基于GIS與RS的北京城市空間增長及其形態演變分析

叢曉男, 劉治彥

(中國社會科學院 城市發展與環境研究所， 北京 100028)

基于GIS與RS的北京城市空間增長及其形態演變分析

叢曉男, 劉治彥

(中國社會科學院 城市發展與環境研究所， 北京 100028)

利用遙感影像監督分類技術，分析了1991-2011年間北京市建成區空間增長態勢及其形態演化。研究發現：1.建成區面積增長遠快于常住人口增長，呈現空間蔓延態勢，以城區邊緣增長、沿交通廊道增長和開發區增長為主；2.空間形態上出現了外圍輪廓緊湊度下降、最大斑塊指數上升和建成區景觀分離度下降的演化趨勢，不利于北京多中心城市的形成和發育。上述問題可從土地利用模式、城市空間布局、交通優化等方面提出應對策略。

北京；城市病；城市增長；建成區；城市空間

引言

城市是地表上占據一定面積的地理實體，城市空間的擴張速度及形態結構對城市的正常運轉有很重要的影響。城市空間的變化是一個持續性的動態過程，表現為總量和結構兩個維度，前者是指城市空間邊界的漲退和面積的增減，即城市空間增長，后者是指城市空間內各用地單元之間的相互關系及分布特征，即城市空間形態的演變。城市空間增長和形態演化既受城市地理環境、人口、交通、產業等多要素的發展和空間分布的影響，同時又對上述要素產生反作用。合理的城市空間增長態勢和形態演化有助于優化城市功能布局、降低居民通勤成本、緩解域內交通壓力、提高土地利用效率，反之，不合理的增長態勢和形態演化則造成城市土地利用效率低下、交通擁堵、城市環境惡化等嚴重問題。《國家新型城鎮化規劃(2014-2020年)》歸納了我國城鎮化過程中的六個突出矛盾和問題，其中有兩項就與城市用地和空間布局有關。實際上，空間蔓延和形態不合理不僅是城市病的重要外在表現[1]，也是現代城市病的重要根源[2]，空間視角下的城市治理研究也成為城市病治理的突破口之一。

上文提及，城市空間變化與城市地理環境、人口、交通、產業等要素相互影響，協同演進。從較長的時間尺度上看，作為因變量的城市空間能夠適應上述要素的變化，從而實現與各要素的自動匹配，但是，在較短的時間尺度上，城市空間變化往往受到短期、局部利益的驅使，難以做到長久和全局的最優。這意味著，城鎮化的快速推進、城市規模的快速膨脹加大了城市空間蔓延和結構失衡的風險。當前，我國正處于城鎮化的快速推進時期，合理控制城市增長邊界、科學規劃城市空間結構、不斷提升城市空間形態合理性，是決定能否實現新型城鎮化的重要途徑，因而開展城市空間增長與形態演化研究具有重要的理論與現實意義。

本文基于地理信息系統(Geographical Information System，簡稱GIS)和遙感(Remote Sensing，簡稱RS)技術，以北京市為例開展城市空間增長與形態演化分析。北京是中國的政治中心、文化中心、國際交往中心和科技創新中心，其在全國的經濟地位亦舉足輕重，近十年來80%的外來流動人口能夠在北京實現有效就業，體現了北京超強的人口集聚能力和城市吸納能力。[1]然而，隨著城市規模的擴張，作為超大型城市的北京在近年里面臨著城市空間蔓延、空間形態不合理等嚴重問題，導致農業用地及林地被快速擠占、土地利用效率低下、交通通達性下降、城市功能布局紊亂等惡劣的后果，北京已成為城市病最為集中的中國城市之一。在此情形下，以北京為例開展城市空間增長與形態演化研究，對于從空間視角下探索城市病尤其是大城市病的緩解途徑具有重要的實踐價值。

一、研究方法與數據

本文所用遙感數據來源于Landsat 5 TM遙感影像，共涉及五個時相(1991年、1996年、2001年、2007年、2011年)的資料，所有數據的成像時間均位于5月—9月，一是確保云量較少，二是此時段植被生長旺盛，相比秋冬季節的分類結果擁有更高的準確性。遙感數據的具體屬性如表1所示。

表1 遙感影像資料

研究采用GIS和RS相結合的方法。分析過程分為三個主要步驟，分別是遙感影像預處理、土地利用類型分類和分類結果分析，其中土地利用類型的分類采用ENVI軟件的監督分類法實現，將北京市土地利用類型分為建設用地、耕地、林地、水體和其他用地共5種用地類型，其中，其他用地包括裸露的山體及河道、礦坑等用地類型。對于分類結果采用ArcGIS軟件和北京市行政區矢量圖、北京市交通路線圖等輔助數據進行空間分析，具體分析路線如圖1所示。

圖1 分析流程

二、用地類型變化及轉變態勢

分類結果顯示，北京市土地利用類型中面積最大的是林地，其次是耕地和建成區，水體面積相對最小。1991-2011年間，北京市各土地利用類型呈現明顯的動態變化，其基本趨勢為：建成區面積急劇擴張，耕地面積持續下降，林地面積有所上升，水體和其他用地面積下降，如圖2所示。

林地1991年為7551平方千米，1996年增長為7929平方千米，2001年林地面積有所下降，隨后2007年上升，2011年林地面積為8167平方千米，1991年到2011年林地面積共增長了8.2%。林地在北京市各土地利用類型面積中比重最大，幾乎占了北京市土地總面積的一半，1991年至2011年，北京市城區綠化和周邊山區生態涵養水平有所提升，林地面積比重呈現波動性上升趨勢，比重從1991年的46.1%上升到2011年的49.9%左右。

水體從1991年到2001年間，面積保持在200平方千米左右，2007年北京的降水量較多年同期平均水平下降，再加上北京市人口快速增長、用水量加大，造成水面萎縮，水體面積急劇下降至148平方千米，2011年略有恢復，面積為158平方千米，2011年水體面積比1991年下降了21%。

耕地面積持續下降，1991年北京市耕地面積為6034平方千米，2011年下降為3912平方千米，比1991年下降了35.2%，年均下降速度為2.14%，面積比重也持續下降，從1991年的36.9%下降到2011年的23.9%。

建成區面積呈現急劇擴張態勢，1991年北京市建成區面積為1042平方千米，2011年增長為3502平方千米，較1991年增長了2.4倍，年均增長速度為6.25%。與此同時，建成區面積占北京市總面積的比重也呈現快速上升態勢，1991年建成區占比為6.4%，2011年增長為21.4%，與耕地面積近乎持平。

圖2 北京市各土地利用類型面積變化趨勢

不同用地類型之間存在著變更替代關系，且不同的時段內用地類型間的變更存在一定差異，主要表現為：1991年至1996年間，林地面積增長，主要來源于耕地和其他用地；耕地面積下降，主要流向為林地和建成區；建成區擴張，主要通過侵占耕地實現。1996年至2001年，林地面積下降，主要流向為耕地和其他用地；耕地面積下降，主要流向為建成區、林地、其他用地；建成區擴張主要來源于耕地。2001年至2007年，林地面積上升，主要來源于其他用地；耕地面積繼續下降，主要流向為建成區；建成區擴張，主要通過侵蝕耕地獲得；水體面積下降，主要流向為耕地和林地。2007年至2011年，耕地面積繼續下降，主要流向為建成區；建成區繼續通過侵蝕耕地而擴張；林地、水體、其他用地變化較小。在用地類型的上述變更過程中，最明顯的變更關系表現為建成區對耕地的擠占，1991年至1996年間、1996至2001年間、2001至2007年間、2007至2011年間，分別有609、730、1231、1088平方千米的耕地轉變為建成區，尤其以2001-2007年間為甚，總轉換面積占北京市總面積的22.33%，由此可見建成區的快速增長主要通過擠占耕地的方式實現。

圖3 耕地轉化為建成區的面積

三、北京城市空間增長

城市空間增長是指建成區面積的增長。北京市空間增長態勢極為迅速，1991年北京市建成區面積為1042平方千米，占北京市土地總面積的6.4%；1996年上升為1479平方千米，占比9%，比1991年增長41.9%，年均增長速度為7.2%；2001年北京市建成區面積為1944平方千米，占北京市土地總面積的11.88%，比1996年增長了31.4%，年均增長速率為5.6%；2007年建成區面積達到2686平方千米，占北京市土地總面積的16.4%，比2001年增長了38.2%，年均增長速度為5.5%；2007年到2011年建成區增長速度再次提高，2011年建成區面積為3502平方千米，占北京市土地總面積的21.4%，比2007年增長30.4%，年均增長速率為6.8%。

表2 北京市建成區面積變化(km2)

圖4 北京市建成區空間增長態勢

北京城市空間的快速增長，導致了嚴重的城市蔓延問題。本文采用蔓延指數SI[3]對北京城市蔓延程度進行測度：

其中，SI為t1與t2時段內的城市蔓延指數，為建成區面積增速與人口增速之比，S為建成區面積，P為常住城鎮人口數量。若果SI>1，即建成區增速快于人口增速，則表示城市處于城市蔓延狀態，其SI值越大，蔓延程度越高。測算結果表明，自1991年至2011的五個時間段內，北京市SI指數一直高于1，表明城市處于蔓延狀態，尤其是1996-2001年間，SI指數高達2.28，蔓延程度較為嚴重，但同時觀察到，自2001年后，隨著建設用地供給的趨緊和城區常住人口的快速增加，SI指數逐漸呈現下降態勢，至2007-2011年間，空間增長和人口增長的年均增速趨于一致，SI指數接近于1。

表3 北京市城市蔓延指數

(一)北京城市空間增長的區域差異

北京市全域呈現空間增長態勢，但內部不同子區域的空間增長態勢卻存在較大差異。本文以區縣為基本空間單元，分析北京城市空間增長的區域差異。

從1991年到2011年，北京市各區縣的建成區面積變化如表4、圖5所示。1991年，北京市建成區面積最大的區縣是朝陽區，建成區面積為150平方千米，占當年建成區總面積的14.5%；其次是豐臺區和海淀區，建成區面積分別是121、118平方千米，占當年建成區總面積的11.7%、11.4%。至1996年，建成區面積最大的地區仍然是朝陽區，建成區面積增長為195平方千米，但是，占當年建成區總面積的比重卻降為13.8%；其次是房山區，建成區面積增長為170平方千米，占比11.5%，豐臺區建成區占比與去年持平，建成區面積增長為11.2%。2001年，大興區躍升為北京市建成區面積最大的地區，面積為258平方千米，占比13.7%；其次是房山區，建成區面積為201平方千米，占當年建成區總面積的10.6%。2007年，北京市建成區面積最大的地區依然是大興區，為348平方千米，占當年建成區總面積的13%；其次房山區，建成區面積為325平方千米，占建成區總面積的12.1%。2011年，大興區的建成區面積依然最大，為463平方千米，占當年建成區總面積的13.2%，其次是房山區，建成區面積為445平方千米，占建成區總面積的12.7%。

表4 北京市各區縣建成區面積變化(面積單位：km2)

續表

注：表中比重是指該區縣建成區面積占當年北京市建成區總面積的比重。

圖5 北京市各區縣建成區面積變化情況

從增長速度上看，1991年到2011年北京市各區縣建成區年均增長速度如圖6所示，其中，建成區年均增長速度最快的地區是大興區，年均增

長速度為10.6%，其次是懷柔區，建成區年均增長速度為9.2%，再次是順義區、昌平區、密云區、房山區、通州區、延慶縣等，另外，東城區和西城區的建成區面積比重早已達到90%以上，因此建成區面積增速很小。

從建成區面積占比來看，可分為5個等級，大興區和房山區的建成區面積最大，占建成區總面積的13%左右；其次是通州、朝陽、順義、昌平等地，其建成區面積比重為9%左右；海淀、豐臺、密云等地區建成區面積占比6%左右；懷柔、延慶、平谷等郊區的建成區面積較少，比重為4%-5%左右；門頭溝、石景山、西城、東城等地區建成區面積比重較低。另外，從圖中可以看出，大興、房山、通州、朝陽、順義等五個地區的建成區比重累積超過了北京市建成區總面積的一半以上。

圖6 北京市各區縣建成區年均增長速度(1991年—2011年)

圖7 2011年北京市各區縣建成區比重的帕累托圖

(二)空間增長的模式

北京市空間增長模式主要分為三類，分別是城區邊緣增長、沿交通沿線增長和新興建成區增長，空間增長的基本動力由三者混合形成，且在不同的時段內，其主導增長模式也有所不同。1991年至1996年五年間，建成區擴張方式是以城區邊緣增長為主；1996年至2001年五年間，隨著城市公共交通線路的延展，城市空間增長以沿交通線增長與邊緣增長方式同時并存；2001年至2007年六年之間，建成區擴張方式是以沿交通線增長、邊緣增長、新興建成區增長(通州新城)等方式混合共存；2007年至2011年四年之間，建設用地擴張方式是以新興建成區增長和沿交通線路增長為主，亦莊、順義新城、昌平新城等在此期間快速形成。整體而言，從1991年至2011年，北京市中心連片城區的范圍幾乎是以同心圓方式擴張，1991年北京市連片城區范圍集中于西城、東城、海淀、朝陽、豐臺等五個地區，到了2011年，除去以上五個地區之外，北京市連片城區范圍幾乎覆蓋石景山區、房山區、大興區、通州區、昌平區等地，原主城區與昌平新城、順義新城、通州新城、亦莊-大興新城、房山新城、門頭溝新城等地幾乎連接成片(如圖8所示)。

四、城市空間形態演化

城市空間形態即城市景觀的空間結構特征，本文采用三類指數分析北京市空間形態演化，分別是外圍輪廓緊湊度、最大斑塊指數和景觀分離度。

圖8 北京市中心連片城區(最大斑塊)擴張的疊加比對(1991年——2011年)

(一)城市外圍輪廓緊湊度

城市外圍輪廓緊湊度(Compactness Ratio)是反映城市空間形態的重要指標，緊湊度越大，形狀越有緊湊性，反之，緊湊性越差[4-5]，圓形是形狀最緊湊的圖形，其緊湊度為1。集中緊湊不僅可以節約城市用地，縮短各類工程管線和交通線路的長度，節約城市基礎設施投資，而且能夠降低居民通勤時間成本，緩解城市交通壓力。De Roo(2000)提出的緊湊度計算公式[5]為

式中，0

圖9 北京市中心城區外圍輪廓緊湊度

(二)最大斑塊指數

最大斑塊指數(Largest Patch Index)是指景觀中最大斑塊的面積占總面積的百分比[7]，其計算公式為

圖10 北京市建成區最大斑塊指數

(三)景觀分離度

景觀分離度(Landscape Division)是指某一景觀中不同斑塊個體空間分布的離散程度，最早由Pearce提出[8]，計算公式為：

N=D/S

式中，N為景觀的分離度指數，D是景觀的距離指數，D=0.5×(n/A)0.5，n為景觀類型斑塊數，A為研究區總面積，S是景觀的面積指數，S=Ai/A,Ai為景觀i的面積。分離度指數用來分析景觀要素的空間分布特征，分離度越大，表示斑塊越離散，斑塊之間距離越大。北京市建成區景觀分離度演變態勢如圖11所示，據圖可知，北京市建成區景觀分離度呈現持續下降趨勢，分離度從1991年的13.77下降到2011年的6.51，表明其建成區景觀斑塊越來越聚集，不同斑塊之間的距離越來越小。分離度指數下降的原因是建成區之間的破碎地塊逐漸被填充，使原本分散的地塊逐漸連接成片。

圖11 北京市建成區景觀分離度

五、結論與對策

(一)結論與問題

本文基于北京市1991、1996、2001、2007和2011年的Landsat 5 TM遙感影像，通過監督分類方法對北京市土地利用類型進行了提取和分析，研究了北京市空間增長態勢及成因、空間形態演化。研究發現：(1)北京市各土地利用類型中，林地占比最大，耕地占比次于林地，建成區占比再次之。(2)北京市各土地利用類型處于動態變化之中，典型特征為建成區面積快速上升，林地小幅增長，耕地面積快速下降，耕地面積的下降在早期表現為以耕地向林地的轉化為主、向建成區轉化為輔的特點，但1996年之后，耕地面積的減少主要表現為向建成區的轉化。(3)北京市建成區迅速膨脹，占土地總面積的比重不斷增大，年均增長速度為6.2%，至2011年，建成區規模超過3500平方千米，占北京市土地總面積比重為21.38%，整體上快于常住人口增長速度。按照區縣來看，建成區的消長發生重要變化，1991年，建成區面積較大的區縣包括朝陽、豐臺、海淀，至2011年，大興、房山、通州的建成區面積居前三。(4)從建成區的空間增長模式上看，沿城區邊緣增長、沿交通線增長和開發區式增長是三種主要的增長模式，且在不同的時間主導模式也有所差異。(5)北京市中心城區外圍輪廓緊湊度遠小于1，且整體呈現逐漸下降趨勢，表明北京市城區形態發展越來越松散；北京市建成區最大斑塊指數整體呈現上升趨勢，這與北京建設多中心城市的愿景相違背；北京市建成區景觀分離度呈現逐年持續下降趨勢，表明其建成區斑塊越來越聚集，斑塊之間的距離越來越小，原本分散的城區、城鎮逐漸連接成片。

在北京市城市建設、社會經濟快速發展的背景下，隱含著一些較為突出的城市問題，尤其以城市空間蔓延、空間形態惡化為甚。整體上看，北京市以沿中心城區周邊擴展、沿交通廊道擴展、通過開發區建設呈現飛地式擴展等為主要蔓延方式，逐步形成“攤大餅”外延發展的局面，給城市發展帶來嚴重的負面影響。第一，城市建設土地利用效率較低。按照約定俗成的標準，當人口增長速度低于建成區空間增長速度時，城市建設土地利用被認為是低效率的。從1991年到2011年的20年間，北京市建成區面積增長了2.4倍，年均增長6.2%，而同期北京市常住人口年均增速僅為3.2%，明顯低于城市空間增長速度，表明北京市土地利用效率較低，城市空間增長呈蔓延狀。第二，北京市建成區的無序增長是以擠占耕地為代價的。1991年至2011年，建成區面積增長迅速，占比由1991年的6.37%上升到2011年的21.38%，但同時，耕地面積則持續下降，占比從1991年的36%下降到2011年的24%左右。在耕地轉換為建成區的過程中，伴隨著大量的社會與經濟難題，例如，如何保證農民的權益，如何保護和傳承快速消失的鄉村文化等。第三，北京市中心城區空間結構不盡合理，缺乏良好的規劃控制。北京市中心城區外圍輪廓緊湊度遠小于1，且從1991年以來，北京市中心城區外圍輪廓緊湊度呈現逐漸下降趨勢，這表明北京市中心城區各空間之間的聯系距離增大，這必然會導致城市基礎設施和已開發土地的利用效率將會降低，導致居民對汽車形成更高的依賴度，從而加大能源消耗和大氣污染物的排放。第四，北京市內部城鎮體系結構不合理。北京市內部城鎮體系，是指北京市中心城區與各副中心之間相互作用形成的城市集合。北京市內部城鎮體系結構的不合理表現在，中心城區面積占總建成區面積的比重(即最大斑塊指數)不斷增大，中心城區沿外緣擴張的態勢十分明顯，南部區縣如房山、大興的建成區基本與主城區形成連片，且城市功能較為單一，很難培育為相對獨立的副中心，北部區縣的建成區擴展在空間上與中心城區相對分離，仍有培育為副中心的潛力。

(二)政策建議

城市增長過程中出現空間蔓延和空間形態惡化等一系列嚴重問題，在包括北京在內的我國城市都普遍存在，為此本文提出如下相關對策。第一，轉變以GDP為政績標準的經濟增長模式，著眼于城市發展的質量。在土地開發方面，積極推動農村土地經營權流轉，體現農村集體土地使用的市場價格，抑制地方政府突破規劃限制下的超常規地征地賣地，要從源頭上減少其征地、賣地的動力。第二，除對城市增長進行科學規劃之外，還應加強規劃的執行力度。主體功能區中的生態涵養發展區屬于限制、禁止開發區域，但從歷史發展情況來看，北京市生態涵養區中的建成區面積一直保持較快增長，要解決保護生態環境與經濟發展之間的矛盾，需要建立生態保護紅線制度和生態建設利益補償機制，對生態涵養區內建成區擴張給予適度控制。第三，通過多種措施探索北京建設多中心城市的途徑。要限制中心城區沿邊緣蔓延，從空間擴展現狀看，房山、通州、大興已經與中心城區連接成片，未來要控制中心城區繼續向北蔓延，昌平、順義等區縣的城區將是北京市形成多中心城市的基礎，應考慮在中心城區與區縣城區間構建綠化隔離帶以阻止蔓延、明確相互之間的邊界。第四，促進開發區尤其是遠郊開發區建設與發展，開發區的設立應當從產業結構與空間選址兩方面引起重視。產業結構方面，以高新技術產業、現代服務業和生產性服務業為先導，積極完善開發區內及周邊的配套服務產業，采用混合高強度土地利用和開發模式，使之逐漸形成多功能一體化的、相對獨立與完善的城市空間，降低勞動力的通勤成本與服務采購成本。空間選址方面，應適度保持開發區與中心城區間的距離，避免兩者形成連片式擴張，從而提高土地開發效率。第五，限制小汽車快速增長，大力發展公共交通。首先，繼續通過機動車指標控制等措施限制機動車保有量，適時考慮在重點地段征收城市交通擁堵稅；其次，需要增大對軌道交通等的投資力度，有效利用城市地下空間，完善城市公共交通網絡；另外，按出行距離適當提高公共交通費用，其目的在于通過“時間”與“經濟”雙重成本的約束，從根本上降低城市蔓延的微觀動力。

[1]宋梅.北京城市綜合治理體系研究[J].城市發展研究,2015,(2):18.

[2]王寧.特大城市空間結構缺陷與“城市病”治理[J].區域經濟評論,2015,(1):29.

[3]王家庭,張俊韜.我國城市蔓延測度:基于35個大中城市面板數據的實證研究[J].經濟學家,2010,(10):56-63.

[4]Batty M. Exploring isovist fields: space and shape in architectural and urban morphology[J].EnvironmentandPlanningB,2001,28(1):123-150.

[5]De Roo G. Environmental conflicts in compact cities: complexity, decisionmaking, and policy approaches[J].EnvironmentandPlanningB,2000,27(1):151-162.

[6]孟斌,鄭麗敏,于慧麗.北京城市居民通勤時間變化及影響因素[J].地理科學進展,2011,30(10):1218-1224.

[7]Herold M, Goldstein NC, Clarke KC. The spatiotemporal form of urban growth: measurement, analysis and modeling[J].RemotesensingofEnvironment,2003,86(3):286-302.

[8]Pearce CM. Pattern analysis of forest cover in southwestern Ontario[J].TheEastLakesGeographer,1992,27:65-76.

(責任編輯：沈松華)

An Analysis on the Spatial Growth and Structure Evolution of Beijing ——Based on GIS and RS

CONG Xiao-nan1, LIU Zhi-yan2

(1. Institute for Urban and Environmental Studies, Chinese Academy of Social Sciences, Beijing 100028, China; 2. Laboratory for Urban Information Integration and Dynamic Modeling, Chinese Academy of Social Sciences, Beijing 100028, China)

By the application of the RS supervised classification technology, the trend of spatial growth and form evolution built-up area of Beijing from 1991 to 2011 is studied in this paper. The results show that: (1) The increase of the built-up area in Beijing is much larger than that of the resident population growth with a spatial extension, of which there are three types of growth patterns: growth along the urban edge, growth along the transportation corridor and growth of the development zone; (2) The spatial form of built-up area shows the decrease of the compactness ratio, the increase of the largest patch index, and the decrease of the landscape division index, which is not conducive to the formation and development of multi-center city. In the paper, some countermeasures to the problem are put forward from the perspective of land use pattern, urban space layout, traffic optimization, and etc.

Beijing; Urban disease; Urban growth; built-up area; Urban space

2015-06-10

國家發展和改革委員會地區經濟司“城市信息集成與動態模擬系統的構建與應用研究”(2013-47-45)的研究成果。

叢曉男(1982-)，男，山東文登人，管理學博士，經濟學博士后，中國社會科學院城市發展與環境研究所助理研究員，主要從事城市系統模擬、城市經濟研究。劉治彥(1967-)，男，黑龍江哈爾濱人，中國社會科學院城市發展與環境研究所研究員、博士生導師，主要從事城市與區域經濟、城市系統模擬研究，本文通訊作者。

城市學研究

F299.27

A

1674-2338(2015)05-0122-09

10.3969/j.issn.1674-2338.2015.05.017