天山北坡城市群城市景觀時空擴張過程及多情景模擬

張麗芳,方創(chuàng)琳,2,*,高 倩

1 新疆大學資源與環(huán)境科學學院,烏魯木齊 830046 2 中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101

城市群是區(qū)域經濟集聚、新型工業(yè)化、城鎮(zhèn)化發(fā)展到一定程度的先進地域空間載體[1- 2],當前正處于全球城市化快速發(fā)展階段,城市群之間的競爭逐漸取代了單個城市間的競爭,城市群承載了世界經濟重心轉移的歷史使命,其地位與作用日益突出[3]?！秶倚滦统擎?zhèn)化發(fā)展規(guī)劃(2014—2020)》,將城市群作為推進國家新型城鎮(zhèn)化的空間主體,城市群發(fā)展已引起國內外學者對城市群景觀格局、城市擴張、土地配置、城市生態(tài)等方面的廣泛關注。城市擴張是自然人文多因素驅動的不斷改變區(qū)域空間土地利用、景觀格局的過程,在這一過程中,不斷擴張的城市用地與有限的國土資源之間的矛盾、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),這種問題在發(fā)展中國家尤為明顯[4- 5]。因此,構建多情景下的城市群空間動態(tài)模擬,探討多目標策略下的城市群發(fā)展態(tài)勢,是當前研究的熱點和難題。

在過去幾十年里,國內外學者對于城市群的研究主要體現(xiàn)以下四個方面：(1)在研究內容上,學者從城市發(fā)展對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響[6- 7]、城鎮(zhèn)化與生態(tài)耦合之間的關系[8- 10]、城市發(fā)展驅動力機制[11]、城市化擴張對社會經濟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與新模型相結合[11- 12]、回歸與地理加權分析[13]、空間相關性分析[14]、景觀指數分析法[15]、系統(tǒng)動力學[16]、CA模型、引力模型[17]等方法,利用多模型、多學科交叉及定性、定量相合方法來研究城鎮(zhèn)化的發(fā)展機制。可見,國內外對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系中,利用計量方法與處理多目標決策問題；(3)在研究尺度上,主要以中國東部中小尺度的城市為主,研究區(qū)域主要集中在京津冀、長株潭等經濟發(fā)達地區(qū)的城市群,以中國的中西部欠發(fā)達典型區(qū)域為研究對象,探討其城市景觀擴張模式以及多情景模擬預測的相關研究較少[18]；(4)在研究形態(tài)方面,對城市群的研究主要集中在景觀擴張速度與數量,而對城市群不同擴張模式的研究與模擬尚且較少。很多僅僅側重對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態(tài)變化的過程信息[19]。

20世紀90年代以來,隨著數學計量方法與實驗模型大量的結合運用,城市地理學進入了一個全新的時代[20],在城市群的景觀格局及未來模擬的相關研究中,較少從城市規(guī)劃與管控出發(fā),導致對土地政策的作用機制和管控效應較弱。景觀指數可以刻畫出城市群生態(tài)環(huán)境和經濟未來發(fā)展的演變趨勢,近年來,Markov模型、CA模型[21]、人工神經網絡、SD模型、CLUE模型、CLUE-S等模型在預測模擬景觀變化及土地利用上廣泛應用,CA模型與Markov模型的結合使預測土地需求的精度大大提高,大大降低了模型構建和參數確定的難度。Dyna-CLUE模型是在CLUE-S模型的基礎上進行改進,可從城市發(fā)展的歷史趨勢與國家政策規(guī)劃相結合,進行適當的景觀及土地利用模擬與調控[22- 23]。因此,在Markov模型和CA模型相結合的基礎上,結合Dyna-CLUE模型,利用各模型的優(yōu)勢可在模擬效果上可以得到很好的提高。

中國是全球城市群未來發(fā)展和研究的中心,有關城市群景觀格局與情景模擬、預測的研究方興未艾,目前已成為中國城市群研究的重要方向之一[24]。隨著國家級城市群規(guī)劃的陸續(xù)出臺,各種預測模型的不斷豐富,西部培育型城市群相關研究也逐步進入研究視野。探究邊疆型城市群的空間格局演化規(guī)律,對提升區(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踐價值。天山北坡城市群位于中國西北邊陲地區(qū),地處中國—中亞西亞經濟走廊、中俄蒙經濟走廊和中巴經濟走廊輻射帶動的交匯地帶,是絲綢之路經濟帶上重要的戰(zhàn)略支撐點、我國向西開放的重要橋梁和紐帶,在國家全方位開放格局和現(xiàn)代化建設中具有舉足輕重的戰(zhàn)略地位[25]。同時,天山北坡城市群作為新疆經濟最發(fā)達、城市最密集、政策與資源最優(yōu)惠的地區(qū),是新疆今天和未來新型城鎮(zhèn)化的主體區(qū)和經濟發(fā)展核心區(qū),在全疆有著舉足輕重的影響。目前對天山城市群的相關研究較少,主要集中在城市群經濟與空間聯(lián)系度[26- 27]、城市群的單要素特性[28]、城市群空間結構形態(tài)[29]、城市群景觀遙感監(jiān)測等方面[30],迄今為止,還未有關于天山北坡城市群擴張模式的研究。鑒于此,本文以長時間序列的遙感數據產品為基礎,采用景觀擴張指數、擴張強度、重心轉移模型,深入定量分析1990—2015年的城市群城市擴張的時空演變規(guī)律,引入Dyna-CLUE模型構建2025年多情景模擬,從而探究未來的城市擴張時空發(fā)展趨勢,為天山北坡城市群的城市化有序建設與國土空間布局規(guī)劃提供決策依據。

1 區(qū)域概況與數據來源

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,是中國西北內陸干旱區(qū)的新興城市群,同時也是“一帶一路”經濟帶發(fā)展建設的核心城市群,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之間,海拔-160—5138 m,位于中國地形第二階梯的西緣,準噶爾盆地的腹部。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個地級市、6個縣級市、12個市轄區(qū)、9個縣等區(qū)域,城市群規(guī)劃面積21.54 萬平方公里,約占新疆的七分之一。 2016年GDP總值 5981.27 億元,占新疆的比重達到62%以上,依照城市群的發(fā)展態(tài)勢,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)和經濟發(fā)展核心區(qū)[31]。

1.2 數據來源

研究所使用的主要數據包括：①LUCC數據(30 m分辨率)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數據中心(http://www.resdc.cn)提供的(1990年、2000年、2005年、2010年、2015年)5期土地利用數據/土地覆蓋解譯數據。根據研究需要,將土地利用數據分類為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地6類；② DEM、年降水量、土壤侵蝕度、NDVI、人均GDP、人口密度、道路密度等數據,其數據均來源于中國科學院資源環(huán)境科學數據中心,數據獲取后經GIS軟件掩膜裁剪、重采樣為投影500 m×500 m分辨率,便于Dyna-CLUE模型的數據模擬；③ 其他數據包括研究區(qū)行政邊界矢量數據及社會經濟統(tǒng)計資料。

2 研究方法

2.1 景觀格局指數法

城市擴張在人為及自然的多種因素交互作用的影響下,不僅會改變土地利用及景觀格局,同時又影響著內部景觀生態(tài)過程[32]。為探究天山北坡城市群1990—2015年城市擴張的景觀空間現(xiàn)象,對景觀空間格局的特征指數①斑塊數量(NP,Number of Patches)；②最大斑塊指數(LPI,Largest Patch Index)；③斑塊密度(PD,Patch Density)；④景觀形狀指標(LSI,Landscape Shape Index)；⑤聚合指數(AI,Aggregation Index)；⑥分離度指數(DIVISION,Landscape Division Index)6個指標進行了分析,從宏觀角度刻畫出城市擴張過程中的景觀狀況及景觀格局的破碎化、異質性和連通性等各個方面。指數計算在 Fragstats軟件中完成,通過對景觀格局進行研究,可以有效地揭示城市擴張下的景觀變異特征。

2.2 城市景觀擴張指數法

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

(1)

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

對于城市景觀擴張過程,以平均斑塊擴張指數(MEI,Mean Shape expansion Index)來定義：

(2)

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

以面積加權平均斑塊擴張指數(AWLEI,Area Weighted Mean Expansion Index)來考慮單個新斑塊在整個斑塊擴張類型中的地位,公式如下:

(3)

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

2.3 城市擴張強度與軌跡

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

(4)

重心轉移模型是描述地理對象在空間上的重要指標,常用來描述人口流動、經濟轉移、城市演變過程[36]。通過空間重心模型分析,可以掌握城市群的城市擴張強度的轉移軌跡與方向,其重心坐標計算公式如下：

(5)

式中,X和Y分別表示城市擴張強度重心坐標的經度和緯度；Gi為空間單元i的城市擴展強度；Xi、Yi為空間單元i擴展強度中心的經緯度坐標。

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”研究團隊在CLUE、CLUE-S模型的基礎上改進而成的[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模塊依靠對驅動因子的分析,以預測到目標年份的不同地類的數量[38]?？臻g分配模塊主要是在土地需求的基礎上,疊加驅動力因子,對各個地類進行迭代分配,從而實現(xiàn)空間模擬分配各個年份的土地利用。為保證模型的高效運行,本文通過實驗,選擇大小為500 m的柵格數據進行研究。具體主要包括以下幾個步驟：

(1)因子選取。依據研究區(qū)尺度特征與區(qū)域特征,綜合考慮數據時空的一致性、可量化性、可獲取性、影響程度最大化,分別選取自然、社會共計10個驅動力因子(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年土地利用數據進行Logistic二元回歸分析,以探究土地利用變化和驅動因子之間的量化關系,回歸結果(exp(β)) 如表1所示。

表1 Logistic回歸結果

(2)ROC擬合度評價。為驗證Logistic回歸方程的解釋能力,回歸結果采用ROC曲線擬合度驗證評價,若ROC值>0.5,表明回歸結果較好[39]。ROC 檢驗結果(如表1所示),各種土地利用類型的擬和度均> 0.7,說明所選驅動因子對天山北坡城市群土地利用的解釋能力較強,可用于模擬與預測天山北坡城市群未來城市變化。

(3)彈性規(guī)則設定。土地利用彈性主要受土地利用類型變化可逆性的影響,一般用0到1之間的數值來表示,當這個值越接近1時,其轉移的可能性就越大。通過對模型的調試和對其他類似地區(qū)的研究結果進行對比,分別設定不同情境下耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地的轉換系數(表2)。

(4)土地需求模塊及驗證。土地需求主要利用CA-Markov模型模擬預測,該模塊借助MATLAB與IDRISI軟件完成。研究在2005—2010年的基礎上預測2015年的土地利用情況,并利用2015年的現(xiàn)狀數據與預測模擬的2015年進行Kappa系數驗證,模擬Kappa指數為0.9524,模擬的精度較高,模型可進行2025年土地利用數據預測。

(5)情景參數設置。根據天山北坡城市群的特殊性及其在絲綢之路經濟帶的重要作用, 分別構建了“自然發(fā)展情景”、“生態(tài)保護情景”、“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。情景設定過程中,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足規(guī)劃需求。本文是以 2015年為基礎對 2025 年進行空間優(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設置

3 結果分析

3.1 景觀基本特征分析

景觀水平的景觀格局指數可以明確反映整個區(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(LPI)由14.89下降到13.90。相反,斑塊數量(NP)由1744上升至3608個,斑塊密度(PD)由0.97上升到1.499,景觀形狀指數(LSI)增長幅度最大,由49.89上升至72.59,分離度指數(DIVISION)由0.96上升至0.97,聚集度指數(AI)由96.20上升值96.59。這兩組不同變化趨勢表明,天山北坡城市群的城市景觀特性趨于破碎化,最大斑塊指數的下降表明了城鎮(zhèn)景觀小斑塊增加,景觀形狀指標的增長表明了城市景觀趨于復雜。

從NP和PD來看,1990—2015年天北北坡城市群建設用地景觀PD指數呈現(xiàn)不斷增長趨勢,說明了城市景觀斑塊數量增長的同時,斑塊密度增加,可見斑塊數增多,景觀密度越大,景觀的破碎程度增大；從LSI和LPI指數來看,1990—2015年LSI指數越小,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指數表示為最大斑塊面積指數,最大斑塊指數在1990—2015年間整體呈現(xiàn)下降的趨勢,在2000年有一個高峰值,達到16.59,此后呈現(xiàn)出不斷降低的趨勢,說明了城市最大斑塊面積指數變低,城市建設用地呈現(xiàn)出破碎化的發(fā)展狀態(tài)；從DIVISION和AI指數來看,說明斑塊間的聚集程度略微減弱,景觀破碎程度增大?？梢?近25年來天山北坡城市群城市用地呈景觀破碎度增大、景觀異質性增強、斑塊形狀趨于復雜的趨勢。

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

3.2 城市群擴張模式時空分析

景觀擴張指數的計算通過GIS軟件空間分析工具實現(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個時間段的城市景觀擴張斑塊,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行相交處理,求出每個緩沖區(qū)內原有城市用地的面積,最后根據公式(1)計算新增城市用地的景觀擴張指數。圖3、圖4為天山北坡城市群4個時期的不同城市擴張模式分布圖。

圖3 1990—2015年天山北坡城市群城市擴張(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張類型Fig.4 Spatial and temporal distribution of urban agglomeration on the northern slope of Tianshan Mountains during 1990—2015

分別統(tǒng)計天山北坡城市群3種城市擴張模式在1990—2000年、2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年4個時期所占的面積比例(圖5)。結果表明：天山北坡城市群城市的飛地式、邊緣式擴張在1990—2000年、2000—2005年、2010—2015年3個時期處于主導地位,而在2005—2010年期間,擴張主要以填充式、飛地式為主。1990—2015年間,飛地式呈現(xiàn)下降的趨勢,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；填充式為占比最低的擴張模式,在1990—2015年的城市擴張變化中呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢,填充式在1990—2010年新增擴張面積中從2.55%增至52.78%,2010—2015年面積占比下降至6.57%。據圖5可以看出,填充式擴張在2005—2010年期間,填充式主要是在原來的具有優(yōu)勢的區(qū)域發(fā)展、重建,所以在一定時期出現(xiàn)了高峰值,天山北坡城市群的城市擴張主要在核心舊城區(qū)、交通發(fā)達的區(qū)域發(fā)展,隨著飛地式的比例下降,在城市群的成長后期,填充式與邊緣式會占主導地位。

從擴張模式的空間分布來看(圖4),天山北坡城市群烏蘇市、奇臺縣、昌吉市的1990—2000年城市擴張以飛地式為主,占飛地式增長總面積的30.16%；邊緣式主要位于烏魯木齊市、克拉瑪依市、奎屯市；填充式擴張主要位于烏魯木齊市。2000—2005年城市擴張以邊緣式為主,空間位于克拉瑪依市、烏魯木齊市、鄯善縣,占同時期邊緣式增長總面積的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,填充式擴張主要位于烏魯木齊市、吉木薩爾縣、瑪納斯縣,占同時期填充式增長總面積的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),占同時期飛地式增長總面積的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,飛地式擴張主要位于烏蘇市、奇臺縣、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。

通過擴張模式可以看出不同城市的發(fā)展趨勢,烏魯木齊市、克拉瑪依市、昌吉市是城市擴張的主要分布區(qū)域,同時說明該區(qū)域的城市發(fā)展與經濟建設比其他區(qū)域相對較快。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“領頭羊”作用。近25年來,烏魯木齊的城市擴張模式主要是向外增長的邊緣式擴張模式,有利于強化其核心城市功能,充分發(fā)揮在新疆的經濟、金融、科技創(chuàng)新、交通樞紐等輻射與集聚帶動作用。與烏魯木齊類似,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擴張模式面積分布圖Fig.5 The area distribution map of various urban expansion patterns of urban agglomeration on the northern slope of Tianshan Mountains during 1990—2015

根據公式(3)及(4),分別計算了天山北坡城市群不同時間段的平均斑塊擴張指數(MEI) 和面積加權平均斑塊擴張指數(AWMEI)。由圖6可知,MEI在各個時期內的值分別為10.53、20.17、20.10、24.23,具有明顯的上升趨勢。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。這表明天山北坡城市群在近25年間的城市空間結構趨于緊湊,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 城市擴張重心轉移

3.3.1城市擴張整體重心轉移

通過分析城市擴張強度重心的時空移動軌跡,可以掌握城市空間擴張變化的過程與特點。根據公式(4)計算出天山北坡城市群城市擴張在1990—2000年、2000—2005年、2005—2010年和2010—2015年的重心坐標,以空間形式展示(圖7),并計算重心的移動方向和距離。

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

隨著時間的發(fā)展,城市擴張重心有明顯的移動。1990—2000年間,天山北坡城市群的擴張重心位于呼圖壁縣。2000—2005年間,城市擴張重心從呼圖壁縣向東南方向轉移到了烏魯木齊的西北部。2005—2010年,城市擴張重心從烏魯木齊的西北部轉移到了烏魯木齊的東部。2010—2015年,城市擴張重心仍舊在烏魯木齊市,移動軌跡從烏魯木齊的東部轉移到了烏魯木齊的西部；從天山北坡城市群城市擴張重心轉移距離來看(圖7),1990—2000年城市重心位于呼圖壁縣,2000—2005年城市擴張重心向東偏南方向轉移50.45 km,2005—2010年間,城市繼續(xù)向東南方向大幅度擴展,致使城市重心向東南轉移,轉移距離為44.91 km,2010—2015年間,城市重心略向東北向移動56.29 km。由此25年間,可以看出天山北部城市群的城市擴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。

3.3.2不同擴張模式下的重心轉移

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

3.4 城市群用地擴張情景分析

基于“自然發(fā)展情景”、“生態(tài)保護情景”和“快速發(fā)展情景”3種情景的參數設定,將上述參數設置分別輸入到Dyna-CLUE模型中,以2015年為基準年,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。“自然發(fā)展情景”是根據天山北坡城市群2005—2015年的土地利用轉移矩陣,利用數學概率方法推斷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、建設用地、草地與未利用地之間的大量轉換是“自然發(fā)展情景”下土地轉換的主要方式。“自然發(fā)展情景”中,城市擴張模式以飛地式擴張為主,由草地、未利用地轉換而來,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”下的建設用地增長了142114.7 hm2,“自然發(fā)展情景”依據前期的土地轉移矩陣,利用數學的方法模擬出來的結果,沒有其他政策、經濟等條件的約束,該情景下的建設用地增長占三類情景模擬結果的最大值,。

(2)生態(tài)保護情景?！吧鷳B(tài)保護情景”主要目的是保護天山北坡城市群的生態(tài)用地,該情景主要設置林地、草地作為生態(tài)保護區(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”增長最少的地類；林地較在其他發(fā)展情景銳減的情況下,在“生態(tài)保護情景”保持穩(wěn)定狀態(tài)；未利用地在該情景中減少最為明顯,在建設用地保持穩(wěn)定增長的狀態(tài)下,說明生態(tài)保護情境下的生態(tài)環(huán)境會有明顯的改善?！吧鷳B(tài)保護情景”中,城市擴張模式以飛地式、邊緣式擴張為主,邊緣式擴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、草地轉換而來。飛地式擴張在城市群空間上呈現(xiàn)出均勻分布,主要由草地、未利用地轉換而來。較2015年相比,生態(tài)保護情境下建設用地增長了63197.10 hm2,占三類情景模擬建設用地增長的最低值。

(3)快速發(fā)展情景?！翱焖侔l(fā)展情景”的預測是根據天山北坡城市群發(fā)展規(guī)劃制定城市規(guī)劃發(fā)展預案(2018—2035)對建設用地、耕地、林地所制定的規(guī)劃指標進行。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)展預案下,“快速發(fā)展模式”的建設用地增長主要集中在城市群的東南部的高昌區(qū)、托馬遜縣、鄯善縣。城市擴張模式以飛地式擴張為主,主要分布在城市群的東南部等城市的邊緣,由草地、未利用地轉換而來。較2015年相比,“快速發(fā)展情景”下建設用地增長了76939.74 hm2,僅次于“自然發(fā)展情景”的城市建設用地面積。

綜上,在對未來天山北坡城市群城市空間結構的優(yōu)化中,應綜合考慮自然發(fā)展、生態(tài)保護、快速發(fā)展的需要,認識各個情景之間的優(yōu)缺點,協(xié)調各情景之間的矛盾,以達到城市群空間土地利用的最優(yōu)。

4 結論與討論

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據,對中國西北干旱區(qū)典型城市群的擴張模式時空演變進行研究,從城市景觀指數、景觀擴張指數、城市擴張重心轉移軌跡進行了分析,并借助 Dyna-CLUE模型模擬城市群2025年的城市景觀擴張演化軌跡,以加深人們對城市景觀擴張變化過程的理解與認識。結論如下：

(1)1990—2015 年,受城市建設與人類活動的影響,天山北坡城市群的城市景觀斑塊數量、斑塊密度、景觀形狀指標、分離度均呈增長趨勢,最大斑塊指數不斷下降,城市群內部呈現(xiàn)出城市景觀異質性、破碎化與復雜化的趨勢。以上表明,城市擴張與景觀格局的關系密切。

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

(3)多情景下的模擬預測表明,運用Dyna-CLUE模型模擬城市群內未來景觀空間變化具有可行性,未來飛地式與邊緣式擴張是城市擴張的主要模式。依據“快速發(fā)展情景”與“自然發(fā)展情景”的發(fā)展趨勢,建設用地增長較快,建設用地主要由未利用地、草地、耕地轉換而來。根據“自然發(fā)展情景”的發(fā)展趨勢,未來草地面積會大量減少,生態(tài)環(huán)境會趨向脆弱。因此,在城市群的未來發(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)境保護的基礎上高質量的發(fā)展。依據2019年5月8日國家發(fā)改委批復實施的《天山北坡城市群發(fā)展規(guī)劃(2018—2035)》要求,在城市擴張的同時,構建城市群綠洲生態(tài)安全屏障,加大生態(tài)環(huán)境保護力度,維護生態(tài)環(huán)境安全,筑牢天山北坡城市群建設的生態(tài)安全屏障。

天北北坡城市群與京津冀、中原、長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,城市群內部城市間的結構與職能不明顯,核心城市的輻射能力沒有完全產生優(yōu)勢,研究上不能完全照搬京津冀、中原、長三角等城市群的傳統(tǒng)評價指標來對它進行評價。本研究從城市景觀的視角出發(fā),參考了研究區(qū)相關規(guī)劃資料,利用景觀擴張指數法來刻畫了天山北坡城市群的近25年來的擴張模式的時空變化特征,城市群內不同區(qū)域的擴張模式有所差異。引入重心轉移模型剖析天山北坡城市群城市擴張的移動軌跡,從時間、空間兩個角度綜合分析了城市群的擴張情況。運用Dyna-CLUE模型對城市群進行了多情景模擬,在“自然發(fā)展情景”、“生態(tài)保護情景”、“快速發(fā)展情景”3種情景設定下,對城市群未來10年間的土地利用、城市擴張演變進行了剖析,以期為城市群未來發(fā)展提供新的發(fā)展思路與參考?；诒疚牡难芯縼砜?未來城市群發(fā)展應該綜合考慮“自然發(fā)展情景”、“生態(tài)保護情景”、“快速發(fā)展情景”3種情境下的城市擴張與土地利用狀況,協(xié)調好城市擴張與土地利用之間的矛盾,在生態(tài)環(huán)境保護、資源承載力加強的前提下,重點提升核心城市的輻射能力,同時,加強各個城市間、區(qū)域間的分工與聯(lián)系,利用自身的稟賦與優(yōu)勢,打造一個具有邊疆特色、可持續(xù)發(fā)展的天山北坡城市群。