哈大齊工業(yè)走廊城市建設用地擴張研究

郭晶鵬,趙映慧,路中,諶慧倩,項亞楠,趙旭朦,毛克彪,*

1.東北農業(yè)大學資源與環(huán)境學院,哈爾濱 150030 2.中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所,北京 100081

1 前言

振興東北戰(zhàn)略2003年提出,隨即黑龍江等省提出一系列開發(fā)政策,建設哈大齊工業(yè)走廊是黑龍江省的一項重大決策。2016年4月26日《中共中央國務院關于全面振興東北等老工業(yè)基地的若干意見》正式發(fā)布,提出2030年實現(xiàn)全面振興。哈大齊工業(yè)走廊等區(qū)域必將迎來新一輪開發(fā)建設熱潮,建設用地擴張也將提速。

目前國內學者對城市建設用地擴張研究取得了豐碩的成果,隨著圖形學、空間統(tǒng)計學、“3S”技術的不斷完善,城市建設用地研究主要集中在城市建設用地擴張?zhí)卣餮芯?、驅動機制及預測研究、擴張效應研究等方面[1–6]。首先,有關城市建設用地擴張?zhí)卣餮芯?視角不同則呈現(xiàn)不同的擴張速度、擴張模式與空間特征[7–10];劉紀元等基于全國城市功能分區(qū)進行空間特征遙感分析,認為2000—2010年重點開發(fā)區(qū)城鄉(xiāng)建設用地以西部、東北地區(qū)增長最為劇烈[11];童陸億等對中國主要城市擴張?zhí)卣鬟M行綜合研究表明近年城市擴張集中在東、中部地區(qū)[12];曹銀貴等運用聚類分析法和判別分析法,研究中國東部地區(qū)87個城市的建設用地變化規(guī)律[13];蔣金亮等采用RS、GIS與景觀生態(tài)分析相結合的方法,研究了長江沿岸寧漢渝3市近30年城市建設用地時空演化特征[14]。其次,關于驅動機制與預測的相關研究,很多學者主要采用空間統(tǒng)計學、凸殼理論、人工神經網絡、馬爾科夫鏈等方法,結合“3S”技術,研究城市建設用地擴張數(shù)量、空間特征及驅動機理[15–22];劉盛和將驅動機制分為自然機制、社會價值機制、動力因素、市場機制、政治權利機制5大類[23];鄧勝華等基于通徑分析將驅動因素分為內因與外因,揭示了武漢市建設用地擴張機理[24];黃曉軍等從經濟發(fā)展、人口增長、交通設施、城市規(guī)劃等方面分析了長春市城市蔓延機理[25];孫平軍等基于“流”視角研究了長春市蔓延機理[26]。最后,目前對于城市擴張帶來的附加效應研究取得了一定進展,其主要呈現(xiàn)在城市擴張對經濟、社會、生態(tài)三方面的影響[26–29];閆梅等研究認為耕地減少的主要原因是建設用地的擴張需求旺盛,揭示了糧食減產受建設用地擴張的導向作用[27]。綜上,城市建設用地擴張研究主要以城市為基本單元,很少研究開發(fā)建設關聯(lián)密切的城市組群。

哈大齊工業(yè)走廊位于中國黑龍江省西南部,是一座規(guī)劃建設用地總面積為837.1km2的工業(yè)經濟區(qū),介于 45°30′—47°52′N,123°33′—126°38′E 之間。工業(yè)走廊既是工業(yè)開發(fā)區(qū),又是由哈爾濱、大慶、齊齊哈爾、安達、肇東5個城市共同構成的城市組群,工業(yè)走廊的開發(fā)建設勢必會推動城市建設用地的擴張。本文以哈大齊工業(yè)走廊沿線城市為研究對象,分析哈大齊工業(yè)走廊不同時期走廊各城市主城區(qū)建設用地擴張的時空特征,并探討建設用地擴張機理,以期為哈大齊工業(yè)走廊遠期建設和東北全面振興提供參考。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究選取的數(shù)據(jù)包括來源于哈大齊工業(yè)走廊5個城市2000、2005、2010、2015年4個時間節(jié)點的Landsat的遙感影像,依托ENVI、ArcGIS、91衛(wèi)圖技術處理5個城市的4期城市建設用地數(shù)據(jù),利用谷歌地球同期高分辨率影像進行目視解譯校正,并結合《中國城市統(tǒng)計年鑒》的城市建設用地統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行驗證,使得監(jiān)督分類結果精度達到92%以上。本研究中哈爾濱市不包括阿城區(qū)和雙城區(qū)。

2.2 測度指標

(1)擴張強度和速度指數(shù)

式中:UAi為i時期城市建設用地面積,n為時間間隔,Un+i為i+n時期的城市建設用地面積S、Q分別為擴張速度、擴張強度指數(shù),分別反映某個城市建設用地年擴張速度、較上年面積的擴張率。

(2)緊湊度

式中:C為緊湊度指數(shù),UA為城市主城區(qū)建設用地面積,P為城市主城區(qū)輪廓周長;緊湊度值介于(0,1]之間,值越大說明城市擴展越緊湊,建成區(qū)邊界越規(guī)整[19]。

(3)增長彈性系數(shù)

式中:Ii為增長彈性系數(shù),Yit、Yi0分別為某一要素(人口、經濟、社會固定資產投資)期末和期初的總量,Pit、Pi0分別代表期末、期初的建設用地總量[22]。

(4)面積加權分維指數(shù)

式中:D為城市分維指數(shù),n為斑塊數(shù)量,UAi為i斑塊的面積,Pi為斑塊的周長。D值在1—2之間,D值越大表示城市內部的填充能力越弱,城市形態(tài)越復雜。當D<1.5時,圖形趨向于簡單;當D=1.5時,說明圖形處于布朗運動的邊緣,越接近該值穩(wěn)定性越差;當D>1.5時,則圖形更趨向于復雜,以城市形態(tài)為研究對象時,該極限值應在1.71上下[14]。

(5)空間重心轉移模型空間重心轉移距離(OD)

空間重心轉移角度(OO)當xi+1-xi≥0,

當

式中:yi+1-yi表示y軸上相鄰兩點的差值,xi+1-xi表示x軸上相鄰兩點的差值,x表示某一時期地理單元的重心橫坐標,y表示某一時期地理單元的重心縱坐標,Di+1表示從i到i+1時期地理單元空間重心轉移距離(OD),βi+1表示從i到i+1時期地理單元空間重心轉移方向與正東方向夾角(OO)[16]。

3 結果分析

3.1 城市建設用地擴張

3.1.1 擴張變化測度

哈大齊工業(yè)走廊項目的實施對走廊城市建設用地擴張起催化作用,2000—2015年走廊城市建設用地面積急劇遞增。2000年走廊城市建設用地總面積843.70 km2,2015年增至1632.70 km2,增長近1倍。

從建設用地增長速率看,總體上2000—2015年走廊城市建設用地增速穩(wěn)定在50 km2·年-1左右,其中齊齊哈爾、哈爾濱分別保持在10 km2·年-1、15 km2·年-1大慶每個階段擴張速率波動較大,安達、肇東保持加速增長的態(tài)勢。2000—2005年齊齊哈爾、大慶、哈爾濱分別以 11.21 km2·年-1、33.51 km2·年-1、13.06 km2·年-1的擴張速率增長,遙遙領先同期的安達(0.75 km2·年-1)、肇東(0.60 km2·年-1), 其中大慶速度速率最高。大慶、齊齊哈爾、哈爾濱城市級別高,城市規(guī)模大,經濟發(fā)達,投資環(huán)境良好,前期擴張速度快于安達、肇東。大慶為石油城市,建設用地與石油開發(fā)用地交叉混合,擴張速度與數(shù)量都高于其他城市。2005—2010年、2010—2015年這兩階段,由于哈爾濱、大慶、齊齊哈爾建設用地規(guī)劃指標的管控,城市擴張速度基本維持在10—20 km2·年-1;隨著哈爾濱、大慶、齊齊哈爾建設用地的擴張速度受限,投資、開發(fā)機會投向了安達、肇東,使得其建設用地擴張速度由之前的0.5—0.75 km2·年-1跳躍式遞增到 2.7—3.5 km2·年-1(表 1)。

從城市擴張強度指數(shù)來看,2000—2015年哈大齊工業(yè)走廊沿線城市整體擴張強度指數(shù)呈波動態(tài)勢,由7.01%波動到4.12%;齊齊哈爾、哈爾濱的擴張強度指數(shù)維持在3.5%—5.9%之間,大慶、安達、肇東呈現(xiàn)寬幅波動態(tài)勢。2000—2005年,哈爾濱、大慶和齊齊哈爾的擴張強度遠高于安達、肇東;2005—2010年、2010—2015年這兩階段,擴張強度發(fā)生反轉,即安達、肇東擴張強度遠高于哈爾濱、大慶和齊齊哈爾,這與擴張速度相吻合。

表1 城市擴張建設用地擴張強度、速度指數(shù)變化Tab.1 The change of expansion strength and speed index of urban construction land

3.1.2 擴張蔓延度

采用彈性系數(shù)、緊湊度、分維指數(shù)來分析建設用地擴張形態(tài)。2000—2015年哈爾濱、大慶和齊齊哈爾的建設用地—人口增長彈性系數(shù)Ia＞1,安達、肇東Ia＜1,表明哈爾濱、大慶和齊齊哈爾3市相對其人口數(shù)量存在蔓延現(xiàn)象,安達、肇東相對合理;2000—2015年除肇東以外的城市用地—人口彈性系數(shù)Ia與用地—經濟增長彈性系數(shù)Ib之比遠大于2,說明這些城市相對重視經濟產出,而忽略與人口增長協(xié)調發(fā)展;除大慶外城增長彈性系數(shù)Ib與增長彈性系數(shù)Ic之比在40左右,說明走廊項目整體投入產出比不平衡,城市發(fā)展低效蔓延,大慶石油豐富，單位面積經濟產出高[22]。哈爾濱、大慶和齊齊哈爾為地級市,安達、肇東為縣級市;2000年走廊城市的分維指數(shù)均小于1.44,說明城市形態(tài)簡單,趨于穩(wěn)定;2005年分維指數(shù)均接近于1.5,處于布朗運動邊緣,穩(wěn)定性差,城市擴張現(xiàn)象已顯露;2005—2015分維指數(shù)均大于1.5,映射出城市形態(tài)趨于復雜,擴張趨勢明顯,填充能力弱;2000—2015年走廊沿線城市緊湊度持續(xù)下降,縣級市的緊湊度持續(xù)高于地級市,說明走廊縣級市的擴張比地級市更合理。

3.2 2000—2015年城市建設用地擴張空間分異

3.2.1 城市空間擴張模式分析

為了明確哈大齊工業(yè)走廊沿線城市的主要空間擴張模式,建立2000—2015城市土地利用分類數(shù)據(jù)庫,提取建設用地信息,運用ArcGIS 10.2把城市建設用地信息與2015年之前建成的主要公路、鐵路進行空間疊置分析(圖1)。

2000—2005年走廊城市擴張主要以建成區(qū)填充式和邊緣式擴張為主,城市形態(tài)簡單,城市分維指數(shù)小于1.5;2005—2015年走廊沿線城市存在邊緣式、外延式等混合式對外擴張,擴張模式趨于多元化,城市邊緣不規(guī)則,形態(tài)復雜,這與上述城市分維指數(shù)契合;2000—2015年齊齊哈爾由原來的建華、龍沙、鐵峰區(qū)為核心沿軸帶狀向昂昂溪區(qū)延伸再朝富拉爾基區(qū)呈斜H型轉變,斜H型已顯露雛形,這受途經齊齊哈爾市區(qū)的公路和鐵路布局的影響;大慶市2000—2005年以邊緣式為主、填充式為輔向外擴展,以讓胡路區(qū)、龍鳳區(qū)為核心,呈現(xiàn)核心—邊緣結構;2005—2015年以外延式、飛地式為主,朝紅崗區(qū)、大同區(qū)擴張,呈T型軸帶;2000—2015年安達和肇東以外延式、飛地式向外擴張,安達呈現(xiàn)核心—邊緣結構,肇東則錘子型軸帶顯露端倪[14];哈爾濱市2000—2010年以填充式、邊緣式為主,以道里、道外、南崗、香坊四個區(qū)為核心,呈圈層結構;2010—2015年以邊緣式、外延式為主,朝南北兩方向往外擴張[14]。

3.2.2 城市空間擴張態(tài)勢分析

為探索2000—2015年城市擴張態(tài)勢,本文利用ArcGIS 10.2的橫軸墨卡托投影,以各個城區(qū)2000年建設用地的重心為圓點,按照北、東北、東、東南、南、西南、西、西北將沿線城市發(fā)展空間分為八個象限(圖2),最后根據(jù)八個象限分別統(tǒng)計沿線城市各個時間節(jié)點的建設用地面積(表2),并形成各個階段的雷達圖。

圖2與圖3分析可知,哈爾濱2000—2015年建設用地顯著的擴張方向為北、西北、西、西南、南五個方向,比較均勻的擴張方向為東、東南、東北,呈現(xiàn)出“北躍南拓、東優(yōu)西擴”發(fā)展格局;齊齊哈爾市2000—2015年建設用地顯著擴張方向為東北、東、西南、南、西,穩(wěn)定的擴張方向為西北、北、東南,呈現(xiàn)出一個斜“上”字擴張格局,與主城區(qū)形成一個斜“H”現(xiàn)狀格局(圖1);大慶市2000—2015年建設用地主要的擴張方向包括北、東、南、西南,均勻的擴張方向為東北、西北、東南、西,呈現(xiàn)出斜“T”擴張格局;安達市2000—2015年建設用地主要的擴張方向為西北、北、東北、南,呈現(xiàn)出“傘”狀格局;肇東市2000—2015年建設用地主要的擴張方向為東北、東南、西南、西,形成梯形擴張格局,以東北部建成區(qū)為錘頭,西南為軸帶,構成錘子型發(fā)展格局(圖1)。

表2 城市擴張彈性系數(shù)、緊湊度與分維指數(shù)Tab.2 Elastic coefficient of urban expansion,urban compactness and fractal dimension index

圖1 工業(yè)走廊沿線城市建設用地變化圖Fig.1 The urban construction land change map along the industrial corridor

圖2 沿線城市擴張象限統(tǒng)計圖Fig.2 Statistical map of urban expansion in the industrial corridor

表3 沿線城市各個擴展方向不同年份建設用地面積(m)Tab.3 The extension direction of city construction land area in different year(m)

續(xù)表

圖3 城市分時段各象限空間擴展強度對比圖Fig.3 Comparison of the spatial expansion intensity of each quadrant in the industrial corridor

結合圖2與圖3分時期看,哈爾濱市2000—2005年主要的擴張方向為西北、南,且均勻擴張方向為東北、東、西南;2005—2010年主要的擴張方向為北、西北、南、西南、西,且南北軸帶擴張最為強烈;2010—2015年主要擴張方向為北、西、西南、南、東,且南北軸帶具有較強擴張態(tài)勢。齊齊哈爾市2000—2005年主要的擴張方向為東北、東、南;2005—2010年東北—西南軸帶擴張最為顯著;2010—2015年西、南、東南表現(xiàn)出強烈的擴張態(tài)勢。大慶市2000—2005年主要的擴張方向為北、西北、西南、東;2005—2010年為東、東南、西南、北,呈現(xiàn)出梯形擴張格局;2010—2015年主要的擴張方向為西南、東北與南,構成“三角形”發(fā)展格局。安達市2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年顯著的擴張都集中在西北、北、東北等方向。肇東市2000—2005年建設用地擴張較弱,呈均勻擴張態(tài)勢;2005—2010擴張方向為西、西南、南北軸帶;2010—2015年主要擴張方向為西、西南、東南。

3.2.3 建設用地空間重心變化測度

2001—2015年哈大齊工業(yè)走廊城市主城區(qū)建設用地均朝著多個方向擴張,為了更直觀刻畫城市空間擴張規(guī)律,利用ArcGIS 10.2繪制城市建設用地重心遷移圖,把主城區(qū)同一時間節(jié)點的多個斑塊作為一個整體,僅生成一個重心(圖4)。

為了比較各城市重心遷移距離和方向,利用各個時間節(jié)點生成的城市重心的經緯度坐標,計算生成表4。結合圖4與表4,結果顯示:齊齊哈爾2000—2010年城市建設用地重心向東北方向移動,2010—2015年朝西南方向移動,且移動距離逐漸增大,說明齊齊哈爾市西南方成為城市加速擴張的熱點區(qū);大慶2000—2015年城市建設用地分別朝西南→東南→西南方向移動,但整體朝西南方向偏移,偏移距離呈擴大態(tài)勢,大慶市西南方向的紅崗區(qū)、大同區(qū)成為城市擴張的熱點區(qū);哈爾濱2000—2010年城市建設用地重心朝西北方向偏移,2010—2015年朝西南方向偏移,西南、西北成為城市擴張的熱點區(qū)。2000—2015年安達、肇東城市建設用地重心分別始終朝西北、西南偏移,偏移距離不斷擴大,這種擴張態(tài)勢將會持續(xù)。

圖4 城市建設用地重心偏移情況Fig.4 The shift of the center of the urban construction land gravity along the Industrial Corridor

表4 沿線城市建設用地重心變化情況Tab.4 Changes center of city construction gravity along the Industrial Corridor

3.3 建設用地擴張驅動力分析

3.3.1 哈大齊工業(yè)走廊戰(zhàn)略的實施促進建設用地擴張

哈大齊工業(yè)走廊是哈大齊城市密集區(qū)的一個子系統(tǒng),同時是黑龍江省重要的經濟組成部件。20世紀90年代以后,老工業(yè)基地經濟一蹶不振,產業(yè)結構問題頻出,亟需調整。2003年國家提出振興東北老工業(yè)基地的戰(zhàn)略,哈大齊工業(yè)走廊應運而生。東北振興戰(zhàn)略實施之前,傳統(tǒng)工業(yè)散落在城市主城區(qū),城市經濟之間疏于聯(lián)系;戰(zhàn)略實施之后,工業(yè)向城郊遷移,沿走廊建立工業(yè)園區(qū),沿線城市地緣互補關系逐漸增強,高鐵、高速公路的開通,兩小時經濟圈基本覆蓋走廊各城市,縮短城市時空距離;城市行政邊界弱化,刺激城市融合(安達與大慶逐漸同城化),及哈長城市群的建設,將會加速城市的擴張。

3.3.2 城市功能定位的變化推動城市功能用地增加

哈達齊工業(yè)走廊戰(zhàn)略實施之后,走廊各城市功能定位發(fā)生變化。齊齊哈爾主要發(fā)展裝備制造業(yè)、綠色食品加工業(yè)和生態(tài)旅游業(yè);大慶在石油化工產業(yè)基礎上增加裝備制造、新材料產業(yè),沿走廊打造“一橫四縱”經濟帶;安達重點推進農副產品加工,承接大慶輻射的加工業(yè);肇東以生物技術產業(yè)、中草藥加工業(yè)為主,承接哈爾濱產業(yè)的輻射及轉移;哈爾濱努力推進高端裝備制造業(yè)的發(fā)展,并結合科教文化資源、旅游資源等優(yōu)勢,推動文化產業(yè)和旅游產業(yè)的發(fā)展,推進城市聯(lián)動發(fā)展[29–30]。這些城市經過這一系列功能轉變之后,原本幾近癱瘓的產業(yè)鏈開始活躍起來,各地政府通過“筑巢引鳳”的方式,增加建設用地的投入,使得城市大肆擴張,2000—2015年走廊城市建設用地面積總量翻了1倍。

3.3.3 走廊開發(fā)建設的優(yōu)惠政策加速城市建設用地的擴張

自工業(yè)走廊建設以來黑龍江省各種優(yōu)惠政策逐漸傾向哈大齊工業(yè)走廊的城市,成為刺激走廊的城市擴張一個重要因素。這里主要從用地政策、金融與財稅政策、技術與人才政策三方面探討對城市擴張的影響。用地政策主要體現(xiàn)用地審批、用地租金等方面;用地審批方面表現(xiàn)為全省農用地轉建設用地指標優(yōu)先保證工業(yè)走廊建設,放寬審批權限;用地租金由省政府統(tǒng)一基準價,出讓金僅收取基準地價的70%,且可以分期付款;政府給高薪技術企業(yè)給予優(yōu)惠;投資大于5000萬的項目,土地可以作價入股,大量資金流入,無形之中推動城市建設用地的擴張,導致城市形態(tài)復雜且趨于無規(guī)則,緊湊度下降。減稅、補貼、省政策性擔保、設立金融服務部等一系列配套金融與財稅政策向入住工業(yè)走廊的企業(yè)提供保護,減緩了企業(yè)壓力,吸引外來投資,促使城市建設用地擴張。高薪引進科技人才、建立工業(yè)走廊博士后流動站、安置留學歸國博士等一系列政策孵化了幾十座高新技術開發(fā)區(qū),進一步加速了走廊沿線城市建設用地的擴張。

4 結論與討論

(1)本文利用3S技術并結合統(tǒng)計數(shù)據(jù)校驗,構建了2000—2015年哈大慶工業(yè)走廊沿線城市建設用地數(shù)據(jù)庫。2000—2015年哈大齊工業(yè)走廊城市建設用地凈增長近100%,研究期間哈爾濱、大慶、齊齊哈爾建設用地擴張態(tài)勢優(yōu)先于安達、肇東。

(2)從擴張強度、擴張速度、彈性增長系數(shù)看2000—2015年城市建設用地呈現(xiàn)快速擴張態(tài)勢,但土地利用效益較低;2000—2010年走廊城市擴張形態(tài)簡單,城市分維指數(shù)小于1.5;2010—2015年走廊城市存擴張模式趨于多元化,城市邊緣不規(guī)則,形態(tài)復雜。

(3)2000—2015年哈爾濱市建設用地呈現(xiàn)出“北躍南拓、東優(yōu)西擴”發(fā)展格局;齊齊哈爾市呈現(xiàn)出一個斜“上”字擴張態(tài)勢;大慶市呈現(xiàn)出斜“T”擴張格局;安達市表現(xiàn)出“傘”狀格局,肇東市構成錘子型發(fā)展格局。

(4)2000—2015齊齊哈爾城市建設用地重心向東北—西南移動,移動距離逐漸增大,西南方向為擴張的熱點區(qū);大慶城市建設用地分別朝西南—東南—西南方向移動,大慶市西南方向的紅崗區(qū)、大同區(qū)城市發(fā)展的熱點區(qū);哈爾濱西南、西北成為城市擴張的熱點區(qū);安達、肇東城市建設用地重心分別始終朝東北、西南偏移,偏移距離不斷擴大。

(5)伴隨著哈大齊工業(yè)走廊戰(zhàn)略的實施,其沿線城市建設用地擴張的快速擴張;不同城市功能定位的相對變化造成差異的擴張模式;走廊開發(fā)建設的優(yōu)惠政策加速城市建設用地的擴張。

以上結果表明,無論城市分維指數(shù)還是城市彈性增長系數(shù),都表明哈大齊工業(yè)走廊建設過程存在城市土地投入粗放問題,高投資低效益問題,政府應加強土地利用方面的規(guī)劃與管控;分別對哈達齊工業(yè)走廊城市分析其建設用地擴張?zhí)卣?并定性分析其擴張機制,望能為工業(yè)走廊遠期建設、東北振興群建設提供借鑒。然而,本研究采用Landsat數(shù)據(jù),空間分辨為30m,分類方法采用監(jiān)督分類,一定程度限制了建設用地面積的提取精度,未來可進一步采用高分數(shù)據(jù)、利用SVM、卷積神經網絡等方法進行更深一步研究,提高結論的可靠性;驅動機制方面僅停留在定性分析,尚未對交通、資金、政策等驅動因素的影響進行量化,故無法構建量化模型對建設用地擴張進行研究,未來可以采用多元回歸、邏輯回歸等方法定量分析驅動機制;這將成為接下來努力研究的方向。

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