徐銘崇，李淑杰，張瀛

吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長春 130061

0 引言

隨著中國城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進(jìn)程向前推進(jìn)，城市用地作為稀缺的資源被大幅消耗[1]，協(xié)調(diào)好城市規(guī)模和效益之間的關(guān)系成為影響城市發(fā)展的關(guān)鍵。早期城市規(guī)模研究產(chǎn)生于阿朗索的單中心城市模型[2]，逐漸發(fā)展為以探求最優(yōu)城市規(guī)模為主要目標(biāo)[3]，隨著城市用地范圍擴(kuò)大和可持續(xù)理論的提出，國外學(xué)者認(rèn)識到城市發(fā)展的動態(tài)性，從追求單一目標(biāo)轉(zhuǎn)向?qū)で蠖喾接绊懸蛩貙Τ鞘幸?guī)模的作用[4]，同時對空間形態(tài)變化、模式特征等進(jìn)行歸納和測度[5-8]。伴隨航天遙感技術(shù)的發(fā)展,利用遙感影像觀測和量化城市用地規(guī)模，進(jìn)而采用各類統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析也逐漸成為熱點(diǎn)[9]。國內(nèi)對于城市規(guī)模的觀點(diǎn)也不僅限于城市用地規(guī)模，而是將人口規(guī)模和經(jīng)濟(jì)規(guī)模融入城市綜合規(guī)模，并從成本收益、集聚經(jīng)濟(jì)、城市效益乃至生態(tài)環(huán)境等方面關(guān)注到了城市效益與城市規(guī)模之間的關(guān)系[10]。

城市規(guī)模和效益始終處于變動狀態(tài)，而以往的研究更重視某一時刻的適度規(guī)模，并僅將城市規(guī)模和經(jīng)濟(jì)效益建立聯(lián)系[11]，不夠重視長期的城市規(guī)模變化和城市綜合效益的協(xié)調(diào)關(guān)系；另外，研究對象多以大中型城市或城市群為主[12-13]，對小城市的關(guān)注還不多。因此，筆者選取吉林省敦化市主城區(qū)作為研究區(qū)域，通過處理和對比2010—2018年的遙感影像數(shù)據(jù)，測度城市用地規(guī)模變化情況，分析城市用地、經(jīng)濟(jì)和人口規(guī)模的協(xié)調(diào)變化，構(gòu)建城市規(guī)模和效益協(xié)調(diào)度和灰色關(guān)聯(lián)度模型，討論和衡量敦化市城市規(guī)模和用地效益的協(xié)調(diào)發(fā)展水平及其相互關(guān)聯(lián)程度和影響機(jī)理，其結(jié)果將揭示敦化市城市發(fā)展的協(xié)調(diào)水平和存在的不協(xié)調(diào)問題，并根據(jù)其自然環(huán)境條件、社會經(jīng)濟(jì)和政策規(guī)劃情況提出進(jìn)一步優(yōu)化城市擴(kuò)張與用地效益增長的建議和策略。

1 研究區(qū)概況

敦化市隸屬于吉林省延邊朝鮮族自治州(127°28′～129°17′E， 42°42′～44°30′N)，面積11 787.76 km2，為北中溫帶大陸性半濕潤氣候區(qū)，屬長白山西麓，由張廣才嶺、大黑嶺、牡丹嶺和威虎嶺等山脈所環(huán)抱，中部為丘陵、臺地，地勢呈四周高、中部低的特點(diǎn)[14]。各山脈總體走向除牡丹嶺呈近東西向外，其余均為北東-南西走向。境內(nèi)地貌形態(tài)有侵蝕火山地貌、侵蝕構(gòu)造地貌、構(gòu)造剝蝕地貌和剝蝕堆積地貌等，其中，城區(qū)所處位置主要為剝蝕堆積地貌，由階地、漫灘組成牡丹江河谷平原，區(qū)內(nèi)第四系較發(fā)育[15]。城市用地在正東、正南、正北方向拓展都會受到低山丘陵的限制，且地面由河谷兩側(cè)向河床及下游方向緩傾斜并呈北東向展布，這也在一定程度上引導(dǎo)了敦化市的建設(shè)活動范圍和生產(chǎn)生活形式。

敦化市管轄11個鎮(zhèn)、5個鄉(xiāng)、4個街道辦事處和1個省級經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，是吉林省區(qū)域面積最大的縣級市。全市土地近80%為山區(qū)林地，市中心城區(qū)面積不足35 km2，2018年，全市常住人口不足47萬，屬于典型的東北山區(qū)小城市。近年來，以鶴大高速公路、琿烏高速公路和國道201繞城道路相連接的交通路網(wǎng)不斷完善，使得敦化市逐漸突破障礙，在道路沿線得到擴(kuò)展(圖1)。

圖1 敦化市區(qū)位圖Fig.1 Location of Dunhua City

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源和處理

研究數(shù)據(jù)主要包括遙感影像數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)。影像數(shù)據(jù)為2010年美國地球資源衛(wèi)星Landsat 5 TM 影像(9月8日，空間分辨率30 m，其中全色波段分辨率15 m)，2014年和2018年美國地球資源衛(wèi)星Landsat 8 OLI_TIRS影像(4月28日和3月22日，空間分辨率30 m，其中全色波段分辨率15 m)，數(shù)據(jù)均為當(dāng)年云量<1%。為保證研究覆蓋敦化市全域，篩選條帶號為116，行編號分別為29和30。其他數(shù)據(jù)主要來源于2010、2014和2018年敦化市統(tǒng)計(jì)年鑒、敦化市土地利用總體規(guī)劃調(diào)整方案(2006—2020年)和敦化市城市總體規(guī)劃(2010—2030年)等。

本次研究選取的影像級別為經(jīng)過輻射校正和幾何校正的L1T級，成像質(zhì)量較好，在對影像進(jìn)行預(yù)處理的基礎(chǔ)上[16]，由于敦化市橫跨兩景，需要對校正后影像進(jìn)行圖像鑲嵌和融合，進(jìn)而采用監(jiān)督分類和目視解譯[17]結(jié)合的方法，提取敦化市城市邊界。

2.2 模型選擇和構(gòu)建

2.2.1 協(xié)調(diào)度模型

反映復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)度的模型有多種，筆者選取基于效益理論和平衡理論的離差系數(shù)最小化協(xié)調(diào)度模型進(jìn)行測度，且鑒于協(xié)調(diào)度C只是從數(shù)量層面反映各個子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，很難反映系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)發(fā)展水平[18]，因此選擇協(xié)調(diào)發(fā)展度模型進(jìn)行補(bǔ)充。具體過程為：

(1)

(2)

T=α×E+β×F

(3)

式中：C為城市擴(kuò)張和用地效益協(xié)調(diào)度；T為綜合協(xié)調(diào)指數(shù)；D為協(xié)調(diào)發(fā)展度；E、F為城市用地規(guī)模、用地效益綜合分值，通過熵權(quán)-TOPSIS法計(jì)算；α、β為待定系數(shù)，在此，借鑒大多學(xué)者的做法，認(rèn)為城市效益與規(guī)模同等重要，故設(shè)定：α=β=0.5 且α+β=1。

2.2.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析

為了更好的提升兩系統(tǒng)的良性促進(jìn)作用，改善協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，通過灰色關(guān)聯(lián)度模型探討城市用地規(guī)模和效益的影響因素。參考相關(guān)研究可知，灰色關(guān)聯(lián)分析是對一個系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢的定量描述和比較，比較適用于“小樣本”、“貧信息”不確定性系統(tǒng)。其基本思想是根據(jù)曲線幾何形狀的相似程度來判別其聯(lián)系是否緊密，主要通過確定參考數(shù)列Y(t)和比較數(shù)列之間Xi(t)的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度來分析[19]，具體過程為：

(4)

ΔQi(k)=|Y(k)-Xi(k)|

(5)

(6)

式中：在t=k時刻，δQi(k)為關(guān)聯(lián)系數(shù)，ΔQi(k)為k時刻兩個序列的絕對差，Δmin、Δmax分別為各個時刻絕對差中的最大值和最小值；rQi為比較數(shù)列與參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)度，且參考有關(guān)結(jié)論將ρ設(shè)為0.5。

3 評價指標(biāo)和體系

3.1 城市規(guī)模評價指標(biāo)

3.1.1 城市用地?cái)?shù)量和空間特征

城市擴(kuò)張作為城市化進(jìn)程中的重要表現(xiàn)，分別體現(xiàn)為城市建設(shè)用地的數(shù)量增長和城市建成區(qū)空間變化兩方面。本文引入擴(kuò)張速度、擴(kuò)張強(qiáng)度、城市空間重心和緊湊度4項(xiàng)指標(biāo)[20-21]，對比分析城市用地規(guī)模的數(shù)量和空間特征。

城市用地?cái)U(kuò)張速度和強(qiáng)度指標(biāo)具體計(jì)算公式如下：

(7)

(8)

式中：Uv為城市用地?cái)U(kuò)張速度；Ui為城市用地?cái)U(kuò)張強(qiáng)度；ΔUt為研究期內(nèi)城市用地?cái)U(kuò)張面積；Δt為研究期(本文以4年為單位)；Ut為研究期初的城市用地面積；S為城市空間重心和緊湊度指標(biāo),具體計(jì)算公式如下：

(9)

(10)

(11)

式中：Xz、Yz分別為城市用地重心的橫縱坐標(biāo)；Xm、Ym為第m塊城市用地的幾何中心橫縱坐標(biāo)；Sm為第m塊片區(qū)面積；n為城市斑塊個數(shù)；C為城市緊湊度；U和P分別為城鎮(zhèn)用地的面積和周長。

3.1.2 城市用地經(jīng)濟(jì)和人口特征

社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展源于社會產(chǎn)出的增加，而社會產(chǎn)出的增加勢必要占用一定的土地得以實(shí)現(xiàn)；同時，隨著城市承載人口的不斷上升，也將導(dǎo)致城市用地規(guī)模的擴(kuò)張[22]。本文引入城市用地地均地區(qū)生產(chǎn)總值、城市用地人口密度、單位新增人口的建設(shè)用地消耗量和單位新增經(jīng)濟(jì)總量的建設(shè)用地消耗量4項(xiàng)指標(biāo)，對比分析經(jīng)濟(jì)、人口因素對城市用地規(guī)模的影響。

3.2 城市規(guī)模和效益協(xié)調(diào)度評價指標(biāo)體系

參考相關(guān)研究，結(jié)合敦化市實(shí)際情況，選取以下16個指標(biāo)構(gòu)建城市規(guī)模和效益協(xié)調(diào)度評價指標(biāo)體系(表1)，并將不同協(xié)調(diào)度所對應(yīng)的發(fā)展階段劃分為9個等級[23](表2)。

4 結(jié)果和討論

4.1 城市規(guī)模分析

對經(jīng)過監(jiān)督分類和目視解譯的敦化市城區(qū)提取結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，分別得到2010年、2014年和2018年面積為26.50 km2、27.01 km2和27.93 km2(圖2)，城市用地規(guī)模有小幅增長，基本保持穩(wěn)定。

通過計(jì)算，城區(qū)用地面積從2010年占敦化市土地總面積的0.22%增加到2018年的0.24%，擴(kuò)張面積僅為1.43 km2，年均擴(kuò)張速度僅為0.18 km2，以敦化市區(qū)西部出現(xiàn)的工業(yè)廠區(qū)和城市內(nèi)部牡丹江沿岸的用地增加為主。而擴(kuò)張速度和強(qiáng)度指標(biāo)均有所增加，擴(kuò)張速度由0.48%增長為0.85%；擴(kuò)張強(qiáng)度由0.36%增長為0.87%，主要是因?yàn)槌菂^(qū)總體規(guī)模較小，少量的面積增加也會導(dǎo)致擴(kuò)張速度和強(qiáng)度的明顯變化。

表1 協(xié)調(diào)度評價指標(biāo)體系及原始值

表2 協(xié)調(diào)度等級劃分

圖2 2010—2018年敦化市城區(qū)范圍提取結(jié)果Fig.2 Extraction results of urban land in Dunhua City from 2010 to 2018

緊湊度指數(shù)有所降低，2010—2014年敦化市區(qū)規(guī)模變化的空間緊湊度降低0.06，降幅達(dá)到35.29%，變化明顯，偏向于外延式擴(kuò)展，而2014—2018年保持在0.11±，說明在這一階段，敦化市區(qū)保持空間上的穩(wěn)定狀態(tài)，總體偏向于填充式擴(kuò)展(表3)。同時，以2010年敦化市城市空間重心為坐標(biāo)原點(diǎn)計(jì)算可知，2010—2014年城市重心向西北方向移動，偏移距離153.69 m，2014—2018年城市重心向西南方向移動，偏移距離229.07 m，主要是受到市區(qū)工業(yè)用地向西發(fā)展，且用地規(guī)劃正在逐年建設(shè)南部新城的影響，但兩個階段中敦化市城市重心偏移幅度不大(圖3)。整體來看，敦化市城市用地?cái)?shù)量增長和空間結(jié)構(gòu)的變化反映出8年間敦化市區(qū)用地規(guī)模增長緩慢，城市內(nèi)部空間格局較為穩(wěn)定的特點(diǎn)。

表3 2010—2018年敦化市城市規(guī)模變化評價指標(biāo)表

圖3 2010—2018年敦化市城市空間重心變化Fig.3 Changes of urban spatial center of gravity in Dunhua City from 2010 to 2018

由表3可見，2010—2018年，敦化市地區(qū)生產(chǎn)總值增幅顯著，且由于地區(qū)生產(chǎn)總值的增幅遠(yuǎn)大于城市用地規(guī)模的增幅，進(jìn)而使地均地區(qū)生產(chǎn)總值也顯著提升。同時，2010—2014年間，敦化市每萬元新增GDP的城市用地消耗量是0.69 m2，屬于較低水平，而2014—2018年間增長到4.29 m2，表明敦化市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市用地之間協(xié)調(diào)性顯著增強(qiáng)。

8年間敦化市人口數(shù)量呈現(xiàn)減少趨勢，城市用地人口密度由2010年的7 743人/km2下降至2018年的7 086人/km2，單位新增人口的建設(shè)用地消耗量也為負(fù)值，反映出敦化市的單位土地承載人口能力有所下降，城市規(guī)模增大和人口規(guī)模減小之間存在不協(xié)調(diào)。

4.2 城市規(guī)模與效益協(xié)調(diào)度分析

通過構(gòu)建城市規(guī)模和效益協(xié)調(diào)度復(fù)合系統(tǒng)評價指標(biāo)體系，采用以客觀賦值為主，依據(jù)指標(biāo)變異性大小計(jì)算的熵權(quán)-TOPSIS法，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化矩陣、信息熵和特征權(quán)重，計(jì)算正、負(fù)理想向量和歐式距離，獲得各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重[24]，并計(jì)算得到2010、2014、2018年城市用地規(guī)模綜合分值以及相對應(yīng)的城市用地效益綜合分值(表4、5)，可以看出城市規(guī)模和效益兩個系統(tǒng)的綜合分值均呈現(xiàn)上升趨勢，城市規(guī)模增長和城市效益提升顯現(xiàn)同向發(fā)展態(tài)勢。

表4 城市規(guī)模和用地效益權(quán)重值

表5 城市規(guī)模和用地效益綜合分值

將綜合分值代入公式(1)～(3)，得到3個時期敦化市城市規(guī)模與效益協(xié)調(diào)發(fā)展情況，并參考等級劃分標(biāo)準(zhǔn)確定協(xié)調(diào)程度(表6)?？梢钥吹?，2010—2018年，敦化市用地規(guī)模和用地效益之間的協(xié)調(diào)度指數(shù)從0.620 1增長至0.744 7，說明兩系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)度不斷增強(qiáng)但仍處于磨合狀態(tài)。協(xié)調(diào)發(fā)展度指數(shù)在瀕臨失調(diào)向勉強(qiáng)協(xié)調(diào)之間轉(zhuǎn)變，表明經(jīng)過8年的發(fā)展，敦化市城市用地規(guī)模和效益的自身水平較高，整體協(xié)調(diào)發(fā)展程度不斷提升，但仍有較大改善空間。

表6 城市規(guī)模和效益協(xié)調(diào)度

4.3 城市擴(kuò)張與用地效益關(guān)聯(lián)度分析

在城市規(guī)模與用地效益協(xié)調(diào)分析中，兩系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展程度不斷提升，利用灰色關(guān)聯(lián)度分析模型得出影響用地規(guī)模和效益的因素，可為敦化市城市用地后續(xù)的發(fā)展提供建議。在此基礎(chǔ)上，參考前人關(guān)于城市規(guī)模影響因素的研究[25]，從自然環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)和政策規(guī)劃3個層面選取13項(xiàng)指標(biāo)并進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算(表7)。

表7 灰色關(guān)聯(lián)度分析指標(biāo)體系及原始值

對2010、2014、2018年影響敦化市用地效益的指標(biāo)(Xi)與敦化市城區(qū)用地規(guī)模(Y)進(jìn)行均值化后計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度，得到最終排序結(jié)果為：

X12>X5>X6>X3>X10>X9>X13>X11>X7>X4>X1>X2>X8

由此可知，影響敦化市城市規(guī)模和效益發(fā)展的指標(biāo)順序?yàn)椋汗藏?cái)政支出>城市居民人均可支配收入>房地產(chǎn)開發(fā)投資額>人均GDP>中小學(xué)數(shù)目>人均城市道路面積>城市年度供應(yīng)土地面積>醫(yī)院床位數(shù)>城市人口密度>非農(nóng)產(chǎn)業(yè)比重>城區(qū)綠化覆蓋率>城市空氣質(zhì)量優(yōu)良比率(表8)。

表8 城區(qū)面積與指標(biāo)關(guān)聯(lián)度結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論

(1)2010—2018年，敦化市城市用地?cái)U(kuò)張速度和強(qiáng)度有所增加，城市緊湊度指數(shù)有所下降，但整體用地規(guī)模擴(kuò)張緩慢，城市重心移動幅度不大，城市用地規(guī)模趨于穩(wěn)定；地區(qū)生產(chǎn)總值增幅顯著，人口數(shù)量減少，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市用地之間協(xié)調(diào)性顯著增強(qiáng)，人口發(fā)展和城市用地之間不協(xié)調(diào)。

(2)敦化市城市規(guī)模增長和城市效益提升顯現(xiàn)同向發(fā)展態(tài)勢，二者的協(xié)調(diào)度指數(shù)從0.620 1增長至0.744 7，協(xié)調(diào)發(fā)展度指數(shù)從0.421 3增長到0.564 7，整體協(xié)調(diào)發(fā)展程度不斷提升，處于勉強(qiáng)協(xié)調(diào)階段。

(3)公共財(cái)政支出是影響敦化市城市規(guī)模和效益的最主要的推動因素，政策和財(cái)政因素對驅(qū)動敦化市城市用地面積擴(kuò)張有明顯作用。