2013年3月2日被国务院批准升级为国家级经济技术开发区后，大量投资涌入，使其经济得到爆发式增长，人口大量聚集到城区，其用地规模也进一步扩大。

2.2 聊城市建成区扩张的时间特征

总体而言，2003—2017年的15年间，聊城市建成区扩张非常明显(表1)。2003年，聊城市市区面积为1245.00 km2，建成区面积为50.01 km2，建成区仅占市区总面积的4.01%。以遥感影像后时间为准，2006年建成区面积为59.00 km2，2017年聊城市市区面积增长至1710.00 km2，建成区面积为104.70 km2。2006年和2017年建成区分别占市区总面积的4.70%和6.12%。具体看，2003—2006年建成区面积增加了17.98%，年均增长速度为5.72%；2006—2017年，建成区面积增加了77.46%，年均增长速度为5.52%，说明近10年聊城市建成区扩张相比之前更为明显，同时佐证了图2解释的空间扩张特征。

表1 2003—2017年聊城市城市建设用地情况 km2

从具体用地角度而言，各项用地面积均不断增加，但增长速率略有不同。居住用地自2003年的13.58 km2增至2017年的30.20 km2，年均增长速度达6.55%，快于城市建成区的扩张速度，但占城市建设用地面积则大体不变，基本维持在26%～35%的区间。工业用地自2003年的9.15 km2增至2017年的21.40 km2，年均增长6.41%，从侧面说明了近十几年来聊城工业经济发展较好，工业用地扩张迅速的特征。工业用地在2003—2013年占城市建设用地面积比重不断上涨，从20.13%增长至29.90%，说明该时段建设用地的增加基本为工业布局服务。公共管理与公共服务用地从2003年的7.59 km2增至2017年的10.30 km2，年均增长速度为2.77%，远低于城市建成区的扩张速度。道路与交通设施用地自2003年的3.84 km2增至2017年的20.10 km2，年均增长速度高达19.58%，其占城市建设用地面积的比重也一路增长，2003年聊城市道路与交通设施用地仅占城市现状建设用地比重8.45%，至2017年占比高达20.30%。

3 动力机制分析

3.1 研究方法

为理清聊城市空间扩展的驱动机制，本文采用灰色关联分析法对聊城市建成区面积与各影响因素的关联度进行分析。影响因素参考其他相关文献，选择总人口、GDP、工业生产总值、地方财政收入。

在分析过程中，采用按照三级指标平权设置的方法进行分析。其计算过程如下：

1) 根据本文的评价目标确定聊城市建成区面积为参考序列，一般表示为xo={xo(1),xo(2),…,xo(n)}。选取建成区扩张的驱动因素作为比较序列，一般表示为xi={xi(1),xi(2),…,xi(n)},i=1,2,…,m。

2) 对以上两大数列进行无量纲化处理。由于本文中指标均为收益型指标，故其标准化公式为

式中：rij为无量纲化值；xij为第i对象的第j指标的实际值。

3) 计算2个序列在同一时刻的绝对差值，记为Δi，即

Δi=|x0'(k)-xi'(k)|i=1,2,3,…,m

4) 计算灰色关联系数和关联度：

式中：ζi(k)为x'i对x'0在时刻k的关联系数；ri为二者的相关度，反映的是自变量和因变量整体相关性；δ是分辨系数，一般取δ=0.5。

3.2 结果分析

2003—2017年聊城市建成区面积及影响聊城市建成区空间扩张的因素数据见表2。

表2 2003—2017年聊城市建成区面积及四大指标数据

通过对上述四大变量进行灰色关联分析，得出2003—2017年影响聊城市建成区扩张的因素按关联程度依次排序为地方财政收入、地区生产总值(GDP)、总人口和工业总产值，该四大指标与建成区扩张的年均灰色关联度分别为0.812，0.783，0.778和0.771(表3)。

表3 2003—2017年四大指标与聊城市建成区面积的灰色关联度

地方财政收入与地区生产总值是影响建成区扩张的前2个因素，这说明经济是促进城市空间扩张的主要驱动力。一般而言，经济的发展会促进收入的提高，人们的需求也会随之提高。这时增长的需求必然带来产业投入和产出的提高，亦会带来人口和产业的聚集。城镇内聚集的人口增多，对城市用地的要求会更多，这直接推动了城市建成区规模的增大，参考国内主要城市的发展历程也可得出这个结论。地方财政收入与地区生产总值的增长同时也意味着政府有更多的资本投入到城市建设与发展之中，特别是对于交通设施的投资，直接促成了城市化水平的提高，从而不断促进聊城市建成区的空间扩张。

工业生产总值的增加亦促进了聊城市建成区规模的扩张，但关联强度不如上述2个因素。说明聊城目前的人口吸引能力还有较大的潜力尚未开发出来，同时其工业化水平也处于初期，对人口的吸引力较小，不能较好地促进城市建设用地规模的扩大。

值得说明的是，从整个时间序列上讲，以上4个因素对建成区扩张的影响是越来越小的，特别是地方财政收入的灰色关联度下降最快，这说明随着聊城经济的进一步发展，依托地方财政投资进行城市空间扩张的发展模式正逐步地被转变，城市建成区用地被逐渐优化，建成区扩张逐渐朝着更科学、合理的方向发展。反而相对其他指标，工业总产值成为主要的影响因素，这说明聊城市在经过一系列的产业调整与结构的优化后，其城镇化发展已经进入到中期，进入了以工业为主的第二产业(特别是国家级开发园区)带动建成区拓展的阶段。

4 结论

1) 以聊城市为研究区域，运用遥感、GIS技术以及数理统计分析，对1985—2017年的聊城市市区的空间利用状况进行动态分析，揭示土地利用及市区拓展的时空特征；聊城市城市用地由于铁路和天然河流的阻隔，在政府政策和资金引导下，促使其先后向北、东、南三处扩张。

2) 通过分析数据得知，在时间上，城市建成区面积的增长与图像呈现规律相符。同时在此基础上分析市区扩张的动力机制，分析得出地方财政收入、地区生产总值(GDP)、总人口和工业总产值四大指标与建成区扩张有着较强的关联程度，且关联度依次降低。

3) 地方财政收入的扩大会带来政府资本投入的扩大，进而促使聊城建成区面积的增加。随着经济的发展，特别是工业经济的不断发展，以及产业结构的转型，直接扩大了建成区的面积。同时，聊城市总人口的增加，相应促进了常住人口城镇化率的提高，这也进一步影响了城市建成区空间的扩张。