遼寧省城市建設用地擴張時空分異特征

郭力娜,訾豐嬌,姜廣輝,趙艷霞,王 剛

1.華北理工大學礦業工程學院,河北 唐山 063210

2.北京師范大學地理科學學部,北京 100875

3.華北理工大學管理學院,河北 唐山 063210

0 引言

根據國家統計局的數據,2022年我國城市化率達65.22%,相比改革開放之初的17.92%增長了2.64倍,但同時與城市快速發展伴生的城市病不斷出現,不僅影響了城市生態環境質量[1],城市在空間上的無序擴張也占用了周邊大量優質耕地,對糧食生產形成了一定壓力。在全國快速城市化的背景下,特別是在國家提出振興東北老工業基地戰略決策后[2],作為東北三大省之一的遼寧省,1990—2020年以來,全省GDP由0.163萬億增長到2.501萬億;隨著經濟迅速發展,城鎮化率由41.99%增長為72.14%,城鎮化水平整體呈現上升趨勢,并始終快于全國發展水平。2010年開始,遼寧省人口出現凈流出,城鎮化進程開始放緩,但城市建設用地面積仍增長迅速[3]。遼寧省素有“六山一水三分田”之稱,省內自然地理環境存在明顯的空間差異,經濟發展也表現出一定的差異,受其影響,城市發展及其空間擴張也存在差異,因此有必要對其進行詳細研究。

國內外對于城市建設用地擴張的研究比較豐富,研究視角主要包括以下方面。1)宏觀尺度多探究發達地區城市群的擴張變化以及城市群之間的發展差異。如:胡盼盼等[4]以珠三角城市群9座城市為研究對象,分析珠三角城市群尺度上城市擴張的時空變化特征;張穎詩等[5]選取1998—2017年城市建設用地數據,將粵港澳大灣區與京津冀地區建設用地擴張時空差異進行對比分析,探究兩大地區擴張影響因素;徐夢潔等[6]選取長三角城市群作為研究區,采用夜間燈光數據提取城市群空間信息,研究城市擴張類型并選擇典型城市進行擴張效益評價并進行耦合分析。2)中觀尺度上多探究城市擴張數量、強度及其對周邊地類的影響,研究內容主要集中在城市擴張的時空特征[7-9]、模式[10-11]及預測模型[12]上。如:歐陽曉等[7]選取不同等級的城市群作為研究對象,構建人口、經濟與城市用地協同發展指數,據此分析城市用地擴張中的人地關系協同程度以及不同城市群的城市用地擴張時空特征;劉紀遠等[10]首次提出利用凸殼原理識別建設用地擴張類型的方法,該方法將城市用地類型分為填充式和延伸式類型,定量分析了城市擴張類型的問題;俞艷等[11]以武漢市作為案例區,采用公共邊測度法構建城市擴張模式模型,用以分析武漢市城市擴張模式。但在中觀尺度下,區域內部典型城市之間的差異對比略有不足。3)在建設用地信息提取方面,遙感監測技術已成為最主要的技術手段,國內外大量學者在研究城市擴張的過程中都利用了遙感影像提取城市建設用地,廣泛運用擴張速度、分型指數、蔓延指數等指標,對城市擴張進行定量化研究探索[13-16]。

從現有的研究來看,目前針對東北地區城市建設用地擴張的研究不及發達地區豐富,在東北地區人口不斷外流的城市化背景下研究城市擴展態勢和模式或許可以為新型城市化提供參考。基于此,研究選取遼寧省不同方位的沈陽、大連、丹東、朝陽4個城市為典型案例城市,以1990、2000、2010、2020年4期遙感影像解譯數據為基礎,對30年來4個城市的建設用地占比擴張強度、形態和模式等特征和時空差異進行分析,以期為城市擴張研究提供數據支持及為新型城市化建設提供數據參考。

1 研究區概況與數據源

1.1 研究區概況

遼寧省位于東北地區南部,與黃海,渤海相連,西南與河北接壤,西北與內蒙古毗連,東北與吉林為鄰,屬溫帶季風性氣候。在地形地貌上,全省整體是“六山一水三分田”,呈馬蹄形,向渤海傾斜。目前,全省下轄14個地級市、16個縣級市、25個縣、59個市轄區。

研究選取遼寧省不同方位的沈陽、大連、丹東、朝陽4個城市為典型案例城市(圖1),其中:沈陽位于遼寧省中部,為省會城市;大連為東南沿海僅次于沈陽的大城市;丹東位于遼寧東部,是全省重要生態屏障區;朝陽位于遼寧省西部,歷來是溝通內蒙古、京津冀的交通要道。

a． 研究區位置;b. 沈陽地勢;c. 大連地勢;d. 丹東地勢;e. 朝陽地勢。

截至2022年,遼寧省的城鎮化水平整體呈現上升趨勢,并始終快于全國平均發展水平;2010年開始,遼寧人口出現凈流出,城鎮化進程開始放緩。1990年,沈陽市GDP排名全國第7,到2000年排名14,2010年排名17,經濟發展增長速度呈下滑趨勢;大連市經濟30年間迅速發展,但增長率同沈陽市一樣,逐步下滑;丹東市經濟實現中高速增長,到2020年地區生產總值和城鄉居民人均收入比2010年翻一番;朝陽市GDP總量由1990年的32.88億元增長為2020年的876億元,增長了25.6倍,經濟發展迅速。遼寧省“十四五”規劃中明確提出,主動適應國家重大區域戰略要求,形成以沈陽、大連“雙核”為牽引的“一圈一帶兩區”區域發展格局。

研究區4個城市分別位于遼寧省中部平原、濱海平原和東西部丘陵區,存在地形差異,且城市間經濟發展狀況也不相同,具有一定代表性。

1.2 數據獲取與預處理

1)遙感數據。研究區土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn),研究時段分別選取為1990、2000、2010及2020年。其中1990、2000、2010 年各期數據的遙感解譯主要使用 Landsat-TM/ETM(enhanced thematic mapper)遙感影像, 而2020 年土地利用/覆蓋數據更新主要使用Landsat 8 遙感影像。土地利用數據的分類系統采用三級分類系統[17-18]：一級分為6 個類型,主要根據土地資源及其利用屬性,分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用土地;二級主要根據土地資源的自然屬性,分為 25個類型;三級分為8個類型。分類精度達97.3%,分辨率為30 m。對4期數據進行統一柵格轉矢量并統一投影,對屬性信息分類整理。

2)城市建設用地界定。依據《城市用地分類與規劃建設用地標準》(GB 50137—2011)[19],城市建設用地[20-22]指城市內的居住用地、公共管理與公共服務用地、商服用地、工業用地、物流倉儲用地、道路與交通設施用地、公用設施用地、綠地與廣場用地[23-24]。本研究“城市建設用地”與上述標準在內涵上保持一致,并結合中國土地利用/土地覆蓋遙感監測數據分類系統中的1980—2020 LUCC(land-use and land-cover change)分類體系,對研究區4個時期城市建設用地空間信息進行提取,利用ArcGIS軟件將解譯數據中的二級類涉及的城鎮用地并為一級類作為城市建設用地遙感解譯標準,最終提取4個典型城市4個時期的建設用地用于后續研究。

3)其他數據。行政邊界數據來源于遼寧省自然資源廳,高程數據由地理空間數據云下載并經過校準與預處理。

2 研究方法

2.1 擴張強度指數

擴張強度指數(I)[7]是指某空間單元在不同時期內城市用地擴張面積占原有城市面積的百分比,反映不同時期城市用地擴張情況,可用于研究城市用地擴張強度,縱向對比城市的用地擴張態勢。計算公式為

(1)

2.2 擴張強度差異指數

擴張強度差異指數[7]為城市建設用地擴張強度與整個研究區城市建設用地擴張強度的比值,表征不同城市之間擴張強度的差異,計算公式為

(2)

式中:IDn為第n個城市的擴張強度差異指數;At1、At2分別為t1、t2時間整個研究區的城市用地面積。

2.3 公共邊測度法

公共邊測度法[11]是基于幾何思想的研究方法,其中公共邊表示的是2個面狀要素的公共邊界,可以表達2個面狀要素之間的關系。城市建設用地由多個多邊形構成,新增城市用地和原始城市用地的公共邊測度法可用于界定新增用地的擴張模式。其計算公式為

(3)

式中:S為公共邊指數;L為新增城市建設用地斑塊與現有城市建設用地斑塊的公共邊長度;P為新增城市建設用地斑塊的總邊長。當S=0時,擴張模式類型定義為飛地式擴張;當0

a. 飛地式;b. 蔓延式;c. 填充式。

傳統的公共邊測度法涉及多期數據集整理及數據批量處理,重復性工作較多,工作難度及工作量比較繁瑣。為提高數據處理效率及準確性,本研究利用ArcGIS中的二次開發工具Arc Engine進行編程。該程序分為3步:首先融合相交分析代碼,提取新增城鎮建設用地與原有建設用地公共邊;然后統計新增建設用地與原有建設用地公共邊長度與新增建設用地總周長;最后根據式(3)計算公共邊指數,確定擴張模式。

3 結果與分析

3.1 城市建設用地空間分布與變化

3.1.1 不同時段提取結果與空間分布

整理經過精度驗證的遙感解譯結果并進行空間制圖,用以分析不同時段城市建設用地數量和空間分布特征,結果見表1、圖3—圖6。

表1 城市建設用地面積及占比匯總表

圖3 1990—2020年沈陽市建設用地空間分布

根據表1,1990年沈陽、大連、丹東、朝陽城市建設用地占地總面積為636.48 km2,至2020年城市建設用地總面積為1 552.87 km2,30年間城市建設用地面積共增長了916.39 km2,建設用地迅速擴張。4個時期城市建設用地面積從大到小均為沈陽、大連、丹東、朝陽。4個城市中,沈陽城市總面積較小,城市建設用地面積和城市建設用地面積占比均最大;而朝陽城市總面積最大,建設用地面積最小,說明城鎮化率最低,其原因歸于朝陽市山地丘陵較多,可供城市發展的局限性較大。整體上,30年間建設用地占比呈上升趨勢,且隨著時間推移擴張態勢更加明顯,但不同城市間存在明顯差異。

如圖3和表1所示,沈陽城市建設用地分布情況相對聚集。1990年,城市建設用地面積為307.68 km2,主要集中分布在皇姑區及大東區南部,沈河區西部,于洪區、和平區及鐵西區北部;到2020年,建設用地面積增長為730.25 km2,空間上蔓延至北部的沈北新區及南部的渾南區和蘇家屯區,向主城區東南部和東北部擴張明顯。沈陽作為遼寧省省會,且建成區多位于沖積平原,行政區域面積大,存在較為可觀的擴展空間。

如圖4和表1所示,大連城市建設用地空間演變同樣十分顯著,截至2020年,城市建設用地面積為562.49 km2,4個時期城市建設用地占比分別為1.53%、2.30%、3.03%、4.47%,增長變化僅次于沈陽,但遠高于朝陽和丹東。空間上,大連城市建設用地主要集中在南部沿海區域,如金州區南部、甘井子區、西崗區、中山區等,少量零散分布在瓦房店市、普蘭店區和莊河市。1990—2020年,城市建設用地空間擴展多基于原有土地斑塊。

圖4 1990—2020年大連市建設用地空間分布

如圖5和表1所示,丹東北部山地丘陵較多,城市建設用地較少,城市建設用地主要分布在東南沿海的元寶區、振興區及振安區。丹東建設用地面積和占比處于中低水平狀態,截止到2020年,城市建設用地面積僅為167.03 km2,4個時期城市建設用地占比分別為0.55%、0.60%、0.78%、1.10%,丹東城市建設用地均處于增長狀態,但遠落后于沈陽和大連,城市空間變化較小。

如圖6和表1所示,朝陽山地較多,以低山、丘陵為主要地形特征,城市建設用地分布零散;所以城市建設用地占比在4個城市中最低,4個時期建設用地面積分別為52.65、56.87、80.22、93.10 km2,空間分布上變化差異較小,基本處于相對緩慢的勻速增長狀態。

圖6 1990—2020年朝陽市建設用地空間分布

3.1.2 空間變化態勢

1)建設用地占比。整體上,4個城市建設用地占比從1990年的4.74%增長到了2020年11.72%(表1),城市建設用地增長情況明顯。根據表1繪制4個城市不同時段建設用地占比對比折線圖(圖7),反映建設用用地增長特征,進一步分析不同城市之間的增長差異。從圖7可見:在1990、2000、2010、2020年4個時間節點上,4個城市建設用地占比從大到小均為沈陽、大連、丹東、朝陽,與城市自身大小基本一致;但城市間也存在一些差異,從變化曲線上看,朝陽和丹東的城市發展明顯低于沈陽和大連,城市建設用地占比增長變化不大,大連在研究期間一直保持了較快的增長變化,沈陽在2020年增長明顯。

圖7 城市建設用地占比對比圖

2)空間變化。為了清晰地表達建設用地空間增長情況,利用ArcGIS軟件分析功能,以1990年建設用地矢量數據為基礎,對提取的城市建設用地進行一系列擦除及相交處理,將各時段各城市建設用地增長情況用一張圖呈現,用以分析城市建設用地擴展的空間特征,結果見圖8。30年間沈陽城市建設用地表現出較為典型的同心圓擴張態勢,即以主城區為圓心,逐次向外圍蔓延擴張(圖8a);大連城市建設用地主要在南部沿海區域呈“C”字狀不規則擴張增長(圖8b);丹東(圖8c)和朝陽(圖8d)城市建設用地面積較小,城市化率低,城市擴形態趨于一致,空間分布來看,城市擴張形態呈低密度連續蔓延狀態,無明顯規律。

a. 沈陽市;b. 大連市;c. 丹東市;d. 朝陽市。

3.2 城市建設用地擴張強度空間分異特征

研究城市建設用地空間分布及面積占比的同時,需對城市擴張強度進行空間量化研究,基于式(1)和式(2)分別計算4個城市的城市建設用地擴張強度指數和擴張強度差異指數,結果見表2、圖9、表3、圖10。

表2 擴張強度指數

表3 擴張強度差異指數

圖9 擴張強度指數

圖10 擴張強度差異指數

3.2.1 擴張強度

分析發現,不僅不同城市用地擴張強度存在差異,而且同一城市不同時間段內的用地擴張強度也存在差異。1990—2000年,大連城市用地擴張強度最大,擴張強度指數為5.01%,丹東次之,為1.00%,朝陽為0.80%,沈陽擴張強度最小,擴張強度指數僅為0.39%;2000—2010年,沈陽擴張強度指數最大,為5.05%,朝陽次之,為4.11%,大連為3.17%,丹東擴張強度最小,擴張強度指數為2.90%;2010—2020年,沈陽與大連城市用地擴張強度指數相近,沈陽最大,為5.18%,大連為4.77%,丹東為4.11%,朝陽擴張強度指數最小,為1.61%(表2)。總結分析發現,1990—2020年,大連一直處于高速擴張狀態,沈陽和丹東在第一時期為低速擴張,在第二、第三時期轉為高速擴張,朝陽由低速擴張轉至高速擴張,又轉為中速擴張(圖9)。總體來看,擴張強度從大到小依次為沈陽、大連、丹東和朝陽。

3.2.2 擴張強度差異

如表3所示,1990—2000年,沈陽與大連土地擴張強度差異指數相近,分別為1.12和1.03,丹東擴張強度差異指數為0.89,朝陽擴張強度差異指數最小,為0.35;2000—2010年,沈陽擴張強度差異指數最大,為1.26,朝陽為1.03,僅次于沈陽,大連和丹東相近,分別為0.79、0.73;2010—2020年,沈陽擴張強度差異指數降低明顯,僅為0.21,大連擴張強度差異指數為2.64,增長最多,丹東與朝陽相近,分別為0.53和0.42。

總體來看,如圖10所示,1990—2010年大連及丹東擴張差異逐漸減小,沈陽及朝陽擴張差異增大;2000—2020年大連擴張差異上升明顯,其余3市都呈下降趨勢,下降幅度從大到小為沈陽、朝陽、丹東。1990—2020年,除大連外,其余3市城市擴張差異逐漸減小,符合城市增長相位理論[24]中的先擴散再集聚。大連由于自身地理位置及發展情況限制,雖表現出相異的增長相位,但在后續城市發展中,會趨于集聚。

3.3 城市建設用地擴張模式及空間差異

根據公共邊測度研究方法識別各新增建設用地斑塊擴張模式,對不同城市建設用地空間擴張模式進行空間制圖和面積統計,以分析擴張模式特征。

3.3.1 擴張模式差異

圖11為1990—2020年城市擴張模式空間圖。由圖11a可知,1990年沈陽城市建設用地集中分布在皇姑區及大東區南部,沈河區西部、于洪區、和平區及鐵西區北部,少量零散分布在沈北新區中部、新民市東部、遼中區中部和東部、法庫縣東北部。1990—2020年,城市建設用地蔓延式擴張較為突出,蔓延式擴張用地主要分布在中心城區四周的沈北新區南部、于洪區與皇姑區交界、鐵西區北部、蘇家屯區北部、渾南區西部;其次是在渾南區西部和沈北新區南部的飛地式擴張,以及零散分布在核心城區西部皇姑區、大東區和鐵西區的填充式擴張。以蔓延式為主的擴張形態充分利用自然資源,有利于沈陽向北部發展。沈陽中心城區位于東南角,廣大的北部和西部鞭長莫及,實際利用和開發不足。

由圖11b可知,1990年大連城市建設用地集中分布在金州區南部、甘井子區、西崗區和中山區。1990—2020年,城市建設用地呈蔓延式擴張面積最大,分布特征明顯,主要分布在甘井子區東北部、金州區南部,零散分布在瓦房店市東部城區外圍、普蘭店區西南部和莊河市南部;建設用地呈飛地式和填充式擴張面積較小,空間特征不明顯,飛地式零散分布在金州區中部、瓦房店市西部和莊河市西南部,填充式零散分布在甘井子區城區內部和金州區城區內部。大連擴張模式同樣以蔓延式為主,但飛地式特征相對明顯,城市發展迅速但不穩定,歸因于城市發展政策缺乏連貫性,30年間不斷變換戰略發展方向。

由圖11c可知,1990年丹東城市建設用地分布在振安區東部、東港市西部和東部、鳳城市中部和寬甸滿族自治縣中部。1990—2020年,建設用地主要呈蔓延式擴張,主要分布在東港市東部和振興區;建設用地飛地式擴張面積小于蔓延式,主要分布在東港市東北部、鳳城市西北部和寬甸滿族自治縣南部;填充式擴張面積較小,空間特征不明顯。丹東飛地式模式擴張增速明顯,與大連不同之處為丹東堅持發展綠色產業,合理規劃開發旅游項目及旅游基地,有序推進農業轉移人口市民化,促進產業和城鎮融合發展、經濟轉型升級與社會和諧進步。

由圖11d可知,1990年朝陽城市建設用地主要分布在凌源市北部、建平縣南部、龍城區和雙塔區交界地帶以及北票市中部。1990—2020年,建設用地的擴張模式主要為蔓延式,空間分布上集中在北票市城區西南地帶和龍城區與雙塔區交界城區處外圍;朝陽建設用地擴張模式中,飛地式和填充式面積較少,分布特征不顯著。持續穩定的蔓延式擴張促進朝陽經濟發展整體呈現企穩向好態勢,發展后勁明顯增強,為未來承接產業轉移奠定了良好的基礎。

總體來看,遼寧省作為東北老工業基地,城市發展模式呈現以蔓延式穩定發展為主、飛地式次之、填充式面積較小的特征。

3.3.2 不同擴張模式面積占比差異

基于圖11,分別統計各城市不同擴張模式的面積,并對其占比進行統計,結果見圖12,用以對不同擴張模式進行量化分析。

整體上,在不同研究時段,4個城市均以蔓延式擴張最明顯,占比最大,普遍在50%以上;填充式擴張次之,但在不同城市不同時段的面積占比差異較大;飛地式擴張最少,僅在各城市個別時段出現。

不同擴張模式在不同城市間也存在一定差異:沈陽在1990—2000年以填充式和蔓延式相當的態勢向外擴張,后期表現為蔓延式明顯主導的特征;大連一直以蔓延式擴張為主要特征,后期3種擴張模式并存,但蔓延式擴張仍占絕對優勢;丹東城市擴張雖在2000—2010年出現3種模式并存的情況,但80%以上的蔓延式擴展仍成為其主要擴張模式;朝陽在1990—2000年擴張模式特征與沈陽相似,后期一直是3種模式并存,但蔓延式擴張面積占比仍保持在50%以上。

4 結論與討論

1)整體上,4個城市建設用地占比由1990年的4.74%增長到了2020年11.72%,且4個城市在4個時期建設用地占比從大到小均依次為沈陽、大連、丹東、朝陽,建設用地占比呈上升趨勢,且隨著時間推移擴張態勢更加明顯,但不同城市間存在明顯差異。沈陽城市建設用地近30年表現出較為典型的同心圓擴張態勢;大連城市建設用地主要在南部沿海區域呈“C”字狀不規則擴張增長;丹東和朝陽城市擴張形態呈低密度連續蔓延狀態,無明顯規律。

2)1990—2020年,擴張強度從大到小依次為沈陽、大連、丹東和朝陽,大連一直處于高速擴張狀態,沈陽和丹東在第一時期為低速擴張,在第二、第三時期轉為高速擴張;朝陽由低速擴張轉至高速擴張,又轉為中速擴張。1990—2020年,沈陽、朝陽及丹東城市擴張差異逐漸減小,大連城市擴張差異增大。

3)4個城市3種擴張模式并存,整體上主要以蔓延式擴張為主,飛地式次之,填充式占比較小。城市發展主要呈現的是四周擴散的蔓延式發展。但城市間由于自身發展需求不同,也存在一定差異。對于沈陽,除了要調整經濟結構比例外,城市發展重心向北部移動可以幫助沈陽擴展城市發展空間,合理布局經濟,關系到城市的未來發展上限。大連在追求城市迅速發展的同時,注重產業結構調整,做到穩中求快。丹東繼續發揮區位和港口優勢,以新一輪東北振興為契機,繼續完善飛地式擴張模式,打造東北地區重要旅游目的地。朝陽經濟發展整體呈現企穩向好態勢,發展后勁明顯增強,為未來承接產業轉移奠定了良好的基礎。

4)研究選取典型城市為案例城市,從空間分布和數量特征兩方面對四市建設用地擴張的時空分異特征進行對比分析,凸顯不同城市在城市擴張中的獨特性與差異性,為省級尺度城市建設用地后續研究提供借鑒參考。研究只對研究區內建設用地擴張的大小、數量和模式進行研究,缺少擴張影響因素的分析,后續可以對擴張驅動因素進一步探討。同時,研究采取4個時段30 m分辨率遙感影像進行解譯,提取城鎮建設用地,精度仍有提升空間,后續可采用更高分辨率影像進行研究。