快速城鎮化區域城市形態時空演變特征分析
——以昆明市呈貢區為例

李強軍 LI Qiang-jun；楊宏瑞 YANG Hong-rui；吳曉偉 WU Xiao-wei；袁磊 YUAN Lei

（①云南省地礦測繪院有限公司，昆明 650217；②云南云金地科技有限公司，昆明 650101；③云南師范大學地理學部，昆明 650500）

0 引言

城市空間形態結構是城市功能空間在一定區域內的相互作用和相互關系在區位、分布形式、集聚規模和程度等方面的具體反映[1]。近年來，隨著城市的快速發展，城市形態演變特征成為科學衡量和評價城市擴張的重要指標[2]。通過將城市形態演變與城市土地利用變化聯系起來，分析城市形態演變的特征，可以為快速城鎮化背景下的城市土地利用空間優化和開發邊界劃定提供參考。

城市空間形態研究最早萌芽于19 世紀初。伴隨城市研究的不斷深入和各學科之間的交叉，地理學、建筑學和人文學科等學科率先將形態學引入到了城市的研究范疇中，將城市看作是一個有機體來觀察和研究，以便探討城市的發展機制[3]。國外學者對城市空間形態及其結構的研究較早，理論也較完善。由于我國相關研究起步較晚，對城市形態結構的研究主要集中在數學推導和數學模型的運用。例如，運用帕雷托（Pareto）模型揭示城市規模分布的時間演變特征[4]；引入城市建設用地擴展彈性系數對建設用地擴展合理性進行研判[5]；基于分形維數和形狀指數的城市空間形態變化研究[6]；引入城市景觀指數和核密度估計的城鎮建設用地群態化特征及演變模式研究等[7]。現有研究表明，快速城鎮化是推動城市及周邊土地利用類型轉變的主要動力[8]。呈貢新區作為云南省近年來快速城鎮化的重點區域，明確其城市形態時空演變特征對該區域的未來發展至關重要。本文基于中國快速城鎮化的典型區——昆明市呈貢區為例，利用地統計和GIS 空間分析技術對昆明市呈貢區城市空間形態演變進行分析，探討城市演化規律和驅動因素，為指導研究區城鎮未來空間發展提供科學依據和決策支持，為其他相似區域城鎮化形態演化定量分析提供參考和借鑒。

1 研究區概述

呈貢區位于云南省昆明市東南部，地處東經102°45′-102°59′和北緯24°21′-24°45′，該區東南方和東北方都是高山，東部和西部為陽宗海和滇池，地勢東部高，西部低，海拔1775-2820m 之間，境內最高為梁王山主峰，海拔2820m。全區面積461km2，下轄龍城、斗南、吳家營、雨花、洛龍、烏龍、馬金鋪、大漁、洛羊和七甸10 個街道。2003年，云南省啟動現代新昆明建設，率先開發呈貢新區，呈貢進入快速城鎮化發展階段。2011 年，昆明市行政中心遷至呈貢新區。目前，昆明市行政中心和大學城均位于該研究區，轄區內共有云南大學、昆明理工大學、云南師范大學、云南民族大學等9 所高校，常住人口約40 萬人[9]。2020年，在統籌疫情防控和經濟社會發展后，呈貢區經濟運行呈逐季改善、逐步恢復常態，全區經濟運行自上半年扭負為正后持續穩定恢復。2020 年，全區實現地區生產總值（GDP）508.59 億元，比上年增長5.1%。2022 年，呈貢區地區生產總值為5910507 萬元，同比增長5.9%，總量在昆明14 個縣區中居第六位，增速在14 個縣區中排名第二位。兩年平均增長4.9%。其中，第一產業增加值為67610 萬元，同比增長2.3%；第二產業增加值為2422964 萬元，同比增長6.7%；第三產業增加值為3419933 萬元，同比增長5.5%。然而，隨著呈貢新區的快速發展，出現了土地城鎮化進程加快、人口城鎮化動力不足的問題[10]。

2 數據來源和數據處理

本文所需的指標數據分別來自《呈貢年鑒》和《昆明年鑒》；采用的遙感數據是Landsat 系列衛星獲取的2002 年、2007 年、2013 年和2017 年的4 景影像，分辨率為30m，遙感數據具體參數見表1。

表1 采用的遙感數據參數

根據遙感影像不同特征的差異，分析地物的光譜和空間信息。本研究采用監督分類法提取呈貢區各類土地利用信息，首先需要對遙感圖像上某些區域中影像地物的類別屬性有一定的先驗知識，對每一種類別選取一定數量的訓練樣本，利用計算機進行訓練，從而實現對遙感影像的分類[11]。遙感影像中的像素主要劃分為6 類，分別為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地。為了確保分類的精度和可靠性，利用Google earth 的同期影像進行精度驗證，其中總體精度和Kappa 系數均較高，遙感影像分類效果較好，能夠滿足本文對呈貢區建設用地城市化形態時空特征的分析要求。

3 研究方法

3.1 建設用地擴張速度分析

為了揭示研究區城鎮形態的演變規律，更準確地定量分析呈貢區城鎮用地的擴張速度，引入城市擴張年速度指數來表征各階段建設用地的總體規模和趨勢。它是指某空間單元在研究時期內建設用地的年平均擴展面積[12]。計算公式為：

式中，V 表示年度擴張速度，Ua表示研究年跨度第一年的建設用地面積，Ub表示研究年跨度最后一年的建設用地面積；T 是時間跨度，單位是年。

3.2 城市擴張動力分析

引入城市擴展動態指數，即建設用地數量的年變化率，定量分析城市土地利用變化率，明確建設用地的變化情況[13]。公式如下：

式中K 為擴展動態度；Ua是研究年跨度第一年的建設用地面積，Ub是研究年跨度最后一年的建設用地面積；T 是時間跨度，單位是年。

3.3 城市擴展強度分析

城市擴展強度是反映建設用地空間擴展強弱或快慢的指標，其實質是對研究區建設用地的年均擴展程度進行標準化處理，使不同時期建設用地的擴展程度具有可比性。城市擴張強度指數實際上是按單位土地面積劃分的建設用地平均擴張率的標準化。公式如下[14]：

式中，UI 為膨脹強度；Ua是研究年跨度第一年的建設用地面積，Ub是研究年跨度最后一年的建設用地面積，U是研究區的總土地面積；T 是時間跨度，單位是年。

3.4 擴展綜合指數分析

以上三個指標都只是從一個角度計算城市的擴張。因此，結合上述三個因素，引入了歸一化過程，并引入了擴展綜合指數。該指數是在分別測度建設用地擴張速度、擴張動力和擴張強度的基礎上，參考內梅羅公式將3 項指數進行合成。擴展綜合指數不僅考慮了擴展的相對變化率，也考慮了擴展基數的影響，還考慮了擴展的重要性程度。公式如下：

式中SI 為擴展綜合指數；Ua是研究年跨度第一年的建設用地面積，Ub是研究年跨度最后一年的建設用地面積，U 是研究區的總土地面積；T 是時間跨度，單位是年。

4 結果和分析

4.1 城市結構演變特征分析

基于上述城鎮用地擴張速度、擴張動力、擴展強度、擴展綜合指數的計算，結果如表2 所示。

表2 研究區城鎮結構演變指數

2002-2007 年，研究區雖然面積增量相對較小、年擴展速度較慢、擴展強度較弱，但仍處于中等偏快的擴張狀態。并且，由于2002 年建成區面積較小，擴展動態度和擴展綜合指數因此較高，擴展量明顯；2007-2013 年，建成區面積增量最大、年擴展速度最快、擴展強度最大，并且擴展動態度和擴展綜合指數也較高，由此可見這一階段為呈貢區城市形態演變最為顯著的一個階段，屬于城鎮快速擴張階段；2013-2017 年，這一階段面積增量相對于2007-2013年階段有了一定的減緩，但年擴展速度和擴展強度依然較大，也屬于中等偏快的擴展階段。

4.2 城市形態演變空間特征分析

采用GIS 空間分析功能，對研究區2002 年、2007 年、2013 年和2017 年的城鎮用地擴張狀態進行制圖分析，其中，紅色代表建設用地動態變化，結果如圖1 所示。

圖1 呈貢區城市形態演變

從空間分析的結果可知，研究區城鎮用地規模不斷擴大，呈現出持續擴張的態勢。在2002 年至2007 年的基礎上，建設用地向外擴張，開始向東延伸一定距離。2013 年，在2007 年的基礎上，城鎮用地發生了填充式擴張，城鎮邊界發生了顯著變化。呈貢區過去15 年建設用地的主要擴展方向在西北和西南方向。

該擴張趨勢是自然環境、政策取向、經濟社會等多因素共同作用的結果。就自然因素而言，呈貢區東南部和東北部均為高山，東部與陽宗海相鄰。地勢東高西低，呈貢區開發中心西北、西南相對平坦；政策方面，呈貢區作為昆明市的行政中心，聚集了一批大學和高科技產業園區，大量公共服務設施的建設，使呈貢新區發生了重大變化；社會因素方面，隨著人口的大量遷移和公共交通的快速發展，呈貢區人口集聚也促進了其城市形態結構的改變。

5 結論

在快速城鎮化的背景下，城市功能形態空間的出現導致了城市空間結構的演變。本文在城鎮用地擴張速度、擴張動力、擴展強度、擴展綜合指數和GIS 技術支持下，通過對遙感數據的處理和分析，研究了昆明市呈貢區2002-2017 年城鎮空間形態的擴展和演變，探討了其擴展的驅動因素。運用空間分析技術，對昆明市呈貢區城市空間結構演變進行定量分析，揭示內部功能空間集聚擴散特征和城市形態演變。研究結論如下：近15 年呈貢區城市形態擴張均屬于中高速發展階段，2002-2007 年擴展變化明顯，2007-2013年擴展變化最為顯著，2013-2017 年擴展速度減緩，但仍然處于中等偏快的擴展狀態。此外，呈貢區城市形態演變具有明顯的時空特征，建成區多位于呈貢西部。這種擴張態勢受2003 年5 月云南省啟動“一湖四環”“一湖四片”的建設現代新昆明戰略影響顯著；其次，地形和其他地理環境等內部適應因素也是研究區城市發展過程中空間演變的重要影響因素。