寧曉剛，王 浩，林祥國(guó)，曹銀璇，杜 軍

1. 中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830； 2. 河南省科學(xué)院地理研究所，河南 鄭州 450052

伴隨著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類(lèi)社會(huì)活動(dòng)中農(nóng)業(yè)活動(dòng)的比重下降，非農(nóng)業(yè)活動(dòng)的比重上升，居民點(diǎn)建設(shè)等物質(zhì)表象和居民生活方式向城鎮(zhèn)型轉(zhuǎn)化并趨于穩(wěn)定，這一過(guò)程即為城鎮(zhèn)化[1]。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，中國(guó)的城鎮(zhèn)化水平由1978年的17.9%上升到2015年的56.1%，超過(guò)了世界平均水平。特別是2000年以來(lái)，中國(guó)的城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)入了新的階段。中國(guó)共產(chǎn)黨第十八次全國(guó)代表大會(huì)和十八屆三中、五中全會(huì)中明確指出，我國(guó)要堅(jiān)持走中國(guó)特色的新型工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化道路?！笆濉币?guī)劃、國(guó)家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014—2020)、中央城市工作會(huì)議(2015)、中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議(2013)提出要合理控制城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)邊界、保護(hù)基本農(nóng)田，通過(guò)優(yōu)化城市內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，促進(jìn)城市緊湊集約、高效綠色發(fā)展，以解決城市盲目擴(kuò)張、土地城鎮(zhèn)化快于人口城鎮(zhèn)化、建設(shè)用地粗放低效、城鎮(zhèn)化與工業(yè)化不匹配、城鎮(zhèn)空間分布和規(guī)模結(jié)構(gòu)不合理、資源環(huán)境承載力不足、生態(tài)環(huán)境問(wèn)題突出等諸多問(wèn)題。

新型城鎮(zhèn)化建設(shè)對(duì)城市發(fā)展提出了新的要求。城鎮(zhèn)化可從“人”的城鎮(zhèn)化和“地”的城鎮(zhèn)化兩方面進(jìn)行度量?！叭恕钡某擎?zhèn)化可采用城市化率(城市人口與總?cè)丝诘谋嚷?表示，“地”的城鎮(zhèn)化可采用非農(nóng)化的城區(qū)面積表示[2]。相比于人口城鎮(zhèn)化產(chǎn)生的人口轉(zhuǎn)移這一難以度量的指標(biāo)，“地”的城鎮(zhèn)化，即城市空間擴(kuò)展是城鎮(zhèn)化作用于地理空間的直接結(jié)果[3]，可應(yīng)用遙感與地理信息技術(shù)開(kāi)展監(jiān)測(cè)與分析。基于遙感和地理信息技術(shù)的城區(qū)擴(kuò)展監(jiān)測(cè)近20年來(lái)一直是遙感與對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一[4-12]，也是遙感技術(shù)的重要應(yīng)用方面之一[13-17]。遙感監(jiān)測(cè)因其客觀、現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)等特征取代了傳統(tǒng)主要依靠規(guī)劃、統(tǒng)計(jì)等專(zhuān)題數(shù)據(jù)度量城鎮(zhèn)化的方法。當(dāng)前城區(qū)擴(kuò)展監(jiān)測(cè)研究包括遙感影像人工目視解譯提取、低分辨率遙感影像不透水面自動(dòng)提取、中分辨率遙感影像城區(qū)自動(dòng)提取、高分辨率遙感影像城區(qū)監(jiān)測(cè)4個(gè)方面[13，18-21]。隨著高分辨率遙感影像成本的降低，基于高分辨率影像的城區(qū)邊界提取及其時(shí)空擴(kuò)展分析能夠更加準(zhǔn)確地了解城區(qū)時(shí)空擴(kuò)展過(guò)程，從而為新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。然而，以往的研究仍存在不足，主要體現(xiàn)在：各學(xué)派和各部門(mén)對(duì)城區(qū)邊界缺少統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)和提取標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)來(lái)源缺乏一致性、以不透水面(建設(shè)用地)代替城區(qū)導(dǎo)致城區(qū)邊界精度不足、高分辨率遙感影像上城區(qū)邊界主要采用人工解譯提取的技術(shù)手段等。本文在分析以往城區(qū)相關(guān)概念的基礎(chǔ)上，提出了一種計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別和人工解譯相結(jié)合的城區(qū)邊界半自動(dòng)化提取方法。在此基礎(chǔ)上，利用提取的多期城區(qū)邊界及城區(qū)面積作為城鎮(zhèn)化的表征開(kāi)展城區(qū)時(shí)空擴(kuò)展分析。

京津冀城市群是中國(guó)三大國(guó)家戰(zhàn)略之一“京津冀協(xié)同發(fā)展”的所在地，戰(zhàn)略意義突出，城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程迅速，城鎮(zhèn)化不當(dāng)發(fā)展造成的問(wèn)題嚴(yán)峻。京津冀面積為21.7萬(wàn)平方千米，涉及153個(gè)縣級(jí)以上城市(含140個(gè)縣級(jí)城市和13個(gè)地級(jí)以上城市)。其中，13個(gè)地級(jí)以上城市包括2個(gè)直轄市和11個(gè)地級(jí)城市，監(jiān)測(cè)范圍限于其市轄區(qū)范圍，地級(jí)以上城市的所轄縣和縣級(jí)市單獨(dú)列入縣級(jí)城市統(tǒng)計(jì)。鑒于京津冀城市群城鎮(zhèn)化監(jiān)測(cè)的突出意義和示范效應(yīng)，故選擇該區(qū)域的縣級(jí)以上城市作為城區(qū)時(shí)空擴(kuò)展監(jiān)測(cè)與分析的范圍。本文以城區(qū)邊界監(jiān)測(cè)為切入點(diǎn)，系統(tǒng)地分析了京津冀城市群1990—2015年城區(qū)時(shí)空擴(kuò)展過(guò)程，對(duì)于京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃將提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 城區(qū)半自動(dòng)化提取方法

1.1.1 城區(qū)相關(guān)概念

城區(qū)，即城市區(qū)域，是一個(gè)以空間位置為基礎(chǔ)的概念，涉及人口密度、社會(huì)經(jīng)濟(jì)組織、自然環(huán)境向建設(shè)用地環(huán)境轉(zhuǎn)換，同時(shí)城鄉(xiāng)邊緣存在連續(xù)過(guò)渡的特征[15]等因素。城區(qū)的上述特點(diǎn)增加了其提取難度。目前城區(qū)相關(guān)的概念眾多(表1)，出發(fā)點(diǎn)各不相同，且不能很好地反映城區(qū)擴(kuò)展的時(shí)空特征。市域、市區(qū)、主城區(qū)、中心城區(qū)、規(guī)劃城市建設(shè)用地均為考慮管理職能的邊界，若不考慮行政區(qū)劃和城市規(guī)劃的調(diào)整，其面積具有固定不變屬性，不能反映城區(qū)的時(shí)空擴(kuò)展特征。城市開(kāi)發(fā)邊界和城市空間增長(zhǎng)邊界通過(guò)綜合考慮城市現(xiàn)有功能和承載力劃定的約束性邊界，對(duì)城市發(fā)展進(jìn)行約束，理論上每個(gè)城市的約束性邊界只有一個(gè)，因此也不能反映城區(qū)的時(shí)空擴(kuò)展特征?！冻鞘薪ㄔO(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》中的城區(qū)依據(jù)《城市(縣城)和村鎮(zhèn)建設(shè)統(tǒng)計(jì)報(bào)表制度》，考慮了城區(qū)的時(shí)空擴(kuò)展特征，并詳細(xì)描述了城區(qū)可能分布的地域和范圍，但其城區(qū)的最小單元為鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其將鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政管轄范圍整體上歸入或排除到城區(qū)范圍，與城市實(shí)際邊界即建成邊界存在一定的差距。建成區(qū)更能夠反映城市實(shí)際建設(shè)和發(fā)展邊界，但目前的建成區(qū)數(shù)據(jù)多通過(guò)地方城市上報(bào)到住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部的方式予以統(tǒng)計(jì)，且存在建成區(qū)劃定標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、上報(bào)的建成區(qū)多為統(tǒng)計(jì)數(shù)字、缺少空間化表征等缺點(diǎn)。

表1 城區(qū)相關(guān)概念對(duì)照

基于上述原因，參考建成區(qū)的概念，考慮《城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》中的城區(qū)分布地域和范圍，充分挖掘高分辨率遙感影像中展現(xiàn)的城市景觀和形態(tài)等空間可視化特征，從城市實(shí)際建設(shè)完成情況出發(fā)，制定了城區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化的提取方法，保證了城區(qū)邊界提取的一致性。城區(qū)定義為行政界線(xiàn)內(nèi)，以城市空間擴(kuò)展監(jiān)測(cè)系列時(shí)相基期的一個(gè)或多個(gè)中心城區(qū)內(nèi)的政府所在地(中心大團(tuán))為基礎(chǔ)，在城鄉(xiāng)結(jié)合部通過(guò)邊緣擴(kuò)展、軸線(xiàn)擴(kuò)展或多中心擴(kuò)展等擴(kuò)展模式發(fā)展起來(lái)的，具有城市功能和城市景觀特征的集中連片空間范圍。

1.1.2 基于高分辨率影像的城區(qū)邊界半自動(dòng)提取方法

采用融合直角點(diǎn)和直角邊特征的高分辨率遙感影像居民點(diǎn)提取方法[26]提取居民點(diǎn)多邊形。該方法分別檢測(cè)高分辨率遙感影像的直角點(diǎn)和直線(xiàn)段，通過(guò)兩種特征交叉驗(yàn)證確定直角點(diǎn)和直角邊，基于局部直角點(diǎn)和直角邊點(diǎn)的密度和距離特征生成居民點(diǎn)指數(shù)圖像，確定居民點(diǎn)多邊形。該方法同時(shí)融合了直角點(diǎn)和直線(xiàn)段兩種特征，具有更高的提取精度[26]。將居民點(diǎn)多邊形與中心城區(qū)政府所在地疊加，中心城區(qū)政府所在地落到的居民點(diǎn)多邊形作為初始城區(qū)邊界。

在初始城區(qū)邊界基礎(chǔ)上，按照城區(qū)定義和城區(qū)邊界提取原則，采用人工目視解譯對(duì)初始城區(qū)進(jìn)行編輯修正(圖1)。人工編輯修正一是對(duì)初始城區(qū)邊界的走向進(jìn)行修正；二是將具有城市景觀且符合集中連片特征的區(qū)域，以及飛地型城區(qū)歸入城區(qū)，不滿(mǎn)足要求的區(qū)域剔除出城區(qū)。

城區(qū)邊界提取原則包括：①行政區(qū)劃限定原則，城區(qū)必須位于城市行政區(qū)劃范圍內(nèi)。②城區(qū)邊界走向原則，城區(qū)邊界線(xiàn)優(yōu)先沿道路、河流、圍墻等線(xiàn)性地物的邊界走向勾繪，不能跨越房屋建筑(區(qū))、構(gòu)筑物、水域、綠地、農(nóng)林用地等，緊鄰城區(qū)邊界線(xiàn)內(nèi)側(cè)不能有耕地存在。當(dāng)河岸為城市建設(shè)用地綠化景觀時(shí)，城區(qū)邊界沿河流的高水位線(xiàn)走向勾繪，連同綠化部分歸入城區(qū)，否則沿道路勾繪。在沒(méi)有道路或河流等地物邊界時(shí)，城區(qū)邊界優(yōu)先沿基本建成且邊界較明顯的完整地塊勾繪，如院落或圍墻。若地塊邊界不明顯或整個(gè)地塊內(nèi)未建成面積比例較大，可按實(shí)際地物邊界勾繪。③集中連片原則，集中連片定義為中間沒(méi)有被非建設(shè)用地隔斷，或與中心大團(tuán)通過(guò)道路連通，連通距離小于50 m且斑塊面積大于6公頃。④城市景觀判定原則，城市景觀主要包括城市房屋建筑區(qū)、城市道路、城市綠地、城市廣場(chǎng)、停車(chē)場(chǎng)、體育場(chǎng)等景觀[27-28]，其中由城市道路圍成的街區(qū)是最主要的城市景觀特征。⑤飛地型城區(qū)判定原則，飛地型城區(qū)指不與中心大團(tuán)集中連片但也應(yīng)歸入城區(qū)的區(qū)域，其具有以下特征：與主干路相連；具有城市景觀特征；面積大于60公頃且具有城市景觀的街道辦事處、城市行政部門(mén)、工礦區(qū)、開(kāi)發(fā)區(qū)、科研單位、大專(zhuān)院校等特殊區(qū)域所在的集中連片區(qū)域。

圖1 城區(qū)邊界提取技術(shù)流程Fig.1 The workflow of urban boundary extraction

城區(qū)邊界提取過(guò)程中首先完成最新時(shí)相的邊界提取，然后按現(xiàn)勢(shì)性從新到舊的順序依次完成前時(shí)相的城區(qū)更新提取，以保證多期邊界之間的拓?fù)錅?zhǔn)確。利用高分辨率遙感影像，通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別結(jié)合人工修正可得到標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、高精度的城區(qū)邊界。在人工編輯過(guò)程中，充分利用測(cè)繪地理信息部門(mén)的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，以及第一次全國(guó)地理國(guó)情普查成果，為城市景觀和飛地型城區(qū)的判斷提供參考。

1.2 城區(qū)時(shí)空擴(kuò)展分析方法

采用城區(qū)擴(kuò)展速度、擴(kuò)展強(qiáng)度、分形維數(shù)、緊湊度、城市用地增長(zhǎng)彈性系數(shù)5個(gè)指標(biāo)，從城區(qū)時(shí)空擴(kuò)展過(guò)程、城區(qū)空間形態(tài)及結(jié)構(gòu)變化、擴(kuò)展協(xié)調(diào)性、擴(kuò)展占用土地類(lèi)型等4個(gè)方面對(duì)城區(qū)時(shí)空擴(kuò)展進(jìn)行分析。

1.2.1 擴(kuò)展速度

擴(kuò)展速度Vi為某一時(shí)間段內(nèi)某城市城區(qū)面積的年增長(zhǎng)速度，表示單位時(shí)間內(nèi)不同城區(qū)擴(kuò)展快慢的絕對(duì)(面積)差異

Vi=ΔUij/(Δtj)×100%

(1)

式中，Vi為城市擴(kuò)展速度；ΔUij為j時(shí)段第i個(gè)研究單元城區(qū)擴(kuò)展面積；Δtj為j時(shí)段的時(shí)間跨度。

1.2.2 擴(kuò)展強(qiáng)度

擴(kuò)展強(qiáng)度Ni為某一時(shí)間段內(nèi)某城市城區(qū)面積相對(duì)于基期城區(qū)的年擴(kuò)展比例，表示單位時(shí)間內(nèi)不同城區(qū)擴(kuò)展快慢的相對(duì)(比例)差異

Ni=ΔUij/(Δtj×Mi)×100%

(2)

式中，Ni為城市擴(kuò)展強(qiáng)度；ΔUij為j時(shí)段第i個(gè)研究單元城區(qū)擴(kuò)展面積；Δtj為j時(shí)段的時(shí)間跨度；Mj為j時(shí)段初期第i個(gè)單元城區(qū)總面積。

1.2.3 分形維數(shù)

分形維數(shù)St是城市空間形態(tài)的表示。城市空間形態(tài)不規(guī)則的程度增加，說(shuō)明在這一時(shí)期城市城區(qū)面積的增加時(shí)以外部擴(kuò)展為主；城市空間形態(tài)的不規(guī)則程度下降，說(shuō)明城市城區(qū)面積的增加是以城區(qū)邊緣間的填充為主；城市空間形態(tài)的不規(guī)則程度不變，說(shuō)明城市進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的發(fā)展階段[29]

St=2ln(Pt/4)/ln(At)

(3)

式中，St為t時(shí)期城市斑塊的分形維數(shù)；At、Pt分別是t時(shí)期城市斑塊的面積和周長(zhǎng)。當(dāng)St<1.5時(shí)，說(shuō)明圖形趨向于簡(jiǎn)單；當(dāng)St=1.5時(shí)，表示圖形處于布朗隨機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，越接近于該值，穩(wěn)定性越差；當(dāng)St>1.5時(shí)，則圖形更為復(fù)雜。

1.2.4 緊湊度

緊湊度BCI是反映城市空間形態(tài)的重要指標(biāo)，也是表現(xiàn)城市空間形態(tài)內(nèi)部各部分空間集中化程度的指標(biāo)[30]。緊湊度有很多計(jì)算方法，但以Boyce提出的計(jì)算方法[31]使用最為廣泛

(4)

式中，BCI為城區(qū)的緊湊度；A為城區(qū)總面積；P為城區(qū)周長(zhǎng)。該公式以圓形作為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位，BCI的取值范圍為0～1，值越大表示城市形狀越具有緊湊性，反之緊湊性越差，圓形區(qū)域的緊湊性為1。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)城市處于迅速擴(kuò)展的發(fā)展階段，緊湊度下降；當(dāng)城市轉(zhuǎn)為內(nèi)部填充、改造發(fā)展階段時(shí)，緊湊度上升[29]。緊湊度的提高，有利于縮短城市內(nèi)各部分之間的聯(lián)系距離，提高城市基礎(chǔ)設(shè)施和已開(kāi)發(fā)土地的利用效率，提高資源的利用效率和降低城市的管理成本[29]。

1.2.5 城市用地增長(zhǎng)彈性系數(shù)

城市用地增長(zhǎng)彈性系數(shù)K是一定時(shí)期內(nèi)城區(qū)面積增長(zhǎng)率與城區(qū)人口增長(zhǎng)率之比，是測(cè)定城區(qū)擴(kuò)展程度的指標(biāo)

K=GB/PR×100%

(5)

(6)

式中，K為城市用地增長(zhǎng)彈性系數(shù)；PR為城市人口年均增長(zhǎng)率；GR為城區(qū)面積年均增長(zhǎng)率；At表示某個(gè)時(shí)間段末城區(qū)的面積；A0表示某個(gè)時(shí)間段初城區(qū)面積；Δt表示時(shí)間段的跨度。中國(guó)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院《2000年城鎮(zhèn)用地預(yù)測(cè)綜合報(bào)告》指出，該系數(shù)的最優(yōu)值為1.12。當(dāng)城市用地增長(zhǎng)彈性系數(shù)高于1.12，城市土地效率就會(huì)降低；低于1.12時(shí)，諸如交通擁堵，城市基礎(chǔ)設(shè)施不足，舒適度差等諸多城市問(wèn)題就會(huì)凸顯。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源與數(shù)據(jù)處理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括遙感影像、縣級(jí)行政區(qū)劃界線(xiàn)、人口和GDP數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)。2002年是京津冀城市群發(fā)展重要的年份，隨著中國(guó)在前一年加入世貿(mào)組織、申奧成功，以及本年度中國(guó)共產(chǎn)黨十六大提出全面建設(shè)小康社會(huì)等契機(jī)，京津冀經(jīng)歷了更加迅猛的城鎮(zhèn)化發(fā)展，且1990至2002年，2002至2015年兩個(gè)時(shí)間間隔接近，便于對(duì)城區(qū)擴(kuò)展進(jìn)行橫向比較，故選擇1990、2002、2015年3個(gè)年份開(kāi)展城區(qū)時(shí)空擴(kuò)展監(jiān)測(cè)與分析。1990年和2002年影像資料主要來(lái)源于京津冀城市群所在的3個(gè)省市測(cè)繪地理信息部門(mén)的存檔黑白航空影像，空間分辨率優(yōu)于1 m。2015年為Worldview-1、Worldview-2、ZY3、TH1、GF1等高分辨率衛(wèi)星遙感影像，分辨率以?xún)?yōu)于1 m為主。收集到的影像均為正射影像，投影系統(tǒng)均為CGCS2000坐標(biāo)系，且3期影像的套合精度較高，故未再進(jìn)行影像糾正和配準(zhǔn)等工作?？h級(jí)行政區(qū)劃界線(xiàn)來(lái)源于測(cè)繪地理信息部門(mén)，比例尺為1∶50 000。城市的人口和GDP數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒，人口數(shù)據(jù)使用了市轄區(qū)年末人口，GDP使用了市轄區(qū)的地區(qū)生產(chǎn)總值。1990年土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心，將土地利用一級(jí)類(lèi)合并成耕地、居民點(diǎn)和其他建設(shè)用地(包括城鄉(xiāng)工礦居民地一級(jí)類(lèi))、其他(包括林地、草地、水域、未利用地一級(jí)類(lèi))。土地利用數(shù)據(jù)經(jīng)糾正后與影像配準(zhǔn)。

參考資料包括1∶1萬(wàn)和1∶5萬(wàn)比例尺基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、全國(guó)第一次地理國(guó)情普查地表覆蓋和地理國(guó)情要素成果。地表覆蓋的耕地、園地、林地、草地、構(gòu)筑物、人工堆掘地、房屋建筑(區(qū))、道路、荒漠與裸露地表、水域數(shù)據(jù)，地理國(guó)情要素中的城市道路數(shù)據(jù)LCTL層可為城市景觀判斷提供參考。地理國(guó)情要素的點(diǎn)狀地理單元數(shù)據(jù)BUCP層和面狀地理單元數(shù)據(jù)BUCA層包含街道辦事處、居住小區(qū)、工礦企業(yè)、單位院落等的位置信息，可為城市景觀判斷和飛地型城區(qū)判斷提供參考。地理國(guó)情要素中的BERA2層包含開(kāi)發(fā)區(qū)和保稅區(qū)位置信息，基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)RES_PT層中的311105包含街道辦事處位置信息，上述信息可為飛地型城區(qū)判斷提供參考。

表2數(shù)據(jù)及來(lái)源

Tab.2Dataanddatasource

序號(hào)數(shù)據(jù)名稱(chēng)時(shí)相數(shù)據(jù)來(lái)源1遙感影像1990年、2002年全色航片為主2015年Worldview-1、Worldview-2、ZY-3、TH1、GF1等衛(wèi)星影像2縣級(jí)行政區(qū)劃界線(xiàn)2014年省級(jí)測(cè)繪地理信息部門(mén)3人口和GDP數(shù)據(jù)1990年、2002年、2015年1990、2002、2015年中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒4土地利用數(shù)據(jù)1990年中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心5全國(guó)第一次地理國(guó)情普查地表覆蓋和地理國(guó)情要素?cái)?shù)據(jù)2015年國(guó)家測(cè)繪地理信息局6基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)1990年、2002年國(guó)家測(cè)繪地理信息局

2 結(jié)果與分析

2.1 城區(qū)邊界提取結(jié)果的準(zhǔn)確性分析

目前城區(qū)邊界并沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化的提取方法，本文綜合已有城區(qū)相關(guān)概念提出了可操作性強(qiáng)、規(guī)范化的城區(qū)半自動(dòng)提取方法。京津冀縣級(jí)以上城市城區(qū)邊界提取由解譯人員嚴(yán)格按照規(guī)范操作，故能夠保證城區(qū)邊界提取結(jié)果的準(zhǔn)確性。

影像數(shù)據(jù)源方面，京津冀城市群3期影像的幾何配準(zhǔn)精度小于2個(gè)像素，保證了采用更新提取歷史期城區(qū)邊界的可行性。城區(qū)邊界采集方面，每個(gè)城市的城區(qū)由解譯人員按照規(guī)范化方法編輯修正，邊界盡量沿全國(guó)第一次地理國(guó)情普查成果邊界勾繪，保證城區(qū)邊界走向的準(zhǔn)確。然后由非該城市的解譯人員按照規(guī)范對(duì)城區(qū)提取成果進(jìn)行檢查，確保城區(qū)邊界提取的準(zhǔn)確性。

城區(qū)邊界提取最大的難點(diǎn)在于集中連片、城市景觀和飛地型城區(qū)的判斷，本文研究通過(guò)參考地理國(guó)情要素的點(diǎn)狀地理單元數(shù)據(jù)BUCP、面狀地理單元數(shù)據(jù)BUCA圖層、BERA2層、LCTL層，基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)中的RES_PT層，以及百度和高德地圖興趣點(diǎn)信息，很好地解決了上述城區(qū)相關(guān)三大特征的判斷，確保了城區(qū)邊界提取的準(zhǔn)確性。

2.2 城區(qū)時(shí)空擴(kuò)展過(guò)程

2.2.1 城區(qū)時(shí)空擴(kuò)展過(guò)程

1990、2002、2015年京津冀城市群縣級(jí)以上城市的城區(qū)總面積分別為2 010.82、2 833.64、4 339.68 km2，分別占區(qū)域總面積的0.9%、1.3%、2.0%。25年來(lái)京津冀城市群的城區(qū)面積持續(xù)增加，面積增加2 328.86 km2，增加了1.16倍，相當(dāng)于再造了2.56個(gè)北京城。2015年各地級(jí)以上行政區(qū)(含所轄市轄區(qū)和縣級(jí)城市)內(nèi)的城區(qū)面積從大到小依次為天津市(25.48%)、北京市(23.62%)、唐山市(7.58%)、石家莊市(7.39%)、保定市(6.40%)、滄州市(5.11%)、邢臺(tái)市(4.68%)、邯鄲市(4.53%)、廊坊市(4.06%)、張家口市(3.56%)、秦皇島市(3.01%)、衡水市(2.71%)、承德市(1.88%)，其中北京、天津兩地區(qū)城區(qū)面積占京津冀城市群城區(qū)總面積的近1/2。2015年城區(qū)面積最大的地級(jí)以上城市依次為天津市、北京市、唐山市、石家莊市、秦皇島市、邯鄲市、廊坊市、張家口市、保定市、邢臺(tái)市、滄州市、衡水市、承德市。2015年城區(qū)面積最大的10個(gè)縣級(jí)城市依次為三河市、任丘市、涿州市、遷安市、靜?？h、灤南縣、辛集市、黃燁市、遵化市、寧河縣。

2002年比1990年城區(qū)面積增長(zhǎng)了822.83 km2，面積增長(zhǎng)前3的地級(jí)行政區(qū)為天津市、北京市、保定市，分別占總增長(zhǎng)面積的17.80%、15.60%和13.04%。2015年比2002年城區(qū)面積增長(zhǎng)了1 506.03 km2，面積增長(zhǎng)前3的地級(jí)行政區(qū)為天津市、北京市、唐山市，分別占總增長(zhǎng)面積的37.33%、15.44%和8.53%。天津市和北京市地級(jí)行政區(qū)的增長(zhǎng)面積遠(yuǎn)超過(guò)其他地區(qū)。1990—2015年，京津冀縣級(jí)以上城市的城區(qū)平均擴(kuò)展速度為0.63 km2/年。地級(jí)以上城市(僅指市轄區(qū)范圍)中，天津市城區(qū)擴(kuò)展速度最快，為26.92 km2/年。承德市城區(qū)擴(kuò)展速度最慢，為0.46 km2/年?？h級(jí)城市中，廊坊市與三河市城區(qū)擴(kuò)展速度最快，為1.00 km2/年。保定市阜平縣擴(kuò)展速度最慢，為0.03 km2/年。1990—2015年，城區(qū)面積擴(kuò)展比例超過(guò)1倍的城市有119個(gè)，京津冀縣級(jí)以上城市總體上擴(kuò)展強(qiáng)度非常大。擴(kuò)展比例最大的遷安市和擴(kuò)展比例最小的井陘縣二者25年間的城區(qū)面積擴(kuò)展比例相差28.4倍。

京津冀城市群25年間擴(kuò)展較快的地區(qū)主要集中在北京市、天津市、廊坊市、唐山市、石家莊市、邯鄲市及周邊地區(qū)，其中北京、天津、廊坊、唐山地區(qū)的城區(qū)擴(kuò)展速度明顯高于其他地區(qū)，而北京、天津擴(kuò)展尤為突出。表明該地區(qū)“地”的城鎮(zhèn)化規(guī)模和速度遠(yuǎn)高于其他地區(qū)(圖2)，廊坊和唐山受北京、天津的輻射影響較為明顯。與之形成鮮明對(duì)比，京津冀城市群的西部和北部山區(qū)，以及其他平原地區(qū)的城區(qū)擴(kuò)展相對(duì)較慢。一方面是由于地形因素限制了上述地區(qū)的城區(qū)擴(kuò)展，另一方面也表明京津冀城市群的核心城市北京、天津僅對(duì)其周邊產(chǎn)生了一定的輻射作用，影響范圍還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，京津冀一體化協(xié)同發(fā)展亟待加強(qiáng)。

表3京津冀城市群地級(jí)以上城市1990—2015年城區(qū)面積

Tab.3UrbanareaofmaincitiesofBeijing-Tianjin-Hebeiurbanagglomerationduring1990—2015km2

城市名市轄區(qū)范圍城區(qū)面積行政區(qū)劃范圍城區(qū)面積1990年2002年2015年1990年2002年2015年北京市653.3772.8997.9664.0792.41024.9天津市380.3517.51053.3396.8543.31105.6石家莊市114.0138.9167.3176.5243.5320.5唐山市115.6149.8227.0142.8200.4328.8秦皇島市42.966.6107.552.081.5130.6邯鄲市36.957.281.778.7128.6196.7邢臺(tái)市33.344.258.777.2126.4203.0保定市39.555.465.6101.2208.4277.7張家口市35.749.467.872.4104.4154.6承德市18.320.629.845.852.381.5滄州市30.940.655.4104.8165.9221.9廊坊市18.640.172.752.6103.0176.1衡水市14.428.136.946.283.4117.8

圖2 京津冀城市群1990—2015年城市空間擴(kuò)展分布
Fig.2 Urban spatial expansion distribution of Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration during 1990—2015

2.2.2 城區(qū)空間形態(tài)及結(jié)構(gòu)變化

1990—2002年，京津冀地區(qū)城區(qū)以粗放式擴(kuò)展為主擴(kuò)展，2002年之后城市趨于集約型擴(kuò)展，25年間整體呈現(xiàn)出以中心城區(qū)外圍的“組團(tuán)”式外延擴(kuò)展為主。京津冀地區(qū)城市空間結(jié)構(gòu)演變特征各具特色，圈層、軸線(xiàn)、帶狀擴(kuò)展模式并存。京津冀縣級(jí)以上城市的緊湊度指數(shù)和分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示，城市空間擴(kuò)展的節(jié)律變化對(duì)城市空間形態(tài)的影響十分顯著。中心城區(qū)的緊湊度指數(shù)和邊界分形維數(shù)的變化較大，說(shuō)明城區(qū)在擴(kuò)展過(guò)程中，主要以中心城區(qū)外圍的“片狀”建設(shè)形態(tài)為主，也即“組團(tuán)”擴(kuò)張為主導(dǎo)，城區(qū)邊緣的不規(guī)則程度加??；但2002—2015年，隨著城市擴(kuò)展逐步由粗放式擴(kuò)展向集約型調(diào)整，城區(qū)不規(guī)則程度有小幅度降低。1990—2015年北京市城區(qū)擴(kuò)展空間結(jié)構(gòu)由“圈層+軸線(xiàn)”向“圈層+帶狀”結(jié)構(gòu)模式演變；1990—2015年天津市城區(qū)擴(kuò)展空間結(jié)構(gòu)由“單中心圈層”向“圈層+軸線(xiàn)”結(jié)構(gòu)模式演變；1990—2015年石家莊市城市擴(kuò)展空間結(jié)構(gòu)基本保持“單中心圈層”結(jié)構(gòu)模式擴(kuò)展。

2.2.3 城區(qū)擴(kuò)展協(xié)調(diào)性

1990—2002年，廊坊市(3.36)、唐山市(2.07)、邯鄲市(2.07)、張家口市(1.50)的城市用地增長(zhǎng)彈性系數(shù)遠(yuǎn)高于最優(yōu)值1.12，表明該4個(gè)城市城區(qū)擴(kuò)展速度高于城市人口增長(zhǎng)速度，城區(qū)的土地利用效率下降；北京市(0.47)、石家莊市(0.48)、承德市(0.54)、滄州市(0.82)、保定市(0.94)、邢臺(tái)市(0.94)的城市用地增長(zhǎng)彈性系數(shù)遠(yuǎn)低于合理值1.12，表明該6個(gè)城市城區(qū)擴(kuò)展速度低于城市人口增長(zhǎng)速度，城區(qū)過(guò)快的人口涌入會(huì)產(chǎn)生交通擁堵、基礎(chǔ)設(shè)施配套不足等一系列的城市病。秦皇島市(1.23)和天津市(1.13)城市用地增長(zhǎng)彈性系數(shù)相對(duì)合理。2002—2015年，天津市(6.77)、張家口市(4.41)、廊坊市(3.79)、滄州市(2.07)、秦皇島市(1.95)、邯鄲市(1.40)城市用地增長(zhǎng)彈性系數(shù)遠(yuǎn)高于最優(yōu)值1.12，表明該6個(gè)城市城區(qū)擴(kuò)展速度高于城市人口增長(zhǎng)速度，城區(qū)土地利用效率下降。唐山市(0.62)、保定市(0.78)、石家莊市(0.25)、邢臺(tái)市(0.57)的城市用地增長(zhǎng)彈性系數(shù)遠(yuǎn)低于合理值1.12，表明該6個(gè)城市城區(qū)擴(kuò)展速度低于城市人口增長(zhǎng)速度。2002—2015年相比1990—2002年，京津冀城市群地級(jí)市轄區(qū)的城市用地增長(zhǎng)彈性系數(shù)與合理值差距整體拉大，且總體上呈現(xiàn)兩極分化的趨勢(shì)，只有北京市和邯鄲市的城區(qū)擴(kuò)展協(xié)調(diào)性在增強(qiáng)。

2.2.4 城區(qū)擴(kuò)展占用土地類(lèi)型

隨著城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，受城市周邊開(kāi)發(fā)區(qū)建設(shè)、城市新區(qū)、工業(yè)用地外遷的影響，城市周邊土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)換主要集中在耕地、建設(shè)用地、居住地和工業(yè)用地。京津冀地區(qū)1990—2015年城區(qū)擴(kuò)展占用耕地的比例為54.31%，占用農(nóng)村居民點(diǎn)及其他建設(shè)用地的比例為38.86%。城市擴(kuò)展過(guò)程中，占用耕地、不斷吸納附近地區(qū)的農(nóng)村居民點(diǎn)和其他建設(shè)用地是城區(qū)擴(kuò)展占用土地的主要方式。

3 結(jié)論與討論

本文在分析已有城區(qū)相關(guān)概念的基礎(chǔ)上，充分利用高分辨率遙感影像中展現(xiàn)出的城市景觀和形態(tài)、集中連片等空間可視化特征，結(jié)合住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部需求，從城市實(shí)際建設(shè)完成情況出發(fā)，提出了一套基于高分辨率影像和地理信息資料輔助的城區(qū)半自動(dòng)化提取方法。該方法具有規(guī)范性強(qiáng)、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一等特點(diǎn)，且可操作性強(qiáng)，推廣應(yīng)用價(jià)值大。提出的城區(qū)邊界提取方法所用影像分辨率高，城區(qū)邊界勾繪精度高，可得到更高精度的城區(qū)邊界數(shù)據(jù)，同時(shí)避免了以不透不面(建設(shè)用地)替代城區(qū)時(shí)城區(qū)范圍內(nèi)城市綠地、公園水體等地類(lèi)缺失等問(wèn)題。全國(guó)第一次地理國(guó)情普查成果和基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)等多元輔助數(shù)據(jù)的使用，使城區(qū)提取質(zhì)量更加可靠。半自動(dòng)化的提取方法可同時(shí)兼顧效率和精度，為工程化應(yīng)用提供了可能。該技術(shù)方法和監(jiān)測(cè)結(jié)果已應(yīng)用于住建部門(mén)開(kāi)展城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)和城市總體規(guī)劃實(shí)施評(píng)估。

此外，通過(guò)開(kāi)展京津冀城市群1990—2015年的城區(qū)時(shí)空擴(kuò)展分析，得出如下結(jié)論：①京津冀城市群縣級(jí)以上城市的城區(qū)擴(kuò)展迅猛，城區(qū)面積地區(qū)差異顯著，集中度高，且擴(kuò)展速度和擴(kuò)展比例嚴(yán)重不均衡。②京津冀城市群城市擴(kuò)展以中心城區(qū)外圍的“組團(tuán)”式的外延擴(kuò)展為主。京津冀地區(qū)城市空間結(jié)構(gòu)演變特征各具特色，圈層、軸線(xiàn)、帶狀擴(kuò)展模式并存。③京津冀城市群城市空間擴(kuò)展與人口增長(zhǎng)不協(xié)調(diào)，且不協(xié)調(diào)性呈兩極分化趨勢(shì)。④京津冀城市群城市周邊用地結(jié)構(gòu)變化劇烈，城區(qū)擴(kuò)展占用地以耕地為主。

為使京津冀城市群能夠更好地朝集約、高效、綠色、協(xié)調(diào)發(fā)展，筆者提出以下幾條建議：盡快劃定城市開(kāi)發(fā)邊界，嚴(yán)控大城市的城區(qū)擴(kuò)展速度和建設(shè)規(guī)模，加快小城市的快速發(fā)展，促進(jìn)城市擴(kuò)展均衡化；提高城市擴(kuò)展與人口增長(zhǎng)的協(xié)調(diào)性，既要避免城區(qū)擴(kuò)展過(guò)快，也要避免人口增長(zhǎng)過(guò)快；新型城鎮(zhèn)化發(fā)展要兼顧城市用地效率的產(chǎn)出和生態(tài)文明的建設(shè)，堅(jiān)持集約發(fā)展，樹(shù)立“精明增長(zhǎng)”“緊湊城市”理念，做好城區(qū)內(nèi)部用地的潛力挖掘。

下一步研究工作包括：①優(yōu)化城區(qū)邊界提取算法，將現(xiàn)有城區(qū)邊界提取原則轉(zhuǎn)化為機(jī)器學(xué)習(xí)算法，減少人工干預(yù)程度，提升初始城區(qū)邊界到最終城區(qū)邊界修正的自動(dòng)化程度；②收集1990、2002和2015年城區(qū)范圍內(nèi)的土地利用數(shù)據(jù)，分析京津冀城市群城區(qū)范圍內(nèi)建設(shè)用地與其他類(lèi)型用地的空間分布及所占比例變化，為城市群空間格局優(yōu)化提供建議；③研究自動(dòng)化或半自動(dòng)化的城區(qū)內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息提取方法，為城區(qū)時(shí)空擴(kuò)展分析，以及城鄉(xiāng)規(guī)劃和規(guī)劃實(shí)施評(píng)估提供更加豐富、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源。

致謝：感謝北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院、天津市測(cè)繪院、河北省地理信息局在影像數(shù)據(jù)處理、專(zhuān)題資料收集方面提供的幫助。