土地利用空間關聯下城鄉結合部邊界界定方法研究

周 浩，雷國平，張紅梅，苗智博

（東北大學土地管理研究所，遼寧 沈陽 110004）

土地利用空間關聯下城鄉結合部邊界界定方法研究

周 浩，雷國平，張紅梅，苗智博

（東北大學土地管理研究所，遼寧 沈陽 110004）

研究目的：在沈陽市2005和2015年兩期TM/OLI 數據支持下，提出并驗證城鄉結合部土地利用變化空間關聯理論假設和界定城鄉結合部邊界的新方法。研究方法：理論假設和實證分析相結合。研究結果：（1）由城市核心區到外圍鄉村，土地利用變化先低—低聚集，后不顯著，但局部表現低—高、高—低或者高—高態勢，至城鄉結合部外緣逐漸表現低—低聚集；（2）實證分析認為，沈陽市城鄉結合部內邊界大致在二環和三環之間，外邊界的北部、西部和南部主要分布在四環線之外，東部分布在三環和四環之間，總面積1234 km2。研究結論：城鄉結合部土地利用空間關聯理論假設成立，基于土地利用變化空間關聯性來界定城鄉結合部具有可行性。

土地利用；城鄉結合部；土地利用動態度；局部空間自相關；邊界界定；沈陽市

1 引言

城鄉結合部作為城市蔓延中一種特殊的地域實體，是城市要素與鄉村要素相互影響與滲透，具有用地矛盾尖銳、社會管理混亂和解決途徑困難等問題的熱點地區［1-2］，城鄉結合部是城市擴張的緩沖區，如何科學地界定其邊界是加強土地資源有序管理，合理控制城市發展規模及鄉村城市化進程的前提之一［3］。關于城鄉結合部邊界的研究，國外始于19世紀早期，如杜能《孤立國》中城市周邊在距離作用下的地域分異規律［4］。R·E·迪肯森提出了中央、中間和外緣的三地帶理論［5］，開創了城鄉結合部正式研究的先河。在城鄉結合部邊界的具體劃定上，國外學者陸續通過量化的指標來進行城鄉結合部的范圍確定［6］，如借助非農人口與農業人口的比例這一指標來界定城鄉結合部［7］、采用郊區化指數SI對城鄉結合部進行范圍的劃分［8］、從居住價格變化角度確定城鄉結合部［9］等。國內最早關于城鄉結合部邊界界定研究，是1988年廣州市規劃局根據城市發展、居住和交通因素劃定出城鄉結合部［3］。定量劃分方法上，以“斷裂點”分析法［10］、DTM信噪度分析［11］、均值突變檢測［12］、遙感技術與信息熵［13］和土地利用變化突變點檢測［2］等最為典型，研究對象多為北京、上海特大城市及發達省份的中心城市［1］。空間邊界的實質就是連續區域上具有顯著差別的界線，針對城鄉結合部而言，就是試圖運用相關方法確定出城市主體與鄉村之間過渡性區域邊界的過程［3］，界定理論上的城市核心區與城鄉結合部以及城鄉結合部與鄉村間的“突變”線，即所謂的城鄉結合部內、外界線。作為城鄉交互作用下的動態產物，城鄉結合部內部土地利用無序多樣且變化強烈，一是以往大部分如人口密度、景觀紊亂度等靜態指標難以充分體現；二是如動態度指標僅從變化速度角度上進行體現，未考慮城鄉結合部用地內部的無序性。“Tobler”地理學“第一定律”認為，任何事物之間都是相互聯系的，而離的較近的事物總比離的較遠的事物聯系度高［14-15］，該定律決定了土地利用空間自相關存在的客觀性。鑒于此，本文以城市外圍土地利用動態度的空間聚集性和隨機性為理論前提，引入空間統計學中的局部空間自相關分析方法，以沈陽市為例，探討土地利用變化空間關聯視角下的城鄉結合部邊界界定方法，為客觀劃分城鄉結合部界線提供新思路。

2 理論假設與數值方法

2.1 城鄉結合部土地利用空間關聯理論假設

伴隨著城市化水平的不斷提高，城鄉結合部用地結構處于快速變動之中，由于其位于城市和鄉村的過渡地帶，受城市輻射作用明顯，工業、商業用地等廣泛分布，同時，城鄉結合部也保留著部分原有鄉村土地利用的格局。因此，城鄉結合部土地利用最大的特點是變化的動態性和類型的多樣性。城市化初期，城鄉結合部土地利用變化劇烈，工、商業等城市用地零星式出現，耕地不規則式退縮，區域破碎化程度增加，土地利用變化整體空間分布較為隨機，格局特征分布不明顯；城市化末期土地利用變化格局恰好是逆向的，土地利用變化緩慢，多表現為低—低聚集的空間關聯性。由此，本文提出以下假設：由城市核心區向外，經城鄉結合部，以至鄉村，土地利用變化速率的空間集聚性趨勢是由市中心向外，先整體表現低—低聚集，在城鄉結合部時聚集特征不顯著，局部可能表現為低—高、高—低或者高—高聚集，到城鄉結合部的外緣逐漸又表現低—低聚集（圖1）。

圖1 城鄉結合部土地利用空間關聯理論假設Fig.1 Regional differences hypotheses on spatial correlation theory of land use change in urban-rural fringe

2.2 數值方法

2.2.1 土地利用變化速率 土地利用綜合動態度考慮了土地利用類型的轉移過程情況，而非簡單的變化結果［2］，能夠反映整個區域土地利用變化的劇烈程度，便于依據一定的空間尺度來監測土地利用變化熱點地區。因此，選用土地利用綜合動態度模型來反映土地利用變化速率情況：

式（1）中，LC為土地利用綜合動態度；T為研究時段長度；LUi代表研究期初i類土地面積；LUi-j為T時間段內i類土地變為j類土地的面積，其中i≠j。

2.2.2 局部空間自相關 空間自相關分析是探索地理實體之間的有效工具和手段，其中局部空間自相關分析（Local Indicators of Spatial Association，LISA）用來衡量觀測單元屬性值與周邊單元屬性值的相近（正相關）或差異（負相關）程度。土地作為一種地理實體，其在空間上必然存在一定的分布規律，從探索土地利用空間分布特征的角度出發，解釋土地利用變化速率在空間上的集聚性或離散性特征，能夠契合城市化進程中更加注重集中連片開發與建設的要旨，LISA指數被定義為：

式（2）中，Ii為局部空間自相關指數值；xi為某一變量在空間單位i上的實測值；x是變量的均值；S表示變量的偏差。一般來講，其值大于0則表示該區域單元周圍相似值（高值或低值）在空間上的聚集，小于0則表示非相似值在空間上的聚集。

2.2.3 城鄉結合部內外邊界確定 將研究區劃分為若干采樣網格單元，依據動態度公式計算單個樣區動態度，以此作為樣區中心點的動態度，并選用地統計學中局部空間插值方法進行動態度空間化處理。基于空間化處理后的動態度數據，進而分析微觀單元下的局部空間自相關特征。然后以城市核心區中心為初始點，每10度引出一條發射狀剖面線，整個研究區共拉出36條剖面線。綜合考慮城市化進程中城鄉結合部形成的可能性，分別將集聚特性低—低、低—高、高—低、高—高和不顯著的樣區單元賦值為1、2、2、4、3。然后以采樣區中心點距離城市核心區距離為橫坐標，以采樣區賦值的累加值為縱坐標，可繪制36條折線圖。前述理論假設表明，城市建成區內折線斜率應該較小，至城鄉結合部斜率逐漸增加，局部可能發生震蕩，到外緣地帶又降至低水平。記錄各折線圖的斜率突變點的空間地理坐標，內側轉折點為內邊界，外側轉折點為外邊界，分別將轉折點依次相連形成研究區城鄉結合部的內邊界和外邊界。

3 實證分析

3.1 研究區土地利用信息提取

本文以沈陽市為研究區，沈陽市是東北地區最大的中心城市，是遼寧中部城市群、“沈陽經濟區”的核心，自新中國成立以來，沈陽市經歷了快速的城市化進程，特別是進入21世紀以來，中心城區快速向外擴張［16］。以沈陽市2個時相Landsat TM/OLI影像為原始信息源，成像時間分別為2005年10月17日和2015年7月9日，行列號：119/31。基于行政界線對原始影像進行裁剪，涉及的區縣包括：沈陽市轄區（含沈北新區、于洪區、棋盤山旅游開發區、皇姑區、大東區、沈河區、和平區、鐵西區、蘇家屯區和東陵區（渾南新區））、遼中縣和新民市。經幾何糾正及RGB假彩色的合成。參照全國土地利用分類體系并結合沈陽市土地利用特點、研究目的和分類精度要求，將沈陽市土地利用類型劃分為：耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地共6大類。在ENVI 5.2軟件支持下，根據影像色調、紋理等特征，采用最大似然法進行監督分類，并配合目視解譯將所得數據進行查錯和修改，最終得到2005年和2015年兩期土地利用現狀數據。

圖2 研究區土地利用變化采樣區劃分及綜合動態度分布情況Fig.2 Division of land use change samples and its distribution of land use dynamic degree

3.2 研究區土地利用空間關聯性計算

為了避免人為劃分重采樣小區的破碎度，盡可能提高空間化的可信度，借鑒景觀生態學中關于景觀取樣大小的觀點，即為斑塊2—5倍［14-15］，根據研究區斑塊實際情況，采用2 km×2 km大小的網格進行等間距空間化采樣，共有樣區2269個（圖2（a））。通過矢量數據的疊加處理最終計算單個樣區動態度，將此值賦到樣區中心點，并選用Kriging方法進行動態度空間化插值處理。

依據采樣網格對空間化處理后的動態度（圖2（b））進行重采樣。將采樣網格內動態度的平均柵格值視作該采樣網格動態度，將其作為觀測變量，選用基于鄰接的“Queen”鄰接規則確定空間權重。考慮處于研究區邊緣附近的采樣區與2 km×2 km網格面積大小差異，其暗含的穩定性假設可能被比率的內在方差不穩定性所推翻，方差的不穩定性可能導致采樣區自相關性錯誤推斷，為了糾正，本文采用經驗貝葉斯標準化方法對動態度進行標準化處理，利用標準化后的數據可視化表達研究區土地利用綜合動態度空間關聯局域指標（LISA）聚集圖。

3.3 研究區土地利用空間關聯性特點

圖3 研究區土地利用變化空間自相關關系Fig.3 Partial spatial autocorrelation of dynamic land use change of Shenyang

3.3.1 差異性與有序性 對研究區采樣網格進行關聯性特征統計，共1535個網格處于不顯著狀態，62個高—高聚集，632個低—低聚集，12個低—高聚集，8個高—低聚集。沈陽市市轄區內（圖3），低—低聚集分布較為廣泛，對應地區土地利用變化緩慢；高—高集聚主要出現在西南部的于洪區經濟技術開發區和南部東陵區的白塔堡鎮周邊地區，建設用地擴張劇烈，低—高或高—低聚集網格非常少，可見采樣網格的土地利用動態度空間關聯性差異較大。圖3顯示，沈陽市市區及周邊鄉村大部分表現為低—低聚集，中間網格整體顯著性差，但出現部分聚集性突變現象，整體表現出較為明顯的圈層式分布特征，即由內向外，空間集聚性特征為先低—低聚集，至城鄉結合部顯著性較差或出現部分突變，而又至城鄉結合部邊緣地帶低—低聚集。

3.3.2 突變性和轉折性 一般來說，城鄉結合部在城市中心的5—30英里的地方［1］，但這一數字隨城市人口和面積規模的變化而變化。本文將沈陽市市委所在地視為城市核心區中心點，以50 km為半徑共引出36條剖面線（圖3）。對剖面折線集聚性累加指數進行分析（圖4），可以看出土地利用動態集聚性累加指數由內至外斜率具有較為明顯的突變性和轉折性，即土地利用動態集聚性高指數地區的累加折線斜率會出現突然降低的情形，這主要是由于在集聚性不顯著的地區遇到高—低或者低—高聚集引起突變。同時可以發現土地利用動態聚集性指數由內至外累加值的斜率呈現轉折突變點，由此證明了前文的假設。

3.4 城鄉結合部內外邊界的劃定

以36條剖面累加折線圖為基礎，找出每個折線圖由低至高和由高至低轉折點，記錄每個轉折點的地理坐標，將內側轉折點和外側轉折點依次連接，對于部分缺乏轉折點或轉折不明顯的折線圖，取其兩側折線圖對應轉折點中心位置地理坐標作為該折線圖的轉折點，最終描繪出研究區城鄉結合部內外邊界輪廓（圖5）。可以看出，沈陽市城市核心區包括皇姑區、大東區、沈河區、于洪區和鐵西區的部分地區以及和平區，總面積為326 km2，城鄉結合部的內邊界大致在二環和三環之間，東北部和西部部分地區突破三環線，由正北按順時針旋轉，分布在三臺子立交橋—沈陽工業經濟學校—和佳園林綠化工程公司—渾南生態園—東陵區前鮮路—沈陽積水潭醫院—和諧花園—丁香湖新城的沿線。城鄉結合部包括沈北新區、皇姑區、大東區、棋盤山旅游開發區、沈河區、東陵區、蘇家屯區、鐵西區和于洪區的部分地區，總面積約為1234 km2，外邊界北部、西部和南部主要分布在四環線之外，東部基本分布在三環和四環之間，由正北按順時針旋轉，分布在公安廳農場—大志村—東崗子村—前桑林子村—南亂木屯村—南林子村—四方甸子村—高臺村的沿線。內邊界客觀區分了城市核心區與城鄉結合部的土地利用變化空間關聯性差異，外邊界區分了城鄉結合部與外圍鄉村地帶土地利用變化空間關聯性的不同。

圖4 研究區不同方向土地利用變化動態集聚性指數累加折線圖（部分）Fig.4 Section lines of the aggregation degree of partial spatial autocorrelation of dynamic land use change in different directions

4 結論

本文在歸納現有城鄉結合部研究的基礎上，以城鄉結合部土地利用變化的空間關聯性特征為依據，提出了城鄉結合部土地利用空間關聯理論假設。以沈陽市為實證對象，采用遙感的監督分類方法提取了兩期土地利用信息，借助采樣網格進行土地利用變化信息采樣，利用局部插值方法實現動態度的空間化處理，并最終分析微觀單元下的土地利用變化空間關聯性特征，驗證了相關理論假設，同時以分析單元的空間集聚性劃分城鄉結合部的內、外邊界，方法可行。可以發現，沈陽市城鄉結合部內、外邊界處基本存在轉折點，依據這些轉折點大致可以將三環和四環周邊地區確定為城鄉結合部，具體包括沈北新區西南部、皇姑區北部、大東區東北部、棋盤山旅游區西部、沈河區東北部、東陵區西部、蘇家屯西北部、鐵西區中部和于洪區大部分地區，同時，新民市東南角的部分區域也被劃定為沈陽市城鄉結合部。結論表明，文中提出的城鄉結合部土地利用空間關聯理論假設成立，通過地統計學中的局部空間自相關理論來分析土地利用變化的“突變性”，進而劃分出城鄉結合部的內、外邊界具有可行性。

圖5 沈陽市城鄉結合部邊界示意圖Fig.5 Schematic diagram of urban-rural fringe demarcation in Shenyang

5 討論

本文從土地利用的空間關聯性角度出發，對城鄉結合部邊界確定進行了理論和實證探討。城鄉結合部邊界劃分的指標一般可分為靜態和動態兩類，學者多選擇單一靜態或動態指標進行研究。實際上，城鄉結合部同時存在土地利用變化的動態性和類型的多樣性特點，而對照比較已有類似研究，如趙華甫等的研究［2］中較好地體現了城鄉結合部這一城鄉交互作用的復雜動態產物的動態變化特征，但未能考慮城鄉結合部內部土地利用類型多樣性的特點。通過引入局部空間自相關方法，分析城市化過程中土地利用變化的空間關聯性特征來劃分城鄉結合部的內、外邊界，同時考慮城市化進程中的動態性和多樣性特點，較之于上述文獻研究成果［2］，從圖3可以明顯看出初步城鄉結合部輪廓更為清晰準確；城鄉結合部土地利用動態變化對空間邊界影響很大，伴隨著城市化進程，城鄉結合部的邊界也應處于變動中，本文研究的內、外理論邊界是現狀時間節點下的城鄉結合部邊界，可用于判斷現狀條件下城市是否處于蔓延狀態或規模合理增長中，一旦城鄉結合部過大，則城市蔓延嚴重，如果正常，則城市化進程合理。由圖5可看出沈陽市城鄉結合部明顯偏大，沈陽市城市蔓延現象嚴重，研究可為沈陽市城市用地管理提供合理的依據。

城鄉結合部具有特有的人口特征、經濟特征和景觀特征，準確科學地劃分其理論內、外邊界是加強政府部門有針對性的管理，以及解決城市無序蔓延和節約集約建設用地的關鍵環節所在。城鄉結合部作為城市向鄉村時空變化的過渡帶，一是由于其為主要受“人”影響的自然—經濟社會綜合體，內部不確定性因素復雜，二是城市化進程的持續性特點，與傳統地理學意義上的空間邊界（如行政區劃邊界）不同的是，該過渡帶實質并不存在清晰具體的空間邊界，但為了城市用地管理，可借助部分邊界劃分方法進行“理論”上的邊界探討；在城鄉結合部劃分研究中，基本可歸納為反映土地利用模式與區位空間特征的地理空間邊界和社會經濟與人口屬性上的社會經濟空間邊界［1］，二者相互對應、相互聯系，但側重點有所不同，地理空間邊界主要體現城鄉結合部內部用地結構布局的動態性和無序性以及其所帶來的次生土地利用效應，而社會經濟空間邊界則表征如人口素質、社會管理水平等人文社會管理特點，前者服務于土地資源的布局調整與管理，而后者主要傾向于社會治安等公共事業的管理，選擇合適的邊界界定方法將有利于針對性的城市問題管理。

除城市用地建設集約的內部推動外，城市迅速蔓延與糧食供求“緊平衡”之間的外在矛盾，使得科學劃定出城市發展的“緩沖區”界線顯得尤為重要，該界線通常意義是指實際界線，而關于理論上的最優城市界線也一直是學者們長期探討的問題［17］，后續可圍繞理論與實際界線開展現有城市規模的合理性研究。

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（本文責編：仲濟香）

Study on the Method for the Demarcation of Urban-rural Fringe based on Spatial Correlation Analysis of Land Use Dynamic Indicator

ZHOU Hao， LEI Guo-ping， ZHANG Hong-mei， MIAO Zhi-bo
（Land Management Institute， Northeastern University， Shenyang 110004， China）

The purpose of this paper is to propose and ascertain the spatial correlation theory of land use change in urban-rural fringe and to examine a new demarcation method based on partial spatial autocorrelation of land use change in urban-rural fringe supported by the land use information from 2005 TM images and 2015 OLI images.Methods applied include theoretical deduction， empirical analysis and comparative analysis.The results showed that from urban center to rural area， the spatial correlation of land use change showed the trend of aggregation of low to low firstly， and then correlation was not significant of the land use dynamic degree， but the partial area showed the trend of aggregation of low to high， high to low and high to high， and then gradually showed the low to low aggregation occurring from the inner edge to the outer edge of the urban-rural fringe.It validated the hypotheses on partial spatial autocorrelation of land use change in urban-rural fringe.Therefore， the delineation of urban-rural fringe boundary was feasible.The empirical analysis of demarcation method in Shenyang urban-rural fringe found that the inner edge of urban-rural fringe should locate between the Second Circuit Road and Third Circuit Road， the northern， western and southern outer edge mainly distributed in the outside of the Fourth Circuit Road， and the eastern outer edge mainly distributed between the Third Circuit Road and the Fourth Circuit Road， and the total area was 1234 km2.The paper concluded that thespatial correlation theory of land use change in urban-rural fringe was valid and it would provide a new view of the demarcation on urban-rural fringe.

land use； urban-rural fringe； land use dynamic degree； partial spatial autocorrelation； boundary demarcation；Shenyang

F301.24

A

1001-815（82016）06-0081-08

10.11994/zgtdkx.20160703.103009

2016-05-18；

2016-06-09

教育部博士學科點基金博導類項目（20112325110007）；黑龍江省國土資源科研項目（黑國土科研201411）。

周浩（1990-），男，安徽安慶人，博士研究生。主要研究方向為土地利用與規劃。E-mail： zhouhao7404@ 163.com