基于地理國情數(shù)據(jù)的天津濱海新區(qū)建成區(qū)動態(tài)監(jiān)測

吳正鵬，隋克林，楊媛

(天津市測繪院，天津 300381)

基于地理國情數(shù)據(jù)的天津濱海新區(qū)建成區(qū)動態(tài)監(jiān)測

吳正鵬*，隋克林，楊媛

(天津市測繪院，天津 300381)

以天津濱海新區(qū)地理國情數(shù)據(jù)、遙感影像為數(shù)據(jù)源，提取2004年～2015年間8期建成區(qū)信息，結(jié)合建設(shè)用地、社會經(jīng)濟等數(shù)據(jù)利用相關(guān)模型分析城市建成區(qū)形態(tài)演變特征和規(guī)律，揭示建成區(qū)擴張驅(qū)動力，為城市發(fā)展提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支持。

建成區(qū)；地理國情；動態(tài)監(jiān)測；天津濱海新區(qū)

1 引 言

為充分發(fā)揮地理國情普查成果服務(wù)國家部門需求，國家發(fā)展和改革委員會與國家測繪地理信息局簽署協(xié)議：基于地理國情普查成果，開展國家級新區(qū)建設(shè)變化監(jiān)測。通過監(jiān)測，全面掌握新區(qū)地理國情信息，為制定新區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略與發(fā)展規(guī)劃、調(diào)整經(jīng)濟結(jié)構(gòu)布局、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式、推動經(jīng)濟社會科學(xué)發(fā)展的提供獨立、客觀和現(xiàn)勢的參考信息和數(shù)據(jù)；為相關(guān)部門的專項監(jiān)測提供基礎(chǔ)；為新區(qū)監(jiān)管提供建設(shè)變化信息；是科學(xué)管理的必要支撐手段?！冻鞘幸?guī)劃基本術(shù)語》規(guī)定，“城市建成區(qū)(urban build-up area)是指城市行政區(qū)內(nèi)實際已成片開發(fā)建設(shè)、市政公用設(shè)施和公共設(shè)施基本具備的地區(qū)?！背鞘薪ǔ蓞^(qū)的動態(tài)擴張是新區(qū)建設(shè)發(fā)展變化的最直觀體現(xiàn)。本文約定，建成區(qū)由天津濱海新區(qū)范圍內(nèi)實際已開發(fā)利用的建設(shè)用地組成，主要包括成片區(qū)域及與之密切聯(lián)系的飛地型片區(qū)共同組成的單個或多個核心區(qū)，及分散在郊區(qū)獨立的單個或多個飛地型片區(qū)。

2 天津濱海新區(qū)概況

天津濱海新區(qū)是天津市下轄的副省級區(qū)、國家級新區(qū)和國家綜合配套改革試驗區(qū)；地處天津市東部沿海地區(qū)，地理位置約為東經(jīng)117°20′～118°00′、北緯38°40′～39°00′。其規(guī)劃功能定位為：依托京津冀、服務(wù)環(huán)渤海、輻射“三北”、面向東北亞，努力建設(shè)成為中國北方對外開放的門戶、高水平的現(xiàn)代制造業(yè)和研發(fā)轉(zhuǎn)化基地、北方國際航運中心和國際物流中心，逐步成為經(jīng)濟繁榮、社會和諧、環(huán)境優(yōu)美的宜居生態(tài)型新城區(qū)。

3 建成區(qū)動態(tài)監(jiān)測技術(shù)方案

為了能準(zhǔn)確反映天津濱海新區(qū)設(shè)立前后建成區(qū)范圍的持續(xù)變化情況，從城市規(guī)劃建設(shè)角度分析其擴張驅(qū)動力。首先，基于2015年高分辨率遙感影像、天津濱海新區(qū)地理國情普查地表覆蓋及專題要素數(shù)據(jù)(如：道路，居住小區(qū)、工礦企業(yè)、單位院落、休閑娛樂、景區(qū)、體育活動場所、宗教場所等城鎮(zhèn)綜合功能單元)，結(jié)合《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50137-2011)相關(guān)技術(shù)要求及內(nèi)容指標(biāo)經(jīng)影像解譯、數(shù)據(jù)整合，形成建設(shè)用地及建成區(qū)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。再者，采用“逆序倒推”的作業(yè)思路，基于相關(guān)年份遙感影像，通過影像變化檢測、人工解譯，依次采集2004年～2014年建成區(qū)界線。從而形成8期濱海新區(qū)建成區(qū)范圍變化監(jiān)測數(shù)據(jù)集，為分析不同時期建成區(qū)的面積變化、形態(tài)特征和空間演化規(guī)律提供數(shù)據(jù)支撐。

4 建成區(qū)擴張統(tǒng)計分析

4.1 建成區(qū)擴張面積

天津濱海新區(qū)建成區(qū)呈“多中心、多組團”的空間分布特征。2004年～2015年間，塘沽、漢沽、大港城區(qū)周邊基礎(chǔ)配套日益完善，臨空產(chǎn)業(yè)區(qū)、中新天津生態(tài)城、臨港工業(yè)區(qū)、海港物流區(qū)及濱海高新區(qū)等規(guī)劃產(chǎn)業(yè)功能區(qū)實施建設(shè)并投入使用，新區(qū)建成區(qū)范圍有序擴張，總面積達到 404.49 km2，為2004年建成區(qū)面積(181.89 km2)的2.2倍。

4.2 建成區(qū)擴張速率

建成區(qū)擴張速率表示單位時間內(nèi)建成區(qū)面積變化的幅度，其計算公式為：

式中：Sa，Sb分別表示各監(jiān)測起始和結(jié)束時段建設(shè)用地的面積；T為監(jiān)測時段長度，時間步長設(shè)定為年；RT年均變化率。

2004年～2015年，濱海新區(qū)建成區(qū)面積及年均擴張面積、擴張速率情況如圖1所示。擴張速率及年均擴張面積總體呈“先升后降”的特點，變化趨勢基本同步；在2012年～2013年達到峰值，年均擴張面積為 37.29 km2，擴張速率高達10.95%；2013年后有所回落、趨于平緩，2014年～2015年，年均擴張面積為 12.07 km2，擴展速率降為3.07%。

圖1 建成區(qū)面積及擴張速率變化圖

4.3 建成區(qū)擴張空間特征

空間重心是描述地理對象空間分布位移的一個重要指標(biāo)，其動態(tài)變遷反映了空間要素分布的總體變化趨勢，天津濱海新區(qū)建成區(qū)空間重心坐標(biāo)變化情況如表1所示。對于多幾何單元的重心，其區(qū)域重心計算公式如下：

式中：M為第i個單元土地的面積；xi，yi為第i個單元的中心坐標(biāo)。

天津濱海新區(qū)建成區(qū)空間特征統(tǒng)計表 表1

圖2 天津濱海新區(qū)2004年～2015年建成區(qū)擴張方向示意圖

為了詳細(xì)分析天津濱海新區(qū)建成區(qū)空間擴張方向特征，采用等扇形分析法，以濱海新區(qū)實際用地范圍的重心為原點，將建成區(qū)劃分為8個方位(正東、正南、正西、正北、東北、東南、西北、西南)，空間疊加8期建成區(qū)范圍，計算各方位上新增建成區(qū)面積及其占比，從而反映建成區(qū)空間變化的方向差異。2004年～2015年，濱海新區(qū)建成區(qū)擴張方向如圖2所示。

從濱海新區(qū)建成區(qū)重心變化情況看，建成區(qū)向正北、東北方向拓展趨勢明顯。依據(jù)建成區(qū)變化相關(guān)信息統(tǒng)計結(jié)果，結(jié)合建成區(qū)擴張空間分布情況看：建成區(qū)擴張主要集中在東北、正北、正東、西北方向。其中東北方向占總面積的34.10%；正北方向占總面積的22.01%；正東方向占總面積的15.26%；西北方向占總面積的12.99%。受空間管制區(qū)規(guī)劃影響，為保護濱海南部基本農(nóng)田及北大港古泄湖與濕地保護區(qū)、錢圈水庫濕地保護與生態(tài)建設(shè)區(qū)，南部城市建設(shè)受到限制，建成區(qū)擴張速度整體偏慢。

4.4 建成區(qū)擴張形態(tài)分析

建成區(qū)形態(tài)變化，是建成區(qū)空間布局和結(jié)構(gòu)變化的綜合反映。利用空間緊湊度、空間形狀分維數(shù)等相關(guān)指數(shù)，對建成區(qū)空間形態(tài)及變化情況進行分析，可客觀揭示城市生長過程及其擴張規(guī)律。

(1)空間緊湊度

城市空間緊湊度是伴隨城市周期性擴張而變化的。本文空間緊湊度計算方法采用Batty在2001年提出的緊湊度計算公式：

式中：BCI為城市用地的緊湊度；A為建成區(qū)總面積；P為建成區(qū)周長。BCI的值在0～1之間時，值越大形狀越具有緊湊性；BCI值越接近1，形狀越有緊湊性，越接近于圓形(圓是一種形狀最緊湊的圖形)；反之，形狀緊湊度越差。

從整體情況看，濱海新區(qū)各年份建成區(qū)空間緊湊度數(shù)值普遍偏小。一方面，天津濱海新區(qū)由原塘沽區(qū)、漢沽區(qū)、大港區(qū)，東麗區(qū)部分街道共同構(gòu)成，成立之初即制定了“多組團、多中心、網(wǎng)絡(luò)化”共同發(fā)展的模式，使其空間緊湊度受到抑制；另一方面，受濱海新區(qū)“一軸、一帶、三城區(qū)”的城市空間布局及“南北生態(tài)”景觀格局、相對分散的新市鎮(zhèn)建設(shè)的影響，濱海新區(qū)整體空間緊湊度大大降低。

從建成區(qū)空間緊湊度變化趨勢看，2004年以來，濱海新區(qū)各年份空間緊湊度“前期逐年減小，后期趨于穩(wěn)定”。當(dāng)城市處于迅速擴張的發(fā)展階段時，緊湊度下降；當(dāng)城市轉(zhuǎn)化為內(nèi)部填充、改造發(fā)展階段時，緊湊度明顯上升。由濱海新區(qū)建成區(qū)變化情況可以看出，2004年～2013年間，建成區(qū)擴張速率穩(wěn)中有升，導(dǎo)致空間緊湊度下降；2013年后建成區(qū)擴張速率逐年遞減，空間緊湊度趨于穩(wěn)定。同時，城市空間利用效率越低，空間緊湊度就越小，反之亦然。結(jié)合城市建設(shè)面積及用地結(jié)構(gòu)變化情況看，2004年～2013年為濱海新區(qū)設(shè)立初期，建成區(qū)以較高的速率擴張，建設(shè)用地結(jié)構(gòu)偏重于工業(yè)用地、物流倉儲用地，二者占比之和接近45%，導(dǎo)致空間利用效率較低，空間緊湊度迅速下降；2013年～2015年間，綠地與廣場用地、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地、道路與交通設(shè)施用地比例大幅增長，城市配套日益完善，城市空間利用效率逐步提高，空間緊湊度趨于穩(wěn)定。

(2)分形維數(shù)

分形維數(shù)可以反映城市用地輪廓線的復(fù)雜曲折程度、用地破碎程度以及城市內(nèi)部空隙多少。通常利用周長、面積來衡量，計算公式如下：

St=21n(Pt/4)/1n(At)

式中，St為t時期城市斑塊的分形數(shù)；At，Pt分別是t時期城市斑塊的面積和周長。St的理論范圍在1～2之間，St值越大表示圖形形狀越復(fù)雜。當(dāng)St<1.5時，說明圖形趨向于簡單；當(dāng)St=1.5時，表示圖形處于布朗隨機運動狀態(tài)，越接近于該值，穩(wěn)定性越差；當(dāng)St>1.5時，則圖形更為復(fù)雜。

城市發(fā)展期，人類活動的有序狀態(tài)和無序狀態(tài)同時并存，無序狀態(tài)占主導(dǎo)地位；隨著城市人口、面積的不斷增加，城市結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，分形維數(shù)將隨之增大。當(dāng)城市發(fā)展趨于成熟時，逐漸由無序走向有序；隨著城市規(guī)模的不斷擴大，城市結(jié)構(gòu)趨于合理，分形維數(shù)趨于穩(wěn)定。由表1可知，2004年～2015年間，濱海新區(qū)處于快速發(fā)展階段、工業(yè)化程度較高，城市用地輪廓線的復(fù)雜曲折程度提升，分形維數(shù)逐年增大；2013年后，新區(qū)通過空間資源整合，建成區(qū)擴展速率大幅降低，用地破碎程度及城市內(nèi)部空隙得到有效控制，城市空間分形維數(shù)趨于穩(wěn)定。

5 建成區(qū)擴張驅(qū)動力分析

5.1 人口因素

人口是城市構(gòu)成要素中最活躍的因素，隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)進程的推進和外來人口的大量轉(zhuǎn)入，導(dǎo)致居住用地、道路與交通設(shè)施用地及公用設(shè)施用地等與民眾生活息息相關(guān)的用地面積大幅增加，建成區(qū)范圍擴張亦是必然。天津濱海新區(qū)成立以來，人口保持平穩(wěn)增長，2015年末，常住人口297.01萬人，為2005年的2.12倍；近十年間，居住用地面積增加約 22.37 km2，2015年現(xiàn)狀面積約為2006年的1.6倍。對建成區(qū)面積與人口數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)二者呈二次相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2為0.958。

5.2 經(jīng)濟增勢及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

強勁的經(jīng)濟增速及“二、三、一”的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)格局是影響建成區(qū)擴張的重要驅(qū)動力。2014年末，天津濱海新區(qū)GDP達8760.15億元，為2005年的5.36倍；經(jīng)濟增速在2010年達到最高峰，2011年后呈趨緩態(tài)勢。經(jīng)濟增長態(tài)勢帶動固定資產(chǎn)投資增加，致使城市建設(shè)用地及建成區(qū)擴張速度加快。結(jié)合GDP構(gòu)成情況看，濱海新區(qū)經(jīng)濟增長強勁勢頭來源于第二、第三產(chǎn)業(yè)的貢獻；近些年新區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)演替變化不大，第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值在濱海新區(qū)GDP中所占比重基本維持在三分之二的水平；直接表現(xiàn)為城市建設(shè)用地各類用地面積占比中工業(yè)用地和物流倉儲用地二者之和高達45%。對建成區(qū)面積與GDP進行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)二者呈指數(shù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2為0.985。

5.3 人居環(huán)境提升

天津濱海新區(qū)功能定位中明確了“逐步成為經(jīng)濟繁榮、社會和諧、環(huán)境優(yōu)美的宜居生態(tài)型新城區(qū)”的建設(shè)目標(biāo)。近些年來，綠地與廣場用地、道路與交通設(shè)施用地及公用設(shè)施用地(醫(yī)療、教育、文體)等與人居環(huán)境相關(guān)的建設(shè)用地面積及其占比均有所增加，綠地與廣場用地尤為明顯。這說明伴隨著人口向城市遷移，人居環(huán)境逐步改善，城市規(guī)劃建設(shè)對交通、綠化、醫(yī)療、教育、文體、市政等基礎(chǔ)設(shè)施用地的要求越來越高，從而促使城市建成區(qū)面積的快速擴張。

5.4 城市功能定位及空間結(jié)構(gòu)

依據(jù)城市功能定位，其目標(biāo)是將天津濱海新區(qū)建設(shè)成為“中國北方對外開放的門戶、高水平的現(xiàn)代制造業(yè)和研發(fā)轉(zhuǎn)化基地、北方國際航運中心和國際物流中心，逐步成為經(jīng)濟繁榮、社會和諧、環(huán)境優(yōu)美的宜居生態(tài)型新城區(qū)”。依托環(huán)渤海地區(qū)京津發(fā)展主軸和天津市域發(fā)展主軸、東部濱海發(fā)展帶，2005版“城總規(guī)”提出了“一軸、一帶、三城區(qū)、七功能區(qū)”的城市空間結(jié)構(gòu)；2009版“城總規(guī)”結(jié)合新區(qū)布局模式，整合各城區(qū)和功能區(qū)，形成“一城、三片、兩港”的城市空間結(jié)構(gòu)。將新區(qū)建成區(qū)數(shù)據(jù)分別與2005版、2009版“城市總體規(guī)劃”城市空間結(jié)構(gòu)圖進行疊加分析可知：受規(guī)劃引導(dǎo)，濱海新區(qū)近十年來的城市發(fā)展及建成區(qū)拓展方向主要分布在“沿海河和京津塘高速公路的城市發(fā)展主軸”及“沿海城市發(fā)展帶”上。

6 結(jié) 語

城市建成區(qū)擴張是地理國情變化監(jiān)測的重要組成部分。本文基于地理國情普查數(shù)據(jù)，多期歷史遙感影像，結(jié)合同時期社會經(jīng)濟、人文數(shù)據(jù)，從地理空間角度分析天津濱海新區(qū)建成區(qū)變化趨勢。監(jiān)測結(jié)果表明：濱海新區(qū)自設(shè)立以來，受人口規(guī)模、經(jīng)濟增速及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、城市功能定位和空間結(jié)構(gòu)、人居環(huán)境提升等因素影響，城市建成區(qū)保持著較高的擴張速率。建成區(qū)重心位置發(fā)生明顯變化，向正北、東北方向擴張趨勢明顯；建成區(qū)空間緊湊度伴隨城市擴張而變化，其各監(jiān)測年份數(shù)值普遍偏小且監(jiān)測“前期逐年減小，后期趨于穩(wěn)定”；空間形狀分維數(shù)逐年增大，城市用地邊界及結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜；受規(guī)劃引導(dǎo)，城市建成區(qū)擴張方位呈現(xiàn)明顯的空間特征和方向性；與人居環(huán)境相關(guān)的建設(shè)用地面積及其占比均有所增加，區(qū)域生態(tài)景觀建設(shè)效果顯著?？傮w來看，高速外拓式的城市發(fā)展趨勢是天津濱海新區(qū)建成區(qū)擴張的主要特征。

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Tianjin Binhai New District Built-up Area Dynamic Monitoring Based on GeographicalConditions Data

Wu Zhengpeng，Sui Kelin，Yang Yuan

(Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China)

Using the geographical conditions data，remote sensing image as the data source，extract eight built-up area information from 2004 to 2015 of Tianjin Binhai New District. Make use of model to analyze the morphological characteristics and laws，reveal built-up area expansion drive combined with construction land and socio-economic data. Provide technical and data support for urban development.

built-up area；geographical conditions；dynamic monitoring；Tianjin Binhai New District

1672-8262(2016)06-14-04

P208.1

B

2016—04—13

吳正鵬(1981—)，男，碩士，注冊測繪師，高級工程師，主要從事攝影測量與遙感數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用研究工作。