基于GUB-GLC30的煙臺(tái)城區(qū)擴(kuò)張及驅(qū)動(dòng)力分析

黃寶華，林湛清，周利霞

1. 山東交通學(xué)院 交通土建工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357；

2. 山東星屹時(shí)空信息科技有限公司，山東 煙臺(tái) 264003；

3. 河北省地質(zhì)測(cè)繪院，河北 廊坊 065000；

4. 煙臺(tái)市城市規(guī)劃展示館，山東 煙臺(tái) 213167

0 引 言

隨著城市快速發(fā)展地表覆蓋類型也隨之發(fā)生著改變，城市化提高導(dǎo)致建成區(qū)日益擴(kuò)大，造成城市周邊林地、耕地等土地利用類型強(qiáng)制性轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘薪ㄔO(shè)用地，造成建設(shè)用地?cái)U(kuò)張與之的矛盾日益嚴(yán)重[1]。因此如何快速獲取城市擴(kuò)展變化情況，對(duì)指導(dǎo)城市規(guī)劃，預(yù)測(cè)城市未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，探討城市土地?cái)U(kuò)張強(qiáng)度差異及其影響因素，為政府制定合理調(diào)控政策具有重要意義。城市擴(kuò)展變化研究主要以Landsat TM/ETM+和MODIS 影像解譯數(shù)據(jù)為主，但土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)存在更新時(shí)間慢、數(shù)據(jù)少，MODIS 土地利用數(shù)據(jù)分辨率低、質(zhì)量差的缺陷。因此，目前主要利用Landsat TM/ETM+ 影像解譯數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行城市擴(kuò)展分析[2-4]。

1 研究區(qū)域和使用數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

煙臺(tái)是山東半島中心城市，環(huán)渤海地區(qū)、“一帶一路”國(guó)家戰(zhàn)略重點(diǎn)建設(shè)港口城市。截至2020 年，中心城區(qū)人口230 萬(wàn)，以芝罘濱海地帶為中心，拓展東西兩翼，貫通南北山海，形成“山聳城中，城隨山轉(zhuǎn)，海圍城繞，城島相映，融山、城、海、島于一體”的城市布局。煙臺(tái)地形為低山區(qū)丘陵，山丘起伏和緩，溝壑縱橫交錯(cuò)。全市地貌總體上呈中間高，南北低的態(tài)勢(shì)，土地利用類型多樣、特點(diǎn)鮮明。以天然河流、山體和永久綠帶分隔各城區(qū)，形成芝罘、萊山、開(kāi)發(fā)區(qū)、福山、牟平、八角等六大組團(tuán)，構(gòu)成多組團(tuán)、多核心的濱海帶狀組團(tuán)城市結(jié)構(gòu)。

1.2 使用數(shù)據(jù)

清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系基于已開(kāi)發(fā)的全球高分辨率（30 m）人造不透水面制圖產(chǎn)品（Global Artificial Impervious Area，GAIA）提取多時(shí)相的城市邊界（Global Urban Boundary，GUB）數(shù)據(jù)集。GUB 數(shù)據(jù)集采用一致的邊界定義和繪制方法，通過(guò)算法自動(dòng)根據(jù)不透水面的分布進(jìn)行劃定，得到的邊界數(shù)據(jù)是評(píng)價(jià)城市生態(tài)環(huán)境和建成區(qū)構(gòu)成的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)單元。研究數(shù)據(jù)包括1990、1995、2000、2005、2010、2015 和2018 年7期GUB-GLC30 地表覆蓋數(shù)據(jù)，行政區(qū)劃、DEM 等數(shù)據(jù)，由煙臺(tái)統(tǒng)計(jì)年鑒（http://tjj.yantai.gov.cn）獲取的GDP 和人口數(shù)量數(shù)據(jù)。

2 煙臺(tái)城區(qū)時(shí)空變化分析方法

煙臺(tái)市建成區(qū)時(shí)空變化情況從城市的外延擴(kuò)展、內(nèi)部空間格局分布和城市用地效率三方面分析。外延擴(kuò)展分析主要利用擴(kuò)展指數(shù)（擴(kuò)張速度、擴(kuò)張強(qiáng)度），內(nèi)部空間格局分析利用空間格局指數(shù)（聚合指數(shù)、分維指數(shù)）和城市密度指數(shù)（面積密度指數(shù)、GDP 密度指數(shù)）[5-7]，城市用地的效率分析利用城市空間格局與DEM、GDP 和人口數(shù)量的關(guān)聯(lián)關(guān)系（表1）。

表1 城市擴(kuò)張和驅(qū)動(dòng)力空間分析指標(biāo)Tab.1 Spatial analysis indexes of urban expansion and driving force

3 煙臺(tái)城區(qū)時(shí)空變化及驅(qū)動(dòng)力分析

3.1 擴(kuò)展指數(shù)及城市重心變化趨勢(shì)

由于受海洋和地形限制，煙臺(tái)城區(qū)空間整體發(fā)展為“拓展東西兩翼，適當(dāng)控制向南”，主要沿著海岸線邊界呈現(xiàn)條狀、分散發(fā)展。煙臺(tái)市城區(qū)面積在1990-2018 年呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)，2000 年前城區(qū)面積變化較小，10 年間由85.75 km2增長(zhǎng)至145.32 km2，年均增長(zhǎng)5.95 km2；2001-2010 年為城區(qū)面積高速增長(zhǎng)期，由145.32 km2急增至327.2 km2，年均增長(zhǎng)18.18 km2；2011 年后增速放緩，但2016 年后又迎來(lái)一個(gè)高速增長(zhǎng)期（圖1）。

圖1 煙臺(tái)市1990-2018 年城市面積變化圖Fig.1 Urban area changes from 1990 to 2018

政策對(duì)煙臺(tái)城區(qū)重心發(fā)展影響較大，1994 年正式批準(zhǔn)煙臺(tái)市增設(shè)萊山區(qū)、牟平撤縣改區(qū)。城區(qū)重心由于市政府由芝罘區(qū)東遷至萊山區(qū)而隨之發(fā)生變化。其中，2000-2010 年重心變化較快，由芝罘區(qū)快速向萊山區(qū)轉(zhuǎn)移。2005 年后重心移至萊山區(qū)，2018 年6 區(qū)合為一個(gè)整體后形成一個(gè)穩(wěn)定的發(fā)展重心（圖2）。

圖2 煙臺(tái)市發(fā)展重心變化示意圖Fig.2 Schematic diagram of the changes of gravity center

1990-1995 年，煙臺(tái)市主要以芝罘區(qū)為主中心、福山和牟平區(qū)為兩個(gè)獨(dú)立副中心，經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)以?shī)A河為分界線從福山區(qū)分離（圖3）。

圖3 煙臺(tái)市1990-2018 年城鎮(zhèn)用地空間分布Fig.3 Spatial distribution of urban land from 1990 to 2018

煙臺(tái)市圍繞上述3 個(gè)區(qū)域向周邊小幅、緩慢擴(kuò)展，萊山區(qū)雖未形成獨(dú)自核心區(qū)域，但芝罘區(qū)沿濱海路開(kāi)始向萊山發(fā)展。1996-2000 年擴(kuò)展主要在夾河以西的開(kāi)發(fā)區(qū)大幅南擴(kuò)以及福山區(qū)原有建成區(qū)北進(jìn)，兩區(qū)合為一體，萊山區(qū)以初家街道增長(zhǎng)點(diǎn)與濱海建成區(qū)連在一起。2001-2005 年擴(kuò)展較快，擴(kuò)張強(qiáng)度9.89%，擴(kuò)張速度12.06%，黃務(wù)鎮(zhèn)、初家鎮(zhèn)、萊山鎮(zhèn)和新市政府區(qū)域的快速增長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)區(qū)不斷向西、向南增長(zhǎng)。2006-2010 年擴(kuò)展放緩，擴(kuò)張強(qiáng)度7.03%，擴(kuò)張速度8.1%，主要擴(kuò)充區(qū)域?yàn)?010 年正式升級(jí)為國(guó)家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)的科技大道周邊。2011-2015 年由于煙臺(tái)嚴(yán)格控制新增建設(shè)用地，加大存量用地挖潛力度，因此擴(kuò)展持續(xù)放緩。2016-2018 年擴(kuò)張較大，擴(kuò)張強(qiáng)度17.71%，擴(kuò)張速度21.02%，各區(qū)合為一個(gè)整體（圖4）。

圖4 煙臺(tái)擴(kuò)展指數(shù)變化Fig.4 Change of Yantai expansion index

3.2 空間格局指數(shù)變化趨勢(shì)

煙臺(tái)城區(qū)1990-2018 年聚合指數(shù)在90 以上，分維指數(shù)在0.8 以下（＜1.5），城市呈現(xiàn)聚合性和形態(tài)簡(jiǎn)單化。早期，由于主城區(qū)為芝罘區(qū)，形狀簡(jiǎn)單，分維指數(shù)?。ǎ?.7）；2000 年后隨著城市向東西快速擴(kuò)展，城區(qū)形狀變復(fù)雜，分維指數(shù)＞0.75；2011-2015 年主要在周邊緩慢擴(kuò)張，分維指數(shù)下降至0.49；2016-2018年城市擴(kuò)張又迎來(lái)一個(gè)高峰期，分維指數(shù)又上升至0.75。聚合度指數(shù)在2000 年以前較高（94 左右），2000 年后開(kāi)始下降，2005年達(dá)到最小值91.25，隨后開(kāi)始逐年上升，在2018 年達(dá)到最大值95.7，說(shuō)明煙臺(tái)城市建設(shè)用地由分散向聚合方向發(fā)展（圖5）。

圖5 聚合指數(shù)和分維指數(shù)Fig.5 Aggregation index and fractal dimension

城區(qū)建設(shè)用地作為研究區(qū)的最大斑塊，最大斑塊指數(shù)自2000 年以后持續(xù)增長(zhǎng)，2018 年達(dá)到最大值99.4（圖6），說(shuō)明景觀中建設(shè)用地面積增大，占有更大的優(yōu)勢(shì)。

圖6 最大斑塊指數(shù)變化趨勢(shì)Fig.6 Change trend of maximum plaque index

斑塊結(jié)合度平均連接度指數(shù)的增加（圖7），說(shuō)明城區(qū)建設(shè)用地間的連接性更好，分布得更集中。香農(nóng)多樣性指數(shù)增大，說(shuō)明景觀異質(zhì)程度上升，景觀類型有向多元化方向發(fā)展的趨勢(shì)。煙臺(tái)沿海地區(qū)景觀總體特征的這些變化是人類對(duì)景觀干擾不斷加強(qiáng)的結(jié)果，因?yàn)樵诙潭痰慕?8 年間，自然條件的變化是比較微小的。

圖7 斑塊結(jié)合度指數(shù)Fig.7 Plaque binding index

3.3 城市密度指數(shù)變化趨勢(shì)及驅(qū)動(dòng)力分析

建成區(qū)擴(kuò)張的驅(qū)動(dòng)力包括社會(huì)、物理、政治、規(guī)劃和政策驅(qū)動(dòng)力等幾個(gè)方面。社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因素對(duì)煙臺(tái)城區(qū)擴(kuò)張有很大影響，城市中心城區(qū)為居民提供就業(yè)和商業(yè)機(jī)會(huì)以及行政服務(wù)，它們影響人口移徙和增長(zhǎng)[8]。直接表現(xiàn)在GDP 上，建成區(qū)面積與GDP 呈線性相關(guān)關(guān)系y＝0.2135x-424.48（R2＝0.8984），城區(qū)單位面積的GDP 直線上升表明生產(chǎn)總值和居民消費(fèi)的大幅增長(zhǎng)，帶動(dòng)了各類非農(nóng)業(yè)用地的增加。因?yàn)榱鲃?dòng)人口的不確定性很強(qiáng)，常住人口成為最具活力的驅(qū)動(dòng)力之一[9-10]。城區(qū)人口和建成區(qū)面積呈指數(shù)相關(guān)關(guān)系y＝4E-54e0.0614x（R2＝0.9754），單位人口的城市面積指數(shù)上升說(shuō)明人口的增長(zhǎng)加速了城市建設(shè)用地對(duì)耕地的侵占。固定資產(chǎn)項(xiàng)目、房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)和城市基礎(chǔ)設(shè)施投資的增加，加快了建成區(qū)的改擴(kuò)建（圖8）。

圖8 煙臺(tái)城區(qū)擴(kuò)張與GDP 及人口數(shù)量的關(guān)系Fig.8 Relationship between urban expansion and GDP and population

城市范圍、空間分布和任何地區(qū)的擴(kuò)張取決于物理特征，煙臺(tái)市域高程主要在0 ～100 m 之間，城區(qū)主要集中在3 ～20 m 高程之間，煙臺(tái)城區(qū)擴(kuò)張大多發(fā)生在平坦地區(qū)（圖9）。

圖9 煙臺(tái)城區(qū)擴(kuò)張與高程關(guān)系Fig.9 Relationship between urban expansion and elevation

4 結(jié) 論

由于政治、經(jīng)濟(jì)、人口等方面的差異，城市化擴(kuò)張的機(jī)制是復(fù)雜的。從長(zhǎng)時(shí)間序列分析城市空間擴(kuò)展的演化規(guī)律，對(duì)于優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu)、促進(jìn)城市發(fā)展具有重要意義。本文通過(guò)1990-2018 年的FROM-GLC 數(shù)據(jù)，快速有效地監(jiān)測(cè)了煙臺(tái)中心城區(qū)近28 年的擴(kuò)張過(guò)程，系統(tǒng)分析了擴(kuò)張的時(shí)空變化。

煙臺(tái)市在1990-2018年處于持續(xù)的城區(qū)擴(kuò)張過(guò)程，不同時(shí)期的空間擴(kuò)張主要方向和擴(kuò)張速率不同。20 世紀(jì)90 年代是城鎮(zhèn)空間地域擴(kuò)展速度較低，主要表現(xiàn)為在增長(zhǎng)軸和增長(zhǎng)點(diǎn)帶動(dòng)下的小幅度擴(kuò)展，但是這一時(shí)期夾河以西開(kāi)發(fā)區(qū)的南擴(kuò)與福山區(qū)的北進(jìn)是一個(gè)比較突出的過(guò)程。2000 年以后，重新進(jìn)入各個(gè)方向顯著增長(zhǎng)的時(shí)期，北部的芝罘島、西部的經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、南部的萊山區(qū)都重新煥發(fā)出強(qiáng)大的活力，但是最為突出的是新市政府辦公區(qū)建成使用激發(fā)的新一輪城鎮(zhèn)化過(guò)程。2001-2005年和2016-2018 年為煙臺(tái)市城區(qū)空間擴(kuò)展最迅速的兩個(gè)階段。通過(guò)城市密度指數(shù)，說(shuō)明生產(chǎn)總值、居民消費(fèi)、人口和固定資產(chǎn)項(xiàng)目、房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)及城市基礎(chǔ)設(shè)施投資的增加加快了建成區(qū)的改擴(kuò)建。煙臺(tái)城區(qū)主要集中在3 ～20 m 高程之間，煙臺(tái)城區(qū)擴(kuò)張大多發(fā)生在平坦地區(qū)，適宜人類生活區(qū)域。