快速城市化地區建設用地的空間特征與演變分析——以成都市為例

馮文蘭， 牛曉俊

(成都信息工程學院資源環境學院，四川成都610225)

自20世紀90年代以來，我國進入快速城市化發展階段，城市空間擴張和形態演化現象成為社會各界普遍關注的問題［1-4］.眾多學者在城市空間演化過程、擴張模式和模擬等方面做了大量研究，極大地豐富了對城市總體空間格局的認識［5］，有關成果對于有效地引導和調控城市擴展具有重要的戰略意義.作為城市空間結構的外在表象，建設用地空間特征與其相關的自然、經濟、人文等要素具有時間上的階段性和順序性.因而，積極充分地開展建設用地空間擴展以及變化趨勢、時空特征的研究，探討城市空間擴展的驅動機制，有利于控制和引導城市建設用地合理擴展［6-7］.近年來，許多對城市擴展的研究內容不斷向更深的機理分析和調控措施發展.研究方法多利用相關分析、回歸分析以及定量描述來探討影響城市擴展的自然因素和社會經濟因素［8-9］.然而，已有的研究多著眼于我國大城市及東部沿海城市［10-11］，盡管現已開始向中西部城市過渡，但對西部地區城市化速度顯著上升的區域主導型城市的研究成果仍相對較少［12］.

西部大開發戰略的實施，使得西部地區加大了城市進程的步伐［13］.作為西部地區的重要城市，成都市也進入了城市化快速發展的時期［14］.作為所在區域的政治、經濟和文化中心，成都市建設用地空間形態演變的研究對于其他城市的發展研究具有明顯的啟示意義和借鑒作用.為此，研究以成都市為對象，利用多期遙感影像提取建設用地信息，計算各城鎮的空間自相關系數并分析建設用地拓展的空間特征及其時間演變規律，通過與社會經濟的相關分析尋找影響成都城市空間擴張的主要驅動力，以期能有助于豐富我國主要城市空間成長研究的實證，為新形勢下更好地把握城市發展脈絡和城市合理空間組織提供有益的參考.

1 研究區概況和研究方法

1.1 研究區域 成都市位于四川省中部，地處E102°54'～104°53'和 N30°5'～31°26'之間，幅員面積1.24萬km2.2011年末，全市總人口1 163.28萬人，其中市區人口544.78萬人，縣(市)人口618.50萬人.全市人口密度約為954人/km2，其中，市區人口密度達2 486人/km2.自1998年以來，隨著改革開放政策的實施，成都市城市化推進一直保持著快速、穩定的發展態勢.經過一系列的行政區劃調整，目前市轄9區4市(縣級市)6縣.城市空間具有典型的圈層式結構［15］，以中心五城區(金牛、青羊、成華、武侯、錦江區)構成中心第1圈層，近郊包括新都區、郫縣、溫江區、新津縣、雙流縣、龍泉驛區、青白江區共7個區(縣)構成第2圈層，遠郊包括彭州市、都江堰市、崇州市、大邑縣、邛崍市、蒲江縣、金堂縣等7市(縣)構成第3圈層.2003年10月，成都市實施統籌城鄉發展、推進城鄉一體化戰略.2007年，國務院正式批準成都市成為全國統籌城鄉綜合配套改革試驗區.一系列相關政策的實施加快了城市化的進程，目前成都市城市化已開始步入郊區城市化的發展階段，并已初步形成了以中心城區為核心、中小城市為節點、小城鎮為依托的城鎮空間格局.

1.2 數據基礎與處理 基礎數據包括遙感影像、統計年鑒、成都市交通道路圖和成都市行政區劃圖等，其中，遙感影像主要用于建設用地信息的提取，統計年鑒用于獲取各縣(市、區)社會經濟數據，地形圖用于遙感影像的校正，交通道路圖用于研究結果的分析.

1.2.1 遙感影像處理及建設用地信息提取 2000年和2005年建設用地信息基于Landsat TM影像提取，2010年建設用地的提取基于中國環境減災衛星(HJ-1A)影像并輔以Landsat TM影像.在對遙感圖像進行了波段配準、幾何校正與圖像匹配、圖像增強等預處理后，采用面向對象與決策樹分類器相結合的方式，經過多輪人工目視修正提取了城市化進程中的土地利用變化信息，提取結果符合研究需要.在各期土地利用圖中分別提取建設用地信息，包括城鎮用地、農村居民點用地、獨立工礦用地和交通設施用地.

1.2.2 社會經濟數據 成都市各區(市、縣)社會經濟數據取自2001年、2006年和2011年《成都統計年鑒》.為較全面地揭示研究區建設用地擴展的社會經濟驅動因子，結合資料的可獲得性，共選取22項社會經濟統計指標(表1).對各期原始數據進行了標準化處理，以消除不同量綱可能帶來的影響.

1.3 研究方法

1.3.1 建設用地的擴展強度分析 利用成都市行政區劃圖分別對各區(市、縣)3個時期建設用地面積進行統計并計算擴展強度指數，以反映快速城市化過程中建設用地擴展的空間差異和時序變化特征.建設用地擴展強度指數的計算公式和參數含義如下:

式中，Φ代表建設用地擴展強度指數，Ua和Ub為起止時間建設用地面積，T為研究時段的時間跨度，TA為研究區總面積.

表1 成都市建設用地擴展的社會經濟驅動因子Table 1 Socioeconomic factors of on the build-up land expansion in Chengdu city

1.3.2 建設用地增長的空間特征分析 引用空間自相關分析定量描述成都市各城鎮建設用地增長的空間變化特征.Moran's I指數一般用來描述空間的自相關性，能夠探測出空間聚集范圍的擴展，也可以分析集中和分散的程度［16］.指數取值一般在［-1，1］之間.在給定顯著性水平下，若Moran's I顯著為正，表示建設用地在空間上顯著集聚.反之，若顯著為負，則表明區域與其周邊地區的用地類型具有顯著的空間差異［5］.Moran's I指數的計算方法參見文獻［17］.利用ArcGIS 9.3的空間統計分析功能，統計分析研究區各區(市、縣)在2000、2005和2010年的建設用地的全局Moran's I指數.

1.3.3 建設用地擴展空間特征的驅動力分析 國內外學者普遍認為在較短時間尺度，社會經濟因素對城市擴展起重要影響.首先，運用SPSS 16.0統計分析軟件對3個時期標準化后的社會經濟指標采用主成分分析方法測度各縣域單元社會經濟綜合實力水平;然后，采用相關分析方法分析建設用地擴展的空間特征與社會經濟綜合實力的相互關系;為進一步確定成都市建設用地擴展空間特征的主要影響因素，為避免變量之間可能存在的共線性問題給回歸系數的估計帶來的不合理的解釋，以Mo-ran's I作為因變量，以社會經濟指標作為自變量，選用逐步回歸的方法分析建設用地擴展空間特征的影響因素.

2 建設用地擴展的空間分異與演變特征

2.1 建設用地擴展強度的區域差異及其變化 3個時期建設用地擴展分布圖(圖1)直觀地顯示出，成都市2000—2010年各區(縣)建設用地擴展受城市空間結構圈層式布局的影響，具有明顯的空間差異性:1)中心圈層五城區建設用地在研究時段內填充式增長，城市核心區及其外圍功能區具有集中緊湊型的圈層式擴展模式;2)近郊圈層屬于典型的帶狀擴展模式，建設用地在沿交通道路延伸的同時向緊湊型演化;3)遠郊圈層的城市空間多為指狀擴展，建設用地自城鎮中心沿高速公路向中心城區內部圈層發展，具有明顯的交通指向性.從圖1還可以看出，成都市建設用地空間擴展具有明顯的階段性特征.城市中心及其外部功能區和近郊圈層的建設用地在2000—2005年間的擴展規模明顯大于2005—2010年，城市遠郊圈層的各縣域單元2個階段的城市擴展差異不明顯.

不同時期建設用地的面積及變化統計結果(表2)顯示，2010年成都市建設用地的面積共計約1 253.07 km2，在2000—2005和2005—2010年的2個5年間分別增加了394.31和175.92 km2，增幅分別為57.75%和16.33%.從建設用地的總面積來看，處于近郊圈層的雙流縣和郫縣最大，尤其是雙流縣，其建設用地的部分區域已與中心圈層連片發展.中心圈層和其余近郊圈層各行政單元的建設用地面積均大于遠郊城鎮.從2000—2010年建設用地的增幅來看，各行政單元介于26.32% ～179.76%之間.其中，溫江區的增幅最大，其次為郫縣和龍泉驛區.武侯區的增幅最小，其次為青羊區.總的來看，近郊圈層＞遠郊圈層＞中心圈層.與中心城區交通距離最遠的遠郊圈層的蒲江縣，建設用地總面積和增幅都很小，分別僅為17.18 km2和45.30%.從各行政單元建設用地擴展強度來看，2個時段中心圈層＞近郊圈層＞遠郊圈層，但第2階段各圈層間的差異明顯減小.對比2個時期不同行政單元的擴展強度變化，中心圈層在前1時段表現出更大的擴展強度，近郊圈層在2個時段都有較大的擴展強度，遠郊圈層則在第2階段明顯加速了擴展.

2.2 建設用地空間自相關的空間分異及演變 統計不同時期Moran's I指數的計算結果并制作柱狀圖(圖2)，結合圖1可知:成都市建設用地的Moran's I指數核心圈層＜近郊圈層＜遠郊圈層，且中心圈層和接近中心圈層的各行政單元的指數值為負值，反映出這些城鎮建設用地布局向外分散的特點.其余近郊圈層和遠郊圈層的各縣域單元建設用地的Moran's I指數多為正值，且距離中心城區越遠值越大，反映出這些城市建設用地主要圍繞中心城市向外擴展，具有集中分布的特征.對比3個時期Moran's I指數的變化可以發現，受建成區向東向南發展的城市規劃和城區西邊建設用地連片發展的影響，成都市中心城市及其周邊功能區在2000—2010年建設用地蔓延式發展的趨勢有所增強.近郊圈層Moran's I指數的變化不大，說明該圈層城鎮建設用地在沿交通道路擴展的同時以原建設用地為中心填充式向外擴展.除金堂縣外，遠郊圈層各城鎮Moran's I指數的值稍增大，反映出現階段該圈層建設用地的擴展仍然主要圍繞行政中心向外擴展.金堂縣Moran's I指數在研究時期內均為負值，且逐漸減小，這與其低山丘陵區的地形特征以及南北走向的龍泉山脈在一定程度上限制了成都市中心城區的輻射有關.以上結果揭示出成都市各級城鎮體系的空間結構普遍存在的攤大餅式的發展特征，受中心城市對外輻射能力隨距離衰減的影響，不同等級和區位條件的城鎮在同一時期所處的城市化階段不同，因而建設用地空間分布和擴展特征也存在明顯的差異.

表2 2000、2005、2010年成都市建設用地擴展的空間分異Table 2 The spatial variation of the build-up land expansion of Chengdu city in 2000，2005 and 2010

3 建設用地擴展空間特征演變的驅動力分析

3.1 建設用地擴展空間特征與社會經濟綜合實力的相關關系 采用主成分分析方法計算得到3個時期各縣域城鎮的綜合實力得分(圖3)，可以看出，成都市各行政單元的綜合實力也存在明顯的區域差異，大致排序為中心圈層＞近郊圈層＞遠郊圈層.對比2010年和2000年各單元綜合實力的得分情況，隨著城鄉一體化的進程，城市中心圈層各單元的綜合實力水平的優勢度減小，近郊圈層綜合實力水平明顯提升，遠郊圈層與其他圈層的差距則進一步拉大.其中，受成都市向東向南的城市發展規劃的影響，與核心圈層東、南方向毗鄰的近郊圈層各單元(如雙流縣、龍泉驛區等)綜合實力的提升優于其他方向(如郫縣、溫江等).

分別以Moran's I指數為橫坐標，以各縣域綜合實力得分為縱坐標，制作建設用地擴展的空間特征與綜合實力的散點圖(圖4).由圖4可知，成都市各行政單元的綜合實力與建設用地Moran's I指數具有一定的相關性，綜合實力水平高的各單元Moran's I值較低，綜合實力水平低的各單元Moran's I值則相對較高.社會經濟綜合實力較低的行政單元建設用地空間自相關系數的波動性相對較低，綜合實力值較高的行政單元Moran's I值的3個時期的差異較大.從2000—2010年，綜合實力較高的各單元間Moran's I指數的差異性增大，綜合實力較低的各單元Moran's I指數的差異性則減小.

3.2 建設用地擴展空間特征的驅動因素及其變化Moran's I指數與社會經濟指標多元逐步回歸分析的結果顯示(表3)，2000、2005和2010年對自變量和變量的分析都取得了較好的回歸效果，3個時期的回歸方程都具有較高的相關系數和決定系數，較小的F值，極小的P值和剩余標準差S.結果表明，社會經濟因素可以顯著地對成都市建設用地的空間分布特征進行解釋.綜合3個時期回歸分析的結果發現，2000—2010年影響成都市建設用地空間分布特征的主要因素包括耕地面積(X1)、人均GDP(X3)、人均財政收入(X4)、人口密度(X8)、學校數(X9)、第一產業增加值(X12)、財政支出(X16)、地區生產總值(X18)、全社會固定投資資產(X19)、社會消費品銷售總額(X20)、規模以上企業總產值(X21).進一步根據回歸方程的系數可以知道，成都市建設用地的擴展在很大程度上取決于經濟發展水平和產業發展，人口因素和社會消費水平也對其產生較大的影響.隨著社會經濟水平的提高和產業結構的轉變，后2個因素的作用更加明顯.

考慮到成都市建設用地擴展和社會經濟實力都存在明顯的空間差異，用上述同樣的方法分別對3個時期城市各圈層建設用地空間特征的影響因素進行多元線性回歸，結果顯示方程的回歸效果也均較好(表4).由表4可知，區位條件、時間的不同導致建設用地空間自相關性的主要影響因素有所不同:1)中心圈層建設用地的分布主要受第二產業發展的影響，且其影響力隨時間的變化而愈加突出，反映出成都市在加快城市化過程中中心圈層建設用地空間分布特征的變化主要來自于產業結構調整引起的用地匹配的變化;2)快速城市化對近郊圈層建設用地擴展及其空間特征影響最為深刻，表現在城市化發展的不同時期建設用地空間自相關性的主要影響因素明顯不同，2000年人口因素的影響較大，2005年社會生產力水平的影響更明顯，2010年則主要為產業發展和社會投資狀況;3)主要受成都市21世紀初大規模的老工業企業調遷［18］的影響，以及隨后出現的大型零售項目的建設和成都市田園城市建設的逐步推進，遠郊圈層建設用地空間分布特征在不同時期分別與工業化水平、人口因素和第三產業的發展水平密切相關.

表3 2000、2005、2010年成都市建設用地空間特征回歸分析及確定的影響因素Table 3 Regression analysis for build-up land's spatial feature and its driving factors of Chengdu city in 2000，2005 and 2010

表4 2000、2005、2010年不同圈層的建設用地空間特征回歸分析及確定的影響因素Table 4 Regression analysis for build-up land's spatial feature in different circles and its driving factors in 2000，2005 and 2010

4 結論與討論

建設用地擴展是當前我國快速城市化進程中城市空間發展最重要的表現之一.分析建設用地空間分布特征的變化及其對社會經濟影響因素的響應有助于豐富對城市總體空間格局的認識.本文在利用RS和GIS技術獲取并分析成都市建設用地時空分布特征的基礎上，討論了成都市快速城市化進程中社會經濟實力與建設用地空間特征的相互關系，并確定了不同時期影響建設用地空間分布特征的主要因素.

1)受城鎮圈層分布格局的影響，成都市建設用地擴展也具有明顯的圈層性.中心城區建設用地填充式增長，近郊圈層以帶狀模式向外擴展，遠郊區則主要沿高速公路向中心城區方向指狀擴展.李陽兵等［19］在重慶市的研究也發現，重慶市建設用地演變可歸納為圈層式、組團狀和跳躍式或零星式擴展3種模式.王金亮等［20］對城鎮擴張的空間趨勢分析結果也發現，重慶市區城鎮的空間分布為先集聚后再分散.各圈層所處的不同城市化階段，以及地形地貌引起的自然條件的限制，是西部城市快速城市化地區建設用地擴展圈層分異的主要原因.從建設用地擴展的時序特征來看，在2000—2010年間，建設用地擴展強度中心圈層＞近郊圈層＞遠郊圈層.其中，2000—2005年中心圈層和近郊圈層的擴展規模和擴展強度明顯大于2005—2010年，遠郊圈層的擴展則在第2階段明顯加強.結果說明，遠郊圈層的城市化進程將逐漸進入一個更為活躍的發展階段，為避免“攤大餅”規模進一步擴大，應采取相應措施對建設用地擴展進行科學的引導.

2)空間自相關分析進一步揭示了成都市建設用地擴展特征的空間差異.Moran's I指數遠郊圈層＞近郊圈層＞中心圈層，反映出郊區城鎮建設用地聚集式發展，中心城區蔓延式發展.2000—2010年Moran's I指數的變化同樣具有圈層分異特征，中心圈層各城鎮的Moran's I指數大多減小，遠郊圈層的多增大，近郊圈層則變化不大，揭示出平原地區城市建設攤大餅式的發展以及中心城市對外輻射隨距離衰減的特征［21］.周銳等［22］的研究也指出，單中心城市的城鎮用地有顯著的“圈層式”擴展模式.應該指出的是，論文中建設用地信息的提取是基于30 m左右分辨率的遙感影像，對于較短時期郊區建設用地擴展空間特征的表達能力有限.同時，Moran's I指數大小僅代表一種統計關系，為更準確地掌握建設用地空間擴展的細節特征需要獲取更高空間分辨率的數據源.

3)成都市社會經濟綜合實力中心圈層＞近郊圈層＞遠郊圈層，且遠郊區與中心城區的實力差異有增大的變化.社會經濟實力水平與建設用地Moran's I指數具有一定的相關性，城市化過程中產業結構調整、城市規劃等引起的用地匹配和城市要素的空間變化是引起不同時期建設用地空間分布特征差異的主要原因.不同圈層的城鎮建設用地擴展的主要驅動因素也有明顯的不同，且不同城市化發展階段的驅動因素也不同.關興良等［23］對武漢群城鎮用地空間擴展的研究中也指出，不同時期城鎮用地變化的主導驅動機制有所差別.需要指出的是，論文僅根據成都市社會經濟綜合實力水平和社會經濟統計指標從社會經濟因素的角度討論了建設用地擴展的影響因素，實際上建設用地擴展具有復雜性，有關成都市建設用地空間特征的動態演變機制仍有待進一步的研究.下一步著重需要解決的問題包括:城市發展戰略和政策的定量表達，資源環境、自然條件和社會經濟因素對建設用地擴張影響的定量區分等.

致謝 成都信息工程學院校中青年學術帶頭人科研基金項目(J201414)對本文給予了資助，謹此致謝.

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