近30年中国典型城市群建设用地扩张的时空特征及其对比——以京津冀城市群和粤港澳大湾区为例

张颖诗， 冯艳芬， 郭冠华， 王 芳， 蔡世荣

(广州大学地理科学与遥感学院， 广州 510006)

在经济全球化和城镇化快速发展的背景下，我国城镇化率从1978年的17.9%提高到2019年的60.6%，城市扩张速度整体呈上升趋势[1]，城市建设用地的扩张成为衡量城市化水平的重要指标[2]。与此同时，城市之间的竞争力不再依赖于单个城市的优势，而表现为以中心城市为核心的城市群或都市圈的优势[3]。城市群是指在特定地域范围内，以1个超大或特大城市为核心，由至少3个以上都市圈或大城市为基本构成单元，依托完善的交通物流、通信网络和环境资源等多种基础设施，不断加强城市之间的经济联系，从而实现同城化和高度一体化的城市集群区域，是国家工业化和城镇化转型发展到高级阶段的重要标志[4-5]。城市群的协调发展已成为推进我国城镇化进程及促进区域协调健康发展的重要标志。

城市扩张是指在经济发展、人口增长和城镇化等因素的综合作用下,城市建设用地总量和用地方向向外推进的演变过程[6]。近年来，随着城镇化进程开始朝着以区域统筹发展的城市群模式推进，城市群扩张成为学术界关注的焦点。学者们常使用夜间灯光数据、土地利用数据和社会经济统计数据等数据，借助GIS空间分析方法，选择城市扩张数量、景观扩张指数和景观格局指数等指标探讨城市群扩张的时空动态特征[7-9]；运用多元逐步回归模型、时空地理加权回归模型和广义加性模型等方法剖析城市群扩张的驱动机制[10-12]；结合CA模型、FLUS模型和机器学习等方法进行城市群的扩张模拟与预警[13-15]；通过评估生态系统服务价值、构建生态环境效应综合评价模型和运用Capello模型等方法测度城市群扩张的生态环境效应和经济效应[16-18]。目前，有关城市群扩张研究的区域主要集中在京津冀[18]、长三角[3]和珠三角[19]等单个城市群，如：基于空间效应视角分析京津冀城市群建设用地的扩张方向[20]、探讨行政边界对京津冀城市群扩张的影响[21]、分析该城市群扩张的驱动机制[22]；利用空间自相关方法探明珠三角土地利用的时序变化[19]和运用地理模拟优化系统对珠三角的城市扩张进行模拟与预测[23]。但目前对于长时间序列下不同区域不同发展定位的城市群建设用地扩张的对比研究还较欠缺。京津冀城市群作为我国的“首都经济圈”，侧重以政治、文化功能来实现区域一体化发展；粤港澳大湾区是我国经济开放程度最高的地区之一，侧重以经济功能来拉动区域协同发展。上述两大城市群是我国目前重点发展的世界级城市群，通过对比研究这两大城市群建设用地的扩张过程及其异同点，将有利于丰富我国现有城市群扩张的研究成果，也有利于进一步加深对城市群发展规律的探讨与思考。

鉴于现有研究均表明不透水面数据可作为研究城市扩张进程中建设用地增长态势的重要衡量因子[24-26]，故本研究利用GONG等[27]的研究成果，通过提取1988—2017年京津冀城市群与粤港澳大湾区的建设用地信息，对比研究近30年间两大城市群建设用地的扩张特点及其差异，深入理解城市群扩张的时空演化特征，思考城市群发展的不同阶段及其不同特征，以期为我国其他城市群的协调与健康发展提供相应的理论支撑与实践经验。

1 研究区概况

京津冀城市群地处华北平原北部、西邻太行山、北邻燕山，包括北京、天津2个直辖市以及河北省的11个市，共13个城市。该城市群的发展目标是建设成为“以首都为核心的世界级城市群”，区域面积21.6万km2，2018年的GDP总量约占全国GDP总量的8.59%[18,28]。

粤港澳大湾区位于我国华南地区，由广东省的9个市及香港、澳门2个特别行政区组成。粤港澳大湾区是继美国纽约湾区、旧金山湾区和日本东京湾区之后的世界第四大湾区，是我国经济发展、对外开放和参与全球竞争的空间载体，区域面积5.6万km2，2018年的GDP总量约占全国GDP总量的12.39%[29]。

由两大城市群的基本情况(表1)可知：粤港澳大湾区的经济发展水平高于京津冀城市群；尽管粤港澳大湾区的区域面积仅为京津冀城市群的25.93%，人口仅是京津冀城市群的63.14%，但其人口密度是京津冀城市群的2.44倍；粤港澳大湾区的GDP也远超京津冀城市群的，其地均GDP是京津冀城市群的5.49倍、人均GDP是京津冀城市群的2.28倍。

表1 两大城市群的基本情况

两大城市群的区位及其行政区划见图1。

图1 京津冀城市群与粤港澳大湾区的位置示意图

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与预处理

研究所用的建设用地数据来源于GONG等[27]的研究成果，包括中国各省1978年的建设用地和1985—2017年的逐年建设用地扩张信息，除1978年的数据分辨率为60 m外，其余年份的数据分辨率均为30 m，总体精度达到90%以上。

对北京市、天津市、河北省、广东省、香港特别行政区和澳门特别行政区的遥感影像进行图像镶嵌，按照京津冀城市群与粤港澳大湾区的行政边界裁剪后进行分类后处理和投影转换等操作，提取1988—2017年两大城市群的建设用地信息。

2.2 研究方法

2.2.1 城市扩张速率 城市扩张速率是指一定时间段内城市建设用地面积的年平均增长率，考虑了研究时段初期的建设用地面积对扩张变化的影响，即相对扩张，可反映单位时间段内城市扩张的快慢程度[30]。计算公式如下：

(1)

2.2.2 城市扩张强度 城市扩张强度是指一定时间段内城市建设用地扩张面积占研究区土地总面积的比值，可反映单位时间段内城市扩张的强弱程度[31]。计算公式如下：

(2)

2.2.3 城市扩张差异指数 城市扩张差异指数是指一定时间段内某空间单元的城市扩张变化率与研究区内的城市扩张变化率的比值，即某空间单元建设用地扩张速率与区域建设用地扩张速率的比值，该指数使不同空间单元的建设用地扩张速率具有可比性[32]。计算公式如下：

(3)

2.2.4 景观扩张指数 景观扩张指数可用于定量分析某一景观的扩张模式以及各景观扩张类型的时空变化。该指数通过建立缓冲区来定义，即以新增建设用地斑块特定距离的缓冲区为统计单元，统计缓冲区与原有建设用地斑块的重叠面积以及非重叠面积，并设立规则来区分新增建设用地斑块的扩张模式[33]。其计算公式如下：

(4)

其中，LEI为新增建设用地斑块的景观扩张指数，AO为新增建设用地斑块缓冲区与原有建设用地斑块的重叠面积，AN为缓冲区与原斑块的非重叠面积。

由式(4)可知，LEI的取值范围是[0,100]，根据LEI值的不同可以将新增建设用地斑块划分为3种扩张模式[33]：当LEI=0时为飞地式扩张；当0

鉴于景观扩张指数是通过缓冲区分析来定义的，因此，本研究在同一景观格局下设定3个缓冲区距离(30、60、90 m)进行计算，分别统计不同缓冲区距离下1988—2017年建设用地扩张模式的斑块数量及其占比，并通过对比相关文献[10,33]，最后确定适用于本研究的缓冲区距离为90 m，该距离能较好地识别两大城市群在近30年新增建设用地斑块的扩张模式。

2.2.5 灰色关联模型 灰色关联模型是根据因素之间发展态势的相似或相异程度来衡量因素之间关联程度的一种系统分析方法[34]。本研究在完成两大城市群建设用地扩张强度的差异分析之后，拟借助灰色关联模型来分析两大城市群建设用地扩张强度的影响因素，通过比较各关联度的大小来判断影响因素对城市群建设用地扩张强度的影响程度。灰色关联度的计算公式如下：

(5)

(6)

其中，ζi(k)为关联系数；ri为关联度；y(k)为归一化参数值；xi(k)为归一化比较值；i(i=1,2,…,n)为比较数列的个数；k(k=1,2,…,n)为每个比较对象的指标个数；ρ为分辨系数，通常取值0.5[35]。

鉴于研究期跨度近30年，同一个指标在不同城市群内部会存在个别年份数据缺失的情况，故本研究最终选取了1988—2017年的常住人口、城镇化率、地区生产总值、第三产业产值与第二产业产值的比重和固定资产投资总额5个社会经济统计指标。运用DPS软件来测算上述5个影响因子与两大城市群建设用地扩张强度的灰色关联度，进而分析驱动两大城市群建设用地扩张的主要因素。特别说明：由于港澳地方统计口径不一样，故粤港澳大湾区的社会经济统计指标中未包含港澳的数据。

3 结果与分析

3.1 扩张的数量特征

由两大城市群近30年间建设用地扩张的基本特征(表2、表3)可知近30年间两大城市群的建设用地均有大幅增加：(1)京津冀城市群建设用地共扩张21 532.31 km2，占城市群土地总面积的9.97%，其中，扩张规模较大的城市是北京、天津、保定、唐山和石家庄，扩张规模较小的城市是衡水和承德；粤港澳大湾区建设用地的扩张面积合计为6 910.97 km2，占大湾区土地总面积的12.34%，其中，广州、佛山、东莞和深圳的扩张规模较大，珠海、香港和澳门的扩张规模较小。(2)尽管京津冀城市群建设用地的增加面积是粤港澳大湾区的3倍多，但其建设用地在近30年的扩张速率和扩张强度均小于粤港澳大湾区的，表明粤港澳大湾区的建设用地扩张进程总体快于京津冀城市群的。

表2 近30年间两大城市群建设用地变化的基本特征

表3 近30年间两大城市群建设用地变化的分布

将1988—2017年中的每5年划分为1个研究阶段，利用GONG等[27]的研究成果，提取两大城市群近30年的建设用地数据，获得不同阶段两大城市群建设用地的扩张面积。结果(表4)显示：京津冀城市群在第六阶段(2013—2017年)的建设用地增长面积最多(为6 209.45 km2)，粤港澳大湾区在第四阶段(2003—2007年)的建设用地增长面积最多(为1 571.23 km2)，而两大城市群均在第一阶段(1988—1992年)的建设用地增长面积最少。总体而言：京津冀城市群建设用地新增面积在逐阶段稳步增加，而粤港澳大湾区则呈现前期急剧增加、中期稳定增长、后期逐步减少的趋势。

表4 不同阶段两大城市群建设用地的变化情况

两大城市群近30年间建设用地扩张的空间分布(图2)显示各阶段的新增建设用地与原有建设用地的空间联系均非常紧密，主要表现在新增的建设用地均在不断填充原有建设用地的空隙。其中：京津冀城市群的建设用地扩张由满天星式破碎分布趋向连片小聚集状态，呈多中心环状放射性扩张，新增建设用地多位于城市群的中部和南部区域；粤港澳大湾区的建设用地扩张集中在中部区域，由点状扩张转为面状发展，呈现明显的蔓延态势。

图2 不同阶段两大城市群的建设用地扩张空间分布

3.2 扩张的时序特征

利用城市扩张速率和城市扩张强度指标，对比两大城市群在研究时期内不同阶段的指标变化情况。结果(图3)表明：(1)京津冀城市群建设用地的扩张速率在研究期内虽有轻微波动，但总体呈现平稳态势；扩张强度仅在第四阶段出现下降，其余时期均为上升状态，且第六阶段的扩张强度最大。(2)粤港澳大湾区建设用地的扩张速率在前期出现大幅度增长与大幅度下降现象，但从第三阶段开始呈现下降趋势；扩张强度呈现倒“W”型的特征且波动较大，从第三阶段起总体呈现下降态势。

图3 不同阶段两大城市群建设用地的扩张速率与扩张强度变化

总体而言，粤港澳大湾区的扩张速率和扩张强度在前4个阶段(1988—2007年)均明显高于京津冀城市群的，但从第五阶段(2008—2012年)开始，上述2个指标值均低于京津冀城市群的，且差距不断扩大。两大城市群的扩张强度均在第一阶段(1988—1992年)出现最小值；在第二阶段(1993—1997年)的差距最大：粤港澳大湾区的扩张强度是京津冀城市群的2.90倍；从第五阶段开始(2008—2012年)，粤港澳大湾区的扩张强度出现大幅下降，但京津冀城市群的扩张强度不断增强；在第六阶段(2013—2017年)，京津冀城市群的扩张强度是粤港澳大湾区的2倍。

上述结果表明：京津冀城市群建设用地的扩张速率相对稳定、扩张强度不断提升，说明京津冀城市群已进入城市化的高速发展期；而粤港澳大湾区在经历一个高速、高强度的扩张过程后，建设用地扩张趋向缓和，转入城市扩张的成熟期，建设用地在不断调整升级和优化布局的基础上保持微扩张趋势。

3.3 扩张的差异特征

首先，利用式(3)得到两大城市群内部各城市的扩张差异指数；然后，利用自然断点法将城市群内部各城市的扩张速度差异程度划分为3个等级：高速扩张、中速扩张、低速扩张。其中，高速扩张是指高于城市群建设用地的总体扩张水平，中速扩张是指与城市群建设用地的总体扩张水平基本持平，低速扩张是指低于城市群建设用地的总体扩张水平。

近30年间两大城市群内部各城市的建设用地扩张速度的差异结果(表5、图4)显示：(1)京津冀城市群内呈低速扩张的城市比例较大(38.46%)，主要位于城市群的中部地区，其中，北京和天津作为京津冀城市群的引擎城市，较早开始城市化进程，虽然在近30年间建设用地的扩张规模较大，但其原有建设用地面积较多，所以这2个城市呈现低速扩张的状态；而呈高速扩张和中速扩张的城市比例均为30.77%，分别位于城市群的南部、东北部。(2)在粤港澳大湾区内部，呈中速扩张的城市比例最大(45.45%)，主要分布在大湾区的西岸；其次是高速扩张的城市比例(36.36%)，分布在大湾区的东岸；香港、澳门特别行政区率先经历城市扩张进程，已达到较高的城市化水平，同时受土地总面积的限制，建设用地扩张规模较小，因此，2个特别行政区的城市扩张速度低于粤港澳大湾区的总体水平，为低速扩张。

表5 近30年间两大城市群建设用地扩张速度差异格局

通过对比两大城市群内部各城市的扩张速度差异，发现粤港澳大湾区内属于中、高速扩张的城市比例高达81.81%，而在京津冀城市群内只占61.54%，并且粤港澳大湾区内呈低速扩张的城市比例仅为18.19%，远低于京津冀城市群的38.46%。综上所述，粤港澳大湾区内部城市的建设用地扩张速度总体要优于京津冀城市群的。

3.4 扩张的结构特征

利用式(4)完成对两大城市群在不同阶段的新增建设用地斑块的景观扩张指数的计算，再依据景观扩张指数的划分规则识别新增建设用地斑块的扩张模式。由图5可知：(1)除粤港澳大湾区在第六阶段的数量占比外，呈边缘式扩张的新增建设用地斑块在两大城市群的各个阶段的数量占比均超过50%，是两大城市群建设用地扩张的主要模式。(2)呈飞地式扩张的新增建设用地斑块的数量占比在两大城市群的研究时段内均低于30%，且逐个阶段减少，但在粤港澳大湾区内减少的幅度要远大于在京津冀城市群内的，且粤港澳大湾区在第六阶段呈飞地式扩张的新增建设用地斑块的数量占比最少。(3)呈填充式扩张的新增建设用地斑块的数量占比在京津冀城市群的研究时段内基本不变，但在粤港澳大湾区内显著增长：从第三阶段开始，填充式扩张的数量占比就已经超过飞地式扩张的，成为粤港澳大湾区建设用地扩张的第2个主要模式；第六阶段，填充式扩张与边缘式扩张的数量占比接近，成为该阶段建设用地扩张的2种主要模式。

图5 不同阶段两大城市群的建设用地扩张模式结构

城市扩张理论认为，城市空间的扩张是一个从扩散到集聚的过程：在扩张初期，以飞地式扩张和边缘式扩张为主，城市空间呈扩散格局；随后，扩散的空间格局不断趋向融合，城市扩张表现为以填充式扩张为主，城市空间的集聚程度逐渐提高[36]。上述两大城市群在不同阶段的建设用地扩张模式的结构变化，主要体现在新增建设用地斑块呈填充式扩张的数量占比不断增加、飞地式扩张的数量占比不断减少，充分反映了两大城市群的建设用地扩张从扩散到集聚，且集聚效率也在不断提升。总体而言，粤港澳大湾区的新增建设用地斑块呈边缘式扩张与飞地式扩张的数量占比减少明显，而呈填充式扩张的数量占比增加较多，因此，该区域建设用地扩张的集聚水平明显优于京津冀城市群的。

3.5 扩张的影响因素

鉴于上述对两大城市群扩张特征的分析，可认为京津冀城市群属于高速发展期、粤港澳大湾区属于扩张成熟期。为了探讨影响两大城市群扩张的主要因素，借助灰色关联模型开展了两大城市群建设用地的扩张强度和相关指标的灰色关联度分析。结果(表6)显示：

表6 两大城市群建设用地的扩张强度与相关因子的灰色关联度

(1)京津冀城市群各影响因子的灰色关联度的排序为：常住人口>地区生产总值>城镇化率>固定资产投资总额>第三产业产值与第二产业产值的比重。常住人口、地区生产总值对京津冀城市群建设用地的扩张强度影响较大，这2个影响因子的关联度均在0.8以上。京津冀城市群作为中国北方经济的重要核心区，初期以工业带动发展，兼有北京、天津作为发展引擎带动区域的城市化进程。随着城市化进程的加快，大量人口迁入京津冀城市群，使得该城市群的建设用地面积不断扩大，以此来满足人口增长带来的生产和生活的空间需求。同时，人口的增加也为第二产业与第三产业的发展提供了充足的劳动力资源，产业的转移与协作激发了城市群的经济活力，产业规模不断扩大，促进了京津冀城市群建设用地扩张的布局优化，带动该城市群进入城市化的高速发展期。

(2)粤港澳大湾区各影响因子的灰色关联度的排序为：地区生产总值>固定资产投资总额>常住人口>城镇化率>第三产业产值与第二产业产值的比重。粤港澳大湾区建设用地的扩张强度受地区生产总值、固定资产投资总额的影响较大，这2个影响因素的关联度均在0.6以上。粤港澳大湾区早期发展以劳动密集型产业为主，促进了产业集聚和城市扩张，居住用地、工业用地和商业用地等的需求不断增加，急需建设用地规模的扩大来为区域发展提供良好的用地基础。随后，粤港澳大湾区凭借自身的区位优势，加快吸纳港澳地区的人才、技术和资金，带动区域制造业和服务业迅速发展。此外，基础设施的投入建设使得交通网络不断完善，促进了大湾区内部的人流、物流和资金流等生产要素的流通，建设用地由数量扩张转向质量提升，说明粤港澳大湾区建设用地的扩张趋向缓和，城市群内部趋向深度融合发展，转入城市扩张的成熟期。

4 结论与讨论

本文以京津冀城市群和粤港澳大湾区为研究对象，利用两大城市群在1988—2017年的建设用地数据，运用城市扩张速率、城市扩张强度、城市扩张差异指数和景观扩张指数等指标，借助灰色关联模型，研究了近30年间两大城市群建设用地扩张的时空特征及其影响因素。主要结论如下：

(1)近30年间两大城市群的建设用地面积均有大幅增加，京津冀城市群建设用地的增加面积占整个城市群土地总面积的9.97%，而粤港澳大湾区的则占12.34%；粤港澳大湾区建设用地的扩张速率与扩张强度均高于京津冀城市群的，说明粤港澳大湾区的城市化进程要快于京津冀城市群的。此外，京津冀城市群的建设用地呈多中心环状放射性扩张，粤港澳大湾区则由点状扩张转为面状发展，并且呈明显的蔓延态势。

(2)京津冀城市群的建设用地扩张速率相对稳定在5%左右，扩张强度不断提升，并从第五阶段(2008—2012年)起超越粤港澳大湾区；粤港澳大湾区建设用地的扩张速率总体呈大幅度下降，在第六阶段(2013—2017年)的扩张速率最低，扩张强度则呈现倒“W”型下降。两大城市群建设用地扩张的时序变化充分说明：京津冀城市群已进入城市化的高速发展期，粤港澳大湾区则转入城市扩张的成熟期。

(3)两大城市群的建设用地扩张速度存在显著的区域差异：京津冀城市群呈中、高速扩张的城市比例达61.54%，分别分布在城市群的东北部、南部，中部的城市呈低速扩张，比例为38.46%；粤港澳大湾区呈中、高速扩张的城市比例为81.81%，分别分布在大湾区的西岸、东岸，仅有香港、澳门2个特别行政区呈低速扩张，表明粤港澳大湾区内部城市建设用地的扩张速度总体要优于京津冀城市群的。

(4)两大城市群的建设用地扩张格局由扩散趋向集聚：边缘式扩张是两大城市群的新增建设用地斑块在研究时期内最主要的扩张模式；飞地式扩张在京津冀城市群的数量占比缓慢减少，但在粤港澳大湾区内减少的速度和数量均大于京津冀城市群的；填充式扩张在京津冀城市群中的数量占比较稳定，基本处于15%～25%的区间，而在粤港澳大湾区内，该模式的数量占比增长较快，成为后期粤港澳大湾区建设用地扩张的主要模式。

(5)驱动两大城市群建设用地扩张强度各异的影响因子存在明显差异：常住人口和地区生产总值是影响京津冀城市群建设用地扩张的主要因素，粤港澳大湾区则主要受到地区生产总值和固定资产投资总额的影响。

本研究旨在梳理南北两地最具代表性的两大城市群在长时序下的扩张时空特征及其差异，为两大城市群的科学规划、国土空间优化布局服务，也为其余不同发育等级的城市群扩张发展提供参考与借鉴。因此，结合两大城市群近30年的扩张过程，提出以下思考：

(1)借助城市扩张速率与城市扩张强度2个指标，研究发现京津冀城市群与粤港澳大湾区的建设用地扩张均经历了“低速扩张—波动高速扩张—稳定缓和扩张”的过程。但自第五阶段(2008—2012年)起，两大城市群的扩张速率和扩张强度出现转折，这主要是由于2008年北京奥运会对京津冀城市群的产业结构调整、基础设施建设和区域发展起推动作用，使得该城市群的建设用地需求增大；粤港澳大湾区从2009年起推进三旧改造工作，注重城市功能布局优化和产业转型升级，进而减少对城市空间的需求量。因此，两大城市群在2008—2017年间呈现出不同的扩张态势。

(2)两大城市群内部各城市建设用地的扩张进程基本与各自的社会经济发展水平相一致，但各城市的扩张差异性也反映出两大城市群目前仍未能充分实现区域内的协调发展，大城市相对于小城市有更多的发展空间和机遇。在未来城市群发展的指导中，应进一步提高城市之间的关联度，明确城市群内部的分工与合作，提升城市群内部协同发展程度。

(3)两大城市群建设用地的扩张格局逐渐由扩散趋向集聚，充分证明城市扩张理论适用于指导这两大城市群的发展研究。而城市群内部各城市的功能定位和发展规划会影响城市群建设用地扩张格局的形成，京津冀城市群的建设用地属多中心环状放射性扩张，各城市间未打破行政壁垒，城市群内部融合度不高，仍以中心城市扩张为主；粤港澳大湾区建设用地的扩张格局受主要交通干线影响，较为完善的交通设施系统使得粤港澳大湾区形成“广佛”“广深港”“澳珠”“深莞惠”等扩张组团，进而使得粤港澳大湾区建设用地扩张的集聚水平更高。

长时间序列下的城市群扩张是一个复杂的系统过程，本研究仅从建设用地扩张角度探讨城市群的发展问题，存在一定的局限性。此外，本研究在分析影响两大城市群扩张的主要因素时，不仅存在港澳地区社会经济数据的统计口径与内地不一致的问题，而且长时间序列下各城市的社会经济统计指标也存在个别缺失的情况，因此对于两大城市群建设用地扩张的驱动机制研究还较单一，仍有待进一步完善。