成都城市群城鎮用地時空變化分析

李昭穎，王 妍，曹良中

(九江學院，江西 九江 332005)

1 引言

城鎮用地變化是城鎮化推進的重要體現。通過闡述城鎮用地變化特征，能有效揭示自然環境和人類活動相互作用的程度，是實現從數據收集到知識凝練，理解城鎮土地時空格局變化對城鎮發展進程的響應，探索區域城鎮化背景下城鎮土地利用最優格局的重要樞紐。

國內外對城鎮用地時空格局量化描述的研究主要集中在以下2個方面。

(1)測度指數分析。基于GIS和數理統計方法構建定量化指數模型描述城市土地利用的變化特征，主要包括不同土地利用類型面積變化的幅度、速率等指數的建立與分析[1～3]，推動著城鎮化的快速發展，學者們更側重于描述城市擴張的速率和范圍變化等特征[4～6]。測度指數多樣實用，為深入探索城鎮空間演化過程提供了研究基礎和參考依據。

(2)城鎮空間擴張模式研究。城市空間擴張模式是對擴張演變過程類型的總結，對城市理論的驗證和城市發展的合理性分析有重要意義。國外關于城鎮擴張模式的研究由來已久，早期學者通過大量案例從宏觀擴張形態上進行歸納和總結，認為有同心圓、多核及扇形等多種擴張模式。由于缺少對城市內部微觀擴張的考慮，隨后學者們對擴張模式不斷有新的定義。Forman[7]從景觀生態學角度出發將擴張模式劃分為邊緣、廊道、單核、多核和散布式5種類型；Clarke等[8]基于SLEUTH城市擴張模型提出了自發式、新中心式、邊緣式和道路引力式4種擴張模[9～11]，與Forman相似；Wilson等[9～11]從景觀生態學出發，通過設定規則識別城市斑塊增長類型，包括填充、擴張和飛地式，其中又將飛地式細分為孤立、線性和組團式分支擴張[12]。此后，這些模式被廣泛應用于國外城鎮擴張研究中。

國內學者關于城市空間擴張模式也有很多實例研究，由于地域和發展水平差異，不同地區城市擴張呈現出不同的特征模式[13～15]。隨著研究的深入，研究對象不僅限于單個城市，對于區域層面的研究逐步增多，且多城市共性及差異研究成果日趨豐富[16～18]，普遍認為城市空間擴張模式主要有以下3種：填充式、邊緣式和飛地式，其他模式均可視為這3種基本模式的變種或者混合體[19，20]。

城鎮用地變化作為城鎮化時空格局演變最直接的表現，其測度指數和擴張模式分析的側重點雖各有不同，但均是城市化時空演變特征描述中的重要組成部分。城市系統是一個多尺度且極具空間異質性的“社會-經濟-自然”復合體，通過綜合運用遙感、GIS技術分析方法，從不同角度和不同尺度定量分析和理解城市系統的結構、功能和動態性，更有助于揭示城市化中復雜的多尺度格局過程間的相互關系。而目前較多研究仍僅從獨立個體城鎮時空格局演變進行分析，缺乏針對城市群的面向區域聯動的時空分析框架。因此，深入探索和總結城市群城鎮時空格局演變特征與規律，開展面向城市群的區域城鎮時空格局特征分析十分必要。

2 研究區域概況與研究方法

2.1 研究區域概況

成都市位于中國西南地區，是中國西部經濟第一大省四川省的省會城市，全市覆蓋12個市轄區、5個縣級市、3個縣。改革開放以來，成都市城市發展擴增顯著，在區域聯動影響下，成都市在快速發展的同時，也同步驅動綿陽、遂寧、樂山等周邊衛星城市城鎮用地面積不斷擴增。截至2020年，成都城市群城鎮化率超過65%。

根據城市的城鎮用地規模及行政級別差異，將成都城市群范圍內的城市劃分以下4個層級(表1)，并從城市群全局視角及不同層級城市的視角對成都城市群1980年份以來的城鎮用地變化分析。

表1 成都城市群城鎮分級

2.2 數據來源

由于研究區范圍大，本文選擇采用中等分辨率陸地資源衛星(Landsat)影像作為主要的光學遙感數據源，為收集1983年至今覆蓋研究區的Landsat時間序列數據，選擇成都城市群覆蓋范圍內含云量<10%的Landsat多波段數據，共采用Landsat4-5 TM、Landsat7 ETM、Landsat7 ETM+和Landsat 8 OLI 4種傳感器采集的衛星光學影像。

2.3 研究方法

本文采用遙感技術和地理信息系統空間分析方法，對各時期遙感影像解譯提取城鎮用地基礎數據源，然后進行波段數據融合，統一空間分辨率，再進行裁剪，最后提取成都城市群城鎮用地信息。分析研究期內成都城市群城鎮土地利用變化特征和規律以及城鎮空間擴張的現狀及規律，量化城鎮擴張指標進一步分析城市群城鎮用地時空格局演變特征。

2.3.1 城市擴張強度指數

城市擴張強度指數是一種通用的描述城市擴張水平的指標參數[21～23]。本文采用其對成都城市群不同時間段的城鎮用地面積擴張的強度進行定量描述。城市擴張強度指數公式如下：

(1)

式(1)中，I為城市擴張強度指數，ΔUi為某一時間段城鎮用地增長面積，Δt是時間區間，TLA是城市土地總面積。I越大則說明該時間段內土地擴張強度越大，反之越小。

2.3.2 城市緊湊度指數

該指數通過城鎮用地土地面積及土地外圍邊界周長計算獲得，用來測度城市城鎮用地空間分布的緊湊程度和飽滿程度，客觀反映城市空間形態。城市緊湊度指數公式如下：

(2)

式(2)中，C為城市城鎮用地緊湊度指數，A為城鎮用地面積，P是城鎮用地外圍邊界周長，C值越大表明城市城鎮發展越緊湊，反之城鎮發展形態越離散。

3 城鎮用地時空變化分析

本文利用成都城市群1980～2020年多期光學遙感衛星數據，在對成都城市群城鎮用地類型細分的基礎上，通過遙感信息提取技術，計算得到1980年(使用1980s數據)、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年共8期成都城市群城鎮用地數據，分別從城市群總體和城市群各中心城鎮研究城鎮用地變化。

3.1 城鎮用地分類體系建立

根據城市群城鎮擴張的用地變化特點，將成都城市群城鎮用地類型分為兩類(表2)。

表2 成都城市群城鎮用地分類說明

3.2 成都城市群城鎮用地變化分析

3.2.1 城市群城鎮擴張總體分析

按成都城市群城鎮用地類型進行時間序列變化分析。近35年以來，成都城市群建成區面積變化顯著，核心城市、區域性中心城市、地方性中心城市及一般縣市的城鎮建成區均明顯擴張。由表3可知，成都城市群城鎮建成區總面積增加1106.21 km2。城市群城鎮建成區面積擴張強度在不同時間階段內表現出差異性,2000年后，成都城市群城鎮建成區面積擴張加速，2000～2010年期間城市群城鎮建成區面積增加顯著，2010～2015年間建成區面積增加出現放緩，在2015～2020年又呈現快速擴張現象。從城市群城鎮建成區緊湊度指數來看，城市群覆蓋的縣市總體呈現出建成區形態及分布較為零散，且空間格局整體分布穩定，緊湊度較低。

表3 1980～2020年成都城市群城鎮建成區面積及擴張強度

從城市群其他建設用地的變化(表4)來看，1980～2020年間，成都城市群其他建設用地面積變化同樣顯著，城市群其他建設用地從地塊數量及地塊區域規模上明顯提升，其他建設用地總面積增加919.51 km2。表明過去35年內，成都城市群建成區周邊區域覆蓋的工業、建筑等相關產業處于適宜的發展環境，擴增速度明顯超過建成區發展狀態。同時，其他建設用地的快速擴增也為超級城市的孕育儲備了巨大潛能。從成都城市群其他建設用地面積擴張強度指標來看，2010～2020年間的擴張強度指數遠大于2005年之前，特別是2010～2015年間，城市群其他建設用地面積擴張強度達到頂峰，為近5年城市群建成區的擴張提供巨大潛能支撐。從城市群其他建設用地緊湊度指數來看，過去35年間，成都城市群其他建設用地地塊緊湊度呈線性減小趨勢，表明隨著用地面積不斷新增，成都城市群其他建設用地愈發零散擴增，且零散的其他建設用地主要分布于核心城市、區域性中心城市及地方性中心城市的周邊，是各城市城鎮建成區用地面積擴增的前期表現。

表4 1980s至2020年成都城市群其他建設用地面積及擴張強度

3.2.2 城市群中心城市擴張分析

3.2.2.1 核心城市

成都市作為成都城市群的核心城市，其城鎮用地面積在城市群中占比最大，在成都城市群城鎮擴張整體狀態導向中發揮決定性作用。由圖1可知，1980～2020年，城鎮建成區面積由134.39 km2擴增至831.58 km2，面積增幅超過500%。近10年，成都市城鎮建成區擴張強度指數均值為1，表現出強勁的擴張速率。此外，2005年后，成都市建成區面積占成都城市群總面積比重超過60%，是成都城市群快速發展的主力支撐。

圖1 1980～2020年成都市城鎮建成區面積及擴張強度

成都市其他建設用地面面積擴增同樣顯著(圖2)，由僅有的5.28 km2擴增至393.34 km2。同時，成都市其他建設用地在2005～2010年持續保持較高水平的擴張強度，使得成都市其他建設用地在城市群總體占比由17.47%提升至39.86%，并且在2010～2020年的10年內，其他建設用地面積在城市群同類土地利用中持續保持高占比。

圖2 1980～2020年成都市其他建設用地面積及擴張強度

3.2.2.2 其他中心城市

(1)從用地面積方面分析。3個區域性中心城市(綿陽、遂寧、樂山)中，綿陽市作為四川省第二大經濟城市，其城鎮建成區面積及其他建設用地面積均逐年增加，城鎮建成區擴增面積為90.93 km2。其他建設用地面積擴增相對較為明顯，由2.28 km2擴增至91.92 km2。遂寧市位于成都城市群東部，其城鎮建成區擴增面積為43.7 km2，其他建設用地擴增面積與綿陽市接近。樂山市作為四川省重要工業城市，城鎮用地結構與其他地區級城市有明顯差異，其他建設用地在城鎮用地的比例接近50%。城鎮建成區擴增面積為46.58 km2，其他建設用的面積稍有擴增，但城鎮用地面積擴張主要體現在城鎮建成區的面積增長。

4個地方性中心城市(德陽、資陽、眉山、雅安)中，德陽市城鎮建成區擴增面積為46.58 km2，其他建設用地面積由1.94 km2擴增至72.32 km2，占全市城鎮用地總面積的56.2%，突顯其工業擴張及建筑擴張特點。資陽市城鎮建成區擴增面積為24.77 km2，其他建設用地面積擴增高達100.78 km2，明顯高于建成區擴增強度，尤其近5年直接擴增56.47 km2。眉山市城鎮建成區直接擴增面積為56.75 km2，其他建設用地擴增幅度相較建成區增幅更大。雅安市城鎮建成區直接擴增面積為16.26 km2，為城市群各中心城市增幅面積最小的城市，其他建設用地總面積至2020年仍低于20 km2，整體建設程度相比城市群內其他中心城市較低(圖3、圖4)。

圖3 1980～2020年區域性、地方性中心城市城鎮建成區用地面積

圖4 1980～2020年區域性、地方性中心城市其他建設用地面積

(2)從用地面積擴張強度指數分析。3個區域性中心城市(綿陽、遂寧、樂山)中，綿陽市城鎮建成區面積擴張強度在2005～2010年間有小幅提升，其余階段面積擴張速度較為平穩；其他建設用地2015年后面積擴張強度指數顯著增大。遂寧市城鎮建成區擴張強度在2000～2010年，由0.06提升至0.2，面積擴張明顯，近5年面積擴張強度指數為0.24，達到歷史峰值。其他建設用地面積擴張強度指數在2010～2015年間達到峰值，為遂寧市城鎮建成區貢獻大量擴張儲備，直接刺激3遂寧市城鎮建成區面積擴增。樂山市城鎮建成區面積擴張強度指數在2010～2015年度指數為0.31，達到歷史峰值，其他建設用地面積擴張強度指數變化不大。

4個地方性中心城市(德陽、資陽、眉山、雅安)中，德陽市一直保持較高的城鎮建成區擴張強度，由于優越的地理區域優勢，2015～2020年間城鎮建成區用地面積擴張強度指數達到歷史擴張峰值；其他建設用地面積擴張強度指數在2010～2015年間為0.82，為隨后城鎮建成區擴張提供前期儲備。資陽市用地面積擴張強度變化不明顯，表明城鎮建成區發展為緩慢擴增型，但其他建設用地面積擴增強度明顯高于建成區擴增強度。眉山市城鎮建成區面積擴張強度保持低值水平，2000年后，臨近成都南郊區域的其他建設用地新增及擴增明顯。雅安市城鎮建成區面積擴張強度指數基本保持低值水平，擴張速率較低，說明雅安市城鎮建成區擴增幅度低于城市群整體擴增水平，其他建設用地方面，與城市群整體增幅也具有一定差距(圖5、圖6)。

圖5 1980～2020年區域性、地方性中心城市城鎮建設區用地面積擴張強度指數

(3)從城市群占比方面分析。3個區域性中心城市(綿陽、遂寧、樂山)中，綿陽市城鎮建成區面積除1980和1990年在城市群中占比較高外，基本保持在10%上下，其他建設用地面積占城市群其他建設用地面積比例自2000年后有所提升，近20年基本保持在10%上下。遂寧市城鎮建成區在城市群同類地塊的面積占比變化不大，2000年后遂寧市其他建設用地面積在城市群中的占比躍升至11.24%，之后保持在10%上下，表明遂寧市在2000年后處于城市群主力建設區域之一。樂山市城鎮建成區面積在城市群同類地塊的占比基本保持在3%上下，其他建設用地占城市群比例由54.88%下降到5.36%，說明城鎮用地擴增由工業用地為主導的傳統工業城市正在逐步向人居城市轉型。

4個地方性中心城市(德陽、資陽、眉山、雅安)，德陽市城鎮建成區面積在城市群城鎮建成區總面積占比保持在4%上下；2010～2015年間其他建設用地占比達到9.27%，為德陽市其他建設用地面積在城市群同類地塊面積的歷史最高的占比。資陽市城鎮建成區面積占比逐年下滑，說明資陽市城鎮建成區面積擴增速率低于城市群城鎮建成區整體增幅水平。眉山市自2000年后其他建設用地面積在城市群同類地塊中的占比明顯提升，特別是2015～2020年臨近成都南郊區域，其他建設用地新增及擴增明顯。雅安市城鎮建成區面積與其他建設用地面積在城市群城鎮建成區總面積的占比逐年降低(圖7、圖8)。

圖7 1980～2020年區域性、地方性中心城市城鎮建設區用地面積城市群占比

圖8 1980～2020年區域性、地方性中心城市其他建設用地面積城市群占比

1980年至今，成都城市群各中心城市在城鎮建成區及其他建設用地面積擴張方面具有一定規律性，成都市作為成都城市群的核心城市，2005年后進入快速發展階段，其建成區及其他建設用地面積擴張的規模和強度遠超城市群整體平均發展水平。在城市群核心城市的發展驅動下，多數中心城市于2005年后開始進入城鎮用地擴張加速期，部分傳統工業城市(如樂山)的城鎮用地擴張正在逐步從工業用地主導向人居城市發展轉型。

4 結論

通過利用成都城市群多年光學遙感衛星數據，經遙感信息提取技術和地理信息空間分析技術，計算成都城市群長時間序列城鎮擴張面積、城鎮擴張強度、城市緊湊度等數據，研究結果表明：

(1)近35年(1980～2020年)以來，成都城市群建成區面積變化顯著，核心城市、區域性中心城市、地方性中心城市及一般縣市的城鎮建成區均明顯擴張。

(2)2005年之后，成都城市群在成都市快速發展的驅動下，各中心城市也相應出現城鎮用地加速擴張的拐點。

(3)部分傳統工業城市(如樂山市)的城鎮用地擴張正在逐步從工業用地主導向人居城市發展轉型。

(4)城鎮用地擴張進程中，城鎮其他建設用地面積的擴張及擴張強度變化，與城鎮建成區擴張在時間和空間上出現此消彼長，說明城鎮其他建設用地是城鎮建成區擴張的重要儲備來源。