1980—2015年珠三角城市群城市擴張的時空特征分析

胡盼盼,李 鋒,胡 聃,孫 曉,劉雅莉,陳新闖

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049 3 清華大學建筑學院,北京 100084 4 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所, 北京 100081

城市擴張是城市化在空間上的最突出特征之一。當下,許多發展中國家正經歷著城市化浪潮,城市群是世界城市化的新趨勢,也是我國城市化的基本特點[1]。由于城市群地區通常經濟發達、人口聚集,從而推動城市在地域空間上的動態演變[2],使得景觀格局動態演變復雜化,進而深刻影響生態系統的結構功能,造成一系列的生態問題,如城市熱島效應[3-4]、水資源污染[5]、地表徑流與土壤侵蝕[6]、生物多樣性減少[7]等,嚴重影響區域和全球的可持續發展[8-12]。因此,研究城市群尺度上空間增長特點和時空演化規律,對提高城市群規劃管理水平和保障城市生態安全等方面具有重要的參考價值。同時,十九大報告提出以城市群為主體形態,促進大中小城市和小城鎮協調發展,珠三角城市群作為亞太地區最具活力的經濟區之一,是我國城市群發展水平的典型代表,研究其城市擴張時空特征,對于國家合理制定政策,實現城市群可持續發展具有參考作用。

隨著中國城鎮化進程的加快,許多學者紛紛開展中國城市化研究[13]。目前,對于單一城市擴張的時空演變特征及其驅動機制的研究較多[14-16],揭示城鎮用地擴張與結構演變的驅動機制,如對北京、南京、南昌、沈陽和西安等城市的研究[17-21],近年來,隨著遙感及GIS技術的發展,地表觀測數據的獲取和處理更加便捷。這為我們大尺度監測、分析城市擴張提供了有利條件；也逐步開展對城市群尺度上的城市擴張研究[22],如遼寧中部城市群[23]、京津冀城市群[24]、長三角城市群[25]等,但對于珠三角城市群城市擴張的研究大都集中于重點城市如廣州[26]、佛山[27]、東莞[28]、深圳[29]或重點區域,如徐進勇等[30]研究近40年珠江三角洲5座城市(廣州、深圳、珠海、香港和澳門)中心建成區的時空擴張特征以及建成區擴張的自然和社會經濟驅動力。這些研究對我們認識珠三角城市群的城市擴張特征具有重要參考意義,同時,部分研究的空間尺度逐步擴張到整個珠三角城市群。如張虹鷗[31]等采用首位度、回歸斜率、城市規模基尼指數等多項指標對珠江三角洲城市群1983—2003年的城市規模分布變化及其空間特征進行了分析。葉玉瑤[32]以珠江三角洲城市群為例, 對城市群空間演化的動力機制進行了初步的探討。這些研究進一步加深了人們對珠三角城市群城市擴張規律的認識,然而覆蓋整個城市群的長時間序列城市擴張研究與單個城市相比仍較為缺乏,而且當前研究大都側重于在不同時間截面上橫向對比分析城市用地空間格局,而對各個城市擴張過程時序特征的相似性和差異性研究略顯不足。

本文采用GIS空間分析與景觀格局指數相結合的方法,分析1980—2015期間珠三角城市群尺度上城市的時空演變和景觀格局特征,并對各個城市擴張過程的時序特征的相似性與差異性進行對比研究,并結合自然社會因素對其驅動力進行探討,從而更清晰的了解珠三角城市群的城市化水平,以期為珠三角城市群的規劃、建設及可持續發展提供科學依據。

1 研究區概況

珠三角城市群地理位置介于 111°22′—115°25′E,21°28′—24°26′N,位于廣東省的東南部,珠江下游,毗鄰港澳,以廣州、深圳為核心,包括珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門、肇慶共9個城市(圖1)。該地區四周是丘陵、山地和島嶼,中部是平原,屬于亞熱帶氣候,高溫多雨,典型植被是亞熱帶常綠闊葉林,地貌水文上表現為多河道的良好水網。近年來,隨著政策的支持,該地區經濟獲得飛速發展,社會發展呈現出農村工業化程度高、城鄉一體化進程快等特點。目前,珠江三角洲城市群成為亞太地區最具活力的經濟區之一,是我國人口聚集最多,創新能力最強、綜合實力最強的三大區域之一。因此,選擇珠三角研究城市群城市擴張的時空演變特征具有典型性。

圖1 珠三角城市群研究區Fig.1 Study area of the Pearl River Delta urban agglomeration

2 數據和方法

2.1 數據來源及處理

本文基于中國科學院地理科學與資源研究所劉紀遠團隊生產的土地利用數據,該數據利用 Landsat 影像數據進行解譯判讀,野外驗證,城市建設用地的分類精度達98.26%,符合制圖要求[33-34]。通過對不同時期的土地利用進行提取,將除了建設用地以外的其他地物類型合并成一類,即對分類后的圖像進行二值化處理,得到建設用地和非建設用地兩大類,并將3個時期的影像圖層進行疊加分析,計算研究時段內的城市擴張面積,最后利用ARCGIS 10.2軟件將疊加結果輸出成圖,得到1980、2000和2015年的城市擴張圖,從而探究珠三角城市群近35年來城市擴張的時空分布特征。

2.2 研究方法

2.2.1城市空間擴張指標

城市擴張的速度和強度是研究城市擴張特征的重要指標。城區擴張速率(Mur)表示城區用地擴張面積的年增長速率,用以表征城市擴張的總體趨勢[35]。城區擴張強度指數(Iur)的實質是用各空間單元的土地面積對其每年的城市平均擴張速度進行標準化處理,使不同時期城區擴張的速度具有可比性[16,36]。公式如下:

(1)

(2)

式中,ΔUij為j期間第i個研究單元城區擴張面積；Δtij為j期間的時間跨度；ULAij為j時段初期第i個研究單元城區面積；TLAij為第i個研究單元土地總面積,本研究的城區面積用城市建設用地面積來表達。

2.2.2城市空間形態變化指標

城市空間形態變化狀況可以用景觀格局指數來分析和描述,定量化分析景觀格局的結構組成和空間配置等特征[37]。本文分別從景觀水平和斑塊類型2個尺度方面選用被國內外廣泛使用且意義明確的指標進行景觀格局分析。本研究采用AWMPFD(面積加權平均斑塊分維數)及LSI(景觀形狀指數)用來測定景觀和斑塊形狀的復雜程度,NP(城鎮斑塊數量)及AI(聚集度指數)用于表達城鎮景觀的破碎化程度與聚集程度。其中,LPI(最大城鎮斑塊指數)是最大斑塊面積與城鎮總面積的比值,而不是區域總面積。其計算公式及生態學意義比較常見,在此不再闡述,所有指標的計算采用 Fragstats 4.2[38]。

圖2 珠三角城市群9個城市擴張疊加圖 Fig.2 Urban expansion superposed graphs of the 9 cities in Pearl River Delta

3 結果分析

3.1 珠三角城市群擴張時空分異特征

3.1.1珠三角城市群擴張的整體特征

研究發現,珠三角城市用地持續增加(圖2)。1980—2015年,珠三角城市群的城市用地從2688.3 km2增加到7245.2 km2,凈增長4556.9 km2,占整個城市群面積的百分比由5.0%增長到13.4%,擴張了將近3倍。城市用地增加呈明顯的加快趨勢,1980—2000和2000—2015期間分別擴張1513.1、3043.8 km2,年均增加量分別為 75.7 km2和202.9 km2；擴張速率也由2.8增加到了4.8。擴張強度由0.14提高到了0.38,珠三角35年來的平均擴張強度0.24(表1和表2)。

3.1.2珠三角城市群擴張格局的空間分異特征

由圖3及圖4可知,各城市建成區面積擴張差異明顯。其中,東莞與廣州一直大面積擴張,分別擴張了949.1、881.8 km2,其次是佛山與深圳,分別擴張了801.2、552.2 km2,這些面積擴張較大的城市主要分布在研究區中部的城鎮密集帶及沿海地區；而城區面積擴張較小的是珠海、肇慶及中山市；各個城市的增長方式是邊緣式增長與填充式增長并存。擴張速率較快的城市主要有中山、東莞及珠海市。擴張強度較大的城市主要有東莞、深圳及中山市等。由此發現,中山市由于總面積較小,雖然擴張強度及速率均較高,但城區擴張面積相對較小。

表1 珠三角城市群的城市用地結構

表2 珠三角城市群在1980—2015年期間城市增長情況

圖3 珠三角9個城市的城市擴張疊加圖Fig.3 Urban expansion superposed graphs of the 9 cities in Pearl River Delta

圖4 珠三角各個城市的擴張面積Fig.4 Expanded area of cities in the Pearl River Delta

基于時間尺度探究珠三角城市群的時空演變特征。1980年時,珠三角建成區面積較大的城市是廣州、江門及惠州市,分別為553.0、439.6 km2和384.8 km2；發展到2000年時,建成區面積最大的是廣州、東莞及深圳市,達到了823.3、630.4、564.8 km2。這20 年間,深圳發展迅速,擴張面積最多,擴張了315.9 km2,從而發展為以廣州和深圳為雙中心的城市群結構特征。其次是東莞314.9 km2,廣州擴張面積居第三位,江門市及惠州市擴張面積較小。經過2000—2015年這15年的發展,相對偏內陸地區的江門及惠州的城市擴張區域退出前三甲(1980年統計顯示,江門及惠州的建成區面積在珠三角城市群中分別位列第二、第三位。)而廣州、東莞及佛山市的建成區面積位于前三位；廣州市作為廣東首府,在政治、經濟等方面均占優勢,同時,城市人口急劇增加,推動了城市的迅速擴張。深圳市居于第四位,由于其土地面積有限以及生態環保政策的實施,而且其城市發展程度已經不能簡單的通過城市面積來表達了。在2000—2015年期間,東莞、中山、珠海、佛山等相繼進入大城市之列,雙核模式逐步演化為網絡化、多中心模式。珠三角城市群城市間聯系更緊密,功能更完善,逐步發展為城鄉一體的多層次城鎮體系。

3.2 珠三角城市群擴張速率與擴張強度的差異分析

3.2.1珠三角城市群擴張速率與擴張強度特征

隨著城市化進程加快,珠三角城市用地不斷擴張,但由于各城市的定位及地理位置等原因,擴張特征各異(圖5)。除了深圳市與珠海市的擴張速率分別由1980—2000年的6.3、7.6下降為2000—2015年的2.8和3.6,而其他城市的擴張速率均持續增加,其中,中山市擴張速率居首位,由1980—2000年的4.9上升到2000—2015年的8.6,其次為東莞市。深圳與珠海的擴張速率下降,一方面受到土地資源的限制,另一方面響應生態環保政策,而且由于在1980—2000年期間這兩個城市的飛速發展,在2000—2015年發展速度減緩也合理；

通過研究擴張強度,可比較分析城市時空擴張的強弱。從圖6中發現,珠三角各城市間的擴張強度差異明顯,但各城市擴張程度均在增加。擴張強度較大的城市多集中在土地資源相對欠缺的中心靠沿海城市,比如東莞、深圳及中山等,這些城市擴張速率快,擴張強度普遍較高。尤其是東莞市,擴張強度由1980—2000年的0.65增加到2000—2015年的1.8,居珠三角城市群之首,主要是由于受到當地社會經濟飛速發展的影響,主要驅動力包括服務業、投資等因素。擴張強度較小的多集中在土地資源相對富足的周邊偏內陸城市,比如肇慶、江門及惠州等地,這些城市擴張速率慢,擴張強度低。

3.2.2珠三角城市群擴張速率與擴張強度的空間分異

對珠三角各城市用地擴張速率進行層次聚類分析,主要分為三類。隨著經濟的快速增長,在這9個城市中,高速擴張的城市是中山、東莞及珠海；中速擴張的城市有佛山、廣州及深圳；低速擴張的城市是肇慶,江門及惠州(圖7)。基于擴張強度,處于高強度擴張的城市是東莞及深圳；中強度擴張的城市包括佛山,中山及珠海；而處于低強度擴張的城市有廣州、肇慶、江門及惠州(圖8)。

圖5 珠三角各個城市的擴張速率Fig.5 Expansion rate of cities in the Pearl River Delta

圖6 珠三角各個城市的擴張強度Fig.6 Expansion strength of cities in the Pearl River Delta

圖7 1980—2015年珠三角各個城市擴張速率的空間分布等級圖 Fig.7 Spatial distribution level map of the expansion rate of cities in the Pearl River Delta from 1980 to 2015

圖8 珠三角各個城市擴張強度的空間分布等級圖 Fig.8 Spatial distribution level map of the extended intensity of cities in the Pearl River Delta from 1980 to 2015

東莞市擴張的強度及速度均處于高級水平,沿海城市(中山、珠海、深圳)的擴張強度及速度均比內陸城市(肇慶、江門、惠州)高。擴張強度較小的多集中在土地資源相對富足的內陸城市,一方面是受地形、地理位置、土地面積較大等條件限制,另一方面由于這些城市的經濟發展相對較慢,對城市擴張的推動力則較弱。比如廣州作為廣東省的省會,基于擴張速率,還處于中等水平,但基于擴張強度被劃分為低強度擴張城市,除了與土地面積有關,也與響應環保政策以及地處偏內陸等原因有關。

3.3 珠三角城市群城市景觀格局演變分析

3.3.1珠三角城市群整體的擴張格局特征

基于斑塊數分析發現(圖9),1980—2015年,珠三角城市群的斑塊數先減少后增加,與珠三角城市擴張形式有關,1980—2000年珠三角城市群的發展以填充式城市擴張為主,而2000年以后,以外延式擴張為主,即開發區大力擴張使得斑塊數增多。基于面積加權平均斑塊分形維數分析,珠三角城市群的分形維數范圍基本上都在 1.28—1.30之間,其中,在1980—2000年增長平緩,在2000—2015年增長較大,總體持續增長。說明珠三角城市用地空間結構趨于復雜,城區邊界破碎程度增加、形狀不規則性增強。基于最大斑塊數與聚集度指數研究表明,最大斑塊數與聚集度指數均呈下降趨勢,1980—2015年期間,珠三角城市群的最大斑塊數由94下降為84,聚集度指數由99.1下降為98.8,均說明珠三角城市群景觀趨于破碎化。

圖9 1980—2015年珠三角城市群整體擴展格局指數的變化Fig.9 Changes in the Overall Expansion Pattern Index of the Pearl River Delta Urban Agglomeration from 1980 to 2015

圖10 珠三角城市群各個城市景觀形狀指數變化 Fig.10 Change of Landscape Shape Index of Cities in Pearl River Delta Urban Agglomeration

圖11 珠三角城市群各個城市聚集度指數變化 Fig.11 Change of Urban Agglomeration Index in Pearl River Delta Urban Agglomeration

3.3.2珠三角城市群各個城市的擴張格局特征

城市擴張主要有4種類型分別為填充型、外延型、廊道型和衛星城型[39],一般而言,城市形成是4種擴張類型綜合作用的結果,而城市形狀的變化則是城市用地擴張的結果,城市用地擴張類型與城市建成區形狀以及聚集度存在一定的相關關系[40]。

(1)城市景觀形狀指數變化

由圖10可知,基于時間尺度,1980—2015年,各個城市的景觀形狀指數逐年增加的趨勢,說明珠三角城市景觀的形狀趨于復雜化；基于空間而言,各個城市的形狀變化特點差異明顯,東莞的形狀指數最突出,說明東莞城市景觀的形狀比較復雜；其次是佛山和廣州,而這三個城市的擴張也比較快速,說明發展快速的城市景觀形狀相對復雜的；而形狀指數較小的城市分別是肇慶、中山及珠海。這三個城市形狀簡單的原因也各有不同,肇慶市發展比較緩慢,基于城市規劃發展比較規整；而中山市城市擴張速度較快,形狀還簡單,可能與地理位置及地形等因素有關；而珠海形狀簡單可能與島嶼眾多以及矢量化精細程度有關。

(2)城市景觀聚集度指數的變化

城市外圍輪廓形態聚集度計算結果顯示(圖11),珠三角9個城市中三個時期的聚集度均保持較高水平的城市主要包括肇慶、惠州及江門等。說明這些城市土地集約化程度較高,主要是由于這些城市偏內陸,還受到地形及經濟等因素的影響,各城市發展相對獨立,城市間聯系較弱,不易受外界環境影響,城市內部環境相對穩定。

三個時期聚集度始終較低且逐漸下降的城市主要包括東莞,深圳和佛山等。尤其是東莞,35年來,經濟發展迅速,流通性較高,城市內部環境的穩定性也最弱,結構較松散。總體來看,珠三角各城市的聚集度均下降,說明城市用地集約程度及結構緊湊度均降低。

4 討論

(1)本研究發現除肇慶、江門及惠州等三個城市外,其余6個城市的擴張強度均大于0.1,2000年之前,與京津冀地區的城市比較發現,北京的擴張強度0.5(1992—1997)[17],1980—2000年,深圳與東莞的擴張強度分別為0.85,0.65,惠州的擴張強度最小為0.01,深圳與東莞的城市擴張強度高于北京,其他城市擴張強度均低于北京。2000年之后,與長江三角洲的城市比較發現,2000—2005年,上海、寧波、南京以及杭州的城市擴張強度依次為2.6、1.05、0.81和0.54[41],東莞的擴張強度在珠三角城市群中居首位為1.74,仍然低于長三角城市群中擴張強度最大的上海市,高于其他三個城市,但整體來看相差不大。這些對比研究均表明珠三角地區城市的擴張強度在全國處于較高水平。

(2)通過研究珠三角的空間形態特征,計算出的分形維數與聚集程度指數表明珠三角城市用地空間結構趨于分散,破碎化現象明顯；形狀趨于復雜。同時,擴張越劇烈的城市的形狀越復雜,結構越松散,比如東莞。擴張較慢的城市形狀更規則,結構更緊湊,比如肇慶。這是由于受到外界環境的干擾較小,城市內部穩定性較強。擴張強度大的城市還需要政府和有關部門通過政策等手段進行引導和調控,從而促進城市的可持續發展。

(3)城市擴張特征反映出城市化水平。自然因素決定了珠三角城市擴張的宏觀格局。改革開放及行政區劃等政策因素、外向型經濟總體水平較高、產業結構優化合理等社會經濟發展因素引導了城鎮用地的擴張速度和擴張方向,是造成珠三角區域城市用地擴張時空差異的主要原因,但不能完全控制城鎮用地的發展,它是社會、經濟、政策以及自然交通條件等諸多因素綜合作用的結果。

5 結論

本研究運用遙感和GIS手段提取城市的空間特征信息,并結合城市空間擴張和空間形態景觀格局等指標,定量分析近35年珠三角城市群城市擴張時空演變的格局特征,為城市發展規劃提供科學依據。從分析得出以下結論:

(1)通過研究珠三角城市的擴張情況發現,珠三角城市用地面積均持續增加。1980—2015年,城市用地面積擴張近3倍。城市用地擴張速率明顯加快,擴張強度不斷增強。

(2)基于時間尺度:1980年,以廣州為中心的單核模式；經過改革開放20年的發展,2000年時,深圳崛起,與廣州形成雙核發展模式；又經過15年,至2015年,由雙核模式逐漸向網絡化、多中心模式演化,即深圳與東莞,廣州與佛山、中山等城市共同發展。

(3)通過對珠三角各城市建成區的擴張速率與擴張強度的比較研究發現:基于數量分析,1980—2000與2000—2015年兩個階段,除了深圳與珠海的擴張速率降低外,其他城市的擴張速率均提升；空間分布特征表現為擴張迅速的城市多集中在土地資源相對欠缺的中心區域偏沿海地帶；擴張相對較慢的城市多集中分布在土地資源相對富足的周邊偏內陸區域。

(4)分形維數與聚集程度均表明珠江三角洲城市用地空間結構趨于分散,破碎化現象明顯；形狀趨于復雜。同時發現,擴張快速的城市形狀更復雜,結構趨于分散；擴張較慢的城市形狀更規則,分布更聚集。