国内外城市空间扩张研究综述

戴梦婷/文

城市空间扩张是城市化过程的重要标志，不仅是全球可持续发展关注的热点议题，更是中国特色社会主义大背景下我国城市化健康发展面临的重大问题。国内外许多学者都对城市空间扩张有所研究，研究方向大致分为3个方面：城市空间扩张模式与特征研究、城市空间扩张模拟模型研究、城市空间扩张驱动因素研究。

一、城市空间扩张模式与特征研究

城市空间扩张主要是建设用地不断地替代农林草地和水体，从而使城区土地覆盖状况发生改变，城建区不断扩张。

19世纪20年代，国外学者就已经开始研究城市扩张问题。其理论基础以 Thunen（1826年）的“杜能圈”、Howard（1898年）的“花园城市”等为主。随后，Park与Burges等（1923年）提出了“同心圆理论”，即城市由内向外依次为：中心商业区→过渡带→低收入人群居住带→高收入人群居住带→通勤带。在此基础上，Hoyt（1939年）创立了“扇形理论”。接着，Harris和Ullman（1945年）提出了“多中心理论”，即城市扩张围绕着不同功能的多个独立中心。同时期的Cristaller和Losch也分别在1933年和1940年提出了“中心地理论”，成了城市地理学和商业地理学的理论基奠。随着对城市问题研究的深入，“中心地理论”在美国得到了进一步的发展，Berry和Garrison（1958年）提出了“距离”和“界限”能够制约城市中心点的分布。Gottmann（1961年）和Knox（1994年）认为单个城市的空间扩张可以分为集聚型（蔓延式和连片式）和扩散型（轴向式和飞地式）。Wilson等（2003年）也总结出了5种类型，分别为：扩展式、蔓延式、填充式、孤岛式和分支式。

同时，学者也根据我国各城市的发展状况开展了广泛研究。有些学者同时分析了多个城市的空间扩张模式，有些学者则对某个城市不同时期的空间扩张模式做了分析。例如，Deng等（2005年）研究分析了我国13个城市的空间扩张模式，Xie（2007年）、樊淑云（2015年）、余琪（2016年）等则分别对北京、成都、广州等单个城市空间扩张模式做了详细分析。另外，张豫芳等（2006年）还分析了天山北坡的八个绿洲城市的空间扩张模式。总的来说，中国城市空间扩张模式大致可以归为4种：填充式、外延式（蔓延式，有时也称为“摊大饼”式）、廊道式（也称轴向式或线性蔓延式）和蛙跳式（也称飞地式、“卫星城”式）。随着城市化进程的迅速发展，许多城市都渐渐呈现出多种模式混合的扩张模式，依据城市不同区域的特点呈现出不同的扩张模式。

二、城市空间扩张模拟模型研究

在早期，由于研究资料有限，学者们主要通过考古分析法、调研法和对比法等来模拟研究城市空间扩张形态，但仅凭低精度的地图等来研究该问题是远远不够的。近些年，随着大数据的发展，用来模拟和分析城市空间扩张过程的模型开始多元化，模拟精度也有了很大提升。

1.元胞自动机（CA）模拟模型应用和改进

元胞自动机（Cellular Automata，CA）模型是一种局部网格动力系统。20世纪50年代，现代计算机创始人冯·诺依曼提出了CA的雏形，但并未引起学者们的关注。直至1970年，英国数学家Conway设计了一款计算机游戏，吸引了许多学者的注意，推动了CA研究的发展。同年，Tobler首次将它用在了地理空间的模拟上。

随着科技的发展和对复杂系统的研究，利用CA模型对城市空间扩张和土地利用等过程的模拟成为一大研究热点。Xie（1996年）用它模拟了纽约布法罗市土地利用的变化过程；Al-Ahmadi等（2009年）用模糊CA模型模拟了沙特利雅得市的城市空间扩张过程。传统CA模型在模拟复杂的地理过程中存在一定的局限性，必须将其改进或拓展。Claudia等（2003年）就用Bayes经验概率方法规定了CA转化规则，成功地模拟和预测了巴西包鲁市空间扩张情况。

国内这方面的研究开始得较晚。罗平（2004年）利用GeoFeature-CA模型构建了深圳市土地利用演化仿真模型。对于CA模型的改进与拓展，国内学者们也做了较多研究。例如，杨青生等（2006年）提出的SVM-CA模型，刘小平等（2007年）提出的ACO-CA模型，甘喜庆（2008年）提出的约束logistic-CA模型等，都取得了较为理想的模拟效果。

2.其他常用模拟模型

除了CA模型外，凝聚模型（DLA）、多主体模型（MAM）、神经网络、分形理论、遗传免疫系统等也被广泛地应用在城市空间扩张的研究中。张鸿辉等（2008年）将多智能体系统（MAS）应用于城市土地扩张研究；姜凤霞（2008年）应用BP神经网络对泰安市扩张动态进行了模拟；郑凯迪等（2011年）运用Sleuth模型模拟并预测了上海市空间扩张；翟瑞雪（2015年）利用多主体模型对赣州市章贡区的空间扩张做了模拟研究。

三、城市空间扩张驱动因素研究

对于城市空间扩张驱动因素的研究国内外都开展得较早，研究者也较多，不同学派给出了不同解释。学者们大都从社会经济、政策和自然因素出发，探讨引起城市空间扩张的主成分，建立城市空间扩张模型。

起初，Colby（1933年）提出城市空间扩张由向心力和离心力一起造成。Form（1954年）从政治学角度将城市扩张的驱动力分为市场驱动力和权力行为力。Meyer等（1994年）则将城市空间扩张驱动因素归纳为政治、经济、人口和环境四个方面。

国内学者对城市空间扩张的驱动因素的研究更强调政策的主导作用，也有较多学者关注产业结构的调整、外资的注入、收入差距、经济密度和传统文化等。鲁奇等（2001年）还强调了政治及社会意识形态改变、科技进步等因素的驱动作用。吕昌河等（2004年）对我国145个城市的研究结果表明，我国城市空间扩张的最好解释是城区职工的工资收入增长。王婷婷等（2015年）认为福建省莆田市空间扩张最主要的驱动因素是GDP增长；王丽萍等（2005年）则认为第三产业的发展是一个主要的驱动因素。黄庆旭等（2009年）将城市空间扩张的驱动因素分为宏观层（城市规划、政策等政府行为，历史旧城区格局）、中观层（经济因素和社会因素）以及微观层（自然地理位置、交通设施）。

四、总结与展望

纵观国内外学者的研究成果，对于城市空间扩张的研究，很多学者还是很有想法，众多学者的研究推动着该领域研究从定性到定量、从模糊到精确、从粗糙到精细，无论是城市空间扩张的模式与特征，还是其模拟模型，抑或是其驱动因素的研究，都取得了较为积极的成果。

在城市空间扩张的模式与特征的研究方面，学者们对扩张模式的称谓有许多种，但大致都归为填充式、外延式、廊道式和蛙跳式。但随着城市化进程的迅速发展，许多城市都渐渐呈现出多种模式混合的扩张模式，依据城市不同区的特点呈现出不同的扩张模式。

在城市空间扩张模拟模型的研究方面，该领域的模拟模型从“一枝独秀”到“百花齐放”，对CA模型的应用也从传统的有局限性的元胞自动机，经由各国学者的智慧做了许多的改进与拓展。对CA模型的改进基本集中于其转换规则上，随着研究的深入，从线性转换规则到非线性转换规则，改进的CA模型模拟精度愈来愈高，对城市空间扩张的动态模拟愈来愈真实。

在城市空间扩张驱动因素的研究方面，总体来说，自然地理条件是城市空间扩张的基本条件及主要限制因素，经济社会发展和人口因素是城市空间扩张的动力源头，交通设施、城市政策与规划等则是引导城市空间扩张模式和方向的重要因素，此外，农地市场化和居民的生活需求也有一定的驱动作用。但这些驱动因素还不够全面，还需要更加深入的研究。

总体而言，城市空间扩张领域的研究已经有较大的进步，但还存在一些问题，例如，研究数据较为单一，基本都是利用遥感影像和经济统计数据，在数据来源方面缺乏创新；大多数学者的研究区都是比较有典型性的城市，虽然研究成果能很好地反映这些城市的空间扩张情况，但缺乏普适性；对于城市空间扩张驱动因素缺乏有规律的总结归纳等。