基于GUB-GLC30的烟台城区扩张及驱动力分析

黄宝华，林湛清，周利霞

1. 山东交通学院 交通土建工程学院，山东 济南 250357；

2. 山东星屹时空信息科技有限公司，山东 烟台 264003；

3. 河北省地质测绘院，河北 廊坊 065000；

4. 烟台市城市规划展示馆，山东 烟台 213167

0 引 言

随着城市快速发展地表覆盖类型也随之发生着改变，城市化提高导致建成区日益扩大，造成城市周边林地、耕地等土地利用类型强制性转变为城市建设用地，造成建设用地扩张与之的矛盾日益严重[1]。因此如何快速获取城市扩展变化情况，对指导城市规划，预测城市未来发展趋势，探讨城市土地扩张强度差异及其影响因素，为政府制定合理调控政策具有重要意义。城市扩展变化研究主要以Landsat TM/ETM+和MODIS 影像解译数据为主，但土地利用调查数据存在更新时间慢、数据少，MODIS 土地利用数据分辨率低、质量差的缺陷。因此，目前主要利用Landsat TM/ETM+ 影像解译数据来进行城市扩展分析[2-4]。

1 研究区域和使用数据

1.1 研究区域

烟台是山东半岛中心城市，环渤海地区、“一带一路”国家战略重点建设港口城市。截至2020 年，中心城区人口230 万，以芝罘滨海地带为中心，拓展东西两翼，贯通南北山海，形成“山耸城中，城随山转，海围城绕，城岛相映，融山、城、海、岛于一体”的城市布局。烟台地形为低山区丘陵，山丘起伏和缓，沟壑纵横交错。全市地貌总体上呈中间高，南北低的态势，土地利用类型多样、特点鲜明。以天然河流、山体和永久绿带分隔各城区，形成芝罘、莱山、开发区、福山、牟平、八角等六大组团，构成多组团、多核心的滨海带状组团城市结构。

1.2 使用数据

清华大学地球系统科学系基于已开发的全球高分辨率（30 m）人造不透水面制图产品（Global Artificial Impervious Area，GAIA）提取多时相的城市边界（Global Urban Boundary，GUB）数据集。GUB 数据集采用一致的边界定义和绘制方法，通过算法自动根据不透水面的分布进行划定，得到的边界数据是评价城市生态环境和建成区构成的重要基础数据和评价单元。研究数据包括1990、1995、2000、2005、2010、2015 和2018 年7期GUB-GLC30 地表覆盖数据，行政区划、DEM 等数据，由烟台统计年鉴（http://tjj.yantai.gov.cn）获取的GDP 和人口数量数据。

2 烟台城区时空变化分析方法

烟台市建成区时空变化情况从城市的外延扩展、内部空间格局分布和城市用地效率三方面分析。外延扩展分析主要利用扩展指数（扩张速度、扩张强度），内部空间格局分析利用空间格局指数（聚合指数、分维指数）和城市密度指数（面积密度指数、GDP 密度指数）[5-7]，城市用地的效率分析利用城市空间格局与DEM、GDP 和人口数量的关联关系（表1）。

表1 城市扩张和驱动力空间分析指标Tab.1 Spatial analysis indexes of urban expansion and driving force

3 烟台城区时空变化及驱动力分析

3.1 扩展指数及城市重心变化趋势

由于受海洋和地形限制，烟台城区空间整体发展为“拓展东西两翼，适当控制向南”，主要沿着海岸线边界呈现条状、分散发展。烟台市城区面积在1990-2018 年呈现指数增长，2000 年前城区面积变化较小，10 年间由85.75 km2增长至145.32 km2，年均增长5.95 km2；2001-2010 年为城区面积高速增长期，由145.32 km2急增至327.2 km2，年均增长18.18 km2；2011 年后增速放缓，但2016 年后又迎来一个高速增长期（图1）。

图1 烟台市1990-2018 年城市面积变化图Fig.1 Urban area changes from 1990 to 2018

政策对烟台城区重心发展影响较大，1994 年正式批准烟台市增设莱山区、牟平撤县改区。城区重心由于市政府由芝罘区东迁至莱山区而随之发生变化。其中，2000-2010 年重心变化较快，由芝罘区快速向莱山区转移。2005 年后重心移至莱山区，2018 年6 区合为一个整体后形成一个稳定的发展重心（图2）。

图2 烟台市发展重心变化示意图Fig.2 Schematic diagram of the changes of gravity center

1990-1995 年，烟台市主要以芝罘区为主中心、福山和牟平区为两个独立副中心，经济开发区以夹河为分界线从福山区分离（图3）。

图3 烟台市1990-2018 年城镇用地空间分布Fig.3 Spatial distribution of urban land from 1990 to 2018

烟台市围绕上述3 个区域向周边小幅、缓慢扩展，莱山区虽未形成独自核心区域，但芝罘区沿滨海路开始向莱山发展。1996-2000 年扩展主要在夹河以西的开发区大幅南扩以及福山区原有建成区北进，两区合为一体，莱山区以初家街道增长点与滨海建成区连在一起。2001-2005 年扩展较快，扩张强度9.89%，扩张速度12.06%，黄务镇、初家镇、莱山镇和新市政府区域的快速增长，开发区不断向西、向南增长。2006-2010 年扩展放缓，扩张强度7.03%，扩张速度8.1%，主要扩充区域为2010 年正式升级为国家高新技术产业开发区的科技大道周边。2011-2015 年由于烟台严格控制新增建设用地，加大存量用地挖潜力度，因此扩展持续放缓。2016-2018 年扩张较大，扩张强度17.71%，扩张速度21.02%，各区合为一个整体（图4）。

图4 烟台扩展指数变化Fig.4 Change of Yantai expansion index

3.2 空间格局指数变化趋势

烟台城区1990-2018 年聚合指数在90 以上，分维指数在0.8 以下（＜1.5），城市呈现聚合性和形态简单化。早期，由于主城区为芝罘区，形状简单，分维指数小（＜0.7）；2000 年后随着城市向东西快速扩展，城区形状变复杂，分维指数＞0.75；2011-2015 年主要在周边缓慢扩张，分维指数下降至0.49；2016-2018年城市扩张又迎来一个高峰期，分维指数又上升至0.75。聚合度指数在2000 年以前较高（94 左右），2000 年后开始下降，2005年达到最小值91.25，随后开始逐年上升，在2018 年达到最大值95.7，说明烟台城市建设用地由分散向聚合方向发展（图5）。

图5 聚合指数和分维指数Fig.5 Aggregation index and fractal dimension

城区建设用地作为研究区的最大斑块，最大斑块指数自2000 年以后持续增长，2018 年达到最大值99.4（图6），说明景观中建设用地面积增大，占有更大的优势。

图6 最大斑块指数变化趋势Fig.6 Change trend of maximum plaque index

斑块结合度平均连接度指数的增加（图7），说明城区建设用地间的连接性更好，分布得更集中。香农多样性指数增大，说明景观异质程度上升，景观类型有向多元化方向发展的趋势。烟台沿海地区景观总体特征的这些变化是人类对景观干扰不断加强的结果，因为在短短的近28 年间，自然条件的变化是比较微小的。

图7 斑块结合度指数Fig.7 Plaque binding index

3.3 城市密度指数变化趋势及驱动力分析

建成区扩张的驱动力包括社会、物理、政治、规划和政策驱动力等几个方面。社会经济驱动因素对烟台城区扩张有很大影响，城市中心城区为居民提供就业和商业机会以及行政服务，它们影响人口移徙和增长[8]。直接表现在GDP 上，建成区面积与GDP 呈线性相关关系y＝0.2135x-424.48（R2＝0.8984），城区单位面积的GDP 直线上升表明生产总值和居民消费的大幅增长，带动了各类非农业用地的增加。因为流动人口的不确定性很强，常住人口成为最具活力的驱动力之一[9-10]。城区人口和建成区面积呈指数相关关系y＝4E-54e0.0614x（R²＝0.9754），单位人口的城市面积指数上升说明人口的增长加速了城市建设用地对耕地的侵占。固定资产项目、房地产开发和城市基础设施投资的增加，加快了建成区的改扩建（图8）。

图8 烟台城区扩张与GDP 及人口数量的关系Fig.8 Relationship between urban expansion and GDP and population

城市范围、空间分布和任何地区的扩张取决于物理特征，烟台市域高程主要在0 ～100 m 之间，城区主要集中在3 ～20 m 高程之间，烟台城区扩张大多发生在平坦地区（图9）。

图9 烟台城区扩张与高程关系Fig.9 Relationship between urban expansion and elevation

4 结 论

由于政治、经济、人口等方面的差异，城市化扩张的机制是复杂的。从长时间序列分析城市空间扩展的演化规律，对于优化城市空间结构、促进城市发展具有重要意义。本文通过1990-2018 年的FROM-GLC 数据，快速有效地监测了烟台中心城区近28 年的扩张过程，系统分析了扩张的时空变化。

烟台市在1990-2018年处于持续的城区扩张过程，不同时期的空间扩张主要方向和扩张速率不同。20 世纪90 年代是城镇空间地域扩展速度较低，主要表现为在增长轴和增长点带动下的小幅度扩展，但是这一时期夹河以西开发区的南扩与福山区的北进是一个比较突出的过程。2000 年以后，重新进入各个方向显著增长的时期，北部的芝罘岛、西部的经济技术开发区、南部的莱山区都重新焕发出强大的活力，但是最为突出的是新市政府办公区建成使用激发的新一轮城镇化过程。2001-2005年和2016-2018 年为烟台市城区空间扩展最迅速的两个阶段。通过城市密度指数，说明生产总值、居民消费、人口和固定资产项目、房地产开发及城市基础设施投资的增加加快了建成区的改扩建。烟台城区主要集中在3 ～20 m 高程之间，烟台城区扩张大多发生在平坦地区，适宜人类生活区域。