辽宁省城镇聚落扩展过程及机理研究

宫一路,李雪铭，刘 贺，黄磊昌，李 禹*

(1.大连工业大学 艺术设计学院，辽宁 大连 116034; 2.辽宁师范大学 地理科学学院，辽宁 大连 116029)

“聚落”与英文中的“Settlement”对应，包括乡村聚落和城镇聚落，是建成环境与自然环境相融合的综合体，反映人类聚居场所和人类活动所及之处的物质空间和非物质社会文化.城镇“聚落”区别于城市“建成区”和“行政区”，能反映出人类实际活动的空间范围,而非已建成环境的空间范围和行政区域空间范围.城市空间扩展是城镇化过程最直接的空间表现，目前已成为国内外城市发展研究的热点，有助于推动城市健康可持续发展[1].城镇聚落边界和实体空间扩展的研究能更准确地测度城镇化水平和反映真实的城市问题[2]，为城镇空间规划发展提供依据.

夜间灯光数据能够捕捉到明显区别于黑暗乡村背景的夜间城市灯光，较之常规的遥感影像可以规避需要人工解译或数据质量差等问题，并且可综合表征人类活动在空间上的动态格局，更多地反映人类聚居行为和聚居空间，在城镇化进程的动态监测尤其是城市扩展研究中有较为广泛的应用[3].国外的相关研究主要体现在2个方面:① 利用连续的夜间灯光数据进行城市土地扩张检测[4-6]、城镇化动态过程评价[7]、城市及区域发展之间的比较[8]、未来城市发展规模预测[9-10];② 基于多源数据，对城市增长与人口、工业化、农业土地流失[11]、经济增长[12]之间的关系讨论.国内基于夜间灯光数据的城市扩展研究已经逐步发展为一套较为成熟的研究范式，在多尺度、多视角下多次被证实其可行性和可信度[13-18].研究区域尺度上涉及国家尺度、区域尺度、主要城市群、城市尺度，省域尺度的研究相对较少；在研究内容上主要集中在扩展现象的研究，包括:① 扩展规模、强度及扩展模式；② 扩展方向及重心迁移；③ 扩展的空间格局，而扩展的机制研究相对较少，其中外部机制(经济、人口、制度、政策等社会经济动态性特征因素)的研究较多，内部机制(坡度、适宜性、交通、区位等自然地理静态性特征因素)的探讨较少.

基于夜间灯光数据的城市扩展研究，鲜有以省域空间尺度和城镇聚落视角的实证研究，缺乏城市扩展与自然地理要素等内部机制的探讨，数据源选择上大多使用2012年以前的DMSP/OLS灯光数据，缺少多数据源结合的连续较长时间跨度的研究，对于区位交通因素的研究目前只讨论到高速公路单一指标层面，缺乏对多类型道路交通的探讨.本研究基于DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜间灯光数据，对1992—2017年辽宁省城镇聚落空间扩展进行深入分析，并对其自然地理影响因素(地形地貌、河流海域、气候气象)、社会经济影响因素(经济、人口、就业、居民生活水平)以及多类型交通因子(高速、国道、铁路)进行讨论，以期回答以下问题：辽宁省城镇体系的空间扩展是否有序，城镇聚落实体边界增长过程如何？不同规模等级的城镇空间扩展规律和特点、辽宁省城镇聚落扩展的机理如何？这对辽宁省新型城镇化建设、辽宁城镇体系结构布局、各级城市发展规划都具有重要意义.

1 研究区域与方法

1.1 研究区域

辽宁省位于中国东北地区的南端，介于北纬38°43′～43°26′，东经118°53′～125°46′之间.研究依据城镇体系结构分类[15]：到2020年，国家城市规模结构体系新格局由20个城市群和6级国家城市规模结构(超大城市10个、特大城市20个、大城市150个、中等城市、小城市、小城镇)构成，辽宁省域包含1个城市群(辽中南城市群)，2个特大城市(沈阳、大连)，5个大城市(鞍山、抚顺、本溪、锦州、葫芦岛).将辽宁省域14个省辖市构建“特大城市-大城市-中小城市”3级城市体系网络(图1).

图1 辽宁省3级城镇规模结构体系

1.2 数据来源

数据主要包括3个部分：夜间灯光数据、城市道路及自然地理数据和社会经济数据，数据说明见表1.

1.3 研究方法

1.3.1 扩展速度 扩展速度指数(IUS)是指城市在不同阶段的扩展面积的绝对增量,计算公式为[19]133

表1 数据来源及说明

图2 1992—2017年辽宁省城镇聚落范围

其中，AU,n+i和AU,i分别为(n+i)年和i年的城镇聚落面积.

1.3.2 扩展强度 扩展强度指数(IUI)反映城市扩张的强弱快慢程度，使得不同时期的城镇扩张速度具有可比性,计算公式为[20]349

1.3.3 扩展模式 扩展模式指数(IUE)反映不同时期城市空间扩展模式，计算公式为[21]59

其中，PU,s为新增城镇聚落与原有城镇聚落共享的长度；PU为新增城镇聚落周长.IUE的取值范围在[0,1]，当IUE为0时，城镇聚落扩展模式为跳跃式扩展；当IUE在(0,0.5]时，城镇聚落扩展模式为蔓延式扩展；当IUE在(0.5,1]时，城镇聚落扩展模式为填充式扩展.

1.3.4 扩展方向 研究采用标准差椭圆对空间扩展方向进行分析.标准差椭圆能够有效地识别事物在空间上的拓展方向，还能对事物在空间上的均衡发展情况进行有效分析，包含5项基本要素：中心点、长半轴、短半轴、方位角和展布范围[22].

SDE长、短半轴分别为事物在主要方向和次要方向上的离散程度,计算公式为[22]956

旋转角θ的计算公式为[22]956

2 城镇聚落扩展过程

2.1 城镇聚落扩展时间过程

扩展速度是一定时期内扩展面积的绝对增量，从扩展速度来看(图3)：① 总体特征为2012—2017年、2002—2012年、1992—2002年扩展面积增量依次递增，且差异显著；一级城市在1992—2017年始终处于领先地位，高于二、三级城市；二、三级城市在1992—2002年差异不大，但在2002—2017年有明显变化.② 一级城市沈阳和大连在1992—2002年、2012—2017年差别不大，但在2002—2012年间有显著差距，沈阳的扩展速度始终高于大连，2012—2017年大连加速扩张.③ 二级城市1992—2012年扩展速度无显著变化且整体差别不大，2012—2017年是迅速扩张期，鞍山、锦州、葫芦岛扩展速度较高，抚顺较低；25年中，鞍山扩展速度始终最高，是其工业领先地位所致.④ 三级城市在1992—2002年整体差别不大，2002—2017年差异显著；2002—2012年营口、盘锦、朝阳扩展速度较高，且营口和盘锦高于所有二级城市，阜新、丹东较低；2012—2017年盘锦、营口、辽阳扩展速度较高，且盘锦高于除鞍山以外的其他二级城市，阜新、朝阳、丹东较低.⑤ 综合25年的扩展速度来看，沈阳、盘锦、辽阳、铁岭扩展面积匀速平稳增长，沈阳、盘锦、营口扩展速度始终较高，存在“过大增长”现象，丹东、阜新、朝阳扩展速度始终较低，存在“不充分增长”现象，阜新在2002—2012年扩展速度为0，营口和朝阳在2012—2017年扩展速度为0.

图3 1992—2017年辽宁省城镇聚落扩展速度

扩展强度反映城市扩张的强弱快慢程度，从扩展强度来看(图4)：① 辽宁省城镇聚落总体特征为大多数城市在2012—2017年迅速增长，且扩展强度远高于1992—2012年；1992—2012年呈现“平稳”的发展特征，2012—2017年呈现“跌宕”的发展特征.② 一、二级城市在1992—2012年扩展强度相对稳定且差别不多，本溪、葫芦岛扩展强度较高，抚顺较低；大连在2002—2012年有小幅度回落；2012—2017年，本溪、锦州、葫芦岛扩展强度较高，抚顺、沈阳较低.③ 三级城市在1992—2002年扩展强度差别不大，但在2002—2017年有显著差异；2002—2012年，朝阳、丹东、营口、铁岭扩展强度均高于一、二级城市，阜新扩展强度低，且出现大幅度回落，这是因为阜新作为传统资源型城市在2002—2012年产业经济发展面临转型瓶颈[19]；2012—2017年，阜新、铁岭扩展强度突出，营口、朝阳较低，且朝阳出现大幅度回落.④ 综合25年的扩展强度来看，大连、沈阳、葫芦岛、丹东、营口、铁岭、阜新、朝阳是第一阶段快速发展的城市，本溪、丹东、营口、铁岭、朝阳是第二阶段快速发展的城市，鞍山、本溪、锦州、葫芦岛、铁岭、辽阳、阜新是第三阶段快速发展的城市.综合各阶段快速发展城市情况来看，葫芦岛、铁岭、本溪等城市聚落扩张存在“过快增长”现象. 辽宁省城市扩张的快慢强度具有阶段性、不连续性和不稳定性等特征.

图4 1992—2017年辽宁省城镇聚落扩展强度

综上可知，1992—2017年无论是一级城市还是二、三级城市，各级城市聚落的扩展速度及扩展强度均存在较大的差异，城市聚落扩展在空间上具有不平衡特征.为推动区域均衡发展，需要对发展“不合理”、突出的城市加以重点关注，推动区域平衡充分发展.

2.2 城镇聚落扩展空间过程

在ArcGIS中将2002年的聚落范围和1992年的聚落范围进行裁剪，得到1992—2002年的城镇聚落扩展范围，同法裁剪出2002—2012年和2012—2017年的城镇聚落扩展范围，按照省辖市的行政边界进行裁剪，然后将2个时间段14个城市的扩展范围进行叠加(图5).依据城市扩展模式划分标准，对14个城市1992—2002年、2002—2012年、2012—2017年3个时间段的主要扩展模式类型进行划分(表2).

辽宁省城镇聚落扩展模式形成了“多核—同心圆/扇形—轴向—多核”由低向高循环演变的特征(图5).① 1992—2002年扩展模式以“同心圆”“扇形”为主,“多核”为辅;2002—2012年扩展模式以“同心圆”“扇形”为主,“轴向”为辅;2012—2017年扩展模式以“多核”为主,“轴向”为辅.② 同一时期扩展规模的种类有城市等级差异，一级城市通常有3～4种模式,二级城市有2～3种模式，三级城市有1～2种模式.③ 高级别的城市比低级的城市更早地完成低级别的扩展模式,进入高级别的扩展模式，同一个城市中的主城区首先进入扩展模式的循环演变过程，然后在主城区周边及其他城镇中展开.④ 从25年的扩展模式来看，本溪、丹东、朝阳进入循环演变的时间较晚，说明这些城市发展较慢，应注意引导本溪、丹东、朝阳向轴向以及多核心模式发展.

表2 1992—2017年辽宁省城镇聚落扩展空间模式

辽宁省城镇聚落空间扩展格局差异明显，1992—2017年辽宁省城镇聚落扩展模式整体以跳跃式为主，蔓延式为辅.其中跳跃式城市数量经历了先降后升的“V”字结构，蔓延式城市数量经历了先持平后下降的变化趋势.

2.3 城镇聚落扩展方向演变

在ArcGIS中使用标准差椭圆方法计算辽宁省14个城镇聚落的中心趋势、空间扩展方向趋势和展布范围，由于标准差椭圆计算标准为至少有3个斑块，抚顺、丹东、辽阳、本溪、朝阳等城市在1992年未形成计算结果， 阜新只有2017年的计算结果，但不影响整体格局(图6).结果表明：① 辽宁省城镇聚落扩展总体特征为葫芦岛、锦州、盘锦、营口、大连、丹东6个城市沿着海岸线方向扩展，鞍山、辽阳、本溪、铁岭、抚顺形成了以沈阳为中心的放射式扩展方向.② 从方位角来看，锦州、丹东、大连有小幅度改变；鞍山、沈阳、盘锦有显著变化，方位角在主趋势和次趋势2个方向切换，沈阳市方位角经历两次大的旋转，具有“折返”的发展特点.③ 从中心趋势来看，辽宁省形成“一带”(葫芦岛、锦州、盘锦、营口)、“一核”(沈阳、铁岭、抚顺、辽阳、本溪、鞍山)和确“多点”(朝阳、阜新、丹东、大连)的发展格局.④ 从展布范围来看，1992—2002年是长半轴迅速增长的时期，朝阳、锦州、鞍山、大连、丹东、沈阳、铁岭最为明显；2002—2012年是短半轴迅速增长的时期，朝阳、大连、丹东、本溪、沈阳、铁岭最为明显；2012—2017年是长半轴或者短半轴缩短的时期，代表城市为朝阳、葫芦岛、盘锦、沈阳、抚顺、丹东、大连、辽阳，说明辽宁省城镇聚落扩展具有“离散-集中”的发展趋势.

图6 1992—2017年辽宁省城镇聚落扩展方向演变

3 城镇聚落扩展机理

3.1 自然地理因素

3.1.1 地形地貌 将辽宁省城镇聚落1992—2017年的扩展范围与辽宁地貌和地形坡度分别进行裁剪和叠合，发现城镇聚落扩展的主要区域为中部平原区，绝大部分的扩展区域在坡度0～3.8%范围的区域内(图7).① 平原型地貌和低海拔型地貌是聚落扩展范围中的主要地貌类型，其中低海拔冲积洪积平原、低海拔丘陵、低海拔海积冲积平原、低海拔冲积平原、低海拔小起伏山地、低海拔冲积扇平原6种地貌类型的扩展区域面积占总扩展面积的95%以上.② 扩展速度处于领先的城市沈阳、营口、盘锦，其扩展区域均处于辽中低海拔平原区域内，尤其是沈阳南部、营口北部和盘锦全域地形平坦坡度不超过3%，充分给予了聚落扩展的地形空间条件.③ 扩展模式以蔓延式为主的城市盘锦、营口、朝阳等地区，扩展区域均具备大范围平坦宜建的空间条件.因此，辽宁中部地形地貌相对平坦且适宜建设的区域特点是聚落空间拓展的基本条件[23]，对扩展规模和扩展模式影响较大，对此辽宁中部地区应在未来的城镇聚落建设过程中,充分利用该地区平坦宜建的优势条件，拓展城镇聚落空间.

3.1.2 河流海域 提取辽宁省行政区域内的河流水系以及主干河流，在ArcGIS中分别建立1 km和3 km范围的缓冲区，与城镇聚落扩展区域进行叠加分析(图8).① 沿海城市，城镇聚落扩展的主斑块受海域影响较多，次斑块受河流影响较多；丹东、大连、营口、葫芦岛4市城镇聚落沿海岸线扩展趋势明显，海域的限制是大连、锦州、营口形成扇形模式的主要原因；盘锦和锦州没有显现出沿海扩展特点，城镇聚落扩展的核心斑块均在河流缓冲区范围内.② 内陆城市，城镇聚落扩展受河流影响明显；除鞍山外其他城市聚落扩展主斑块均在河流缓冲区内.③ 辽宁省的主要水系对城镇聚落扩展有不同程度影响，盘锦受三条主要河流的影响明显， 沈阳受两条主要河流的影响明显，营口受河流和海域共同影响的趋势明显，这也是沈阳、盘锦、营口城镇扩展速度高的原因之一[24].

图7 辽宁省城镇聚落扩展与地形地貌关系

图8 辽宁省城镇聚落扩展与河流海域关系

综上所述，河流海域资源对辽宁省城镇聚落的空间扩展影响显著，其中辽东地区的丹东和辽西地区的葫芦岛，城镇聚落沿海岸线扩展趋势明显，并且省内主要水系也对其产生一定程度的影响.为此，辽东地区和辽西地区应充分利用当地的河流海域资源，推动城镇聚落拓展.

3.1.3 气候气象 统计辽宁省14个城市1992—2017年城市年均气温、相对湿度、降水量、日照时数4类气候数据，剔除没有数据的年份后进行平均化处理，然后依次对25年间城市扩展速度和扩展强度两个扩展因子指标进行平均化处理，在SPSS中进行相关性检验分析，通过散点和皮尔逊相关分析均未发现明显关联，说明气候因素对聚落扩展几乎没有影响.

3.2 社会经济因素

根据已有研究，选取城市扩展密切相关的社会经济影响因子.以国内生产总值为经济指标、总人口数为人口指标、职工人数为就业指标、居民全年消费支出为生活水平指标，统计辽宁省14个城市1992—2017年4类社会经济指标，剔除没有数据的年份后进行平均化处理，与扩展因子(平均化的扩展速度、 扩展强度)进行相关性检验分析(表3)，结果发现,国内生产总值、总人口数、职工人数和居民全年消费支出4项指标均对扩展速度在0.01水平上有显著相关性，但与扩展强度无明显关联，说明经济、人口、就业和生活水平是城镇聚落扩展规模的动力.

3.3 多类型交通因素

在ArcGIS中，统计每个聚落扩展斑块内高速、国道、铁路3种交通线路经过的类型数量，并将交通线与标准差椭圆进行叠加(图9).① 辽宁省城镇聚落扩展区域的交通条件差异明显，交通线网“细密东疏”，交通对城镇聚落扩展影响较大[25].扩展区域交通条件优越(3种交通线经过的比例较大)的城市为沈阳、大连、营口、盘锦，同时这几个城市的扩展速度也较高；扩展区域交通条件弱势(没有、1种、2种交通线经过的比例较大)的城市为丹东、阜新、本溪、抚顺，同时这4个城市的扩展速度也较低.② 所有城镇聚落的中心都分布在交通线上，且城镇聚落在3个时间段中的长轴或短轴沿着不同类型交通线路方向移动，统计城镇聚落中心在不同类型交通线上分布的数量，国道最多，高速次之，铁路最少.

综上，国道对辽宁省城镇聚落空间扩展的影响最为显著，因此应充分发挥国道的道路交通优势，关注扩展区域交通条件弱势城市，加强交通条件弱势城市与交通主线之间的连接，增强该类型城市的交通优势，推进该类型城镇聚落空间扩展.

表3 相关性检验结果

4 结论与讨论

研究利用1992—2017年夜间灯光数据，以城镇聚落扩展的视角，在辽宁省城镇3级结构规模体系的框架下，结合ArcGIS空间分析及传统数理统计方法，深入分析了不同等级城镇聚落实体扩展的时、空间过程，自然地理、社会经济和多种类型交通的作用机理，得出以下结论.

1)辽宁省城镇聚落体系空间扩展，一级城镇聚落相对有序，二、三级城镇聚落不均衡且差异显著.1992—2012年是一级城镇快速扩展期，呈现“平稳”发展态势，2002—2017年是二、三级城镇快速扩展期，呈现“迅速”发展态势.扩展强度具有阶段性、不连续性和不稳定性的特征.扩展模式形成了以跳跃式为主，蔓延式为辅的特征.扩展方向形成了沿海城市沿海岸线方向扩展，内陆城市以沈阳为中心的放射性扩展趋势，方位角具有沿主趋势和次趋势切换的特征，中心趋势形成了“一带一核多点”的格局特征，展布范围具有“离散-集中”的发展趋势.

图9 辽宁省城镇聚落扩展与道路交通关系

2)城镇聚落扩展是社会经济、自然地理、多类型交通综合作用的结果.社会经济因素影响扩展速度，但不是聚落扩展的唯一动力.平原型、低海拔型地貌和坡度不超过3%的平坦地形给聚落扩展提供了适宜建设的基本条件，影响部分聚落的扩展速度同时也是同心圆扩展模式形成的主要原因.河流海域不同程度影响扩展方向和扩展模式，是部分城市扇形模式的形成原因，沿海城市和内陆城市分别呈现近海和近河扩展的特点，拥有海洋、河流两种资源优势的聚落显现出空间扩展的内生动力.气候气象因素对聚落扩展并无影响.道路交通同时影响多种扩展指标，具有多类型交通优势的聚落扩展速度也高，交通线走向显著影响城镇聚落中心趋势和扩展方向，同时也是轴向扩展模式的主要原因，不同类型的交通对聚落扩展有不同程度影响，国道最大，高速次之，铁路最小.

3)辽宁省城镇体系经历了从快速发展一级城镇到快速发展二、三级城镇的过程，未来应更多关注二、三级城镇聚落发展不平衡不充分的问题，合理控制沈阳、盘锦、营口的“过大增长”，严密监控本溪、铁岭、葫芦岛的“过快增长”，有效调控丹东、阜新、朝阳的“不充分增长”.社会经济并非唯一的发展目标，辽宁中部需充分利用地形地貌资源,辽东、辽西尽可能利用河流海洋资源，着重发展以“国道”为主的道路交通优势，横向打通辽东、中、西三部分，加强阜新、抚顺、本溪、丹东与交通主线的连接.未来聚落空间扩展，宜利用哈大走廊和沈阳经济圈，引导本溪、丹东、朝阳向轴向和多核心模式发展.