张掖市1985—2020 年城区建设用地扩展时空演变研究

2023-02-20张晓山张旺锋高新宇韦建芳刘影

国土与自然资源研究 2023年2期

张晓山，张旺锋，高新宇，韦建芳，刘影

（1.兰州大学资源环境学院，兰州 730000；2.兰州市城乡规划设计研究院，兰州 730000）

0 引言

自1978 年改革开放以来，中国经济蓬勃发展，城市化进程加快，到2020 年底城市化水平已超过60%[1]。城市化水平的快速发展，提升了居民生活水平，但也带来了诸多问题，越来越多的人口涌入城市，城市空间日渐不足，导致城市开始“摊大饼式”无序蔓延，大量的耕地及生态用地被城市吞噬，人地矛盾愈加尖锐。因此，对城市扩展的研究越来越成为了人们关注的热点，学者们希望通过对城市扩展的分析研究，能够促进城市土地利用的集约节约化发展、人居环境改善及城市空间治理水平和空间品质的提升。

快速的城市化，较为直接的表现是城区建设用地的扩展和空间形态的演变。国外学者对城市扩展的研究起步较早，主要从几何形态、地域结构、类型形态等角度对城市空间形态进行分析[2]，并提出了紧凑度指数[3]、分形维数及形状指数等一系列定量化指标[4]。20世纪80 年代后期，我国对于城市扩展的研究也逐渐兴起，并且伴随着RS 和GIS 分析技术的进步，我国学者对城市扩展的研究愈加关注，研究多是基于遥感影像，应用定量化指标，对城市空间扩展进行动态监测研究[5]，在此基础上揭示其影响因素及机制[5-8]，另外选择合适的模型对城市未来的扩展进行模拟预测[7]。还有学者结合实际情况，构建城市扩展合理性评价指标体系，对城市扩展的合理性进行评估[8-9]。

张掖市是西北干旱区典型的中小型绿洲城市，自国家西部大开发实施以来，城市化进程加快，城区建设用地明显扩展[10]。在本研究之前，已经有学者对张掖市城市扩展进行过研究，如黎浩许等[11]基于遥感影像，利用一系列指标，分析了1959—2009 年张掖市城市土地利用扩张的空间变化特征。但该研究之后的十年间张掖市发展迅速，城市建成环境已经发生了很大的改变。因此，本文在前人研究的基础上，基于1985—2020 年张掖市甘州区Landsat 影像数据，利用GIS 分析技术，对张掖市城区建设用地扩展时空演变进行定量化分析，并结合社会经济数据对其扩展进行评价。望能一定程度上揭示张掖市这类干旱区中小型绿洲城市城区建设用地扩展规律，为类似的城市在城市建设及规划发展、城市形态变化、加强空间治理等方面提供一些参考。

1 研究区概况

张掖市地处甘肃省西北部，河西走廊中段，是典型的干旱区绿洲城市，绿洲城市作为一种特殊自然条件下形成的城市类型，是干旱区生产和生活的核心，是干旱区人地关系最为敏感的区域[12]。近年来，随着甘肃省“一体两翼”区域发展战略的实施，张掖市在河西走廊居中四向的区位优势进而加强，成为河西城镇体系空间格局中重要的地区及中心城市，以及“新丝绸之路经济带”重要的交通、商贸节点，随着经济的快速发展，城市建设用地迅速扩张，严重挤压了周围的农业空间和生态空间，在如今“国土空间规划”的大背景下，研究张掖市市区建设用地扩展的过程，厘清其发展脉络，合理规划其“三生空间”，对张掖市未来的发展具有重要意义。

2 研究方法与数据处理

2.1 数据资料

本次研究以从地理空间数据云平台下载的Landsat 遥感影像为基础，选取了张掖市甘州区8 期影像，时间跨度为35年，除此之外所用到的经济、人口数据均来自《张掖市统计年鉴》和《甘州区统计年鉴》。

2.2 数据处理

本文采用ENVI 5.1 平台进行遥感影像处理，对不同时像的影像分别进行几何校正、辐射定标及研究区裁剪等预处理，对影像进行增强处理，选择合适的波段组合以提高影像的视觉效果和可解译性。基于ArcGIS 10.2，根据不同地物的影像特征，通过目视解译，用人机交互的方式提取各个时期的城区建设用地（图1）。为了使提取的城区建设用地更加准确，将提取出的城区建设用地加载进Google Earth 平台，与同时期高分辨率影像进行对比并修正，确保城区建设用地提取的准确率达到90%以上。在此基础上，计算相应时期的城区建设用地面积、周长及重心等信息。

图1 1985—2020 年张掖市各时期城区建设用地

2.3 研究方法

2.3.1 方位分析法。指对城市空间扩展在不同方位上的面积、速度和强度变化进行分析，揭示城市扩展的各向异性[10]。

2.3.2 扩展速度和扩展强度。扩展速度（年均扩展面积）：

式中，V 表示扩展速度；Us和Ue分别表示研究初期和末期的城区建设用地面积；△T 为时间间隔年。

扩展动态度（年均扩展速率）：

式中，K 为扩展动态度；其余符号同公式（1）。

扩展强度：

式中，AGR 为城市年均扩张强度指数；TLA 为研究区总面积；其余符号同公式（1）。

根据城市用地扩展强度指数的划分标准[13]，可划分为高速扩展（＞1.92）、快速扩展（1.05～1.92）、中速扩展（0.59～1.05）、低速扩展（0.28～0.59）、缓慢扩展（0～0.28）。

2.3.3 重心转移模型。重心坐标：

式中，Xt、Yt为t 时刻城市建成区重心平面坐标；Ci为第i 块城市建成区面积；Xi、Yi为第i 块城市建成区几何中心坐标。

重心转移距离：

式中，D 为城市重心从t 时刻到t+n 时刻转移距离；Xt、Yt和Xt+n、Yt+n分别表示城市在t 和t+n 时刻的重心坐标。

重心转移方向：

式中，θ 为城市重心转移方向与正东方向的夹角；其余符号同公式（5）。

2.3.4 紧凑度指数。紧凑度是反映地物形状的参数，用以测度城市实体用地的紧凑与饱满程度，以防止城市蔓延、集约节约用地为目的[14]。本文使用Batty[3]提出的紧凑度计算公式：

式中，BCI 为城市形态的紧凑度；A 为城市建成区面积；P 为城市轮廓周长。

其中，紧凑度的值介于0～1 之间，其值越大，城市形态越具有紧凑性，越接近于1，形态越接近于圆形；反之城市形态的紧凑性越差。一般来说，当城市处于快速向外扩展阶段，紧凑度下降；当城市处于内部填充阶段时，紧凑度上升[10]。

2.3.5 分形维数。本文采用城市形态边界维数来反映城市用地斑块边界的复杂性，其计算公式：

式中，D 为边界维数；c 为截距；其余符号同公式（7）。

其中，D 值一般在1～2 之间，D 值越大表示图形形状越复杂，越小则表示城市形态趋于简单。当D＜1.5时，说明图形趋向于简单；当D=1.5时，说明图形处于随机状态，越接近该值，稳定性越差；当D＞1.5时，说明图形趋于复杂[10]。

2.3.6 城区人口弹性系数：

式中，UPEC 为城区人口弹性系数；A(i)为城区建设用地年均扩展速率；Pop(i)为城市非农人口年均增长速率。

其中，根据国内的划分标准，当UPEC＞1.12时，城区建设用地扩展过快；当UPEC＜1.12时，城区建设用地扩展不足；当UPEC=1.12时，城区建设用地扩展较为合理[9]。

2.3.7 城区人均建设用地面积：

式中，SP为城区人均建设用地面积；A 为城区建设用地面积；Pop 为城市非农人口数量。

2.3.8 城区GDP 弹性系数：

式中，UGEC为城区GDP 弹性系数；A(i)为城区建设用地年均扩展速度；GDP(i)为城区经济年均增长速率，在本文中为第二、第三产业产值年均增长速率[9]。

2.3.9 城区建设用地利用效益：

式中，U 为城区建设用地利用效益；GDP 为非农产业产值，本文为第二、第三产业产值；A 为城区建设用地面积。

2.3.10 耦合协调模型：

式中，C 为张掖市城区人口增长、经济发展、建设用地扩展之间的耦合度，取值范围[0,1]；Ai为城区建设用地增长速率；Pi为城区人口增长速率；Gi为城区经济增长速率[15]。

为进一步分析城区人口增长-用地扩展、经济发展-用地扩展之间的耦合情况，耦合度模型可演化如下：

耦合度虽然能反映张掖市城区人口增长、经济发展、建设用地扩展之间的相互作用程度，但不能表征它们之间是高水平上的相互促进还是低水平上的相互制约，因此，进一步引进耦合协调度模型：

式中，T 为协调指数；α、β、γ 为待定系数；其余符号同公式（13）。

同理，可得出张掖市城区人口增长、经济发展、建设用地扩展两两之间的协调指数：

式中，D 为张掖市城区人口增长、经济发展、建设用地扩展之间的耦合协调度；C 为耦合度；T1、T2为协调指数。其中，耦合协调度分类标准见表1。

表1 耦合协调度分类标准

3 结果与分析

3.1 张掖市城区建设用地扩展时序变化分析

在提取的张掖市城区建设用地的基础上，计算出城区建设用地在1985—2020 年的扩展速度和扩展强度等信息（表2）。张掖市城区建设用地面积从1985 年的803.28 公顷扩展到2020 年的4 776.36 公顷，35 年间面积增长5.95倍，年均增长113.52 公顷，扩展速度和强度都表现出在1985—2015 年持续增长、在2015—2020 年开始回落的特征。

表2 1985—2020 年张掖市城区建设用地扩展情况

根据张掖市发展变化特征及各阶段扩展强度指数，可将张掖市城区建设用地在1985—2020 年的扩展划分为以下几个阶段：1985—1995 年慢速扩展阶段、1995—2000 年中速扩展阶段、2000—2005 年快速扩展阶段、2005—2020 年高速扩展阶段。

3.1.1 慢速扩展阶段（1985—1995 年）。1985—1995年，张掖市城区建设用地面积从803.28 公顷扩展到997.68 公顷，年均扩展19.44 公顷，扩展速度缓慢。1985年，张掖县变更为县级张掖市，张掖市开始步入城市化发展阶段，正值起步阶段的张掖市，因经济基础较为薄弱，加之这一阶段张掖市发展的重点为农业设施建设，因此发展较为缓慢，城市扩展表现为在老城区及火车站周围小规模的外延式扩展。

3.1.2 中速扩展阶段（1995—2000 年）。1995—2000年，张掖市城区建设用地扩展明显加快，这一阶段张掖市城区建设用地规模扩展了174.45 公顷，年均扩展34.89 公顷。1994年，张掖工业园区创立并在这一时间段带动张掖市的城市发展，在火车站与市区的交通线张火公路两侧，建设用地也逐渐开始外延式扩展。

3.1.3 快速扩展阶段（2000—2005 年）。2000—2005年，张掖市城区建设用地扩展进一步加快，城区建设用地扩展面积389.18 公顷，年均增长77.84 公顷。国家提出实施西部大开发战略，同时甘肃省提出“再造河西”战略，这给张掖市的发展带来了前所未有的机遇。2002 年撤销张掖地区和县级张掖市成立地级张掖市，以此为契机张掖市城市化进程进一步加快。这一阶段张掖市城区建设用地开始呈现出高强度的扩张态势，外延式扩展规模也开始扩大。

3.1.4 高速扩展阶段（2005—2020 年）。2005—2000年，张掖市城市建设用地规模大幅度扩展，从1561.31公顷持续扩展到4 776.36 公顷，年均扩展1 071.68 公顷。2006 年张掖工业园区被批复为省级开发区，工业园区的产业结构升级转型，使得张掖市东北部城区建设用地规模进一步扩大。2008 年提出了“湿地生态之城”的发展目标，滨河新区的建设使得张掖市城市框架朝着西部拉开，城区建设用地在西部大规模扩展。这一阶段，张掖市城市建设用地扩展从以外延式扩展为主向外延式扩展和内涵式提升并存转变。

3.2 张掖市城区建设用地扩展空间演变分析

城区建设用地扩展不仅有时间序列上的变化，还有在空间上的演变，在不同的发展阶段，城区建设用地在空间上表现出明显的差异性。为了更好地掌握张掖市城区建设用地在空间上的演变特征，本文引入了重心转移模型和方位分析法中的等扇形分析法。

其中，重心转移模型是通过区建设用地面积分别计算出8 个时期城区建设用地的中心坐标，进而计算出不同时段重心转移的方向以及转移距离，并绘制重心转移图（图2）。

图2 1985—2020 年张掖市城区重心转移方向和距离

等扇形分析法，以张掖市老城区的镇远楼为中心，半径8.3 千米，按照22.5°将张掖市城区建设用地分成16 个等面积扇形，分别为N、NNE、NE、NEE、E、SEE、SE、SSE、S、SSW、SW、SWW、W、NWW、NW、NNW（图3）。然后提取各时段在不同方位的城区建设用地面积，进而计算各个方位的扩展面积、扩展速度和扩展强度，并且绘制雷达图，分析各时期各个方位的扩展差异，得出城区建设用地在不同时期的主要扩展方向。

图3 各时段张掖市城区建设用地16 方位扩展过程

空间上，1985—2020 年张掖市城区建设用地在各个方位上均有扩展（图4），各个方位上的扩展强度差异性较大，扩展指向性明显，扩展最明显的是W、NE和NEE 三个方位（图4h），表现为东北和西方向上大规模的扩展，城区建设用地重心先向东北方向转移继而向西转移。以2010 年为节点，可将张掖市城区建设用地在空间上的扩展划分为两个阶段：1985—2010年，向东北方向扩展阶段；2010—2020年，向西扩展阶段。

图4 张掖市各方位城区建设用地扩展强度雷达图

1985—2010年，张掖市城区建设用地扩展集中在NE 和NEE 两个方位上，表现为在东北方向的大规模扩展，城区重心基本向东北和北方向转移。1983年，张掖县第一版县城规划出台，在此规划的指导下以向北、向东发展为重点，最初的扩展重点是东北部火车站附近及城区东侧312 国道两侧，随着1994 年张掖市工业园区的建立加强了东北部的扩展，张火公路两侧城区建设用地扩展逐步形成规模，2004 年《张掖市城市总体规划（2004-2020）》中提出张掖市以向东北、向西发展为主，随着“出城入园”“引强入张”等政策的实施，张掖工业园完成产业结构升级转型，逐步成熟，且2008 年提出“湿地生态之城”，张掖市面临转型发展，城市发展重点向西转移。

2010—2020年，张掖市城区建设用地扩展主要方位转移到W、NWW、SWW 等方位上，向西成为了城市扩展的主要方向，城区建设用地重心也向西大幅度转移。生态建设是这一阶段的发展重点，以生态经济为主的滨河新区在这一时期开始了大规模的建设，甘州区政府等一系列职能部门向西转移以及2012 年《张掖市城市总体规划（2012-2020 年）》的出台，强化了向西发展的趋势；在2012 版城市规划的指导下，张掖市城市建设以积极西进、提升东部、向北抑制为发展目标，西部滨河新区进一步快速发展，张掖市逐步形成了以城市核心区为中心，连接东北部产业园区、西部滨河新区、北部湿地生态区以及东南片区的“五区”城市功能布局。

3.3 张掖市城区建设用地扩展空间形态演变特征分析

应用公式（7）和（8）分别计算出各个时期张掖市城区建设用地空间形态的紧凑度指数和分形维数并绘制变化图（图5）。

图5 各时段张掖市城区建设用地紧凑度和分形维数变化图

1985—2020 年张掖市城区建设用地紧凑度指数和分形维数呈相反的变化趋势，以2010 年为节点，在此之前紧凑度和分形维数基本保持稳定，2010 年之后，分形维数持续减小而紧凑度指数迅速增大。表明在2010 年之前，张掖市城区建设用地的空间形态复杂不规则且变化不大，2010 年之后，形态从较为不规则不稳定的“条带状”转变为较为规则、简单的“团块形”。1985—2020 年张掖市城区建设用地空间格局变化显著。1985 年张掖市城区建设用地呈现出两部分分离发展的格局，中心城区与东北方向的火车站仅有张火公路作为连接，联系并不紧密，到研究末期，整个城区建设用地已连成一片，形成一体化发展的态势。

3.4 张掖市城区建设用地扩展评价

城市作为经济社会的载体，城区建设用地扩展与人口和经济密不可分，因此本文从人口和经济两个角度对张掖市城区建设用地扩展进行评价。

人口增长促进城市扩展，1985—2020年，张掖市城区人口从6.9 万人增加到21 万人，人口增长了约3.1倍，而城区建设用地面积扩张约6 倍。从增长速率来看（图6），整个研究期，张掖市城区人口增长速度先增后降，而城区建设用地面积扩展速度基本保持持续上升，在此基础上对张掖市城区人口增长和建设用地面积扩展之间做协调耦合性分析，结果表明（表3）：1985—2020 年张掖市城区人口增长与建设用地扩展之间耦合协调水平较低，基本处于失调阶段，说明张掖市城区人口增长与建设用地扩展速度不匹配。

表3 1985—2020 年张掖市城区人口增长、经济发展、建设用地扩展耦合协调度及类型

图6 各时间段张掖市城区人口、经济、建设用地面积增长速率

具体来看（表4），以2005 年为节点，在此之前张掖市UPEC 均小于1.12，说明在此阶段张掖市城区人口增长领先于建设用地扩展，城区建设用地扩展规模小，速度慢，人均建设用地面积由1985 年的117.03 m2/人持续减少到2005 年的87.09 m2/人，表现为“人多地少”，城区建设用地不足，在这一阶段，张掖市城市发展的重心为经济建设，城市扩展主要集中在城市东北部工业园区，因此人均建设用地逐渐紧张，老城区开始出现交通拥挤、基础设施落后，住房紧张、人居环境质量下降等一系列城市问题；2005 年之后，张掖市UPEC 均远大于1.12，张掖市城区人口增长开始滞后于建设用地扩展，城区建设用地的大规模快速扩展，人均建设用地面积增加到227.60 m2/人，高于国家标准最大值150 m2/人，“人少地多”现象明显，土地城市化冒进，这一阶段为了缓解老城区面临的压力，西部滨河新区大面积建设，城市扩展速度远远超过了人口的增长速度，人口增长的滞后造成了土地的闲置浪费等问题。

表4 1985—2020 年张掖市城区建设用地扩展和理性评价指标

经济发展带动城市扩展，1985—2020年，张掖市城区GDP（第二、第三产业产值）从1.36 亿元增加到157.58 亿元，增长约116 倍。从增长速率上看，除2015—2020 年外，张掖市城区经济发展和建设用地面积扩展速度之间呈相反趋势。1985—2020年，张掖市城区经济发展与建设用地扩展之间耦合水平相对较高，基本处于协调阶段。

以2015 年为节点，2015 年之前张掖市城区经济发展-用地扩展耦合协调度持续增长，耦合水平从初级协调发展到良好协调，城区GDP 弹性系数持续减小，说明张掖市城区经济发展速度一直领先于建设用地扩展速度，伴随着经济发展，城区建设用地效益持续增加，从初期的0.09 亿元/km2增加到2015 年3.17 亿元/km2，但是增长速度持续下降；2015 年之后，张掖市城区经济发展与建设用地扩展耦合度迅速降低，处于勉强协调阶段，说明张掖市城区经济增长与建设用地扩展之间良好的协调状态已被打破，这一阶段，张掖市城区GDP 从121.2 亿元增长到157.6 亿元，其中第二产业产值下降4.4 亿元，第三产业产值增长40.8 亿元，高质量发展的背景下，张掖市发展开始转型，大力发展第三产业，经济增长有所降速，但城区建设用地依然快速大规模扩展，导致经济发展与城市扩展之间不平衡。经济发展与城市扩展之间失衡，就会致使城市“摊大饼式”盲目扩张，不利于土地的集约节约化利用，造成土地利用价值降低，土地资源浪费等问题。

综合来看，张掖市城区人口增长、经济发展、建设用地扩展三者之间耦合协调度较为一般，在2015 年前基本协调，2015 年后轻度失调。究其失调原因：近五年张掖市人口自然增长率逐渐降低，且存在人口外流现象；另外经济发展进入“新常态”，经济增长速度放缓，而城区建设用地依然以较快的速度大规模扩展，这就导致三者之间失调，城区建设用地扩展不合理。结合张掖市城市扩展四面受限的现状，目前张掖市城区建设用地扩展明显过快，因此在未来张掖市应控制城区建设用地扩展速度，防止“摊大饼式”盲目扩展，持续优化城区土地利用结构，提升土地利用效益，提高土地利用节约集约化水平。