閆亞亞，官瑞芬，李樵民，吳振宇，馬 嚴(yán)，馬進(jìn)龍

(1.寧夏回族自治區(qū)遙感調(diào)查院(高分辨率對(duì)地觀測系統(tǒng)寧夏數(shù)據(jù)與應(yīng)用中心)，寧夏 銀川 750000；2.寧夏中寧工業(yè)園區(qū)管理委員會(huì)，寧夏 中衛(wèi) 755000)

0 引言

城市一體化是指地域相鄰的城市，建立在合作、競爭和控制三維框架下的動(dòng)態(tài)的、可調(diào)控的可持續(xù)發(fā)展過程，從而形成地理空間相互關(guān)聯(lián)、社會(huì)政治、經(jīng)濟(jì)、文化結(jié)構(gòu)融為一體的地域經(jīng)濟(jì)綜合體，成為由若干個(gè)功能性質(zhì)互補(bǔ)經(jīng)濟(jì)上相互依存、社會(huì)發(fā)展趨同，并以中心城市為核心和依托所組成的城市網(wǎng)絡(luò)群體[8]。

長沙、株洲、湘潭三市位于湖南省東部，地域結(jié)構(gòu)比較緊密，是沿湘江下游呈品字型分布的城市群體[7]。近年來，對(duì)于城市群的研究涉及各個(gè)領(lǐng)域，一體化則是促進(jìn)城市合作與發(fā)展的重要指標(biāo)。我國對(duì)城鎮(zhèn)群體空間的研究相對(duì)較少，基本上是為城鎮(zhèn)體系的研究所取代。2004年，佘濟(jì)云進(jìn)行了長株潭地區(qū)城鄉(xiāng)一體現(xiàn)代林業(yè)系統(tǒng)構(gòu)架的研究[9]；2010年，湯放華進(jìn)行了長株潭城市群空間結(jié)構(gòu)演變研究，指出未來長株潭城市群將進(jìn)入信息化、生態(tài)化、空間體系化和城鄉(xiāng)一體化時(shí)代[5]；2013年，陳湘滿對(duì)環(huán)長株潭城市群城鄉(xiāng)一體化發(fā)展進(jìn)行證實(shí)研究，結(jié)果表明：從2007年到2010年環(huán)長株潭城市群8個(gè)城市的城鄉(xiāng)一體化發(fā)展水平顯著上升；環(huán)長株潭城市群城鄉(xiāng)一體化發(fā)展水平空間差異明顯，從長株潭中心向外圍區(qū)域遞減[6]。

國內(nèi)對(duì)于長株潭城市群空間一體化的相關(guān)研究，都是基于年鑒數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和實(shí)況調(diào)研，主要集中在問題與政策、體制與制度、發(fā)展戰(zhàn)略與發(fā)展路徑、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)等各方面[10]。本文側(cè)重從遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行比較直觀的分析，從城市質(zhì)心距離、城市核心區(qū)范圍等方面來進(jìn)行研究，說明長株潭城市空間一體化進(jìn)程。然后利用長、株、潭三市之間的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的相似性，來闡明長株潭城市群空間競合力，為長株潭區(qū)域規(guī)劃和發(fā)展提供參考。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文遙感影像數(shù)據(jù)選取分兩個(gè)部分，1978-2006年采用Landsat5 TM遙感影像，分辨率為30 m；2010、2015年數(shù)據(jù)采用湖南省地理國情普查數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源Worldview和GF-1，分辨率分別為0.5 m和2 m；其他數(shù)據(jù)包括長株潭行政邊界，歷年經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。

1.2 研究方法

通過遙感信息提取手段提取各個(gè)時(shí)相城市主城區(qū)邊界。在此基礎(chǔ)上，首先，利用數(shù)學(xué)幾何中心方法確定長株潭城市質(zhì)心，通過GIS緩沖區(qū)分析和疊加分析，得到不同時(shí)期城市質(zhì)心移動(dòng)和城市核心區(qū)范圍變化情況；其次，結(jié)合城市經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行長株潭空間競合力分析；最后，在此工作基礎(chǔ)上闡明長株潭城市群一體化進(jìn)程。具體流程如圖1所示。

圖1 研究方法流程圖Fig.1 The flow chart of research methods

1)采用質(zhì)心坐標(biāo)解釋長株潭在城市擴(kuò)張過程中三市質(zhì)心的遷移規(guī)律[1]。其基本原理是研究區(qū)域內(nèi)部每個(gè)圖斑的幾何中心坐標(biāo)與該圖斑面積的乘積之和再除以所有圖斑的面積之和。質(zhì)心坐標(biāo)計(jì)算公式為：

(1)

式中：Xt、Yt為第t年長株潭質(zhì)心的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)；Cti為第i個(gè)城區(qū)面積；n為城區(qū)個(gè)數(shù)，本文中的值為3；Xi、Yi分別為第i個(gè)城區(qū)質(zhì)心的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)。

擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)，用于分析和描述城市建成區(qū)用地?cái)U(kuò)展?fàn)顟B(tài)，能夠比較不同方位城市擴(kuò)張的強(qiáng)弱、快慢和趨勢[11]。擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)的表達(dá)式為：

(2)

式中：Ei表示城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)；Ua、Ub分別表示a、b時(shí)期建設(shè)用地總面積；T表示a到b時(shí)段的時(shí)間跨度。

2)城市擴(kuò)張空間變化。以基期城市質(zhì)心為原點(diǎn)，每隔2 km建立不同的緩沖區(qū)范圍，采用空間疊置和緩沖區(qū)分析的方法，分析了7個(gè)時(shí)段城市擴(kuò)張數(shù)量和城市中心距離之間的關(guān)系[2，3]。

3)空間競合力分析。根據(jù)城市之間三產(chǎn)結(jié)構(gòu)比重的相似性，計(jì)算產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相似系數(shù)S。該指數(shù)的范圍在0-1之間，值越接近1，表明地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相似性越大或越呈趨同性，值越接近0，表明地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)越有特色。其計(jì)算公式為：

(3)

式中：S表示產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相似性系數(shù)；Xi、Yi、Zi和Xj、Yj、Zj分別表示地區(qū)i和地區(qū)j的第一、二、三產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比重。

2 長株潭城市空間分析

2.1 城市質(zhì)心移動(dòng)分布

本文利用長株潭三市1978-2015年七個(gè)時(shí)相的城區(qū)邊界，如圖2所示。分別統(tǒng)計(jì)了1978-2015年長株潭三市的質(zhì)心和面積(見表1)。通過三市的質(zhì)心和面積來計(jì)算對(duì)應(yīng)年份的長株潭整體的質(zhì)心坐標(biāo)(見表2)以及三市之間的質(zhì)心距離(見表3)。利用擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)，計(jì)算長株潭1978-2015年擴(kuò)展面積和擴(kuò)展強(qiáng)度的變化情況(見表4)。

圖2 長、株、潭1978-2015年城區(qū)邊界和質(zhì)心分布移動(dòng)圖Fig.2 Moving map for urban boundary and centroid distribution of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan region from 1978 to 2015

表1 長、株、潭1978-2015年質(zhì)心坐標(biāo)Tab.1 Urban centriod coordinates of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan region from 1978 to 2015

表2 長、株、潭1978-2015年質(zhì)心坐標(biāo)Tab.2 Centroid coordinates of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan region from 1978 to 2015

表3 長、株、潭1978-2015年城區(qū)質(zhì)心距離Tab.3 Urban centriod distance of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan region from 1978 to 2015

表4 長、株、潭1978-2015年城區(qū)擴(kuò)展變化統(tǒng)計(jì)Tab.4 Change statistics for urban expansion of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan region from 1978 to 2015

根據(jù)質(zhì)心坐標(biāo)計(jì)算結(jié)果，由表1和圖2可知，長沙市質(zhì)心從1990年開始向東南偏移，趨勢最為明顯，2006-2010年質(zhì)心向東北方向偏移，2010-2015年繼續(xù)向南偏移。由表4可以看出，長沙市自2000年后城區(qū)面積擴(kuò)張劇增，擴(kuò)展強(qiáng)度在2006-2010年間最大，達(dá)到了24.84；株洲市質(zhì)心1978-2015年間始終向西南方向偏移，1978-1990年間最為突出，擴(kuò)張面積在1990-1994年間達(dá)到最大，為14.24 km2，擴(kuò)張強(qiáng)度在1990-1994年間達(dá)到最大，為3.56；湘潭市質(zhì)心從1978年開始呈現(xiàn)持續(xù)向東北方向偏移的趨勢，城區(qū)面積擴(kuò)展和擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)最快的是在2010-2015年期間。由表4還可以看出，長株潭三市城區(qū)面積的擴(kuò)展，自2000年后都出現(xiàn)了急劇增長。

由表2和圖3分析可得，從1978年到2015 年，長株潭城市群整體城區(qū)質(zhì)心總計(jì)向北偏移4 016.67 m。其中，長株潭城市群整體城區(qū)質(zhì)心在1978-1994年間向南偏移，1994-2000年間向北偏移，從2000年開始向北偏移，2000-2006年和2006-2010年間偏移最大，距離分別為3 129.00 m和2 941.73 m；2010-2015年間，長株潭城區(qū)質(zhì)心向西北偏移687.84 m。隨著時(shí)間年限的增長，長沙、株洲、湘潭市的城區(qū)面積在不斷增加，由于城區(qū)面積對(duì)質(zhì)心的影響，長、株、潭三市間的質(zhì)心距離分別保持下降的趨勢，尤其以長沙-湘潭最為明顯，湘潭-株洲次之。

圖3 長、株、潭1978-2015年城區(qū)質(zhì)心分布移動(dòng)圖Fig.3 Moving maps of urban centroid distribution of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan region from 1978 to 2015

2.2 城市擴(kuò)張空間分布分析

利用長株潭1978-2015年城市邊界，采用空間疊置和緩沖區(qū)分析的方法，得到長株潭三市不同范圍緩沖區(qū)(見圖4)和擴(kuò)張雷達(dá)圖(見圖5)。根據(jù)長株潭主干道路，繪制1978-2015年城區(qū)擴(kuò)展與道路發(fā)展的關(guān)系圖(見圖6)。

從圖4可以看出，長沙、株洲、湘潭城區(qū)面積在緩沖區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢。長沙市1978年城市擴(kuò)張呈現(xiàn)峰值，出現(xiàn)在距城區(qū)中心緩沖區(qū)距離為4 km，1990-2010年間在6 km處開始下降，到2015年城區(qū)面積在8 km處開始降低?？梢钥闯鲩L沙市中心城區(qū)的范圍不斷在擴(kuò)大，從1978年4 km的緩沖區(qū)范圍擴(kuò)大到2015年8 km的范圍。湘潭市城區(qū)擴(kuò)張峰值從1978年擴(kuò)張到2015年至6 km的緩沖區(qū)范圍，說明城區(qū)核心范圍也在不斷擴(kuò)大，株洲市則穩(wěn)定在4 km的緩沖區(qū)范圍。

圖4 長、株、潭城區(qū)在不同范圍緩沖區(qū)的分布Fig.4 Distribution of buffer zones from different scopes in urban areas of Changsha，Zhuzhou and Xiangtan region

從圖5可以看出，長沙市1978-2015 年間，城市空間擴(kuò)張整體上在東、東北、南、東南方向較明顯。由于受岳麓山和湘江等因素的影響，擴(kuò)張向著地勢較平的東南方向平移；株洲市1978-2000年間在各軸向上擴(kuò)張平穩(wěn)，2006-2015年間在西南方向呈現(xiàn)大面積擴(kuò)張，擴(kuò)展強(qiáng)度大幅提升；湘潭市城市擴(kuò)張主要集中在北軸向上，從2000年開始，擴(kuò)張面積比較明顯。長沙東南方向、株洲西南方向、湘潭向北成為擴(kuò)張的主導(dǎo)方向，表現(xiàn)在城市中心逐漸向長株潭整體質(zhì)心方向移動(dòng)，整體質(zhì)心向長沙方向靠近的同時(shí)，三市城區(qū)范圍不斷擴(kuò)張出現(xiàn)了一體化。這個(gè)擴(kuò)張趨勢與長、株、潭城市一體化導(dǎo)向是密切相關(guān)的。

圖5 長、株、潭1978-2015年城市擴(kuò)張雷達(dá)圖Fig.5 Radar maps of urban expansion from 1978 to 2015 in Changsha，Zhuzhou and Xiangtan region

另外，從圖6可知，長沙市的芙蓉路南北拓展帶動(dòng)城市南北擴(kuò)張，岳麓大道、楓林路的西拓則帶動(dòng)城市向西發(fā)展，三一大道帶動(dòng)長沙向東擴(kuò)展，雷鋒大道促進(jìn)了城市向西北方向擴(kuò)展。株洲在西北-東南方向以建設(shè)路和紅旗路為軸，軸向擴(kuò)展；新華路帶動(dòng)了株洲市區(qū)向東北方向軸向擴(kuò)展，株洲大道帶動(dòng)了株洲向西擴(kuò)展。湘潭市的建設(shè)路和步步高大道帶動(dòng)其向北擴(kuò)展，韶山路和湘潭大道使其向東西方向擴(kuò)展，G107帶動(dòng)湘潭向東南方擴(kuò)展，天易大道帶動(dòng)湘潭縣向東擴(kuò)展。此外，為加快交通一體化建設(shè)，更好地發(fā)揮長株潭核心引領(lǐng)作用，2015年年底，相關(guān)部門提出建設(shè)長株潭城際快速干道，構(gòu)建“一核三極四帶多點(diǎn)”發(fā)展新格局，大力推進(jìn)長株潭交通一體化建設(shè)，從而也帶動(dòng)了長株潭產(chǎn)業(yè)發(fā)展、要素市場、環(huán)境保護(hù)、公共服務(wù)的一體化[11]。

圖6 長、株、潭1978-2015年城區(qū)擴(kuò)展與道路發(fā)展的關(guān)系Fig.6 Relationship between urban expansion and road development from 1978 to 2015 in Changsha，Zhuzhou and Xiangtan region

2.3 城市空間競合力分析

根據(jù)1978-2015年長株潭的三產(chǎn)比重(見圖7)，計(jì)算長沙-株洲、長沙-湘潭、湘潭-株洲的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相似系數(shù)，結(jié)果如圖8所示。

根據(jù)1978 年、1990 年、1994 年、2000 年、2006 年、2010 年和2015年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，長株潭三市的第一產(chǎn)業(yè)比重逐年降低，第二、三產(chǎn)業(yè)比重上升。由圖7可以看出，長沙市在1978-1990年間，主要以第二產(chǎn)業(yè)為主；1994-2006年間以第三產(chǎn)業(yè)為主；2000 年以后長沙市以裝備制造為代表的重工業(yè)長足進(jìn)步，自2006年后第二和第三產(chǎn)業(yè)基本持平、為長沙市支柱產(chǎn)業(yè)。株洲市、湘潭市始終以第二產(chǎn)業(yè)為主，2015 年第二產(chǎn)業(yè)比重分別為60.29%、57.95%。相比長株潭三市，第一產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中占比較為突出的是湘潭市。

圖7 長、株、潭1978-2015年三產(chǎn)比重Fig.7 Proportion of three industries from 1978 to 2015 in Changsha，Zhuzhou and Xiangtan region

城市之間的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相似度隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而改變，1978-2006年間，長沙、株洲、湘潭之間的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相似度波動(dòng)較大；2006-2015年間，城市間的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相似度變化趨勢一致，均保持上升的趨勢。

由圖8可以看出，長株潭地區(qū)城市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相似性高，競爭大于合作。長沙—湘潭與長沙—株洲產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)系數(shù)均呈減—增—減—增趨勢，到2015年產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)系數(shù)分別為0.974和0.971。長沙—湘潭產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)系數(shù)較1978年降低了0.021，說明長沙市與湘潭市之間的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化程度高；而長沙—株洲較1978年增加了0.016，說明產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相似性較高；湘潭—株洲產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)系數(shù)呈減—增的趨勢，較1978年產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)系數(shù)增加了0.023，較長沙—株洲產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相似性最為突出。

圖8 長、株、潭1978-2015年產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相似系數(shù)Fig.8 Industrial structure similarity of Changsha，Zhuzhou and Xiangtan region from 1978 to 2015

3 結(jié)論

利用遙感影像進(jìn)行空間一體化的研究分析，能夠直觀、有效的表達(dá)長株潭整體和三市的具體擴(kuò)張情況。輔助質(zhì)心距離、擴(kuò)展強(qiáng)度、緩沖區(qū)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相似系數(shù)等指標(biāo)，來揭示城區(qū)空間擴(kuò)張方向、速度等情況，為長株潭一體化作進(jìn)一步說明。

城市質(zhì)心與質(zhì)心間的距離較直觀明顯地表明了長株潭在空間上日趨緊湊。隨著城區(qū)面積的急劇擴(kuò)張，長株潭空間一體化程度也在不斷提高。長沙東南方向、株洲向南、湘潭向北成為擴(kuò)張的主導(dǎo)方向，三市城區(qū)范圍不斷擴(kuò)張，這個(gè)擴(kuò)張趨勢與長、株、潭城市一體化導(dǎo)向是密切相關(guān)的；與長株潭區(qū)域規(guī)劃(2008-2020)也是相互吻合的，帶動(dòng)城市群發(fā)展，東優(yōu)西進(jìn)，增強(qiáng)區(qū)域核心競爭力，提北強(qiáng)南，促進(jìn)區(qū)域整體發(fā)展。根據(jù)計(jì)算長、株、潭三市之間的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)系數(shù)，可以得知長株潭地區(qū)城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相似性高，競爭大于合作；1978-2015年，長沙—湘潭的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)系數(shù)有所下降，說明長沙—湘潭之間產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化程度高，更能推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和區(qū)域一體化。

長沙—株洲和湘潭—株洲的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)系數(shù)在增加，尤其湘潭—株洲到2015年高達(dá)0.999，在另一方面反映出了產(chǎn)業(yè)同構(gòu)現(xiàn)象，它對(duì)推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長和區(qū)域一體化存在一定的影響。因此，應(yīng)根據(jù)長株潭三市自身的特點(diǎn)和發(fā)展情況，發(fā)展比較適合各自自身的支柱產(chǎn)業(yè)，強(qiáng)化長株潭三市功能協(xié)作互補(bǔ)和設(shè)施共建共享；構(gòu)建強(qiáng)大的核心區(qū)，發(fā)揮集聚效應(yīng)，提高輻射能力，有效帶動(dòng)長株潭城市群發(fā)展；提高資源重組，促使長株潭核心區(qū)高度一體化、經(jīng)濟(jì)一體化，為長株潭區(qū)域空間一體化作出貢獻(xiàn)。