天山北坡城市群城市景觀時(shí)空擴(kuò)張過(guò)程及多情景模擬

張麗芳,方創(chuàng)琳,2,*,高 倩

1 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830046 2 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101

城市群是區(qū)域經(jīng)濟(jì)集聚、新型工業(yè)化、城鎮(zhèn)化發(fā)展到一定程度的先進(jìn)地域空間載體[1- 2],當(dāng)前正處于全球城市化快速發(fā)展階段,城市群之間的競(jìng)爭(zhēng)逐漸取代了單個(gè)城市間的競(jìng)爭(zhēng),城市群承載了世界經(jīng)濟(jì)重心轉(zhuǎn)移的歷史使命,其地位與作用日益突出[3]?！秶?guó)家新型城鎮(zhèn)化發(fā)展規(guī)劃(2014—2020)》,將城市群作為推進(jìn)國(guó)家新型城鎮(zhèn)化的空間主體,城市群發(fā)展已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)城市群景觀格局、城市擴(kuò)張、土地配置、城市生態(tài)等方面的廣泛關(guān)注。城市擴(kuò)張是自然人文多因素驅(qū)動(dòng)的不斷改變區(qū)域空間土地利用、景觀格局的過(guò)程,在這一過(guò)程中,不斷擴(kuò)張的城市用地與有限的國(guó)土資源之間的矛盾、快速發(fā)展的城市化與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾逐漸顯現(xiàn),這種問(wèn)題在發(fā)展中國(guó)家尤為明顯[4- 5]。因此,構(gòu)建多情景下的城市群空間動(dòng)態(tài)模擬,探討多目標(biāo)策略下的城市群發(fā)展態(tài)勢(shì),是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難題。

在過(guò)去幾十年里,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于城市群的研究主要體現(xiàn)以下四個(gè)方面：(1)在研究?jī)?nèi)容上,學(xué)者從城市發(fā)展對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響[6- 7]、城鎮(zhèn)化與生態(tài)耦合之間的關(guān)系[8- 10]、城市發(fā)展驅(qū)動(dòng)力機(jī)制[11]、城市化擴(kuò)張對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響等方面做了大量研究；(2)在研究方法上,主要集中在遙感技術(shù)與新模型相結(jié)合[11- 12]、回歸與地理加權(quán)分析[13]、空間相關(guān)性分析[14]、景觀指數(shù)分析法[15]、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[16]、CA模型、引力模型[17]等方法,利用多模型、多學(xué)科交叉及定性、定量相合方法來(lái)研究城鎮(zhèn)化的發(fā)展機(jī)制。可見(jiàn),國(guó)內(nèi)外對(duì)城市群空間格局的研究主要集中城市發(fā)展與外界因素的相互關(guān)系中,利用計(jì)量方法與處理多目標(biāo)決策問(wèn)題；(3)在研究尺度上,主要以中國(guó)東部中小尺度的城市為主,研究區(qū)域主要集中在京津冀、長(zhǎng)株潭等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的城市群,以中國(guó)的中西部欠發(fā)達(dá)典型區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,探討其城市景觀擴(kuò)張模式以及多情景模擬預(yù)測(cè)的相關(guān)研究較少[18]；(4)在研究形態(tài)方面,對(duì)城市群的研究主要集中在景觀擴(kuò)張速度與數(shù)量,而對(duì)城市群不同擴(kuò)張模式的研究與模擬尚且較少。很多僅僅側(cè)重對(duì)城市景觀格局的集合特征的研究與描述,忽略了城市景觀格局動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程信息[19]。

20世紀(jì)90年代以來(lái),隨著數(shù)學(xué)計(jì)量方法與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛罅康慕Y(jié)合運(yùn)用,城市地理學(xué)進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)代[20],在城市群的景觀格局及未來(lái)模擬的相關(guān)研究中,較少?gòu)某鞘幸?guī)劃與管控出發(fā),導(dǎo)致對(duì)土地政策的作用機(jī)制和管控效應(yīng)較弱。景觀指數(shù)可以刻畫(huà)出城市群生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)未來(lái)發(fā)展的演變趨勢(shì),近年來(lái),Markov模型、CA模型[21]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、SD模型、CLUE模型、CLUE-S等模型在預(yù)測(cè)模擬景觀變化及土地利用上廣泛應(yīng)用,CA模型與Markov模型的結(jié)合使預(yù)測(cè)土地需求的精度大大提高,大大降低了模型構(gòu)建和參數(shù)確定的難度。Dyna-CLUE模型是在CLUE-S模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),可從城市發(fā)展的歷史趨勢(shì)與國(guó)家政策規(guī)劃相結(jié)合,進(jìn)行適當(dāng)?shù)木坝^及土地利用模擬與調(diào)控[22- 23]。因此,在Markov模型和CA模型相結(jié)合的基礎(chǔ)上,結(jié)合Dyna-CLUE模型,利用各模型的優(yōu)勢(shì)可在模擬效果上可以得到很好的提高。

中國(guó)是全球城市群未來(lái)發(fā)展和研究的中心,有關(guān)城市群景觀格局與情景模擬、預(yù)測(cè)的研究方興未艾,目前已成為中國(guó)城市群研究的重要方向之一[24]。隨著國(guó)家級(jí)城市群規(guī)劃的陸續(xù)出臺(tái),各種預(yù)測(cè)模型的不斷豐富,西部培育型城市群相關(guān)研究也逐步進(jìn)入研究視野。探究邊疆型城市群的空間格局演化規(guī)律,對(duì)提升區(qū)域要素集聚與承載能力,優(yōu)化城市群功能布局等具有重要的實(shí)踐價(jià)值。天山北坡城市群位于中國(guó)西北邊陲地區(qū),地處中國(guó)—中亞西亞經(jīng)濟(jì)走廊、中俄蒙經(jīng)濟(jì)走廊和中巴經(jīng)濟(jì)走廊輻射帶動(dòng)的交匯地帶,是絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶上重要的戰(zhàn)略支撐點(diǎn)、我國(guó)向西開(kāi)放的重要橋梁和紐帶,在國(guó)家全方位開(kāi)放格局和現(xiàn)代化建設(shè)中具有舉足輕重的戰(zhàn)略地位[25]。同時(shí),天山北坡城市群作為新疆經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、城市最密集、政策與資源最優(yōu)惠的地區(qū),是新疆今天和未來(lái)新型城鎮(zhèn)化的主體區(qū)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展核心區(qū),在全疆有著舉足輕重的影響。目前對(duì)天山城市群的相關(guān)研究較少,主要集中在城市群經(jīng)濟(jì)與空間聯(lián)系度[26- 27]、城市群的單要素特性[28]、城市群空間結(jié)構(gòu)形態(tài)[29]、城市群景觀遙感監(jiān)測(cè)等方面[30],迄今為止,還未有關(guān)于天山北坡城市群擴(kuò)張模式的研究。鑒于此,本文以長(zhǎng)時(shí)間序列的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品為基礎(chǔ),采用景觀擴(kuò)張指數(shù)、擴(kuò)張強(qiáng)度、重心轉(zhuǎn)移模型,深入定量分析1990—2015年的城市群城市擴(kuò)張的時(shí)空演變規(guī)律,引入Dyna-CLUE模型構(gòu)建2025年多情景模擬,從而探究未來(lái)的城市擴(kuò)張時(shí)空發(fā)展趨勢(shì),為天山北坡城市群的城市化有序建設(shè)與國(guó)土空間布局規(guī)劃提供決策依據(jù)。

1 區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

圖1 天山北坡城市群地理位置Fig.1 Spatial scope of urban agglomeration on the northern slope of Tianshan Mountains

天山北坡城市群地處亞歐大陸腹地,是中國(guó)西北內(nèi)陸干旱區(qū)的新興城市群,同時(shí)也是“一帶一路”經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展建設(shè)的核心城市群,在興疆固邊中發(fā)揮著不可代替的重要作用。如圖1所示,地理位置介于83°24′—91°54′E、41°11′—46°12′N(xiāo)之間,海拔-160—5138 m,位于中國(guó)地形第二階梯的西緣,準(zhǔn)噶爾盆地的腹部。北接阿勒泰地區(qū)與塔城地區(qū)的托里縣、和布克賽爾蒙古自治縣；西臨博爾塔拉蒙古自治州的阿拉山口市、精河縣；東與哈密市的巴里坤哈薩克自治縣、伊州區(qū)相接；南臨伊犁哈薩克自治州的尼勒克縣與巴音郭楞蒙古自治州的和靜縣、和碩縣、尉犁縣、若羌縣。城市群空間范圍主要包括烏魯木齊市、克拉瑪依市、石河子市、吐魯番市等3個(gè)地級(jí)市、6個(gè)縣級(jí)市、12個(gè)市轄區(qū)、9個(gè)縣等區(qū)域,城市群規(guī)劃面積21.54 萬(wàn)平方公里,約占新疆的七分之一。 2016年GDP總值 5981.27 億元,占新疆的比重達(dá)到62%以上,依照城市群的發(fā)展態(tài)勢(shì),天山北坡城市群將是新疆今后發(fā)展新型城鎮(zhèn)化的主體區(qū)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展核心區(qū)[31]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究所使用的主要數(shù)據(jù)包括：①LUCC數(shù)據(jù)(30 m分辨率)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)提供的(1990年、2000年、2005年、2010年、2015年)5期土地利用數(shù)據(jù)/土地覆蓋解譯數(shù)據(jù)。根據(jù)研究需要,將土地利用數(shù)據(jù)分類(lèi)為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地6類(lèi)；② DEM、年降水量、土壤侵蝕度、NDVI、人均GDP、人口密度、道路密度等數(shù)據(jù),其數(shù)據(jù)均來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心,數(shù)據(jù)獲取后經(jīng)GIS軟件掩膜裁剪、重采樣為投影500 m×500 m分辨率,便于Dyna-CLUE模型的數(shù)據(jù)模擬；③ 其他數(shù)據(jù)包括研究區(qū)行政邊界矢量數(shù)據(jù)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料。

2 研究方法

2.1 景觀格局指數(shù)法

城市擴(kuò)張?jiān)谌藶榧白匀坏亩喾N因素交互作用的影響下,不僅會(huì)改變土地利用及景觀格局,同時(shí)又影響著內(nèi)部景觀生態(tài)過(guò)程[32]。為探究天山北坡城市群1990—2015年城市擴(kuò)張的景觀空間現(xiàn)象,對(duì)景觀空間格局的特征指數(shù)①斑塊數(shù)量(NP,Number of Patches)；②最大斑塊指數(shù)(LPI,Largest Patch Index)；③斑塊密度(PD,Patch Density)；④景觀形狀指標(biāo)(LSI,Landscape Shape Index)；⑤聚合指數(shù)(AI,Aggregation Index)；⑥分離度指數(shù)(DIVISION,Landscape Division Index)6個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了分析,從宏觀角度刻畫(huà)出城市擴(kuò)張過(guò)程中的景觀狀況及景觀格局的破碎化、異質(zhì)性和連通性等各個(gè)方面。指數(shù)計(jì)算在 Fragstats軟件中完成,通過(guò)對(duì)景觀格局進(jìn)行研究,可以有效地揭示城市擴(kuò)張下的景觀變異特征。

2.2 城市景觀擴(kuò)張指數(shù)法

景觀擴(kuò)張指數(shù)大小可反映城市化進(jìn)程中空間結(jié)構(gòu)變化情況。為此,利用劉小平等人提出的城市土地景觀擴(kuò)張指數(shù)(LEI,Landscape expansion index,)[33],定量的識(shí)別城市土地的增長(zhǎng)模式和分析景觀變化過(guò)程,指出飛地式、填充式、邊緣式的3種城市擴(kuò)張模式。該指數(shù)公式如下：

(1)

式中,LEI為新斑塊的景觀擴(kuò)張指數(shù)；AO為擴(kuò)張斑塊緩沖區(qū)與舊斑塊的重疊面積；AV為擴(kuò)張斑塊緩沖區(qū)面積與AO的差值。LEI范圍為[0, 100],當(dāng)LEI =0時(shí),擴(kuò)張模式為飛地式；當(dāng)LEI為(0, 50)時(shí),擴(kuò)張模式為邊緣式；當(dāng)LEI為[50, 100)時(shí),則為填充式擴(kuò)張[34]。

對(duì)于城市景觀擴(kuò)張過(guò)程,以平均斑塊擴(kuò)張指數(shù)(MEI,Mean Shape expansion Index)來(lái)定義：

(2)

式中, LEIi為新增建設(shè)用地的景觀擴(kuò)張指數(shù)；N為新增斑塊總的數(shù)量；MEI的值越大其景觀擴(kuò)張規(guī)模越緊湊。

以面積加權(quán)平均斑塊擴(kuò)張指數(shù)(AWLEI,Area Weighted Mean Expansion Index)來(lái)考慮單個(gè)新斑塊在整個(gè)斑塊擴(kuò)張類(lèi)型中的地位,公式如下:

(3)

式中,LEIi為新斑塊的景觀擴(kuò)張指數(shù)；ai是新斑塊的面積；A是研究區(qū)新斑塊的總面積。

2.3 城市擴(kuò)張強(qiáng)度與軌跡

城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)(UEII,Urban Expansion Intensity Index)表示在一定空間單元、一定階段內(nèi)城市用地面積的變化程度,計(jì)算城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)可研究城市群城市的發(fā)展速度和狀態(tài)[35]。其計(jì)算公式為：

(4)

重心轉(zhuǎn)移模型是描述地理對(duì)象在空間上的重要指標(biāo),常用來(lái)描述人口流動(dòng)、經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)移、城市演變過(guò)程[36]。通過(guò)空間重心模型分析,可以掌握城市群的城市擴(kuò)張強(qiáng)度的轉(zhuǎn)移軌跡與方向,其重心坐標(biāo)計(jì)算公式如下：

(5)

式中,X和Y分別表示城市擴(kuò)張強(qiáng)度重心坐標(biāo)的經(jīng)度和緯度；Gi為空間單元i的城市擴(kuò)展強(qiáng)度；Xi、Yi為空間單元i擴(kuò)展強(qiáng)度中心的經(jīng)緯度坐標(biāo)。

2.4 基于Dyna-CLUE模型的多情景模擬

Dyna-CLUE模型是由荷蘭P.H.Verburg教授的“土地利用變化和影響”研究團(tuán)隊(duì)在CLUE、CLUE-S模型的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的[37]。Dyna-CLUE模型主要包括非空間分析模塊與空間分析模塊兩部分,其中,非空間分析模塊主要利用MATLAB與IDRISI下的CA-Markov模塊依靠對(duì)驅(qū)動(dòng)因子的分析,以預(yù)測(cè)到目標(biāo)年份的不同地類(lèi)的數(shù)量[38]?？臻g分配模塊主要是在土地需求的基礎(chǔ)上,疊加驅(qū)動(dòng)力因子,對(duì)各個(gè)地類(lèi)進(jìn)行迭代分配,從而實(shí)現(xiàn)空間模擬分配各個(gè)年份的土地利用。為保證模型的高效運(yùn)行,本文通過(guò)實(shí)驗(yàn),選擇大小為500 m的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。具體主要包括以下幾個(gè)步驟：

(1)因子選取。依據(jù)研究區(qū)尺度特征與區(qū)域特征,綜合考慮數(shù)據(jù)時(shí)空的一致性、可量化性、可獲取性、影響程度最大化,分別選取自然、社會(huì)共計(jì)10個(gè)驅(qū)動(dòng)力因子(X1 人口密度、X2 海拔、X3 年降水量、X4 NDVI、X5 土壤侵蝕度、X6 坡度、X7 到鐵路距離、X8 人均GDP、X9 道路密度、X10 距河流距離)與2015年土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行Logistic二元回歸分析,以探究土地利用變化和驅(qū)動(dòng)因子之間的量化關(guān)系,回歸結(jié)果(exp(β)) 如表1所示。

表1 Logistic回歸結(jié)果

(2)ROC擬合度評(píng)價(jià)。為驗(yàn)證Logistic回歸方程的解釋能力,回歸結(jié)果采用ROC曲線(xiàn)擬合度驗(yàn)證評(píng)價(jià),若ROC值>0.5,表明回歸結(jié)果較好[39]。ROC 檢驗(yàn)結(jié)果(如表1所示),各種土地利用類(lèi)型的擬和度均> 0.7,說(shuō)明所選驅(qū)動(dòng)因子對(duì)天山北坡城市群土地利用的解釋能力較強(qiáng),可用于模擬與預(yù)測(cè)天山北坡城市群未來(lái)城市變化。

(3)彈性規(guī)則設(shè)定。土地利用彈性主要受土地利用類(lèi)型變化可逆性的影響,一般用0到1之間的數(shù)值來(lái)表示,當(dāng)這個(gè)值越接近1時(shí),其轉(zhuǎn)移的可能性就越大。通過(guò)對(duì)模型的調(diào)試和對(duì)其他類(lèi)似地區(qū)的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,分別設(shè)定不同情境下耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地的轉(zhuǎn)換系數(shù)(表2)。

(4)土地需求模塊及驗(yàn)證。土地需求主要利用CA-Markov模型模擬預(yù)測(cè),該模塊借助MATLAB與IDRISI軟件完成。研究在2005—2010年的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)2015年的土地利用情況,并利用2015年的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)模擬的2015年進(jìn)行Kappa系數(shù)驗(yàn)證,模擬Kappa指數(shù)為0.9524,模擬的精度較高,模型可進(jìn)行2025年土地利用數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)。

(5)情景參數(shù)設(shè)置。根據(jù)天山北坡城市群的特殊性及其在絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶的重要作用, 分別構(gòu)建了“自然發(fā)展情景”、“生態(tài)保護(hù)情景”、“快速發(fā)展情景”3種情景方案 (表2),用以模擬2025年天山北坡城市群的土地利用。情景設(shè)定過(guò)程中,參考了《天山北坡城市群發(fā)展規(guī)劃(2018—2035)》,以確保情景模擬最大程度的滿(mǎn)足規(guī)劃需求。本文是以 2015年為基礎(chǔ)對(duì) 2025 年進(jìn)行空間優(yōu)化配置,循環(huán)11次。

表2 天山北坡城市群不同情景下的參數(shù)設(shè)置

3 結(jié)果分析

3.1 景觀基本特征分析

景觀水平的景觀格局指數(shù)可以明確反映整個(gè)區(qū)域的景觀特征。1990—2015年,隨著天山北坡城市群的土地利用的改變,城市建設(shè)用地景觀特征變化顯著。如圖2所示,1990—2015年天山北坡城市群最大斑塊指數(shù)(LPI)由14.89下降到13.90。相反,斑塊數(shù)量(NP)由1744上升至3608個(gè),斑塊密度(PD)由0.97上升到1.499,景觀形狀指數(shù)(LSI)增長(zhǎng)幅度最大,由49.89上升至72.59,分離度指數(shù)(DIVISION)由0.96上升至0.97,聚集度指數(shù)(AI)由96.20上升值96.59。這兩組不同變化趨勢(shì)表明,天山北坡城市群的城市景觀特性趨于破碎化,最大斑塊指數(shù)的下降表明了城鎮(zhèn)景觀小斑塊增加,景觀形狀指標(biāo)的增長(zhǎng)表明了城市景觀趨于復(fù)雜。

從NP和PD來(lái)看,1990—2015年天北北坡城市群建設(shè)用地景觀PD指數(shù)呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)趨勢(shì),說(shuō)明了城市景觀斑塊數(shù)量增長(zhǎng)的同時(shí),斑塊密度增加,可見(jiàn)斑塊數(shù)增多,景觀密度越大,景觀的破碎程度增大；從LSI和LPI指數(shù)來(lái)看,1990—2015年LSI指數(shù)越小,表明了城市景觀斑塊形狀越趨向于正方形,斑塊形狀更加趨向于規(guī)則,LPI指數(shù)表示為最大斑塊面積指數(shù),最大斑塊指數(shù)在1990—2015年間整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),在2000年有一個(gè)高峰值,達(dá)到16.59,此后呈現(xiàn)出不斷降低的趨勢(shì),說(shuō)明了城市最大斑塊面積指數(shù)變低,城市建設(shè)用地呈現(xiàn)出破碎化的發(fā)展?fàn)顟B(tài)；從DIVISION和AI指數(shù)來(lái)看,說(shuō)明斑塊間的聚集程度略微減弱,景觀破碎程度增大?？梢?jiàn),近25年來(lái)天山北坡城市群城市用地呈景觀破碎度增大、景觀異質(zhì)性增強(qiáng)、斑塊形狀趨于復(fù)雜的趨勢(shì)。

圖2 1990—2015年天山北坡城市群景觀指數(shù)變化Fig.2 Landscape index changes of urban agglomeration on the northern slope of Tianshan Mountains from 1990 to 2015

3.2 城市群擴(kuò)張模式時(shí)空分析

景觀擴(kuò)張指數(shù)的計(jì)算通過(guò)GIS軟件空間分析工具實(shí)現(xiàn)。首先,提取天山北坡城市群1990—2000年、2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年4個(gè)時(shí)間段的城市景觀擴(kuò)張斑塊,生成新增加城市景觀斑塊的緩沖區(qū),然后,利用生成的緩沖區(qū)與原有的城市斑塊進(jìn)行相交處理,求出每個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)原有城市用地的面積,最后根據(jù)公式(1)計(jì)算新增城市用地的景觀擴(kuò)張指數(shù)。圖3、圖4為天山北坡城市群4個(gè)時(shí)期的不同城市擴(kuò)張模式分布圖。

圖3 1990—2015年天山北坡城市群城市擴(kuò)張(局部)Fig.3 Urban expansion of urban agglomeration on the northern slope of Tianshan Mountains during 1990—2015 (local)

圖4 1990—2015年天山北坡城市群城市擴(kuò)張類(lèi)型Fig.4 Spatial and temporal distribution of urban agglomeration on the northern slope of Tianshan Mountains during 1990—2015

分別統(tǒng)計(jì)天山北坡城市群3種城市擴(kuò)張模式在1990—2000年、2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年4個(gè)時(shí)期所占的面積比例(圖5)。結(jié)果表明：天山北坡城市群城市的飛地式、邊緣式擴(kuò)張?jiān)?990—2000年、2000—2005年、2010—2015年3個(gè)時(shí)期處于主導(dǎo)地位,而在2005—2010年期間,擴(kuò)張主要以填充式、飛地式為主。1990—2015年間,飛地式呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),其在1990—2000年占新增城市斑塊的51.61%,2000—2005年占32.81%,2005—2010年占比38.70%,2010—2015年最低,占28.81%,飛地式占比的下降表明了天山北坡城市群的城市建設(shè)用地更加規(guī)則,亂占、亂建的情況減少；邊緣式占比僅次于飛地式,整體較為穩(wěn)定,在1990—2015年呈現(xiàn)小幅度的下降趨勢(shì)；填充式為占比最低的擴(kuò)張模式,在1990—2015年的城市擴(kuò)張變化中呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(shì),填充式在1990—2010年新增擴(kuò)張面積中從2.55%增至52.78%,2010—2015年面積占比下降至6.57%。據(jù)圖5可以看出,填充式擴(kuò)張?jiān)?005—2010年期間,填充式主要是在原來(lái)的具有優(yōu)勢(shì)的區(qū)域發(fā)展、重建,所以在一定時(shí)期出現(xiàn)了高峰值,天山北坡城市群的城市擴(kuò)張主要在核心舊城區(qū)、交通發(fā)達(dá)的區(qū)域發(fā)展,隨著飛地式的比例下降,在城市群的成長(zhǎng)后期,填充式與邊緣式會(huì)占主導(dǎo)地位。

從擴(kuò)張模式的空間分布來(lái)看(圖4),天山北坡城市群烏蘇市、奇臺(tái)縣、昌吉市的1990—2000年城市擴(kuò)張以飛地式為主,占飛地式增長(zhǎng)總面積的30.16%；邊緣式主要位于烏魯木齊市、克拉瑪依市、奎屯市；填充式擴(kuò)張主要位于烏魯木齊市。2000—2005年城市擴(kuò)張以邊緣式為主,空間位于克拉瑪依市、烏魯木齊市、鄯善縣,占同時(shí)期邊緣式增長(zhǎng)總面積的59.54%；填充式與1990—2005年相比,仍主要位于烏魯木齊市；飛地式分布范圍較零散,主要位于沙灣縣、克拉瑪依市、瑪納斯縣。2005—2010年以填充式為主,填充式擴(kuò)張主要位于烏魯木齊市、吉木薩爾縣、瑪納斯縣,占同時(shí)期填充式增長(zhǎng)總面積的42.91%。飛地式主要位于烏魯木齊市、托克遜縣、沙灣縣；邊緣式主要位于烏魯木齊市、克拉瑪依市。2010—2015年以邊緣式為主,飛地式主要位于托克遜縣、烏魯木齊市、高昌區(qū),占同時(shí)期飛地式增長(zhǎng)總面積的48.41%；邊緣式主要位于克拉瑪依市、烏魯木齊市、昌吉市；填充式主要位于烏魯木齊市、克拉瑪依市、昌吉市。綜上,1990—2015年間,飛地式擴(kuò)張主要位于烏蘇市、奇臺(tái)縣、烏魯木齊市、昌吉市、托克遜縣、沙灣縣、克拉瑪依市、瑪納斯縣、和高昌區(qū)等地；邊緣式擴(kuò)張主要位于烏魯木齊市、克拉瑪依市、奎屯市、鄯善縣、昌吉市等地；填充式擴(kuò)張主要位于烏魯木齊市、克拉瑪依市、昌吉市、吉木薩爾縣、瑪納斯縣等地。

通過(guò)擴(kuò)張模式可以看出不同城市的發(fā)展趨勢(shì),烏魯木齊市、克拉瑪依市、昌吉市是城市擴(kuò)張的主要分布區(qū)域,同時(shí)說(shuō)明該區(qū)域的城市發(fā)展與經(jīng)濟(jì)建設(shè)比其他區(qū)域相對(duì)較快。烏魯木齊市作為城市群的中心城市,發(fā)揮著天山北坡城市群的“領(lǐng)頭羊”作用。近25年來(lái),烏魯木齊的城市擴(kuò)張模式主要是向外增長(zhǎng)的邊緣式擴(kuò)張模式,有利于強(qiáng)化其核心城市功能,充分發(fā)揮在新疆的經(jīng)濟(jì)、金融、科技創(chuàng)新、交通樞紐等輻射與集聚帶動(dòng)作用。與烏魯木齊類(lèi)似,昌吉市、阜康市、克拉瑪依市、奎屯市、鄯善縣、石河子市均以邊緣式擴(kuò)張為主,烏蘇市與五家渠市雖以飛地式為主,但邊緣式僅次于飛地式。

圖5 1990—2015年天山北坡城市群城市各類(lèi)擴(kuò)張模式面積分布圖Fig.5 The area distribution map of various urban expansion patterns of urban agglomeration on the northern slope of Tianshan Mountains during 1990—2015

根據(jù)公式(3)及(4),分別計(jì)算了天山北坡城市群不同時(shí)間段的平均斑塊擴(kuò)張指數(shù)(MEI) 和面積加權(quán)平均斑塊擴(kuò)張指數(shù)(AWMEI)。由圖6可知,MEI在各個(gè)時(shí)期內(nèi)的值分別為10.53、20.17、20.10、24.23,具有明顯的上升趨勢(shì)。AWMEI在1990—2015年期間的值分別為9.29、15.27、17.05、15.99,呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)。這表明天山北坡城市群在近25年間的城市空間結(jié)構(gòu)趨于緊湊,城市群的核心區(qū)域正逐漸發(fā)揮著輻射作用。

圖6 天山北坡城市群MEI、AWMEI指數(shù)變化Fig.6 The change of AWMEI and MEI index of urban agglomeration on the northern slope of Tianshan Mountains

3.3 城市擴(kuò)張重心轉(zhuǎn)移

3.3.1城市擴(kuò)張整體重心轉(zhuǎn)移

通過(guò)分析城市擴(kuò)張強(qiáng)度重心的時(shí)空移動(dòng)軌跡,可以掌握城市空間擴(kuò)張變化的過(guò)程與特點(diǎn)。根據(jù)公式(4)計(jì)算出天山北坡城市群城市擴(kuò)張?jiān)?990—2000年、2000—2005年、2005—2010年和2010—2015年的重心坐標(biāo),以空間形式展示(圖7),并計(jì)算重心的移動(dòng)方向和距離。

圖7 天山北坡城市群城市擴(kuò)張強(qiáng)度重心移動(dòng)方向Fig.7 The center of gravity coordinate migration of urban agglomeration on the northern slope of Tianshan Mountains

隨著時(shí)間的發(fā)展,城市擴(kuò)張重心有明顯的移動(dòng)。1990—2000年間,天山北坡城市群的擴(kuò)張重心位于呼圖壁縣。2000—2005年間,城市擴(kuò)張重心從呼圖壁縣向東南方向轉(zhuǎn)移到了烏魯木齊的西北部。2005—2010年,城市擴(kuò)張重心從烏魯木齊的西北部轉(zhuǎn)移到了烏魯木齊的東部。2010—2015年,城市擴(kuò)張重心仍舊在烏魯木齊市,移動(dòng)軌跡從烏魯木齊的東部轉(zhuǎn)移到了烏魯木齊的西部；從天山北坡城市群城市擴(kuò)張重心轉(zhuǎn)移距離來(lái)看(圖7),1990—2000年城市重心位于呼圖壁縣,2000—2005年城市擴(kuò)張重心向東偏南方向轉(zhuǎn)移50.45 km,2005—2010年間,城市繼續(xù)向東南方向大幅度擴(kuò)展,致使城市重心向東南轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)移距離為44.91 km,2010—2015年間,城市重心略向東北向移動(dòng)56.29 km。由此25年間,可以看出天山北部城市群的城市擴(kuò)張重心主要位于烏魯木齊市及周邊,城市重心總體呈現(xiàn)出向東、南方向移的趨勢(shì)。

3.3.2不同擴(kuò)張模式下的重心轉(zhuǎn)移

為更加全面的剖析不同擴(kuò)張模式的重心轉(zhuǎn)移軌跡,分別對(duì)飛地式、填充式、邊緣式3種不同擴(kuò)張模式的重心轉(zhuǎn)移進(jìn)行了研究。從不同擴(kuò)張模式的重心轉(zhuǎn)移過(guò)程來(lái)看 (圖7),飛地式擴(kuò)張模式1990—2005年的重心由昌吉市的東部向昌吉縣的西部轉(zhuǎn)移,2005—2015年重心變化較大,城市建設(shè)在烏魯木齊大幅度的擴(kuò)展,導(dǎo)致飛地?cái)U(kuò)張重心從昌吉市的東部轉(zhuǎn)移至烏魯木齊市的東部區(qū)域；邊緣式擴(kuò)張模式1990—2005年重心由昌吉市的中部向北部轉(zhuǎn)移,2005—2015年重心轉(zhuǎn)移變化較大,重心由瑪納斯縣的東部邊緣轉(zhuǎn)移到烏魯木齊的東部；填充式擴(kuò)張模式1990—2005年的重心轉(zhuǎn)移由昌吉市、五家渠市、烏魯木齊的交界處轉(zhuǎn)移至呼圖壁市,2005—2015年重心逐漸向五家渠市的南部轉(zhuǎn)移。

3.4 城市群用地?cái)U(kuò)張情景分析

基于“自然發(fā)展情景”、“生態(tài)保護(hù)情景”和“快速發(fā)展情景”3種情景的參數(shù)設(shè)定,將上述參數(shù)設(shè)置分別輸入到Dyna-CLUE模型中,以2015年為基準(zhǔn)年,模擬出天山北坡城市群2025年的土地利用變化空間分布, 如圖8所示。

圖8 天山北坡城市群不同情景的模擬結(jié)果Fig.8 Simulation results of different scenarios of urban agglomeration on the northern slope of Tianshan Mountains

(1)自然發(fā)展情景?！白匀话l(fā)展情景”是根據(jù)天山北坡城市群2005—2015年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,利用數(shù)學(xué)概率方法推斷2015—2025年的土地利用空間的分布情況。在“自然發(fā)展情景”下,2025年土地利用以耕地、草地為主,耕地、建設(shè)用地、草地與未利用地之間的大量轉(zhuǎn)換是“自然發(fā)展情景”下土地轉(zhuǎn)換的主要方式。“自然發(fā)展情景”中,城市擴(kuò)張模式以飛地式擴(kuò)張為主,由草地、未利用地轉(zhuǎn)換而來(lái),分布在城市群的東南部吐魯番地區(qū)西北部烏蘇市、克拉瑪依市。較2015年相比,“自然發(fā)展情景”下的建設(shè)用地增長(zhǎng)了142114.7 hm2,“自然發(fā)展情景”依據(jù)前期的土地轉(zhuǎn)移矩陣,利用數(shù)學(xué)的方法模擬出來(lái)的結(jié)果,沒(méi)有其他政策、經(jīng)濟(jì)等條件的約束,該情景下的建設(shè)用地增長(zhǎng)占三類(lèi)情景模擬結(jié)果的最大值,。

(2)生態(tài)保護(hù)情景?！吧鷳B(tài)保護(hù)情景”主要目的是保護(hù)天山北坡城市群的生態(tài)用地,該情景主要設(shè)置林地、草地作為生態(tài)保護(hù)區(qū),也就是情景發(fā)展的限制區(qū)域。在該情景模式下,耕地是較“自然發(fā)展情景”、“快速發(fā)展情景”增長(zhǎng)最少的地類(lèi)；林地較在其他發(fā)展情景銳減的情況下,在“生態(tài)保護(hù)情景”保持穩(wěn)定狀態(tài)；未利用地在該情景中減少最為明顯,在建設(shè)用地保持穩(wěn)定增長(zhǎng)的狀態(tài)下,說(shuō)明生態(tài)保護(hù)情境下的生態(tài)環(huán)境會(huì)有明顯的改善。“生態(tài)保護(hù)情景”中,城市擴(kuò)張模式以飛地式、邊緣式擴(kuò)張為主,邊緣式擴(kuò)張的城市用地主要分布在烏魯木齊市等城市的邊緣,主要由耕地、草地轉(zhuǎn)換而來(lái)。飛地式擴(kuò)張?jiān)诔鞘腥嚎臻g上呈現(xiàn)出均勻分布,主要由草地、未利用地轉(zhuǎn)換而來(lái)。較2015年相比,生態(tài)保護(hù)情境下建設(shè)用地增長(zhǎng)了63197.10 hm2,占三類(lèi)情景模擬建設(shè)用地增長(zhǎng)的最低值。

(3)快速發(fā)展情景?！翱焖侔l(fā)展情景”的預(yù)測(cè)是根據(jù)天山北坡城市群發(fā)展規(guī)劃制定城市規(guī)劃發(fā)展預(yù)案(2018—2035)對(duì)建設(shè)用地、耕地、林地所制定的規(guī)劃指標(biāo)進(jìn)行。如圖8所示,“快速發(fā)展情景”與“自然發(fā)展情景”的土地利用空間分布相似,在《天山北坡城市群發(fā)展規(guī)劃(2018—2035)》指定的發(fā)展預(yù)案下,“快速發(fā)展模式”的建設(shè)用地增長(zhǎng)主要集中在城市群的東南部的高昌區(qū)、托馬遜縣、鄯善縣。城市擴(kuò)張模式以飛地式擴(kuò)張為主,主要分布在城市群的東南部等城市的邊緣,由草地、未利用地轉(zhuǎn)換而來(lái)。較2015年相比,“快速發(fā)展情景”下建設(shè)用地增長(zhǎng)了76939.74 hm2,僅次于“自然發(fā)展情景”的城市建設(shè)用地面積。

綜上,在對(duì)未來(lái)天山北坡城市群城市空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化中,應(yīng)綜合考慮自然發(fā)展、生態(tài)保護(hù)、快速發(fā)展的需要,認(rèn)識(shí)各個(gè)情景之間的優(yōu)缺點(diǎn),協(xié)調(diào)各情景之間的矛盾,以達(dá)到城市群空間土地利用的最優(yōu)。

4 結(jié)論與討論

本文利用天山北坡城市群 1990—2015年5期30 m分辨率的土地利用數(shù)據(jù),對(duì)中國(guó)西北干旱區(qū)典型城市群的擴(kuò)張模式時(shí)空演變進(jìn)行研究,從城市景觀指數(shù)、景觀擴(kuò)張指數(shù)、城市擴(kuò)張重心轉(zhuǎn)移軌跡進(jìn)行了分析,并借助 Dyna-CLUE模型模擬城市群2025年的城市景觀擴(kuò)張演化軌跡,以加深人們對(duì)城市景觀擴(kuò)張變化過(guò)程的理解與認(rèn)識(shí)。結(jié)論如下：

(1)1990—2015 年,受城市建設(shè)與人類(lèi)活動(dòng)的影響,天山北坡城市群的城市景觀斑塊數(shù)量、斑塊密度、景觀形狀指標(biāo)、分離度均呈增長(zhǎng)趨勢(shì),最大斑塊指數(shù)不斷下降,城市群內(nèi)部呈現(xiàn)出城市景觀異質(zhì)性、破碎化與復(fù)雜化的趨勢(shì)。以上表明,城市擴(kuò)張與景觀格局的關(guān)系密切。

(2)天山北坡城市群城市景觀擴(kuò)張模式主要是以飛地式擴(kuò)張為主,以邊緣式擴(kuò)張為輔。烏魯木齊市、克拉瑪依市、昌吉市是三種擴(kuò)張模式分布的主要區(qū)域。同時(shí),面積加權(quán)斑塊擴(kuò)張指數(shù)呈現(xiàn)不斷上升的趨勢(shì),城市群的結(jié)構(gòu)形態(tài)布局趨于緊密,城市擴(kuò)張強(qiáng)度重心轉(zhuǎn)移軌跡呈現(xiàn)出向東南方向轉(zhuǎn)移的態(tài)勢(shì)。

(3)多情景下的模擬預(yù)測(cè)表明,運(yùn)用Dyna-CLUE模型模擬城市群內(nèi)未來(lái)景觀空間變化具有可行性,未來(lái)飛地式與邊緣式擴(kuò)張是城市擴(kuò)張的主要模式。依據(jù)“快速發(fā)展情景”與“自然發(fā)展情景”的發(fā)展趨勢(shì),建設(shè)用地增長(zhǎng)較快,建設(shè)用地主要由未利用地、草地、耕地轉(zhuǎn)換而來(lái)。根據(jù)“自然發(fā)展情景”的發(fā)展趨勢(shì),未來(lái)草地面積會(huì)大量減少,生態(tài)環(huán)境會(huì)趨向脆弱。因此,在城市群的未來(lái)發(fā)展中要綜合分析三種情景模式的發(fā)展規(guī)律,在生態(tài)環(huán)境保護(hù)的基礎(chǔ)上高質(zhì)量的發(fā)展。依據(jù)2019年5月8日國(guó)家發(fā)改委批復(fù)實(shí)施的《天山北坡城市群發(fā)展規(guī)劃(2018—2035)》要求,在城市擴(kuò)張的同時(shí),構(gòu)建城市群綠洲生態(tài)安全屏障,加大生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度,維護(hù)生態(tài)環(huán)境安全,筑牢天山北坡城市群建設(shè)的生態(tài)安全屏障。

天北北坡城市群與京津冀、中原、長(zhǎng)三角等城市群略有差異,它的地理位置決定了自身的特殊性,既有自己的短板,也有自己顯著的發(fā)展優(yōu)勢(shì),城市群內(nèi)部城市間的結(jié)構(gòu)與職能不明顯,核心城市的輻射能力沒(méi)有完全產(chǎn)生優(yōu)勢(shì),研究上不能完全照搬京津冀、中原、長(zhǎng)三角等城市群的傳統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)對(duì)它進(jìn)行評(píng)價(jià)。本研究從城市景觀的視角出發(fā),參考了研究區(qū)相關(guān)規(guī)劃資料,利用景觀擴(kuò)張指數(shù)法來(lái)刻畫(huà)了天山北坡城市群的近25年來(lái)的擴(kuò)張模式的時(shí)空變化特征,城市群內(nèi)不同區(qū)域的擴(kuò)張模式有所差異。引入重心轉(zhuǎn)移模型剖析天山北坡城市群城市擴(kuò)張的移動(dòng)軌跡,從時(shí)間、空間兩個(gè)角度綜合分析了城市群的擴(kuò)張情況。運(yùn)用Dyna-CLUE模型對(duì)城市群進(jìn)行了多情景模擬,在“自然發(fā)展情景”、“生態(tài)保護(hù)情景”、“快速發(fā)展情景”3種情景設(shè)定下,對(duì)城市群未來(lái)10年間的土地利用、城市擴(kuò)張演變進(jìn)行了剖析,以期為城市群未來(lái)發(fā)展提供新的發(fā)展思路與參考。基于本文的研究來(lái)看,未來(lái)城市群發(fā)展應(yīng)該綜合考慮“自然發(fā)展情景”、“生態(tài)保護(hù)情景”、“快速發(fā)展情景”3種情境下的城市擴(kuò)張與土地利用狀況,協(xié)調(diào)好城市擴(kuò)張與土地利用之間的矛盾,在生態(tài)環(huán)境保護(hù)、資源承載力加強(qiáng)的前提下,重點(diǎn)提升核心城市的輻射能力,同時(shí),加強(qiáng)各個(gè)城市間、區(qū)域間的分工與聯(lián)系,利用自身的稟賦與優(yōu)勢(shì),打造一個(gè)具有邊疆特色、可持續(xù)發(fā)展的天山北坡城市群。