云南省地級城市近20 年空間格局演變

張 嬌，楊 勇，周芹芳，馬 品*，毛 峰

（1. 云南省地圖院，昆明 650034；2. 杭州電子科技大學管理學院，杭州 310018）

0 引言

城市的用地擴展是城市化過程在空間布局上的首要表現(xiàn)[1]。城市化進程的加快，導致城鎮(zhèn)建設(shè)中土地利用問題明顯，而在人口密集、經(jīng)濟發(fā)展相對迅速的大都會地區(qū)，問題表現(xiàn)得尤為突出[2]。中小城市由于本身基數(shù)小且結(jié)構(gòu)相對簡單，其在快速擴展過程中形態(tài)與結(jié)構(gòu)的變動相對于大城市則更為劇烈[3]。分析城市的發(fā)展歷程、空間結(jié)構(gòu)和布局演變，優(yōu)化城市的布局結(jié)構(gòu)和管理格局，預測城鎮(zhèn)化發(fā)展趨勢，已勢在必行。

易家林[4]結(jié)合外部環(huán)境與內(nèi)部稟賦因素，運用雙向固定效應模型估計了城市擴張對耕地利用強度的綜合影響；張法[5]以成都市為研究對象，利用2000、2005、2010、2013 年4 個監(jiān)測時段的高分辨率遙感影像及相關(guān)專業(yè)資料，對城市空間擴展進行動態(tài)監(jiān)測，基于緩沖區(qū)分析進行城市空間擴展模式研究；宋金蕊等[6]提取了德令哈市1989、1999 和2009 年3 個時期的城市建成區(qū)，并選用4 個指標進行城市建成區(qū)的空間擴展狀況分析；付治河[7]借助對鄭、汴一體化區(qū)域城市（鄭州、開封、中牟）48 年間8 個監(jiān)測年點建成區(qū)內(nèi)的建成區(qū)范圍、道路、綠化、建筑用地、人口、GDP 等監(jiān)測要素進行獲取和統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)城市擴張的內(nèi)在動力；茹克亞·薩吾提等[8]基于多源遙感數(shù)據(jù)進行了喀什市1972-2010年的城市擴展研究，分析了城市擴展的時空規(guī)律和形態(tài)特征、城市擴展驅(qū)動力。

基于RS 和GIS 技術(shù)進行城市空間格局變化研究技術(shù)發(fā)展較快，但多集中于城區(qū)邊界提取方法的改進研究[9-11]和城市擴展驅(qū)動力分析，且研究區(qū)域多集中于單個地級城市[12-15]或中東部發(fā)達地區(qū)[5，16，17]，對云南省山地型城市的擴展研究較少?；谏鲜鲇懻?，文章以云南省16 個地級城市為研究區(qū)域，基于2000-2017 年長時間序列的遙感影像及同時期的GDP、人口等統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通過多樣性城市擴展評價指標，并引入凸殼原理提取城市擴展形態(tài)，以揭示云南省近20 年城市擴展空間演變規(guī)律，為城市開發(fā)強度控制、空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，實現(xiàn)緊湊節(jié)約、高效綠色的發(fā)展提供理論研究和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

文章以云南省地級城市城區(qū)為研究區(qū)域，8 個地級市研究范圍為其市轄區(qū)，8 個自治州的研究范圍為其政府駐地所在的縣域范圍，共24 個縣級城市，監(jiān)測分析城市名錄如表1。文中使用的數(shù)據(jù)源分為基本資料和參考資料?；举Y料有2000-2017 年6 期遙感影像數(shù)據(jù)、第一次全國地理國情普查成果以及基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測成果。2000 年的遙感影像數(shù)據(jù)源是Landsat ETM+，分辨率為15 m；2010 年遙感影像數(shù)據(jù)源是Rapid Eye，分辨率為5 m。其余年份的遙感影像分辨率均優(yōu)于2 m。參考資料有DEM 數(shù)據(jù)、統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)、土地利用專題數(shù)據(jù)。

表1 監(jiān)測城市名錄

2 研究方法

2.1 總體技術(shù)路線

在2017 年基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測成果基礎(chǔ)上，對照正射校正影像進行綜合取舍等邊界微調(diào)得到2017 年本底城區(qū)邊界數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，基于同期遙感影像，整合土地利用專題數(shù)據(jù)等相關(guān)資料，利用城市地理國情要素提取、不同地物的判別規(guī)則、城市景觀特征判定等方法，同期已有外業(yè)核查數(shù)據(jù)進行城區(qū)邊界回溯修正，解譯得到2000、2005、2010、2015、2016 年其余五期數(shù)據(jù)的城區(qū)邊界。結(jié)合GIS 技術(shù)，選用城市面積、擴展面積、擴展速度、擴展強度、用地增長彈性系數(shù)、空間擴展類型、緊湊度等7 個分析指標來揭示云南省近20 年城市擴展空間演變規(guī)律?？傮w技術(shù)路線圖和主要統(tǒng)計分析方法如圖1 所示。

圖1 總體技術(shù)路線圖

2.2 分析指標

2.2.1 城市規(guī)模及擴展分析

城市規(guī)模及擴展分析部分選用四個指標來描述，分別是城市面積U、擴展面積△U、擴展速度Vi以及擴展強度Ni。

Vi為擴展速度，表示某一時間段內(nèi)各城市的城區(qū)面積年增長速率，其單位為km2/年；△Uij為j時段第i個研究單元的城區(qū)擴展面積；△tj為j時段的時間間隔，以年為單位。

Ni為擴展強度，表示某一時間段內(nèi)各城市的城區(qū)面積相對于研究基期的城區(qū)面積年擴展比例，反映單位時間內(nèi)不同城市擴展快慢的相對（比例）差異；△Uij為j時段第i個研究單元的城區(qū)擴展面積；△tj為j時段的時間間隔；Uij為j時段基期第i個城市單元城區(qū)面積。

2.2.2 城市空間擴展協(xié)調(diào)性分析

土地利用和人口密度變化是目前衡量中國地級以上城市協(xié)調(diào)性的重要因素[18]，選用城市用地增長彈性系數(shù)指標K來反映城市空間擴展協(xié)調(diào)性。

K為城市用地增長彈性系數(shù)；PR為城市人口年均增長率；GR為城市用地年均增長率；Ut表示某個監(jiān)測時段末期的城區(qū)面積；U0表示某個監(jiān)測時段基期的城區(qū)面積；Pt表示某個監(jiān)測時段末期的人口；P0表示某個監(jiān)測時段基期的人口；△t為監(jiān)測時段的時間跨度，以年為單位；Pt、P0采用中國城市統(tǒng)計年鑒的城市市轄區(qū)非農(nóng)業(yè)人口。

2.2.3 城市空間形態(tài)及結(jié)構(gòu)變化分析

城市空間形態(tài)用城市緊湊度BCI來衡量。

BCI表示城市緊湊度；Ai是i城市單元中心斑塊群總面積；Ci是i城市單元中心斑塊群最小外接圓面積。城市緊湊度與城市用地效益二者存在相輔相成、有機統(tǒng)一的交互耦合關(guān)系[19]，如何量化城市緊湊性成為目前地理學界和規(guī)劃領(lǐng)域研究的熱點問題[20]。劉紀遠[21]在文章中指出，緊湊城市可導致城市居民更好的生活質(zhì)量，認為緊湊城市的正面影響是廣泛的。

3 空間格局變化分析

3.1 城市規(guī)模與擴展分析

從云南省城區(qū)規(guī)模圖（圖2）可看出，2000 年到2017 年，云南省16 個地級城市的城區(qū)總面積呈直線攀升趨勢，在這17 年間，城市規(guī)模共計擴展660.76 km2。其中，城市擴展規(guī)模最多的是2006-2010 年階段，共計擴展191.43 km2，占城市擴展比例的28.97%。十一五規(guī)劃期間（2006-2010 年），云南省統(tǒng)籌城鄉(xiāng)一體化發(fā)展，科學規(guī)劃村莊布局，城市公共服務加快向農(nóng)村覆蓋。在此規(guī)劃背景下，各個地級城市加快城鄉(xiāng)建設(shè)，原有城區(qū)在建制鎮(zhèn)范圍上拓展建設(shè)，城鄉(xiāng)差距逐漸縮小，城鄉(xiāng)融合是城區(qū)面積擴展較為劇烈的主要原因。在2011-2015 年階段，共計擴展184.78 km2，占城市擴展比例的27.96%。十二五規(guī)劃階段，云南省緊緊圍繞“擴大內(nèi)需、西部大開發(fā)”和“兩強一堡”戰(zhàn)略，遵循“強圈、富帶、興群、促廊”空間戰(zhàn)略布局原則，加快形成“一圈、一帶、六群、七廊”的戰(zhàn)略格局，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐加快[22]。

圖2 云南省城區(qū)規(guī)模圖

云南省16 個地級城市2000-2017 年城市擴展迅猛，但城市間擴展速率差異大，如云南省城市擴展速率和擴展強度統(tǒng)計表（表2）所示。擴展速率最大的是昆明市，為19.98 km2/ 年，最低的是怒江州為0.20 km2/ 年，二者差異近100 倍。擴展速率平均值為2.43 km2/年，除昆明市和曲靖市以外其余城市均低于該平均值。云南省城市發(fā)展受地形影響較大，地勢西北高東南低，分為東西兩部。東部為滇東、滇中高原，地形小波狀起伏，形成“壩子”，壩區(qū)地勢平坦，氣候溫和，土壤肥沃，灌溉便利，是農(nóng)業(yè)發(fā)達、人口稠密的經(jīng)濟中心。西部為橫斷山脈縱谷區(qū)，高山深谷相間，相對高差較大，地勢險峻，尤以怒江州，由南北走向的褶皺山系和獨龍江、怒江、瀾滄江三條自北向南大江深切谷相間排列，地貌復雜，山高、谷深、平地少，城市發(fā)展只能依怒江邊的平緩盆地，擴展受限。

2011-2015 年階段在2006-2010 年擴展基數(shù)上進一步擴展。城市擴展階段性明顯，但地級城市間擴展速率和強度懸殊（表2）。一方面是由于城市擴展面積懸殊差異大，2000-2017 年，昆明市城區(qū)擴展面積是339.61 km2，怒江州城區(qū)擴展面積為3.32 km2，擴展面積相差336.29 km2，如此差異造成了城市擴展速率的差距。城區(qū)擴展強度的差異，更加準確地反映了城市擴展能力的大小，如西雙版納州2000 年城區(qū)面積為7.29 km2，迪慶州2000 年城區(qū)面積為5.57 km2；至2017年，西雙版納州的城區(qū)面積為34.41 km2，迪慶州城區(qū)面積為11.32 km2；擴展強度分別為21.88%和6.68%。

3.2 城市空間擴展協(xié)調(diào)性分析

城市用地增長彈性系數(shù)描述了城市土地擴展速度與城市人口增長速度之比，根據(jù)中國城市規(guī)劃設(shè)計院及文獻[19-20，23-24]研究表明：城市用地增長彈性系數(shù)的最優(yōu)值為1.12。數(shù)值偏離越大或越小，表示城市擴展和人口發(fā)展之間的協(xié)調(diào)性越低[20]。

通過分析城市用地增長彈性系數(shù)（圖3）得出，云南省16 個城市（除麗江市）的城市用地增長彈性系數(shù)均大于1.12，表明云南省16 個城市的土地擴展遠大于城市人口的增長，呈現(xiàn)出城市土地增長與人口增長之間不協(xié)調(diào)現(xiàn)象。尤其是保山市的城市用地增長彈性系數(shù)高達15.32，紅河州的最小值也達到2.30。這些數(shù)據(jù)表明：近17 年來，云南省16 個地級城市的城市用地效率低，城區(qū)土地浪費現(xiàn)象嚴重，用地集約程度不高，土地利用效益差。究其原因：一方面，城市建設(shè)規(guī)模擴大，城市不斷向外圍擴展；產(chǎn)業(yè)空洞化的新城、新區(qū)缺乏吸引就業(yè)人口的能力，也會形成土地城鎮(zhèn)化顯著快于人口城鎮(zhèn)化的局面[25]。另一方面，由于城市開發(fā)程度不夠，或由于資金不足造成城市基礎(chǔ)建設(shè)不充分，人口城市化程度不夠，城市用地效益低[24]。

圖3 2000-2017 年城市用地增長彈性統(tǒng)計圖

3.3 城市空間形態(tài)及結(jié)構(gòu)變化分析

3.3.1 城市空間擴展類型演變

城市空間擴展類型是反映城市空間擴展特征的重要指標，劉紀遠[21]提出計算幾何中凸殼原理來識別城市用地擴展類型的方法，基于凸殼原理可區(qū)分城市用地擴展的兩種類型：填充型和外延型。凌賽廣[26]也針對武漢市進行內(nèi)涵式（與填充型相同）和外延型的擴展模式分析。填充型是指在已經(jīng)形成的城市區(qū)域中，進行空隙填充；外延型是用地擴展發(fā)生在城市的外緣部分。從城市擴展模式來看，當城市斑塊或組團有多個時，城市擴展模式傾向于填充型，城市以這幾個組團為擴展中心進行空隙填充擴展[27]。

從城市擴展類型統(tǒng)計表（表3）可看出，2000-2010年，云南省基本處于外延型擴展模式，城區(qū)用地呈現(xiàn)外緣開拓；僅昆明市、玉溪市和大理市呈現(xiàn)填充型模式，城市以各自城市組團為中心向外擴展，整個城市在這幾個組團凸殼內(nèi)進行內(nèi)部填充擴展。2011-2017年，填充型城市增加至7 個，有昆明市、曲靖市、玉溪市、麗江市、臨滄市、文山州和怒江州，其余9 個城市擴展模式為外延型。

表3 城市擴展類型統(tǒng)計表

研究發(fā)現(xiàn)，當城市有多中心斑塊時，一般會先以現(xiàn)有多組團為發(fā)展中心逐漸填充聚攏，縮小組團間距離，當組團發(fā)展至一定規(guī)模或時期時，轉(zhuǎn)為以獨立組團為中心的外延擴展，形成“內(nèi)部填充- 外部擴展”的擴展模式，或以內(nèi)部填充為主，獨立組團基礎(chǔ)上局部的外延擴展模式。如大理州城區(qū)發(fā)展模式即為多組團——填充為主的擴展模式。而當城市基礎(chǔ)呈“大餅”型，城市擴展會在當前城市基礎(chǔ)上主要進行外延擴展，如保山市城區(qū)發(fā)展模式即為：城區(qū)呈“餅”型，以外延擴展為主。

城市擴展類型演變（圖4）將對比反映這兩種城市擴展類型。2000-2010 年，保山市在2000 年城區(qū)基礎(chǔ)上向北、向南對稱擴展，呈現(xiàn)很突出的外延擴展模式；2011-2017 年，保山市以東西向城市干道為骨架，形成向東延伸、指向青華海生態(tài)濕地的三條發(fā)展次軸，形成“一城三組團”的空間布局結(jié)構(gòu)，整個保山市呈現(xiàn)以北、南、東三向的外延擴展。對比大理州的城市擴展模式，大理州城區(qū)主要由大理- 下關(guān)鎮(zhèn)組團，海東- 鳳儀組團兩部分構(gòu)成，屬于典型的多組團類型。

圖4 城市擴展類型演變

2000-2010 年階段，城區(qū)在2000 年的兩個組團基礎(chǔ)上進行主要的西北間隙填充擴展，同時以兩個組團為中心的外延擴展；2011-2017 年，下關(guān)鎮(zhèn)東邊的鳳儀/海東鎮(zhèn)成為城市擴展重心，大理州呈現(xiàn)以右下的鳳儀/海東鎮(zhèn)為基礎(chǔ)的突出外延型擴展[28]。

3.3.2 緊湊度分析

文章采用城市緊湊度來反映城市空間形態(tài)。緊湊度越大的城市，城區(qū)形態(tài)越飽滿、緊湊，趨于閉合圓形。圓是一種形態(tài)最緊湊的圖形，其緊湊度為1；如果是狹長形狀，其值遠小于1。城市緊湊度結(jié)合城市形態(tài)發(fā)現(xiàn)：當城市處于快速發(fā)展階段，緊湊度下降；當城市不再外延擴展轉(zhuǎn)為內(nèi)部改造、填充發(fā)展時，緊湊度上升。本文的緊湊度分析將分析粒度細化至城市斑塊群，對于多組團城市，選取中心斑塊群進行分析，共計選取分析了云南省16 個中心斑塊群（昆明市主城區(qū)斑塊群，含五華區(qū)、盤龍區(qū)、官渡區(qū)、西山區(qū)、呈貢區(qū)；玉溪市紅塔區(qū)斑塊）的空間形態(tài)和結(jié)構(gòu)變化。

通過城市緊湊度分級圖（圖5）可看出，云南省的城市緊湊度空間格局呈現(xiàn)出西高東低的特征，而時間進程上表現(xiàn)為西南部地區(qū)先降后升，東部地區(qū)逐漸提升的趨勢。具體來看，西部地區(qū)所包括的迪慶州、保山市、德宏州以及西南部地區(qū)的臨滄市、普洱市、西雙版納州以及紅河州，城市平均緊湊度較高，而位于中部及東北部的昆明市、玉溪市、曲靖市及昭通市普遍偏低，這與區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平的格局基本一致。變化趨勢上，在2000-2010 年階段，城市緊湊度普遍降低，結(jié)合城市擴展類型發(fā)現(xiàn)，該階段城市普遍以外延型擴展，城市空間形態(tài)日趨復雜，以趨于不穩(wěn)定的狀態(tài)發(fā)展，城市形態(tài)變得不規(guī)則，緊湊度降低，比較典型的是西部及西南部的城市；中部區(qū)域呈現(xiàn)以填充型為主，緊湊度上升。2011-2017 年階段，城市擴展特征為在前一時期大范圍的擴張基礎(chǔ)上進行填充補實，城市形態(tài)變化趨向穩(wěn)定，城市緊湊度稍有增加。西北部城市擴展仍以外延型為主，緊湊度呈現(xiàn)降低的趨勢。

圖5 城市緊湊度分級圖

4 結(jié)論與討論

文章以云南省16 個地級城市為監(jiān)測對象，分析了2000-2017 年的城市規(guī)模、擴展速度、擴展強度情況，同時引入城市用地增長彈性系數(shù)來衡量城市空間擴展協(xié)調(diào)性，并基于凸殼原理識別了2000-2010 年、2011-2017年兩個階段城市空間擴展模式，結(jié)合緊湊度指標來分析2000、2010、2017 年的城市空間形態(tài)及結(jié)構(gòu)變化。

（1）2000-2017 年，云南省城區(qū)總面積擴展明顯。2000 年云南省城區(qū)總面積為265.97 km2，至2017 年城區(qū)總面積為926.73 km2，增加了660.76 km2，2017 年城區(qū)面積是2000 年城區(qū)面積的3.48 倍。

（2）云南省城市發(fā)展受地形影響較大，地級城市間擴展速率和強度懸殊差異大。2000-2017 年，城市擴展速率最大的是昆明市，為19.98 km2/年，城市擴展速率最小的是怒江州，為0.02 km2/年；從擴展強度來看，擴展強度最大的是西雙版納州，為21.88%，擴展強度最小的是迪慶州，為6.68%。

（3）城市用地增長彈性系數(shù)遠超最優(yōu)值1.12。表明城市用地的擴展遠大于城市人口的增長，出現(xiàn)了城市增長速度與人口增長速度之間的不協(xié)調(diào)；城市用地增長過快，城市集約程度較低，造成土地利用效益低。

（4）從城市增長模式來看，2000-2010 年，云南省基本處于外延型擴展模式，城區(qū)用地呈現(xiàn)外緣開拓；2011-2017 年，城市擴展模式逐漸轉(zhuǎn)為填充型擴展。云南省近20 年來城市斑塊緊湊度總體來說呈現(xiàn)下降趨勢，說明城市形態(tài)在2000 年的趨于圓形、閉合形態(tài)向狹長、復雜形態(tài)轉(zhuǎn)變，城市發(fā)展快速。

（5）云南省的城市緊湊度空間格局呈現(xiàn)出西高東低的特征。在2000-2010 年階段，城市趨于不穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展，城市形態(tài)變得不規(guī)則，緊湊度降低；2011-2017年階段，城市擴展特征為歸并填充補實，城市形態(tài)變化趨向穩(wěn)定，城市緊湊度稍有增加。

本研究將繼續(xù)深入關(guān)注引起城市擴展特征的成因，發(fā)現(xiàn)城市擴展的規(guī)律，從政策導向、地形制約、經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)保護等方面加以情景模擬。探討在增強城市生態(tài)服務功能的基礎(chǔ)上，加強城市土地集約利用效應，合理地對驅(qū)動因素進行引導和更新，規(guī)劃城市的緊湊發(fā)展路線，優(yōu)化區(qū)域景觀空間結(jié)構(gòu)，避免城市的無序擴張和蔓延，使城市在持續(xù)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護之間達到平衡。