成都市城市外延空间扩展与城市化质量协调研究

吴弘璐, 何 伟*, 刘 娇

( 1. 四川师范大学 西南土地资源评价与监测教育部重点实验室, 四川 成都 610066; 2. 四川师范大学 地理与资源科学学院, 四川 成都 610066)

成都市城市外延空间扩展与城市化质量协调研究

吴弘璐1,2, 何 伟1,2*, 刘 娇1,2

( 1. 四川师范大学 西南土地资源评价与监测教育部重点实验室, 四川 成都 610066; 2. 四川师范大学 地理与资源科学学院, 四川 成都 610066)

基于历年遥感影像提取成都市城镇建设用地范围,分析城镇扩展状况,建立城市扩展综合指数及城市化质量评价指标体系,利用熵值法、协调度模型分析城市空间扩展与城市化质量的协调耦合状况,研究成都市1990—2013年城市空间外延扩展及城市化质量变化趋势,并探索两者协调和耦合状况.研究结果表明：1) 成都市城市外延拓展空间有限,扩展强度指数先增后降,拓展形态规则度和紧凑度普遍不高；2) 研究期内成都市城市化质量提升明显,并已基本达到合理水平,2000—2009年成都市城市化质量提升最为迅速,2013年末城市化质量已经基本达到合理水平；3) 研究期内成都市城市空间扩展与城市化质量协调耦合状况不断优化,从1992年的不协调状态发展为2013年末的高度协调状态.

城市扩展; 城市化质量; 熵值法; 协调度模型

以土地城镇化为主要内容的城镇化深刻影响着土地利用(覆被)变化,这也是近年来中国大多数城市发展的常见模式.大规模扩张式发展导致土地供需矛盾更加尖锐[1-2],以经济为主导型的粗放式城市发展导致优质农田侵占,造成粮食安全、人地矛盾等诸多问题.为此,我国现强调“稳中求进”型城镇化发展道路,倡导城市化发展水平与资源环境承受能力、产业结构转型、农村人口城市化能力等保持一致[3-6].目前,动态监测不同城市土地扩张现象,分析城市空间扩展模式、演变趋势及驱动因素[7-10],探索新型城镇化背景下,城市空间扩展下城市化水平及城市土地集约利用的协调关系已成为研究热点[11-14],通过研究可以为城市土地可持续利用、土地利用方式转型、城市科学发展提供科学依据.

本文从成都市外延扩展现状出发,从城市扩展质与量发展协调角度,建立城市土地外延扩展状态及城市化水平综合评价指标,利用熵权法及协调度模型,探索成都市城市外延空间扩展变化与城市化水平的协调性,揭示成都市城市外延空间扩展与城市化水平的协调状态.

1 成都市城市外延扩展状况

1.1 数据来源及处理 本文以成都市主城区及近郊区作为研究区域,选取1992、2000、2009和2013年作为评价时点,获取成都市这4年的Landsat TM遥感影像,通过几何校正后,以成都市行政界线图及91卫图软件为辅,用ArcGIS 10.0软件在1∶2 500比例尺下获取成都市城镇扩展图(图1)及成都市城乡建设用地空间扩展面积(表1),同时结合成都市统计年鉴及ArcGIS空间分析功能对成都市城市外延扩展现状进行分析.

1.2 外延扩展状况分析 从图1可以看出,1990—2013年,成都市城市外延空间扩展迅速,各阶段城市外延空间扩展特点有所差别.1990—1992年成都市城市外延空间扩展面积为89.83 km2,外延扩展呈现同心圆模式,沿城市建成区各方向基本均匀扩展,且中心城区与周边区县建设用地相互分离；1992—2000年成都市城市外延空间扩展面积为223.16 km2,随工业结构发展科学化,中心城市的轴向扩散带动周边区县的发展,点轴系统形成,因而这段时期内,城市外延空间扩展基本以建成区为中心,向外带状扩展,但不同方向扩展力度有所差异；

表 1 成都市城乡建设用地空间扩展面积统计

2000—2009年城市外延空间扩展规模最大,扩展面积为604.1 km2,成片化扩展明显,西北、西南方向扩展迅速；2009—2013年城市扩展用地分布较为零散,多为填充模式,通过扩展将城市用地集中连片明显,扩展面积为251.19 km2.

根据成都市土地利用总体规划(2006—2020年)划定的建设用地规模控制量(见表2)来看,2009年研究区内建设用地面积1 076.75 km2,小于2010年控制面积1 146.19 km2;2013年研究区内建设用地面积1 327.94 km2,也小于2020年控制面积1 429.2 km2.但从城市空间拓展规模潜力来看,未来城市空间拓展的规模潜力有限.2013—2020年城市空间拓展的总规模潜力仅为101.26 km2,按2009—2013年的年平均拓展62.80 km2的速度来看,成都市将在1.61年后达到土地利用总体规划确定的城市空间控制规模.由此可以看出,研究期内成都市城市空间扩展速度较快,未来城市空间扩展的容量较小,城市发展必须严控建设用地空间扩展面积,不断强化土地节约集约模式,同时应加强城市内部的挖潜和再利用.

为更准确揭示成都市外延空间扩展的状况,通过对城镇扩展强度、城镇扩展形态的分析,确定城镇扩展综合指数.

1.2.1 城镇扩展强度分析 城镇扩展强度指数是指城镇化净增加量占区域总面积的百分比[15],本文因研究时段不同,而采用城镇化年扩展强度指数,即扩展强度指数与时间之比,其计算式为

(1)

式中,R为研究期末城镇建设用地扩展强度,Ub为研究期末城镇建设用地面积,Ua为研究初期城镇建设用地面积,T为两者时间间隔.R值越大,则表示该时间段城镇建设用地面积增长比率大,反之越小,计算结果见表2.

从表2可以看出,成都市城市扩展强度指数呈现明显的先增后减的趋势；1990—2009年城镇扩展强度不断增长,其中2000—2009年城镇扩展强度最高,达到127.81%,这主要是因为2000—2009年间,受到国际金融危机及“5·12”汶川大地震的影响,以用地增长拉动经济的发展特点突出,城镇用地扩张明显,导致城市扩展强度达到最高；2009—2013年成都市城镇扩展强度出现下降,扩展强度指数仅为23.33%,建设用地增长缓慢,主要集中在周边,总体扩展强度较弱,这与用地矛盾进一步加大、城市扩展从外延扩展转向内涵挖掘方式转变有直接关系.

1.2.2 城镇扩展形态分析 选取城镇扩展形态指数及城镇扩展紧凑度2个指标开展成都市城镇扩展形态定量分析.城镇扩展形态指数体现城镇形态复杂程度,体现斑块形状与相同面积正方形的偏离程度,其值越大,则城镇形态越复杂[16].城镇扩展紧凑度是测度城镇建设用地紧凑与饱满程度的主要指标之一,其值越高,则越能节约用地,节约时间成本和运输成本[17],计算公式分别为：

(2)

(3)

式中,S为城镇扩展形态指数,C为城镇扩展紧凑度指数,At为第t年城镇建设用地斑块面积,Pt为第t年城镇建设用地图斑斑块周长.

通过(2)和(3)式,计算得到成都市各阶段城镇扩展形态指数和紧凑度指数(见表3).从表3可以看出,成都市城镇扩展形态指数和紧凑度指数普遍不高,且各阶段保持相对稳定.城镇扩展形态指数在8%～12%之间,其中1992—2000年,城镇扩展形态指数最高,为11.60%,说明该阶段城镇扩展的形状最为规则；城镇扩展紧凑度指数在7%～11%之间,其中1990—1992年,城镇扩展紧凑度指数最高,为10.48%,这与该阶段城镇外延扩展呈现同心圆模式沿城市建成区向各方向均匀扩展的特点较为符合.

表 2 成都市土地利用总体规划建设用地规模

表 3 城镇扩展强度及形态指数

1.3 城镇扩展综合指数评价 以城市扩展强度指数、城市扩展形态指数、城市扩展紧凑度指数作为评价指标,并确定各指标权重,以低扩展强度、高规则度作为城市扩展理想状态,得到成都市城镇扩展综合指数(U1),以分析成都市城镇扩张状态,综合指数值(U1)越高,则代表城市扩展越合理,反之,则说明城市扩展不合理.

城市扩展综合指数从扩展数量与形态两方面来评价城镇扩展合理状态,值越高则代表城市空间扩展越合理.从评价结果上看,1992—2013年,成都市城市空间扩展基本合理,其中:2009—2013年城市空间扩展最为合理,扩展强度指数最高,扩展形态和紧凑度指数都较高,因此扩展综合指数值最高,为62.70%；2000—2009年城市空间扩展最不合理,城市扩展强度过快,合理性较低,城市拓展强度指数高达127.81%,但扩展形态和紧凑度指数均不高,导致本阶段城市扩展综合指数值仅为30.66%,在研究期内最低.

从成都市城市空间拓展实际来看,城市拓展综合指数值与实际情况较为吻合.1990—2000年,成都市城市外延空间拓展基本是依附于城市已建成区周边不断发展,受用地规模和已有城市边界等因素影响,城市拓展综合指数值较为稳定；2000—2009年是成都市经济社会的高速发展期,期间GDP年平均增长率达到32.14%.经济社会的高速发展导致建设用地规模的快速增长,但由于城市内部挖潜和再利用的经济成本较高、城市拆迁实施难度大等条件影响,建设用地增长多为外延式扩展模式.城市外延空间快速拓展的同时,拓展形态和紧凑度并无明显改善,因此导致城市扩展综合指数值最低.2009—2013年国家明确提出节约集约利用土地、转变土地利用方式,同时受到土地利用总体规划的建设用地总量等控制,成都市城市空间拓展由外延式拓展向为内涵式、挖潜型转变,城市拓展强度指数最低,虽然拓展形态和紧凑度不高,但城市拓展综合指数值最高.

2 城市化质量评价

城市化发展质量评价参考有关研究[18],并结合成都市实际,选取评价指标,采用熵值法确定指标权重,确定不同时间成都市城市化质量水平.

2.1 指标选取及指标标准化处理 在参考有关城市化质量评价研究的基础上,结合成都市实际,从经济城市化、人口城市化、社会城市化3个方面选择13个指标,开展成都市城市化质量评价,具体指标见表3.

由于数据的单位和量纲不同会影响评价结果的准确性和科学性,因此,为了使数据有可比性,采用极差标准化法进行标准化处理.设有n个样本,每个样本包含m个变量(X1,X2,…,Xm),则Xij为原始数据矩阵,标准化方式如下:

1) 当X属于正向指标时

2)当X属于负向指标时

2.2 采用熵值法确定指标权重 熵值法是一种客观赋权方法,它通过计算指标的信息熵以确定指标权重,现已广泛应用在统计学等各个领域,具有较强的研究价值.本文对指标标准化处理后形成的指标矩阵采用熵值法确定指标权重,分别求取2评价指标体系各自指标权重,计算步骤如下.

1) 第j项指标下第i年份指标值的比重yij计算式为

(4)

2) 第j项指标的信息熵值ej计算式为

(5)

其中,K=1/lnm且当yij值为0时,yijlnyij值取0;

3) 第j项指标的权重计算方式为

(6)

式中,Xij为指标标准化值,K为常数,m为评价年数,n为指标个数.

评价指标体系及各指标权重见表4.

2.3 成都市城市化质量水平 根据指标标准化值及权重值,可据(7)式计算成都市城市化水平综合评价值U2,结果如表5所示.

(7)

通过表5可以看出,随着社会经济发展水平的快速增长,成都市城市化质量明显提高.城市化综合指标值从2009年的17.16提升到2013年的79.61,说明在1990—2013年的24年里,成都市经济投入和产出快速增长,人口非农化速度提高,教育水平、收入水平显著提高,城市建设愈加完善,基础设施建设愈加完备,城市化质量明显提高.1992—2000年城市化质量提升缓慢,城市化质量指数仅从1992年的17.165增长到2000年的19.24；

表 4 城市化质量评价指标体系

表 5 城市化质量指标标准化值及综合评价值

2000—2009年城市化质量快速提升,城市化质量指数从2000年的19.24快速增长到2009年的52.23,增长速度最快；2009—2013年城市化质量保持稳定提升,从2009年的52.23增长到2013年的79.61,说明当前成都市城市化质量保持稳定提升,并已基本达到合理水平.

3 城市扩展水平及城市土地集约利用水平协调度分析

协调度是系统间或要素间相互作用产生影响的程度,从物理学中引入,现广泛运用在地理研究中.根据现有研究成果[19],本文采用如下耦合协调度模型：

(8)

T=aU1+bU2,

(9)

(10)

式中,C为协调度,D为耦合协调系数,U1、U2分别为成都市城市扩展综合指数值与城市化质量综合评价指数值,k为调节系数,取值为5,T为土地集约利用水平与城市化水平综合评价指数,a、b为待定权数,本文取值为a=b=0.5.当C=1,说明两者间达到良性共振耦合；当C=0时,说明两者间耦合度极小,处于无关状态.

城市扩展状态指数与城市化质量两大系统协调度越高,则表明两系统发展协调、合理,有利于城市这一综合系统的持续高效发展.当协调度值在0～0.2区间内,耦合协调度在0～2区间内时,两系统不协调,不利于城市发展；当协调度值在0.2～0.4区间内,耦合协调度在2～4区间内时,两系统较不协调,城市发展受阻碍；当协调度值在0.4～0.6区间内,耦合协调度在4～6区间内时,两系统较协调,城市发展趋于良性化发展；当协调度值在0.6～0.8区间内,耦合协调度在6～8区间内时,两系统协调,城市良性发展,发展速度显著提高；当协调度值在0.8～1区间内,耦合协调度在8～10区间内时,两系统较高度协调,城市可持续发展趋势显著.

表 6 城市扩展综合指数与城市化质量耦合协调度评价

通过表6可以看出,研究期间成都市城市扩展状态与城市化水平的协调度逐年提升.1992年,协调度为0.23,耦合协调度为2.84,呈不协调状态；2000年,协调度为0.33,耦合协调度为3.37,呈较不协调状态,相比于1992年协调度有所提升；2009年,协调度为0.71,耦合协调度为5.41,呈协调状态,说明城市扩展状态与城市化质量已经从较不协调状态改变为协调状态；2013年,两者协调度高达0.93,耦合协调度系数高达8.14,呈高度协调状态.从成都市社会经济发展实际来看,城市发展初期,城市土地扩展速度过快,而经济发展速度不及城市扩展速度,因此协调度较低,呈不协调状态；随人地矛盾的愈加突出,城市发展模式从最初依赖用地的粗放式发展逐渐改变为集约节约的发展模式,且愈加强调城市内部挖潜,城市土地节约集约利用,城市化质量快速提升,与城市扩展速度不断协调,城市外延扩展与城市化质量的协调和耦合度不断提升,说明城市发展呈现出集约拓展和质量提升同步协调的状态.

4 结论与讨论

4.1 结论 通过对成都市1990—2013年城市外延扩展和城市化质量的协调研究,得到以下结论.

1) 成都市城市外延拓展空间有限,扩展强度指数先增后降,拓展形态规则度和紧凑度普遍不高.1992—2013年,成都市外延空间拓展规模已经接近2020年规划值,未来拓展空间有限,土地利用应坚持节约集约利用模式,强调城市内部挖潜,严控土地外延式拓展.从拓展模式来看,1990—2009年是城市空间快速拓展期,城市发展主要依靠用地增加这一粗放式发展模式,城市扩展强度较大,城市形态不规则度越高.2009—2013年是城市空间拓展成熟期,城市外延空间扩展强度相对减弱,城市内部回填式挖潜成主导发展模式,城市空间拓展趋向集约化发展模式,城市形态规则有所提高.

2) 成都市城市化质量明显提高,并已基本达到合理水平.2009—2013年,成都市城市化综合指标值从2009年的17.16提升到2013年的79.61,提升明显.说明在研究期内成都市经济投入和产出快速增长、人口非农化速度提高、教育水平和收入水平显著提高、城市建设愈加完善、基础设施建设愈加完备,城市化质量明显提高.1992—2000年城市化质量提升缓慢,城市化质量指数仅从1992年的17.165增长到2000年的19.24；2000—2009年城市化质量快速提升,城市化质量指数从2000年的19.24快速增长到2009年的52.23,增长速度最快；2009—2013年城市化质量保持稳定,从2009的52.23增长到2013年的79.61,增长速度稳定提升,并已基本达到合理水平.

3) 成都市城市空间扩展与城市化质量协调耦合状况不断提升,从不协调状态发展为高度协调状态.1992年两者的协调度为0.23,耦合协调度为2.84,呈不协调状态；2000年协调度为0.33,耦合协调度为3.37,呈较不协调状态；2009年协调度为0.71,耦合协调度为5.41,呈协调状态；至2013年两者协调度高达0.93,耦合协调度系数高达8.14,呈高度协调状态.这说明研究期内成都市城市空间扩展与城市化质量协调耦合状态不断在趋于合理,城市空间拓展和社会经济发展体现了集约拓展和质量提升同步协调的发展趋势.

4.2 讨论 本文研究中,分析了成都市近年来城市外延空间扩展状态及扩展模式,研究了城市空间扩展下城市化质量的变化情况,并将各时期城市外延扩展状态与城市化质量进行了耦合协调分析.但本次研究受数据限制,只选取了4个阶段对成都市外延空间扩展状况进行分析,未能通过逐年分析找到城市外延空间扩展的变化过程和规律；同时在对城市化质量的评价研究中,评价指标体系的选择对城市内涵提升和可持续发展观的体现还不足,这些将是下一步继续研究的重点和方向.

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(编辑 李德华)

Analysis on Coupling Coordination Degree between Urban Extension and Urbanization Quality in Chengdu

WU Honglu1,2, HE Wei1,2, LIU Jiao1,2

( 1.KeyLaboratoryofLandResourcesEvaluationandMonitoringinSouthwest,MinistryofEducation,SichuanNormalUniversity,Chengdu610066,Sichuan; 2.GeographyandResourcesScienceCollege,SichuanNormalUniversity,Chengdu610066,Sichuan)

The purpose of this paper is to study the trend of urban extension and urbanization quality in Chengdu, and the coupling coordination degree between urban land expansion and urbanization quality is also explored. This paper extracts the scope of Chengdu urban construction land from remote-sensing images. Based on entropy evaluation method and coordination degree model, urban expansion comprehensive index and evaluation index system of urbanization quality are established to analysis their coordination degree. Through the above mentioned analysis, the results of this study show the following aspects. 1) During the research period, extension of chengdu city spatial expansion intensity index firstly increases and then decreases, expand the form and compact index generally is not high. 2) During the study period, the urbanization of chengdu quality improved significantly, between 2000 and 2009, chengdu urbanization quality rapid promotion, at the end of 2013 the urbanization quality has reached a relatively reasonable level. 3) During the research period, extension status of chengdu city coordination and coupling condition of urbanization increase year by year, from 1992, uncoordinated state gradually developed to a highly coordination state of 2013.

urban extension; urbanization quality; entropy evaluation method; coordination degree model

2016-04-16

国家自然科学基金(41301196)

F301.2

A

1001-8395(2017)03-0367-08

10.3969/j.issn.1001-8395.2017.03.017

*通信作者简介：何 伟(1972—),男,副教授,主要从事土地利用及评价的研究,E-mail:cdwhe@163.com