多尺度視角下中國(guó)城市群外部形態(tài)緊湊擴(kuò)張與內(nèi)部功能發(fā)育空間錯(cuò)配

何青松，王 博

（華中科技大學(xué)公共管理學(xué)院，湖北 武漢430074）

1 引言

傳統(tǒng)增量擴(kuò)張導(dǎo)致人地關(guān)系不協(xié)調(diào)與城市無(wú)序蔓延[1]，伴隨中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展邁向新常態(tài)，國(guó)土空間開發(fā)轉(zhuǎn)向存量挖潛新階段[2]。新時(shí)代國(guó)土空間規(guī)劃對(duì)城市功能與活力提出更高要求。填充型擴(kuò)張作為一種形式上更為緊湊的擴(kuò)張方式，通常不會(huì)增加城市空間范圍，一定程度上可限制城市 “攤大餅”式發(fā)展（邊緣型）與盲目擴(kuò)散（飛地型），在中國(guó)城中村改造與其他存量更新項(xiàng)目中普遍存在[3-4]。然而單純追求形態(tài)輪廓的緊湊容易忽略空間品質(zhì)同步提升[5]，導(dǎo)致生產(chǎn)生活空間運(yùn)轉(zhuǎn)效率低下，活力消減，生態(tài)空間遭受侵蝕，造成城市形態(tài)演變與功能活力發(fā)育空間失衡[6-7]。因此在細(xì)粒度上測(cè)度城市功能發(fā)育狀況，多尺度上厘清外部緊湊形態(tài)輪廓與內(nèi)部實(shí)際功能發(fā)育水平間空間匹配度與其驅(qū)動(dòng)機(jī)理，對(duì)于內(nèi)外兼顧持續(xù)推進(jìn)國(guó)土空間形態(tài)優(yōu)化和品質(zhì)提升有重要意義。

城市功能發(fā)育作為一種獨(dú)特的空間品質(zhì)，反映城市在建成環(huán)境硬維度與社會(huì)經(jīng)濟(jì)等軟維度綜合特征[8]，自1961年JACOBS提出“城市活力”便存在[9]。城市功能發(fā)育主要由建成環(huán)境基礎(chǔ)功能與空間活力水平兩個(gè)部分構(gòu)成。其中基礎(chǔ)功能維度側(cè)重于反映有形物理建成環(huán)境承載多樣城市生活的能力[10]，而空間活力維度特指各類場(chǎng)所在與人流及豐富的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)相互交織過程中產(chǎn)生的無(wú)形的獨(dú)特吸引力[11]。量化功能發(fā)育狀況是衡量城市發(fā)展質(zhì)效的重要前提，傳統(tǒng)研究主要采用基于社會(huì)調(diào)查的主觀感知或基于二手統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的客觀價(jià)值分析兩種方法，但評(píng)價(jià)范圍及精度受限[8]。近年來信息通信技術(shù)進(jìn)步與地理大數(shù)據(jù)涌現(xiàn)促使城市功能發(fā)育測(cè)度范式向多維度、精細(xì)化轉(zhuǎn)型。國(guó)內(nèi)外學(xué)者使用興趣點(diǎn)（Point of Interest, POI）、社交媒體、夜間燈光等數(shù)據(jù)[4，11-12]，從土地利用、基礎(chǔ)設(shè)施、可達(dá)性、人口密度、社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)等角度選取指標(biāo)，在都市區(qū)、城市、商圈、街區(qū)等尺度上評(píng)價(jià)建成環(huán)境功能或空間活力水平[13-15]，但結(jié)合二者在細(xì)粒度上評(píng)估城市功能發(fā)育狀況的較少。

空間錯(cuò)配（Spatial Mismatch）理論，亦稱為 “空間錯(cuò)位”，最早于1968年KAIN研究美國(guó)都市內(nèi)城隔離對(duì)弱勢(shì)群體就業(yè)空間機(jī)會(huì)影響時(shí)提出[16]，后被拓展用于揭示人口、經(jīng)濟(jì)和土地等相互關(guān)聯(lián)要素在空間分布上的不匹配程度，如住房與就業(yè)[17]、人口數(shù)量與糧食產(chǎn)量[18]等。城市建設(shè)用地作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)資源與人類活動(dòng)的主要載體，其空間錯(cuò)配更是學(xué)界研究的熱點(diǎn)?，F(xiàn)有成果大多基于宏觀資源配置視角，通過計(jì)算全要素生產(chǎn)率或構(gòu)建錯(cuò)配指數(shù)，研究建設(shè)用地在不同區(qū)域、不同部門間的配置規(guī)模、結(jié)構(gòu)與產(chǎn)出效率上的差異及其導(dǎo)致的效益損失[19-21]。然而，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張是耦合外部形態(tài)輪廓?jiǎng)討B(tài)演變與內(nèi)部空間功能發(fā)育復(fù)雜地理過程，微觀上形態(tài)維與功能維間是否同樣存在空間錯(cuò)配呢？已有文獻(xiàn)從不同視角證實(shí)城市擴(kuò)張會(huì)重塑外部幾何形態(tài)，影響內(nèi)部要素的空間布局與功能結(jié)構(gòu)，繼而導(dǎo)致新區(qū)生活空間活力、生產(chǎn)空間運(yùn)轉(zhuǎn)效率以及整體功能發(fā)育水平存在差異，為研究該問題奠定了重要的理論基礎(chǔ)。如HE等[4]結(jié)合地理大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘方法，發(fā)現(xiàn)不同城市增長(zhǎng)模式對(duì)城市活力的影響有所不同。劉修巖等[22]與程開明等[23]也證實(shí)城市空間形態(tài)能顯著影響區(qū)域內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效率與經(jīng)濟(jì)發(fā)展質(zhì)量。HARARI[24]發(fā)現(xiàn)緊湊的城市擴(kuò)張形態(tài)能促進(jìn)人口更快增長(zhǎng)，為城市內(nèi)部的家庭與企業(yè)提供更高的生活質(zhì)量。XU等[25]證明全球城市中發(fā)生的填充增長(zhǎng)能夠有效緩解城市密度下降，降低城市發(fā)展成本。但是上述學(xué)者未能系統(tǒng)地定量評(píng)估填充型開發(fā)中形態(tài)維與功能維的發(fā)育是否實(shí)現(xiàn)良好空間協(xié)同，微觀上城市外部物理形態(tài)的緊湊擴(kuò)張與內(nèi)部空間實(shí)際承載功能活動(dòng)的相互匹配關(guān)系及其作用機(jī)理尚待揭示。盡管有部分研究注意到建設(shè)用地開發(fā)利用強(qiáng)度與人類活動(dòng)密度[15,26]、城市形態(tài)中心與活力中心[27]及功能中心[28]均存在錯(cuò)位，但未進(jìn)一步指明空間錯(cuò)配具體位置、驅(qū)動(dòng)機(jī)制及其存在的尺度效應(yīng)。

綜上，現(xiàn)有成果側(cè)重于對(duì)城市建成環(huán)境功能或空間活力單維評(píng)價(jià)，拓展了建設(shè)用地錯(cuò)配宏觀研究視角。然而高質(zhì)量的城市擴(kuò)張是由外部緊湊形態(tài)輪廓與內(nèi)部多樣功能和繁榮活力在空間上良好匹配的結(jié)合體，需自下而上考量其形態(tài)與功能發(fā)育空間匹配關(guān)系與影響機(jī)制。因此，本文依托多源地理數(shù)據(jù)，以中國(guó)21個(gè)城市群內(nèi)發(fā)生填充擴(kuò)張建設(shè)用地斑塊為研究對(duì)象，綜合運(yùn)用空間錯(cuò)配指數(shù)、ESDA、Maxent模型等方法，全面測(cè)度新舊建成區(qū)功能發(fā)育水平并分析其空間格局特征，從空間內(nèi)外協(xié)調(diào)發(fā)展視角在多尺度下揭示形態(tài)緊湊而功能發(fā)育不良的錯(cuò)配現(xiàn)象，并探索其影響機(jī)理。旨在實(shí)現(xiàn)形態(tài)緊湊擴(kuò)張與功能活力提升的空間協(xié)同，為城市與城市群高質(zhì)量發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

2 理論框架

本文通過文獻(xiàn)梳理與邏輯剖析，凝練出中國(guó)城市群外部形態(tài)緊湊擴(kuò)張與內(nèi)部空間功能發(fā)育發(fā)生空間錯(cuò)配的可能路徑與理論機(jī)制。首先，城市擴(kuò)張直接引起外部形態(tài)維輪廓范圍的動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致內(nèi)部功能維建成環(huán)境結(jié)構(gòu)布局與空間活力水平出現(xiàn)差異。參照城市增長(zhǎng)相位理論[29-30]，不同類型的增長(zhǎng)模式會(huì)促使城市外部形態(tài)趨于更擴(kuò)散或更聚集，結(jié)合城市空間結(jié)構(gòu)視角[22]，外部形態(tài)變化會(huì)改變內(nèi)部要素配置格局與流動(dòng)效率，繼而影響后續(xù)整體功能發(fā)育狀況[6]。其次，填充擴(kuò)張中外部形態(tài)輪廓的緊湊化演變可能難以與內(nèi)部空間功能活力實(shí)際發(fā)育進(jìn)程相適配。盡管新城市主義的支持者認(rèn)為填充型擴(kuò)張能有效遏制空間無(wú)序蔓延，促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展[12]。然而在中國(guó)情境下，物理建成環(huán)境的范圍和密度與內(nèi)部空間功能活力的不匹配增長(zhǎng)[5,15]，常導(dǎo)致城市空間過度擁擠和利用不足并存的悖論出現(xiàn)[26-27]。第一，地方政府對(duì)土地財(cái)政的過度依賴，通常采用低價(jià)供應(yīng)工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地而高價(jià)供應(yīng)商服住宅用地的差異化土地供給策略[31]，以期吸引投資拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。這導(dǎo)致了城市新區(qū)建設(shè)用地配置結(jié)構(gòu)不合理、功能單一且利用效率低下，難以滿足居民多樣化生活需求，空間活力難得一見[32]。第二，由于地理區(qū)位與經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)差距，新城區(qū)與舊城區(qū)發(fā)展不平衡。各類公共服務(wù)設(shè)施與生活生產(chǎn)活動(dòng)大多集聚于舊城區(qū)，而新城區(qū)中相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與產(chǎn)業(yè)布局的周期較長(zhǎng)[14,27]。這增加了新城區(qū)居民生活成本[25]，不利于吸引人流定居與就業(yè)[17]，導(dǎo)致空間內(nèi)部社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素難以有序流動(dòng)，發(fā)育狀態(tài)不佳。最后，城市群盲目進(jìn)行填充開發(fā)還會(huì)引起人口與建筑等要素的過度密集，可能產(chǎn)生負(fù)外部效應(yīng)[33]，導(dǎo)致地價(jià)上漲、開放空間喪失、交通擁堵和環(huán)境污染等空間失序現(xiàn)象[7-8]。

基于以上理論梳理，說明城市群外部形態(tài)趨于緊湊不一定意味著空間品質(zhì)在同步提升，只有當(dāng)建設(shè)用地外部形態(tài)演變與內(nèi)部空間功能活力發(fā)育相適配時(shí)，方有利于促進(jìn)城市群高質(zhì)量發(fā)展。為更好揭示形態(tài)維的緊湊性與功能維的活力水平交互關(guān)系，空間錯(cuò)配提供了一個(gè)重要理論框架[27-28]。即是將城市群擴(kuò)張中外部形態(tài)輪廓的高度緊湊與內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)較低功能發(fā)育水平間不匹配的現(xiàn)象界定為空間錯(cuò)配。同時(shí)由于建設(shè)用地?cái)U(kuò)張改變城市景觀格局與過程，尺度效應(yīng)的存在會(huì)導(dǎo)致不同地理單元識(shí)別空間錯(cuò)配的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生差異[34]，形態(tài)與功能協(xié)調(diào)發(fā)展的城市群內(nèi)部亦可能存在空間錯(cuò)配斑塊，需要結(jié)合多尺度視角自下而上進(jìn)行辨識(shí)。

綜上，提出本文研究框架，主要分為5部分，整體上遵循“識(shí)別擴(kuò)張模式→評(píng)價(jià)發(fā)育水平→分析空間格局→辨識(shí)空間錯(cuò)配→探究驅(qū)動(dòng)機(jī)理”的邏輯范式（圖1）。

圖1 研究框架Fig.1 Research framework

3 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)與方法

3.1 研究區(qū)域

城市群是中國(guó)未來新型城鎮(zhèn)化的主體形態(tài)，也是區(qū)域資源要素與社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)主要集聚地與核心載體。參考國(guó)家“十四五”規(guī)劃、《國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》及相關(guān)區(qū)域發(fā)展規(guī)劃，確定21個(gè)城市群空間范圍（圖2），作為研究區(qū)域。

圖2 全國(guó)21個(gè)城市群區(qū)位及建設(shè)用地斑塊分布Fig.2 Location of the 21 urban agglomerations and the distribution of construction land patches

3.2 數(shù)據(jù)來源

研究時(shí)段為1995—2018年，研究數(shù)據(jù)分為基礎(chǔ)土地?cái)?shù)據(jù)與地理大數(shù)據(jù)兩類，包括土地利用覆被、百度POI、微博簽到、大眾點(diǎn)評(píng)、OpenStreetMap路網(wǎng)、DMSP/OLS夜間燈光與LandScan人口數(shù)據(jù)等，通過政府部門申請(qǐng)、官方網(wǎng)站下載、開放接口調(diào)用等方式收集。

土地利用覆被數(shù)據(jù)包含1995年和2015年兩期，因?yàn)樵撾A段城市群建設(shè)用地外部空間形態(tài)擴(kuò)張?zhí)卣鬏^為顯著[1,30]：1992年來中國(guó)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制的形成，極大刺激了城市擴(kuò)張，城鎮(zhèn)化率迅速提升；而自2015年后中國(guó)經(jīng)濟(jì)步入新常態(tài)，城市轉(zhuǎn)向內(nèi)涵式發(fā)展，建設(shè)用地規(guī)模受到嚴(yán)格控制，空間擴(kuò)張逐步放緩。

地理大數(shù)據(jù)因其能夠反映城市空間結(jié)構(gòu)與居民時(shí)空行為特征，在城市化研究中被廣泛應(yīng)用，其科學(xué)性已得到證明[4,15]。參考JIN等[13]研究，本文同樣考慮到新增填充型建成區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施與公共服務(wù)體系建設(shè)需要一定周期，才能夠與原建成區(qū)發(fā)育狀態(tài)相比較。故將地理大數(shù)據(jù)的收集年份后延三年至2018年，統(tǒng)一評(píng)價(jià)1995—2015年城市群新增填充建成區(qū)及原建成區(qū)在2018年的功能發(fā)育狀況。最后為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，參照以往研究[30]對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)預(yù)處理篩選和精度檢驗(yàn)。

3.3 研究方法

3.3.1 景觀擴(kuò)張指數(shù)

景觀擴(kuò)張指數(shù)（Landscape Expansion Index, LEI）由LIU等[29]提出，通過建立緩沖區(qū)分析斑塊間公共邊界空間鄰接關(guān)系，來定量識(shí)別景觀動(dòng)態(tài)擴(kuò)展格局特征及空間擴(kuò)張模式。計(jì)算公式如下：

式（1）中：A0是城市新增建成區(qū)斑塊緩沖區(qū)與原始建成區(qū)斑塊相交面積；Av表示緩沖區(qū)與非原始建成區(qū)斑塊的相交面積。LEI取值在[0，100]，可劃分為飛地型（LEI= 0，指新增建設(shè)用地遠(yuǎn)離現(xiàn)有建成區(qū)）、邊緣型（0＜LEI≤50，指新建設(shè)用地沿著現(xiàn)有城市邊緣增長(zhǎng)）及填充型（50＜LEI≤100，指新增長(zhǎng)建設(shè)用地在已建成城市區(qū)域內(nèi)部）三種類型。本文設(shè)置緩沖區(qū)距離為30 m，提取研究區(qū)域內(nèi)1995—2015年填充型增長(zhǎng)的斑塊。

3.3.2 城市功能發(fā)育指數(shù)

參考以往研究[10-11,15]，本文構(gòu)建了城市功能發(fā)育水平（Urban Development Level, UDL）指數(shù)，從建成環(huán)境功能與空間活力兩個(gè)維度選取7個(gè)具有代表性的二級(jí)指標(biāo)。由于篇幅限制，各指標(biāo)選取的理論依據(jù)在上述列舉文獻(xiàn)中已有詳細(xì)敘述，在此不再累述。各指標(biāo)內(nèi)涵及與計(jì)算公式如下所示（表1）：

表1 城市功能發(fā)育測(cè)度指標(biāo)體系Tab.1 Indicators system for measuring urban development levels

計(jì)算方法上，首先以斑塊（面積1 km2以上）為基礎(chǔ)評(píng)價(jià)單元，將各指標(biāo)值經(jīng)歸一化處理至0～100范圍內(nèi)，并采用等權(quán)重方法求和，實(shí)現(xiàn)對(duì)第i個(gè)斑塊評(píng)價(jià)。如式（2）所示，公式中各個(gè)變量含義同表1：

繼而將建設(shè)用地斑塊劃分為新增填充型建成區(qū)或原有建成區(qū)兩類，并在多尺度上評(píng)價(jià)其功能發(fā)育水平。如式（3）所示，ai表示該類建成區(qū)內(nèi)第i個(gè)斑塊面積，A表示該類建成區(qū)中斑塊總面積。先將各個(gè)斑塊功能發(fā)育水平按照面積進(jìn)行加權(quán)匯總得到所在城市的兩類建成區(qū)整體功能發(fā)育水平；再對(duì)各個(gè)城市進(jìn)行加權(quán)匯總，統(tǒng)計(jì)出所屬城市群的兩類建成區(qū)各自的功能發(fā)育水平，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)結(jié)果由“斑塊（P）→城市（C）→城市群（UA）”的升尺度轉(zhuǎn)換。

3.3.3 探索性空間數(shù)據(jù)分析

為識(shí)別中國(guó)城市群功能發(fā)育水平的空間格局，本文引入探索性空間數(shù)據(jù)分析，主要包括以下三種方法：（1）全局Moran’sI指數(shù)用于探索新區(qū)功能發(fā)育水平宏觀上是否存在空間關(guān)聯(lián)。（2）局部Moran’sI指數(shù)用于探索中觀尺度下高值低值發(fā)生集聚的具體區(qū)域。（3）Getis-OrdGi* 計(jì)算統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著的熱點(diǎn)與冷點(diǎn)，明晰在微觀尺度下斑塊功能發(fā)育水平空間差異，具體計(jì)算公式可參考文獻(xiàn)[20,28]。

3.3.4 空間錯(cuò)配指數(shù)

辨識(shí)城市群填充擴(kuò)張中外部形態(tài)緊湊與內(nèi)部功能發(fā)育的空間匹配性是一個(gè)度的問題，需要充分考慮城市內(nèi)部與區(qū)域之間差異。因此結(jié)合以往文獻(xiàn)[5,13-14]，本文將錯(cuò)配定義為“若新增長(zhǎng)的填充型建成區(qū)與原建成區(qū)的功能發(fā)育水平比值，低于該尺度下所有單元的新增填充型建成區(qū)該比值的平均水平，則此斑塊（P）/城市（C）/城市群（UA）上發(fā)生的外部形態(tài)緊湊的填充型擴(kuò)張屬于蔓延式空間錯(cuò)配”。并構(gòu)建空間錯(cuò)配指數(shù)（Urban Spatial Mismatch Index），判別流程如下：

式（4）—式（5）中：UDLIN和UDLOR分別代表新增填充型建成區(qū)與原有建成區(qū)的功能發(fā)育水平，K表示橫向上某一新增填充型建成區(qū)功能發(fā)育水平相對(duì)原有建成區(qū)的成熟度，可對(duì)單個(gè)斑塊、城市或城市群進(jìn)行測(cè)度。為保障新區(qū)有充足發(fā)育時(shí)間，使二者更具有可比性，評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)均延后了3年[13]。Kmean表示縱向上所有單元新增填充型建成區(qū)相對(duì)原建成區(qū)成熟度的平均值。依照不同研究尺度，可分別計(jì)算140個(gè)城市或21個(gè)城市群的相對(duì)成熟度平均值。式（6）中表示在多尺度下將該新增單元功能發(fā)育相對(duì)成熟度與區(qū)域內(nèi)平均值相比較：若低于該尺度的平均水平，則將該單元判別為蔓延式空間錯(cuò)配；反之則視其為緊湊式協(xié)調(diào)發(fā)展。

綜上，USMI可在斑塊—城市—城市群間轉(zhuǎn)換，避免了主觀設(shè)定閾值，實(shí)現(xiàn)在多尺度辨識(shí)外部形態(tài)緊湊而內(nèi)部功能發(fā)育不良空間錯(cuò)配現(xiàn)象。

3.3.5 Maxent模型

Maxent是一種基于最大信息熵原理的生態(tài)位模型，通過提取單類樣本中相關(guān)空間變量的信息，來預(yù)測(cè)約束條件下研究對(duì)象的空間分布概率。該模型最早應(yīng)用于生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)，后被用于城市擴(kuò)張模擬與驅(qū)動(dòng)力分析[35]。本文使用Maxent模型篩選空間錯(cuò)配的驅(qū)動(dòng)因子以及探究各驅(qū)動(dòng)因子閾值變化對(duì)空間錯(cuò)配的影響機(jī)理。式（7）中H（X|Y）和p（Xi，Yi）分別表示在引入環(huán)境變量Y條件下X的信息熵與分布概率。Maxent模型根據(jù)輸入的樣本數(shù)據(jù)集和目標(biāo)函數(shù)按照式（8）訓(xùn)練。

城市擴(kuò)張中外部形態(tài)與內(nèi)部功能發(fā)育發(fā)生空間失配是由多因素作用結(jié)果，因此本文參考相關(guān)文獻(xiàn)，從地理區(qū)位[14,17]、經(jīng)濟(jì)水平[22,33]、公共服務(wù)設(shè)施[10-11]、土地價(jià)值[21,31-32]、人口[13,26,34]這5個(gè)維度，選取10個(gè)可能導(dǎo)致中國(guó)填充型擴(kuò)張中形態(tài)與功能發(fā)生空間錯(cuò)配的環(huán)境變量。限于文章篇幅，具體選取依據(jù)在此不再展開，僅對(duì)變量的內(nèi)涵、來源與計(jì)算方法做簡(jiǎn)要說明（表2）。同時(shí)所有空間變量中均不存在強(qiáng)相關(guān)（｜r｜＜0.8）與多重共線性關(guān)系（VIF＜10），且有著相同的坐標(biāo)系、地理范圍、行列數(shù)與分辨率（1 km×1 km），待空間錯(cuò)配樣本確定后，導(dǎo)入模型中訓(xùn)練。

表2 城市填充擴(kuò)張中空間錯(cuò)配環(huán)境變量Tab.2 Environmental variables of spatial mismatch in urban in fi ll expansion

4 結(jié)果與分析

4.1 填充型擴(kuò)張建設(shè)用地識(shí)別、功能發(fā)育評(píng)價(jià)與空間格局分析

首先在21個(gè)城市群內(nèi)共識(shí)別出3 581個(gè)新增建設(shè)用地斑塊，有 140個(gè)城市發(fā)生了形態(tài)上緊湊的填充擴(kuò)張。其中填充型斑塊共621個(gè)，面積2 629.94 km2，占新增斑塊總數(shù)的17.3%，占新增總面積的13.51%。相較邊緣型（5.72 km2）與飛地型（5.54 km2）而言，填充型（4.23 km2）屬于土地利用更集約的一種開發(fā)模式。而從分布情況來看，長(zhǎng)三角城市群填充型擴(kuò)張面積最大為513.48 km2；珠三角城市群內(nèi)填充型斑塊面積占比最高，為 24.34%。

其次，中國(guó)城市群新增填充型建成區(qū)發(fā)育水平總體呈“南高北低”的差異化分布特征（圖3）。高值城市群主要在南部珠江流域、長(zhǎng)江流域與東南沿海地帶，如海峽西岸和長(zhǎng)江中游；而低值城市群集中于北部環(huán)渤海地區(qū)、黃河流域及西北地區(qū)，如山東半島與喀什。

圖3 21個(gè)城市群填充型新建成區(qū)功能發(fā)育水平Fig.3 The UDL of the newly built-up areas in the 21 urban agglomerations

繼而進(jìn)行探索性空間數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：宏觀上，全局Moran’sI指數(shù)為0.232，Z值得分3.30，在0.01水平上顯著。表明中國(guó)城市群新增填充建成區(qū)功能發(fā)育水平整體上呈空間正相關(guān)關(guān)系與集聚分布格局。

中觀上，以秦嶺—淮河為南北分界線，新增填充建成區(qū)功能發(fā)育空間格局存在明顯地理分異特征（圖4）：（1）高—高聚集區(qū)主要分布于中國(guó)南部地區(qū)長(zhǎng)江流域及沿海地帶，分別位于成渝、長(zhǎng)江中游、長(zhǎng)三角、海峽西岸及珠三角5個(gè)城市群內(nèi)；（2）低—低聚集區(qū)分布于中國(guó)北部中原、京津冀、山東半島、天山北坡4個(gè)城市群中，在山東半島與京津冀交界地帶構(gòu)成主要的低—低聚集區(qū)；（3）長(zhǎng)江中游城市群內(nèi)部功能發(fā)育水平嚴(yán)重分化，高—高聚集區(qū)與低—低聚集區(qū)并存。

圖4 填充型建成區(qū)功能發(fā)育水平空間聚集格局及冷熱點(diǎn)城市Fig.4 Cold-hot spots and spatial aggregation pattern of UDL in in fi ll built-up areas

微觀上，采用熱點(diǎn)分析識(shí)別填充斑塊中典型的高值熱點(diǎn)與低值冷點(diǎn)，并以發(fā)生集聚的所在城市代表，顏色越深越顯著（圖4）。結(jié)果同樣表明，新增填充建成區(qū)功能發(fā)育水平表現(xiàn)為“南熱北冷”的空間分異格局。整體來看南方城市之間初步形成了良性聯(lián)動(dòng)，新區(qū)空間品質(zhì)顯著優(yōu)于北方城市。

4.2 多尺度辨識(shí)城市群填充擴(kuò)張空間錯(cuò)配

城市群是一個(gè)由宏觀—中觀—微觀三級(jí)空間構(gòu)成的有機(jī)系統(tǒng)，其功能發(fā)育過程層層傳導(dǎo)、互相影響。因此在多尺度上測(cè)算空間錯(cuò)配指數(shù)，并按照式（6）劃分為蔓延式空間錯(cuò)配與緊湊式協(xié)調(diào)發(fā)展兩種類別，結(jié)果如下。

微觀層面，在621個(gè)填充型擴(kuò)張斑塊中，有236個(gè)斑塊屬于“形態(tài)緊湊—功能良好”的協(xié)調(diào)發(fā)展空間，385個(gè)斑塊屬于“形態(tài)緊湊—發(fā)育不良” 錯(cuò)配空間，錯(cuò)配型總面積達(dá)1 630.13 km2，占填充型斑塊總面積61.99%。說明大部分新增斑塊雖然實(shí)現(xiàn)了外部形態(tài)上的緊湊擴(kuò)張，但忽略了內(nèi)部空間的功能與活力同步發(fā)育，整體空間匹配度欠佳。同時(shí)，錯(cuò)配型斑塊在空間上呈現(xiàn)出“東多西少”分布特征（表3，圖5）：東北地區(qū)京津冀、哈長(zhǎng)、山東半島城市群空間外在形態(tài)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)嚴(yán)重失配，形態(tài)緊湊而發(fā)育不良的蔓延式空間占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位，錯(cuò)配斑塊面積占內(nèi)部填充擴(kuò)張總面積75%以上；長(zhǎng)三角、珠三角城市群內(nèi)擴(kuò)張?bào)w量大，

協(xié)調(diào)發(fā)展型斑塊與空間錯(cuò)配型斑塊相比面積略占優(yōu)，但二者總體差距不大；西部地區(qū)填充型擴(kuò)張以錯(cuò)配型斑塊為主，但總面積相對(duì)小，分布較為破碎化。

表3 斑塊空間匹配關(guān)系分組及面積分區(qū)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Grouping of spatial mismatch and area zoning statistics of patches

圖5 多尺度下蔓延式錯(cuò)配與緊湊式協(xié)調(diào)發(fā)展空間分布情況Fig.5 Multi-scale distribution of sprawling mismatched space and compact space

中觀層面，140個(gè)城市的空間錯(cuò)配指數(shù)判別結(jié)果中，其中有60個(gè)城市劃為緊湊式協(xié)調(diào)發(fā)展組，80個(gè)城市判別為蔓延式錯(cuò)配組（圖5）?？傮w上看錯(cuò)配型城市占比高達(dá)57%，遍布全國(guó)各地，尤其在京津冀與山東半島城市群范圍內(nèi)有較高聚集強(qiáng)度。而緊湊式協(xié)調(diào)發(fā)展型城市主要分布于東部沿海、長(zhǎng)江流域、東北和西南部分地區(qū)。進(jìn)一步結(jié)合城市等級(jí)分析發(fā)現(xiàn)，北上廣深4個(gè)一線大城市近20年在空間上的緊湊擴(kuò)張中均未實(shí)現(xiàn)外部形態(tài)與內(nèi)部功能活力協(xié)調(diào)增長(zhǎng)；二線城市中蔓延式空間錯(cuò)配型有16個(gè)，占比達(dá)64%。新一線城市與三線及以下中小城市中，兩種類型城市數(shù)量基本持平。由此可見，一、二線大型城市填充擴(kuò)張中蔓延式錯(cuò)配占主導(dǎo)地位，而緊湊式協(xié)調(diào)發(fā)展多以三線及以下中小型城市為主。

宏觀層面，21個(gè)城市群中有13個(gè)城市群被識(shí)別為蔓延式空間錯(cuò)配，8個(gè)城市群劃分為緊湊式協(xié)調(diào)增長(zhǎng)（圖5）。表明中國(guó)城市群之間發(fā)展不均衡，形態(tài)與功能發(fā)育不匹配。其中哈長(zhǎng)、遼中南、山東半島、中原、關(guān)中與成渝是緊湊型協(xié)調(diào)發(fā)展主要城市群；而東南沿海地區(qū)與長(zhǎng)江中下游流域是發(fā)生空間錯(cuò)配重點(diǎn)分布地帶，這可能與該地區(qū)較好的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)與較高城鎮(zhèn)化水平有關(guān)：城市群內(nèi)原有建成區(qū)功能發(fā)育幾近成熟，新區(qū)一時(shí)難以超越；加上城市間發(fā)展?fàn)顩r分化，導(dǎo)致整體上形態(tài)與功能的空間匹配度落后于全國(guó)其他城市群。

總的來說，目前中國(guó)大部分城市群的填充型擴(kuò)張尚未實(shí)現(xiàn)空間形態(tài)結(jié)構(gòu)的內(nèi)外協(xié)同優(yōu)化，其空間匹配類型仍以蔓延式錯(cuò)配為主。在斑塊—城市—城市群內(nèi)均存在大量外部形態(tài)輪廓緊湊而內(nèi)部功能發(fā)育不良的空間錯(cuò)配現(xiàn)象，而空間錯(cuò)配具體位置分布受尺度效應(yīng)影響存在差異。

4.3 空間錯(cuò)配的驅(qū)動(dòng)因子與影響機(jī)理

4.3.1 驅(qū)動(dòng)因子篩選

在微觀斑塊尺度上探索空間錯(cuò)配驅(qū)動(dòng)機(jī)制，有助于精細(xì)揭示中國(guó)城市群擴(kuò)張中外部緊湊形態(tài)與內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)發(fā)育水平不匹配的主導(dǎo)因素與影響機(jī)理。為預(yù)防樣本在空間上不獨(dú)立導(dǎo)致模型過擬合，對(duì)385個(gè)錯(cuò)配型斑塊空間稀釋后，共得到299個(gè)樣本供模型訓(xùn)練。經(jīng)十折交叉驗(yàn)證模型的平均精度為0.80，可信度較高。進(jìn)而量化分析各空間變量的貢獻(xiàn)率與重要性，并使用刀切法檢驗(yàn)其對(duì)模型精度影響，綜合篩選空間錯(cuò)配驅(qū)動(dòng)因子。

貢獻(xiàn)率分析結(jié)果表明（表4）：（1）高程、教育培訓(xùn)設(shè)施密度、交通設(shè)施密度是對(duì)空間錯(cuò)配現(xiàn)象的地理分布貢獻(xiàn)最多前3位環(huán)境變量，其貢獻(xiàn)率分別為28.7%、22.2%和19%，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)69.9%。（2）GDP密度、農(nóng)田生產(chǎn)潛力與土地出讓價(jià)格對(duì)空間錯(cuò)配貢獻(xiàn)率次之，分別為12.4%、5.5%和4.9%。（3）而距市中心距離、公司企業(yè)密度、人口變化與據(jù)主要道路距離對(duì)模型結(jié)果影響較小，累計(jì)貢獻(xiàn)率僅為7.3%。

表4 環(huán)境變量貢獻(xiàn)率及排序重要性Tab.4 Percent contribution and permutation importance of environmental variables （%）

置換重要性反映了將某個(gè)環(huán)境變量隨機(jī)替換后對(duì)模型精度產(chǎn)生的影響，其排序結(jié)果為：（1）高程與交通設(shè)施密度是對(duì)模型構(gòu)建影響最大的環(huán)境變量，剔除上述變量將分別導(dǎo)致27.8%和27.2%的精度損失；（2）教育培訓(xùn)設(shè)施密度、GDP密度、公司企業(yè)密度緊隨其后，累計(jì)重要性達(dá)35.4%，同樣不可或缺，而其余變量重要性相對(duì)較小。

最后使用刀切法測(cè)試不同空間變量對(duì)模型精度增益大?。▓D6），結(jié)果表明：當(dāng)去除教育培訓(xùn)設(shè)施密度變量后，模型精度下降最多，說明該變量中含有獨(dú)特的利于辨識(shí)空間錯(cuò)配的信息，較為重要；而當(dāng)只使用單個(gè)變量預(yù)測(cè)時(shí)，GDP密度、高程、交通設(shè)施密度與公司企業(yè)密度均有較強(qiáng)的預(yù)測(cè)能力，模型精度均在70%以上，對(duì)于識(shí)別蔓延式錯(cuò)配空間最有用。

圖6 刀切法檢驗(yàn)變量重要性Fig.6 Importance of environmental variables on spatial mismatch by jackknife test

綜合以上分析來看，高程、教育培訓(xùn)設(shè)施密度、交通設(shè)施密度、GDP密度、公司企業(yè)密度、土地出讓價(jià)格、農(nóng)田生產(chǎn)潛力是精細(xì)模擬建設(shè)用地空間錯(cuò)配地理分布的驅(qū)動(dòng)因子。其中前3個(gè)變量最為重要，將其劃分為關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子；而后4個(gè)變量次之，劃分為重要驅(qū)動(dòng)因子。

4.3.2 驅(qū)動(dòng)因子閾值變化對(duì)空間錯(cuò)配影響機(jī)理

閾值響應(yīng)曲線反映了在僅改變單個(gè)變量值情況下，空間錯(cuò)配概率隨之變化趨勢(shì)（圖7）。結(jié)果表明：各驅(qū)動(dòng)因子的影響機(jī)理存在差異。其中高程越高，城市擴(kuò)張中外部緊湊形態(tài)與內(nèi)部功能發(fā)育發(fā)生空間錯(cuò)配可能性越低；而對(duì)于其他5個(gè)空間變量來說，隨著值從0逐漸增加，錯(cuò)配概率呈先陡增后緩降的變化趨勢(shì)，這表明要實(shí)現(xiàn)城市群空間內(nèi)外協(xié)同緊湊發(fā)展，各驅(qū)動(dòng)因子可能存在著門檻效應(yīng)，需超過各自閾值方有正向影響。但值得注意的是，GDP密度、土地出讓價(jià)格與公共設(shè)施密度等因子的驅(qū)動(dòng)作用存在邊際效應(yīng)，當(dāng)其投入超過臨界值，空間錯(cuò)配概率將不再降低，此時(shí)亟需考慮發(fā)展方式的轉(zhuǎn)型。

圖7 空間錯(cuò)配概率與驅(qū)動(dòng)因子閾值響應(yīng)曲線Fig.7 Threshold response curves for spatial mismatch probabilities and driving factors

結(jié)合以上分析，各因子影響空間錯(cuò)配的機(jī)制如下：（1）我國(guó)地勢(shì)西高東低，人口與經(jīng)濟(jì)主要集中于東部平原地區(qū)，西部地區(qū)城市群受城鎮(zhèn)化水平與地形限制，難以開展建設(shè)成本高昂的填充式擴(kuò)張，故而高程越高錯(cuò)配的可能性越小。（2）教育培訓(xùn)設(shè)施作為公共服務(wù)設(shè)施重要組成，通常位于居住區(qū)與商業(yè)區(qū)附近，周圍交通便捷且人口流量較大，良好的教育資源可吸引小型商店及房地產(chǎn)投資，帶動(dòng)內(nèi)部經(jīng)濟(jì)與文化活力增長(zhǎng)。（3）密集的交通設(shè)施有助于加強(qiáng)區(qū)域之間的功能聯(lián)系，降低了勞動(dòng)力、資本、技術(shù)等要素流動(dòng)的空間成本，為提高城市群生產(chǎn)空間效率與生活空間便捷性提供了條件，也促進(jìn)了新城區(qū)舊城區(qū)間有機(jī)聯(lián)結(jié)。（4）GDP密度、公司企業(yè)密度反映城市經(jīng)濟(jì)實(shí)力與產(chǎn)業(yè)集聚狀況，良好經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)可保障物理建成環(huán)境建設(shè)，還能持續(xù)吸納就業(yè)人員與承載多樣生產(chǎn)活動(dòng)。（5）土地供應(yīng)價(jià)格與農(nóng)田生產(chǎn)潛力一定程度反映了獲取土地成本與難度。所需成本越高，其建設(shè)開發(fā)投資越足。充足的開發(fā)投入可為空間良好發(fā)育提供保障，限制空間錯(cuò)配可能性。

5 結(jié)論與啟示

5.1 結(jié)論

本文基于多源地理大數(shù)據(jù)，結(jié)合建成環(huán)境功能與空間活力兩個(gè)維度，探究全國(guó)21個(gè)城市群新舊建成區(qū)功能發(fā)育水平與空間分布格局，多尺度揭示建設(shè)用地?cái)U(kuò)張中外部形態(tài)緊湊而內(nèi)部功能發(fā)育不良空間錯(cuò)配現(xiàn)象及其驅(qū)動(dòng)機(jī)理。主要結(jié)論如下：

（1）中國(guó)21個(gè)城市群新增填充型建成區(qū)功能發(fā)育水平整體表現(xiàn)為“南高北低”的分布特征。高值城市群主要位于長(zhǎng)江中游及東部沿海地區(qū)，而低值城市群位于北部環(huán)渤海地區(qū)、黃河流域及西北地區(qū)。

（2）新增填充建成區(qū)功能發(fā)育水平具有顯著空間聚集性，呈“南熱北冷”空間分異格局。高—高聚集區(qū)主要分布于中國(guó)南部成渝、長(zhǎng)三角、長(zhǎng)江中游及珠三角城市群內(nèi)，低—低聚集區(qū)分布于北部的京津冀、山東半島、中原、天山北坡城市群中。

（3）中國(guó)城市群目前填充擴(kuò)張尚未實(shí)現(xiàn)外部形態(tài)緊湊與內(nèi)部功能發(fā)育的空間協(xié)同，蔓延式空間錯(cuò)配在斑塊—城市—城市群尺度下均占主導(dǎo)地位，且其地理位置分布受尺度效應(yīng)影響存在差異。

（4）建設(shè)用地填充擴(kuò)張的空間錯(cuò)配是多因素共同驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜地理過程，地形、公共服務(wù)設(shè)施、經(jīng)濟(jì)水平、土地價(jià)值是導(dǎo)致城市群空間錯(cuò)配的主要因素。其中高程、教育培訓(xùn)設(shè)施密度、交通設(shè)施密度是關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子，而GDP密度、公司企業(yè)密度、農(nóng)田生產(chǎn)潛力與土地出讓價(jià)格是重要驅(qū)動(dòng)因子，但各因子對(duì)其影響機(jī)制存在差異。

5.2 政策啟示

本文的研究發(fā)現(xiàn)對(duì)政府優(yōu)化城鎮(zhèn)空間結(jié)構(gòu)布局具有如下啟示：（1）城市擴(kuò)張中兼顧形態(tài)維與功能維統(tǒng)一。要堅(jiān)持存量?jī)?yōu)化原則，改變“以地謀發(fā)展”粗放擴(kuò)張模式，維持健康緊湊的外在形態(tài)；同時(shí)在城市設(shè)計(jì)中嵌入“以人為本”理念，增強(qiáng)建成環(huán)境功能多樣性，充分激發(fā)城市活力，塑造高品質(zhì)的內(nèi)部空間。（2）重視新城區(qū)與老城區(qū)發(fā)育狀況差異。增強(qiáng)新區(qū)舊區(qū)間空間功能聯(lián)系與可達(dá)性，促進(jìn)內(nèi)部各類社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素有序流轉(zhuǎn)，持續(xù)推動(dòng)二者在日常生活和工作中有機(jī)融合。（3）充分利用城市間的空間關(guān)聯(lián)性，構(gòu)建城市群協(xié)調(diào)發(fā)展多尺度聯(lián)接與調(diào)節(jié)機(jī)制。妥善處理中心城市的“虹吸效應(yīng)”，鼓勵(lì)中小城市融入鄰近大城市建設(shè)，共同形成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、職能分工合理的多中心、網(wǎng)絡(luò)化的城市群空間結(jié)構(gòu)。

5.3 討論

本文為重新審視城市擴(kuò)張質(zhì)量提供一個(gè)外部形態(tài)維緊湊度與內(nèi)部功能維發(fā)育水平空間錯(cuò)配的新視角，對(duì)于探索顧及形態(tài)優(yōu)化與空間品質(zhì)提升的國(guó)土空間規(guī)劃新模式有重要意義。但同樣存在一些不足，未來可進(jìn)一步完善：（1）綜合考慮更多樣景觀指標(biāo)，全面評(píng)價(jià)城市形態(tài)緊湊度；（2）使用最新數(shù)據(jù)，在多時(shí)點(diǎn)下開展城市功能發(fā)育水平動(dòng)態(tài)分析；（3）空間錯(cuò)配識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)可考慮用更客觀的機(jī)器學(xué)習(xí)算法支撐；（4）空間異質(zhì)性可能會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)因素的差異，可探討多尺度下的建設(shè)用地空間錯(cuò)配驅(qū)動(dòng)機(jī)制。