京津冀城市群1990—2015年城區(qū)時空擴展監(jiān)測與分析

寧曉剛，王 浩，林祥國，曹銀璇，杜 軍

1. 中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830； 2. 河南省科學(xué)院地理研究所，河南 鄭州 450052

伴隨著工業(yè)化進程的推進和社會經(jīng)濟發(fā)展，人類社會活動中農(nóng)業(yè)活動的比重下降，非農(nóng)業(yè)活動的比重上升，居民點建設(shè)等物質(zhì)表象和居民生活方式向城鎮(zhèn)型轉(zhuǎn)化并趨于穩(wěn)定，這一過程即為城鎮(zhèn)化[1]。國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，中國的城鎮(zhèn)化水平由1978年的17.9%上升到2015年的56.1%，超過了世界平均水平。特別是2000年以來，中國的城鎮(zhèn)化發(fā)展進入了新的階段。中國共產(chǎn)黨第十八次全國代表大會和十八屆三中、五中全會中明確指出，我國要堅持走中國特色的新型工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化道路?！笆濉币?guī)劃、國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014—2020)、中央城市工作會議(2015)、中央城鎮(zhèn)化工作會議(2013)提出要合理控制城鎮(zhèn)開發(fā)邊界、保護基本農(nóng)田，通過優(yōu)化城市內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，促進城市緊湊集約、高效綠色發(fā)展，以解決城市盲目擴張、土地城鎮(zhèn)化快于人口城鎮(zhèn)化、建設(shè)用地粗放低效、城鎮(zhèn)化與工業(yè)化不匹配、城鎮(zhèn)空間分布和規(guī)模結(jié)構(gòu)不合理、資源環(huán)境承載力不足、生態(tài)環(huán)境問題突出等諸多問題。

新型城鎮(zhèn)化建設(shè)對城市發(fā)展提出了新的要求。城鎮(zhèn)化可從“人”的城鎮(zhèn)化和“地”的城鎮(zhèn)化兩方面進行度量?！叭恕钡某擎?zhèn)化可采用城市化率(城市人口與總?cè)丝诘谋嚷?表示，“地”的城鎮(zhèn)化可采用非農(nóng)化的城區(qū)面積表示[2]。相比于人口城鎮(zhèn)化產(chǎn)生的人口轉(zhuǎn)移這一難以度量的指標(biāo)，“地”的城鎮(zhèn)化，即城市空間擴展是城鎮(zhèn)化作用于地理空間的直接結(jié)果[3]，可應(yīng)用遙感與地理信息技術(shù)開展監(jiān)測與分析?；谶b感和地理信息技術(shù)的城區(qū)擴展監(jiān)測近20年來一直是遙感與對地觀測領(lǐng)域的熱點研究內(nèi)容之一[4-12]，也是遙感技術(shù)的重要應(yīng)用方面之一[13-17]。遙感監(jiān)測因其客觀、現(xiàn)勢性強等特征取代了傳統(tǒng)主要依靠規(guī)劃、統(tǒng)計等專題數(shù)據(jù)度量城鎮(zhèn)化的方法。當(dāng)前城區(qū)擴展監(jiān)測研究包括遙感影像人工目視解譯提取、低分辨率遙感影像不透水面自動提取、中分辨率遙感影像城區(qū)自動提取、高分辨率遙感影像城區(qū)監(jiān)測4個方面[13，18-21]。隨著高分辨率遙感影像成本的降低，基于高分辨率影像的城區(qū)邊界提取及其時空擴展分析能夠更加準(zhǔn)確地了解城區(qū)時空擴展過程，從而為新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。然而，以往的研究仍存在不足，主要體現(xiàn)在：各學(xué)派和各部門對城區(qū)邊界缺少統(tǒng)一的認(rèn)識和提取標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)來源缺乏一致性、以不透水面(建設(shè)用地)代替城區(qū)導(dǎo)致城區(qū)邊界精度不足、高分辨率遙感影像上城區(qū)邊界主要采用人工解譯提取的技術(shù)手段等。本文在分析以往城區(qū)相關(guān)概念的基礎(chǔ)上，提出了一種計算機自動識別和人工解譯相結(jié)合的城區(qū)邊界半自動化提取方法。在此基礎(chǔ)上，利用提取的多期城區(qū)邊界及城區(qū)面積作為城鎮(zhèn)化的表征開展城區(qū)時空擴展分析。

京津冀城市群是中國三大國家戰(zhàn)略之一“京津冀協(xié)同發(fā)展”的所在地，戰(zhàn)略意義突出，城鎮(zhèn)化發(fā)展進程迅速，城鎮(zhèn)化不當(dāng)發(fā)展造成的問題嚴(yán)峻。京津冀面積為21.7萬平方千米，涉及153個縣級以上城市(含140個縣級城市和13個地級以上城市)。其中，13個地級以上城市包括2個直轄市和11個地級城市，監(jiān)測范圍限于其市轄區(qū)范圍，地級以上城市的所轄縣和縣級市單獨列入縣級城市統(tǒng)計。鑒于京津冀城市群城鎮(zhèn)化監(jiān)測的突出意義和示范效應(yīng)，故選擇該區(qū)域的縣級以上城市作為城區(qū)時空擴展監(jiān)測與分析的范圍。本文以城區(qū)邊界監(jiān)測為切入點，系統(tǒng)地分析了京津冀城市群1990—2015年城區(qū)時空擴展過程，對于京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃將提供強有力的數(shù)據(jù)支持。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 城區(qū)半自動化提取方法

1.1.1 城區(qū)相關(guān)概念

城區(qū)，即城市區(qū)域，是一個以空間位置為基礎(chǔ)的概念，涉及人口密度、社會經(jīng)濟組織、自然環(huán)境向建設(shè)用地環(huán)境轉(zhuǎn)換，同時城鄉(xiāng)邊緣存在連續(xù)過渡的特征[15]等因素。城區(qū)的上述特點增加了其提取難度。目前城區(qū)相關(guān)的概念眾多(表1)，出發(fā)點各不相同，且不能很好地反映城區(qū)擴展的時空特征。市域、市區(qū)、主城區(qū)、中心城區(qū)、規(guī)劃城市建設(shè)用地均為考慮管理職能的邊界，若不考慮行政區(qū)劃和城市規(guī)劃的調(diào)整，其面積具有固定不變屬性，不能反映城區(qū)的時空擴展特征。城市開發(fā)邊界和城市空間增長邊界通過綜合考慮城市現(xiàn)有功能和承載力劃定的約束性邊界，對城市發(fā)展進行約束，理論上每個城市的約束性邊界只有一個，因此也不能反映城區(qū)的時空擴展特征?！冻鞘薪ㄔO(shè)統(tǒng)計年鑒》中的城區(qū)依據(jù)《城市(縣城)和村鎮(zhèn)建設(shè)統(tǒng)計報表制度》，考慮了城區(qū)的時空擴展特征，并詳細(xì)描述了城區(qū)可能分布的地域和范圍，但其城區(qū)的最小單元為鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其將鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政管轄范圍整體上歸入或排除到城區(qū)范圍，與城市實際邊界即建成邊界存在一定的差距。建成區(qū)更能夠反映城市實際建設(shè)和發(fā)展邊界，但目前的建成區(qū)數(shù)據(jù)多通過地方城市上報到住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部的方式予以統(tǒng)計，且存在建成區(qū)劃定標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、上報的建成區(qū)多為統(tǒng)計數(shù)字、缺少空間化表征等缺點。

表1 城區(qū)相關(guān)概念對照

基于上述原因，參考建成區(qū)的概念，考慮《城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒》中的城區(qū)分布地域和范圍，充分挖掘高分辨率遙感影像中展現(xiàn)的城市景觀和形態(tài)等空間可視化特征，從城市實際建設(shè)完成情況出發(fā)，制定了城區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化的提取方法，保證了城區(qū)邊界提取的一致性。城區(qū)定義為行政界線內(nèi)，以城市空間擴展監(jiān)測系列時相基期的一個或多個中心城區(qū)內(nèi)的政府所在地(中心大團)為基礎(chǔ)，在城鄉(xiāng)結(jié)合部通過邊緣擴展、軸線擴展或多中心擴展等擴展模式發(fā)展起來的，具有城市功能和城市景觀特征的集中連片空間范圍。

1.1.2 基于高分辨率影像的城區(qū)邊界半自動提取方法

采用融合直角點和直角邊特征的高分辨率遙感影像居民點提取方法[26]提取居民點多邊形。該方法分別檢測高分辨率遙感影像的直角點和直線段，通過兩種特征交叉驗證確定直角點和直角邊，基于局部直角點和直角邊點的密度和距離特征生成居民點指數(shù)圖像，確定居民點多邊形。該方法同時融合了直角點和直線段兩種特征，具有更高的提取精度[26]。將居民點多邊形與中心城區(qū)政府所在地疊加，中心城區(qū)政府所在地落到的居民點多邊形作為初始城區(qū)邊界。

在初始城區(qū)邊界基礎(chǔ)上，按照城區(qū)定義和城區(qū)邊界提取原則，采用人工目視解譯對初始城區(qū)進行編輯修正(圖1)。人工編輯修正一是對初始城區(qū)邊界的走向進行修正；二是將具有城市景觀且符合集中連片特征的區(qū)域，以及飛地型城區(qū)歸入城區(qū)，不滿足要求的區(qū)域剔除出城區(qū)。

城區(qū)邊界提取原則包括：①行政區(qū)劃限定原則，城區(qū)必須位于城市行政區(qū)劃范圍內(nèi)。②城區(qū)邊界走向原則，城區(qū)邊界線優(yōu)先沿道路、河流、圍墻等線性地物的邊界走向勾繪，不能跨越房屋建筑(區(qū))、構(gòu)筑物、水域、綠地、農(nóng)林用地等，緊鄰城區(qū)邊界線內(nèi)側(cè)不能有耕地存在。當(dāng)河岸為城市建設(shè)用地綠化景觀時，城區(qū)邊界沿河流的高水位線走向勾繪，連同綠化部分歸入城區(qū)，否則沿道路勾繪。在沒有道路或河流等地物邊界時，城區(qū)邊界優(yōu)先沿基本建成且邊界較明顯的完整地塊勾繪，如院落或圍墻。若地塊邊界不明顯或整個地塊內(nèi)未建成面積比例較大，可按實際地物邊界勾繪。③集中連片原則，集中連片定義為中間沒有被非建設(shè)用地隔斷，或與中心大團通過道路連通，連通距離小于50 m且斑塊面積大于6公頃。④城市景觀判定原則，城市景觀主要包括城市房屋建筑區(qū)、城市道路、城市綠地、城市廣場、停車場、體育場等景觀[27-28]，其中由城市道路圍成的街區(qū)是最主要的城市景觀特征。⑤飛地型城區(qū)判定原則，飛地型城區(qū)指不與中心大團集中連片但也應(yīng)歸入城區(qū)的區(qū)域，其具有以下特征：與主干路相連；具有城市景觀特征；面積大于60公頃且具有城市景觀的街道辦事處、城市行政部門、工礦區(qū)、開發(fā)區(qū)、科研單位、大專院校等特殊區(qū)域所在的集中連片區(qū)域。

圖1 城區(qū)邊界提取技術(shù)流程Fig.1 The workflow of urban boundary extraction

城區(qū)邊界提取過程中首先完成最新時相的邊界提取，然后按現(xiàn)勢性從新到舊的順序依次完成前時相的城區(qū)更新提取，以保證多期邊界之間的拓?fù)錅?zhǔn)確。利用高分辨率遙感影像，通過計算機自動識別結(jié)合人工修正可得到標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、高精度的城區(qū)邊界。在人工編輯過程中，充分利用測繪地理信息部門的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，以及第一次全國地理國情普查成果，為城市景觀和飛地型城區(qū)的判斷提供參考。

1.2 城區(qū)時空擴展分析方法

采用城區(qū)擴展速度、擴展強度、分形維數(shù)、緊湊度、城市用地增長彈性系數(shù)5個指標(biāo)，從城區(qū)時空擴展過程、城區(qū)空間形態(tài)及結(jié)構(gòu)變化、擴展協(xié)調(diào)性、擴展占用土地類型等4個方面對城區(qū)時空擴展進行分析。

1.2.1 擴展速度

擴展速度Vi為某一時間段內(nèi)某城市城區(qū)面積的年增長速度，表示單位時間內(nèi)不同城區(qū)擴展快慢的絕對(面積)差異

Vi=ΔUij/(Δtj)×100%

(1)

式中，Vi為城市擴展速度；ΔUij為j時段第i個研究單元城區(qū)擴展面積；Δtj為j時段的時間跨度。

1.2.2 擴展強度

擴展強度Ni為某一時間段內(nèi)某城市城區(qū)面積相對于基期城區(qū)的年擴展比例，表示單位時間內(nèi)不同城區(qū)擴展快慢的相對(比例)差異

Ni=ΔUij/(Δtj×Mi)×100%

(2)

式中，Ni為城市擴展強度；ΔUij為j時段第i個研究單元城區(qū)擴展面積；Δtj為j時段的時間跨度；Mj為j時段初期第i個單元城區(qū)總面積。

1.2.3 分形維數(shù)

分形維數(shù)St是城市空間形態(tài)的表示。城市空間形態(tài)不規(guī)則的程度增加，說明在這一時期城市城區(qū)面積的增加時以外部擴展為主；城市空間形態(tài)的不規(guī)則程度下降，說明城市城區(qū)面積的增加是以城區(qū)邊緣間的填充為主；城市空間形態(tài)的不規(guī)則程度不變，說明城市進入相對穩(wěn)定的發(fā)展階段[29]

St=2ln(Pt/4)/ln(At)

(3)

式中，St為t時期城市斑塊的分形維數(shù)；At、Pt分別是t時期城市斑塊的面積和周長。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。

1.2.4 緊湊度

緊湊度BCI是反映城市空間形態(tài)的重要指標(biāo)，也是表現(xiàn)城市空間形態(tài)內(nèi)部各部分空間集中化程度的指標(biāo)[30]。緊湊度有很多計算方法，但以Boyce提出的計算方法[31]使用最為廣泛

(4)

式中，BCI為城區(qū)的緊湊度；A為城區(qū)總面積；P為城區(qū)周長。該公式以圓形作為標(biāo)準(zhǔn)計量單位，BCI的取值范圍為0～1，值越大表示城市形狀越具有緊湊性，反之緊湊性越差，圓形區(qū)域的緊湊性為1。一般來說，當(dāng)城市處于迅速擴展的發(fā)展階段，緊湊度下降；當(dāng)城市轉(zhuǎn)為內(nèi)部填充、改造發(fā)展階段時，緊湊度上升[29]。緊湊度的提高，有利于縮短城市內(nèi)各部分之間的聯(lián)系距離，提高城市基礎(chǔ)設(shè)施和已開發(fā)土地的利用效率，提高資源的利用效率和降低城市的管理成本[29]。

1.2.5 城市用地增長彈性系數(shù)

城市用地增長彈性系數(shù)K是一定時期內(nèi)城區(qū)面積增長率與城區(qū)人口增長率之比，是測定城區(qū)擴展程度的指標(biāo)

K=GB/PR×100%

(5)

(6)

式中，K為城市用地增長彈性系數(shù)；PR為城市人口年均增長率；GR為城區(qū)面積年均增長率；At表示某個時間段末城區(qū)的面積；A0表示某個時間段初城區(qū)面積；Δt表示時間段的跨度。中國城市規(guī)劃設(shè)計研究院《2000年城鎮(zhèn)用地預(yù)測綜合報告》指出，該系數(shù)的最優(yōu)值為1.12。當(dāng)城市用地增長彈性系數(shù)高于1.12，城市土地效率就會降低；低于1.12時，諸如交通擁堵，城市基礎(chǔ)設(shè)施不足，舒適度差等諸多城市問題就會凸顯。

1.3 數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)處理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括遙感影像、縣級行政區(qū)劃界線、人口和GDP數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)。2002年是京津冀城市群發(fā)展重要的年份，隨著中國在前一年加入世貿(mào)組織、申奧成功，以及本年度中國共產(chǎn)黨十六大提出全面建設(shè)小康社會等契機，京津冀經(jīng)歷了更加迅猛的城鎮(zhèn)化發(fā)展，且1990至2002年，2002至2015年兩個時間間隔接近，便于對城區(qū)擴展進行橫向比較，故選擇1990、2002、2015年3個年份開展城區(qū)時空擴展監(jiān)測與分析。1990年和2002年影像資料主要來源于京津冀城市群所在的3個省市測繪地理信息部門的存檔黑白航空影像，空間分辨率優(yōu)于1 m。2015年為Worldview-1、Worldview-2、ZY3、TH1、GF1等高分辨率衛(wèi)星遙感影像，分辨率以優(yōu)于1 m為主。收集到的影像均為正射影像，投影系統(tǒng)均為CGCS2000坐標(biāo)系，且3期影像的套合精度較高，故未再進行影像糾正和配準(zhǔn)等工作?？h級行政區(qū)劃界線來源于測繪地理信息部門，比例尺為1∶50 000。城市的人口和GDP數(shù)據(jù)來源于中國城市統(tǒng)計年鑒，人口數(shù)據(jù)使用了市轄區(qū)年末人口，GDP使用了市轄區(qū)的地區(qū)生產(chǎn)總值。1990年土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心，將土地利用一級類合并成耕地、居民點和其他建設(shè)用地(包括城鄉(xiāng)工礦居民地一級類)、其他(包括林地、草地、水域、未利用地一級類)。土地利用數(shù)據(jù)經(jīng)糾正后與影像配準(zhǔn)。

參考資料包括1∶1萬和1∶5萬比例尺基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、全國第一次地理國情普查地表覆蓋和地理國情要素成果。地表覆蓋的耕地、園地、林地、草地、構(gòu)筑物、人工堆掘地、房屋建筑(區(qū))、道路、荒漠與裸露地表、水域數(shù)據(jù)，地理國情要素中的城市道路數(shù)據(jù)LCTL層可為城市景觀判斷提供參考。地理國情要素的點狀地理單元數(shù)據(jù)BUCP層和面狀地理單元數(shù)據(jù)BUCA層包含街道辦事處、居住小區(qū)、工礦企業(yè)、單位院落等的位置信息，可為城市景觀判斷和飛地型城區(qū)判斷提供參考。地理國情要素中的BERA2層包含開發(fā)區(qū)和保稅區(qū)位置信息，基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)RES_PT層中的311105包含街道辦事處位置信息，上述信息可為飛地型城區(qū)判斷提供參考。

表2數(shù)據(jù)及來源

Tab.2Dataanddatasource

序號數(shù)據(jù)名稱時相數(shù)據(jù)來源1遙感影像1990年、2002年全色航片為主2015年Worldview-1、Worldview-2、ZY-3、TH1、GF1等衛(wèi)星影像2縣級行政區(qū)劃界線2014年省級測繪地理信息部門3人口和GDP數(shù)據(jù)1990年、2002年、2015年1990、2002、2015年中國城市統(tǒng)計年鑒4土地利用數(shù)據(jù)1990年中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心5全國第一次地理國情普查地表覆蓋和地理國情要素數(shù)據(jù)2015年國家測繪地理信息局6基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)1990年、2002年國家測繪地理信息局

2 結(jié)果與分析

2.1 城區(qū)邊界提取結(jié)果的準(zhǔn)確性分析

目前城區(qū)邊界并沒有標(biāo)準(zhǔn)化的提取方法，本文綜合已有城區(qū)相關(guān)概念提出了可操作性強、規(guī)范化的城區(qū)半自動提取方法。京津冀縣級以上城市城區(qū)邊界提取由解譯人員嚴(yán)格按照規(guī)范操作，故能夠保證城區(qū)邊界提取結(jié)果的準(zhǔn)確性。

影像數(shù)據(jù)源方面，京津冀城市群3期影像的幾何配準(zhǔn)精度小于2個像素，保證了采用更新提取歷史期城區(qū)邊界的可行性。城區(qū)邊界采集方面，每個城市的城區(qū)由解譯人員按照規(guī)范化方法編輯修正，邊界盡量沿全國第一次地理國情普查成果邊界勾繪，保證城區(qū)邊界走向的準(zhǔn)確。然后由非該城市的解譯人員按照規(guī)范對城區(qū)提取成果進行檢查，確保城區(qū)邊界提取的準(zhǔn)確性。

城區(qū)邊界提取最大的難點在于集中連片、城市景觀和飛地型城區(qū)的判斷，本文研究通過參考地理國情要素的點狀地理單元數(shù)據(jù)BUCP、面狀地理單元數(shù)據(jù)BUCA圖層、BERA2層、LCTL層，基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)中的RES_PT層，以及百度和高德地圖興趣點信息，很好地解決了上述城區(qū)相關(guān)三大特征的判斷，確保了城區(qū)邊界提取的準(zhǔn)確性。

2.2 城區(qū)時空擴展過程

2.2.1 城區(qū)時空擴展過程

1990、2002、2015年京津冀城市群縣級以上城市的城區(qū)總面積分別為2 010.82、2 833.64、4 339.68 km2，分別占區(qū)域總面積的0.9%、1.3%、2.0%。25年來京津冀城市群的城區(qū)面積持續(xù)增加，面積增加2 328.86 km2，增加了1.16倍，相當(dāng)于再造了2.56個北京城。2015年各地級以上行政區(qū)(含所轄市轄區(qū)和縣級城市)內(nèi)的城區(qū)面積從大到小依次為天津市(25.48%)、北京市(23.62%)、唐山市(7.58%)、石家莊市(7.39%)、保定市(6.40%)、滄州市(5.11%)、邢臺市(4.68%)、邯鄲市(4.53%)、廊坊市(4.06%)、張家口市(3.56%)、秦皇島市(3.01%)、衡水市(2.71%)、承德市(1.88%)，其中北京、天津兩地區(qū)城區(qū)面積占京津冀城市群城區(qū)總面積的近1/2。2015年城區(qū)面積最大的地級以上城市依次為天津市、北京市、唐山市、石家莊市、秦皇島市、邯鄲市、廊坊市、張家口市、保定市、邢臺市、滄州市、衡水市、承德市。2015年城區(qū)面積最大的10個縣級城市依次為三河市、任丘市、涿州市、遷安市、靜?？h、灤南縣、辛集市、黃燁市、遵化市、寧河縣。

2002年比1990年城區(qū)面積增長了822.83 km2，面積增長前3的地級行政區(qū)為天津市、北京市、保定市，分別占總增長面積的17.80%、15.60%和13.04%。2015年比2002年城區(qū)面積增長了1 506.03 km2，面積增長前3的地級行政區(qū)為天津市、北京市、唐山市，分別占總增長面積的37.33%、15.44%和8.53%。天津市和北京市地級行政區(qū)的增長面積遠(yuǎn)超過其他地區(qū)。1990—2015年，京津冀縣級以上城市的城區(qū)平均擴展速度為0.63 km2/年。地級以上城市(僅指市轄區(qū)范圍)中，天津市城區(qū)擴展速度最快，為26.92 km2/年。承德市城區(qū)擴展速度最慢，為0.46 km2/年?？h級城市中，廊坊市與三河市城區(qū)擴展速度最快，為1.00 km2/年。保定市阜平縣擴展速度最慢，為0.03 km2/年。1990—2015年，城區(qū)面積擴展比例超過1倍的城市有119個，京津冀縣級以上城市總體上擴展強度非常大。擴展比例最大的遷安市和擴展比例最小的井陘縣二者25年間的城區(qū)面積擴展比例相差28.4倍。

京津冀城市群25年間擴展較快的地區(qū)主要集中在北京市、天津市、廊坊市、唐山市、石家莊市、邯鄲市及周邊地區(qū)，其中北京、天津、廊坊、唐山地區(qū)的城區(qū)擴展速度明顯高于其他地區(qū)，而北京、天津擴展尤為突出。表明該地區(qū)“地”的城鎮(zhèn)化規(guī)模和速度遠(yuǎn)高于其他地區(qū)(圖2)，廊坊和唐山受北京、天津的輻射影響較為明顯。與之形成鮮明對比，京津冀城市群的西部和北部山區(qū)，以及其他平原地區(qū)的城區(qū)擴展相對較慢。一方面是由于地形因素限制了上述地區(qū)的城區(qū)擴展，另一方面也表明京津冀城市群的核心城市北京、天津僅對其周邊產(chǎn)生了一定的輻射作用，影響范圍還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，京津冀一體化協(xié)同發(fā)展亟待加強。

表3京津冀城市群地級以上城市1990—2015年城區(qū)面積

Tab.3UrbanareaofmaincitiesofBeijing-Tianjin-Hebeiurbanagglomerationduring1990—2015km2

城市名市轄區(qū)范圍城區(qū)面積行政區(qū)劃范圍城區(qū)面積1990年2002年2015年1990年2002年2015年北京市653.3772.8997.9664.0792.41024.9天津市380.3517.51053.3396.8543.31105.6石家莊市114.0138.9167.3176.5243.5320.5唐山市115.6149.8227.0142.8200.4328.8秦皇島市42.966.6107.552.081.5130.6邯鄲市36.957.281.778.7128.6196.7邢臺市33.344.258.777.2126.4203.0保定市39.555.465.6101.2208.4277.7張家口市35.749.467.872.4104.4154.6承德市18.320.629.845.852.381.5滄州市30.940.655.4104.8165.9221.9廊坊市18.640.172.752.6103.0176.1衡水市14.428.136.946.283.4117.8

圖2 京津冀城市群1990—2015年城市空間擴展分布
Fig.2 Urban spatial expansion distribution of Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration during 1990—2015

2.2.2 城區(qū)空間形態(tài)及結(jié)構(gòu)變化

1990—2002年，京津冀地區(qū)城區(qū)以粗放式擴展為主擴展，2002年之后城市趨于集約型擴展，25年間整體呈現(xiàn)出以中心城區(qū)外圍的“組團”式外延擴展為主。京津冀地區(qū)城市空間結(jié)構(gòu)演變特征各具特色，圈層、軸線、帶狀擴展模式并存。京津冀縣級以上城市的緊湊度指數(shù)和分形維數(shù)計算結(jié)果顯示，城市空間擴展的節(jié)律變化對城市空間形態(tài)的影響十分顯著。中心城區(qū)的緊湊度指數(shù)和邊界分形維數(shù)的變化較大，說明城區(qū)在擴展過程中，主要以中心城區(qū)外圍的“片狀”建設(shè)形態(tài)為主，也即“組團”擴張為主導(dǎo)，城區(qū)邊緣的不規(guī)則程度加劇；但2002—2015年，隨著城市擴展逐步由粗放式擴展向集約型調(diào)整，城區(qū)不規(guī)則程度有小幅度降低。1990—2015年北京市城區(qū)擴展空間結(jié)構(gòu)由“圈層+軸線”向“圈層+帶狀”結(jié)構(gòu)模式演變；1990—2015年天津市城區(qū)擴展空間結(jié)構(gòu)由“單中心圈層”向“圈層+軸線”結(jié)構(gòu)模式演變；1990—2015年石家莊市城市擴展空間結(jié)構(gòu)基本保持“單中心圈層”結(jié)構(gòu)模式擴展。

2.2.3 城區(qū)擴展協(xié)調(diào)性

1990—2002年，廊坊市(3.36)、唐山市(2.07)、邯鄲市(2.07)、張家口市(1.50)的城市用地增長彈性系數(shù)遠(yuǎn)高于最優(yōu)值1.12，表明該4個城市城區(qū)擴展速度高于城市人口增長速度，城區(qū)的土地利用效率下降；北京市(0.47)、石家莊市(0.48)、承德市(0.54)、滄州市(0.82)、保定市(0.94)、邢臺市(0.94)的城市用地增長彈性系數(shù)遠(yuǎn)低于合理值1.12，表明該6個城市城區(qū)擴展速度低于城市人口增長速度，城區(qū)過快的人口涌入會產(chǎn)生交通擁堵、基礎(chǔ)設(shè)施配套不足等一系列的城市病。秦皇島市(1.23)和天津市(1.13)城市用地增長彈性系數(shù)相對合理。2002—2015年，天津市(6.77)、張家口市(4.41)、廊坊市(3.79)、滄州市(2.07)、秦皇島市(1.95)、邯鄲市(1.40)城市用地增長彈性系數(shù)遠(yuǎn)高于最優(yōu)值1.12，表明該6個城市城區(qū)擴展速度高于城市人口增長速度，城區(qū)土地利用效率下降。唐山市(0.62)、保定市(0.78)、石家莊市(0.25)、邢臺市(0.57)的城市用地增長彈性系數(shù)遠(yuǎn)低于合理值1.12，表明該6個城市城區(qū)擴展速度低于城市人口增長速度。2002—2015年相比1990—2002年，京津冀城市群地級市轄區(qū)的城市用地增長彈性系數(shù)與合理值差距整體拉大，且總體上呈現(xiàn)兩極分化的趨勢，只有北京市和邯鄲市的城區(qū)擴展協(xié)調(diào)性在增強。

2.2.4 城區(qū)擴展占用土地類型

隨著城市規(guī)模不斷擴大，受城市周邊開發(fā)區(qū)建設(shè)、城市新區(qū)、工業(yè)用地外遷的影響，城市周邊土地利用類型轉(zhuǎn)換主要集中在耕地、建設(shè)用地、居住地和工業(yè)用地。京津冀地區(qū)1990—2015年城區(qū)擴展占用耕地的比例為54.31%，占用農(nóng)村居民點及其他建設(shè)用地的比例為38.86%。城市擴展過程中，占用耕地、不斷吸納附近地區(qū)的農(nóng)村居民點和其他建設(shè)用地是城區(qū)擴展占用土地的主要方式。

3 結(jié)論與討論

本文在分析已有城區(qū)相關(guān)概念的基礎(chǔ)上，充分利用高分辨率遙感影像中展現(xiàn)出的城市景觀和形態(tài)、集中連片等空間可視化特征，結(jié)合住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部需求，從城市實際建設(shè)完成情況出發(fā)，提出了一套基于高分辨率影像和地理信息資料輔助的城區(qū)半自動化提取方法。該方法具有規(guī)范性強、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一等特點，且可操作性強，推廣應(yīng)用價值大。提出的城區(qū)邊界提取方法所用影像分辨率高，城區(qū)邊界勾繪精度高，可得到更高精度的城區(qū)邊界數(shù)據(jù)，同時避免了以不透不面(建設(shè)用地)替代城區(qū)時城區(qū)范圍內(nèi)城市綠地、公園水體等地類缺失等問題。全國第一次地理國情普查成果和基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)等多元輔助數(shù)據(jù)的使用，使城區(qū)提取質(zhì)量更加可靠。半自動化的提取方法可同時兼顧效率和精度，為工程化應(yīng)用提供了可能。該技術(shù)方法和監(jiān)測結(jié)果已應(yīng)用于住建部門開展城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計和城市總體規(guī)劃實施評估。

此外，通過開展京津冀城市群1990—2015年的城區(qū)時空擴展分析，得出如下結(jié)論：①京津冀城市群縣級以上城市的城區(qū)擴展迅猛，城區(qū)面積地區(qū)差異顯著，集中度高，且擴展速度和擴展比例嚴(yán)重不均衡。②京津冀城市群城市擴展以中心城區(qū)外圍的“組團”式的外延擴展為主。京津冀地區(qū)城市空間結(jié)構(gòu)演變特征各具特色，圈層、軸線、帶狀擴展模式并存。③京津冀城市群城市空間擴展與人口增長不協(xié)調(diào)，且不協(xié)調(diào)性呈兩極分化趨勢。④京津冀城市群城市周邊用地結(jié)構(gòu)變化劇烈，城區(qū)擴展占用地以耕地為主。

為使京津冀城市群能夠更好地朝集約、高效、綠色、協(xié)調(diào)發(fā)展，筆者提出以下幾條建議：盡快劃定城市開發(fā)邊界，嚴(yán)控大城市的城區(qū)擴展速度和建設(shè)規(guī)模，加快小城市的快速發(fā)展，促進城市擴展均衡化；提高城市擴展與人口增長的協(xié)調(diào)性，既要避免城區(qū)擴展過快，也要避免人口增長過快；新型城鎮(zhèn)化發(fā)展要兼顧城市用地效率的產(chǎn)出和生態(tài)文明的建設(shè)，堅持集約發(fā)展，樹立“精明增長”“緊湊城市”理念，做好城區(qū)內(nèi)部用地的潛力挖掘。

下一步研究工作包括：①優(yōu)化城區(qū)邊界提取算法，將現(xiàn)有城區(qū)邊界提取原則轉(zhuǎn)化為機器學(xué)習(xí)算法，減少人工干預(yù)程度，提升初始城區(qū)邊界到最終城區(qū)邊界修正的自動化程度；②收集1990、2002和2015年城區(qū)范圍內(nèi)的土地利用數(shù)據(jù)，分析京津冀城市群城區(qū)范圍內(nèi)建設(shè)用地與其他類型用地的空間分布及所占比例變化，為城市群空間格局優(yōu)化提供建議；③研究自動化或半自動化的城區(qū)內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息提取方法，為城區(qū)時空擴展分析，以及城鄉(xiāng)規(guī)劃和規(guī)劃實施評估提供更加豐富、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源。

致謝：感謝北京市測繪設(shè)計研究院、天津市測繪院、河北省地理信息局在影像數(shù)據(jù)處理、專題資料收集方面提供的幫助。