基于GIS的聊城市建成區(qū)空間擴張研究

湯 力，劉一光

(青島理工大學(xué) 建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，青島 266033)

城市空間的擴張一直是城市問題的研究重點，土地的可持續(xù)利用是城市發(fā)展的必然要求[1]。在國土空間開發(fā)規(guī)劃新背景的要求下，運用GIS技術(shù)與數(shù)理統(tǒng)計方法分析城市空間擴張的時空特征以及驅(qū)動機制，將對城市低效用地與存量用地的判定起到積極的指導(dǎo)作用。國內(nèi)對城市擴張方面的研究相對于國外起步較晚，但發(fā)展速度很快，在“城市空間利用”方面已經(jīng)形成了較為完善的概念、技術(shù)等框架體系。如王士君等利用GIS技術(shù)提取了區(qū)位坐標(biāo)、城市形態(tài)、用地規(guī)模等相關(guān)信息，分析了1984年以來大慶的建成區(qū)空間擴張規(guī)律[2]。譚雪蘭等應(yīng)用多元回歸模型分析了長沙市空間擴展的影響因素，得出長沙市主要驅(qū)動力是快速推進的工業(yè)化、社會經(jīng)濟發(fā)展水平、交通區(qū)位引導(dǎo)以及相應(yīng)的國家政策制度[3]。吝濤等指出行政區(qū)劃演變、城市總體規(guī)劃的演變、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展布局、地形、圍填海、交通、人口分布等七大因素影響廈門島的空間擴張[4]。此外，還有諸多學(xué)者對淮北、武漢、寧波、長春等城市進行了城市空間形態(tài)、土地利用模式等方面的分析[5-9]。

聊城作為魯西地區(qū)重要城市，在新的時代發(fā)展背景和時間節(jié)點上，特別是大運河成功申請世界遺產(chǎn)、大運河文化帶崛起的發(fā)展戰(zhàn)略契機下，運用新技術(shù)對聊城市建成區(qū)拓展的時空特征進行分析，并對其空間拓展的動力機制進行剖析，對于指導(dǎo)聊城未來發(fā)展具有十分重要的意義。

1 研究設(shè)計

1.1 聊城概況

1.1.1 地理區(qū)位

聊城市介于東經(jīng)115°16′～116°32′和北緯35°47′～37°02′之間，地處冀魯豫交界，東靠濟南、西臨邯鄲、北依德州、南接濮陽和菏澤，是連接中原和西北地區(qū)、通往沿海的重要開放口岸。在戰(zhàn)略發(fā)展層面，聊城先后被國家列入中原經(jīng)濟區(qū)，被山東省列入“省會城市群經(jīng)濟圈”“西部經(jīng)濟隆起帶”以及在2016年納入國家戰(zhàn)略“京津冀協(xié)同發(fā)展區(qū)”。聊城市相比魯西德州等市，目前交通地位一般，鐵路有京九鐵路、邯濟鐵路穿城而過，濟館高速公路也經(jīng)過聊城。

1.1.2 經(jīng)濟水平

2017年，聊城市地區(qū)生產(chǎn)總值為3013.55億元，按可比價格計算，比上年增長7.50%，位列全省第12名，占山東省總產(chǎn)值比重4.15%。三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比重11.50∶49.40∶39.10，居民消費水平偏低，2017年聊城市全體居民人均消費水平17 581元，僅高于臨沂市和菏澤市(圖1)。

圖1 2017年山東各市經(jīng)濟情況

1.1.3 社會發(fā)展現(xiàn)狀

按照聊城市公安局戶籍統(tǒng)計人口數(shù)據(jù)可知，2017年聊城市戶籍總?cè)丝谶_到639.69萬人，常住人口城鎮(zhèn)化率為50.34%，相比2016年增長1.84%。

1.2 數(shù)據(jù)收集及研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)收集

本文遙感影像分別來源于聊城市1985，1996，2006和2017年4期Landsat TM和Landsat 8OLI，分辨率為30 m。除2017年數(shù)字遙感數(shù)據(jù)略有云量外，其余均無云層覆蓋，成像質(zhì)量優(yōu)良。同時，該4期影像成像時間均為6月或7月。此外，相關(guān)分析數(shù)據(jù)還來源于1985—2017年的社會經(jīng)濟統(tǒng)計公報、政府工作報告以及部分聊城市統(tǒng)計年鑒和山東省統(tǒng)計年鑒等。

1.2.2 研究方法

本文在ENVI 5.1和Arcgis 10.2等相關(guān)軟件的支持下，首先對4期遙感影像進行解譯。采用目視解譯方法提取聊城市的土地利用信息，并在Arcgis中繪制出聊城市建成區(qū)的范圍，重點分析聊城市建成區(qū)的時空拓展特征。

2 聊城市城市發(fā)展歷史進程

2.1 聊城市建成區(qū)擴張的空間特征

從1985，1996，2006和2017年聊城市建成區(qū)范圍可以直觀看出(圖2)，聊城市空間拓展在近30年經(jīng)歷了北向、東擴、南展3個發(fā)展階段。在1997年之前，聊城作為縣級市，且在山東省“海上山東” “黃河三角洲開發(fā)”兩大戰(zhàn)略背景下，投資大范圍地向東部沿海傾斜，同時由于西部鐵路與南部天然河流的阻隔，使得聊城偏向于北、東兩處交通環(huán)境更便利的門戶區(qū)擴張，但由于此時的聊城為魯西地區(qū)的縣級市尚未得到重視而發(fā)展極為緩慢。1997年8月，聊城撤地設(shè)市，城市發(fā)展重點由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟轉(zhuǎn)向城市經(jīng)濟，城市建設(shè)開始逐步駛上快車道。聊城開始實施“大開放、大招商，促進大發(fā)展”戰(zhàn)略，同時“江北水城”的框架也基本形成。特別是1992年聊城開發(fā)區(qū)正式獲批，1995年正式啟動建設(shè)，位于徒駭河?xùn)|部的開發(fā)區(qū)迎來了新一輪的建設(shè)發(fā)展，城市建成區(qū)實現(xiàn)跨河向東發(fā)展。2006年聊城市提出要制定全市流通業(yè)發(fā)展規(guī)劃，加快在城區(qū)北部建設(shè)大型物流基地，城區(qū)北部在政策的大力引導(dǎo)下得到進一步的發(fā)展。同時，隨著聊城確定融入濟南都市圈的戰(zhàn)略以及聊城開發(fā)區(qū)于2013年3月2日被國務(wù)院批準(zhǔn)升級為國家級經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)后，大量投資涌入，使其經(jīng)濟得到爆發(fā)式增長，人口大量聚集到城區(qū)，其用地規(guī)模也進一步擴大。

2.2 聊城市建成區(qū)擴張的時間特征

總體而言，2003—2017年的15年間，聊城市建成區(qū)擴張非常明顯(表1)。2003年，聊城市市區(qū)面積為1245.00 km2，建成區(qū)面積為50.01 km2，建成區(qū)僅占市區(qū)總面積的4.01%。以遙感影像后時間為準(zhǔn)，2006年建成區(qū)面積為59.00 km2，2017年聊城市市區(qū)面積增長至1710.00 km2，建成區(qū)面積為104.70 km2。2006年和2017年建成區(qū)分別占市區(qū)總面積的4.70%和6.12%。具體看，2003—2006年建成區(qū)面積增加了17.98%，年均增長速度為5.72%；2006—2017年，建成區(qū)面積增加了77.46%，年均增長速度為5.52%，說明近10年聊城市建成區(qū)擴張相比之前更為明顯，同時佐證了圖2解釋的空間擴張?zhí)卣鳌?/p>

表1 2003—2017年聊城市城市建設(shè)用地情況 km2

從具體用地角度而言，各項用地面積均不斷增加，但增長速率略有不同。居住用地自2003年的13.58 km2增至2017年的30.20 km2，年均增長速度達6.55%，快于城市建成區(qū)的擴張速度，但占城市建設(shè)用地面積則大體不變，基本維持在26%～35%的區(qū)間。工業(yè)用地自2003年的9.15 km2增至2017年的21.40 km2，年均增長6.41%，從側(cè)面說明了近十幾年來聊城工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展較好，工業(yè)用地擴張迅速的特征。工業(yè)用地在2003—2013年占城市建設(shè)用地面積比重不斷上漲，從20.13%增長至29.90%，說明該時段建設(shè)用地的增加基本為工業(yè)布局服務(wù)。公共管理與公共服務(wù)用地從2003年的7.59 km2增至2017年的10.30 km2，年均增長速度為2.77%，遠低于城市建成區(qū)的擴張速度。道路與交通設(shè)施用地自2003年的3.84 km2增至2017年的20.10 km2，年均增長速度高達19.58%，其占城市建設(shè)用地面積的比重也一路增長，2003年聊城市道路與交通設(shè)施用地僅占城市現(xiàn)狀建設(shè)用地比重8.45%，至2017年占比高達20.30%。

3 動力機制分析

3.1 研究方法

為理清聊城市空間擴展的驅(qū)動機制，本文采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對聊城市建成區(qū)面積與各影響因素的關(guān)聯(lián)度進行分析。影響因素參考其他相關(guān)文獻，選擇總?cè)丝凇DP、工業(yè)生產(chǎn)總值、地方財政收入。

在分析過程中，采用按照三級指標(biāo)平權(quán)設(shè)置的方法進行分析。其計算過程如下：

1) 根據(jù)本文的評價目標(biāo)確定聊城市建成區(qū)面積為參考序列，一般表示為xo={xo(1),xo(2),…,xo(n)}。選取建成區(qū)擴張的驅(qū)動因素作為比較序列，一般表示為xi={xi(1),xi(2),…,xi(n)},i=1,2,…,m。

2) 對以上兩大數(shù)列進行無量綱化處理。由于本文中指標(biāo)均為收益型指標(biāo)，故其標(biāo)準(zhǔn)化公式為

式中：rij為無量綱化值；xij為第i對象的第j指標(biāo)的實際值。

3) 計算2個序列在同一時刻的絕對差值，記為Δi，即

Δi=|x0'(k)-xi'(k)|i=1,2,3,…,m

4) 計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度：

式中：ζi(k)為x'i對x'0在時刻k的關(guān)聯(lián)系數(shù)；ri為二者的相關(guān)度，反映的是自變量和因變量整體相關(guān)性；δ是分辨系數(shù)，一般取δ=0.5。

3.2 結(jié)果分析

2003—2017年聊城市建成區(qū)面積及影響聊城市建成區(qū)空間擴張的因素數(shù)據(jù)見表2。

表2 2003—2017年聊城市建成區(qū)面積及四大指標(biāo)數(shù)據(jù)

通過對上述四大變量進行灰色關(guān)聯(lián)分析，得出2003—2017年影響聊城市建成區(qū)擴張的因素按關(guān)聯(lián)程度依次排序為地方財政收入、地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)、總?cè)丝诤凸I(yè)總產(chǎn)值，該四大指標(biāo)與建成區(qū)擴張的年均灰色關(guān)聯(lián)度分別為0.812，0.783，0.778和0.771(表3)。

表3 2003—2017年四大指標(biāo)與聊城市建成區(qū)面積的灰色關(guān)聯(lián)度

地方財政收入與地區(qū)生產(chǎn)總值是影響建成區(qū)擴張的前2個因素，這說明經(jīng)濟是促進城市空間擴張的主要驅(qū)動力。一般而言，經(jīng)濟的發(fā)展會促進收入的提高，人們的需求也會隨之提高。這時增長的需求必然帶來產(chǎn)業(yè)投入和產(chǎn)出的提高，亦會帶來人口和產(chǎn)業(yè)的聚集。城鎮(zhèn)內(nèi)聚集的人口增多，對城市用地的要求會更多，這直接推動了城市建成區(qū)規(guī)模的增大，參考國內(nèi)主要城市的發(fā)展歷程也可得出這個結(jié)論。地方財政收入與地區(qū)生產(chǎn)總值的增長同時也意味著政府有更多的資本投入到城市建設(shè)與發(fā)展之中，特別是對于交通設(shè)施的投資，直接促成了城市化水平的提高，從而不斷促進聊城市建成區(qū)的空間擴張。

工業(yè)生產(chǎn)總值的增加亦促進了聊城市建成區(qū)規(guī)模的擴張，但關(guān)聯(lián)強度不如上述2個因素。說明聊城目前的人口吸引能力還有較大的潛力尚未開發(fā)出來，同時其工業(yè)化水平也處于初期，對人口的吸引力較小，不能較好地促進城市建設(shè)用地規(guī)模的擴大。

值得說明的是，從整個時間序列上講，以上4個因素對建成區(qū)擴張的影響是越來越小的，特別是地方財政收入的灰色關(guān)聯(lián)度下降最快，這說明隨著聊城經(jīng)濟的進一步發(fā)展，依托地方財政投資進行城市空間擴張的發(fā)展模式正逐步地被轉(zhuǎn)變，城市建成區(qū)用地被逐漸優(yōu)化，建成區(qū)擴張逐漸朝著更科學(xué)、合理的方向發(fā)展。反而相對其他指標(biāo)，工業(yè)總產(chǎn)值成為主要的影響因素，這說明聊城市在經(jīng)過一系列的產(chǎn)業(yè)調(diào)整與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化后，其城鎮(zhèn)化發(fā)展已經(jīng)進入到中期，進入了以工業(yè)為主的第二產(chǎn)業(yè)(特別是國家級開發(fā)園區(qū))帶動建成區(qū)拓展的階段。

4 結(jié)論

1) 以聊城市為研究區(qū)域，運用遙感、GIS技術(shù)以及數(shù)理統(tǒng)計分析，對1985—2017年的聊城市市區(qū)的空間利用狀況進行動態(tài)分析，揭示土地利用及市區(qū)拓展的時空特征；聊城市城市用地由于鐵路和天然河流的阻隔，在政府政策和資金引導(dǎo)下，促使其先后向北、東、南三處擴張。

2) 通過分析數(shù)據(jù)得知，在時間上，城市建成區(qū)面積的增長與圖像呈現(xiàn)規(guī)律相符。同時在此基礎(chǔ)上分析市區(qū)擴張的動力機制，分析得出地方財政收入、地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)、總?cè)丝诤凸I(yè)總產(chǎn)值四大指標(biāo)與建成區(qū)擴張有著較強的關(guān)聯(lián)程度，且關(guān)聯(lián)度依次降低。

3) 地方財政收入的擴大會帶來政府資本投入的擴大，進而促使聊城建成區(qū)面積的增加。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，特別是工業(yè)經(jīng)濟的不斷發(fā)展，以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，直接擴大了建成區(qū)的面積。同時，聊城市總?cè)丝诘脑黾樱鄳?yīng)促進了常住人口城鎮(zhèn)化率的提高，這也進一步影響了城市建成區(qū)空間的擴張。