國內(nèi)外城市空間擴(kuò)張研究綜述

戴夢婷/文

城市空間擴(kuò)張是城市化過程的重要標(biāo)志，不僅是全球可持續(xù)發(fā)展關(guān)注的熱點(diǎn)議題，更是中國特色社會主義大背景下我國城市化健康發(fā)展面臨的重大問題。國內(nèi)外許多學(xué)者都對城市空間擴(kuò)張有所研究，研究方向大致分為3個方面：城市空間擴(kuò)張模式與特征研究、城市空間擴(kuò)張模擬模型研究、城市空間擴(kuò)張驅(qū)動因素研究。

一、城市空間擴(kuò)張模式與特征研究

城市空間擴(kuò)張主要是建設(shè)用地不斷地替代農(nóng)林草地和水體，從而使城區(qū)土地覆蓋狀況發(fā)生改變，城建區(qū)不斷擴(kuò)張。

19世紀(jì)20年代，國外學(xué)者就已經(jīng)開始研究城市擴(kuò)張問題。其理論基礎(chǔ)以 Thunen（1826年）的“杜能圈”、Howard（1898年）的“花園城市”等為主。隨后，Park與Burges等（1923年）提出了“同心圓理論”，即城市由內(nèi)向外依次為：中心商業(yè)區(qū)→過渡帶→低收入人群居住帶→高收入人群居住帶→通勤帶。在此基礎(chǔ)上，Hoyt（1939年）創(chuàng)立了“扇形理論”。接著，Harris和Ullman（1945年）提出了“多中心理論”，即城市擴(kuò)張圍繞著不同功能的多個獨(dú)立中心。同時期的Cristaller和Losch也分別在1933年和1940年提出了“中心地理論”，成了城市地理學(xué)和商業(yè)地理學(xué)的理論基奠。隨著對城市問題研究的深入，“中心地理論”在美國得到了進(jìn)一步的發(fā)展，Berry和Garrison（1958年）提出了“距離”和“界限”能夠制約城市中心點(diǎn)的分布。Gottmann（1961年）和Knox（1994年）認(rèn)為單個城市的空間擴(kuò)張可以分為集聚型（蔓延式和連片式）和擴(kuò)散型（軸向式和飛地式）。Wilson等（2003年）也總結(jié)出了5種類型，分別為：擴(kuò)展式、蔓延式、填充式、孤島式和分支式。

同時，學(xué)者也根據(jù)我國各城市的發(fā)展?fàn)顩r開展了廣泛研究。有些學(xué)者同時分析了多個城市的空間擴(kuò)張模式，有些學(xué)者則對某個城市不同時期的空間擴(kuò)張模式做了分析。例如，Deng等（2005年）研究分析了我國13個城市的空間擴(kuò)張模式，Xie（2007年）、樊淑云（2015年）、余琪（2016年）等則分別對北京、成都、廣州等單個城市空間擴(kuò)張模式做了詳細(xì)分析。另外，張?jiān)シ嫉龋?006年）還分析了天山北坡的八個綠洲城市的空間擴(kuò)張模式。總的來說，中國城市空間擴(kuò)張模式大致可以歸為4種：填充式、外延式（蔓延式，有時也稱為“攤大餅”式）、廊道式（也稱軸向式或線性蔓延式）和蛙跳式（也稱飛地式、“衛(wèi)星城”式）。隨著城市化進(jìn)程的迅速發(fā)展，許多城市都漸漸呈現(xiàn)出多種模式混合的擴(kuò)張模式，依據(jù)城市不同區(qū)域的特點(diǎn)呈現(xiàn)出不同的擴(kuò)張模式。

二、城市空間擴(kuò)張模擬模型研究

在早期，由于研究資料有限，學(xué)者們主要通過考古分析法、調(diào)研法和對比法等來模擬研究城市空間擴(kuò)張形態(tài)，但僅憑低精度的地圖等來研究該問題是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。近些年，隨著大數(shù)據(jù)的發(fā)展，用來模擬和分析城市空間擴(kuò)張過程的模型開始多元化，模擬精度也有了很大提升。

1.元胞自動機(jī)（CA）模擬模型應(yīng)用和改進(jìn)

元胞自動機(jī)（Cellular Automata，CA）模型是一種局部網(wǎng)格動力系統(tǒng)。20世紀(jì)50年代，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)創(chuàng)始人馮·諾依曼提出了CA的雛形，但并未引起學(xué)者們的關(guān)注。直至1970年，英國數(shù)學(xué)家Conway設(shè)計(jì)了一款計(jì)算機(jī)游戲，吸引了許多學(xué)者的注意，推動了CA研究的發(fā)展。同年，Tobler首次將它用在了地理空間的模擬上。

隨著科技的發(fā)展和對復(fù)雜系統(tǒng)的研究，利用CA模型對城市空間擴(kuò)張和土地利用等過程的模擬成為一大研究熱點(diǎn)。Xie（1996年）用它模擬了紐約布法羅市土地利用的變化過程；Al-Ahmadi等（2009年）用模糊CA模型模擬了沙特利雅得市的城市空間擴(kuò)張過程。傳統(tǒng)CA模型在模擬復(fù)雜的地理過程中存在一定的局限性，必須將其改進(jìn)或拓展。Claudia等（2003年）就用Bayes經(jīng)驗(yàn)概率方法規(guī)定了CA轉(zhuǎn)化規(guī)則，成功地模擬和預(yù)測了巴西包魯市空間擴(kuò)張情況。

國內(nèi)這方面的研究開始得較晚。羅平（2004年）利用GeoFeature-CA模型構(gòu)建了深圳市土地利用演化仿真模型。對于CA模型的改進(jìn)與拓展，國內(nèi)學(xué)者們也做了較多研究。例如，楊青生等（2006年）提出的SVM-CA模型，劉小平等（2007年）提出的ACO-CA模型，甘喜慶（2008年）提出的約束logistic-CA模型等，都取得了較為理想的模擬效果。

2.其他常用模擬模型

除了CA模型外，凝聚模型（DLA）、多主體模型（MAM）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、分形理論、遺傳免疫系統(tǒng)等也被廣泛地應(yīng)用在城市空間擴(kuò)張的研究中。張鴻輝等（2008年）將多智能體系統(tǒng)（MAS）應(yīng)用于城市土地?cái)U(kuò)張研究；姜鳳霞（2008年）應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對泰安市擴(kuò)張動態(tài)進(jìn)行了模擬；鄭凱迪等（2011年）運(yùn)用Sleuth模型模擬并預(yù)測了上海市空間擴(kuò)張；翟瑞雪（2015年）利用多主體模型對贛州市章貢區(qū)的空間擴(kuò)張做了模擬研究。

三、城市空間擴(kuò)張驅(qū)動因素研究

對于城市空間擴(kuò)張驅(qū)動因素的研究國內(nèi)外都開展得較早，研究者也較多，不同學(xué)派給出了不同解釋。學(xué)者們大都從社會經(jīng)濟(jì)、政策和自然因素出發(fā)，探討引起城市空間擴(kuò)張的主成分，建立城市空間擴(kuò)張模型。

起初，Colby（1933年）提出城市空間擴(kuò)張由向心力和離心力一起造成。Form（1954年）從政治學(xué)角度將城市擴(kuò)張的驅(qū)動力分為市場驅(qū)動力和權(quán)力行為力。Meyer等（1994年）則將城市空間擴(kuò)張驅(qū)動因素歸納為政治、經(jīng)濟(jì)、人口和環(huán)境四個方面。

國內(nèi)學(xué)者對城市空間擴(kuò)張的驅(qū)動因素的研究更強(qiáng)調(diào)政策的主導(dǎo)作用，也有較多學(xué)者關(guān)注產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、外資的注入、收入差距、經(jīng)濟(jì)密度和傳統(tǒng)文化等。魯奇等（2001年）還強(qiáng)調(diào)了政治及社會意識形態(tài)改變、科技進(jìn)步等因素的驅(qū)動作用。呂昌河等（2004年）對我國145個城市的研究結(jié)果表明，我國城市空間擴(kuò)張的最好解釋是城區(qū)職工的工資收入增長。王婷婷等（2015年）認(rèn)為福建省莆田市空間擴(kuò)張最主要的驅(qū)動因素是GDP增長；王麗萍等（2005年）則認(rèn)為第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是一個主要的驅(qū)動因素。黃慶旭等（2009年）將城市空間擴(kuò)張的驅(qū)動因素分為宏觀層（城市規(guī)劃、政策等政府行為，歷史舊城區(qū)格局）、中觀層（經(jīng)濟(jì)因素和社會因素）以及微觀層（自然地理位置、交通設(shè)施）。

四、總結(jié)與展望

縱觀國內(nèi)外學(xué)者的研究成果，對于城市空間擴(kuò)張的研究，很多學(xué)者還是很有想法，眾多學(xué)者的研究推動著該領(lǐng)域研究從定性到定量、從模糊到精確、從粗糙到精細(xì)，無論是城市空間擴(kuò)張的模式與特征，還是其模擬模型，抑或是其驅(qū)動因素的研究，都取得了較為積極的成果。

在城市空間擴(kuò)張的模式與特征的研究方面，學(xué)者們對擴(kuò)張模式的稱謂有許多種，但大致都?xì)w為填充式、外延式、廊道式和蛙跳式。但隨著城市化進(jìn)程的迅速發(fā)展，許多城市都漸漸呈現(xiàn)出多種模式混合的擴(kuò)張模式，依據(jù)城市不同區(qū)的特點(diǎn)呈現(xiàn)出不同的擴(kuò)張模式。

在城市空間擴(kuò)張模擬模型的研究方面，該領(lǐng)域的模擬模型從“一枝獨(dú)秀”到“百花齊放”，對CA模型的應(yīng)用也從傳統(tǒng)的有局限性的元胞自動機(jī)，經(jīng)由各國學(xué)者的智慧做了許多的改進(jìn)與拓展。對CA模型的改進(jìn)基本集中于其轉(zhuǎn)換規(guī)則上，隨著研究的深入，從線性轉(zhuǎn)換規(guī)則到非線性轉(zhuǎn)換規(guī)則，改進(jìn)的CA模型模擬精度愈來愈高，對城市空間擴(kuò)張的動態(tài)模擬愈來愈真實(shí)。

在城市空間擴(kuò)張驅(qū)動因素的研究方面，總體來說，自然地理?xiàng)l件是城市空間擴(kuò)張的基本條件及主要限制因素，經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和人口因素是城市空間擴(kuò)張的動力源頭，交通設(shè)施、城市政策與規(guī)劃等則是引導(dǎo)城市空間擴(kuò)張模式和方向的重要因素，此外，農(nóng)地市場化和居民的生活需求也有一定的驅(qū)動作用。但這些驅(qū)動因素還不夠全面，還需要更加深入的研究。

總體而言，城市空間擴(kuò)張領(lǐng)域的研究已經(jīng)有較大的進(jìn)步，但還存在一些問題，例如，研究數(shù)據(jù)較為單一，基本都是利用遙感影像和經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)來源方面缺乏創(chuàng)新；大多數(shù)學(xué)者的研究區(qū)都是比較有典型性的城市，雖然研究成果能很好地反映這些城市的空間擴(kuò)張情況，但缺乏普適性；對于城市空間擴(kuò)張驅(qū)動因素缺乏有規(guī)律的總結(jié)歸納等。