環(huán)渤海城鎮(zhèn)建成區(qū)時空動態(tài)特征分析

吳 莉，侯西勇，于良巨，邸向紅

(1.中國科學院 煙臺海岸帶研究所，山東 煙臺264003;2.中國科學院研究生院，北京100049;3.杜克大學尼古拉斯環(huán)境學院，達勒姆，27708，美國)

0 引言

1978年改革開放以來，中國經濟持續(xù)快速的發(fā)展促進了快速的城鎮(zhèn)化過程。城鎮(zhèn)化所伴生的大規(guī)模土地利用/覆蓋變化已經成為一種典型的人地系統(tǒng)相互作用過程，其結果是城市用地的空間擴展［1］，并引起耕地及生態(tài)用地隨之轉變［2］，進而對生態(tài)環(huán)境產生影響［3］。城鎮(zhèn)用地擴展作為城鎮(zhèn)化最明顯的空間表現(xiàn)，可以在很大程度上反映區(qū)域城鎮(zhèn)化的進程特征及空間組織特征。目前，田光進［2］、李麗［4］和卓莉［5］等人已在全國尺度上對城鎮(zhèn)的擴展進行研究。在區(qū)域尺度上，張文忠等揭示了珠江三角洲城鎮(zhèn)擴展強度與城鎮(zhèn)化發(fā)展水平的關系，并分析了城鎮(zhèn)用地擴展的空間格局特征［6］;李加林等在增長極理論和點軸理論的基礎上構建了“城市生長極核”和“城市生長極帶”模型，探討了長江三角洲區(qū)域的城市空間生長過程［7］;王磊等采用空間自相關等方法分析了長江三角洲城市擴展的集聚特征及演化過程［8］。對于單個城市擴展的研究主要集中在城鎮(zhèn)化水平較高或較為典型的城市，如，北京［9］、上海［1，10］、深圳［11］、大連［12］等。

近年來，對環(huán)渤海區(qū)域的研究主要集中在區(qū)域土地利用變化、驅動力以及其生態(tài)環(huán)境效應［13－15］，而針對該區(qū)域城鎮(zhèn)用地擴展進行的研究較少［16］。本研究以環(huán)渤海區(qū)域為研究區(qū)，基于20世紀70年代末期、1990、2000、2005、2010年的遙感影像，提取城鎮(zhèn)建成區(qū)的空間圖形信息，分析該區(qū)域在改革開放以來城鎮(zhèn)擴展的時空動態(tài)特征，為該地區(qū)城市規(guī)劃執(zhí)行和合理變更提供科學依據(jù)，促進環(huán)渤海區(qū)域城鎮(zhèn)的協(xié)調發(fā)展。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

環(huán)渤海區(qū)域是指環(huán)繞渤海的遼寧、河北、山東、北京和天津，面積約51萬km2。該區(qū)域位于中國沿太平洋西岸的北部，在中國對外開放的沿海發(fā)展戰(zhàn)略中占重要地位，是繼珠江三角洲和長江三角洲之后中國經濟增長的第三極，城鎮(zhèn)化進程較快，其中，京津冀城市群、遼中南城市群和膠東半島城市群發(fā)展尤為迅速。

1.2 信息源與建成區(qū)提取

基于20世紀70年代末期的Landsat MSS和1990，2000，2005和2010年的TM/ETM+影像，主要采用目視解譯的方法提取不同時相的城鎮(zhèn)建成區(qū)空間信息，各時相均提取出318個城鎮(zhèn)斑塊。按照行政等級將城鎮(zhèn)分為4類:省會和副省級及以上城市(以下簡稱特大城市)7個，地級市37個，縣級市70個，縣城204個。

2 研究方法

2.1 動態(tài)度

單一土地利用類型動態(tài)度反映某研究區(qū)一定時間范圍內某種土地利用類型數(shù)量變化情況，其表達式為［17］:

式中:K為研究時段內城鎮(zhèn)建成區(qū)的擴展動態(tài)度;Ua，Ub分別為研究期初及期末城鎮(zhèn)建成區(qū)的面積;T為研究時段(一般以年為單位)。

2.2 擴展強度

城鎮(zhèn)擴展強度表征某空間單元研究時期內城鎮(zhèn)建成區(qū)的擴展面積占其土地總面積的百分比［9］，其實質就是用研究區(qū)的土地面積來對城市建成區(qū)年均擴展速度進行標準化處理，消除不同空間單元土地總面積不等的影響。計算公式為:

式中:S為城鎮(zhèn)擴展強度;A為研究單元土地總面積。

2.3 空間自相關

空間自相關是檢驗一個區(qū)域單元上的某種地理現(xiàn)象或觀測值與其相鄰空間單元上同一現(xiàn)象或觀測值是否顯著相關聯(lián)的常用指標，可使用全局和局部兩種不同等級的指標來度量。

Moran’s I指數(shù)是一種應用非常廣泛的全局空間自相關統(tǒng)計量，公式如下［18］:

式中:n為研究區(qū)內空間單元的總數(shù);xi和xj分別代表第i個和第j個空間單元上的觀測值;是觀測值的平均值;wij是空間權重;S0是空間權重矩陣wij中所有元素之和。本研究采用鄰接標準構建空間權重矩陣。

Moran’s I指數(shù)取值在－1～1之間。在給定顯著性水平下，當Moran’s I指數(shù)顯著且為正時，表明觀測值之間顯著正相關，相似屬性聚集在一起，呈現(xiàn)高高集聚和低低集聚分布格局;當Moran’s I指數(shù)顯著且為負時，表示觀測值之間存在顯著負相關，呈空間分散格局;當Moran’s I指數(shù)接近于0，表明不存在空間自相關，觀測值在空間上隨機分布。

全局空間關聯(lián)指數(shù)僅使用一個單一值來反映整體上的自相關，難以探測不同位置局部區(qū)域的空間關聯(lián)模式。Anselin L［19］提出局部莫蘭指數(shù)(LISA)來檢驗局部地區(qū)是否存在相似或相異的觀測值聚集在一起。在空間位置i上，局部Moran’s Ii統(tǒng)計量定義如下:

式中:zi和zj是觀測值的均值標準化;空間權重矩陣單元wij采用行標準化形式。在顯著性水平下，當Ii和zi均為正時，表示位置i處的觀測值和它周圍的觀測值均為高值區(qū)，即高高集聚(HH);當Ii為正，zi為負時，表示位置i處的觀測值和它周圍的觀測值均為低值區(qū)，即低低集聚(LL);當Ii為負，zi為正時，表示位置i處的觀測值大于它周圍的觀測值，即高低集聚(HL);當Ii為負，zi為負時，表示位置i處的觀測值小于它周圍的觀測值，即低高集聚(LH)。

3 城鎮(zhèn)擴展的過程特征

3.1 面積增長及擴展速度

20世紀70年代末環(huán)渤海區(qū)域城鎮(zhèn)總建成區(qū)面積約為2 160 km2，其中，建成區(qū)面積大于100 km2的僅有北京、天津、沈陽和濟南4個城市。而截止2010年，環(huán)渤海區(qū)域城鎮(zhèn)建成區(qū)總面積約為10 652 km2，建成區(qū)面積在100 km2以上的城市達到15個。北京市擴展尤為明顯，建成區(qū)面積已達到1 381 km2，擴展面積為1 104 km2。

從表1可以看出，1980—2010年間環(huán)渤海區(qū)域城鎮(zhèn)總體的年均擴展速度先增加后下降。1980—2005年，各類城鎮(zhèn)除了地級市1990—2000年間年均擴展速度較前一時段下降約2 km2·a－1外，其余均不斷增加。2005年后，特大城市和地級市擴展速度下降，而縣級市和縣城的擴展速度仍然保持增加。1980—1990年間，年均擴展速度最大、對城鎮(zhèn)總體建成區(qū)擴展貢獻率也最大的城鎮(zhèn)類型為地級市;1990—2005年為特大城市;2005—2010年則為縣城。

表1 1980—2010年環(huán)渤海城鎮(zhèn)建成區(qū)面積及擴展速度Tab.1 Area and growth speed of urban land use in the CBR from 1980 to 2010

3.2 動態(tài)度和擴展強度

動態(tài)度反映了城鎮(zhèn)相對于自身的發(fā)展水平。由于城鎮(zhèn)建設用地面積比重在一定程度上可以反映城鎮(zhèn)化發(fā)育水平的差異，因此，擴展強度可用來表示城鎮(zhèn)化進程快慢。根據(jù)公式(1)和公式(2)分別計算318個城鎮(zhèn)個體以及 4類城鎮(zhèn)在 1980—1990，1990—2000，2000—2005和2005—2010年的動態(tài)度和擴展強度。

3.2.1 動態(tài)度和擴展強度的統(tǒng)計特征。318個城鎮(zhèn)的動態(tài)度的均值在4個時段內不斷減少，而擴展強度的均值不斷增加(表2)。城鎮(zhèn)擴展動態(tài)度和擴展強度均表現(xiàn)為中值小于均值，偏度系數(shù)和峰度系數(shù)值大于0，說明環(huán)渤海區(qū)域城鎮(zhèn)群體擴展動態(tài)度和擴展強度頻率分布形態(tài)為右偏態(tài)尖峰分布，數(shù)據(jù)分布呈集中性和離群性特征。而擴展強度的峰度系數(shù)值遠大于同時期擴展動態(tài)度的峰度系數(shù)，表明較擴展動態(tài)度而言區(qū)域城鎮(zhèn)群體擴展強度呈現(xiàn)為較明顯尖峰分布，分布的集中性更明顯。

表2 1980—2010年環(huán)渤海城鎮(zhèn)群體擴展的動態(tài)度和擴展強度統(tǒng)計特征Tab.2 Statistical characteristics of growth intensity and dynamic degree of urban expansion in the CBR during 1980—2010

3.2.2 不同類型城鎮(zhèn)的擴展動態(tài)度和擴展強度變化特征。由表3可看出，環(huán)渤海區(qū)域城鎮(zhèn)總體的擴展動態(tài)度可大致劃分為2個階段:1980—1990年，城鎮(zhèn)擴展動態(tài)度較高，為10.09%;1990年以后，城鎮(zhèn)擴展動態(tài)度大幅度降低。不同城鎮(zhèn)類型在4個時段內擴展動態(tài)度均呈不斷下降的趨勢。1980—2005年各類城鎮(zhèn)之間的差異趨于減少，2005年之后各類型之間差異擴大?？h級市和縣城在4個時期內的擴展動態(tài)度高于特大城市和地級市。4個時段內區(qū)域城鎮(zhèn)總體的擴展強度緩慢上升，由1980—1990年間的 0.04上升到 2005—2010年間的0.07。1980—2005年間，各類型城鎮(zhèn)擴展強度不斷增加。特大城市的擴展強度及其增長態(tài)勢尤為顯著，其次是地級市，而縣級市和縣城之間則差異微小，并遠遠落后于特大城市和地級市。2005年以后特大城市和地級市的擴展強度有所下降，但仍然遠大于縣級市和縣城的擴展強度。

表3 1980—2010年環(huán)渤海區(qū)域不同類型城鎮(zhèn)擴展動態(tài)度、擴展強度變化Tab.3 Dynamic degrees and growth intensities of different_type urban in the CBR from 1980 to 2010

4 城鎮(zhèn)擴展的空間格局

以2010年環(huán)渤海區(qū)域縣域行政區(qū)劃為基本分析單元，分別將各城鎮(zhèn)4個時段的擴展動態(tài)度和擴展強度空間化，并計算全局Moran’s I指數(shù)和局部 Moran’sIi，探索環(huán)渤海區(qū)域城鎮(zhèn)群體擴展的空間格局特征。

4.1 擴展動態(tài)度的空間格局演化

4 個時段(1980—1990，1990—2000，2000—2005，2005—2010年)城鎮(zhèn)用地擴展動態(tài)度的全局Moran’s I指數(shù)分別為 0.10，0.22，0.14，0.24，且通過正態(tài)分布顯著性檢驗。這說明環(huán)渤海區(qū)域城鎮(zhèn)群體擴展動態(tài)度在總體上表現(xiàn)出空間集聚特征，但集聚程度有所不同，2005—2010年聚集程度最高。進一步計算局部Moran’sIi測度城鎮(zhèn)i和其相鄰城鎮(zhèn)的擴展動態(tài)度之間的相關性，并將HH，LL，HL，LH 4種空間集聚模式表現(xiàn)在Moran散點地圖上(圖1)，特征如下:(1)HH區(qū)是城鎮(zhèn)擴展動態(tài)度較大且正相關區(qū)域，該類型占區(qū)域總城鎮(zhèn)的20%左右。不同時段內，HH區(qū)在空間上的“跳躍”比較明顯，并呈現(xiàn)一定的沿著交通干線分布和變化的特征。1980—1990年，HH區(qū)主要位于遼寧東部山地丘陵區(qū)、遼寧中部縣城、保定市西部、唐山北部、煙威沿?？h市、濰坊—日照和臨沂部分縣市以及菏澤西部縣城等;1990—2000年，HH區(qū)較為集中地分布于京津冀內京廣線和京九線沿線及其所包圍的區(qū)域;2000—2005年，HH區(qū)分布較前一時期離散，主要集中在山東省膠濟鐵路沿線城鎮(zhèn)以及山東和河北交界處部分縣市;2005—2010年，HH區(qū)主要分布在沿海地區(qū)，如東營、濱州、營口和大連等。(2)4個時段內，HL區(qū)城鎮(zhèn)所占區(qū)域總城鎮(zhèn)的比重均不到20%，且空間分布較離散;LH區(qū)和LL區(qū)是主要的集聚類型，二者合計所占總城鎮(zhèn)的比重各時段均超過60%。

4.2 擴展強度的空間格局演化

圖1 1980—2010年間城鎮(zhèn)擴展動態(tài)度的Moran’s I散點地圖Fig.1 Moran’s I scatter maps of dynamic degrees of urban expansion during 1980—2010

全局空間自相關分析發(fā)現(xiàn)，4個時段內城鎮(zhèn)用地擴展強度在總體空間格局不存在顯著空間自相關。進一步計算擴展強度局部Moran’sIi，并表現(xiàn)在Moran散點地圖上(圖2)，分析如下:(1)擴展強度HH區(qū)城鎮(zhèn)數(shù)量較少，但不斷增加，4個時段內占總城鎮(zhèn)的比重分別為3.14%，6.29%，6.92% 和 7.86%。與擴展動態(tài)度空間格局中HH區(qū)的分布和演化不同，擴展強度的HH區(qū)多較為孤立地分布在大城市或者大城市的周圍地區(qū)，并表現(xiàn)出據(jù)點式的演化趨勢，例如，以天津市—廊坊市、即墨市為中心不斷向周圍擴展的HH區(qū)。而2005—2010年期間，已有的HH區(qū)趨于衰退，山東省東營市附近則形成新的HH區(qū)。(2)HL區(qū)所占的比重在15%左右波動變化。特大城市、地級市以及小部分擴展強度較大的縣級市和縣城共同構成了HL區(qū)，其中，地級市是HL區(qū)主要城鎮(zhèn)類型。HL區(qū)城鎮(zhèn)多為城鎮(zhèn)發(fā)展的區(qū)域中心，但尚未充分帶動周圍城鎮(zhèn)的發(fā)展。(3)LH區(qū)所占的比重在20%左右，主要呈環(huán)狀分布在HH區(qū)和HL區(qū)的外圍。LL區(qū)所占的比重在60%左右，為區(qū)域城鎮(zhèn)擴展強度集聚的主要類型，這表明環(huán)渤海區(qū)域半數(shù)以上的城鎮(zhèn)的擴展強度尚處在低水平的均衡狀態(tài)。

5 結論與討論

20世紀70年代末期以來，環(huán)渤海區(qū)域城鎮(zhèn)化進程不斷加快。小城鎮(zhèn)相對于自身的發(fā)展速度較快。在城鎮(zhèn)發(fā)展的空間格局上，相對發(fā)展速度較快的城鎮(zhèn)不同時段內的轉移比較明顯，并呈現(xiàn)一定的沿著交通干線分布和變化的特征;城鎮(zhèn)的行政等級越高，城鎮(zhèn)化水平提高的速度越快，隨時間變化各等級之間差異就不斷加大。城鎮(zhèn)化水平提高速度較快的高值集聚區(qū)在京津冀和山東均有分布并呈據(jù)點式的演化趨勢，而遼寧省內尚未有穩(wěn)步發(fā)展的高值區(qū)。

圖2 1980—2010年間城鎮(zhèn)擴展強度的Moran’s I散點地圖Fig.2 Moran’s I scatter maps of growth intensities of urban expansion during 1980—2010

與長江三角洲［7］和珠江三角洲地區(qū)［6］相比，環(huán)渤海區(qū)域城鎮(zhèn)用地擴展動態(tài)度和擴展強度均較低，城鎮(zhèn)擴展的空間組織性較差。通過研究，認為環(huán)渤海區(qū)域城鎮(zhèn)體系在未來的發(fā)展中除了加快城鎮(zhèn)化速度外，還應加強對區(qū)域城鎮(zhèn)體系組織結構特征的研究及其優(yōu)化管理。跨省的區(qū)域性中心城市和副中心城市的培養(yǎng)是重點之一，應繼續(xù)充分發(fā)揮其對周邊地區(qū)的輻射帶動作用;以較有實力的地級市為代表的次一級中心城市的培育和發(fā)展應該成為另一個重點;在城鎮(zhèn)體系歷史演進的基礎上，充分重視發(fā)揮交通干線對區(qū)域城鎮(zhèn)空間發(fā)展的帶動作用，通過進一步培育和強化區(qū)域城鎮(zhèn)化的空間發(fā)展軸線達到逐漸優(yōu)化和提升環(huán)渤海區(qū)域城鎮(zhèn)化水平的目標。

［1］趙晶，陳華根，許惠平.20世紀下半葉上海市居住用地擴展模式、強度及空間分異特征［J］.自然資源學報，2005，20(3):400 －406.

［2］田光進，莊大方.90年代中國城鎮(zhèn)用地動態(tài)變化的遙感監(jiān)測［J］.資源科學，2003，25(3):77－82.

［3］萬利，陳佑啟，譚靖，等.土地利用變化對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響——以北京市為例［J］.地域研究與開發(fā)，2009，28(4):94 －99，109.

［4］李麗，遲耀斌，王智勇，等.改革開放30年來中國主要城市擴展時空動態(tài)變化研究［J］.自然資源學報，2009，24(11):1933 －1943.

［5］卓莉，李強，史培軍，等.基于夜間燈光數(shù)據(jù)的中國城市用地擴展類型［J］.地理學報，2006，61(2):169－178.

［6］張文忠，王傳勝，薛東前.珠江三角洲城鎮(zhèn)用地擴展的城市化背景研究［J］.自然資源學報，2003，18(5):575－582.

［7］李加林，許繼琴，李偉芳，等.長江三角洲地區(qū)城市用地增長的時空特征分析［J］.地理學報，2007，62(4):437－447.

［8］王磊，段學軍.長江三角洲地區(qū)城市空間擴展研究［J］.地理科學，2010，30(5):702 －709.

［9］劉盛和，吳傳鈞，沈洪泉.基于GIS的北京城市土地利用擴展模式［J］.地理學報，2000，55(4):407－416.

［10］李曉文，方精云，樸世龍.上海城市用地擴展強度、模式及其空間分異特征［J］.自然資源學報，2003，18(4):412－422.

［11］史培軍，陳晉，潘耀忠.深圳市土地利用變化機制分析［J］.地理學報，2000，55(2):151－160.

［12］姚秀利，王紅揚.近百年來大連城市空間演變還原與模擬［J］.地域研究與開發(fā)，2009，28(4):24－28，66.

［13］Zhu Huiyi，Li Xiubin，He Shujin，et al.Land Use Change in Bohai Rim:A Spatial-temporal Analysis［J］.Journal of Geographical Sciences，2001，11(3):305 －312.

［14］朱會義，何書金，張明.環(huán)渤海地區(qū)土地利用變化的驅動力分析［J］.地理研究，2001，20(6):669－678.

［15］郭麗英，王道龍，邱建軍.環(huán)渤海區(qū)域土地利用景觀格局變化分析［J］.資源學報，2009，31(12):2144－2149.

［16］何春陽，李景剛，陳晉，等.基于夜間燈光數(shù)據(jù)的環(huán)渤海地區(qū)城鎮(zhèn)化過程［J］.地理學報，2005，60(3):409－417.

［17］王秀蘭，包玉海.土地利用動態(tài)變化研究方法探討［J］.地理科學進展，1999，18(1):81 －87.

［18］Cliff A D，Ord J K.Spatial Processes，Models and Applications［M］.London:Pion，1981.

［19］Anselin L.Local Indicators of Spatial Association:LISA［J］.Geographical Analysis，1995，27:93 －115.