李 哲, 鄭 瑤, 張亞麗, 趙子龍, 黨文輝, 王曉磊
(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,鄭州 450002; 2.河南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,鄭州 450046)
城市擴(kuò)張是城市由于社會(huì)生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展而引起的城市空間增長(zhǎng)、城市規(guī)模擴(kuò)大,農(nóng)村人口向城市集中的過(guò)程,是城市化快速發(fā)展階段的一個(gè)重要特征[1-2]. 因此,研究城市擴(kuò)張變化特征對(duì)于促進(jìn)城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)良性發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重要意義. 學(xué)者們廣泛運(yùn)用GIS技術(shù)和遙感影像處理技術(shù),研究城市建成區(qū)擴(kuò)張演變特征[3-5]. 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有研究多集中在直轄市、東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)或城市群[6-8]. 歐陽(yáng)曉和朱翔[6]以10個(gè)不同發(fā)育等級(jí)的城市群為研究對(duì)象,分析了1990—2015年間城市擴(kuò)張的時(shí)空演變特征及其對(duì)景觀生態(tài)效應(yīng)的影響,同時(shí)分析了人口、經(jīng)濟(jì)與城市用地協(xié)同發(fā)展關(guān)系. 鄭州市是河南省省會(huì)也是中部地區(qū)重要的工業(yè)城市和國(guó)家中心城市,同時(shí)也是鐵路、高速公路、航空和電信等領(lǐng)域重要的樞紐城市. 賀振等[9]利用3期遙感數(shù)據(jù),分析了鄭州市1988—2000年和2000—2009年兩個(gè)時(shí)間段建設(shè)用地的空間變化特征,提出鄭州市主要是以中心城區(qū)的二七廣場(chǎng)向四周呈同心圓狀擴(kuò)展. 李愛(ài)民等[10]分析了1999—2007年鄭州市建成區(qū)的擴(kuò)展特征及其與人口增長(zhǎng)的協(xié)調(diào)關(guān)系,認(rèn)為人口增長(zhǎng)不適應(yīng)城市用地?cái)U(kuò)張. 周鵬超和楊永芳[11]分析了1990—2016 年間鄭州市建設(shè)用地的擴(kuò)張情況,提出2000 年是城市擴(kuò)展速率由慢變快的轉(zhuǎn)折點(diǎn). 近年來(lái),隨著鄭州市城市功能的不斷升級(jí),區(qū)域輻射作用不斷增強(qiáng),城市建成區(qū)擴(kuò)張速度也日益加快,對(duì)城市管理和市政建設(shè)產(chǎn)生了一系列的深遠(yuǎn)影響. 然而,現(xiàn)有研究時(shí)間跨度較短,目前尚缺乏較長(zhǎng)時(shí)間序列的鄭州市城市擴(kuò)張演變規(guī)律研究,不利于系統(tǒng)分析鄭州市城市擴(kuò)張的驅(qū)動(dòng)機(jī)制. 因此,本文以鄭州市為研究對(duì)象,利用GIS/RS技術(shù)研究1981—2019年期間鄭州市建成區(qū)擴(kuò)張的時(shí)空演變特征并分析驅(qū)動(dòng)因素,以期為促進(jìn)新形勢(shì)下快速城市化地區(qū)城市健康發(fā)展與科學(xué)規(guī)劃、制定合理的城市空間增長(zhǎng)管理政策提供科學(xué)依據(jù).
1)城市擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)
城市擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)(Urbanization Intensity Index,UII)是指某空間在研究期內(nèi)建成區(qū)擴(kuò)張面積占研究區(qū)土地總面積的百分比,用來(lái)分析不同時(shí)期城市擴(kuò)張的快慢強(qiáng)弱[12],計(jì)算方法如下:
式中:Uib研究期內(nèi)的末年城市用地面積;Uia為初始年用地面積;TIA為研究區(qū)的土地總面積;T表示時(shí)間跨度,用年來(lái)計(jì)算.
2)城市空間緊湊度指數(shù)
城市空間緊湊度指數(shù)是由城市面積與周長(zhǎng)的比值決定. 以圓形區(qū)域作為標(biāo)準(zhǔn)度量單位(緊湊度為1),緊湊度越接近于1,說(shuō)明城市形狀越緊湊;越接近于0,則城市空間離散程度越大. 因此,它可以作為衡量城市空間形態(tài)變化的一個(gè)重要指標(biāo)[13],計(jì)算公式為:
式中:C為城市緊湊度;P是城市周長(zhǎng);A是城市面積.
3)城市分形維數(shù)
城市空間分形維數(shù)D用以刻畫(huà)城市形狀的復(fù)雜度,體現(xiàn)了城市內(nèi)部的自組織、自相似以及邊界分形擴(kuò)展能力,也反映了城市土地利用變化的形態(tài)[14-15]. 一般情況下,D通常位于1.0到2.0之間.D為1.0,形狀是最簡(jiǎn)單的正方形,當(dāng)D<1.5,說(shuō)明圖形是簡(jiǎn)單的;D=1.5時(shí),表示圖形處于布朗隨機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài);當(dāng)D>1.5時(shí),則圖形是復(fù)雜的;D越大表示圖形越不規(guī)則,2.0為等面積情況下周邊最復(fù)雜的區(qū)域[16]. 表達(dá)式如下:
式中:D為城市在一定時(shí)間區(qū)間的城市空間的分形維數(shù);P表示該城市對(duì)應(yīng)時(shí)間區(qū)間的城市區(qū)域的周長(zhǎng);A表示該時(shí)間區(qū)間的城市區(qū)域的面積.
4)城市面積-人口擴(kuò)展彈性系數(shù)
城市用地面積的變化速度通常與城市人口數(shù)量的增減速度直接相關(guān),用來(lái)描述兩者關(guān)系的城市面積-人口彈性系數(shù)是一個(gè)用來(lái)評(píng)價(jià)城市擴(kuò)展合理性的指標(biāo)[10],其計(jì)算方法如下:
式中:R(i)為第i時(shí)期的城區(qū)面積-人口擴(kuò)展彈性系數(shù);A(i)為第i時(shí)期的城區(qū)面積平均增長(zhǎng)率;Pop(i)為第i時(shí)期的城區(qū)平均人口增長(zhǎng)率.
采用的遙感影像數(shù)據(jù)來(lái)源于Landsat 系列衛(wèi)星(表1),下載于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/),選擇平均云量為1%左右的衛(wèi)星遙感影像以提高分辨率. 對(duì)上述遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行校正,進(jìn)行目視解譯,再用ENVI 5.3 軟件驗(yàn)證解譯精度. 1981、1988、2000、2011 和2019 年解譯總精度分別為82.5%、84.6%、83.2%、85.1%和84.3%,Kappa系數(shù)分別為0.81、0.79、0.83、0.85和0.84. 解譯精度均高于80%,Kappa系數(shù)均高于0.70,滿足分析鄭州市建成區(qū)擴(kuò)張?zhí)卣餍枨? 文中經(jīng)濟(jì)和人口等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要來(lái)自《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》和第七次人口普查結(jié)果.
表1 各年份所選取的遙感影像類型Tab.1 Remote sensing image types selected in each year
2.1.1 鄭州市建成區(qū)面積增長(zhǎng)情況
1981—1988 年、1988—2000 年、2000—2011 年和2011—2019 年鄭州市建成區(qū)面積年均增長(zhǎng)量分別為5.362 km2、2.606 km2、20.137 km2和25.122 km2. 每個(gè)時(shí)間區(qū)間的增長(zhǎng)率都大于30%,其中2000—2011年的面積增長(zhǎng)率高達(dá)166.3%,為最高值. 總體而言,近40 年來(lái)鄭州市的建成區(qū)面積變化特征是“高速增加”.1981—2000年期間城市建成區(qū)擴(kuò)張速率較慢,這與改革開(kāi)放早期城市化進(jìn)程緩慢進(jìn)程有關(guān). 2000年之后城市擴(kuò)張速率明顯加快,人口向中心城區(qū)流動(dòng)加快,隨之也帶動(dòng)了城市建成區(qū)面積的快速增加.
2.1.2 鄭州市建成區(qū)擴(kuò)張速率和擴(kuò)張強(qiáng)度分析
依據(jù)儲(chǔ)金龍等[17]對(duì)擴(kuò)展速率的劃分標(biāo)準(zhǔn),可按照城市擴(kuò)張速率分別為≥10、6~<10、2~<6和<2 km2/a劃分高速擴(kuò)張型、快速擴(kuò)張型、中速擴(kuò)張型和低速擴(kuò)張型四種類型. 按照鄭州市建設(shè)用地的擴(kuò)展速率,對(duì)1981—2019年四個(gè)時(shí)期區(qū)間的擴(kuò)張類型進(jìn)行劃分(表2). 可知在39年的時(shí)間區(qū)間里,城市建設(shè)用地的擴(kuò)張速度整體以中高速為主,由1981年的64.383 km2增長(zhǎng)至2019年580.8 km2,平均增長(zhǎng)量為13.226 km2/a.
表2 城市建設(shè)用地演變擴(kuò)展速率類型劃分Tab.2 Classification of expansion rate types of urban construction land evolution
依據(jù)儲(chǔ)金龍等[17]對(duì)擴(kuò)展強(qiáng)度的劃分標(biāo)準(zhǔn)的討論,可按照城市擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)值分別為UII >1.92、1.05<UII≤1.92、0.59<UII≤1.05和0.28<UII ≤0.59、UII ≤0.28,劃為高速擴(kuò)展型、快速擴(kuò)展型、中速擴(kuò)展型、低速擴(kuò)展型和緩慢擴(kuò)展型等五種類型. 根據(jù)式(1)計(jì)算不同時(shí)期鄭州市建設(shè)用地的擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù),確定1981—2019年四個(gè)時(shí)期區(qū)間的擴(kuò)張類型(表3). 由此可知,2000年之前以中速和低速擴(kuò)張為主,2000年之后為高速擴(kuò)張,這與周鵬超和楊永芳[11]研究結(jié)論一致.
表3 各階段城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)展強(qiáng)度類型Tab.3 Expanding intensity types of urban construction land at each stage
2.1.3 鄭州市建成區(qū)擴(kuò)張形態(tài)分析
利用式(2)和式(3)分別計(jì)算鄭州市1981年、1988年、2000年、2011年和2019年的緊湊度指數(shù)和分形維數(shù)(圖1和圖2). 從圖1可以看出,1981—2019年間鄭州市城市緊湊度指數(shù)呈現(xiàn)下滑趨勢(shì),整體特征為離散程度越來(lái)越高. 其中,1981 年和1988 年的緊湊度指數(shù)均接近1,變化不大,表明期間城市正處于緩慢且有序擴(kuò)張的狀態(tài).2000 年城市緊湊度指數(shù)下降幅度較大,城市周長(zhǎng)也快速增加,與1988 年比翻了約一倍,城市開(kāi)始高速擴(kuò)張,這與鄭東新區(qū)的規(guī)劃與建設(shè)密不可分. 隨后鄭州市大力發(fā)展其他工業(yè)區(qū)和高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū),城市緊湊度指數(shù)持續(xù)下降,城市形態(tài)愈發(fā)離散.
圖1 鄭州市不同時(shí)期城市周長(zhǎng)與緊湊度指數(shù)Fig.1 Urban circumferences and compactness indexes of Zhengzhou in different periods
由圖2可知1981—2019年鄭州市分形維數(shù)接近于1,呈緩慢增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),表明鄭州城市建成區(qū)的空間形式整體相對(duì)簡(jiǎn)單. 1981—1988 年鄭州市建成區(qū)的分形維數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì),但是比較緩慢,說(shuō)明期間鄭州市建成區(qū)有向外擴(kuò)張的動(dòng)態(tài)變化,但擴(kuò)張程度不大;1988—2011年,分形維數(shù)上升較多,表明這段時(shí)期鄭州市建成區(qū)向外擴(kuò)張程度較大,用地類型變更較多;而2011—2019 年,建成區(qū)分形維數(shù)有所下降,說(shuō)明這幾年間鄭州市建成區(qū)形態(tài)以內(nèi)部調(diào)整為主.
圖2 鄭州市不同時(shí)期城市面積與分形維數(shù)Fig.2 Urban areas and fractal dimensions in different periods in Zhengzhou
2.1.4 鄭州市建成區(qū)面積-人口擴(kuò)張彈性指數(shù)分析
利用式(4)計(jì)算鄭州市城市面積-人口擴(kuò)張彈性指數(shù)(表4). 通常城市用地快速擴(kuò)張而人口數(shù)量增長(zhǎng)緩慢,會(huì)造成土地的浪費(fèi),集約化程度低,反之會(huì)出現(xiàn)城市用地利用強(qiáng)度過(guò)高的狀況. 通過(guò)對(duì)中國(guó)歷年來(lái)城市化進(jìn)程的綜合分析,陳蕾等[18]認(rèn)為當(dāng)城市擴(kuò)展與人口發(fā)展之間處于較協(xié)調(diào)狀態(tài)時(shí),R(i)為1.12,如果R(i)值過(guò)小,會(huì)導(dǎo)致城市用地緊張,如果該值過(guò)大,則意味著土地利用率太低. 由表4可知1981—1988年鄭州市建成區(qū)的擴(kuò)展彈性指數(shù)略高于1.12,城市擴(kuò)張與人口之間較為合理;1988—2000年為0.347,表明這段時(shí)間人口快速增加,而城市建設(shè)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后;2000—2011年和2011—2019年R(i)值分別為1.737和2.173,擴(kuò)展彈性指數(shù)快速增加,這表明城市擴(kuò)張速度遠(yuǎn)超過(guò)了人口增長(zhǎng)速度,這與前面的擴(kuò)張類型分析一致,即鄭州市2000年之后城市建成區(qū)高速擴(kuò)張,而人口增長(zhǎng)速度相應(yīng)滯后.
表4 各時(shí)期鄭州市建成區(qū)擴(kuò)展彈性指數(shù)Tab.4 Extended elasticity indexes of Zhengzhou built-up area in each period
通過(guò)5個(gè)時(shí)期的Landsat 衛(wèi)星遙感影像,分別得到鄭州市5個(gè)時(shí)期的建成區(qū)范圍圖像(圖3). 1981年鄭州建成區(qū)形態(tài)緊湊,面積較小,僅64.383 km2,且城鎮(zhèn)化率較低,僅為35%. 與1981年相比,1988年的建成區(qū)擴(kuò)張呈現(xiàn)兩種形態(tài),一是中心城區(qū)的擴(kuò)張較為緩慢,以同心圓的形態(tài)向外蔓延,沿西南方向擴(kuò)展較多;二是在中心城區(qū)以外,郊區(qū)的建設(shè)用地呈現(xiàn)分散式增長(zhǎng),以居民點(diǎn)分布居多. 2000年建成區(qū)面積較上一時(shí)期有明顯增多,但中心城區(qū)擴(kuò)張緩慢,擴(kuò)張形態(tài)由同心圓式擴(kuò)張轉(zhuǎn)為多中心外延式擴(kuò)張發(fā)展. 該階段建設(shè)用地增加量主要分布在中心城區(qū)以外的地區(qū),形成了以不同行政區(qū)為主體的住宅功能區(qū),工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地逐漸遠(yuǎn)離市中心區(qū)域,公共管理用地?cái)?shù)量隨之增多,其中二七區(qū)占比最大. 2011年城市建成區(qū)的主要擴(kuò)張方向?yàn)槲鞅?、東北和東南. 此外,隨著鄭東新區(qū)的建成,城市中心開(kāi)始向東北部移動(dòng). 2019年鄭州市各個(gè)方向都在有序地?cái)U(kuò)張,但建成區(qū)主要集中在東西發(fā)展軸帶上擴(kuò)張. 其中,東區(qū)建成區(qū)的擴(kuò)張規(guī)模最大,北區(qū)次之,之后是西區(qū),最弱的是南區(qū). 由上可知鄭州市建成區(qū)擴(kuò)張和大多數(shù)地區(qū)的城市化進(jìn)程相似,都是以主城區(qū)為基礎(chǔ),以市中心為基準(zhǔn)點(diǎn),沿著道路交通格網(wǎng)線走勢(shì)和各類產(chǎn)業(yè)園區(qū)的發(fā)展方向,隨著城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口數(shù)量的增多,城市建成區(qū)擴(kuò)展速率也逐步加快.
圖3 鄭州市1981—2019年建成區(qū)范圍變化Fig.3 Scope changes of built-up area in Zhengzhou from 1981 to 2019
2.3.1 經(jīng)濟(jì)因素
自改革開(kāi)放以來(lái)鄭州市經(jīng)濟(jì)呈高速發(fā)展態(tài)勢(shì),1981年鄭州市的國(guó)民生產(chǎn)總值為31.1億元,人均生產(chǎn)總值為684元;到2019年鄭州市的國(guó)民生產(chǎn)總值達(dá)到了11 589.72億元,同比2011年增長(zhǎng)了133.94%,人均國(guó)民生產(chǎn)總值高達(dá)113 139元. 從三大產(chǎn)業(yè)占比布局來(lái)看,在1999年之前第二產(chǎn)業(yè)占比一直高達(dá)50%以上,是三產(chǎn)業(yè)中比重最大,發(fā)展勢(shì)頭最猛的產(chǎn)業(yè);從1981年開(kāi)始,第三產(chǎn)業(yè)的比重呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì),并于2001年超過(guò)第二產(chǎn)業(yè),成為三產(chǎn)業(yè)中發(fā)展最快,占比最高的產(chǎn)業(yè),2016—2019年亦是如此(圖4). 經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展需要城市建設(shè)用地支撐,在一定程度上促進(jìn)了城市的快速擴(kuò)張.
圖4 鄭州市1981—2019年產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比例Fig.4 Industrial structure ratio of Zhengzhou City from 1981 to 2019 years
2.3.2 政策因素
國(guó)家政策是影響鄭州城市發(fā)展的導(dǎo)向性因素. 鄭州是河南省省會(huì)、中部地區(qū)重要的工業(yè)城市和國(guó)家中心城市、中原城市群的龍頭城市. 這些城市定位在政治經(jīng)濟(jì)等各領(lǐng)域具有非常重要的引領(lǐng)和示范作用,這對(duì)于鄭州城市的擴(kuò)張起到了重要的推動(dòng)作用. 可以說(shuō),40年來(lái)鄭州城市的快速擴(kuò)張,既是鄭州城市自身發(fā)展的客觀要求,也是帶動(dòng)中原經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展,促進(jìn)我國(guó)中部地區(qū)宏觀區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然選擇[19].
2.3.3 人口因素
河南省是人口大省,作為省會(huì)的鄭州市對(duì)人口流動(dòng)具有較強(qiáng)的吸引力. 從全國(guó)主要29個(gè)大型城市人口增幅來(lái)看,鄭州人口2009—2019年增加了37%,處在第五位. 根據(jù)第七次人口普查結(jié)果,與第六次普查結(jié)果相比,鄭州十年的人口增量占河南省的74.4%,占全國(guó)增量的5.5%;增速比全國(guó)和河南省均高出40%,十年平均增速比全國(guó)和河南均高出3.3%[20]. 結(jié)合前文分析,鄭州市人口城鎮(zhèn)化雖然整體滯后于城市用地的擴(kuò)張,但對(duì)城市建成區(qū)擴(kuò)張起到了不可或缺的推動(dòng)作用.
2.3.4 交通因素
城市交通的快速發(fā)展在很大程度上會(huì)加快城市的發(fā)展. 作為全國(guó)重要的交通樞紐城市,同時(shí)也是全國(guó)唯一的具有普通鐵路和高速鐵路網(wǎng)“雙十字”中心的城市,鄭州在國(guó)內(nèi)交通網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)重要的位置. 隨著鄭州東站、南站等高鐵站和新鄭國(guó)際機(jī)場(chǎng)的建設(shè)開(kāi)通,鄭州地鐵網(wǎng)絡(luò)的日益完善,城市綜合實(shí)力不斷提升,也為城市建成區(qū)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用.
2.3.5 環(huán)境因素
鄭州市城市建設(shè)注重生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展,大力推進(jìn)綠化建設(shè),完善公園體系和生態(tài)廊道體系. 近些年來(lái)城市的人均公園綠地面積一直在波動(dòng)上升,特別是2001年開(kāi)始,增長(zhǎng)率快速提高. 截至2019年,鄭州市建成區(qū)的綠地率、綠化覆蓋率和人均公園綠地面積3項(xiàng)指標(biāo)分別已達(dá)35.84%、40.83%和13 m2,均超過(guò)了國(guó)家生態(tài)園林城市的指標(biāo)要求[21]. 綠地面積增加使城市環(huán)境不斷優(yōu)化,對(duì)鄭州市建成區(qū)的擴(kuò)張也有促進(jìn)作用.
利用1981—2019年期間五期的Landsat衛(wèi)星遙感影像得到鄭州市5個(gè)時(shí)期的建成區(qū)范圍,從時(shí)間尺度和空間尺度對(duì)演變特征進(jìn)行分析并分析其驅(qū)動(dòng)力因素,主要結(jié)論如下:
1)1981—2019年鄭州市建成區(qū)面積呈現(xiàn)上升趨勢(shì),面積增加量為516.42 km2,期間經(jīng)歷了“中速—低速—高速—高速”的擴(kuò)張模式. 隨著城市發(fā)展速率的加快,緊湊指數(shù)呈現(xiàn)不斷下降趨勢(shì),表明城市內(nèi)部空間越發(fā)離散,城市形態(tài)愈發(fā)離散. 1981—2019年鄭州市分形維數(shù)接近1,且有增長(zhǎng)趨勢(shì).
2)從擴(kuò)展方向上看,近年來(lái)鄭州市城市重心向東北部移動(dòng),建成區(qū)向各個(gè)方向迅速擴(kuò)張,以同心圓式擴(kuò)張為主,以外延型擴(kuò)張為輔,其中主要的擴(kuò)張方向是東北和東南方向,其次是西北方向.
3)依據(jù)擴(kuò)展彈性指數(shù)來(lái)對(duì)鄭州城市擴(kuò)張合理性進(jìn)行分析,從人口數(shù)量和用地規(guī)模擴(kuò)張的關(guān)系來(lái)看,除了1988—2000 年擴(kuò)展彈性指數(shù)低于1.12,其他時(shí)段的擴(kuò)展彈性指數(shù)大于1.12,均表明人口規(guī)模增加速度低于用地?cái)U(kuò)張速率.
4)鄭州市建成區(qū)擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力因素有很多,經(jīng)濟(jì)、政策、人口和交通等因素的導(dǎo)向力加強(qiáng),對(duì)城市擴(kuò)張起到主導(dǎo)作用. 城市綠化用地增加、環(huán)境改善,對(duì)鄭州市建成區(qū)擴(kuò)展也有一定的促進(jìn)作用.