云南省地级城市近20 年空间格局演变

张 娇，杨 勇，周芹芳，马 品*，毛 峰

（1. 云南省地图院，昆明 650034；2. 杭州电子科技大学管理学院，杭州 310018）

0 引言

城市的用地扩展是城市化过程在空间布局上的首要表现[1]。城市化进程的加快，导致城镇建设中土地利用问题明显，而在人口密集、经济发展相对迅速的大都会地区，问题表现得尤为突出[2]。中小城市由于本身基数小且结构相对简单，其在快速扩展过程中形态与结构的变动相对于大城市则更为剧烈[3]。分析城市的发展历程、空间结构和布局演变，优化城市的布局结构和管理格局，预测城镇化发展趋势，已势在必行。

易家林[4]结合外部环境与内部禀赋因素，运用双向固定效应模型估计了城市扩张对耕地利用强度的综合影响；张法[5]以成都市为研究对象，利用2000、2005、2010、2013 年4 个监测时段的高分辨率遥感影像及相关专业资料，对城市空间扩展进行动态监测，基于缓冲区分析进行城市空间扩展模式研究；宋金蕊等[6]提取了德令哈市1989、1999 和2009 年3 个时期的城市建成区，并选用4 个指标进行城市建成区的空间扩展状况分析；付治河[7]借助对郑、汴一体化区域城市（郑州、开封、中牟）48 年间8 个监测年点建成区内的建成区范围、道路、绿化、建筑用地、人口、GDP 等监测要素进行获取和统计分析，发现城市扩张的内在动力；茹克亚·萨吾提等[8]基于多源遥感数据进行了喀什市1972-2010年的城市扩展研究，分析了城市扩展的时空规律和形态特征、城市扩展驱动力。

基于RS 和GIS 技术进行城市空间格局变化研究技术发展较快，但多集中于城区边界提取方法的改进研究[9-11]和城市扩展驱动力分析，且研究区域多集中于单个地级城市[12-15]或中东部发达地区[5，16，17]，对云南省山地型城市的扩展研究较少。基于上述讨论，文章以云南省16 个地级城市为研究区域，基于2000-2017 年长时间序列的遥感影像及同时期的GDP、人口等统计数据，通过多样性城市扩展评价指标，并引入凸壳原理提取城市扩展形态，以揭示云南省近20 年城市扩展空间演变规律，为城市开发强度控制、空间结构的优化，实现紧凑节约、高效绿色的发展提供理论研究和数据支撑。

1 研究区与数据源

文章以云南省地级城市城区为研究区域，8 个地级市研究范围为其市辖区，8 个自治州的研究范围为其政府驻地所在的县域范围，共24 个县级城市，监测分析城市名录如表1。文中使用的数据源分为基本资料和参考资料。基本资料有2000-2017 年6 期遥感影像数据、第一次全国地理国情普查成果以及基础性地理国情监测成果。2000 年的遥感影像数据源是Landsat ETM+，分辨率为15 m；2010 年遥感影像数据源是Rapid Eye，分辨率为5 m。其余年份的遥感影像分辨率均优于2 m。参考资料有DEM 数据、统计年鉴数据、土地利用专题数据。

表1 监测城市名录

2 研究方法

2.1 总体技术路线

在2017 年基础性地理国情监测成果基础上，对照正射校正影像进行综合取舍等边界微调得到2017 年本底城区边界数据，在此基础上，基于同期遥感影像，整合土地利用专题数据等相关资料，利用城市地理国情要素提取、不同地物的判别规则、城市景观特征判定等方法，同期已有外业核查数据进行城区边界回溯修正，解译得到2000、2005、2010、2015、2016 年其余五期数据的城区边界。结合GIS 技术，选用城市面积、扩展面积、扩展速度、扩展强度、用地增长弹性系数、空间扩展类型、紧凑度等7 个分析指标来揭示云南省近20 年城市扩展空间演变规律。总体技术路线图和主要统计分析方法如图1 所示。

图1 总体技术路线图

2.2 分析指标

2.2.1 城市规模及扩展分析

城市规模及扩展分析部分选用四个指标来描述，分别是城市面积U、扩展面积△U、扩展速度Vi以及扩展强度Ni。

Vi为扩展速度，表示某一时间段内各城市的城区面积年增长速率，其单位为km2/年；△Uij为j时段第i个研究单元的城区扩展面积；△tj为j时段的时间间隔，以年为单位。

Ni为扩展强度，表示某一时间段内各城市的城区面积相对于研究基期的城区面积年扩展比例，反映单位时间内不同城市扩展快慢的相对（比例）差异；△Uij为j时段第i个研究单元的城区扩展面积；△tj为j时段的时间间隔；Uij为j时段基期第i个城市单元城区面积。

2.2.2 城市空间扩展协调性分析

土地利用和人口密度变化是目前衡量中国地级以上城市协调性的重要因素[18]，选用城市用地增长弹性系数指标K来反映城市空间扩展协调性。

K为城市用地增长弹性系数；PR为城市人口年均增长率；GR为城市用地年均增长率；Ut表示某个监测时段末期的城区面积；U0表示某个监测时段基期的城区面积；Pt表示某个监测时段末期的人口；P0表示某个监测时段基期的人口；△t为监测时段的时间跨度，以年为单位；Pt、P0采用中国城市统计年鉴的城市市辖区非农业人口。

2.2.3 城市空间形态及结构变化分析

城市空间形态用城市紧凑度BCI来衡量。

BCI表示城市紧凑度；Ai是i城市单元中心斑块群总面积；Ci是i城市单元中心斑块群最小外接圆面积。城市紧凑度与城市用地效益二者存在相辅相成、有机统一的交互耦合关系[19]，如何量化城市紧凑性成为目前地理学界和规划领域研究的热点问题[20]。刘纪远[21]在文章中指出，紧凑城市可导致城市居民更好的生活质量，认为紧凑城市的正面影响是广泛的。

3 空间格局变化分析

3.1 城市规模与扩展分析

从云南省城区规模图（图2）可看出，2000 年到2017 年，云南省16 个地级城市的城区总面积呈直线攀升趋势，在这17 年间，城市规模共计扩展660.76 km2。其中，城市扩展规模最多的是2006-2010 年阶段，共计扩展191.43 km2，占城市扩展比例的28.97%。十一五规划期间（2006-2010 年），云南省统筹城乡一体化发展，科学规划村庄布局，城市公共服务加快向农村覆盖。在此规划背景下，各个地级城市加快城乡建设，原有城区在建制镇范围上拓展建设，城乡差距逐渐缩小，城乡融合是城区面积扩展较为剧烈的主要原因。在2011-2015 年阶段，共计扩展184.78 km2，占城市扩展比例的27.96%。十二五规划阶段，云南省紧紧围绕“扩大内需、西部大开发”和“两强一堡”战略，遵循“强圈、富带、兴群、促廊”空间战略布局原则，加快形成“一圈、一带、六群、七廊”的战略格局，基础设施建设步伐加快[22]。

图2 云南省城区规模图

云南省16 个地级城市2000-2017 年城市扩展迅猛，但城市间扩展速率差异大，如云南省城市扩展速率和扩展强度统计表（表2）所示。扩展速率最大的是昆明市，为19.98 km2/ 年，最低的是怒江州为0.20 km2/ 年，二者差异近100 倍。扩展速率平均值为2.43 km2/年，除昆明市和曲靖市以外其余城市均低于该平均值。云南省城市发展受地形影响较大，地势西北高东南低，分为东西两部。东部为滇东、滇中高原，地形小波状起伏，形成“坝子”，坝区地势平坦，气候温和，土壤肥沃，灌溉便利，是农业发达、人口稠密的经济中心。西部为横断山脉纵谷区，高山深谷相间，相对高差较大，地势险峻，尤以怒江州，由南北走向的褶皱山系和独龙江、怒江、澜沧江三条自北向南大江深切谷相间排列，地貌复杂，山高、谷深、平地少，城市发展只能依怒江边的平缓盆地，扩展受限。

2011-2015 年阶段在2006-2010 年扩展基数上进一步扩展。城市扩展阶段性明显，但地级城市间扩展速率和强度悬殊（表2）。一方面是由于城市扩展面积悬殊差异大，2000-2017 年，昆明市城区扩展面积是339.61 km2，怒江州城区扩展面积为3.32 km2，扩展面积相差336.29 km2，如此差异造成了城市扩展速率的差距。城区扩展强度的差异，更加准确地反映了城市扩展能力的大小，如西双版纳州2000 年城区面积为7.29 km2，迪庆州2000 年城区面积为5.57 km2；至2017年，西双版纳州的城区面积为34.41 km2，迪庆州城区面积为11.32 km2；扩展强度分别为21.88%和6.68%。

3.2 城市空间扩展协调性分析

城市用地增长弹性系数描述了城市土地扩展速度与城市人口增长速度之比，根据中国城市规划设计院及文献[19-20，23-24]研究表明：城市用地增长弹性系数的最优值为1.12。数值偏离越大或越小，表示城市扩展和人口发展之间的协调性越低[20]。

通过分析城市用地增长弹性系数（图3）得出，云南省16 个城市（除丽江市）的城市用地增长弹性系数均大于1.12，表明云南省16 个城市的土地扩展远大于城市人口的增长，呈现出城市土地增长与人口增长之间不协调现象。尤其是保山市的城市用地增长弹性系数高达15.32，红河州的最小值也达到2.30。这些数据表明：近17 年来，云南省16 个地级城市的城市用地效率低，城区土地浪费现象严重，用地集约程度不高，土地利用效益差。究其原因：一方面，城市建设规模扩大，城市不断向外围扩展；产业空洞化的新城、新区缺乏吸引就业人口的能力，也会形成土地城镇化显著快于人口城镇化的局面[25]。另一方面，由于城市开发程度不够，或由于资金不足造成城市基础建设不充分，人口城市化程度不够，城市用地效益低[24]。

图3 2000-2017 年城市用地增长弹性统计图

3.3 城市空间形态及结构变化分析

3.3.1 城市空间扩展类型演变

城市空间扩展类型是反映城市空间扩展特征的重要指标，刘纪远[21]提出计算几何中凸壳原理来识别城市用地扩展类型的方法，基于凸壳原理可区分城市用地扩展的两种类型：填充型和外延型。凌赛广[26]也针对武汉市进行内涵式（与填充型相同）和外延型的扩展模式分析。填充型是指在已经形成的城市区域中，进行空隙填充；外延型是用地扩展发生在城市的外缘部分。从城市扩展模式来看，当城市斑块或组团有多个时，城市扩展模式倾向于填充型，城市以这几个组团为扩展中心进行空隙填充扩展[27]。

从城市扩展类型统计表（表3）可看出，2000-2010年，云南省基本处于外延型扩展模式，城区用地呈现外缘开拓；仅昆明市、玉溪市和大理市呈现填充型模式，城市以各自城市组团为中心向外扩展，整个城市在这几个组团凸壳内进行内部填充扩展。2011-2017年，填充型城市增加至7 个，有昆明市、曲靖市、玉溪市、丽江市、临沧市、文山州和怒江州，其余9 个城市扩展模式为外延型。

表3 城市扩展类型统计表

研究发现，当城市有多中心斑块时，一般会先以现有多组团为发展中心逐渐填充聚拢，缩小组团间距离，当组团发展至一定规模或时期时，转为以独立组团为中心的外延扩展，形成“内部填充- 外部扩展”的扩展模式，或以内部填充为主，独立组团基础上局部的外延扩展模式。如大理州城区发展模式即为多组团——填充为主的扩展模式。而当城市基础呈“大饼”型，城市扩展会在当前城市基础上主要进行外延扩展，如保山市城区发展模式即为：城区呈“饼”型，以外延扩展为主。

城市扩展类型演变（图4）将对比反映这两种城市扩展类型。2000-2010 年，保山市在2000 年城区基础上向北、向南对称扩展，呈现很突出的外延扩展模式；2011-2017 年，保山市以东西向城市干道为骨架，形成向东延伸、指向青华海生态湿地的三条发展次轴，形成“一城三组团”的空间布局结构，整个保山市呈现以北、南、东三向的外延扩展。对比大理州的城市扩展模式，大理州城区主要由大理- 下关镇组团，海东- 凤仪组团两部分构成，属于典型的多组团类型。

图4 城市扩展类型演变

2000-2010 年阶段，城区在2000 年的两个组团基础上进行主要的西北间隙填充扩展，同时以两个组团为中心的外延扩展；2011-2017 年，下关镇东边的凤仪/海东镇成为城市扩展重心，大理州呈现以右下的凤仪/海东镇为基础的突出外延型扩展[28]。

3.3.2 紧凑度分析

文章采用城市紧凑度来反映城市空间形态。紧凑度越大的城市，城区形态越饱满、紧凑，趋于闭合圆形。圆是一种形态最紧凑的图形，其紧凑度为1；如果是狭长形状，其值远小于1。城市紧凑度结合城市形态发现：当城市处于快速发展阶段，紧凑度下降；当城市不再外延扩展转为内部改造、填充发展时，紧凑度上升。本文的紧凑度分析将分析粒度细化至城市斑块群，对于多组团城市，选取中心斑块群进行分析，共计选取分析了云南省16 个中心斑块群（昆明市主城区斑块群，含五华区、盘龙区、官渡区、西山区、呈贡区；玉溪市红塔区斑块）的空间形态和结构变化。

通过城市紧凑度分级图（图5）可看出，云南省的城市紧凑度空间格局呈现出西高东低的特征，而时间进程上表现为西南部地区先降后升，东部地区逐渐提升的趋势。具体来看，西部地区所包括的迪庆州、保山市、德宏州以及西南部地区的临沧市、普洱市、西双版纳州以及红河州，城市平均紧凑度较高，而位于中部及东北部的昆明市、玉溪市、曲靖市及昭通市普遍偏低，这与区域经济发展水平的格局基本一致。变化趋势上，在2000-2010 年阶段，城市紧凑度普遍降低，结合城市扩展类型发现，该阶段城市普遍以外延型扩展，城市空间形态日趋复杂，以趋于不稳定的状态发展，城市形态变得不规则，紧凑度降低，比较典型的是西部及西南部的城市；中部区域呈现以填充型为主，紧凑度上升。2011-2017 年阶段，城市扩展特征为在前一时期大范围的扩张基础上进行填充补实，城市形态变化趋向稳定，城市紧凑度稍有增加。西北部城市扩展仍以外延型为主，紧凑度呈现降低的趋势。

图5 城市紧凑度分级图

4 结论与讨论

文章以云南省16 个地级城市为监测对象，分析了2000-2017 年的城市规模、扩展速度、扩展强度情况，同时引入城市用地增长弹性系数来衡量城市空间扩展协调性，并基于凸壳原理识别了2000-2010 年、2011-2017年两个阶段城市空间扩展模式，结合紧凑度指标来分析2000、2010、2017 年的城市空间形态及结构变化。

（1）2000-2017 年，云南省城区总面积扩展明显。2000 年云南省城区总面积为265.97 km2，至2017 年城区总面积为926.73 km2，增加了660.76 km2，2017 年城区面积是2000 年城区面积的3.48 倍。

（2）云南省城市发展受地形影响较大，地级城市间扩展速率和强度悬殊差异大。2000-2017 年，城市扩展速率最大的是昆明市，为19.98 km2/年，城市扩展速率最小的是怒江州，为0.02 km2/年；从扩展强度来看，扩展强度最大的是西双版纳州，为21.88%，扩展强度最小的是迪庆州，为6.68%。

（3）城市用地增长弹性系数远超最优值1.12。表明城市用地的扩展远大于城市人口的增长，出现了城市增长速度与人口增长速度之间的不协调；城市用地增长过快，城市集约程度较低，造成土地利用效益低。

（4）从城市增长模式来看，2000-2010 年，云南省基本处于外延型扩展模式，城区用地呈现外缘开拓；2011-2017 年，城市扩展模式逐渐转为填充型扩展。云南省近20 年来城市斑块紧凑度总体来说呈现下降趋势，说明城市形态在2000 年的趋于圆形、闭合形态向狭长、复杂形态转变，城市发展快速。

（5）云南省的城市紧凑度空间格局呈现出西高东低的特征。在2000-2010 年阶段，城市趋于不稳定状态发展，城市形态变得不规则，紧凑度降低；2011-2017年阶段，城市扩展特征为归并填充补实，城市形态变化趋向稳定，城市紧凑度稍有增加。

本研究将继续深入关注引起城市扩展特征的成因，发现城市扩展的规律，从政策导向、地形制约、经济发展、生态保护等方面加以情景模拟。探讨在增强城市生态服务功能的基础上，加强城市土地集约利用效应，合理地对驱动因素进行引导和更新，规划城市的紧凑发展路线，优化区域景观空间结构，避免城市的无序扩张和蔓延，使城市在持续发展与生态环境保护之间达到平衡。