哈大齐工业走廊城市建设用地扩张研究

郭晶鹏,赵映慧,路中,谌慧倩,项亚楠,赵旭朦,毛克彪,*

1.东北农业大学资源与环境学院,哈尔滨 150030 2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081

1 前言

振兴东北战略2003年提出,随即黑龙江等省提出一系列开发政策,建设哈大齐工业走廊是黑龙江省的一项重大决策。2016年4月26日《中共中央国务院关于全面振兴东北等老工业基地的若干意见》正式发布,提出2030年实现全面振兴。哈大齐工业走廊等区域必将迎来新一轮开发建设热潮,建设用地扩张也将提速。

目前国内学者对城市建设用地扩张研究取得了丰硕的成果,随着图形学、空间统计学、“3S”技术的不断完善,城市建设用地研究主要集中在城市建设用地扩张特征研究、驱动机制及预测研究、扩张效应研究等方面[1–6]。首先,有关城市建设用地扩张特征研究,视角不同则呈现不同的扩张速度、扩张模式与空间特征[7–10];刘纪元等基于全国城市功能分区进行空间特征遥感分析,认为2000—2010年重点开发区城乡建设用地以西部、东北地区增长最为剧烈[11];童陆亿等对中国主要城市扩张特征进行综合研究表明近年城市扩张集中在东、中部地区[12];曹银贵等运用聚类分析法和判别分析法,研究中国东部地区87个城市的建设用地变化规律[13];蒋金亮等采用RS、GIS与景观生态分析相结合的方法,研究了长江沿岸宁汉渝3市近30年城市建设用地时空演化特征[14]。其次,关于驱动机制与预测的相关研究,很多学者主要采用空间统计学、凸壳理论、人工神经网络、马尔科夫链等方法,结合“3S”技术,研究城市建设用地扩张数量、空间特征及驱动机理[15–22];刘盛和将驱动机制分为自然机制、社会价值机制、动力因素、市场机制、政治权利机制5大类[23];邓胜华等基于通径分析将驱动因素分为内因与外因,揭示了武汉市建设用地扩张机理[24];黄晓军等从经济发展、人口增长、交通设施、城市规划等方面分析了长春市城市蔓延机理[25];孙平军等基于“流”视角研究了长春市蔓延机理[26]。最后,目前对于城市扩张带来的附加效应研究取得了一定进展,其主要呈现在城市扩张对经济、社会、生态三方面的影响[26–29];闫梅等研究认为耕地减少的主要原因是建设用地的扩张需求旺盛,揭示了粮食减产受建设用地扩张的导向作用[27]。综上,城市建设用地扩张研究主要以城市为基本单元,很少研究开发建设关联密切的城市组群。

哈大齐工业走廊位于中国黑龙江省西南部,是一座规划建设用地总面积为837.1km2的工业经济区,介于 45°30′—47°52′N,123°33′—126°38′E 之间。工业走廊既是工业开发区,又是由哈尔滨、大庆、齐齐哈尔、安达、肇东5个城市共同构成的城市组群,工业走廊的开发建设势必会推动城市建设用地的扩张。本文以哈大齐工业走廊沿线城市为研究对象,分析哈大齐工业走廊不同时期走廊各城市主城区建设用地扩张的时空特征,并探讨建设用地扩张机理,以期为哈大齐工业走廊远期建设和东北全面振兴提供参考。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究选取的数据包括来源于哈大齐工业走廊5个城市2000、2005、2010、2015年4个时间节点的Landsat的遥感影像,依托ENVI、ArcGIS、91卫图技术处理5个城市的4期城市建设用地数据,利用谷歌地球同期高分辨率影像进行目视解译校正,并结合《中国城市统计年鉴》的城市建设用地统计数据进行验证,使得监督分类结果精度达到92%以上。本研究中哈尔滨市不包括阿城区和双城区。

2.2 测度指标

(1)扩张强度和速度指数

式中:UAi为i时期城市建设用地面积,n为时间间隔,Un+i为i+n时期的城市建设用地面积S、Q分别为扩张速度、扩张强度指数,分别反映某个城市建设用地年扩张速度、较上年面积的扩张率。

(2)紧凑度

式中:C为紧凑度指数,UA为城市主城区建设用地面积,P为城市主城区轮廓周长;紧凑度值介于(0,1]之间,值越大说明城市扩展越紧凑,建成区边界越规整[19]。

(3)增长弹性系数

式中:Ii为增长弹性系数,Yit、Yi0分别为某一要素(人口、经济、社会固定资产投资)期末和期初的总量,Pit、Pi0分别代表期末、期初的建设用地总量[22]。

(4)面积加权分维指数

式中:D为城市分维指数,n为斑块数量,UAi为i斑块的面积,Pi为斑块的周长。D值在1—2之间,D值越大表示城市内部的填充能力越弱,城市形态越复杂。当D<1.5时,图形趋向于简单;当D=1.5时,说明图形处于布朗运动的边缘,越接近该值稳定性越差;当D>1.5时,则图形更趋向于复杂,以城市形态为研究对象时,该极限值应在1.71上下[14]。

(5)空间重心转移模型空间重心转移距离(OD)

空间重心转移角度(OO)当xi+1-xi≥0,

当

式中:yi+1-yi表示y轴上相邻两点的差值,xi+1-xi表示x轴上相邻两点的差值,x表示某一时期地理单元的重心横坐标,y表示某一时期地理单元的重心纵坐标,Di+1表示从i到i+1时期地理单元空间重心转移距离(OD),βi+1表示从i到i+1时期地理单元空间重心转移方向与正东方向夹角(OO)[16]。

3 结果分析

3.1 城市建设用地扩张

3.1.1 扩张变化测度

哈大齐工业走廊项目的实施对走廊城市建设用地扩张起催化作用,2000—2015年走廊城市建设用地面积急剧递增。2000年走廊城市建设用地总面积843.70 km2,2015年增至1632.70 km2,增长近1倍。

从建设用地增长速率看,总体上2000—2015年走廊城市建设用地增速稳定在50 km2·年-1左右,其中齐齐哈尔、哈尔滨分别保持在10 km2·年-1、15 km2·年-1大庆每个阶段扩张速率波动较大,安达、肇东保持加速增长的态势。2000—2005年齐齐哈尔、大庆、哈尔滨分别以 11.21 km2·年-1、33.51 km2·年-1、13.06 km2·年-1的扩张速率增长,遥遥领先同期的安达(0.75 km2·年-1)、肇东(0.60 km2·年-1), 其中大庆速度速率最高。大庆、齐齐哈尔、哈尔滨城市级别高,城市规模大,经济发达,投资环境良好,前期扩张速度快于安达、肇东。大庆为石油城市,建设用地与石油开发用地交叉混合,扩张速度与数量都高于其他城市。2005—2010年、2010—2015年这两阶段,由于哈尔滨、大庆、齐齐哈尔建设用地规划指标的管控,城市扩张速度基本维持在10—20 km2·年-1;随着哈尔滨、大庆、齐齐哈尔建设用地的扩张速度受限,投资、开发机会投向了安达、肇东,使得其建设用地扩张速度由之前的0.5—0.75 km2·年-1跳跃式递增到 2.7—3.5 km2·年-1(表 1)。

从城市扩张强度指数来看,2000—2015年哈大齐工业走廊沿线城市整体扩张强度指数呈波动态势,由7.01%波动到4.12%;齐齐哈尔、哈尔滨的扩张强度指数维持在3.5%—5.9%之间,大庆、安达、肇东呈现宽幅波动态势。2000—2005年,哈尔滨、大庆和齐齐哈尔的扩张强度远高于安达、肇东;2005—2010年、2010—2015年这两阶段,扩张强度发生反转,即安达、肇东扩张强度远高于哈尔滨、大庆和齐齐哈尔,这与扩张速度相吻合。

表1 城市扩张建设用地扩张强度、速度指数变化Tab.1 The change of expansion strength and speed index of urban construction land

3.1.2 扩张蔓延度

采用弹性系数、紧凑度、分维指数来分析建设用地扩张形态。2000—2015年哈尔滨、大庆和齐齐哈尔的建设用地—人口增长弹性系数Ia＞1,安达、肇东Ia＜1,表明哈尔滨、大庆和齐齐哈尔3市相对其人口数量存在蔓延现象,安达、肇东相对合理;2000—2015年除肇东以外的城市用地—人口弹性系数Ia与用地—经济增长弹性系数Ib之比远大于2,说明这些城市相对重视经济产出,而忽略与人口增长协调发展;除大庆外城增长弹性系数Ib与增长弹性系数Ic之比在40左右,说明走廊项目整体投入产出比不平衡,城市发展低效蔓延,大庆石油丰富，单位面积经济产出高[22]。哈尔滨、大庆和齐齐哈尔为地级市,安达、肇东为县级市;2000年走廊城市的分维指数均小于1.44,说明城市形态简单,趋于稳定;2005年分维指数均接近于1.5,处于布朗运动边缘,稳定性差,城市扩张现象已显露;2005—2015分维指数均大于1.5,映射出城市形态趋于复杂,扩张趋势明显,填充能力弱;2000—2015年走廊沿线城市紧凑度持续下降,县级市的紧凑度持续高于地级市,说明走廊县级市的扩张比地级市更合理。

3.2 2000—2015年城市建设用地扩张空间分异

3.2.1 城市空间扩张模式分析

为了明确哈大齐工业走廊沿线城市的主要空间扩张模式,建立2000—2015城市土地利用分类数据库,提取建设用地信息,运用ArcGIS 10.2把城市建设用地信息与2015年之前建成的主要公路、铁路进行空间叠置分析(图1)。

2000—2005年走廊城市扩张主要以建成区填充式和边缘式扩张为主,城市形态简单,城市分维指数小于1.5;2005—2015年走廊沿线城市存在边缘式、外延式等混合式对外扩张,扩张模式趋于多元化,城市边缘不规则,形态复杂,这与上述城市分维指数契合;2000—2015年齐齐哈尔由原来的建华、龙沙、铁峰区为核心沿轴带状向昂昂溪区延伸再朝富拉尔基区呈斜H型转变,斜H型已显露雏形,这受途经齐齐哈尔市区的公路和铁路布局的影响;大庆市2000—2005年以边缘式为主、填充式为辅向外扩展,以让胡路区、龙凤区为核心,呈现核心—边缘结构;2005—2015年以外延式、飞地式为主,朝红岗区、大同区扩张,呈T型轴带;2000—2015年安达和肇东以外延式、飞地式向外扩张,安达呈现核心—边缘结构,肇东则锤子型轴带显露端倪[14];哈尔滨市2000—2010年以填充式、边缘式为主,以道里、道外、南岗、香坊四个区为核心,呈圈层结构;2010—2015年以边缘式、外延式为主,朝南北两方向往外扩张[14]。

3.2.2 城市空间扩张态势分析

为探索2000—2015年城市扩张态势,本文利用ArcGIS 10.2的横轴墨卡托投影,以各个城区2000年建设用地的重心为圆点,按照北、东北、东、东南、南、西南、西、西北将沿线城市发展空间分为八个象限(图2),最后根据八个象限分别统计沿线城市各个时间节点的建设用地面积(表2),并形成各个阶段的雷达图。

图2与图3分析可知,哈尔滨2000—2015年建设用地显著的扩张方向为北、西北、西、西南、南五个方向,比较均匀的扩张方向为东、东南、东北,呈现出“北跃南拓、东优西扩”发展格局;齐齐哈尔市2000—2015年建设用地显著扩张方向为东北、东、西南、南、西,稳定的扩张方向为西北、北、东南,呈现出一个斜“上”字扩张格局,与主城区形成一个斜“H”现状格局(图1);大庆市2000—2015年建设用地主要的扩张方向包括北、东、南、西南,均匀的扩张方向为东北、西北、东南、西,呈现出斜“T”扩张格局;安达市2000—2015年建设用地主要的扩张方向为西北、北、东北、南,呈现出“伞”状格局;肇东市2000—2015年建设用地主要的扩张方向为东北、东南、西南、西,形成梯形扩张格局,以东北部建成区为锤头,西南为轴带,构成锤子型发展格局(图1)。

表2 城市扩张弹性系数、紧凑度与分维指数Tab.2 Elastic coefficient of urban expansion,urban compactness and fractal dimension index

图1 工业走廊沿线城市建设用地变化图Fig.1 The urban construction land change map along the industrial corridor

图2 沿线城市扩张象限统计图Fig.2 Statistical map of urban expansion in the industrial corridor

表3 沿线城市各个扩展方向不同年份建设用地面积(m)Tab.3 The extension direction of city construction land area in different year(m)

续表

图3 城市分时段各象限空间扩展强度对比图Fig.3 Comparison of the spatial expansion intensity of each quadrant in the industrial corridor

结合图2与图3分时期看,哈尔滨市2000—2005年主要的扩张方向为西北、南,且均匀扩张方向为东北、东、西南;2005—2010年主要的扩张方向为北、西北、南、西南、西,且南北轴带扩张最为强烈;2010—2015年主要扩张方向为北、西、西南、南、东,且南北轴带具有较强扩张态势。齐齐哈尔市2000—2005年主要的扩张方向为东北、东、南;2005—2010年东北—西南轴带扩张最为显著;2010—2015年西、南、东南表现出强烈的扩张态势。大庆市2000—2005年主要的扩张方向为北、西北、西南、东;2005—2010年为东、东南、西南、北,呈现出梯形扩张格局;2010—2015年主要的扩张方向为西南、东北与南,构成“三角形”发展格局。安达市2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年显著的扩张都集中在西北、北、东北等方向。肇东市2000—2005年建设用地扩张较弱,呈均匀扩张态势;2005—2010扩张方向为西、西南、南北轴带;2010—2015年主要扩张方向为西、西南、东南。

3.2.3 建设用地空间重心变化测度

2001—2015年哈大齐工业走廊城市主城区建设用地均朝着多个方向扩张,为了更直观刻画城市空间扩张规律,利用ArcGIS 10.2绘制城市建设用地重心迁移图,把主城区同一时间节点的多个斑块作为一个整体,仅生成一个重心(图4)。

为了比较各城市重心迁移距离和方向,利用各个时间节点生成的城市重心的经纬度坐标,计算生成表4。结合图4与表4,结果显示:齐齐哈尔2000—2010年城市建设用地重心向东北方向移动,2010—2015年朝西南方向移动,且移动距离逐渐增大,说明齐齐哈尔市西南方成为城市加速扩张的热点区;大庆2000—2015年城市建设用地分别朝西南→东南→西南方向移动,但整体朝西南方向偏移,偏移距离呈扩大态势,大庆市西南方向的红岗区、大同区成为城市扩张的热点区;哈尔滨2000—2010年城市建设用地重心朝西北方向偏移,2010—2015年朝西南方向偏移,西南、西北成为城市扩张的热点区。2000—2015年安达、肇东城市建设用地重心分别始终朝西北、西南偏移,偏移距离不断扩大,这种扩张态势将会持续。

图4 城市建设用地重心偏移情况Fig.4 The shift of the center of the urban construction land gravity along the Industrial Corridor

表4 沿线城市建设用地重心变化情况Tab.4 Changes center of city construction gravity along the Industrial Corridor

3.3 建设用地扩张驱动力分析

3.3.1 哈大齐工业走廊战略的实施促进建设用地扩张

哈大齐工业走廊是哈大齐城市密集区的一个子系统,同时是黑龙江省重要的经济组成部件。20世纪90年代以后,老工业基地经济一蹶不振,产业结构问题频出,亟需调整。2003年国家提出振兴东北老工业基地的战略,哈大齐工业走廊应运而生。东北振兴战略实施之前,传统工业散落在城市主城区,城市经济之间疏于联系;战略实施之后,工业向城郊迁移,沿走廊建立工业园区,沿线城市地缘互补关系逐渐增强,高铁、高速公路的开通,两小时经济圈基本覆盖走廊各城市,缩短城市时空距离;城市行政边界弱化,刺激城市融合(安达与大庆逐渐同城化),及哈长城市群的建设,将会加速城市的扩张。

3.3.2 城市功能定位的变化推动城市功能用地增加

哈达齐工业走廊战略实施之后,走廊各城市功能定位发生变化。齐齐哈尔主要发展装备制造业、绿色食品加工业和生态旅游业;大庆在石油化工产业基础上增加装备制造、新材料产业,沿走廊打造“一横四纵”经济带;安达重点推进农副产品加工,承接大庆辐射的加工业;肇东以生物技术产业、中草药加工业为主,承接哈尔滨产业的辐射及转移;哈尔滨努力推进高端装备制造业的发展,并结合科教文化资源、旅游资源等优势,推动文化产业和旅游产业的发展,推进城市联动发展[29–30]。这些城市经过这一系列功能转变之后,原本几近瘫痪的产业链开始活跃起来,各地政府通过“筑巢引凤”的方式,增加建设用地的投入,使得城市大肆扩张,2000—2015年走廊城市建设用地面积总量翻了1倍。

3.3.3 走廊开发建设的优惠政策加速城市建设用地的扩张

自工业走廊建设以来黑龙江省各种优惠政策逐渐倾向哈大齐工业走廊的城市,成为刺激走廊的城市扩张一个重要因素。这里主要从用地政策、金融与财税政策、技术与人才政策三方面探讨对城市扩张的影响。用地政策主要体现用地审批、用地租金等方面;用地审批方面表现为全省农用地转建设用地指标优先保证工业走廊建设,放宽审批权限;用地租金由省政府统一基准价,出让金仅收取基准地价的70%,且可以分期付款;政府给高薪技术企业给予优惠;投资大于5000万的项目,土地可以作价入股,大量资金流入,无形之中推动城市建设用地的扩张,导致城市形态复杂且趋于无规则,紧凑度下降。减税、补贴、省政策性担保、设立金融服务部等一系列配套金融与财税政策向入住工业走廊的企业提供保护,减缓了企业压力,吸引外来投资,促使城市建设用地扩张。高薪引进科技人才、建立工业走廊博士后流动站、安置留学归国博士等一系列政策孵化了几十座高新技术开发区,进一步加速了走廊沿线城市建设用地的扩张。

4 结论与讨论

(1)本文利用3S技术并结合统计数据校验,构建了2000—2015年哈大庆工业走廊沿线城市建设用地数据库。2000—2015年哈大齐工业走廊城市建设用地净增长近100%,研究期间哈尔滨、大庆、齐齐哈尔建设用地扩张态势优先于安达、肇东。

(2)从扩张强度、扩张速度、弹性增长系数看2000—2015年城市建设用地呈现快速扩张态势,但土地利用效益较低;2000—2010年走廊城市扩张形态简单,城市分维指数小于1.5;2010—2015年走廊城市存扩张模式趋于多元化,城市边缘不规则,形态复杂。

(3)2000—2015年哈尔滨市建设用地呈现出“北跃南拓、东优西扩”发展格局;齐齐哈尔市呈现出一个斜“上”字扩张态势;大庆市呈现出斜“T”扩张格局;安达市表现出“伞”状格局,肇东市构成锤子型发展格局。

(4)2000—2015齐齐哈尔城市建设用地重心向东北—西南移动,移动距离逐渐增大,西南方向为扩张的热点区;大庆城市建设用地分别朝西南—东南—西南方向移动,大庆市西南方向的红岗区、大同区城市发展的热点区;哈尔滨西南、西北成为城市扩张的热点区;安达、肇东城市建设用地重心分别始终朝东北、西南偏移,偏移距离不断扩大。

(5)伴随着哈大齐工业走廊战略的实施,其沿线城市建设用地扩张的快速扩张;不同城市功能定位的相对变化造成差异的扩张模式;走廊开发建设的优惠政策加速城市建设用地的扩张。

以上结果表明,无论城市分维指数还是城市弹性增长系数,都表明哈大齐工业走廊建设过程存在城市土地投入粗放问题,高投资低效益问题,政府应加强土地利用方面的规划与管控;分别对哈达齐工业走廊城市分析其建设用地扩张特征,并定性分析其扩张机制,望能为工业走廊远期建设、东北振兴群建设提供借鉴。然而,本研究采用Landsat数据,空间分辨为30m,分类方法采用监督分类,一定程度限制了建设用地面积的提取精度,未来可进一步采用高分数据、利用SVM、卷积神经网络等方法进行更深一步研究,提高结论的可靠性;驱动机制方面仅停留在定性分析,尚未对交通、资金、政策等驱动因素的影响进行量化,故无法构建量化模型对建设用地扩张进行研究,未来可以采用多元回归、逻辑回归等方法定量分析驱动机制;这将成为接下来努力研究的方向。

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