快速城鎮(zhèn)化區(qū)域城市形態(tài)時空演變特征分析
——以昆明市呈貢區(qū)為例

李強軍 LI Qiang-jun；楊宏瑞 YANG Hong-rui；吳曉偉 WU Xiao-wei；袁磊 YUAN Lei

（①云南省地礦測繪院有限公司，昆明 650217；②云南云金地科技有限公司，昆明 650101；③云南師范大學(xué)地理學(xué)部，昆明 650500）

0 引言

城市空間形態(tài)結(jié)構(gòu)是城市功能空間在一定區(qū)域內(nèi)的相互作用和相互關(guān)系在區(qū)位、分布形式、集聚規(guī)模和程度等方面的具體反映[1]。近年來，隨著城市的快速發(fā)展，城市形態(tài)演變特征成為科學(xué)衡量和評價城市擴張的重要指標(biāo)[2]。通過將城市形態(tài)演變與城市土地利用變化聯(lián)系起來，分析城市形態(tài)演變的特征，可以為快速城鎮(zhèn)化背景下的城市土地利用空間優(yōu)化和開發(fā)邊界劃定提供參考。

城市空間形態(tài)研究最早萌芽于19 世紀(jì)初。伴隨城市研究的不斷深入和各學(xué)科之間的交叉，地理學(xué)、建筑學(xué)和人文學(xué)科等學(xué)科率先將形態(tài)學(xué)引入到了城市的研究范疇中，將城市看作是一個有機體來觀察和研究，以便探討城市的發(fā)展機制[3]。國外學(xué)者對城市空間形態(tài)及其結(jié)構(gòu)的研究較早，理論也較完善。由于我國相關(guān)研究起步較晚，對城市形態(tài)結(jié)構(gòu)的研究主要集中在數(shù)學(xué)推導(dǎo)和數(shù)學(xué)模型的運用。例如，運用帕雷托（Pareto）模型揭示城市規(guī)模分布的時間演變特征[4]；引入城市建設(shè)用地擴展彈性系數(shù)對建設(shè)用地擴展合理性進(jìn)行研判[5]；基于分形維數(shù)和形狀指數(shù)的城市空間形態(tài)變化研究[6]；引入城市景觀指數(shù)和核密度估計的城鎮(zhèn)建設(shè)用地群態(tài)化特征及演變模式研究等[7]。現(xiàn)有研究表明，快速城鎮(zhèn)化是推動城市及周邊土地利用類型轉(zhuǎn)變的主要動力[8]。呈貢新區(qū)作為云南省近年來快速城鎮(zhèn)化的重點區(qū)域，明確其城市形態(tài)時空演變特征對該區(qū)域的未來發(fā)展至關(guān)重要。本文基于中國快速城鎮(zhèn)化的典型區(qū)——昆明市呈貢區(qū)為例，利用地統(tǒng)計和GIS 空間分析技術(shù)對昆明市呈貢區(qū)城市空間形態(tài)演變進(jìn)行分析，探討城市演化規(guī)律和驅(qū)動因素，為指導(dǎo)研究區(qū)城鎮(zhèn)未來空間發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和決策支持，為其他相似區(qū)域城鎮(zhèn)化形態(tài)演化定量分析提供參考和借鑒。

1 研究區(qū)概述

呈貢區(qū)位于云南省昆明市東南部，地處東經(jīng)102°45′-102°59′和北緯24°21′-24°45′，該區(qū)東南方和東北方都是高山，東部和西部為陽宗海和滇池，地勢東部高，西部低，海拔1775-2820m 之間，境內(nèi)最高為梁王山主峰，海拔2820m。全區(qū)面積461km2，下轄龍城、斗南、吳家營、雨花、洛龍、烏龍、馬金鋪、大漁、洛羊和七甸10 個街道。2003年，云南省啟動現(xiàn)代新昆明建設(shè)，率先開發(fā)呈貢新區(qū)，呈貢進(jìn)入快速城鎮(zhèn)化發(fā)展階段。2011 年，昆明市行政中心遷至呈貢新區(qū)。目前，昆明市行政中心和大學(xué)城均位于該研究區(qū)，轄區(qū)內(nèi)共有云南大學(xué)、昆明理工大學(xué)、云南師范大學(xué)、云南民族大學(xué)等9 所高校，常住人口約40 萬人[9]。2020年，在統(tǒng)籌疫情防控和經(jīng)濟社會發(fā)展后，呈貢區(qū)經(jīng)濟運行呈逐季改善、逐步恢復(fù)常態(tài)，全區(qū)經(jīng)濟運行自上半年扭負(fù)為正后持續(xù)穩(wěn)定恢復(fù)。2020 年，全區(qū)實現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值（GDP）508.59 億元，比上年增長5.1%。2022 年，呈貢區(qū)地區(qū)生產(chǎn)總值為5910507 萬元，同比增長5.9%，總量在昆明14 個縣區(qū)中居第六位，增速在14 個縣區(qū)中排名第二位。兩年平均增長4.9%。其中，第一產(chǎn)業(yè)增加值為67610 萬元，同比增長2.3%；第二產(chǎn)業(yè)增加值為2422964 萬元，同比增長6.7%；第三產(chǎn)業(yè)增加值為3419933 萬元，同比增長5.5%。然而，隨著呈貢新區(qū)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了土地城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快、人口城鎮(zhèn)化動力不足的問題[10]。

2 數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)處理

本文所需的指標(biāo)數(shù)據(jù)分別來自《呈貢年鑒》和《昆明年鑒》；采用的遙感數(shù)據(jù)是Landsat 系列衛(wèi)星獲取的2002 年、2007 年、2013 年和2017 年的4 景影像，分辨率為30m，遙感數(shù)據(jù)具體參數(shù)見表1。

表1 采用的遙感數(shù)據(jù)參數(shù)

根據(jù)遙感影像不同特征的差異，分析地物的光譜和空間信息。本研究采用監(jiān)督分類法提取呈貢區(qū)各類土地利用信息，首先需要對遙感圖像上某些區(qū)域中影像地物的類別屬性有一定的先驗知識，對每一種類別選取一定數(shù)量的訓(xùn)練樣本，利用計算機進(jìn)行訓(xùn)練，從而實現(xiàn)對遙感影像的分類[11]。遙感影像中的像素主要劃分為6 類，分別為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地。為了確保分類的精度和可靠性，利用Google earth 的同期影像進(jìn)行精度驗證，其中總體精度和Kappa 系數(shù)均較高，遙感影像分類效果較好，能夠滿足本文對呈貢區(qū)建設(shè)用地城市化形態(tài)時空特征的分析要求。

3 研究方法

3.1 建設(shè)用地擴張速度分析

為了揭示研究區(qū)城鎮(zhèn)形態(tài)的演變規(guī)律，更準(zhǔn)確地定量分析呈貢區(qū)城鎮(zhèn)用地的擴張速度，引入城市擴張年速度指數(shù)來表征各階段建設(shè)用地的總體規(guī)模和趨勢。它是指某空間單元在研究時期內(nèi)建設(shè)用地的年平均擴展面積[12]。計算公式為：

式中，V 表示年度擴張速度，Ua表示研究年跨度第一年的建設(shè)用地面積，Ub表示研究年跨度最后一年的建設(shè)用地面積；T 是時間跨度，單位是年。

3.2 城市擴張動力分析

引入城市擴展動態(tài)指數(shù)，即建設(shè)用地數(shù)量的年變化率，定量分析城市土地利用變化率，明確建設(shè)用地的變化情況[13]。公式如下：

式中K 為擴展動態(tài)度；Ua是研究年跨度第一年的建設(shè)用地面積，Ub是研究年跨度最后一年的建設(shè)用地面積；T 是時間跨度，單位是年。

3.3 城市擴展強度分析

城市擴展強度是反映建設(shè)用地空間擴展強弱或快慢的指標(biāo)，其實質(zhì)是對研究區(qū)建設(shè)用地的年均擴展程度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使不同時期建設(shè)用地的擴展程度具有可比性。城市擴張強度指數(shù)實際上是按單位土地面積劃分的建設(shè)用地平均擴張率的標(biāo)準(zhǔn)化。公式如下[14]：

式中，UI 為膨脹強度；Ua是研究年跨度第一年的建設(shè)用地面積，Ub是研究年跨度最后一年的建設(shè)用地面積，U是研究區(qū)的總土地面積；T 是時間跨度，單位是年。

3.4 擴展綜合指數(shù)分析

以上三個指標(biāo)都只是從一個角度計算城市的擴張。因此，結(jié)合上述三個因素，引入了歸一化過程，并引入了擴展綜合指數(shù)。該指數(shù)是在分別測度建設(shè)用地擴張速度、擴張動力和擴張強度的基礎(chǔ)上，參考內(nèi)梅羅公式將3 項指數(shù)進(jìn)行合成。擴展綜合指數(shù)不僅考慮了擴展的相對變化率，也考慮了擴展基數(shù)的影響，還考慮了擴展的重要性程度。公式如下：

式中SI 為擴展綜合指數(shù)；Ua是研究年跨度第一年的建設(shè)用地面積，Ub是研究年跨度最后一年的建設(shè)用地面積，U 是研究區(qū)的總土地面積；T 是時間跨度，單位是年。

4 結(jié)果和分析

4.1 城市結(jié)構(gòu)演變特征分析

基于上述城鎮(zhèn)用地擴張速度、擴張動力、擴展強度、擴展綜合指數(shù)的計算，結(jié)果如表2 所示。

表2 研究區(qū)城鎮(zhèn)結(jié)構(gòu)演變指數(shù)

2002-2007 年，研究區(qū)雖然面積增量相對較小、年擴展速度較慢、擴展強度較弱，但仍處于中等偏快的擴張狀態(tài)。并且，由于2002 年建成區(qū)面積較小，擴展動態(tài)度和擴展綜合指數(shù)因此較高，擴展量明顯；2007-2013 年，建成區(qū)面積增量最大、年擴展速度最快、擴展強度最大，并且擴展動態(tài)度和擴展綜合指數(shù)也較高，由此可見這一階段為呈貢區(qū)城市形態(tài)演變最為顯著的一個階段，屬于城鎮(zhèn)快速擴張階段；2013-2017 年，這一階段面積增量相對于2007-2013年階段有了一定的減緩，但年擴展速度和擴展強度依然較大，也屬于中等偏快的擴展階段。

4.2 城市形態(tài)演變空間特征分析

采用GIS 空間分析功能，對研究區(qū)2002 年、2007 年、2013 年和2017 年的城鎮(zhèn)用地擴張狀態(tài)進(jìn)行制圖分析，其中，紅色代表建設(shè)用地動態(tài)變化，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 呈貢區(qū)城市形態(tài)演變

從空間分析的結(jié)果可知，研究區(qū)城鎮(zhèn)用地規(guī)模不斷擴大，呈現(xiàn)出持續(xù)擴張的態(tài)勢。在2002 年至2007 年的基礎(chǔ)上，建設(shè)用地向外擴張，開始向東延伸一定距離。2013 年，在2007 年的基礎(chǔ)上，城鎮(zhèn)用地發(fā)生了填充式擴張，城鎮(zhèn)邊界發(fā)生了顯著變化。呈貢區(qū)過去15 年建設(shè)用地的主要擴展方向在西北和西南方向。

該擴張趨勢是自然環(huán)境、政策取向、經(jīng)濟社會等多因素共同作用的結(jié)果。就自然因素而言，呈貢區(qū)東南部和東北部均為高山，東部與陽宗海相鄰。地勢東高西低，呈貢區(qū)開發(fā)中心西北、西南相對平坦；政策方面，呈貢區(qū)作為昆明市的行政中心，聚集了一批大學(xué)和高科技產(chǎn)業(yè)園區(qū)，大量公共服務(wù)設(shè)施的建設(shè)，使呈貢新區(qū)發(fā)生了重大變化；社會因素方面，隨著人口的大量遷移和公共交通的快速發(fā)展，呈貢區(qū)人口集聚也促進(jìn)了其城市形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變。

5 結(jié)論

在快速城鎮(zhèn)化的背景下，城市功能形態(tài)空間的出現(xiàn)導(dǎo)致了城市空間結(jié)構(gòu)的演變。本文在城鎮(zhèn)用地擴張速度、擴張動力、擴展強度、擴展綜合指數(shù)和GIS 技術(shù)支持下，通過對遙感數(shù)據(jù)的處理和分析，研究了昆明市呈貢區(qū)2002-2017 年城鎮(zhèn)空間形態(tài)的擴展和演變，探討了其擴展的驅(qū)動因素。運用空間分析技術(shù)，對昆明市呈貢區(qū)城市空間結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行定量分析，揭示內(nèi)部功能空間集聚擴散特征和城市形態(tài)演變。研究結(jié)論如下：近15 年呈貢區(qū)城市形態(tài)擴張均屬于中高速發(fā)展階段，2002-2007 年擴展變化明顯，2007-2013年擴展變化最為顯著，2013-2017 年擴展速度減緩，但仍然處于中等偏快的擴展?fàn)顟B(tài)。此外，呈貢區(qū)城市形態(tài)演變具有明顯的時空特征，建成區(qū)多位于呈貢西部。這種擴張態(tài)勢受2003 年5 月云南省啟動“一湖四環(huán)”“一湖四片”的建設(shè)現(xiàn)代新昆明戰(zhàn)略影響顯著；其次，地形和其他地理環(huán)境等內(nèi)部適應(yīng)因素也是研究區(qū)城市發(fā)展過程中空間演變的重要影響因素。