2000～2015年長沙市城市擴(kuò)張空間特征與驅(qū)動因子分析

陳千逸 曾爭

[摘要]科學(xué)分析城市擴(kuò)張的空間特征與驅(qū)動因子有助于實現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展。以長沙市作為研究對象，基于2000、2005、2010和2015年的遙感影像及相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用GIS工具從空間形態(tài)和空間指向方面刻畫長沙市城市擴(kuò)張的空間特征，采用嶺回歸方法測度城市擴(kuò)張的驅(qū)動因子。研究發(fā)現(xiàn)，長沙市以“吞噬”模式擴(kuò)張，使城市景觀格局形態(tài)破碎化、形狀復(fù)雜化，城市擴(kuò)張空間指向經(jīng)歷了“東、南方—西方”的轉(zhuǎn)變。社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展是長沙市城市擴(kuò)張的主要驅(qū)動因子，政府行為對城市擴(kuò)張具有導(dǎo)向作用。

[關(guān)鍵詞]城市擴(kuò)張；空間特征；長沙

[中圖分類號]F293.2 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

目前，對城市擴(kuò)張驅(qū)動因子的分析方法逐漸由簡單的定性分析向定量分析過渡，但由于城市擴(kuò)張是多個因素共同作用的結(jié)果，這些因素之間往往又相互關(guān)聯(lián)、影響，極易造成數(shù)據(jù)的多重共線性問題。現(xiàn)有研究中普遍使用多元線性回歸分析、灰色關(guān)聯(lián)分析、空間杜賓模型等方法，無法解決此問題，從而影響結(jié)論的準(zhǔn)確性。針對已有研究的不足，本文以中部地區(qū)典型的大型城市長沙市為研究對象，基于遙感影像，利用GIS技術(shù)，借助已有研究方法分析城市擴(kuò)張的時空特征；引入嶺回歸分析方法，科學(xué)測度城市擴(kuò)張的驅(qū)動因子。研究結(jié)果對長沙市實現(xiàn)新型城鎮(zhèn)化發(fā)展目標(biāo)、促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)處理與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與處理

此次研究的社會經(jīng)濟(jì)類數(shù)據(jù)來源于相關(guān)年份的統(tǒng)計年鑒以及土地利用數(shù)據(jù)。圖像數(shù)據(jù)從2000、2005、2010和2015年的Landsat 7 ETM衛(wèi)星遙感影像中提取。在對遙感影像執(zhí)行幾何校正、融合和鑲嵌等處理后，在ArcGIS 10.2中通過目視解釋方法提取城市實體。提取原則見參考文獻(xiàn)[8]。

1.2 研究方法

1.2.1 城市擴(kuò)張空間形態(tài)測度。測度空間形態(tài)可以展現(xiàn)城市擴(kuò)張對景觀格局的影響及城市擴(kuò)張的方式。利用緊湊度、蛙跳指數(shù)和分形維數(shù)來表征城市擴(kuò)張的空間形態(tài)特征，計算方法及釋義見參考文獻(xiàn)[4-6]。緊湊度越低、蛙跳指數(shù)越高代表城市土地景觀格局越破碎，分形維數(shù)上升說明城市土地景觀格局趨于復(fù)雜。緊湊度上升、蛙跳指數(shù)和分形維數(shù)下降表明城市擴(kuò)張方式以近域推進(jìn)為主，反之表明城市擴(kuò)張方式以蛙跳式發(fā)展為主。

1.2.2 城市擴(kuò)張空間指向測度。城市擴(kuò)張空間指向展現(xiàn)了城市的主要擴(kuò)張方向及在不同方向上的擴(kuò)張強(qiáng)度。利用城市空間重心轉(zhuǎn)移指數(shù)和城市擴(kuò)張雷達(dá)圖來刻畫城市擴(kuò)張空間指向。城市空間重心轉(zhuǎn)移指數(shù)與城市蔓延雷達(dá)圖的原理及方法見參考文獻(xiàn)[7]。

1.2.3 城市擴(kuò)張驅(qū)動因子測度。為解決數(shù)據(jù)多重共線性問題，采用嶺回歸方法進(jìn)行測度。嶺回歸（Ridge regression）是一種專門分析多重共線性數(shù)據(jù)的方法，相比最小二乘法，此方法擴(kuò)大了實際觀測值與估計回歸直線之間的差異，且它對病態(tài)數(shù)據(jù)的耐受性也大大增強(qiáng)。嶺回歸計算原理見參考文獻(xiàn)[9-10]

2 長沙市城市擴(kuò)張空間特征

2.1 城市擴(kuò)張空間形態(tài)

基于遙感影像制作圖1，根據(jù)圖1利用相關(guān)公式計算得到4個個年份的城市空間緊湊度、蛙跳指數(shù)和分形維數(shù)（表1）?？偟膩砜矗M管2000～2015年長沙市的蛙跳指數(shù)有所下降，但緊湊度總體維持在0.13以下，處于較低的水平，且分形維數(shù)上升，表明這段時間長沙市土地景觀格局破碎度上升，城市空間形狀趨于復(fù)雜。分時段來看，2000～2010年緊湊度下降，分形維數(shù)上升；2010～2015年緊湊度上升，分形維數(shù)下降，而蛙跳指數(shù)則經(jīng)歷了“上升—下降—上升”的起伏波動。三個指數(shù)的變化表明長沙市土地景觀格局經(jīng)歷了復(fù)雜變化，同時也反映出城市擴(kuò)張方式的變化：2000～2010年蛙跳指數(shù)先是升至最高值而又迅速回落，緊湊度快速下降，分形維數(shù)持續(xù)上升，表明此時段長沙市擴(kuò)張方式主要為蛙跳式發(fā)展（最大蛙跳區(qū)域為長沙縣縣城），且由于蛙跳區(qū)域不斷擴(kuò)大并最終與中心團(tuán)塊連為一體，造成長沙市土地景觀格局破碎度上升、城市空間形狀復(fù)雜化；2010～2015年，緊湊度和蛙跳指數(shù)略微有所上升，分形維數(shù)下降，表明此時段長沙市擴(kuò)張以近域推進(jìn)式發(fā)展為主，同時兼有一定程度的蛙跳式發(fā)展，使城市土地景觀格局破碎度略有下降，城市空間形狀趨于簡單。

總體而言，2000～2015年長沙市土地景觀格局破碎度較高，城市空間形狀較為復(fù)雜，反映出長沙市城市空間不規(guī)則擴(kuò)張的問題。從空間形態(tài)來看，長沙市擴(kuò)張模式符合張景奇等人總結(jié)的中國城市發(fā)展“吞噬”模式：先在城市中心團(tuán)塊周圍的資源點形成蛙跳區(qū)域，隨時間推移蛙跳區(qū)域逐步擴(kuò)大，中心團(tuán)塊與蛙跳區(qū)域之間的空間不斷被填充，最終兩者連成一體，然后在更遠(yuǎn)的地方蛙跳式發(fā)展，并重復(fù)這個過程。

2.2 城市擴(kuò)張空間指向

在相關(guān)計算的基礎(chǔ)上制作城市空間重心轉(zhuǎn)移示意圖（圖2）和城市擴(kuò)張雷達(dá)圖（圖3）?？偟膩砜矗?000～2015年長沙市城市空間重心基本分布在解放路與韶山北路交匯處附近，整體向東偏移，偏移指數(shù)為533.32；此時間段城市空間擴(kuò)張速度最快的方位為東方，其次是東南方，增長率分別達(dá)到了442.24%、290.33%，其他方向上城市空間的擴(kuò)張速度遠(yuǎn)慢這兩個方向，表明2000～2015年長沙市城市擴(kuò)張空間指向主要為東、南方向，反映出長沙市各個城區(qū)間發(fā)展不平衡。分時段來看，2000～2005年城市空間重心向東北方向轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移指數(shù)為308.30，城市空間擴(kuò)張速度最快的方位是東南方（116.79%）；2005～2010年城市空間重心向東南方向轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移指數(shù)為578.60，城市空間擴(kuò)張速度最快的方位是東方（108.15%）；2010～2015年城市空間重心向西北方向轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移指數(shù)為341.06，城市空間擴(kuò)張速度最快的方位為西方（73.48%）。這些數(shù)據(jù)表明，長沙市城市發(fā)展的空間指向在不同時期具有差異，即先向東、南方向快速擴(kuò)張，而后城市發(fā)展的重點轉(zhuǎn)向西方，這主要是由于：2000～2010年間以國家級長沙經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)為核心的東部城區(qū)得到了快速發(fā)展，而長株潭城市群一體化的發(fā)展戰(zhàn)略和長沙高鐵南站的建設(shè)也帶動了東、南部城區(qū)迅速擴(kuò)張；2010～2015年間長沙市重點開發(fā)湘江新區(qū)（大河西先導(dǎo)區(qū)），同時望城撤縣設(shè)區(qū)加快了西北部城區(qū)的擴(kuò)張速度，使這段時間城市發(fā)展重心逐漸向西轉(zhuǎn)移。

總體而言，2000～2015年間長沙市城市空間在各個方向上的擴(kuò)張具有明顯的差異性，東、南部城區(qū)的發(fā)展最為迅速；2010年以后城市發(fā)展重心逐漸向西轉(zhuǎn)移，使城市發(fā)展重心長期聚集在東、南方向的空間格局得到一定程度的優(yōu)化和調(diào)整，促進(jìn)了各個城區(qū)間的協(xié)調(diào)發(fā)展。

3 長沙市城市擴(kuò)張驅(qū)動因子

3.1 回歸模型構(gòu)建

結(jié)合已有理論與長沙市實際情況，從經(jīng)濟(jì)發(fā)展、公共交通、政府行為和居民需求4個維度出發(fā)，選擇8個單項指標(biāo)作為解釋變量x量化長沙城市空間擴(kuò)張的驅(qū)動因子，選擇城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積作為被解釋變量y代表長沙市城市規(guī)模（表3）。對被解釋變量與各解釋變量進(jìn)行相關(guān)性檢驗，結(jié)果顯示所有相關(guān)系數(shù)均通過1%顯著性水平檢驗，但x3與y的相關(guān)系數(shù)僅為-0.65，與其他解釋變量相比x3的相關(guān)性較弱，將其剔除。共線性診斷顯示，剩余的7個解釋變量中有6個的容差小于0.1，VIF值大于10，即各解釋變量之間存在著嚴(yán)重的多重共線性，需要使用嶺回歸方法來解決這一問題。

（1）社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展是長沙市城市擴(kuò)張的主要驅(qū)動因子。一方面，房地產(chǎn)行業(yè)的快速發(fā)展促使城市擴(kuò)張：據(jù)不完全統(tǒng)計，2000～2015年長沙市開工建設(shè)和建成的各類住宅小區(qū)超過600個，其中不乏一些超大規(guī)模的住宅小區(qū)，如湘江世紀(jì)城、八方小區(qū)、碧桂園威尼斯城等；研究期間長沙市城市住宅建筑面積從2.84×107m2增長至1.48×108m2，增長了422.44%；截至2015年居住用地面積占到了城市建設(shè)用地面積的37.46%，遠(yuǎn)高于全國平均水平（29.99%）和湖南省平均水平（32.64%）。另一方面，工業(yè)園區(qū)建設(shè)作為城市建設(shè)的重要內(nèi)容對城市擴(kuò)張也具有極強(qiáng)的推動作用：2000～2015年，長沙市共布局了“四區(qū)八園”合計12個工業(yè)園區(qū)，其中重點發(fā)展了位于東部城區(qū)的長沙經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、隆平高科技園和位于西部城區(qū)的長沙高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)、望城經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，同時通過建設(shè)南部城區(qū)的暮云工業(yè)園、環(huán)保科技產(chǎn)業(yè)園、天心工業(yè)園等來加快與株洲、湘潭的相向發(fā)展。

（2）政府行為對長沙市城市擴(kuò)張具有極強(qiáng)的導(dǎo)向作用。2000～2015年，長沙市的一系列城市發(fā)展布局規(guī)劃，無論是“十五”規(guī)劃中提出的“兩中心、多組團(tuán)”的城市功能格局，還是“十二五”規(guī)劃中提出的“一軸兩帶、一主七片” 的城市空間結(jié)構(gòu)，還是《長沙市城市總體規(guī)劃（2003～2020） （2014年修訂）》中提出的“一軸兩帶多中心、一主兩次五組團(tuán)”的城市發(fā)展空間布局，都在不斷強(qiáng)化東西向的發(fā)展軸線和長株潭城市群一體化發(fā)展目標(biāo)。在這些戰(zhàn)略和規(guī)劃的影響下，東西向的發(fā)展軸線和長株潭城市群發(fā)展戰(zhàn)略則成為了城市發(fā)展的主要引領(lǐng)，造成研究期內(nèi)長沙市城市空間形態(tài)的一系列變化。

（3）各個回歸系數(shù)相差不大，最高值（0.2266）也僅為最低值（0.1308）的1.73倍，表明現(xiàn)階段長沙市城市擴(kuò)張問題是由多種因素共同作用的結(jié)果，反映了這一問題的復(fù)雜性。總體而言，不同于國外以交通和市場為主導(dǎo)的城市擴(kuò)張模式，長沙市城市擴(kuò)張具有明顯的政策導(dǎo)向特征。

4 結(jié)論

本文從城市擴(kuò)張空間形態(tài)和空間指向方面分析了長沙市城市擴(kuò)張的空間特征，并測度了城市空間擴(kuò)張的驅(qū)動因子，得出的主要結(jié)論如下：

（1）2000～2015年，長沙市以“近域推進(jìn)—蛙跳發(fā)展—近域推進(jìn)”交替的“吞噬”模式實現(xiàn)城市空間擴(kuò)張，造成城市景觀格局形態(tài)破碎化、城市空間形狀復(fù)雜化。在宏觀戰(zhàn)略規(guī)劃和城市規(guī)劃等政策的導(dǎo)向下，長沙市城市擴(kuò)張空間指向經(jīng)歷了“東、南方—西方”的轉(zhuǎn)變過程，使各個城區(qū)間發(fā)展不平衡的狀態(tài)得到改善。

（2）社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、房地產(chǎn)行業(yè)的繁榮、工業(yè)化的快速推進(jìn)、宏觀戰(zhàn)略的引導(dǎo)、城市規(guī)劃的調(diào)控和行政區(qū)劃的調(diào)整等多種因素共同推動長沙市的城市擴(kuò)張，其中社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展是長沙市城市擴(kuò)張的主要驅(qū)動因子，而政府行為對城市擴(kuò)張具有導(dǎo)向作用。不同于國外以交通和市場為主導(dǎo)的城市擴(kuò)張模式，長沙市城市擴(kuò)張具有明顯的政策導(dǎo)向特征。

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