吳 莉，侯西勇，于良巨，邸向紅

(1.中國科學(xué)院 煙臺海岸帶研究所，山東 煙臺264003;2.中國科學(xué)院研究生院，北京100049;3.杜克大學(xué)尼古拉斯環(huán)境學(xué)院，達勒姆，27708，美國)

0 引言

1978年改革開放以來，中國經(jīng)濟持續(xù)快速的發(fā)展促進了快速的城鎮(zhèn)化過程。城鎮(zhèn)化所伴生的大規(guī)模土地利用/覆蓋變化已經(jīng)成為一種典型的人地系統(tǒng)相互作用過程，其結(jié)果是城市用地的空間擴展［1］，并引起耕地及生態(tài)用地隨之轉(zhuǎn)變［2］，進而對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響［3］。城鎮(zhèn)用地擴展作為城鎮(zhèn)化最明顯的空間表現(xiàn)，可以在很大程度上反映區(qū)域城鎮(zhèn)化的進程特征及空間組織特征。目前，田光進［2］、李麗［4］和卓莉［5］等人已在全國尺度上對城鎮(zhèn)的擴展進行研究。在區(qū)域尺度上，張文忠等揭示了珠江三角洲城鎮(zhèn)擴展強度與城鎮(zhèn)化發(fā)展水平的關(guān)系，并分析了城鎮(zhèn)用地擴展的空間格局特征［6］;李加林等在增長極理論和點軸理論的基礎(chǔ)上構(gòu)建了“城市生長極核”和“城市生長極帶”模型，探討了長江三角洲區(qū)域的城市空間生長過程［7］;王磊等采用空間自相關(guān)等方法分析了長江三角洲城市擴展的集聚特征及演化過程［8］。對于單個城市擴展的研究主要集中在城鎮(zhèn)化水平較高或較為典型的城市，如，北京［9］、上海［1，10］、深圳［11］、大連［12］等。

近年來，對環(huán)渤海區(qū)域的研究主要集中在區(qū)域土地利用變化、驅(qū)動力以及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)［13－15］，而針對該區(qū)域城鎮(zhèn)用地擴展進行的研究較少［16］。本研究以環(huán)渤海區(qū)域為研究區(qū)，基于20世紀(jì)70年代末期、1990、2000、2005、2010年的遙感影像，提取城鎮(zhèn)建成區(qū)的空間圖形信息，分析該區(qū)域在改革開放以來城鎮(zhèn)擴展的時空動態(tài)特征，為該地區(qū)城市規(guī)劃執(zhí)行和合理變更提供科學(xué)依據(jù)，促進環(huán)渤海區(qū)域城鎮(zhèn)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

環(huán)渤海區(qū)域是指環(huán)繞渤海的遼寧、河北、山東、北京和天津，面積約51萬km2。該區(qū)域位于中國沿太平洋西岸的北部，在中國對外開放的沿海發(fā)展戰(zhàn)略中占重要地位，是繼珠江三角洲和長江三角洲之后中國經(jīng)濟增長的第三極，城鎮(zhèn)化進程較快，其中，京津冀城市群、遼中南城市群和膠東半島城市群發(fā)展尤為迅速。

1.2 信息源與建成區(qū)提取

基于20世紀(jì)70年代末期的Landsat MSS和1990，2000，2005和2010年的TM/ETM+影像，主要采用目視解譯的方法提取不同時相的城鎮(zhèn)建成區(qū)空間信息，各時相均提取出318個城鎮(zhèn)斑塊。按照行政等級將城鎮(zhèn)分為4類:省會和副省級及以上城市(以下簡稱特大城市)7個，地級市37個，縣級市70個，縣城204個。

2 研究方法

2.1 動態(tài)度

單一土地利用類型動態(tài)度反映某研究區(qū)一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型數(shù)量變化情況，其表達式為［17］:

式中:K為研究時段內(nèi)城鎮(zhèn)建成區(qū)的擴展動態(tài)度;Ua，Ub分別為研究期初及期末城鎮(zhèn)建成區(qū)的面積;T為研究時段(一般以年為單位)。

2.2 擴展強度

城鎮(zhèn)擴展強度表征某空間單元研究時期內(nèi)城鎮(zhèn)建成區(qū)的擴展面積占其土地總面積的百分比［9］，其實質(zhì)就是用研究區(qū)的土地面積來對城市建成區(qū)年均擴展速度進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除不同空間單元土地總面積不等的影響。計算公式為:

式中:S為城鎮(zhèn)擴展強度;A為研究單元土地總面積。

2.3 空間自相關(guān)

空間自相關(guān)是檢驗一個區(qū)域單元上的某種地理現(xiàn)象或觀測值與其相鄰空間單元上同一現(xiàn)象或觀測值是否顯著相關(guān)聯(lián)的常用指標(biāo)，可使用全局和局部兩種不同等級的指標(biāo)來度量。

Moran’s I指數(shù)是一種應(yīng)用非常廣泛的全局空間自相關(guān)統(tǒng)計量，公式如下［18］:

式中:n為研究區(qū)內(nèi)空間單元的總數(shù);xi和xj分別代表第i個和第j個空間單元上的觀測值;是觀測值的平均值;wij是空間權(quán)重;S0是空間權(quán)重矩陣wij中所有元素之和。本研究采用鄰接標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建空間權(quán)重矩陣。

Moran’s I指數(shù)取值在－1～1之間。在給定顯著性水平下，當(dāng)Moran’s I指數(shù)顯著且為正時，表明觀測值之間顯著正相關(guān)，相似屬性聚集在一起，呈現(xiàn)高高集聚和低低集聚分布格局;當(dāng)Moran’s I指數(shù)顯著且為負時，表示觀測值之間存在顯著負相關(guān)，呈空間分散格局;當(dāng)Moran’s I指數(shù)接近于0，表明不存在空間自相關(guān)，觀測值在空間上隨機分布。

全局空間關(guān)聯(lián)指數(shù)僅使用一個單一值來反映整體上的自相關(guān)，難以探測不同位置局部區(qū)域的空間關(guān)聯(lián)模式。Anselin L［19］提出局部莫蘭指數(shù)(LISA)來檢驗局部地區(qū)是否存在相似或相異的觀測值聚集在一起。在空間位置i上，局部Moran’s Ii統(tǒng)計量定義如下:

式中:zi和zj是觀測值的均值標(biāo)準(zhǔn)化;空間權(quán)重矩陣單元wij采用行標(biāo)準(zhǔn)化形式。在顯著性水平下，當(dāng)Ii和zi均為正時，表示位置i處的觀測值和它周圍的觀測值均為高值區(qū)，即高高集聚(HH);當(dāng)Ii為正，zi為負時，表示位置i處的觀測值和它周圍的觀測值均為低值區(qū)，即低低集聚(LL);當(dāng)Ii為負，zi為正時，表示位置i處的觀測值大于它周圍的觀測值，即高低集聚(HL);當(dāng)Ii為負，zi為負時，表示位置i處的觀測值小于它周圍的觀測值，即低高集聚(LH)。

3 城鎮(zhèn)擴展的過程特征

3.1 面積增長及擴展速度

20世紀(jì)70年代末環(huán)渤海區(qū)域城鎮(zhèn)總建成區(qū)面積約為2 160 km2，其中，建成區(qū)面積大于100 km2的僅有北京、天津、沈陽和濟南4個城市。而截止2010年，環(huán)渤海區(qū)域城鎮(zhèn)建成區(qū)總面積約為10 652 km2，建成區(qū)面積在100 km2以上的城市達到15個。北京市擴展尤為明顯，建成區(qū)面積已達到1 381 km2，擴展面積為1 104 km2。

從表1可以看出，1980—2010年間環(huán)渤海區(qū)域城鎮(zhèn)總體的年均擴展速度先增加后下降。1980—2005年，各類城鎮(zhèn)除了地級市1990—2000年間年均擴展速度較前一時段下降約2 km2·a－1外，其余均不斷增加。2005年后，特大城市和地級市擴展速度下降，而縣級市和縣城的擴展速度仍然保持增加。1980—1990年間，年均擴展速度最大、對城鎮(zhèn)總體建成區(qū)擴展貢獻率也最大的城鎮(zhèn)類型為地級市;1990—2005年為特大城市;2005—2010年則為縣城。

表1 1980—2010年環(huán)渤海城鎮(zhèn)建成區(qū)面積及擴展速度Tab.1 Area and growth speed of urban land use in the CBR from 1980 to 2010

3.2 動態(tài)度和擴展強度

動態(tài)度反映了城鎮(zhèn)相對于自身的發(fā)展水平。由于城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積比重在一定程度上可以反映城鎮(zhèn)化發(fā)育水平的差異，因此，擴展強度可用來表示城鎮(zhèn)化進程快慢。根據(jù)公式(1)和公式(2)分別計算318個城鎮(zhèn)個體以及 4類城鎮(zhèn)在 1980—1990，1990—2000，2000—2005和2005—2010年的動態(tài)度和擴展強度。

3.2.1 動態(tài)度和擴展強度的統(tǒng)計特征。318個城鎮(zhèn)的動態(tài)度的均值在4個時段內(nèi)不斷減少，而擴展強度的均值不斷增加(表2)。城鎮(zhèn)擴展動態(tài)度和擴展強度均表現(xiàn)為中值小于均值，偏度系數(shù)和峰度系數(shù)值大于0，說明環(huán)渤海區(qū)域城鎮(zhèn)群體擴展動態(tài)度和擴展強度頻率分布形態(tài)為右偏態(tài)尖峰分布，數(shù)據(jù)分布呈集中性和離群性特征。而擴展強度的峰度系數(shù)值遠大于同時期擴展動態(tài)度的峰度系數(shù)，表明較擴展動態(tài)度而言區(qū)域城鎮(zhèn)群體擴展強度呈現(xiàn)為較明顯尖峰分布，分布的集中性更明顯。

表2 1980—2010年環(huán)渤海城鎮(zhèn)群體擴展的動態(tài)度和擴展強度統(tǒng)計特征Tab.2 Statistical characteristics of growth intensity and dynamic degree of urban expansion in the CBR during 1980—2010

3.2.2 不同類型城鎮(zhèn)的擴展動態(tài)度和擴展強度變化特征。由表3可看出，環(huán)渤海區(qū)域城鎮(zhèn)總體的擴展動態(tài)度可大致劃分為2個階段:1980—1990年，城鎮(zhèn)擴展動態(tài)度較高，為10.09%;1990年以后，城鎮(zhèn)擴展動態(tài)度大幅度降低。不同城鎮(zhèn)類型在4個時段內(nèi)擴展動態(tài)度均呈不斷下降的趨勢。1980—2005年各類城鎮(zhèn)之間的差異趨于減少，2005年之后各類型之間差異擴大?？h級市和縣城在4個時期內(nèi)的擴展動態(tài)度高于特大城市和地級市。4個時段內(nèi)區(qū)域城鎮(zhèn)總體的擴展強度緩慢上升，由1980—1990年間的 0.04上升到 2005—2010年間的0.07。1980—2005年間，各類型城鎮(zhèn)擴展強度不斷增加。特大城市的擴展強度及其增長態(tài)勢尤為顯著，其次是地級市，而縣級市和縣城之間則差異微小，并遠遠落后于特大城市和地級市。2005年以后特大城市和地級市的擴展強度有所下降，但仍然遠大于縣級市和縣城的擴展強度。

表3 1980—2010年環(huán)渤海區(qū)域不同類型城鎮(zhèn)擴展動態(tài)度、擴展強度變化Tab.3 Dynamic degrees and growth intensities of different_type urban in the CBR from 1980 to 2010

4 城鎮(zhèn)擴展的空間格局

以2010年環(huán)渤海區(qū)域縣域行政區(qū)劃為基本分析單元，分別將各城鎮(zhèn)4個時段的擴展動態(tài)度和擴展強度空間化，并計算全局Moran’s I指數(shù)和局部 Moran’sIi，探索環(huán)渤海區(qū)域城鎮(zhèn)群體擴展的空間格局特征。

4.1 擴展動態(tài)度的空間格局演化

4 個時段(1980—1990，1990—2000，2000—2005，2005—2010年)城鎮(zhèn)用地擴展動態(tài)度的全局Moran’s I指數(shù)分別為 0.10，0.22，0.14，0.24，且通過正態(tài)分布顯著性檢驗。這說明環(huán)渤海區(qū)域城鎮(zhèn)群體擴展動態(tài)度在總體上表現(xiàn)出空間集聚特征，但集聚程度有所不同，2005—2010年聚集程度最高。進一步計算局部Moran’sIi測度城鎮(zhèn)i和其相鄰城鎮(zhèn)的擴展動態(tài)度之間的相關(guān)性，并將HH，LL，HL，LH 4種空間集聚模式表現(xiàn)在Moran散點地圖上(圖1)，特征如下:(1)HH區(qū)是城鎮(zhèn)擴展動態(tài)度較大且正相關(guān)區(qū)域，該類型占區(qū)域總城鎮(zhèn)的20%左右。不同時段內(nèi)，HH區(qū)在空間上的“跳躍”比較明顯，并呈現(xiàn)一定的沿著交通干線分布和變化的特征。1980—1990年，HH區(qū)主要位于遼寧東部山地丘陵區(qū)、遼寧中部縣城、保定市西部、唐山北部、煙威沿?？h市、濰坊—日照和臨沂部分縣市以及菏澤西部縣城等;1990—2000年，HH區(qū)較為集中地分布于京津冀內(nèi)京廣線和京九線沿線及其所包圍的區(qū)域;2000—2005年，HH區(qū)分布較前一時期離散，主要集中在山東省膠濟鐵路沿線城鎮(zhèn)以及山東和河北交界處部分縣市;2005—2010年，HH區(qū)主要分布在沿海地區(qū)，如東營、濱州、營口和大連等。(2)4個時段內(nèi)，HL區(qū)城鎮(zhèn)所占區(qū)域總城鎮(zhèn)的比重均不到20%，且空間分布較離散;LH區(qū)和LL區(qū)是主要的集聚類型，二者合計所占總城鎮(zhèn)的比重各時段均超過60%。

4.2 擴展強度的空間格局演化

圖1 1980—2010年間城鎮(zhèn)擴展動態(tài)度的Moran’s I散點地圖Fig.1 Moran’s I scatter maps of dynamic degrees of urban expansion during 1980—2010

全局空間自相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，4個時段內(nèi)城鎮(zhèn)用地擴展強度在總體空間格局不存在顯著空間自相關(guān)。進一步計算擴展強度局部Moran’sIi，并表現(xiàn)在Moran散點地圖上(圖2)，分析如下:(1)擴展強度HH區(qū)城鎮(zhèn)數(shù)量較少，但不斷增加，4個時段內(nèi)占總城鎮(zhèn)的比重分別為3.14%，6.29%，6.92% 和 7.86%。與擴展動態(tài)度空間格局中HH區(qū)的分布和演化不同，擴展強度的HH區(qū)多較為孤立地分布在大城市或者大城市的周圍地區(qū)，并表現(xiàn)出據(jù)點式的演化趨勢，例如，以天津市—廊坊市、即墨市為中心不斷向周圍擴展的HH區(qū)。而2005—2010年期間，已有的HH區(qū)趨于衰退，山東省東營市附近則形成新的HH區(qū)。(2)HL區(qū)所占的比重在15%左右波動變化。特大城市、地級市以及小部分擴展強度較大的縣級市和縣城共同構(gòu)成了HL區(qū)，其中，地級市是HL區(qū)主要城鎮(zhèn)類型。HL區(qū)城鎮(zhèn)多為城鎮(zhèn)發(fā)展的區(qū)域中心，但尚未充分帶動周圍城鎮(zhèn)的發(fā)展。(3)LH區(qū)所占的比重在20%左右，主要呈環(huán)狀分布在HH區(qū)和HL區(qū)的外圍。LL區(qū)所占的比重在60%左右，為區(qū)域城鎮(zhèn)擴展強度集聚的主要類型，這表明環(huán)渤海區(qū)域半數(shù)以上的城鎮(zhèn)的擴展強度尚處在低水平的均衡狀態(tài)。

5 結(jié)論與討論

20世紀(jì)70年代末期以來，環(huán)渤海區(qū)域城鎮(zhèn)化進程不斷加快。小城鎮(zhèn)相對于自身的發(fā)展速度較快。在城鎮(zhèn)發(fā)展的空間格局上，相對發(fā)展速度較快的城鎮(zhèn)不同時段內(nèi)的轉(zhuǎn)移比較明顯，并呈現(xiàn)一定的沿著交通干線分布和變化的特征;城鎮(zhèn)的行政等級越高，城鎮(zhèn)化水平提高的速度越快，隨時間變化各等級之間差異就不斷加大。城鎮(zhèn)化水平提高速度較快的高值集聚區(qū)在京津冀和山東均有分布并呈據(jù)點式的演化趨勢，而遼寧省內(nèi)尚未有穩(wěn)步發(fā)展的高值區(qū)。

圖2 1980—2010年間城鎮(zhèn)擴展強度的Moran’s I散點地圖Fig.2 Moran’s I scatter maps of growth intensities of urban expansion during 1980—2010

與長江三角洲［7］和珠江三角洲地區(qū)［6］相比，環(huán)渤海區(qū)域城鎮(zhèn)用地擴展動態(tài)度和擴展強度均較低，城鎮(zhèn)擴展的空間組織性較差。通過研究，認為環(huán)渤海區(qū)域城鎮(zhèn)體系在未來的發(fā)展中除了加快城鎮(zhèn)化速度外，還應(yīng)加強對區(qū)域城鎮(zhèn)體系組織結(jié)構(gòu)特征的研究及其優(yōu)化管理?？缡〉膮^(qū)域性中心城市和副中心城市的培養(yǎng)是重點之一，應(yīng)繼續(xù)充分發(fā)揮其對周邊地區(qū)的輻射帶動作用;以較有實力的地級市為代表的次一級中心城市的培育和發(fā)展應(yīng)該成為另一個重點;在城鎮(zhèn)體系歷史演進的基礎(chǔ)上，充分重視發(fā)揮交通干線對區(qū)域城鎮(zhèn)空間發(fā)展的帶動作用，通過進一步培育和強化區(qū)域城鎮(zhèn)化的空間發(fā)展軸線達到逐漸優(yōu)化和提升環(huán)渤海區(qū)域城鎮(zhèn)化水平的目標(biāo)。

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