辽宁省城市建设用地扩张时空分异特征

郭力娜,訾丰娇,姜广辉,赵艳霞,王 刚

1.华北理工大学矿业工程学院,河北 唐山 063210

2.北京师范大学地理科学学部,北京 100875

3.华北理工大学管理学院,河北 唐山 063210

0 引言

根据国家统计局的数据,2022年我国城市化率达65.22%,相比改革开放之初的17.92%增长了2.64倍,但同时与城市快速发展伴生的城市病不断出现,不仅影响了城市生态环境质量[1],城市在空间上的无序扩张也占用了周边大量优质耕地,对粮食生产形成了一定压力。在全国快速城市化的背景下,特别是在国家提出振兴东北老工业基地战略决策后[2],作为东北三大省之一的辽宁省,1990—2020年以来,全省GDP由0.163万亿增长到2.501万亿;随着经济迅速发展,城镇化率由41.99%增长为72.14%,城镇化水平整体呈现上升趋势,并始终快于全国发展水平。2010年开始,辽宁省人口出现净流出,城镇化进程开始放缓,但城市建设用地面积仍增长迅速[3]。辽宁省素有“六山一水三分田”之称,省内自然地理环境存在明显的空间差异,经济发展也表现出一定的差异,受其影响,城市发展及其空间扩张也存在差异,因此有必要对其进行详细研究。

国内外对于城市建设用地扩张的研究比较丰富,研究视角主要包括以下方面。1)宏观尺度多探究发达地区城市群的扩张变化以及城市群之间的发展差异。如:胡盼盼等[4]以珠三角城市群9座城市为研究对象,分析珠三角城市群尺度上城市扩张的时空变化特征;张颖诗等[5]选取1998—2017年城市建设用地数据,将粤港澳大湾区与京津冀地区建设用地扩张时空差异进行对比分析,探究两大地区扩张影响因素;徐梦洁等[6]选取长三角城市群作为研究区,采用夜间灯光数据提取城市群空间信息,研究城市扩张类型并选择典型城市进行扩张效益评价并进行耦合分析。2)中观尺度上多探究城市扩张数量、强度及其对周边地类的影响,研究内容主要集中在城市扩张的时空特征[7-9]、模式[10-11]及预测模型[12]上。如:欧阳晓等[7]选取不同等级的城市群作为研究对象,构建人口、经济与城市用地协同发展指数,据此分析城市用地扩张中的人地关系协同程度以及不同城市群的城市用地扩张时空特征;刘纪远等[10]首次提出利用凸壳原理识别建设用地扩张类型的方法,该方法将城市用地类型分为填充式和延伸式类型,定量分析了城市扩张类型的问题;俞艳等[11]以武汉市作为案例区,采用公共边测度法构建城市扩张模式模型,用以分析武汉市城市扩张模式。但在中观尺度下,区域内部典型城市之间的差异对比略有不足。3)在建设用地信息提取方面,遥感监测技术已成为最主要的技术手段,国内外大量学者在研究城市扩张的过程中都利用了遥感影像提取城市建设用地,广泛运用扩张速度、分型指数、蔓延指数等指标,对城市扩张进行定量化研究探索[13-16]。

从现有的研究来看,目前针对东北地区城市建设用地扩张的研究不及发达地区丰富,在东北地区人口不断外流的城市化背景下研究城市扩展态势和模式或许可以为新型城市化提供参考。基于此,研究选取辽宁省不同方位的沈阳、大连、丹东、朝阳4个城市为典型案例城市,以1990、2000、2010、2020年4期遥感影像解译数据为基础,对30年来4个城市的建设用地占比扩张强度、形态和模式等特征和时空差异进行分析,以期为城市扩张研究提供数据支持及为新型城市化建设提供数据参考。

1 研究区概况与数据源

1.1 研究区概况

辽宁省位于东北地区南部,与黄海,渤海相连,西南与河北接壤,西北与内蒙古毗连,东北与吉林为邻,属温带季风性气候。在地形地貌上,全省整体是“六山一水三分田”,呈马蹄形,向渤海倾斜。目前,全省下辖14个地级市、16个县级市、25个县、59个市辖区。

研究选取辽宁省不同方位的沈阳、大连、丹东、朝阳4个城市为典型案例城市(图1),其中:沈阳位于辽宁省中部,为省会城市;大连为东南沿海仅次于沈阳的大城市;丹东位于辽宁东部,是全省重要生态屏障区;朝阳位于辽宁省西部,历来是沟通内蒙古、京津冀的交通要道。

a． 研究区位置;b. 沈阳地势;c. 大连地势;d. 丹东地势;e. 朝阳地势。

截至2022年,辽宁省的城镇化水平整体呈现上升趋势,并始终快于全国平均发展水平;2010年开始,辽宁人口出现净流出,城镇化进程开始放缓。1990年,沈阳市GDP排名全国第7,到2000年排名14,2010年排名17,经济发展增长速度呈下滑趋势;大连市经济30年间迅速发展,但增长率同沈阳市一样,逐步下滑;丹东市经济实现中高速增长,到2020年地区生产总值和城乡居民人均收入比2010年翻一番;朝阳市GDP总量由1990年的32.88亿元增长为2020年的876亿元,增长了25.6倍,经济发展迅速。辽宁省“十四五”规划中明确提出,主动适应国家重大区域战略要求,形成以沈阳、大连“双核”为牵引的“一圈一带两区”区域发展格局。

研究区4个城市分别位于辽宁省中部平原、滨海平原和东西部丘陵区,存在地形差异,且城市间经济发展状况也不相同,具有一定代表性。

1.2 数据获取与预处理

1)遥感数据。研究区土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn),研究时段分别选取为1990、2000、2010及2020年。其中1990、2000、2010 年各期数据的遥感解译主要使用 Landsat-TM/ETM(enhanced thematic mapper)遥感影像, 而2020 年土地利用/覆盖数据更新主要使用Landsat 8 遥感影像。土地利用数据的分类系统采用三级分类系统[17-18]：一级分为6 个类型,主要根据土地资源及其利用属性,分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地;二级主要根据土地资源的自然属性,分为 25个类型;三级分为8个类型。分类精度达97.3%,分辨率为30 m。对4期数据进行统一栅格转矢量并统一投影,对属性信息分类整理。

2)城市建设用地界定。依据《城市用地分类与规划建设用地标准》(GB 50137—2011)[19],城市建设用地[20-22]指城市内的居住用地、公共管理与公共服务用地、商服用地、工业用地、物流仓储用地、道路与交通设施用地、公用设施用地、绿地与广场用地[23-24]。本研究“城市建设用地”与上述标准在内涵上保持一致,并结合中国土地利用/土地覆盖遥感监测数据分类系统中的1980—2020 LUCC(land-use and land-cover change)分类体系,对研究区4个时期城市建设用地空间信息进行提取,利用ArcGIS软件将解译数据中的二级类涉及的城镇用地并为一级类作为城市建设用地遥感解译标准,最终提取4个典型城市4个时期的建设用地用于后续研究。

3)其他数据。行政边界数据来源于辽宁省自然资源厅,高程数据由地理空间数据云下载并经过校准与预处理。

2 研究方法

2.1 扩张强度指数

扩张强度指数(I)[7]是指某空间单元在不同时期内城市用地扩张面积占原有城市面积的百分比,反映不同时期城市用地扩张情况,可用于研究城市用地扩张强度,纵向对比城市的用地扩张态势。计算公式为

(1)

2.2 扩张强度差异指数

扩张强度差异指数[7]为城市建设用地扩张强度与整个研究区城市建设用地扩张强度的比值,表征不同城市之间扩张强度的差异,计算公式为

(2)

式中:IDn为第n个城市的扩张强度差异指数;At1、At2分别为t1、t2时间整个研究区的城市用地面积。

2.3 公共边测度法

公共边测度法[11]是基于几何思想的研究方法,其中公共边表示的是2个面状要素的公共边界,可以表达2个面状要素之间的关系。城市建设用地由多个多边形构成,新增城市用地和原始城市用地的公共边测度法可用于界定新增用地的扩张模式。其计算公式为

(3)

式中:S为公共边指数;L为新增城市建设用地斑块与现有城市建设用地斑块的公共边长度;P为新增城市建设用地斑块的总边长。当S=0时,扩张模式类型定义为飞地式扩张;当0

a. 飞地式;b. 蔓延式;c. 填充式。

传统的公共边测度法涉及多期数据集整理及数据批量处理,重复性工作较多,工作难度及工作量比较繁琐。为提高数据处理效率及准确性,本研究利用ArcGIS中的二次开发工具Arc Engine进行编程。该程序分为3步:首先融合相交分析代码,提取新增城镇建设用地与原有建设用地公共边;然后统计新增建设用地与原有建设用地公共边长度与新增建设用地总周长;最后根据式(3)计算公共边指数,确定扩张模式。

3 结果与分析

3.1 城市建设用地空间分布与变化

3.1.1 不同时段提取结果与空间分布

整理经过精度验证的遥感解译结果并进行空间制图,用以分析不同时段城市建设用地数量和空间分布特征,结果见表1、图3—图6。

表1 城市建设用地面积及占比汇总表

图3 1990—2020年沈阳市建设用地空间分布

根据表1,1990年沈阳、大连、丹东、朝阳城市建设用地占地总面积为636.48 km2,至2020年城市建设用地总面积为1 552.87 km2,30年间城市建设用地面积共增长了916.39 km2,建设用地迅速扩张。4个时期城市建设用地面积从大到小均为沈阳、大连、丹东、朝阳。4个城市中,沈阳城市总面积较小,城市建设用地面积和城市建设用地面积占比均最大;而朝阳城市总面积最大,建设用地面积最小,说明城镇化率最低,其原因归于朝阳市山地丘陵较多,可供城市发展的局限性较大。整体上,30年间建设用地占比呈上升趋势,且随着时间推移扩张态势更加明显,但不同城市间存在明显差异。

如图3和表1所示,沈阳城市建设用地分布情况相对聚集。1990年,城市建设用地面积为307.68 km2,主要集中分布在皇姑区及大东区南部,沈河区西部,于洪区、和平区及铁西区北部;到2020年,建设用地面积增长为730.25 km2,空间上蔓延至北部的沈北新区及南部的浑南区和苏家屯区,向主城区东南部和东北部扩张明显。沈阳作为辽宁省省会,且建成区多位于冲积平原,行政区域面积大,存在较为可观的扩展空间。

如图4和表1所示,大连城市建设用地空间演变同样十分显著,截至2020年,城市建设用地面积为562.49 km2,4个时期城市建设用地占比分别为1.53%、2.30%、3.03%、4.47%,增长变化仅次于沈阳,但远高于朝阳和丹东。空间上,大连城市建设用地主要集中在南部沿海区域,如金州区南部、甘井子区、西岗区、中山区等,少量零散分布在瓦房店市、普兰店区和庄河市。1990—2020年,城市建设用地空间扩展多基于原有土地斑块。

图4 1990—2020年大连市建设用地空间分布

如图5和表1所示,丹东北部山地丘陵较多,城市建设用地较少,城市建设用地主要分布在东南沿海的元宝区、振兴区及振安区。丹东建设用地面积和占比处于中低水平状态,截止到2020年,城市建设用地面积仅为167.03 km2,4个时期城市建设用地占比分别为0.55%、0.60%、0.78%、1.10%,丹东城市建设用地均处于增长状态,但远落后于沈阳和大连,城市空间变化较小。

如图6和表1所示,朝阳山地较多,以低山、丘陵为主要地形特征,城市建设用地分布零散;所以城市建设用地占比在4个城市中最低,4个时期建设用地面积分别为52.65、56.87、80.22、93.10 km2,空间分布上变化差异较小,基本处于相对缓慢的匀速增长状态。

图6 1990—2020年朝阳市建设用地空间分布

3.1.2 空间变化态势

1)建设用地占比。整体上,4个城市建设用地占比从1990年的4.74%增长到了2020年11.72%(表1),城市建设用地增长情况明显。根据表1绘制4个城市不同时段建设用地占比对比折线图(图7),反映建设用用地增长特征,进一步分析不同城市之间的增长差异。从图7可见:在1990、2000、2010、2020年4个时间节点上,4个城市建设用地占比从大到小均为沈阳、大连、丹东、朝阳,与城市自身大小基本一致;但城市间也存在一些差异,从变化曲线上看,朝阳和丹东的城市发展明显低于沈阳和大连,城市建设用地占比增长变化不大,大连在研究期间一直保持了较快的增长变化,沈阳在2020年增长明显。

图7 城市建设用地占比对比图

2)空间变化。为了清晰地表达建设用地空间增长情况,利用ArcGIS软件分析功能,以1990年建设用地矢量数据为基础,对提取的城市建设用地进行一系列擦除及相交处理,将各时段各城市建设用地增长情况用一张图呈现,用以分析城市建设用地扩展的空间特征,结果见图8。30年间沈阳城市建设用地表现出较为典型的同心圆扩张态势,即以主城区为圆心,逐次向外围蔓延扩张(图8a);大连城市建设用地主要在南部沿海区域呈“C”字状不规则扩张增长(图8b);丹东(图8c)和朝阳(图8d)城市建设用地面积较小,城市化率低,城市扩形态趋于一致,空间分布来看,城市扩张形态呈低密度连续蔓延状态,无明显规律。

a. 沈阳市;b. 大连市;c. 丹东市;d. 朝阳市。

3.2 城市建设用地扩张强度空间分异特征

研究城市建设用地空间分布及面积占比的同时,需对城市扩张强度进行空间量化研究,基于式(1)和式(2)分别计算4个城市的城市建设用地扩张强度指数和扩张强度差异指数,结果见表2、图9、表3、图10。

表2 扩张强度指数

表3 扩张强度差异指数

图9 扩张强度指数

图10 扩张强度差异指数

3.2.1 扩张强度

分析发现,不仅不同城市用地扩张强度存在差异,而且同一城市不同时间段内的用地扩张强度也存在差异。1990—2000年,大连城市用地扩张强度最大,扩张强度指数为5.01%,丹东次之,为1.00%,朝阳为0.80%,沈阳扩张强度最小,扩张强度指数仅为0.39%;2000—2010年,沈阳扩张强度指数最大,为5.05%,朝阳次之,为4.11%,大连为3.17%,丹东扩张强度最小,扩张强度指数为2.90%;2010—2020年,沈阳与大连城市用地扩张强度指数相近,沈阳最大,为5.18%,大连为4.77%,丹东为4.11%,朝阳扩张强度指数最小,为1.61%(表2)。总结分析发现,1990—2020年,大连一直处于高速扩张状态,沈阳和丹东在第一时期为低速扩张,在第二、第三时期转为高速扩张,朝阳由低速扩张转至高速扩张,又转为中速扩张(图9)。总体来看,扩张强度从大到小依次为沈阳、大连、丹东和朝阳。

3.2.2 扩张强度差异

如表3所示,1990—2000年,沈阳与大连土地扩张强度差异指数相近,分别为1.12和1.03,丹东扩张强度差异指数为0.89,朝阳扩张强度差异指数最小,为0.35;2000—2010年,沈阳扩张强度差异指数最大,为1.26,朝阳为1.03,仅次于沈阳,大连和丹东相近,分别为0.79、0.73;2010—2020年,沈阳扩张强度差异指数降低明显,仅为0.21,大连扩张强度差异指数为2.64,增长最多,丹东与朝阳相近,分别为0.53和0.42。

总体来看,如图10所示,1990—2010年大连及丹东扩张差异逐渐减小,沈阳及朝阳扩张差异增大;2000—2020年大连扩张差异上升明显,其余3市都呈下降趋势,下降幅度从大到小为沈阳、朝阳、丹东。1990—2020年,除大连外,其余3市城市扩张差异逐渐减小,符合城市增长相位理论[24]中的先扩散再集聚。大连由于自身地理位置及发展情况限制,虽表现出相异的增长相位,但在后续城市发展中,会趋于集聚。

3.3 城市建设用地扩张模式及空间差异

根据公共边测度研究方法识别各新增建设用地斑块扩张模式,对不同城市建设用地空间扩张模式进行空间制图和面积统计,以分析扩张模式特征。

3.3.1 扩张模式差异

图11为1990—2020年城市扩张模式空间图。由图11a可知,1990年沈阳城市建设用地集中分布在皇姑区及大东区南部,沈河区西部、于洪区、和平区及铁西区北部,少量零散分布在沈北新区中部、新民市东部、辽中区中部和东部、法库县东北部。1990—2020年,城市建设用地蔓延式扩张较为突出,蔓延式扩张用地主要分布在中心城区四周的沈北新区南部、于洪区与皇姑区交界、铁西区北部、苏家屯区北部、浑南区西部;其次是在浑南区西部和沈北新区南部的飞地式扩张,以及零散分布在核心城区西部皇姑区、大东区和铁西区的填充式扩张。以蔓延式为主的扩张形态充分利用自然资源,有利于沈阳向北部发展。沈阳中心城区位于东南角,广大的北部和西部鞭长莫及,实际利用和开发不足。

由图11b可知,1990年大连城市建设用地集中分布在金州区南部、甘井子区、西岗区和中山区。1990—2020年,城市建设用地呈蔓延式扩张面积最大,分布特征明显,主要分布在甘井子区东北部、金州区南部,零散分布在瓦房店市东部城区外围、普兰店区西南部和庄河市南部;建设用地呈飞地式和填充式扩张面积较小,空间特征不明显,飞地式零散分布在金州区中部、瓦房店市西部和庄河市西南部,填充式零散分布在甘井子区城区内部和金州区城区内部。大连扩张模式同样以蔓延式为主,但飞地式特征相对明显,城市发展迅速但不稳定,归因于城市发展政策缺乏连贯性,30年间不断变换战略发展方向。

由图11c可知,1990年丹东城市建设用地分布在振安区东部、东港市西部和东部、凤城市中部和宽甸满族自治县中部。1990—2020年,建设用地主要呈蔓延式扩张,主要分布在东港市东部和振兴区;建设用地飞地式扩张面积小于蔓延式,主要分布在东港市东北部、凤城市西北部和宽甸满族自治县南部;填充式扩张面积较小,空间特征不明显。丹东飞地式模式扩张增速明显,与大连不同之处为丹东坚持发展绿色产业,合理规划开发旅游项目及旅游基地,有序推进农业转移人口市民化,促进产业和城镇融合发展、经济转型升级与社会和谐进步。

由图11d可知,1990年朝阳城市建设用地主要分布在凌源市北部、建平县南部、龙城区和双塔区交界地带以及北票市中部。1990—2020年,建设用地的扩张模式主要为蔓延式,空间分布上集中在北票市城区西南地带和龙城区与双塔区交界城区处外围;朝阳建设用地扩张模式中,飞地式和填充式面积较少,分布特征不显著。持续稳定的蔓延式扩张促进朝阳经济发展整体呈现企稳向好态势,发展后劲明显增强,为未来承接产业转移奠定了良好的基础。

总体来看,辽宁省作为东北老工业基地,城市发展模式呈现以蔓延式稳定发展为主、飞地式次之、填充式面积较小的特征。

3.3.2 不同扩张模式面积占比差异

基于图11,分别统计各城市不同扩张模式的面积,并对其占比进行统计,结果见图12,用以对不同扩张模式进行量化分析。

整体上,在不同研究时段,4个城市均以蔓延式扩张最明显,占比最大,普遍在50%以上;填充式扩张次之,但在不同城市不同时段的面积占比差异较大;飞地式扩张最少,仅在各城市个别时段出现。

不同扩张模式在不同城市间也存在一定差异:沈阳在1990—2000年以填充式和蔓延式相当的态势向外扩张,后期表现为蔓延式明显主导的特征;大连一直以蔓延式扩张为主要特征,后期3种扩张模式并存,但蔓延式扩张仍占绝对优势;丹东城市扩张虽在2000—2010年出现3种模式并存的情况,但80%以上的蔓延式扩展仍成为其主要扩张模式;朝阳在1990—2000年扩张模式特征与沈阳相似,后期一直是3种模式并存,但蔓延式扩张面积占比仍保持在50%以上。

4 结论与讨论

1)整体上,4个城市建设用地占比由1990年的4.74%增长到了2020年11.72%,且4个城市在4个时期建设用地占比从大到小均依次为沈阳、大连、丹东、朝阳,建设用地占比呈上升趋势,且随着时间推移扩张态势更加明显,但不同城市间存在明显差异。沈阳城市建设用地近30年表现出较为典型的同心圆扩张态势;大连城市建设用地主要在南部沿海区域呈“C”字状不规则扩张增长;丹东和朝阳城市扩张形态呈低密度连续蔓延状态,无明显规律。

2)1990—2020年,扩张强度从大到小依次为沈阳、大连、丹东和朝阳,大连一直处于高速扩张状态,沈阳和丹东在第一时期为低速扩张,在第二、第三时期转为高速扩张;朝阳由低速扩张转至高速扩张,又转为中速扩张。1990—2020年,沈阳、朝阳及丹东城市扩张差异逐渐减小,大连城市扩张差异增大。

3)4个城市3种扩张模式并存,整体上主要以蔓延式扩张为主,飞地式次之,填充式占比较小。城市发展主要呈现的是四周扩散的蔓延式发展。但城市间由于自身发展需求不同,也存在一定差异。对于沈阳,除了要调整经济结构比例外,城市发展重心向北部移动可以帮助沈阳扩展城市发展空间,合理布局经济,关系到城市的未来发展上限。大连在追求城市迅速发展的同时,注重产业结构调整,做到稳中求快。丹东继续发挥区位和港口优势,以新一轮东北振兴为契机,继续完善飞地式扩张模式,打造东北地区重要旅游目的地。朝阳经济发展整体呈现企稳向好态势,发展后劲明显增强,为未来承接产业转移奠定了良好的基础。

4)研究选取典型城市为案例城市,从空间分布和数量特征两方面对四市建设用地扩张的时空分异特征进行对比分析,凸显不同城市在城市扩张中的独特性与差异性,为省级尺度城市建设用地后续研究提供借鉴参考。研究只对研究区内建设用地扩张的大小、数量和模式进行研究,缺少扩张影响因素的分析,后续可以对扩张驱动因素进一步探讨。同时,研究采取4个时段30 m分辨率遥感影像进行解译,提取城镇建设用地,精度仍有提升空间,后续可采用更高分辨率影像进行研究。