北京市城鎮(zhèn)擴張的道路網(wǎng)絡(luò)影響分析

劉潤潤，胡業(yè)翠，鄭新奇，鄭云梅

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

1 引言

20世紀(jì)80年代以來,土地利用/覆被變化(LUCC)成為世界關(guān)注的熱點問題,其中城鎮(zhèn)增長是LUCC研究的重要內(nèi)容。交通道路分布與城鎮(zhèn)用地擴張關(guān)系密切,交通網(wǎng)絡(luò)擴張與區(qū)域發(fā)展存在內(nèi)在關(guān)聯(lián)[1],道路是社會聯(lián)系、經(jīng)濟(jì)和政治決定的物理表現(xiàn),而社會聯(lián)系、經(jīng)濟(jì)政治決定又將引導(dǎo)土地利用變化。道路分布影響著城鎮(zhèn)擴張的模式,城鎮(zhèn)擴張反過來又影響著道路網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展演變[2-3]。北京作為中國的政治文化中心,城鎮(zhèn)擴展迅速[4],2008年北京城鎮(zhèn)用地為1985年的2.9倍多(根據(jù)1985、2008年LandSat的TM遙感影像解譯結(jié)果計算),城鎮(zhèn)的快速擴張導(dǎo)致建設(shè)用地供需矛盾日益突出,耕地保護(hù)和生態(tài)建設(shè)的壓力逐年加大,迫切需要探索城鎮(zhèn)演化規(guī)律,實現(xiàn)土地的合理利用與規(guī)劃。

國內(nèi)外學(xué)者對城鎮(zhèn)擴張規(guī)律進(jìn)行了大量研究,研究方法主要為基于GIS[5]和RS技術(shù)的空間擴展監(jiān)測法[6-7],以及Logistic回歸[8-9]、元胞自動機(CA)[10-11]、系統(tǒng)動力學(xué)等系統(tǒng)模型分析法,研究表明道路網(wǎng)絡(luò)是城鎮(zhèn)擴張的主要內(nèi)在適應(yīng)性因素。眾多的數(shù)理方法和空間模型已用以研究交通道路與城鎮(zhèn)擴張之間的相互作用[12-14],何春陽等借助“3S”技術(shù)研究北京1975—1997年城市化過程[15],結(jié)果表明北京城市化受交通等內(nèi)在因素影響并呈現(xiàn)中心大區(qū)和邊緣次級中心區(qū)沿交通干線的線狀城市擴張模式。侯敏等利用多變量Logistic回歸模型分析北京交通道路通達(dá)性和城市化狀態(tài)[16],結(jié)果表明交通是影響北京城市空間形態(tài)變化的重要因素。曹峰等基于粗糙集探索廣東省交通道路與城鎮(zhèn)擴張關(guān)系[2]。以往研究中對于城鎮(zhèn)擴張與道路空間關(guān)系的量化研究較少,對于道路網(wǎng)絡(luò)問題的探討,一般采用道路密度[3,17]、交通道路的通達(dá)度[18-19]進(jìn)行量化分析。

本文借助GIS軟件,對北京市1985—2008年的城鎮(zhèn)用地變化進(jìn)行空間統(tǒng)計,量化城鎮(zhèn)擴張與道路密度之間的關(guān)系,對于北京城鄉(xiāng)規(guī)劃、可持續(xù)發(fā)展等領(lǐng)域具有一定的參考意義,并有助于揭示城鄉(xiāng)各區(qū)在不同的路網(wǎng)發(fā)展階段的區(qū)域發(fā)展空間特征。

2 數(shù)據(jù)獲取與處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究區(qū)為北京市,包括傳統(tǒng)中心6城區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)各城鎮(zhèn),覆蓋面積為16808 km2。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為北京市1985、2008年兩期的土地利用矢量圖,以及北京市道路矢量圖。1985、2008年兩期土地利用矢量圖是由30 m×30 m分辨率的LandSat的TM遙感影像解譯獲得。北京市道路交通網(wǎng)絡(luò)圖由2006年1∶10000的航空攝影圖數(shù)字化得到,并以2008年LandSat的TM遙感影像為底圖,進(jìn)行了道路的補充修改。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 城鎮(zhèn)用地變化信息提取 以1985、2008年的土地利用矢量圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),基于ArcGIS軟件提取城鎮(zhèn)用地變化的空間分布圖。具體步驟為：(1)在ArcMap中分別提取1985、2008年的城鎮(zhèn)用地數(shù)據(jù)；(2)利用ArcToolbox將提取的城鎮(zhèn)數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化處理,柵格數(shù)據(jù)的空間分辨率為30 m×30 m；(3)在ArcGIS的Workstation中調(diào)用Grid模塊,對1985、2008年城鎮(zhèn)用地變化的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2.2.2 道路網(wǎng)絡(luò)密度空間信息提取 以北京市道路網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀分布圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),基于ArcGIS軟件獲得北京市道路網(wǎng)絡(luò)密度空間分布數(shù)據(jù)。(1)利用ArcToolbox生成北京市道路網(wǎng)絡(luò)密度柵格圖,柵格空間分辨率為30 m×30 m,同時提取城鎮(zhèn)擴張區(qū)域?qū)?yīng)的道路網(wǎng)絡(luò)密度柵格數(shù)據(jù)；(3)將道路網(wǎng)絡(luò)密度離散化,保留到小數(shù)點后一位,離散點值85個；(4)在ArcGIS的Workstation中調(diào)用Grid模塊得到道路密度與城鎮(zhèn)用地變化的空間對應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)。

2.2.3 城鎮(zhèn)用地擴張與道路網(wǎng)絡(luò)密度關(guān)系的定量模型 回歸分析是一種研究變量間存在的非確定的相互依賴和制約關(guān)系的有效數(shù)理統(tǒng)計方法[20]。周一星在1982年提出城市化水平與人均收入之間在一定時空條件下服從對數(shù)關(guān)系法則[21],與此同時,Taylor則證明交通網(wǎng)絡(luò)連接度與人均收入之間也滿足對數(shù)關(guān)系[22]。為探索北京市城鎮(zhèn)擴張與道路網(wǎng)絡(luò)密度可能存在的定量關(guān)系,分別建立城鎮(zhèn)擴張—道路密度一元線性回歸模型、一元曲線回歸模型及對數(shù)關(guān)系模型,具體模型如下：

式1—6中,y為城鎮(zhèn)用地擴張速度,x為道路密度,βi(i=1,2,3)為回歸系數(shù),a0為常數(shù)項,εt為回歸殘差；對于式1和式4,若β1＞ 0,說明城市擴張與道路密度正相關(guān),反之,兩者負(fù)相關(guān)；對于式2和式4,若β2＜ 0,說明城市擴張與道路密度呈倒U形曲線關(guān)系,若β2＞ 0,則兩者呈U型曲線關(guān)系；對于式3和式6,若β3＞ 0,β2＜ 0且β1＞ 0,說明城鎮(zhèn)擴張面積與道路密度之間呈N型曲線關(guān)系,反之,若β3＜ 0,β2＞ 0且β1＜ 0,說明城市擴張與道路密度之間呈倒N型曲線關(guān)系。

3 結(jié)果分析

3.1 北京市城鎮(zhèn)用地擴張的道路網(wǎng)絡(luò)密度空間特征

1985年以來,北京市城鎮(zhèn)用地擴張明顯,圖1結(jié)果顯示,城鎮(zhèn)擴張主要集中在3環(huán)以外,除東城區(qū)、西城區(qū)的北京傳統(tǒng)4城區(qū)；昌平區(qū)、大興區(qū)、通州區(qū)、房山區(qū)、門頭溝區(qū)中城鎮(zhèn)擴張區(qū)域分布在臨近城6區(qū)邊界處,以及各個區(qū)縣的老城鎮(zhèn)區(qū)周圍；作為遠(yuǎn)郊區(qū)縣的延慶縣、密云縣、懷柔區(qū)、平谷區(qū)、順義區(qū),城鎮(zhèn)主要圍繞老城鎮(zhèn)區(qū)擴張。也就是說北京城鎮(zhèn)擴張是從核心區(qū)域開始的,周邊城鎮(zhèn)一定程度上受中心城市的空間輻射作用的影響。

圖1 北京市1985—2008年城鎮(zhèn)用地變化圖Fig.1 Urban land change between 1985 and 2008 in Beijing

圖2 北京市道路網(wǎng)絡(luò)密度分布圖Fig.2 Distribution of Road network density in Beijing

在ArcGIS中利用Natural Breaks方法將北京市道路網(wǎng)絡(luò)密度進(jìn)行分級,圖2結(jié)果顯示北京市道路最密集區(qū)域分布在三環(huán)以內(nèi),第二個密度等級(5.5×103—9.2×103km/km2)是三環(huán)至五環(huán)之間；傳統(tǒng)6城區(qū)內(nèi)道路網(wǎng)密度較高,其中東城區(qū)、西城區(qū)道路最為密集；大興區(qū)、通州區(qū)、順義區(qū)、昌平區(qū)東部、房山區(qū)東部道路網(wǎng)主要分布在第三密度等級(3.2×103—5.5×103km/km2)；懷柔區(qū)、密云縣、門頭溝區(qū)道路網(wǎng)稀疏,除城鎮(zhèn)區(qū)外大部分區(qū)域分布在第五道路等級(0.1×103—1.8×103km/km2)。

在ArcGIS的GRID模塊中統(tǒng)計北京市1985—2008年城鎮(zhèn)用地變化的道路網(wǎng)絡(luò)密度特征,結(jié)果顯示(表1),2008年相對1985年城鎮(zhèn)擴張面積為939.91 km2。城鎮(zhèn)擴張明顯區(qū)域位于道路密度的2和3等級,1985—2008年該部分?jǐn)U張面積占北京總擴張面積的91.99%, 當(dāng)?shù)缆访芏瘸^9.0×103km/km2時,城鎮(zhèn)擴張面積為0。

表1 北京市城鎮(zhèn)用地擴張的道路網(wǎng)絡(luò)密度特征Tab.1 Road network density characteristics of urban expansion in Beijing City

3.2 北京市城鎮(zhèn)用地擴張與道路網(wǎng)絡(luò)密度關(guān)系的模型分析

北京城鎮(zhèn)用地擴張與道路網(wǎng)絡(luò)密度的關(guān)系分為兩個階段：(1)當(dāng)?shù)缆访芏却笥?.0×103km/km2時,城鎮(zhèn)擴張面積為0。(2)當(dāng)?shù)缆访芏炔怀^9.0×103km/km2時,北京城鎮(zhèn)用地擴張與道路網(wǎng)絡(luò)密度呈現(xiàn)倒U型曲線關(guān)系。利用Stata軟件對1985—2008年間城鎮(zhèn)擴張速度、道路網(wǎng)絡(luò)密度,按照式1—6的回歸模型進(jìn)行最小二乘(OLS)回歸估計,得到模型估計系數(shù)(表2)。回歸估計結(jié)果顯示,模型1、3、4、5和6的估計系數(shù)均達(dá)到1%的顯著性水平；模型6的可決系數(shù)(R2)和F統(tǒng)計值均為6個模型中的最高值,分別為0.88和202.09。綜合考慮模型整體的擬合優(yōu)度和各變量的顯著性水平,模型6為最優(yōu)擬合模型。

表2 北京市城鎮(zhèn)擴張速度與道路網(wǎng)絡(luò)密度回歸分析結(jié)果Tab.2 Regression analysis results of urban expansion and road network model in Beijing City

綜合以上分析,城鎮(zhèn)擴張—道路網(wǎng)絡(luò)密度的模型為：

式7中,y為城鎮(zhèn)用地擴張速度, x為道路密度。由于等式左邊lny為單調(diào)遞增函數(shù),當(dāng)?shù)仁接疫吶〉脴O值時,y也達(dá)到極值點。

為了更深入探索道路網(wǎng)絡(luò)密度與城鎮(zhèn)擴張的相互促進(jìn)程度的轉(zhuǎn)變,本文基于估計得到的城鎮(zhèn)擴張—道路網(wǎng)絡(luò)模型及其轉(zhuǎn)折點公式,計算了道路網(wǎng)絡(luò)密度對城鎮(zhèn)擴張促進(jìn)程度發(fā)生轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)折位置,具體計算如式8：

式8中,x0為城鎮(zhèn)擴張速度隨道路網(wǎng)絡(luò)密度增加發(fā)生轉(zhuǎn)變的道路密度值,βi(i=1,2,3)為城鎮(zhèn)擴張—道路網(wǎng)絡(luò)回歸模型6式中xi(i=1,2,3)的估計系數(shù)。基于式8可以算出,道路網(wǎng)絡(luò)密度為3.5×103km/km2時,北京城鎮(zhèn)擴張速度達(dá)到最大；道路網(wǎng)絡(luò)密度為9.0×103km/km2時,城鎮(zhèn)擴張達(dá)到最小值,為0。

城鎮(zhèn)擴張速度隨道路網(wǎng)絡(luò)密度增加的發(fā)展趨勢可總結(jié)為：道路密度小于9.0×103km/km2時,北京市城鎮(zhèn)擴張速度與道路網(wǎng)絡(luò)密度呈倒U型曲線關(guān)系,3.5×103km/km2是城鎮(zhèn)擴張速度隨道路密度增加發(fā)展趨勢變化的轉(zhuǎn)折點；道路密度超過9.0×103km/km2時,城鎮(zhèn)不再擴張。在城鎮(zhèn)發(fā)展初期,城鎮(zhèn)擴張速度隨道路網(wǎng)絡(luò)密度的增加而加快,主要原因是隨著人口和經(jīng)濟(jì)的快速增長,對物質(zhì)產(chǎn)品、文化生活和環(huán)境質(zhì)量提出了更高的要求,基礎(chǔ)設(shè)施投資也在逐年加大,這刺激了城鎮(zhèn)的擴張與道路建設(shè),城鎮(zhèn)擴張與道路網(wǎng)絡(luò)密度呈現(xiàn)相互促進(jìn)的因果關(guān)系。當(dāng)?shù)缆肪W(wǎng)絡(luò)密度達(dá)到3.5×103km/km2時,城鎮(zhèn)擴張速度轉(zhuǎn)變?yōu)殡S道路網(wǎng)絡(luò)密度增加而減小,究其原因,首先,隨著人口的增長,居住成本隨之增加,加上戶籍管理和資源承載力的約束可能限制人口的流動進(jìn)而限制城鎮(zhèn)擴張[23]；其次,北京城市規(guī)劃建設(shè)始終高度重視保持傳統(tǒng)的城市格局、建筑特色和城市景觀,體現(xiàn)北京的文化背景,一定程度上限制了城鎮(zhèn)隨道路網(wǎng)絡(luò)密度增加而擴張；再次,交通道路污染限制了北京城鎮(zhèn)隨道路網(wǎng)絡(luò)密度增加而擴張,國內(nèi)外大量研究表明交通道路污染對人體健康和環(huán)境安全造成嚴(yán)重威脅[24-26],2004—2008年,北京市用于道路運輸?shù)慕?jīng)濟(jì)成本平均占總GDP的0.58%,與此同時,其引起空氣污染導(dǎo)致的健康問題的花費估計值為1.9×109元/年[27]；此外,道路的急劇增加導(dǎo)致部分人群轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)郊區(qū)縣,從而減慢城鎮(zhèn)擴張的速度,當(dāng)?shù)缆访芏瘸^9.0×103km/km2時,由于受土地資源、城市規(guī)劃等自然和社會條件的限制,城鎮(zhèn)不再擴張。

圖3 北京市城鎮(zhèn)擴張與道路網(wǎng)絡(luò)曲線擬合Fig.3 Fitting curve of urban expansion and road network

4 結(jié)論

通過對1985—2008年城鎮(zhèn)擴張與道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出如下結(jié)論：

(1)北京地區(qū)城鎮(zhèn)擴張主要表現(xiàn)為中心城區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)縣中心區(qū)的面狀擴張。城鎮(zhèn)擴張區(qū)域主要分布在除東城區(qū)、西城區(qū)外的北京中心4城區(qū),遠(yuǎn)郊區(qū)縣中圍繞老城鎮(zhèn)區(qū)的城鎮(zhèn)用地擴張比較明顯。

(2)北京道路網(wǎng)絡(luò)密度主要表現(xiàn)為中心城區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)縣中心區(qū)向周邊區(qū)域的逐級遞減。北京道路最密集區(qū)域分布在三環(huán)以內(nèi),其次是三環(huán)至五環(huán)之間。傳統(tǒng)6城區(qū)內(nèi)道路網(wǎng)密度較高,其中東城區(qū)、西城區(qū)道路最為密集,遠(yuǎn)郊區(qū)縣中的懷柔區(qū)、密云縣、門頭溝區(qū)道路網(wǎng)相對稀疏。

(3)在道路密度不超過9.0×103km/km2時,北京市城鎮(zhèn)擴張與道路網(wǎng)絡(luò)具有倒U曲線關(guān)系,即城鎮(zhèn)擴張速度先隨道路網(wǎng)絡(luò)密度的增加而加快,道路網(wǎng)絡(luò)密度為3.5×103km/km2時,城鎮(zhèn)擴張速度隨道路網(wǎng)絡(luò)密度的增加而減慢；道路密度超過9.0×103km/km2時,城鎮(zhèn)將不再擴張。目前,北京市五環(huán)以內(nèi)包括五環(huán)周圍區(qū)域,城鎮(zhèn)擴張速度都已呈現(xiàn)出隨道路密度增加而減小的趨勢,五環(huán)以外道路密度基本未達(dá)到3.5×103km/km2,城鎮(zhèn)擴張速度主要表現(xiàn)為隨道路密度增加而加快。而三環(huán)以內(nèi)道路密度基本在9.0×103km/km2以上,城鎮(zhèn)擴張潛力較小。為了避免城鎮(zhèn)用地的快速擴張,特別是遠(yuǎn)郊區(qū)縣應(yīng)強化土地的高效利用,合理規(guī)劃交通道路,實現(xiàn)城鎮(zhèn)用地與道路網(wǎng)絡(luò)的相互促進(jìn)、協(xié)調(diào)發(fā)展。

本文分析了城鎮(zhèn)擴張與道路網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系,對二者的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行探索,量化了道路發(fā)展對城鎮(zhèn)擴張的影響。需要說明的是,本文中的倒U型曲線僅反映了從總體上看,北京地區(qū)在該研究時段的政策、經(jīng)濟(jì)、文化條件下城鎮(zhèn)擴張與道路網(wǎng)絡(luò)密度的關(guān)系,研究中未考慮道路的分級處理,只考慮道路長度及道路的空間分布。盡管如此,該研究估算的北京城鎮(zhèn)擴張與道路網(wǎng)絡(luò)的量化關(guān)系對北京城鄉(xiāng)規(guī)劃、可持續(xù)發(fā)展等具有重要的參考價值。

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