環渤海城鎮建成區時空動態特征分析

吳 莉，侯西勇，于良巨，邸向紅

(1.中國科學院 煙臺海岸帶研究所，山東 煙臺264003;2.中國科學院研究生院，北京100049;3.杜克大學尼古拉斯環境學院，達勒姆，27708，美國)

0 引言

1978年改革開放以來，中國經濟持續快速的發展促進了快速的城鎮化過程。城鎮化所伴生的大規模土地利用/覆蓋變化已經成為一種典型的人地系統相互作用過程，其結果是城市用地的空間擴展［1］，并引起耕地及生態用地隨之轉變［2］，進而對生態環境產生影響［3］。城鎮用地擴展作為城鎮化最明顯的空間表現，可以在很大程度上反映區域城鎮化的進程特征及空間組織特征。目前，田光進［2］、李麗［4］和卓莉［5］等人已在全國尺度上對城鎮的擴展進行研究。在區域尺度上，張文忠等揭示了珠江三角洲城鎮擴展強度與城鎮化發展水平的關系，并分析了城鎮用地擴展的空間格局特征［6］;李加林等在增長極理論和點軸理論的基礎上構建了“城市生長極核”和“城市生長極帶”模型，探討了長江三角洲區域的城市空間生長過程［7］;王磊等采用空間自相關等方法分析了長江三角洲城市擴展的集聚特征及演化過程［8］。對于單個城市擴展的研究主要集中在城鎮化水平較高或較為典型的城市，如，北京［9］、上海［1，10］、深圳［11］、大連［12］等。

近年來，對環渤海區域的研究主要集中在區域土地利用變化、驅動力以及其生態環境效應［13－15］，而針對該區域城鎮用地擴展進行的研究較少［16］。本研究以環渤海區域為研究區，基于20世紀70年代末期、1990、2000、2005、2010年的遙感影像，提取城鎮建成區的空間圖形信息，分析該區域在改革開放以來城鎮擴展的時空動態特征，為該地區城市規劃執行和合理變更提供科學依據，促進環渤海區域城鎮的協調發展。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

環渤海區域是指環繞渤海的遼寧、河北、山東、北京和天津，面積約51萬km2。該區域位于中國沿太平洋西岸的北部，在中國對外開放的沿海發展戰略中占重要地位，是繼珠江三角洲和長江三角洲之后中國經濟增長的第三極，城鎮化進程較快，其中，京津冀城市群、遼中南城市群和膠東半島城市群發展尤為迅速。

1.2 信息源與建成區提取

基于20世紀70年代末期的Landsat MSS和1990，2000，2005和2010年的TM/ETM+影像，主要采用目視解譯的方法提取不同時相的城鎮建成區空間信息，各時相均提取出318個城鎮斑塊。按照行政等級將城鎮分為4類:省會和副省級及以上城市(以下簡稱特大城市)7個，地級市37個，縣級市70個，縣城204個。

2 研究方法

2.1 動態度

單一土地利用類型動態度反映某研究區一定時間范圍內某種土地利用類型數量變化情況，其表達式為［17］:

式中:K為研究時段內城鎮建成區的擴展動態度;Ua，Ub分別為研究期初及期末城鎮建成區的面積;T為研究時段(一般以年為單位)。

2.2 擴展強度

城鎮擴展強度表征某空間單元研究時期內城鎮建成區的擴展面積占其土地總面積的百分比［9］，其實質就是用研究區的土地面積來對城市建成區年均擴展速度進行標準化處理，消除不同空間單元土地總面積不等的影響。計算公式為:

式中:S為城鎮擴展強度;A為研究單元土地總面積。

2.3 空間自相關

空間自相關是檢驗一個區域單元上的某種地理現象或觀測值與其相鄰空間單元上同一現象或觀測值是否顯著相關聯的常用指標，可使用全局和局部兩種不同等級的指標來度量。

Moran’s I指數是一種應用非常廣泛的全局空間自相關統計量，公式如下［18］:

式中:n為研究區內空間單元的總數;xi和xj分別代表第i個和第j個空間單元上的觀測值;是觀測值的平均值;wij是空間權重;S0是空間權重矩陣wij中所有元素之和。本研究采用鄰接標準構建空間權重矩陣。

Moran’s I指數取值在－1～1之間。在給定顯著性水平下，當Moran’s I指數顯著且為正時，表明觀測值之間顯著正相關，相似屬性聚集在一起，呈現高高集聚和低低集聚分布格局;當Moran’s I指數顯著且為負時，表示觀測值之間存在顯著負相關，呈空間分散格局;當Moran’s I指數接近于0，表明不存在空間自相關，觀測值在空間上隨機分布。

全局空間關聯指數僅使用一個單一值來反映整體上的自相關，難以探測不同位置局部區域的空間關聯模式。Anselin L［19］提出局部莫蘭指數(LISA)來檢驗局部地區是否存在相似或相異的觀測值聚集在一起。在空間位置i上，局部Moran’s Ii統計量定義如下:

式中:zi和zj是觀測值的均值標準化;空間權重矩陣單元wij采用行標準化形式。在顯著性水平下，當Ii和zi均為正時，表示位置i處的觀測值和它周圍的觀測值均為高值區，即高高集聚(HH);當Ii為正，zi為負時，表示位置i處的觀測值和它周圍的觀測值均為低值區，即低低集聚(LL);當Ii為負，zi為正時，表示位置i處的觀測值大于它周圍的觀測值，即高低集聚(HL);當Ii為負，zi為負時，表示位置i處的觀測值小于它周圍的觀測值，即低高集聚(LH)。

3 城鎮擴展的過程特征

3.1 面積增長及擴展速度

20世紀70年代末環渤海區域城鎮總建成區面積約為2 160 km2，其中，建成區面積大于100 km2的僅有北京、天津、沈陽和濟南4個城市。而截止2010年，環渤海區域城鎮建成區總面積約為10 652 km2，建成區面積在100 km2以上的城市達到15個。北京市擴展尤為明顯，建成區面積已達到1 381 km2，擴展面積為1 104 km2。

從表1可以看出，1980—2010年間環渤海區域城鎮總體的年均擴展速度先增加后下降。1980—2005年，各類城鎮除了地級市1990—2000年間年均擴展速度較前一時段下降約2 km2·a－1外，其余均不斷增加。2005年后，特大城市和地級市擴展速度下降，而縣級市和縣城的擴展速度仍然保持增加。1980—1990年間，年均擴展速度最大、對城鎮總體建成區擴展貢獻率也最大的城鎮類型為地級市;1990—2005年為特大城市;2005—2010年則為縣城。

表1 1980—2010年環渤海城鎮建成區面積及擴展速度Tab.1 Area and growth speed of urban land use in the CBR from 1980 to 2010

3.2 動態度和擴展強度

動態度反映了城鎮相對于自身的發展水平。由于城鎮建設用地面積比重在一定程度上可以反映城鎮化發育水平的差異，因此，擴展強度可用來表示城鎮化進程快慢。根據公式(1)和公式(2)分別計算318個城鎮個體以及 4類城鎮在 1980—1990，1990—2000，2000—2005和2005—2010年的動態度和擴展強度。

3.2.1 動態度和擴展強度的統計特征。318個城鎮的動態度的均值在4個時段內不斷減少，而擴展強度的均值不斷增加(表2)。城鎮擴展動態度和擴展強度均表現為中值小于均值，偏度系數和峰度系數值大于0，說明環渤海區域城鎮群體擴展動態度和擴展強度頻率分布形態為右偏態尖峰分布，數據分布呈集中性和離群性特征。而擴展強度的峰度系數值遠大于同時期擴展動態度的峰度系數，表明較擴展動態度而言區域城鎮群體擴展強度呈現為較明顯尖峰分布，分布的集中性更明顯。

表2 1980—2010年環渤海城鎮群體擴展的動態度和擴展強度統計特征Tab.2 Statistical characteristics of growth intensity and dynamic degree of urban expansion in the CBR during 1980—2010

3.2.2 不同類型城鎮的擴展動態度和擴展強度變化特征。由表3可看出，環渤海區域城鎮總體的擴展動態度可大致劃分為2個階段:1980—1990年，城鎮擴展動態度較高，為10.09%;1990年以后，城鎮擴展動態度大幅度降低。不同城鎮類型在4個時段內擴展動態度均呈不斷下降的趨勢。1980—2005年各類城鎮之間的差異趨于減少，2005年之后各類型之間差異擴大。縣級市和縣城在4個時期內的擴展動態度高于特大城市和地級市。4個時段內區域城鎮總體的擴展強度緩慢上升，由1980—1990年間的 0.04上升到 2005—2010年間的0.07。1980—2005年間，各類型城鎮擴展強度不斷增加。特大城市的擴展強度及其增長態勢尤為顯著，其次是地級市，而縣級市和縣城之間則差異微小，并遠遠落后于特大城市和地級市。2005年以后特大城市和地級市的擴展強度有所下降，但仍然遠大于縣級市和縣城的擴展強度。

表3 1980—2010年環渤海區域不同類型城鎮擴展動態度、擴展強度變化Tab.3 Dynamic degrees and growth intensities of different_type urban in the CBR from 1980 to 2010

4 城鎮擴展的空間格局

以2010年環渤海區域縣域行政區劃為基本分析單元，分別將各城鎮4個時段的擴展動態度和擴展強度空間化，并計算全局Moran’s I指數和局部 Moran’sIi，探索環渤海區域城鎮群體擴展的空間格局特征。

4.1 擴展動態度的空間格局演化

4 個時段(1980—1990，1990—2000，2000—2005，2005—2010年)城鎮用地擴展動態度的全局Moran’s I指數分別為 0.10，0.22，0.14，0.24，且通過正態分布顯著性檢驗。這說明環渤海區域城鎮群體擴展動態度在總體上表現出空間集聚特征，但集聚程度有所不同，2005—2010年聚集程度最高。進一步計算局部Moran’sIi測度城鎮i和其相鄰城鎮的擴展動態度之間的相關性，并將HH，LL，HL，LH 4種空間集聚模式表現在Moran散點地圖上(圖1)，特征如下:(1)HH區是城鎮擴展動態度較大且正相關區域，該類型占區域總城鎮的20%左右。不同時段內，HH區在空間上的“跳躍”比較明顯，并呈現一定的沿著交通干線分布和變化的特征。1980—1990年，HH區主要位于遼寧東部山地丘陵區、遼寧中部縣城、保定市西部、唐山北部、煙威沿海縣市、濰坊—日照和臨沂部分縣市以及菏澤西部縣城等;1990—2000年，HH區較為集中地分布于京津冀內京廣線和京九線沿線及其所包圍的區域;2000—2005年，HH區分布較前一時期離散，主要集中在山東省膠濟鐵路沿線城鎮以及山東和河北交界處部分縣市;2005—2010年，HH區主要分布在沿海地區，如東營、濱州、營口和大連等。(2)4個時段內，HL區城鎮所占區域總城鎮的比重均不到20%，且空間分布較離散;LH區和LL區是主要的集聚類型，二者合計所占總城鎮的比重各時段均超過60%。

4.2 擴展強度的空間格局演化

圖1 1980—2010年間城鎮擴展動態度的Moran’s I散點地圖Fig.1 Moran’s I scatter maps of dynamic degrees of urban expansion during 1980—2010

全局空間自相關分析發現，4個時段內城鎮用地擴展強度在總體空間格局不存在顯著空間自相關。進一步計算擴展強度局部Moran’sIi，并表現在Moran散點地圖上(圖2)，分析如下:(1)擴展強度HH區城鎮數量較少，但不斷增加，4個時段內占總城鎮的比重分別為3.14%，6.29%，6.92% 和 7.86%。與擴展動態度空間格局中HH區的分布和演化不同，擴展強度的HH區多較為孤立地分布在大城市或者大城市的周圍地區，并表現出據點式的演化趨勢，例如，以天津市—廊坊市、即墨市為中心不斷向周圍擴展的HH區。而2005—2010年期間，已有的HH區趨于衰退，山東省東營市附近則形成新的HH區。(2)HL區所占的比重在15%左右波動變化。特大城市、地級市以及小部分擴展強度較大的縣級市和縣城共同構成了HL區，其中，地級市是HL區主要城鎮類型。HL區城鎮多為城鎮發展的區域中心，但尚未充分帶動周圍城鎮的發展。(3)LH區所占的比重在20%左右，主要呈環狀分布在HH區和HL區的外圍。LL區所占的比重在60%左右，為區域城鎮擴展強度集聚的主要類型，這表明環渤海區域半數以上的城鎮的擴展強度尚處在低水平的均衡狀態。

5 結論與討論

20世紀70年代末期以來，環渤海區域城鎮化進程不斷加快。小城鎮相對于自身的發展速度較快。在城鎮發展的空間格局上，相對發展速度較快的城鎮不同時段內的轉移比較明顯，并呈現一定的沿著交通干線分布和變化的特征;城鎮的行政等級越高，城鎮化水平提高的速度越快，隨時間變化各等級之間差異就不斷加大。城鎮化水平提高速度較快的高值集聚區在京津冀和山東均有分布并呈據點式的演化趨勢，而遼寧省內尚未有穩步發展的高值區。

圖2 1980—2010年間城鎮擴展強度的Moran’s I散點地圖Fig.2 Moran’s I scatter maps of growth intensities of urban expansion during 1980—2010

與長江三角洲［7］和珠江三角洲地區［6］相比，環渤海區域城鎮用地擴展動態度和擴展強度均較低，城鎮擴展的空間組織性較差。通過研究，認為環渤海區域城鎮體系在未來的發展中除了加快城鎮化速度外，還應加強對區域城鎮體系組織結構特征的研究及其優化管理。跨省的區域性中心城市和副中心城市的培養是重點之一，應繼續充分發揮其對周邊地區的輻射帶動作用;以較有實力的地級市為代表的次一級中心城市的培育和發展應該成為另一個重點;在城鎮體系歷史演進的基礎上，充分重視發揮交通干線對區域城鎮空間發展的帶動作用，通過進一步培育和強化區域城鎮化的空間發展軸線達到逐漸優化和提升環渤海區域城鎮化水平的目標。

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