成渝城市群城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張格局及規(guī)模體系分析

張亞萍，張 平，孫丹峰，劉順喜，倫 飛

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100093；2.中國(guó)國(guó)土勘測(cè)規(guī)劃院，北京 100035)

經(jīng)過(guò)近四十年來(lái)快速城鎮(zhèn)化的發(fā)展，我國(guó)的城市化水平已由1980年的19.4%增長(zhǎng)至2018年的59.58%。城市建設(shè)用地的空間擴(kuò)展是評(píng)估城市化進(jìn)程的一個(gè)重要指標(biāo)[1]，城市形態(tài)作為城市化的結(jié)果，其空間格局的演變明確反映了城市化過(guò)程。城市群作為一個(gè)地區(qū)的增長(zhǎng)極，對(duì)帶動(dòng)整體區(qū)域發(fā)展更有積極作用。研究與揭示城市群的空間擴(kuò)張規(guī)律，對(duì)理解區(qū)域城鎮(zhèn)化過(guò)程及優(yōu)化城鎮(zhèn)布局具有重要意義。繼我國(guó)在過(guò)去的十五年將城市群提升為新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的“主體形態(tài)”后，學(xué)者們對(duì)城市群這一城市空間發(fā)展的高級(jí)組織形式的研究也有升溫趨勢(shì)。從既有的學(xué)術(shù)研究?jī)?nèi)容來(lái)看，對(duì)城市群擴(kuò)張的研究主要分為4類：城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張時(shí)空特征分析[2-3]、驅(qū)動(dòng)力分析[4]、擴(kuò)張效應(yīng)分析[5-6]及城市擴(kuò)張動(dòng)態(tài)模擬分析[7-8]，而缺乏從城市整體規(guī)模體系角度對(duì)城市群發(fā)展的考量。從研究區(qū)域來(lái)看，學(xué)者們對(duì)京津冀[9-10]、珠三角[11]、長(zhǎng)三角[12-13]及長(zhǎng)江中游[14]等城市群進(jìn)行了廣泛研究，但主要集中于東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市群，而對(duì)西部城市群的研究關(guān)注度不夠。成渝城市群作為中國(guó)西部地區(qū)唯一的國(guó)家級(jí)重點(diǎn)城市群，其一體化發(fā)展對(duì)推進(jìn)共建“一帶一路”也發(fā)揮著帶動(dòng)作用，對(duì)其研究還亟待完善，而基于長(zhǎng)時(shí)間序列對(duì)其擴(kuò)張時(shí)序特征的研究則更為匱乏。

本文試圖借助多源遙感數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)近三十年成渝城市群城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張制圖，分析城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張格局階段性特征，揭示成渝城市群城市發(fā)展規(guī)律；識(shí)別城市群城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張模式，并對(duì)其進(jìn)行定量評(píng)估；分析城市規(guī)模體系，探討城市群發(fā)育特征，以期從多個(gè)維度揭示城市群擴(kuò)張速度-分布-模式-規(guī)模體系。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)源及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

依據(jù)《成渝城市群發(fā)展規(guī)劃》劃定本文研究范圍，但《規(guī)劃》中涉及的達(dá)州市并不包括完整行政邊界，重慶市開(kāi)縣及云陽(yáng)的部分地區(qū)并未劃定具體范圍，因此上述地區(qū)并未納入本文研究區(qū)范圍(圖1)。本文研究的空間范圍具體包括成都、重慶、德陽(yáng)、綿陽(yáng)、樂(lè)山、眉山、資陽(yáng)、內(nèi)江、宜賓、瀘州、南充、遂寧、廣安、雅安、自貢15個(gè)市。

圖1 研究區(qū)范圍

1.2 數(shù)據(jù)源

本文涉及的研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為成渝城市群1990、2000、2005、2010、2013、2018年城市建設(shè)用地提取信息(包含轄縣、轄市建設(shè)用地)，其中1990—2013年城市建設(shè)用地空間數(shù)據(jù)由中國(guó)土地勘測(cè)規(guī)劃院提供，主要處理過(guò)程為選用Landsat TM、ETM+、BJ-1等多源遙感數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)正射校正等預(yù)處理后，導(dǎo)入ArcGIS軟件，利用人機(jī)交互判讀方法，由長(zhǎng)期從事遙感影像解譯的專業(yè)人員提取城市建設(shè)用地。提取成果由專業(yè)質(zhì)檢部門(mén)進(jìn)行內(nèi)業(yè)核查，有疑問(wèn)區(qū)域進(jìn)行外業(yè)核實(shí)，總體采集精度控制在實(shí)地5 m以內(nèi)。2018年城市擴(kuò)張數(shù)據(jù)由16景覆蓋成渝城市群的OLI影像拼接而成，城市建設(shè)用地提取擴(kuò)張方法同上，精度驗(yàn)證通過(guò)選取樣本導(dǎo)入Google Earth完成，總體精度滿足分析城市建設(shè)用地空間格局研究的需求。

1.3 研究方法

1.3.1 建設(shè)用地年均增長(zhǎng)率指數(shù)(AGR)

建設(shè)用地年均增長(zhǎng)率指數(shù)AGR(annual growth rate)用來(lái)衡量城市用地年變化速率。公式為

(1)

式中，Astart為研究初期建設(shè)用地面積；Aend為研究期末建設(shè)用地面積；n為研究期末間隔年限。

1.3.2 核密度估計(jì)

本文將新增城市建設(shè)用地圖斑劃分為1 km網(wǎng)格并作為基礎(chǔ)單元，依托于ArcGIS軟件進(jìn)行核密度分析，挖掘其擴(kuò)張熱點(diǎn)空間分布規(guī)律。核密度的計(jì)算公式為

(2)

1.3.3 位序-規(guī)模法則

位序-規(guī)模法則是美國(guó)學(xué)者齊普夫(Zipf)于1949年針對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家城市體系提出的城市規(guī)模分布規(guī)律。計(jì)算公式為

(3)

為直觀起見(jiàn)，將該公式進(jìn)行自然對(duì)數(shù)變換

lnPi=lnP1-qlnR+δ

(4)

式中，Pi為按規(guī)模從大到小排列第i位城市的規(guī)模；P1為首位城市規(guī)模；Ri為Pi城市的位序；參數(shù)q通常被稱為Zipf指數(shù)；δ為常數(shù)。

當(dāng)q=1時(shí)，首位城市與最小規(guī)模城市之比等于總的城市數(shù)量，Zipf認(rèn)為此時(shí)為城市等級(jí)規(guī)模分布的理想狀態(tài);當(dāng)q>1時(shí)，城市規(guī)模分布差異較大，高位序城市很突出，低位序城市發(fā)展不足，當(dāng)q→時(shí)，表示區(qū)域內(nèi)只有一個(gè)城市;當(dāng)q<1時(shí)，高位城市不突出，中小城市發(fā)展較好，城市規(guī)模均勻分布，當(dāng)q→0時(shí)，表示所有城市規(guī)模一樣大。

2 城市建設(shè)用地總體擴(kuò)張格局分析

2.1 城市群城市建設(shè)用地總體擴(kuò)張及各市年擴(kuò)張面積

研究期內(nèi)成渝城市群城市建設(shè)用地面積持續(xù)增加，從1990年的590.17 km2增加至2018年的5 022.78 km2，增長(zhǎng)了4 432.61 km2，擴(kuò)張了751.07%，年均擴(kuò)張面積為158.31 km2。其從1990年至2018年城市建設(shè)用地覆蓋面積AGR為7.95%，根據(jù)文獻(xiàn)[15—16]研究，1992—2015年在全國(guó)尺度上城市建設(shè)用地面積年均增速為8.1%,可見(jiàn)成渝城市群城市建設(shè)用地增速持平于全國(guó)平均水平。

從時(shí)間序列來(lái)看，成渝城市群的城市建設(shè)用地AGR由1990—2000年的5.17%增至2000—2005年的11.55%，隨后在2005—2010年放緩至9.93%，在2010—2013年到達(dá)頂峰為13.63%，2013—2018年落回至4.80%。從地級(jí)市尺度上來(lái)看，重慶市1990—2018年年均城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張面積最高，達(dá)51.27 km2，成都市緊隨其后，為47.15 km2，而雅安、自貢、宜賓、瀘州等城市建設(shè)用地面積增速則較緩，均低于5 km2/a；從區(qū)域上來(lái)看(如圖2所示)，城市建設(shè)用地面積增速?gòu)某傻戮d樂(lè)都市帶(成都、德陽(yáng)、綿陽(yáng)、樂(lè)山)、重慶都市圈、川東北城鎮(zhèn)密集區(qū)、川南城鎮(zhèn)密集區(qū)依次降低，呈現(xiàn)“中部高速，南北低速”的特點(diǎn)，成都都市帶城市建設(shè)用地面積增速最快，為82.41 km2/a，川南城市建設(shè)用地面積增速最慢，僅為12.93 km2/a。

圖2 研究區(qū)城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張格局

2.2 城市群城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張核密度分析

從城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張核密度來(lái)看(如圖3所示)，成渝城市群的城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張密度分布呈現(xiàn)明顯的分異格局，主要表現(xiàn)為成都、重慶為高值中心，川南為低值連片分布的特點(diǎn)。成渝城市群城市建設(shè)地?cái)U(kuò)張核密度均值為0.03個(gè)/km2，成渝城市群核密度高值區(qū)主要集中在成都、重慶二市，密度均值為0.47個(gè)/km2。此外，成德綿樂(lè)都市帶(成都、德陽(yáng)、綿陽(yáng)、樂(lè)山)中除成都外的節(jié)點(diǎn)城市擴(kuò)張密度值較高，密度均值為0.11個(gè)/km2。

值得注意的是，由圖3可以看到，除成都市與德陽(yáng)市的城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張呈現(xiàn)一體化趨勢(shì)外，其他地區(qū)并未出現(xiàn)高值區(qū)聚集分布，各市均為單獨(dú)發(fā)展，沒(méi)有形成連片發(fā)展格局。同時(shí)，這也說(shuō)明了城市群內(nèi)部的發(fā)展不夠集聚，核心城市對(duì)周邊地市的輻射作用不夠強(qiáng)，城市群協(xié)同一體化發(fā)展還有很大的空間。

3 城市群擴(kuò)張模式分析

1990—2018年間，成渝城市群土地利用/覆被發(fā)生了極大的變化，大量的非建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。整體來(lái)看，新增城市建設(shè)用地的擴(kuò)張模式以蔓延式為主，飛地式為輔，填充式所占比例最低(圖4)。1990—2013年間，飛地式擴(kuò)張模式在3種模式中所占比例不斷攀升，直至2013年達(dá)到最高值49.14%。根據(jù)城市增長(zhǎng)相位理論[17]，飛地式擴(kuò)展模式增加的過(guò)程在城市增長(zhǎng)理論中稱為擴(kuò)散，城市群一直處在發(fā)展階段，城市群發(fā)展結(jié)構(gòu)趨于疏松。蔓延式擴(kuò)張?jiān)诟麟A段中一直處于絕對(duì)主導(dǎo)地位，而蔓延式擴(kuò)張常為城市出現(xiàn)“攤大餅”建設(shè)的原因，常伴隨著城市土地利用密度低、城市無(wú)序擴(kuò)張的結(jié)果。填充式擴(kuò)張模式在研究期間占3種擴(kuò)張模式的比例一直最少，填充式擴(kuò)張代表精明、緊湊的城市擴(kuò)張模式，一般為城市群發(fā)展到一定階段后出現(xiàn)的內(nèi)涵式發(fā)展，這說(shuō)明研究期內(nèi)的成渝城市群土地利用不夠集約?？傮w而言，成渝城市群在研究期內(nèi)城市擴(kuò)張呈現(xiàn)無(wú)序蔓延的態(tài)勢(shì)，并未趨于緊湊。

圖4 1990—2018年間研究區(qū)3種擴(kuò)張模式比例

4 城市群規(guī)模體系分析

將成渝城市群各時(shí)期的城市建設(shè)用地規(guī)模進(jìn)行排序，由圖5可以看出城市群用地規(guī)模分布的變動(dòng)情況。成渝城市群內(nèi)部各市用地規(guī)模發(fā)展差異巨大，呈“長(zhǎng)尾”型發(fā)展態(tài)勢(shì)和明顯的“雙極”發(fā)展。自2000年以后，成渝二市用地規(guī)模飛速發(fā)展，與之對(duì)應(yīng)的是，城市群內(nèi)的其他中小城市用地規(guī)模則停滯不前，繼而二者在城市用地規(guī)模上出現(xiàn)斷崖式差距。成渝二市在城市群規(guī)模發(fā)展中的壟斷力相對(duì)較強(qiáng)，主導(dǎo)作用明顯，而首位城市與其他城市間的規(guī)模差距大，城市規(guī)模分布均衡度較弱。這說(shuō)明成渝城市群整體用地規(guī)模發(fā)展極不平衡，城市規(guī)模沒(méi)有出現(xiàn)均衡有序的金字塔式等級(jí)體系。

圖5 1990—2018年研究區(qū)城市城市規(guī)模排序

將1990—2018年間五個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的成渝城市群15個(gè)城市的用地規(guī)模和位序按照位序-規(guī)模法則進(jìn)行雙對(duì)數(shù)回歸，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知：1990—2018年內(nèi)各時(shí)期擬合優(yōu)度R2均在0.9以上，模型擬合效果良好。各時(shí)期Zipf維數(shù)(即q值)均大于1，介于1.15～1.45，表明高位城市與中低位城市間的差距較大，高位序城市較為突出，而中小城市發(fā)育不夠，城市規(guī)模分布比較分散?？傮w上各年份q值持平，由1990年的1.24降至2018年的1.15，僅減少了7.26%。

圖6 1990—2018年研究區(qū)城市用地規(guī)模分布的位序-規(guī)模對(duì)數(shù)曲線

根據(jù)q值的波動(dòng)情況，將研究期分為3個(gè)階段：①1990—2000年，這時(shí)的q值介于1.20～1.24之間，在3個(gè)時(shí)期中q值最為平穩(wěn)，且q值較接近于1，說(shuō)明這個(gè)時(shí)期的成渝城市群城市規(guī)模較為均衡，比較接近于Zipf法則的理想狀態(tài)；②2000—2010年，q值由1.20持續(xù)上升至最大值1.45，城市群規(guī)模分布較為極化，高位序城市發(fā)展較快，中小城市則發(fā)育相對(duì)不足；③2010—2018年，這個(gè)時(shí)期的q值持續(xù)回落，由1.45降低至最小值1.15，說(shuō)明2010年后城市規(guī)模分布日趨平衡，中低位序城市發(fā)展，城市之間差異逐漸減小，成渝城市群城市城市體系趨向合理。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以成渝城市群為例，基于多源遙感影像提取的城市群城市建設(shè)用地?cái)?shù)據(jù)，綜合運(yùn)用定性與定量的方法，分別從擴(kuò)張速度、熱點(diǎn)、模式及城市群規(guī)模體系等方面，探討了城市群城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張規(guī)律，對(duì)其空間擴(kuò)張過(guò)程與城市群發(fā)育特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明，1990—2018年，成渝城市群城市建設(shè)用地面積呈現(xiàn)由“高速增長(zhǎng)”至“平穩(wěn)增長(zhǎng)”的態(tài)勢(shì)。城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張核密度分布主要呈現(xiàn)成渝二市為高值中心，川南地區(qū)低值連片分布的特征。各時(shí)期成渝城市群新增城市建設(shè)用地均以蔓延式擴(kuò)張為主，飛地式擴(kuò)張為輔，填充式所占比例最少，且成渝城市群城市規(guī)模體系時(shí)間序列演化由極化趨于均衡。本文的研究結(jié)果為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供了科學(xué)的參考意見(jiàn)。