張亞萍，張 平，孫丹峰，劉順喜，倫 飛

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100093；2.中國國土勘測規(guī)劃院，北京 100035)

經(jīng)過近四十年來快速城鎮(zhèn)化的發(fā)展，我國的城市化水平已由1980年的19.4%增長至2018年的59.58%。城市建設(shè)用地的空間擴展是評估城市化進程的一個重要指標[1]，城市形態(tài)作為城市化的結(jié)果，其空間格局的演變明確反映了城市化過程。城市群作為一個地區(qū)的增長極，對帶動整體區(qū)域發(fā)展更有積極作用。研究與揭示城市群的空間擴張規(guī)律，對理解區(qū)域城鎮(zhèn)化過程及優(yōu)化城鎮(zhèn)布局具有重要意義。繼我國在過去的十五年將城市群提升為新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的“主體形態(tài)”后，學(xué)者們對城市群這一城市空間發(fā)展的高級組織形式的研究也有升溫趨勢。從既有的學(xué)術(shù)研究內(nèi)容來看，對城市群擴張的研究主要分為4類：城市建設(shè)用地擴張時空特征分析[2-3]、驅(qū)動力分析[4]、擴張效應(yīng)分析[5-6]及城市擴張動態(tài)模擬分析[7-8]，而缺乏從城市整體規(guī)模體系角度對城市群發(fā)展的考量。從研究區(qū)域來看，學(xué)者們對京津冀[9-10]、珠三角[11]、長三角[12-13]及長江中游[14]等城市群進行了廣泛研究，但主要集中于東部經(jīng)濟發(fā)達的城市群，而對西部城市群的研究關(guān)注度不夠。成渝城市群作為中國西部地區(qū)唯一的國家級重點城市群，其一體化發(fā)展對推進共建“一帶一路”也發(fā)揮著帶動作用，對其研究還亟待完善，而基于長時間序列對其擴張時序特征的研究則更為匱乏。

本文試圖借助多源遙感數(shù)據(jù)，通過對近三十年成渝城市群城市建設(shè)用地擴張制圖，分析城市建設(shè)用地擴張格局階段性特征，揭示成渝城市群城市發(fā)展規(guī)律；識別城市群城市建設(shè)用地擴張模式，并對其進行定量評估；分析城市規(guī)模體系，探討城市群發(fā)育特征，以期從多個維度揭示城市群擴張速度-分布-模式-規(guī)模體系。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)源及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

依據(jù)《成渝城市群發(fā)展規(guī)劃》劃定本文研究范圍，但《規(guī)劃》中涉及的達州市并不包括完整行政邊界，重慶市開縣及云陽的部分地區(qū)并未劃定具體范圍，因此上述地區(qū)并未納入本文研究區(qū)范圍(圖1)。本文研究的空間范圍具體包括成都、重慶、德陽、綿陽、樂山、眉山、資陽、內(nèi)江、宜賓、瀘州、南充、遂寧、廣安、雅安、自貢15個市。

圖1 研究區(qū)范圍

1.2 數(shù)據(jù)源

本文涉及的研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為成渝城市群1990、2000、2005、2010、2013、2018年城市建設(shè)用地提取信息(包含轄縣、轄市建設(shè)用地)，其中1990—2013年城市建設(shè)用地空間數(shù)據(jù)由中國土地勘測規(guī)劃院提供，主要處理過程為選用Landsat TM、ETM+、BJ-1等多源遙感數(shù)據(jù)，經(jīng)過正射校正等預(yù)處理后，導(dǎo)入ArcGIS軟件，利用人機交互判讀方法，由長期從事遙感影像解譯的專業(yè)人員提取城市建設(shè)用地。提取成果由專業(yè)質(zhì)檢部門進行內(nèi)業(yè)核查，有疑問區(qū)域進行外業(yè)核實，總體采集精度控制在實地5 m以內(nèi)。2018年城市擴張數(shù)據(jù)由16景覆蓋成渝城市群的OLI影像拼接而成，城市建設(shè)用地提取擴張方法同上，精度驗證通過選取樣本導(dǎo)入Google Earth完成，總體精度滿足分析城市建設(shè)用地空間格局研究的需求。

1.3 研究方法

1.3.1 建設(shè)用地年均增長率指數(shù)(AGR)

建設(shè)用地年均增長率指數(shù)AGR(annual growth rate)用來衡量城市用地年變化速率。公式為

(1)

式中，Astart為研究初期建設(shè)用地面積；Aend為研究期末建設(shè)用地面積；n為研究期末間隔年限。

1.3.2 核密度估計

本文將新增城市建設(shè)用地圖斑劃分為1 km網(wǎng)格并作為基礎(chǔ)單元，依托于ArcGIS軟件進行核密度分析，挖掘其擴張熱點空間分布規(guī)律。核密度的計算公式為

(2)

1.3.3 位序-規(guī)模法則

位序-規(guī)模法則是美國學(xué)者齊普夫(Zipf)于1949年針對經(jīng)濟發(fā)達國家城市體系提出的城市規(guī)模分布規(guī)律。計算公式為

(3)

為直觀起見，將該公式進行自然對數(shù)變換

lnPi=lnP1-qlnR+δ

(4)

式中，Pi為按規(guī)模從大到小排列第i位城市的規(guī)模；P1為首位城市規(guī)模；Ri為Pi城市的位序；參數(shù)q通常被稱為Zipf指數(shù)；δ為常數(shù)。

當(dāng)q=1時，首位城市與最小規(guī)模城市之比等于總的城市數(shù)量，Zipf認為此時為城市等級規(guī)模分布的理想狀態(tài);當(dāng)q>1時，城市規(guī)模分布差異較大，高位序城市很突出，低位序城市發(fā)展不足，當(dāng)q→時，表示區(qū)域內(nèi)只有一個城市;當(dāng)q<1時，高位城市不突出，中小城市發(fā)展較好，城市規(guī)模均勻分布，當(dāng)q→0時，表示所有城市規(guī)模一樣大。

2 城市建設(shè)用地總體擴張格局分析

2.1 城市群城市建設(shè)用地總體擴張及各市年擴張面積

研究期內(nèi)成渝城市群城市建設(shè)用地面積持續(xù)增加，從1990年的590.17 km2增加至2018年的5 022.78 km2，增長了4 432.61 km2，擴張了751.07%，年均擴張面積為158.31 km2。其從1990年至2018年城市建設(shè)用地覆蓋面積AGR為7.95%，根據(jù)文獻[15—16]研究，1992—2015年在全國尺度上城市建設(shè)用地面積年均增速為8.1%,可見成渝城市群城市建設(shè)用地增速持平于全國平均水平。

從時間序列來看，成渝城市群的城市建設(shè)用地AGR由1990—2000年的5.17%增至2000—2005年的11.55%，隨后在2005—2010年放緩至9.93%，在2010—2013年到達頂峰為13.63%，2013—2018年落回至4.80%。從地級市尺度上來看，重慶市1990—2018年年均城市建設(shè)用地擴張面積最高，達51.27 km2，成都市緊隨其后，為47.15 km2，而雅安、自貢、宜賓、瀘州等城市建設(shè)用地面積增速則較緩，均低于5 km2/a；從區(qū)域上來看(如圖2所示)，城市建設(shè)用地面積增速從成德綿樂都市帶(成都、德陽、綿陽、樂山)、重慶都市圈、川東北城鎮(zhèn)密集區(qū)、川南城鎮(zhèn)密集區(qū)依次降低，呈現(xiàn)“中部高速，南北低速”的特點，成都都市帶城市建設(shè)用地面積增速最快，為82.41 km2/a，川南城市建設(shè)用地面積增速最慢，僅為12.93 km2/a。

圖2 研究區(qū)城市建設(shè)用地擴張格局

2.2 城市群城市建設(shè)用地擴張核密度分析

從城市建設(shè)用地擴張核密度來看(如圖3所示)，成渝城市群的城市建設(shè)用地擴張密度分布呈現(xiàn)明顯的分異格局，主要表現(xiàn)為成都、重慶為高值中心，川南為低值連片分布的特點。成渝城市群城市建設(shè)地擴張核密度均值為0.03個/km2，成渝城市群核密度高值區(qū)主要集中在成都、重慶二市，密度均值為0.47個/km2。此外，成德綿樂都市帶(成都、德陽、綿陽、樂山)中除成都外的節(jié)點城市擴張密度值較高，密度均值為0.11個/km2。

值得注意的是，由圖3可以看到，除成都市與德陽市的城市建設(shè)用地擴張呈現(xiàn)一體化趨勢外，其他地區(qū)并未出現(xiàn)高值區(qū)聚集分布，各市均為單獨發(fā)展，沒有形成連片發(fā)展格局。同時，這也說明了城市群內(nèi)部的發(fā)展不夠集聚，核心城市對周邊地市的輻射作用不夠強，城市群協(xié)同一體化發(fā)展還有很大的空間。

3 城市群擴張模式分析

1990—2018年間，成渝城市群土地利用/覆被發(fā)生了極大的變化，大量的非建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。整體來看，新增城市建設(shè)用地的擴張模式以蔓延式為主，飛地式為輔，填充式所占比例最低(圖4)。1990—2013年間，飛地式擴張模式在3種模式中所占比例不斷攀升，直至2013年達到最高值49.14%。根據(jù)城市增長相位理論[17]，飛地式擴展模式增加的過程在城市增長理論中稱為擴散，城市群一直處在發(fā)展階段，城市群發(fā)展結(jié)構(gòu)趨于疏松。蔓延式擴張在各階段中一直處于絕對主導(dǎo)地位，而蔓延式擴張常為城市出現(xiàn)“攤大餅”建設(shè)的原因，常伴隨著城市土地利用密度低、城市無序擴張的結(jié)果。填充式擴張模式在研究期間占3種擴張模式的比例一直最少，填充式擴張代表精明、緊湊的城市擴張模式，一般為城市群發(fā)展到一定階段后出現(xiàn)的內(nèi)涵式發(fā)展，這說明研究期內(nèi)的成渝城市群土地利用不夠集約?？傮w而言，成渝城市群在研究期內(nèi)城市擴張呈現(xiàn)無序蔓延的態(tài)勢，并未趨于緊湊。

圖4 1990—2018年間研究區(qū)3種擴張模式比例

4 城市群規(guī)模體系分析

將成渝城市群各時期的城市建設(shè)用地規(guī)模進行排序，由圖5可以看出城市群用地規(guī)模分布的變動情況。成渝城市群內(nèi)部各市用地規(guī)模發(fā)展差異巨大，呈“長尾”型發(fā)展態(tài)勢和明顯的“雙極”發(fā)展。自2000年以后，成渝二市用地規(guī)模飛速發(fā)展，與之對應(yīng)的是，城市群內(nèi)的其他中小城市用地規(guī)模則停滯不前，繼而二者在城市用地規(guī)模上出現(xiàn)斷崖式差距。成渝二市在城市群規(guī)模發(fā)展中的壟斷力相對較強，主導(dǎo)作用明顯，而首位城市與其他城市間的規(guī)模差距大，城市規(guī)模分布均衡度較弱。這說明成渝城市群整體用地規(guī)模發(fā)展極不平衡，城市規(guī)模沒有出現(xiàn)均衡有序的金字塔式等級體系。

圖5 1990—2018年研究區(qū)城市城市規(guī)模排序

將1990—2018年間五個時間節(jié)點所對應(yīng)的成渝城市群15個城市的用地規(guī)模和位序按照位序-規(guī)模法則進行雙對數(shù)回歸，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知：1990—2018年內(nèi)各時期擬合優(yōu)度R2均在0.9以上，模型擬合效果良好。各時期Zipf維數(shù)(即q值)均大于1，介于1.15～1.45，表明高位城市與中低位城市間的差距較大，高位序城市較為突出，而中小城市發(fā)育不夠，城市規(guī)模分布比較分散?？傮w上各年份q值持平，由1990年的1.24降至2018年的1.15，僅減少了7.26%。

圖6 1990—2018年研究區(qū)城市用地規(guī)模分布的位序-規(guī)模對數(shù)曲線

根據(jù)q值的波動情況，將研究期分為3個階段：①1990—2000年，這時的q值介于1.20～1.24之間，在3個時期中q值最為平穩(wěn)，且q值較接近于1，說明這個時期的成渝城市群城市規(guī)模較為均衡，比較接近于Zipf法則的理想狀態(tài)；②2000—2010年，q值由1.20持續(xù)上升至最大值1.45，城市群規(guī)模分布較為極化，高位序城市發(fā)展較快，中小城市則發(fā)育相對不足；③2010—2018年，這個時期的q值持續(xù)回落，由1.45降低至最小值1.15，說明2010年后城市規(guī)模分布日趨平衡，中低位序城市發(fā)展，城市之間差異逐漸減小，成渝城市群城市城市體系趨向合理。

5 結(jié) 語

本文以成渝城市群為例，基于多源遙感影像提取的城市群城市建設(shè)用地數(shù)據(jù)，綜合運用定性與定量的方法，分別從擴張速度、熱點、模式及城市群規(guī)模體系等方面，探討了城市群城市建設(shè)用地擴張規(guī)律，對其空間擴張過程與城市群發(fā)育特征進行分析。結(jié)果表明，1990—2018年，成渝城市群城市建設(shè)用地面積呈現(xiàn)由“高速增長”至“平穩(wěn)增長”的態(tài)勢。城市建設(shè)用地擴張核密度分布主要呈現(xiàn)成渝二市為高值中心，川南地區(qū)低值連片分布的特征。各時期成渝城市群新增城市建設(shè)用地均以蔓延式擴張為主，飛地式擴張為輔，填充式所占比例最少，且成渝城市群城市規(guī)模體系時間序列演化由極化趨于均衡。本文的研究結(jié)果為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供了科學(xué)的參考意見。