寧波中心城區(qū)城鎮(zhèn)化空間格局演變(1960s～2016年)

陳海珍，包穎，梅元勛，申佩佩

(寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江 寧波 315042)

1 引 言

城市城鎮(zhèn)化格局演變的分析與研究，是城市科學(xué)合理規(guī)劃和建設(shè)的重要基礎(chǔ)，對于推動城鎮(zhèn)化健康發(fā)展、提升城鎮(zhèn)化質(zhì)量具有重要意義。國內(nèi)外學(xué)者對城市擴(kuò)張的研究十分豐富，從不同學(xué)科、不同視角出發(fā)，對城鎮(zhèn)化擴(kuò)張的空間特征以及動力機(jī)制展開了系列研究，研究主要集中于景觀和形態(tài)特征[1～4]、擴(kuò)張模式[4，5]、擴(kuò)張生態(tài)效應(yīng)[6]、用地類型轉(zhuǎn)變[7，8]、內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)[9]、變化方向性特征[10～12]、城鎮(zhèn)化驅(qū)動機(jī)制[13，14]、城市群演變[15～17]、城鄉(xiāng)關(guān)系[18～20]等，為城鎮(zhèn)化歷史演變分析提供了有益借鑒。不少學(xué)者利用多時序遙感影像結(jié)合GIS相關(guān)定量方法進(jìn)行城鎮(zhèn)化格局演變的研究，匡文慧等[21]提取北京1932年～2007年北京主城區(qū)城市空間擴(kuò)張以及建筑密度空間信息，并分析北京城市土地利用擴(kuò)張過程。張?zhí)鸬萚22]利用1987年～2015年27期長時序Landsat影像，尋找深圳增長的轉(zhuǎn)折點(diǎn)及其景觀演變特征。王雷等[23]利用TM和ETM+影像數(shù)據(jù)，繪制了中國1990年～2010年城市擴(kuò)張衛(wèi)星遙感圖；劉小平等[24]研究東莞市1988年～2006年期間的城市景觀擴(kuò)張指數(shù)變化，并識別城市擴(kuò)張的三種類型—填充式、邊緣式以及飛地式擴(kuò)張模式；高金龍等[25]通過劃分1985年～2007年南京市區(qū)建設(shè)用地擴(kuò)張模式，探討不同擴(kuò)張模式的空間結(jié)構(gòu)特征及其演變機(jī)理；賀振等[26]、潘竟虎等[27]、李明財?shù)萚28]、戴德藝等[29]也基于不同遙感數(shù)據(jù)和GIS方法分別對中國主要城市的城市用地擴(kuò)張時空演變進(jìn)行深入研究。

寧波市作為副省級城市和計劃單列市，經(jīng)歷了特色的城鎮(zhèn)化發(fā)展演變的過程。了解寧波市發(fā)展歷程，對未來的城市發(fā)展和規(guī)劃，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文著重探討寧波市20世紀(jì)60年代以來的建設(shè)區(qū)擴(kuò)張空間特征，定量評價其發(fā)展特點(diǎn)和擴(kuò)張模式，旨在為新一輪總規(guī)編制、優(yōu)化城市空間格局等提供科學(xué)依據(jù)，助力寧波市“名城名都”建設(shè)、生態(tài)文明建設(shè)及美麗寧波、“城市雙修”、海綿城市建設(shè)。

2 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概況

寧波是副省級城市，下轄6個區(qū)和4個縣市，改革開放以來，城市化進(jìn)程速度飛快，城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)面積大幅增長。研究區(qū)為寧波市中心城區(qū)(如圖1所示)，主要覆蓋海曙、江北、鄞州、鎮(zhèn)海、北侖五個區(qū)，為寧波核心城區(qū)，總面積約為 2 500 km2。

圖1 研究區(qū)范圍

2.2 數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

本研究采用的是多時相遙感影像，包括1960年代～2016年的6期影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)情況如表1所示。以2016年影像為基準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一配準(zhǔn)和幾何校正。其中1987年和1998年優(yōu)于 10 m的高分辨率遙感影像沒有覆蓋整個監(jiān)測區(qū)，故使用LANDSAT影像鑲嵌補(bǔ)充，并對其進(jìn)行色調(diào)調(diào)整。

遙感影像資料表 表1

3 研究方法

3.1 建設(shè)區(qū)定義

關(guān)于城市的邊界至今有多種定義方式[23，30]，城市擴(kuò)張常用建成區(qū)面積變化來表征，建成區(qū)的定義為：城市行政區(qū)內(nèi)實(shí)際已成片開發(fā)建設(shè)、市政公用設(shè)施和公共設(shè)施基本具備的地區(qū)。本次監(jiān)測，使用的是多期高分辨率歷史影像，無法全面獲取多個歷史時期的市政公用設(shè)施和公共設(shè)施等輔助資料，故采用建設(shè)區(qū)進(jìn)行表征。建設(shè)區(qū)的定義為：城市中心城區(qū)及其周邊相鄰地區(qū)已建設(shè)完成或正在建設(shè)、分布相對集中的地區(qū)。

3.2 分類與信息提取

基于1960年代～2016年的高空間分辨率遙感影像，利用決策樹及監(jiān)督分類等自動分類方法，提取建設(shè)區(qū)范圍，以地理國情普查中的建成區(qū)成果范圍為參考，以中心城區(qū)的行政界線為限定，按照“城市景觀紋理”符合、“建設(shè)區(qū)擴(kuò)張不可逆”等原則，利用地理國情普查地表覆蓋數(shù)據(jù)(2015年)和建成區(qū)普查與監(jiān)測數(shù)據(jù)(2015年、2016年)、收集整理1960年代～2016年各類地圖作為參考數(shù)據(jù)，進(jìn)行空間疊置分析，對提取信息進(jìn)行精細(xì)修正，按時間倒序依次完成2016年、2007年、1998年、1987年、1970年代和1960年代各期建設(shè)區(qū)邊界信息。

3.3 分類精度評價

分類精度評估主要采用實(shí)地調(diào)查、高分辨率影像檢驗(yàn)低分辨率影像的分類和目視解譯隨機(jī)點(diǎn)/區(qū)域三種方式。對于歷史時間序列的影像，實(shí)時實(shí)地信息獲取的可能性極低，對應(yīng)地區(qū)對應(yīng)時間的更高分辨率影像也存在極大困難。故本文采用目視解譯隨機(jī)點(diǎn)/區(qū)域方法進(jìn)行精度評價。

3.4 擴(kuò)張演變度量

對建設(shè)區(qū)擴(kuò)張演變主要采用三類指標(biāo)來表征，第一類是反映擴(kuò)張程度的指標(biāo)，包括面積和長度基本統(tǒng)計、擴(kuò)張速率和擴(kuò)張強(qiáng)度；第二類是反映擴(kuò)張方向，通過計算重心遷移來表征；第三類是反映擴(kuò)張的模式，通過公共邊測度，判定擴(kuò)張模式。

(1)擴(kuò)張程度度量

城鎮(zhèn)化擴(kuò)張常用擴(kuò)張速率和擴(kuò)張強(qiáng)度來表征[21，31]，擴(kuò)展強(qiáng)度表示某一時間段內(nèi)各市區(qū)建設(shè)區(qū)面積相對于基期面積的年擴(kuò)展比例，表示單位時間內(nèi)不同市區(qū)擴(kuò)展快慢的相對(比例)差異。公式為：

Ni=△Bij/(△tj×Tij)×100%

(1)

式中，Ni為擴(kuò)展強(qiáng)度；△Bij為j時段第i個市區(qū)建設(shè)區(qū)擴(kuò)展面積；△tj為j時段的時間跨度；Tij為j時段初期第i個市區(qū)建設(shè)區(qū)總面積。

擴(kuò)展速率表示某一時間段內(nèi)各市區(qū)建設(shè)區(qū)面積的年增長速率，表示單位時間內(nèi)不同建設(shè)區(qū)擴(kuò)展快慢的絕對(面積)差異。公式為：

Vi=△Bij/△tj

(2)

式中，Vi為擴(kuò)展速度；△Bij為j時段第i個市區(qū)建設(shè)區(qū)擴(kuò)展面積；△tj為j時段的時間跨度。

(2)重心遷移模型

基于空間上的多種社會、經(jīng)濟(jì)和自然資源的重心問題研究，從20世紀(jì)70年代就開始了，人類的各種活動離不開空間、人流、物流和能量在空間上的聚散和遷移，便產(chǎn)生了某一時刻的重心問題，重心的運(yùn)動方向是表征某一物質(zhì)在空間上變化的重要指標(biāo)[10，12]。

目前常用的城市用地重心坐標(biāo)計算方式與人口重心計算方式相仿[10]，其計算模型為：

(4)

(5)

其中，Xt，Yt為第t年建設(shè)區(qū)的重心坐標(biāo)；Cti為第i塊建設(shè)區(qū)斑塊的面積；xi，yi為第i塊建設(shè)區(qū)斑塊的重心坐標(biāo)。為更好地控制飛地建設(shè)區(qū)斑塊帶來的重心計算偏移，在計算時，將面積占比小于當(dāng)年總面積1%的飛地圖斑剔除。

(3)擴(kuò)張模式分析

城市擴(kuò)張模式的判定，最常用的有凸殼模型[3，32]，即用最小外接多邊形凸殼判斷，凸殼內(nèi)部為填充式，凸殼邊界為蔓延式，凸殼外部為飛地式。但凸殼模型適用于城市群等宏觀尺度，對于微觀尺度或單一城市中觀尺度的歷史擴(kuò)張演變模式測度效果不佳。此次監(jiān)測，采用中觀尺度的公共邊測度方式[25，33]。首先，確定新增建設(shè)用地斑塊與現(xiàn)狀建設(shè)用地斑塊的公共邊，如圖2(a)；然后，通過計算公共邊與新增斑塊周長的比值確定新增斑塊所屬擴(kuò)張模式。其劃分依據(jù)[33]為：

S=Lc/P

(6)

式中：Lc為新增建設(shè)用地斑塊與現(xiàn)狀建設(shè)用地斑塊的公共邊長度；P為新增建設(shè)用地斑塊的總邊長。如圖2(b)所示，當(dāng)S≥0.5，為填充式擴(kuò)張；當(dāng)0

圖2 公共邊和擴(kuò)張模式示意圖[25]

4 結(jié)果與討論

4.1 提取精度評價

為驗(yàn)證數(shù)據(jù)精度，選擇不參與分類提取的人員，從各期影像隨機(jī)抽取10%區(qū)域，通過目視解譯勾繪建設(shè)區(qū)，將解譯結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，在對建設(shè)區(qū)概念理解一致的情況下，除了1987年外，面積差異在12%以內(nèi)，1987年由于大部分區(qū)域使用影像分辨率相對較低，提取效果相對較差，結(jié)合相鄰的前后兩期影像，采用人工目視解譯進(jìn)行修正，而后參與分析。總體而言，數(shù)據(jù)可以達(dá)到后續(xù)分析的要求。

4.2 建設(shè)區(qū)歷史演變

(1)建設(shè)區(qū)擴(kuò)張分析

經(jīng)過上述數(shù)據(jù)提取方法，得到了1960s～2016年寧波市中心城區(qū)建設(shè)區(qū)范圍，如圖3所示。基于該數(shù)據(jù)，分別計算了其擴(kuò)張速率和擴(kuò)張強(qiáng)度的變化。

圖3 1960s～2016年中心城區(qū)建設(shè)區(qū)擴(kuò)張圖

從圖3可以直觀看出，1960s～2016年，中心城區(qū)建設(shè)區(qū)二維擴(kuò)張顯著。從三江口為中心的主城區(qū)，逐漸發(fā)展為三江口主城區(qū)和鎮(zhèn)海、北侖兩個較為發(fā)達(dá)的衛(wèi)星城，并呈現(xiàn)出逐漸“握手”融合的趨勢。

分析圖4，大體可以將中心城區(qū)建設(shè)區(qū)擴(kuò)張分為三個階段：停滯及緩慢增長階段(1960s～1970s)，60年代～70年代建設(shè)區(qū)增長停滯，建設(shè)區(qū)的面積基本持平，新增建設(shè)區(qū)面積僅 2.67 km2；緩慢增長階段(1970s～1998年)，70年代～1987年有緩慢增長的趨勢，增幅較小，增加建設(shè)區(qū)面積 24.28 km2，1987年～1998年穩(wěn)步增長，增幅加大，新增建設(shè)區(qū)面積52.48 km2；快速增長階段(1998年～2016年)，進(jìn)入快速城鎮(zhèn)化階段，建設(shè)區(qū)面積增長迅猛，城市規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，該階段新增建設(shè)區(qū)面積 450.17 km2，增幅超過1998年建設(shè)區(qū)總面積的4倍。

圖4 1960s～2016年建設(shè)區(qū)總面積及相鄰兩期增長面積

從圖5可以看出，在歷史演變的過程中，中心城區(qū)建設(shè)區(qū)擴(kuò)張速率主要有兩個趨勢，以2007年為節(jié)點(diǎn)，2007年以前擴(kuò)張速率逐期增大，2007年后擴(kuò)張速率增速放緩，但仍處于較高水平。

圖5 中心城區(qū)建設(shè)區(qū)擴(kuò)張速率和擴(kuò)張強(qiáng)度變化圖

擴(kuò)張強(qiáng)度有一定的曲折性，發(fā)展停滯階段(1960s～1970s)，擴(kuò)張強(qiáng)度較小；1970s～1987年，由于建設(shè)區(qū)面積基數(shù)較小，雖然增長速率未處于較高水平，擴(kuò)張強(qiáng)度值卻較高。1998年～2007年期間，擴(kuò)張速率和擴(kuò)張強(qiáng)度都處于最高水平，在此期間，城市擴(kuò)張最為迅猛。2007年～2016年期間，建設(shè)區(qū)面積基數(shù)大，擴(kuò)張強(qiáng)度有所回落，擴(kuò)張趨勢有所減緩，用地較為集約。

通過五區(qū)擴(kuò)張速率比對(如圖6所示)，可以發(fā)現(xiàn)，海曙區(qū)、江北區(qū)擴(kuò)張速率處于較平穩(wěn)有序增長。北侖區(qū)、鎮(zhèn)海區(qū)以及鄞州區(qū)在快速增長階段(1998年～2016年)，建設(shè)區(qū)擴(kuò)張迅猛，呈現(xiàn)“破竹”之勢。

圖6 1960s～2016年各區(qū)建設(shè)區(qū)擴(kuò)張速率

通過五區(qū)擴(kuò)張強(qiáng)度比對(如圖7所示)，可以發(fā)現(xiàn)，海曙區(qū)、江北區(qū)擴(kuò)張強(qiáng)度處于較平穩(wěn)狀態(tài)。北侖區(qū)在1987年～2007年期間，擴(kuò)張強(qiáng)度明顯增大，超越其他區(qū)域，出現(xiàn)高峰，這與改革開放初期，“七五”計劃以及計劃單列市等一系列引領(lǐng)寧波發(fā)展的政策息息相關(guān)，“依港而建”的北侖工業(yè)新城迅速崛起。鄞州區(qū)自1987年～2007年，擴(kuò)張強(qiáng)度都處于較高水平，尤其是1998年～2007年，在建設(shè)區(qū)基數(shù)較大的情況下，仍出現(xiàn)峰值，這與2002年鄞州“撤縣變區(qū)”，大力開發(fā)南部商務(wù)區(qū)的發(fā)展相符。鎮(zhèn)海區(qū)于1970s～1987年期間出現(xiàn)擴(kuò)張強(qiáng)度峰值，這也與20世紀(jì)70年代初鎮(zhèn)海在國家主導(dǎo)“四大工程”工業(yè)化建設(shè)下，由“海防重鎮(zhèn)”向“現(xiàn)代化深水港”轉(zhuǎn)變的發(fā)展歷程相符。

圖7 1960s～2016年各區(qū)建設(shè)區(qū)擴(kuò)張強(qiáng)度

(2)建設(shè)區(qū)重心遷移

基于各時期建設(shè)區(qū)數(shù)據(jù)，依據(jù)式(4)、(5)計算得到中心城區(qū)及其五區(qū)各時期建設(shè)區(qū)重心位置，如圖8所示。

圖8 1960s～2016年中心城區(qū)及其五區(qū)建設(shè)區(qū)重心遷移示意圖

可以看出，中心五區(qū)建設(shè)區(qū)重心在20世紀(jì)60年代以來，有東偏南移動趨勢，這主要與鎮(zhèn)海區(qū)和北侖區(qū)兩大衛(wèi)星城的快速發(fā)展息息相關(guān)。

海曙建設(shè)區(qū)重心呈現(xiàn)鮮明的西偏南方向遷移趨勢，隨著建設(shè)區(qū)外擴(kuò)，重心從三江口舊城區(qū)逐漸外移。江北建設(shè)區(qū)重心先是向東南遷移，而后往西北方向遷移。鄞州建設(shè)區(qū)重心移動軌跡先向東偏移，而后大幅向南遷移。鎮(zhèn)海建設(shè)區(qū)重心呈現(xiàn)鮮明的西偏北方向遷移趨勢，也是隨著建設(shè)區(qū)擴(kuò)張而逐漸往西偏北方向遷移。北侖建設(shè)區(qū)重心偏移軌跡較為復(fù)雜，20世紀(jì)60年代與70年代，主要為大型村鎮(zhèn)聚落，80年代由于鎮(zhèn)海發(fā)展迅速，北侖與鎮(zhèn)海隔河相望處建設(shè)區(qū)新增較多，建設(shè)區(qū)重心跳躍式向西遷移，90年代開始，北侖工業(yè)新城發(fā)展迅猛，重心隨著新城建設(shè)而迅速東遷。

(3)建設(shè)區(qū)擴(kuò)張模式

基于各時期建設(shè)區(qū)邊界數(shù)據(jù)，采用公共邊測度方法，獲取各期新增建設(shè)區(qū)圖斑擴(kuò)張模式類型，如圖9所示，并計算各時期三種擴(kuò)張模式面積占比情況，如圖10所示。

圖9 1960s～2016年中心城區(qū)建設(shè)區(qū)擴(kuò)張模式

圖10 1960s～2016年中心城區(qū)三種擴(kuò)張模式面積占比圖

寧波市的發(fā)展經(jīng)歷了幾個重要節(jié)點(diǎn)，1927年設(shè)寧波市，1978年改革開放，1987年成為計劃單列市、1994年被確定為副省級城市。從圖9和圖10擴(kuò)張模式分析可以看出，寧波城市的發(fā)展與國家的政策導(dǎo)向以及城市定位息息相關(guān)。

蔓延式在各個時期中都是中心城區(qū)城鎮(zhèn)化擴(kuò)張的主要模式。填充式作為精細(xì)化、集約化城鎮(zhèn)化擴(kuò)張模式，在1960s～1970s和2007年～2016年兩個時期，占比較大，前者為改革開放以前，城鎮(zhèn)化摸索前進(jìn)，處于發(fā)展停滯時期；后者為城鎮(zhèn)化擴(kuò)張速率增速有所放緩，趨向集約化發(fā)展時期，都是城市較為穩(wěn)定的時期。1970s～1987年期間，改革開放帶來蔓延式占絕對主導(dǎo)的城鎮(zhèn)化發(fā)展小高潮。飛地式擴(kuò)張模式在1987年～1998年占比較大，這正是寧波成為計劃單列市和副省級城市的時期，說明該階段為城市迅猛發(fā)展的前期，以飛地形式跳躍性擴(kuò)張；而后迎來蔓延式為主的快速城鎮(zhèn)化階段。

5 結(jié) 論

通過建設(shè)區(qū)擴(kuò)張演變分析，探尋寧波市中心城區(qū)時空演變歷程和規(guī)律，揭示了其演變宏觀規(guī)律，得到的結(jié)論為：

(1)1960s～2016年，中心城區(qū)建設(shè)區(qū)二維擴(kuò)張顯著，中心五區(qū)建設(shè)區(qū)重心在60年代以來，有東南方向遷移趨勢。從三江口為中心的主城區(qū)，逐漸發(fā)展為三江口主城區(qū)和鎮(zhèn)海、北侖兩個較為發(fā)達(dá)的衛(wèi)星城，并呈現(xiàn)出逐漸“握手”融合的趨勢。

(2)中心城區(qū)建設(shè)區(qū)擴(kuò)張大體可以分為三個階段：停滯及緩慢增長階段(1960s～1970s)，緩慢增長階段(1970s～1998年)和快速增長階段(1998年～2016年)。蔓延式在各個時期中都是寧波市中心城區(qū)城鎮(zhèn)化擴(kuò)張的主要模式。

(3)中心城區(qū)建設(shè)區(qū)擴(kuò)張速率以2007年為節(jié)點(diǎn)，2007年以前擴(kuò)張速率明顯增大，2007年后速度放緩，但仍處于較高水平；擴(kuò)張強(qiáng)度有一定的曲折性；1998年～2007年期間，擴(kuò)張速率和擴(kuò)張強(qiáng)度都處于最高水平，在此期間，城市擴(kuò)張最為迅猛。2007年～2016年期間，擴(kuò)張速率和擴(kuò)張強(qiáng)度都有所回落，用地更為集約，擴(kuò)張趨勢有所減緩。

本文研究仍存在一些不足之處，受限于歷史影像資料覆蓋范圍和時間，加之歷史影像分辨率和影像質(zhì)量各異，在信息提取的過程中，各年份的提取精度略有差異，但是經(jīng)過精度驗(yàn)證和輔助數(shù)據(jù)核查，數(shù)據(jù)可靠性在可接受范疇內(nèi)。