葛天弘,何 悅,李 璐

(浙江工商大學(xué)旅游與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院,浙江 杭州 310016)

1 概 述

城市建成區(qū)是指市行政區(qū)范圍內(nèi)經(jīng)過征收的土地和實(shí)際建設(shè)發(fā)展起來的非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建設(shè)，包括市區(qū)集中連片的部分以及分散在近郊區(qū)與市區(qū)有著密切聯(lián)系具有基本完善的市政公用設(shè)施的城市建成區(qū)。城市建成區(qū)是衡量城市發(fā)展規(guī)模和趨勢(shì)的重要指標(biāo),社會(huì)經(jīng)濟(jì)尺度上包括常住人口、人口密度、地區(qū)生產(chǎn)總值等,空間尺度上包括擴(kuò)張速度、擴(kuò)張方向、擴(kuò)張形態(tài)及擴(kuò)張動(dòng)力等指標(biāo)。

由于城市規(guī)劃學(xué)科研究及其實(shí)踐在我國的起步較晚,我國大量城市在追求高速城市化的過程中出現(xiàn)了城市建設(shè)用地?zé)o序擴(kuò)張帶來的城市空間無序蔓延,以及用地?cái)U(kuò)張與人口、經(jīng)濟(jì)增長不平衡等不利于區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的城市問題。在我國新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程中,通過遙感數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)城市化過程的有效監(jiān)測(cè),在較長時(shí)間序列上把握城市擴(kuò)張的空間形態(tài)及內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力,并為城市有序擴(kuò)張?zhí)峁?shù)據(jù)分析及理論支持,對(duì)我國新型城鎮(zhèn)化發(fā)展具有較大的研究前景和應(yīng)用價(jià)值。

本文采用美國軍事氣象衛(wèi)星DMSP(Defense Meteorological Satellite Program) 搭載的 OLS(Operational Linescan System)傳感器所獲取的全球夜間燈光數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源。相較于Landsat TM、SPOT和IKONOS等高、中分辨率遙感數(shù)據(jù)而言,DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)獲取成本低、覆蓋范圍大,適用于區(qū)域城市群或更大范圍的城市化動(dòng)態(tài)研究,已被證明是獲取城市空間動(dòng)態(tài)信息、進(jìn)行人類活動(dòng)監(jiān)測(cè)的有效數(shù)據(jù)源。通過遙感數(shù)據(jù)提取城市建設(shè)用地空間信息,完成用地信息的空間化呈現(xiàn),并進(jìn)行城市空間形態(tài)擴(kuò)張的定性分析。

相較于國外學(xué)者對(duì)于夜間燈光數(shù)據(jù)的較早應(yīng)用實(shí)踐,近些年國內(nèi)也陸續(xù)有研究人員開展了基于夜間燈光數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究。鐘鑫等[1]基于2010—2013年DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),構(gòu)建燈光指數(shù),并采用探索性空間數(shù)據(jù)分析方法,從不同時(shí)間、空間角度對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的空間集聚程度進(jìn)行相關(guān)分析。王旭等[2]將夜間燈光空間分布信息作為研究數(shù)據(jù),將市級(jí)GDP統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間展布到柵格單元,以絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差和均方根誤差為指標(biāo)對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)作了相關(guān)分析。

本文借鑒國內(nèi)外城市空間擴(kuò)張?jiān)u價(jià)中較為成熟的經(jīng)驗(yàn),從浙江省下轄11個(gè)地級(jí)市城市建成區(qū)信息中提取數(shù)據(jù)并構(gòu)建城市擴(kuò)張速度、城市擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)、城市緊湊度指數(shù)三項(xiàng)指標(biāo)定量評(píng)價(jià)浙江省城市空間擴(kuò)張情況。為探求城市擴(kuò)張過程中的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)機(jī)制,本文采用主成分分析法、逐步回歸分析法,對(duì)涵蓋人口、經(jīng)濟(jì)、居民生活水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、市政建設(shè)等方面的12項(xiàng)城市擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行主成分篩選,歸納總結(jié)浙江省城市建成區(qū)擴(kuò)張的主要驅(qū)動(dòng)力,最終完成基于夜間燈光數(shù)據(jù)的城市擴(kuò)張監(jiān)測(cè)與分析在浙江省省域范圍內(nèi)的實(shí)踐應(yīng)用,為浙江省的城市化研究及其他地區(qū)的夜間燈光數(shù)據(jù)同類型應(yīng)用研究提供借鑒。

2 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況

浙江省界于東經(jīng)118°01′—123°10′,北緯27°02′—31°11′之間,地處中國東南沿海長江三角洲南翼,東臨東海,南接福建,西與江西、安徽相連,北與上海、江蘇接壤,浙江省總面積為10.55萬km2,占中國土地總面積的1.1%。浙江地處長江經(jīng)濟(jì)帶,下轄11個(gè)市區(qū),常住人口5 737萬人, 地區(qū)生產(chǎn)總值56 197億元,人均地區(qū)生產(chǎn)總值98 643元。在城市化進(jìn)程上,截至2018年年末,中國的城市化率達(dá)到了59.58%,浙江省作為我國沿海發(fā)達(dá)地區(qū)的同期城市化率高達(dá)68.9%,位列全國各省份第6位。受限于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)空間分辨率,本文以浙江省下轄11個(gè)地級(jí)市城市建成區(qū)為研究對(duì)象,探尋其空間演化進(jìn)程與內(nèi)在驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文采用數(shù)據(jù)源主要為夜間燈光數(shù)據(jù),浙江省各地級(jí)市行政區(qū)劃矢量邊界,各地級(jí)市市轄區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

本文選取由NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)發(fā)布1993—2013年DMSP/OLS非輻射定標(biāo)的夜間穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)源自美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站,分辨率為30",且消除了云、火光等偶然噪聲影響,具有時(shí)效性和經(jīng)濟(jì)性。

浙江各地級(jí)市矢量邊界取自地理國情檢測(cè)云平臺(tái)(http://www.dsac.cn)發(fā)布的《2016年全國各省市電子地圖矢量數(shù)據(jù)》,數(shù)據(jù)基于WGS-84地理坐標(biāo)系。

本文選用的浙江省各地級(jí)市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)取自《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒》,包括反映社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、居民生活水平、政府政策等方面的共12項(xiàng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 遙感影像校正

DMSP/OLS夜間燈光影像數(shù)據(jù)存在一些影響長時(shí)序研究的問題：多傳感器獲取的不同年度的影像間不連續(xù)和影像中表征燈光強(qiáng)度的像元DN值存在飽和現(xiàn)象,因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理之前需要對(duì)夜間燈光影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正。

本文選取了像元尺度的飽和校正方法對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行去飽和處理,方法見曹子陽等[3]的研究。對(duì)去飽和的穩(wěn)定夜間燈光影像進(jìn)行掩膜裁剪、重投影、重采樣等預(yù)處理,最終得到分辨率為1 km×1 km且基于Lambert等角圓錐投影的去飽和穩(wěn)定夜間燈光影像。

3.2 經(jīng)濟(jì)、人口因素與夜間燈光數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性回歸分析

地區(qū)城鎮(zhèn)化程度的重要經(jīng)濟(jì)、人口指標(biāo)分別由地區(qū)生產(chǎn)總值與城鎮(zhèn)常住人口反映。通過SPSS軟件進(jìn)行線性回歸分析,探究夜間燈光數(shù)據(jù)與地區(qū)經(jīng)濟(jì)、人口之間的關(guān)聯(lián)性,明確夜間燈光數(shù)據(jù)是否在一定程度上可以反映一個(gè)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)與人口的發(fā)展水平,并建立地區(qū)生產(chǎn)總值、城鎮(zhèn)常住人口與夜間燈光數(shù)據(jù)之間的回歸方程。方程形式如下：

Y=aX+b

(1)

式中：Y為夜間燈光強(qiáng)度總值；

X為地區(qū)生產(chǎn)總值或城鎮(zhèn)常住人口。

3.3 城市建成區(qū)提取

夜間燈光影像由城市建成區(qū)的亮值像元和農(nóng)村或其他背景區(qū)域的零值像元構(gòu)成。徐夢(mèng)潔等[4]在基于DMSP/OLS夜間數(shù)據(jù)的長江三角洲地區(qū)城市化格局與過程研究中,利用DMSP/OLS夜間數(shù)據(jù)結(jié)合相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),構(gòu)建基于燈光數(shù)據(jù)的城市化水平指數(shù)分析城市化進(jìn)程和空間模式,證實(shí)DMSP/OLS夜間數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)之間存在較高的一致性。本文綜合基于二分法夜間燈光閾值提取方法與經(jīng)驗(yàn)閾值法,通過假設(shè)潛在閾值,采用二分法不斷修正閾值使之與統(tǒng)計(jì)年鑒中建成區(qū)面積誤差足夠小,最后將根據(jù)修正閾值提取的建成區(qū)影像進(jìn)行目視解譯驗(yàn)證其提取區(qū)塊的合理性[5-7]。具體方法見徐夢(mèng)潔等的研究結(jié)論。

3.4 城市建成區(qū)擴(kuò)張指數(shù)

分別構(gòu)建擴(kuò)張速度、擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)以及緊湊度指數(shù)三個(gè)測(cè)度指標(biāo),其中采用擴(kuò)張速度與擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)的數(shù)據(jù)來衡量城市擴(kuò)張的發(fā)展?fàn)顩r[8-9]，選擇緊湊度指數(shù)來分析城市開發(fā)過程中外部空間形態(tài)的變化[10]。

3.4.1 擴(kuò)張速度

擴(kuò)張速度是指在特定時(shí)間段內(nèi)城市建設(shè)用地面積變化的快慢,其表達(dá)式如下：

V=(An+i-Ai)/n

(2)

式中：V為城市的擴(kuò)張速度,km2/a；

Ai為第i年城市斑塊面積,km2；

An+i為第n+i年的城市斑塊面積,km2；

n為時(shí)間跨度,a。

3.4.2 擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)

擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)主要用來反映城市群體土地利用擴(kuò)張面積的強(qiáng)度,主要采用城市空間擴(kuò)展面積、研究時(shí)段和目標(biāo)空間單元總面積來界定,其表達(dá)式如下：

(3)

式中：ΔUi為研究時(shí)段目標(biāo)空間單元的城市空間擴(kuò)展面積,km2；

Δt為研究時(shí)段的時(shí)間間隔,a；

TLA為目標(biāo)空間單元土地總面積,km2。

3.4.3 緊湊度指數(shù)

緊湊度作為表征城市空間擴(kuò)展的形態(tài)特征指數(shù),包括外部形態(tài)緊湊度和內(nèi)部功能緊湊度兩大范疇,而城市外部空間緊湊度的量化模型更能展示城市在擴(kuò)展進(jìn)程中形態(tài)特征的發(fā)展變化[11],其表達(dá)式如下：

(4)

式中：C為緊湊度指數(shù)；

Ai為第i年城市斑塊的面積,km2；

Pi為第i年城市斑塊外輪廓的周長,km。

緊湊指數(shù)越大,說明城市面積擴(kuò)張?jiān)接行蚯彝獠啃螒B(tài)十分緊湊;反之,則說明城市外部形態(tài)的緊湊度差,城市面積擴(kuò)張雜亂無序。

3.5 驅(qū)動(dòng)力分析模型

城市空間擴(kuò)張是工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、全球化以及政府宏觀調(diào)控等復(fù)雜的多因素綜合作用的結(jié)果[12-13]。基于以往研究經(jīng)驗(yàn)及對(duì)浙江省各地級(jí)市發(fā)展模式的理解,本文從人口、經(jīng)濟(jì)、政策3個(gè)維度選取以下12項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)作為研究城市建成區(qū)擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)力的因子,包括年末總?cè)丝?X1)、人口自然增長率(X2)、從業(yè)人員期末人數(shù)(X3)、第三產(chǎn)業(yè)人員比重(X4)、人口密度(X5)、地區(qū)生產(chǎn)總值(X6)、財(cái)政收入(X7)、科學(xué)技術(shù)支出(X8)、固定資產(chǎn)投資(X9)、社會(huì)消費(fèi)品零售總額(X10)、年末實(shí)有城市道路面積(X11)、全社會(huì)用電量(X12)。運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行主成分分析、回歸分析,進(jìn)而確定浙江省城市建成區(qū)擴(kuò)張的驅(qū)動(dòng)力。

4 浙江省城市建設(shè)用地時(shí)空演變特征

4.1 經(jīng)濟(jì)、人口因素與夜間燈光數(shù)據(jù)回歸分析

地區(qū)生產(chǎn)總值和常住人口分別是反映地區(qū)城市化程度的重要經(jīng)濟(jì)、人口指標(biāo),為探究夜間燈光數(shù)據(jù)與地區(qū)經(jīng)濟(jì)、人口之間的相關(guān)性[14]，本文基于ArcGIS10.2的空間分析功能,統(tǒng)計(jì)各地級(jí)市城市建成區(qū)內(nèi)的夜間燈光亮度總值,作為關(guān)聯(lián)性研究中的自變量x。在1993—2013年內(nèi),對(duì)浙江省各地級(jí)市的地區(qū)生產(chǎn)總值、常住人口與建成區(qū)夜間燈光亮度總值作線性回歸分析[15]。

分析結(jié)果見表1,在浙江省空間尺度范圍內(nèi),夜間燈光亮度與經(jīng)濟(jì)、人口之間存在關(guān)聯(lián)性,擬合度、顯著性測(cè)試結(jié)果支持構(gòu)建回歸模型。但在部分地區(qū),如嘉興、衢州、舟山、臺(tái)州、麗水等地,其回歸分析結(jié)果顯示顯著性(Sig)大于界定標(biāo)準(zhǔn)(0.05),擬合優(yōu)度不足,顯著性不明顯。

因此,DMSP/OLS夜間燈光亮度在一定程度上可以反映一個(gè)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)、人口發(fā)展水平,可用于估計(jì)大尺度地區(qū)范圍的經(jīng)濟(jì)、人口城鎮(zhèn)化演進(jìn)階段。

4.2 城市擴(kuò)張的時(shí)空演變

4.2.1 城市建成區(qū)提取

由提取得到的浙江省夜間燈光數(shù)據(jù)影像可知,浙江省域內(nèi)各地級(jí)市城市建成區(qū)空間擴(kuò)張均較為劇烈且不同時(shí)期擴(kuò)展特征明顯,見圖1。

表1 經(jīng)濟(jì)、人口因素與夜間燈光數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析

圖1 浙江省城市建成區(qū)提取結(jié)果

1993年,省域內(nèi)只有位于長三角地區(qū)的杭州市和寧波市以及位于浙南的溫州市擁有較大城市建成區(qū)面積,位于浙江中部、西部、南部的各地級(jí)市發(fā)展相對(duì)落后。同時(shí)影像圖表明各地級(jí)市城市建成區(qū)分布零散,缺乏聯(lián)系通道,呈現(xiàn)出較為松散的狀態(tài)。

1998年夜間燈光監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,各地級(jí)市城市建成區(qū)面積均顯現(xiàn)不同程度的擴(kuò)張,其中臺(tái)州市出現(xiàn)了由三個(gè)增長點(diǎn)構(gòu)成的較為明顯的三角形城市建成區(qū)域,溫州市城市建成區(qū)主要沿海岸線擴(kuò)張。隨著紹興、臺(tái)州、嘉興、湖州等城市的發(fā)展,杭州、寧波、溫州等發(fā)展相對(duì)較早且相對(duì)獨(dú)立的城市之間的聯(lián)系通道初步建立。

到2003年,各地級(jí)市城市建成區(qū)持續(xù)擴(kuò)張,杭州、寧波兩市的夜間燈光呈現(xiàn)集聚態(tài)勢(shì),向外輻射式擴(kuò)張明顯,其中杭州有顯著的城市東擴(kuò)傾向，寧波市向東北沿海地區(qū)擴(kuò)張,與舟山市西南部聯(lián)系的趨勢(shì)明顯增強(qiáng)；湖州市、嘉興市和金華市均出現(xiàn)了較為明顯的夜間燈光斑塊,各城市之間的聯(lián)系繼續(xù)加強(qiáng)[16]。

根據(jù)2008年的夜間燈光影像,各地級(jí)市城市建成區(qū)擴(kuò)張均發(fā)生顯著變化,浙北的杭州市、浙東北的寧波市、浙東南的溫州市和浙中的金華市成為四個(gè)擁有較大城市建成區(qū)面積的主要都市[17]。杭州市城市建設(shè)用地向東北、東部和東南三個(gè)方向擴(kuò)展,呈現(xiàn)顯著的星狀放射式擴(kuò)張,同時(shí)與湖州市、嘉興市、紹興市聯(lián)系逐漸加強(qiáng)。寧波市呈現(xiàn)團(tuán)塊擴(kuò)張式發(fā)展,由于西北部縣級(jí)市的發(fā)展,寧波市與環(huán)杭州灣其他地級(jí)市的聯(lián)系也進(jìn)一步增強(qiáng)。溫州市城市建成區(qū)持續(xù)沿海岸線向南北擴(kuò)張,與臺(tái)州市構(gòu)成“浙東南沿海都市帶”。以金華市為中心,浙江省中部、西部、南部的地級(jí)市逐步打通市際聯(lián)系,依稀可看到金麗衢三城聯(lián)動(dòng)發(fā)展的跡象。

2013年,各地級(jí)市城市建成區(qū)持續(xù)擴(kuò)張,市際聯(lián)系繼續(xù)加強(qiáng)。至此,以湖州市、嘉興市、杭州市、紹興市、寧波市和舟山市為核心的環(huán)杭州灣都市圈初步形成；溫州市、臺(tái)州市成為浙東南沿海重要都市帶；金華市、麗水市、衢州市則發(fā)展相對(duì)緩慢,但以金華市為區(qū)域中心的城市聯(lián)系通道建設(shè)已開始布局。

4.2.2 城市建成區(qū)擴(kuò)張時(shí)空演變分析

基于多時(shí)像浙江省夜間燈光數(shù)據(jù)提取的各年份各地級(jí)市城市建成區(qū)面積信息見圖2。為避免個(gè)別年份城市建成區(qū)信息監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)誤差對(duì)城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張分析的影響[18]，本文等時(shí)間間隔選取1993年、1998年、2003年、2008年和2013年五個(gè)節(jié)點(diǎn)年份,通過城市擴(kuò)張速度、擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)、緊湊度指數(shù)定量評(píng)價(jià)浙江省各地級(jí)市在1993—2013年城市建成區(qū)擴(kuò)張情況。

城市擴(kuò)張速度分析結(jié)果顯示在研究年限的四個(gè)時(shí)期內(nèi),省會(huì)城市杭州市城市擴(kuò)張速度均高于15 km2/a,維持在較為穩(wěn)定水平；寧波市城市擴(kuò)張速度從1993—1998年的0.2 km2/a高速增長至2003—2008年的26.4 km2/a,該擴(kuò)張速度達(dá)到研究年限內(nèi)的最高值，在2008—2013年降低至10.6 km2/a；紹興市城市擴(kuò)張速度在2008—2013年存在較大增幅,達(dá)到了21.4 km2/a；其他地級(jí)市在四個(gè)時(shí)期內(nèi)的城市擴(kuò)張速度變化相對(duì)較小,除溫州市外,其余地級(jí)市的城市擴(kuò)張速度均未能突破5 km2/a。浙江省相對(duì)發(fā)達(dá)的地區(qū)在城市擴(kuò)張速度上普遍要高于欠發(fā)達(dá)地區(qū)。

不同于城市擴(kuò)張速度所反映的城市擴(kuò)張絕對(duì)速度,空間擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)可以有效反映不同城市擴(kuò)張的相對(duì)速度。

如圖3所示,舟山市在1993—1998年的空間擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)高達(dá)32.94%,在各地級(jí)市的各時(shí)期內(nèi)為最高值；紹興市空間擴(kuò)張強(qiáng)度在1998—2003年及2008—2013年兩個(gè)時(shí)期呈現(xiàn)較高態(tài)勢(shì),分別達(dá)到30.00%和23.78%；寧波市空間擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)在2003—2008年時(shí)期達(dá)到峰值24.00%；其余地級(jí)市的空間擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)在各時(shí)期均突破20%,但相較于后兩個(gè)時(shí)期,空間擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)在1993—1998年和1998—2003年這兩個(gè)較早時(shí)期更高。總體來說,各地級(jí)市的空間擴(kuò)張強(qiáng)度變化趨勢(shì)與城市擴(kuò)張速度的變化趨勢(shì)保持基本一致,城市擴(kuò)張速度較慢的地區(qū)卻有更高的城市空間擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)。

圖3 浙江省地級(jí)市城市空間擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)

緊湊度指數(shù)可以在一定程度上定量反映城市擴(kuò)張過程中的離散程度,以圓的緊湊度“1”為最佳形態(tài),城市建成區(qū)的緊湊度指數(shù)越接近“1”,其空間形態(tài)越緊湊；反之其空間形態(tài)區(qū)域離散。

如表2所示,1993年衢州、舟山、臺(tái)州三市的城市建成區(qū)緊湊度指數(shù)低于0.5,其他地級(jí)市的緊湊度指數(shù)都在0.6以上,由此可見，浙江省城市建成區(qū)的空間形態(tài)集聚程度較好；2013年嘉興市、衢州市、麗水市和金華市的城市建成區(qū)緊湊度指數(shù)高于0.6,其余地級(jí)市的城市建成區(qū)緊湊度指數(shù)均低于0.5,浙江省城市建成區(qū)的空間形態(tài)總體上趨于離散。

表2 浙江省地級(jí)市城市建成區(qū)緊湊度指數(shù)

5 浙江省城市建成區(qū)時(shí)空演變驅(qū)動(dòng)力分析

5.1 基于主成分分析的浙江省城市擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)力

本文首先對(duì)12項(xiàng)城市擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)力因子進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理,避免數(shù)據(jù)之間量綱、數(shù)量的不同對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生的影響。為判斷選取的指標(biāo)是否適用于主成分分析,本文對(duì)12項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行KMO和Bartlett球形檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 KMO與Bartlett檢驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果顯示KMO值=0.673大于0.5,偏相關(guān)系數(shù)較大,因子適合采用主成分分析方法；Bartlett的球形度檢驗(yàn)的相伴概率Sig.= 0.000小于0.05顯著水平；Bartlett的球形度檢驗(yàn)結(jié)果也顯示所選的12個(gè)指標(biāo)適合作主成分分析。

完成因子適用性檢驗(yàn)后,利用SPSS軟件對(duì)12項(xiàng)城市擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)力指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,得到各主成分特征值及其貢獻(xiàn)率,選取特征值大于1的主成分,其累計(jì)貢獻(xiàn)率可以反映主成分是否較好地解釋12個(gè)評(píng)價(jià)因子,結(jié)果見表4。

表4 主成分特征值與累計(jì)貢獻(xiàn)率

結(jié)果顯示第一主成分F1的特征值為9.056,貢獻(xiàn)率為75.464%,第二主成分F2的特征值為1.796,貢獻(xiàn)率為14.970%,選取的2個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到90.434%,可以表征12個(gè)變量的大部分信息。

對(duì)主成分因子采用具有Kaiser標(biāo)準(zhǔn)化的四分旋轉(zhuǎn)法進(jìn)行旋轉(zhuǎn),在3次迭代后收斂,得到旋轉(zhuǎn)后載荷矩陣,見表5。

結(jié)果顯示,年末總?cè)丝?X1)、從業(yè)人員期末人數(shù)(X3)、第三產(chǎn)業(yè)人員比重(X4)、地區(qū)生產(chǎn)總值(X6)、財(cái)政收入(X7)、科學(xué)技術(shù)支出(X8)、固定資產(chǎn)投資(X9)、社會(huì)消費(fèi)品零售總額(X10)、年末實(shí)有城市道路面積(X11)、全社會(huì)用電量(X12)在第一主成分F1中有較高的載荷；人口自然增長率(X2)和人口密度(X5)在第二主成分F2中具有較高的載荷。

表5 旋轉(zhuǎn)成分矩陣

最后,為確定2個(gè)主成分對(duì)城市建成區(qū)擴(kuò)張的影響力大小,本文將城市建成區(qū)面積(Y)與2個(gè)主成分(F1、F2)作回歸分析,結(jié)果見表6。

表6 城市建成區(qū)與主成分回歸結(jié)果

結(jié)果顯示,回歸模型R2=0.986,接近于“1”,線性擬合結(jié)果較好；顯著性水平檢驗(yàn)結(jié)果Sig.=0.000小于0.05,回歸關(guān)系顯著性較好,回歸關(guān)系成立。

由回歸模型可知,浙江省城市建成區(qū)擴(kuò)張受主成分F1,即 “社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展”(包括年末總?cè)丝?、從業(yè)人員期末人數(shù)、地區(qū)生產(chǎn)總值、財(cái)政收入、全社會(huì)用電量)、“產(chǎn)業(yè)升級(jí)”(包括第三產(chǎn)業(yè)人員比重)、“收入水平”(包括固定資產(chǎn)投資、社會(huì)消費(fèi)品零售總額)、“政府政策”(包括科學(xué)技術(shù)支出、年末實(shí)有城市道路面積)等因素的影響較大。其中“社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展”“收入水平”“政府政策”因素與城市建成區(qū)擴(kuò)張呈正相關(guān),社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,人民生活、消費(fèi)水平提高,政府政策推動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和鼓勵(lì)創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新均能促進(jìn)城市建成區(qū)的擴(kuò)張；而“產(chǎn)業(yè)升級(jí)”,尤其是第三產(chǎn)業(yè)比重的增加對(duì)城市建成區(qū)擴(kuò)張起負(fù)作用。

浙江省城市建成區(qū)擴(kuò)張也受主成分F2,即 “人口增長”因素的影響,且兩者呈負(fù)相關(guān),表明城鎮(zhèn)人口數(shù)量與密度的增長會(huì)阻礙城市建成區(qū)的擴(kuò)張。雖然城市人口增長需要更大城市建成區(qū)容納增加的人口,但由于在過去城市化進(jìn)程中浙江省的土地城市化速度遠(yuǎn)超人口城市化,而近年來隨著城市土地挖潛,現(xiàn)有城市土地利用率提高,緊湊型城市的建成區(qū)擴(kuò)張與人口增長不再呈現(xiàn)正相關(guān)。

因此,推動(dòng)浙江省城市建成區(qū)擴(kuò)張的驅(qū)動(dòng)力因素為社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,人民生活、消費(fèi)水平提高與政府政策推動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、鼓勵(lì)創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新[19-20]；而產(chǎn)業(yè)升級(jí)與城鎮(zhèn)人口數(shù)量、密度的增長則會(huì)阻礙城市建成區(qū)的擴(kuò)張。

5.2 討 論

浙江省城市建成區(qū)擴(kuò)張受社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人口、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、政府政策、居民收入消費(fèi)水平等多因素共同影響,各因素對(duì)城市擴(kuò)張的影響方式、影響力大小不同。

主成分分析結(jié)果顯示社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,人民生活水平提高與政府政策干預(yù)推動(dòng)浙江省城市建成區(qū)的擴(kuò)張,而產(chǎn)業(yè)升級(jí)與城鎮(zhèn)人口數(shù)量、密度的增長則阻礙城市建成區(qū)的擴(kuò)張。

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要同步擴(kuò)張的城市建成區(qū)為經(jīng)濟(jì)活動(dòng)提供生產(chǎn)場(chǎng)所；人民生活水平消費(fèi)水平和物質(zhì)文化需求的增長對(duì)商業(yè)設(shè)施、休閑娛樂場(chǎng)所以及滿足人民固定資產(chǎn)投資的用地產(chǎn)生了更大的需求,也直接推動(dòng)著城市建成區(qū)的擴(kuò)張。產(chǎn)業(yè)升級(jí)本文中更多指向第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,第三產(chǎn)業(yè)是集約型產(chǎn)業(yè),在有限土地上產(chǎn)生更大經(jīng)濟(jì)效益,其相比第一、二產(chǎn)業(yè)對(duì)大面積土地的依賴程度更低；而城鎮(zhèn)人口數(shù)量的增長與密度的增加雖然表征城市需要更大建成區(qū)容納增加的人口,但由于在過去城鎮(zhèn)化進(jìn)程中浙江省的土地城鎮(zhèn)化速度遠(yuǎn)超人口城鎮(zhèn)化,而近年來隨著城鎮(zhèn)土地挖潛及現(xiàn)有城鎮(zhèn)土地利用率提高,使緊湊型城市的建成區(qū)擴(kuò)張與人口增長不再呈現(xiàn)正相關(guān)。

6 結(jié) 語

本文基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù),運(yùn)用二分法、閾值法、主成分分析、回歸分析等方法研究浙江省各地級(jí)市在1993—2013年間城市建設(shè)用地的演化進(jìn)程及其擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)機(jī)制；對(duì)于對(duì)城市擴(kuò)張有較大影響的經(jīng)濟(jì)、人口因素,本文利用回歸分析法探究其與城市夜間燈光亮度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,得出結(jié)論如下：

1)1993—2013年間,浙江省11個(gè)地級(jí)市城市建設(shè)用地空間擴(kuò)張較為劇烈,各時(shí)期擴(kuò)張?zhí)卣髅黠@,以浙北杭州市、浙東北寧波市、浙東南溫州市和浙中金華市四個(gè)重要節(jié)點(diǎn)核心城市為增長極,呈現(xiàn)圍繞原核心區(qū)同心圓圈層擴(kuò)展的態(tài)勢(shì)；與此同時(shí),各城市沿對(duì)外交通線呈現(xiàn)星狀擴(kuò)張,城市之間聯(lián)系的軸帶被不斷填充,城市之間聯(lián)系區(qū)域緊密[21]。2013年浙江省的城市初步形成三個(gè)都市區(qū)：由湖州、嘉興、杭州、紹興、寧波、舟山6市構(gòu)成的環(huán)杭州灣都市圈,由溫州市、臺(tái)州市連接形成的浙東南沿海都市帶,以及以金華市為區(qū)域中心囊括金華市、麗水市、衢州市3市形成的都市區(qū)雛形[22]。

2)浙江省的城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的速度存在內(nèi)部的步調(diào)不一,其中發(fā)展程度相對(duì)較好的地級(jí)市普遍呈現(xiàn)出較高的絕對(duì)擴(kuò)張速度,相對(duì)落后的地區(qū)在擴(kuò)張速度上也相對(duì)較慢。

3)在城市擴(kuò)張強(qiáng)度上,各地級(jí)市保持著與其自身擴(kuò)張速度一致的變化趨勢(shì),舟山市、紹興市、寧波市具有較大的城市擴(kuò)張強(qiáng)度,其余地級(jí)市相對(duì)較小。

4)1993—2013年間,浙江省各地級(jí)市城市空間形態(tài)緊湊度總體趨于離散,至2013年,僅有嘉興市、衢州市、麗水市和金華市的緊湊度指數(shù)在0.6以上。

5)運(yùn)用主成分分析、回歸分析對(duì)驅(qū)動(dòng)城市擴(kuò)張的動(dòng)力機(jī)制進(jìn)行定量分析。研究發(fā)現(xiàn)浙江省城市建成區(qū)擴(kuò)張主要受社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,和人民生活水平提高與政府政策干預(yù)的正向推動(dòng)；以及受產(chǎn)業(yè)升級(jí)與城鎮(zhèn)人口數(shù)量、密度的增長的抑制。