多源空間數據整合視角下的城市開發強度研究

岳文澤,章佳民,劉 勇,張 瑋

1 浙江大學土地管理系,杭州 310058 2 重慶大學建設管理與房地產學院,重慶 400045 3 上海市地質調查研究院土地利用規劃所,上海 200072

2015年聯合國發展峰會將可持續城市正式列為17個未來發展目標之一,足以窺見城市可持續發展問題的全球性與緊迫性。20世紀90年代分稅制改革后,在土地財政的背景下,各個城市都大力推動衛星城、大學城及工業園區的規模擴張[1-3],導致城市發展陷入一個矛盾困境：一方面城市用地迅速擴張占用大量耕地,全國耕地面積不斷減少,2011年以來已降低近3.5 × 106hm2,逼近耕地保護紅線[4]；另一方面城市建設用地缺乏科學規劃和有效管理,2016年人均城鎮建設用地為149 m2,遠超國家標準上限,存量建設用地也存在利用粗放、低效等問題[5]。城市用地擴張侵占耕地與存量用地低效利用的矛盾已成為制約城市可持續發展的瓶頸[6]。在城鎮化快速推進的背景下,城市土地的剛性需求十分旺盛[7],能否扭轉這一困境是關乎我國城市可持續發展的關鍵問題。城市開發強度是可持續發展的核心指標之一,是社會、經濟、文化、生態多要素構成的耦合指標。科學準確地理解以及定量測度城市開發強度,是認清城市空間利用效率、實現可持續發展戰略的重要前提[8]。

當前,學術界對城市開發強度的研究,主要集中于概念內涵界定、評價方法構建及指標選擇等方面。部分學者從投入產出視角探討城市開發強度的內涵。例如,Turner和Doolietle[9]和Brookfield[10]強調城市開發的產出強度和土地資本、勞動力及技術的投入強度；Erb等人[11]進而將城市開發強度歸納為投入強度、產出強度和系統屬性變化等3個維度。部分學者從景觀系統的角度出發,將城市開發強度定義為滿足人類生存和發展的需要而對城市生態系統的干擾程度,體現為城市土地利用/覆被變化及其生態環境變化[12-13]。城市開發強度的測度方法由單因素評價向多因素綜合測度轉變。單因素評價僅反映了城市開發某一方面而非全部內涵,因此多因素評價逐漸成為主流測度方法。不同學者采用了不同的多因素評價模型,例如層次分析法、熵權法的線性加權模型[14-15],主成分分析模型[16]以及等級賦值模型[17]等。其中,線性加權模型較好地反映評價對象的差異性,應用最為廣泛。近年來,也有學者采用基于數據挖掘的聚類分析、BP人工神經網絡和模糊綜合法等方法[18-20]。此類方法關注指標數值間的相關關系,忽視了概念本身的內涵,且計算過程相對繁瑣,應用難度較大。不同學者根據其內涵界定選擇了不同的評價指標,建筑密度、容積率[21]、交通密度、人口密度[22]等社會經濟指標成為核心評價指標。目前還缺乏將不同維度綜合起來的邏輯框架,尚未厘清不同維度指標之間的邏輯關系,從而影響了測度結果的可信度。

對城市開發強度的實證研究多以統計數據為基礎,評價單元以區縣等行政單元為主,在數據精度上有很大的限制,無法展現城市內部差異性特征,而對于城市規劃管理來說,直觀地識別出街區或地塊等更精細尺度的城市開發低效閑置區,具有重要的實踐價值。最近,一些學者嘗試以街區、宗地等尺度[23-24]評估城市開發強度,但受數據的限制,多以人口密度、經濟密度等簡單維度來表征開發強度,未能充分闡述開發強度多層次的豐富內涵。多源大數據的出現,為城市開發強度研究提供了新的思路與方法,其中通過觀測儀器、各類傳感器、網絡交易、自媒體、視頻等數據源產生的海量大數據呈指數級增長,為城市開發強度的精細化研究提供了可能,滿足了城市規劃及管理的現實需求[25]。

因此,本文充分發揮多源空間數據的精細尺度優勢,從多個維度探析城市開發強度的內涵,構建城市開發強度多維測度的邏輯框架,并以杭州市為例進行實證研究,參考《城市居住區規劃設計規范(GB50180-93)》對居住區最小等級(居住組團)規模控制在1000—3000人的標準[26],以評價尺度與居住組團人口規模相適應的原則,在250 m× 250 m網格尺度上,定量測度了城市開發強度并探討了其空間分布規律及結構性特征。

1 研究方法

1.1 城市開發強度的多維內涵

城市開發是城鎮化過程中人類活動與土地系統交互的復雜過程,不僅是人類經濟社會活動對土地的單方面開發與利用過程,還包含社會-經濟-生態環境等多系統耦合的動態過程[27]。土地是人類生存和發展的基礎,是城市開發過程中一切人類活動的基本載體,人類在土地承載下通過建造房屋、發展產業等活動來滿足基本的生產生活需要,一方面工業、商業等經濟活動為人類發展提供必需的保障與財富；另一方面隨著城市建設用地范圍和人類活動強度的增加,不斷向自然系統施加影響、干擾和脅迫,促使環境要素發生改變,功能發生退化,催生各種生態環境問題。反過來,生態系統的承載能力約束著人口、經濟的規模,生態環境的變化進一步作用于人類開發活動,限制著開發建設規模與強度,制約著人類開發活動的效率。

城市開發的完整過程可以理解為以城鎮化發展為目標,在人-地交互系統中經過人類社會開發建設等利用活動,一方面實現經濟效益的產出,另一方面轉化為環境要素的變化。由此可以將城市開發分解為3個主要過程,即開發利用、經濟產出與環境響應。其中,開發利用過程是人類利用行為的綜合反映,是城市開發的施力階段,城市系統中具體可以體現為在土地上的居住、商業、工業等人類開發活動；經濟產出和環境響應是城市開發的受力轉化階段,經濟產出是生產活動所轉化的經濟價值,而環境響應則是人類活動行為所產生的外部環境效應。由此,城市開發強度內涵可理解為城市區域范圍內所構成的人-地交互系統中,開發利用、經濟產出和環境響應等多個過程綜合強度的大小(圖1)。

圖1 城市開發強度內涵多維體系表達的邏輯框架Fig.1 The logic framework of urban development intensity based on the multidimensional recognition

1.2 城市開發強度的測度體系

根據圖1的邏輯框架,本文建立一個“多維度-多層次-多源數據”的城市開發強度的測度體系(圖2)。其中包含了建筑、功能、效益和環境響應4個維度,維度層、指標層、方法層與數據層4個層次,以及網絡大數據、自媒體數據、統計數據、監測數據、遙感數據等多源數據。

首先,依據城市開發強度的多維內涵,結合城市系統的特點,將其劃分為建筑強度、功能強度、效益強度和環境響應強度等4個維度。建筑強度與功能強度反映城市開發施力階段的開發利用過程,其中建筑強度是人類開發活動最直觀的體現,通過建造建筑物或構造物,承載了各類城市活動,可選取建筑容積率和建筑密度2個指標；功能強度主要衡量城市承載的居住、商業、工業及公共服務等多項功能,可選取住宅密度、商戶密度、企業密度和公共服務密度4個指標。效益強度和環境響應強度則分別反映城市開發受力轉化階段的經濟價值與外部環境效應,其中效益強度體現的是城市開發帶來的經濟產出強度,主要側重于非農產業產出,可選擇二產產值和三產產值2個指標；環境響應強度是環境對人類活動行為的響應與反饋,從側面體現出城市開發強度,考慮到城市熱島效應和大氣污染的典型性和代表性,可選用地表溫度和空氣質量2個指標。

其次,建筑容積率與建筑密度指標均可通過建筑輪廓與高度數據計算得到,在拓撲檢查修正的基礎上,建筑容積率為評價單元內的總建筑面積與土地面積的比值,建筑密度為評價單元內的建筑基底面積與土地面積的比值；功能強度指標測算以城市POI數據為基礎,利用不同POI類型點數據的集聚程度來反映不同功能的空間分布特征,住宅密度、商戶密度、企業密度和公共服務密度分別采用相應的住宅小區、商服店面、公司企業和公共服務設施POI的核密度表征；效益強度指標則利用傳統的經濟統計數據與夜間燈光數據的高相關性,構建空間網格化模型,計算各評價單元的效益強度指標,本文將浙江省90個縣(區)級行政單元作為樣本,將縣(區)級平均燈光強度分別與二產產值、三產產值進行回歸模擬,經多種回歸模型的比較,冪函數的擬合效果最好,擬合優度分別達到了0.651和0.709,因此利用冪函數計算網格級評價單元的二產產值、三產產值擬合值,最后采用誤差系數修正的方法進行修正,得到實際指標值；環境響應強度指標均經過遙感數據反演得到,其中地表溫度利用Landsat 8 遙感影像進行大氣校正法反演得到,空氣質量則由利用MODIS L1B數據進行暗像元法反演得到的氣溶膠光學厚度表示。為保證研究時間與空間尺度的一致性,所有數據均選擇2015年作為時間截點；空間尺度統一到250 m的正方形評價網格單元。

圖2 多維度-多層次-多源的城市開發強度測度體系Fig.2 Multi-dimensional, multi-layer and multi-source measure system of urban development intensity

1.3 基于熵權TPOSIS模型的綜合測度

TOPSIS模型最初由Hwang和Yoon在1981年提出,用于多目標的決策分析過程,近年來,其應用范圍不斷擴大,除傳統的決策評價外,在經濟風險決策、經濟效率測評和生態安全評價[28-29]等多個領域也得到了廣泛的應用。其基本原理是通過比較各評價對象與最優及最劣值的接近程度,依次對評價對象進行排序,確定評價對象的優劣,其優點在于從不同的維度出發,綜合反映評價對象與各維度最優值的差距。熵權TOPSIS模型則是對傳統TOPSIS模型的改進,通過熵權法賦予各指標不同的權重,客觀反映不同指標的重要程度[30]。熵權法屬于客觀賦權法,根據各指標的變異水平來確定其權重,指標的變異水平越大,其權重越大,對非正態數據來說,能夠有效反映數據隱含的信息,從而提高指標的辨識度,以避免因選取指標的相近性而造成評價結果的等級差距過小。

基于熵權TOPSIS模型的城市開發強度測度過程具體如下：

(1)利用極差標準化法進行無量綱化：

(1)

式中,Xi,j為標準化后第i個研究單元第j項指標值,n為評價單元的個數,xi,j為第i個研究單元第j項指標值。

(2)計算信息熵：

(2)

式中,EIj為第j項指標的信息熵。

(3)確定指標權重：

(3)

式中,Wj為第j項指標的權重,m為評價指標的個數。

(4)計算指標加權結果：

Ci,j=Wj×Xi,j

(4)

式中,Ci,j為第i個評價單元第j項指標加權值。

(5)確定各指標的最優解和最劣解：

(5)

(6)計算評價單元與最優解、最劣解的距離：

(6)

(7)計算綜合強度：

(7)

式中,LUIi分別為第i個評價單元的城市開發強度綜合指數。

1.4 空間分布格局的規律分析

為進一步分析杭州市城市開發強度的空間分布特征,在測算結果的基礎上,首先利用ArcGIS 10.4軟件中的3D分析工具分別構建主城和3個副城方向的開發強度剖面圖,刻畫4個維度與綜合開發強度在3個方向上的剖面分布特征,探究主城與副城間城市開發的差異起伏。其次利用空間自相關分析探究杭州市整體和區域上開發強度不同維度下的空間集聚性,其中全局自相關分析用于研究區域整體的空間集聚特征,采用全局Moran指數(公式8)和全局G系數(公式9),局部自相關分析用于分析某一研究單元與其鄰近單元的相似程度,采用熱點分析 (Getis-Ord Gi*)(公式10)。

(8)

(9)

(10)

2 研究區域與數據來源

2.1 研究區域

杭州市地處浙江省北部,位于長江三角洲南翼、杭州灣西岸、錢塘江下游,是浙江省的省會以及政治、經濟、文化、金融和科教中心,同時也是長三角城市群南翼中心城市。依據2016年修訂的《杭州市城市總體規劃(2001—2020年)》,杭州市的空間發展布局為“一主三副六組團六條生態帶”,從原有的以西湖周邊地區為核心區的單核式結構向以錢塘江為軸線的多中心結構發展,本文以當前杭州市建成區分布為基礎,將杭州市“一主三副”的城區范圍作為研究區域(圖3),即包含主城,江南城、下沙城和臨平城等三個副城。

圖3 研究區地理位置Fig.3 Location of the study area

2.2 數據來源

研究數據以百度地圖的建筑基底數據、城市POI(興趣點)數據、夜間燈光數據、Landsat 8遙感數據以及MODIS L1B產品數據等多源大數據為基礎,并輔以傳統的行政邊界矢量數據和經濟統計數據。其中建筑基底數據采集自百度地圖(https://map.baidu.com/)矢量瓦片中的三維建筑物圖層,包含了建筑物的坐標、輪廓和高度等信息；城市POI數據則是基于百度地圖的API接口獲取的電子地圖中用戶感興趣的點數據,總共包含住宅小區、公司企業、商業大廈、賓館酒店、餐飲服務和金融服務等30類POI；夜間燈光數據為NPP-VIIRS新型夜燈數據,為2015年全年輻射值的合成產品,其空間分辨率約為483.33 m,同時已清除及過濾掉火災和其他短暫燈光等異常值；Landsat 8遙感數據下載自地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/),其空間分辨率為30 m,成像時間為2015年10月13日；MODIS L1B產品數據由美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)發布,其空間分辨率為1000 m,包含熱紅外、輻射率以及反射率數據,并含有經緯度、太陽與傳感器的天頂角和方位角等信息；行政邊界矢量數據由國家基礎地理信息中心的1∶100萬全國基礎地理數據庫提取獲得；經濟統計數據主要來源于2015年的《浙江統計年鑒》以及浙江省杭州市的統計局網站。

3 結果分析

3.1 城市開發強度的定量測度結果

城市開發強度各維度的測度結果如圖4所示。主城和江南城建筑強度高值單元分布較廣,臨平、下沙城整體建筑強度較低。其中主城高值單元呈集中連片的特征,南至錢塘江沿岸的紫陽街道,東至閘弄口街道,北至石橋街道,西至文新街道,但西南部有大范圍零值區域分布,開發程度較低；江南城建筑強度較大,但高值單元分布相對較為分散；臨平城雖整體范圍較小,但高值單元則相對集中；下沙城則相反,整體建設范圍較廣,但高值單元數量小,開發程度較低。

主城與副城的功能強度差異最為顯著,主城功能強度遠遠大于3個副城。主城在舊城中心形成了較大范圍的高值集聚中心,體現出較高的人類活動強度；其他地區則形成了幾個較小的高值單元相對集中區域,其中江南城集中分布在蕭山城區北干街道,臨平城和下沙城均集中于行政中心附近。

圖4 城市開發強度各維度測度結果Fig.4 Measure results of four dimensions of urban development intensity

效益強度高值集聚范圍最廣,其中主城與江南城高值單元跨江相接。主城西湖以東和以北地區形成廣闊的高值集聚區,最高值分布于上城區、下城區及拱墅區的東部地區,同時西南部之江新城也形成了較小的高值中心；江南城高值單元集中在濱江區和蕭山城區,并與主城隔江相接；臨平城和下沙城高值單元分布于城區和開發區附近。

環境響應強度呈現明顯的沿江分布特征。主城高值單元分布數量較多,但相對較為分散,主要分布在江干區西部與拱墅區西北部；江南城高值單元分布在濱江區和蕭山城區北部；下沙城南部沿江地區環境響應強度較高；臨平城高值區域范圍較小,環境受影響程度較小。

圖5 城市開發強度綜合測度結果Fig..5 Comprehensive measure result of urban development intensity

利用熵權TOPSIS模型得到綜合的城市開發強度如圖5所示。2015年,杭州市城市開發強度整體呈現明顯的多中心結構特征。其中主城以西湖為界,東部及北部地區形成廣泛的高強度開發區,其最高值分布于西湖東面的舊城中心地區,西南部地區則形成面積較大的低強度開發區；江南城在3個副城中高強度開發面積較廣,從蕭山城區延伸至濱江城區,并與主城高值區域跨江相接；臨平城和下沙城開發強度較弱,并且高強度開發區域與主城相對獨立,其中臨平城分布于東部的余杭經濟開發區和南苑街道,下沙城分布于中西部的下沙街道。

3.2 城市開發強度的空間剖面分析

由ArcGIS中3D分析工具構建主城與3個副城方向的空間剖面圖,其橫軸為距市中心的距離,縱軸為相應維度的強度值。據圖6,除環境響應強度外,分維度與綜合的城市開發強度由主城向副城呈波動下降趨勢。建筑強度在3個副城方向上波動均比較劇烈,其中在西湖周邊的中心城區呈現較高的強度,3個副城中,江南城建筑強度較高,且高值區域范圍較廣,而通往下沙城和臨平城方向均分布有連續的低值區域；功能強度中主城與3個副城的差異最為明顯,3個方向上均在中心城區2 km以內形成極高值聚集區,而在5 km以外功能強度顯著降低,隨后在副城中心逐漸提升；效益強度在3個副城方向上也有較為明顯的波動,其中在主城區中心區域形成最高峰,隨后逐步下降,3個副城方向分別在錢塘江南北兩岸的濱江高新園區和上城區沿江區域、杭州經濟開發區、余杭區經濟開發區形成小高峰；綜合的城市開發強度中主副城的差距相對較小,其中江南城方向,由主城中心向外逐漸降低,至上城區沿江區域形成小高峰,跨江后在濱江和蕭山城區也分別分布有小高峰,下沙城方向,分別在彭埠東北地塊和杭州經濟開發區西部地塊形成低谷,臨平城方向,在石橋和筧橋地塊交界處存在一個低谷,隨后逐漸上升并在臨平城區形成高峰。

圖6 城市開發強度各維度剖面圖Fig.6 Profile graphs of each dimension of urban development intensity

其次,主城與副城邊界處環境響應強度相對較大。由剖面圖結果可知,環境響應強度與城市土地開發利用其他維度的剖面變化差異較大,主城和副城中心區域環境響應強度均處于中等水平,其中主城中心區在4 km以內強度較為一致,波動平緩。3個副城方向上均在5 km左右的城區邊緣地界形成小高峰,在臨平城和下沙城方向,錢塘江沿岸地塊均為最高峰,體現了在沿江開發帶來的環境影響。

3.3 城市開發強度的空間集聚規律

首先,城市開發強度高值集聚特征顯著。由全局Moran指數(表1)可知,所有維度的全局Moran指數均較高,其中只有建筑維度的Moran指數為0.74,其他維度都超過了0.9,顯示了城市開發強度在空間上高度的自相關性；而由Z得分可知,所有維度均為正值,表征城市土地開發利用存在正向的空間相關性,即相似的開發強度更趨向于空間集聚。全局G系數的計算結果中,所有維度的Z得分均為正值,且在99%的置信度下顯著,體現了城市開發強呈現出高度的空間自相關性,尤其是高強度開發集聚特征顯著。

表1 城市開發強度各維度全局自相關系數

其次,建筑強度、功能強度及效益強度熱點區分布較為一致,具有較強的空間自相關性(圖7)。主城從濱江區塊沿湖濱、武林廣場地區北上至上塘、祥符以及三墩地區,形成范圍最大的熱點區,江南城熱點區分布在蕭山城區和濱江區,臨平城和下沙城熱點區規模較小。綜合開發強度中(圖8),熱點區以西湖為中心的湖濱、武林廣場地塊向外擴張,往西至三墩、蔣村和文新地區,往北至祥符、上塘和石橋地區,往東至杭州東站附近,往南則從錢江新城跨江沿濱江高新區至蕭山城區,而東部九堡地區、下沙金沙湖及沿江地區形成熱點區,北部臨平和喬司地區也存在相對獨立的小范圍熱點區域。

圖7 城市開發強度各維度熱點分析Fig.7 Hotspot analysis of four dimensions of urban development intensity

圖8 城市開發強度熱點分析Fig.8 Hotspot analysis of urban development intensity

4 討論

4.1 城市開發強度的空間分布規律

首先,從空間分布來看,杭州市城市開發強度總體呈現主城強、副城較弱的特征,高強度開發過度集中于城區中心。主城延安路及近湖地區作為杭州原城市核心區,人口、基礎設施、商業配套等各項要素高度集聚,并具有較強的輻射效應,周邊城北、城西及錢江新城地區開發強度也逐年升高；副城多分布于核心區外圍,受主城輻射作用有限,資源、要素均滯后于主城。近年來,在多中心、組團式規劃的引導下,副城產業發展帶來了人口活動密度的增加和商業配套設施的深入,但因空間距離與腹地深度的制約,副城之間的開發強度不同。其中江南城有逐漸向主城融合的趨勢,臨平城、下沙城與主城的功能性空間相對獨立。江南城與主城隔江相望,擁有廣闊的發展空間,得益于擁江發展戰略,濱江與奧體板塊在國家級高新產業開發區與亞運新城的帶動下,各類資源要素優先集聚,逐漸發展成為杭州新的商務集聚區。下沙城屬于新建的大學城,對高新產業的直接帶動不足,吸納產業、集聚人口的能力相對較弱,開發強度整體滯后。臨平城距主城最遠,與主城的過渡地帶缺乏經濟輻射與產業支撐,形成較大范圍的低強度區域,是未來城市空間擴張的潛在區域。

其次,從評價維度來看,環境響應強度的評價結果與其他維度差異較大。盡管主城開發建設以及人類活動等強度均相對較高,但受城市規劃與環境保護的嚴格制約,如西湖地區的建筑高度受到嚴格管控,保證了主城相對較優的區域環境。在產業升級政策導向下,污染大、能耗大的工業企業搬遷至城郊,使城郊環境破壞日益嚴峻,環境響應強度呈現高值。尤其是環境相對脆弱的沿江地區,隨著沿江開發建設力度不斷加大,生態環境受到嚴重影響。

4.2 政策建議

根據城市開發強度的結果,本文認為不同地區宜采取針對性的治理與管控措施,并提出如下政策建議：(1)重點關注主城中心區域開發強度過高的區域,疏散主城過度的功能集聚壓力。這一區域需要實行嚴格的管制政策,減少過度的建設開發項目,合理布局城市生態用地,提高居民生活舒適性。同時向副城進行人口分流和城市功能疏散,以緩解交通擁堵、環境惡化等“城市病”問題。(2)注重提升開發強度低洼地區,提高其土地集約利用度。例如,彭埠、筧橋、喬司等主副中心交界地區,未來需要以產業升級、功能提升為抓手集聚人口,挖潛存量低效用地,促進土地的高效利用。(3)加強主副中心之間的功能性聯系。針對下沙、臨平、江南等副城的開發強度差異,充分發揮各自的比較優勢,實行差異性的功能定位,尤其是通過市內軌道交通的紐帶作用,加強主副城之間的功能性聯系。(4)保護沿江地區的生態環境。在產業郊區化與擁江發展戰略的背景下,應協調好開發與保護的關系,實行嚴格的產業準入機制,優化調節產業結構,推進郊區環境保護與整治,城市規劃中注重生態用地配置,加強生態景觀帶打造,提升城市環境質量。

5 結論

本文基于社會-經濟-生態系統耦合視角,建立了一個城市開發強度的多維測度體系,主要涉及建筑、功能、效益及環境響應等4個維度,并基于多源空間數據提取了上述維度下的10個評價指標,評估了杭州的城市開發強度及空間分布特征,得出以下結論：

(1)杭州城市開發強度由主城向副城呈波動降低,并且高強度開發過度集中于主城,西湖周邊至錢塘新城的核心區域承擔了大部分的商業、居住及社會功能,這說明主城的功能疏散有待加強,以軌道交通加強主副城的功能聯系,促進城市的要素流動,提升副城的城市功能。

(2)在“一主三副”空間發展規劃的指引下,杭州多中心城市結構初顯,但副城開發強度不一。江南城受到主城的輻射作用,已基本實現與主城的跨江融合。臨平城、下沙城空間上較為獨立,空間擴散效應較弱,與主城相連的中間地帶開發相對滯后。

(3)各評價維度中,建筑強度、功能強度及效益強度熱點區分布較一致,體現了城市開發、功能利用及經濟效益等維度的高度相關性。環境響應高強度則集聚于主副城交界區,表明城市邊緣區的城市環境問題凸顯,是制約城市可持續發展的熱點區,也是今后城市治理上亟待強化的區域。

但是,本文在環境響應維度中,只考慮具有全域分布特征的城市熱島及空氣質量等問題,而一些典型的點源或者線性分布的環境污染則沒有考慮；效益維度中采用與經濟活動高度相關的夜燈數據空間化模擬二、三產值,一定程度上影響了測度的精確性。