成渝城市群城市建设用地扩张格局及规模体系分析

张亚萍，张 平，孙丹峰，刘顺喜，伦 飞

(1.中国农业大学土地科学与技术学院，北京 100093；2.中国国土勘测规划院，北京 100035)

经过近四十年来快速城镇化的发展，我国的城市化水平已由1980年的19.4%增长至2018年的59.58%。城市建设用地的空间扩展是评估城市化进程的一个重要指标[1]，城市形态作为城市化的结果，其空间格局的演变明确反映了城市化过程。城市群作为一个地区的增长极，对带动整体区域发展更有积极作用。研究与揭示城市群的空间扩张规律，对理解区域城镇化过程及优化城镇布局具有重要意义。继我国在过去的十五年将城市群提升为新型城镇化建设的“主体形态”后，学者们对城市群这一城市空间发展的高级组织形式的研究也有升温趋势。从既有的学术研究内容来看，对城市群扩张的研究主要分为4类：城市建设用地扩张时空特征分析[2-3]、驱动力分析[4]、扩张效应分析[5-6]及城市扩张动态模拟分析[7-8]，而缺乏从城市整体规模体系角度对城市群发展的考量。从研究区域来看，学者们对京津冀[9-10]、珠三角[11]、长三角[12-13]及长江中游[14]等城市群进行了广泛研究，但主要集中于东部经济发达的城市群，而对西部城市群的研究关注度不够。成渝城市群作为中国西部地区唯一的国家级重点城市群，其一体化发展对推进共建“一带一路”也发挥着带动作用，对其研究还亟待完善，而基于长时间序列对其扩张时序特征的研究则更为匮乏。

本文试图借助多源遥感数据，通过对近三十年成渝城市群城市建设用地扩张制图，分析城市建设用地扩张格局阶段性特征，揭示成渝城市群城市发展规律；识别城市群城市建设用地扩张模式，并对其进行定量评估；分析城市规模体系，探讨城市群发育特征，以期从多个维度揭示城市群扩张速度-分布-模式-规模体系。

1 研究区概况、数据源及研究方法

1.1 研究区概况

依据《成渝城市群发展规划》划定本文研究范围，但《规划》中涉及的达州市并不包括完整行政边界，重庆市开县及云阳的部分地区并未划定具体范围，因此上述地区并未纳入本文研究区范围(图1)。本文研究的空间范围具体包括成都、重庆、德阳、绵阳、乐山、眉山、资阳、内江、宜宾、泸州、南充、遂宁、广安、雅安、自贡15个市。

图1 研究区范围

1.2 数据源

本文涉及的研究基础数据为成渝城市群1990、2000、2005、2010、2013、2018年城市建设用地提取信息(包含辖县、辖市建设用地)，其中1990—2013年城市建设用地空间数据由中国土地勘测规划院提供，主要处理过程为选用Landsat TM、ETM+、BJ-1等多源遥感数据，经过正射校正等预处理后，导入ArcGIS软件，利用人机交互判读方法，由长期从事遥感影像解译的专业人员提取城市建设用地。提取成果由专业质检部门进行内业核查，有疑问区域进行外业核实，总体采集精度控制在实地5 m以内。2018年城市扩张数据由16景覆盖成渝城市群的OLI影像拼接而成，城市建设用地提取扩张方法同上，精度验证通过选取样本导入Google Earth完成，总体精度满足分析城市建设用地空间格局研究的需求。

1.3 研究方法

1.3.1 建设用地年均增长率指数(AGR)

建设用地年均增长率指数AGR(annual growth rate)用来衡量城市用地年变化速率。公式为

(1)

式中，Astart为研究初期建设用地面积；Aend为研究期末建设用地面积；n为研究期末间隔年限。

1.3.2 核密度估计

本文将新增城市建设用地图斑划分为1 km网格并作为基础单元，依托于ArcGIS软件进行核密度分析，挖掘其扩张热点空间分布规律。核密度的计算公式为

(2)

1.3.3 位序-规模法则

位序-规模法则是美国学者齐普夫(Zipf)于1949年针对经济发达国家城市体系提出的城市规模分布规律。计算公式为

(3)

为直观起见，将该公式进行自然对数变换

lnPi=lnP1-qlnR+δ

(4)

式中，Pi为按规模从大到小排列第i位城市的规模；P1为首位城市规模；Ri为Pi城市的位序；参数q通常被称为Zipf指数；δ为常数。

当q=1时，首位城市与最小规模城市之比等于总的城市数量，Zipf认为此时为城市等级规模分布的理想状态;当q>1时，城市规模分布差异较大，高位序城市很突出，低位序城市发展不足，当q→时，表示区域内只有一个城市;当q<1时，高位城市不突出，中小城市发展较好，城市规模均匀分布，当q→0时，表示所有城市规模一样大。

2 城市建设用地总体扩张格局分析

2.1 城市群城市建设用地总体扩张及各市年扩张面积

研究期内成渝城市群城市建设用地面积持续增加，从1990年的590.17 km2增加至2018年的5 022.78 km2，增长了4 432.61 km2，扩张了751.07%，年均扩张面积为158.31 km2。其从1990年至2018年城市建设用地覆盖面积AGR为7.95%，根据文献[15—16]研究，1992—2015年在全国尺度上城市建设用地面积年均增速为8.1%,可见成渝城市群城市建设用地增速持平于全国平均水平。

从时间序列来看，成渝城市群的城市建设用地AGR由1990—2000年的5.17%增至2000—2005年的11.55%，随后在2005—2010年放缓至9.93%，在2010—2013年到达顶峰为13.63%，2013—2018年落回至4.80%。从地级市尺度上来看，重庆市1990—2018年年均城市建设用地扩张面积最高，达51.27 km2，成都市紧随其后，为47.15 km2，而雅安、自贡、宜宾、泸州等城市建设用地面积增速则较缓，均低于5 km2/a；从区域上来看(如图2所示)，城市建设用地面积增速从成德绵乐都市带(成都、德阳、绵阳、乐山)、重庆都市圈、川东北城镇密集区、川南城镇密集区依次降低，呈现“中部高速，南北低速”的特点，成都都市带城市建设用地面积增速最快，为82.41 km2/a，川南城市建设用地面积增速最慢，仅为12.93 km2/a。

图2 研究区城市建设用地扩张格局

2.2 城市群城市建设用地扩张核密度分析

从城市建设用地扩张核密度来看(如图3所示)，成渝城市群的城市建设用地扩张密度分布呈现明显的分异格局，主要表现为成都、重庆为高值中心，川南为低值连片分布的特点。成渝城市群城市建设地扩张核密度均值为0.03个/km2，成渝城市群核密度高值区主要集中在成都、重庆二市，密度均值为0.47个/km2。此外，成德绵乐都市带(成都、德阳、绵阳、乐山)中除成都外的节点城市扩张密度值较高，密度均值为0.11个/km2。

值得注意的是，由图3可以看到，除成都市与德阳市的城市建设用地扩张呈现一体化趋势外，其他地区并未出现高值区聚集分布，各市均为单独发展，没有形成连片发展格局。同时，这也说明了城市群内部的发展不够集聚，核心城市对周边地市的辐射作用不够强，城市群协同一体化发展还有很大的空间。

3 城市群扩张模式分析

1990—2018年间，成渝城市群土地利用/覆被发生了极大的变化，大量的非建设用地转化为建设用地。整体来看，新增城市建设用地的扩张模式以蔓延式为主，飞地式为辅，填充式所占比例最低(图4)。1990—2013年间，飞地式扩张模式在3种模式中所占比例不断攀升，直至2013年达到最高值49.14%。根据城市增长相位理论[17]，飞地式扩展模式增加的过程在城市增长理论中称为扩散，城市群一直处在发展阶段，城市群发展结构趋于疏松。蔓延式扩张在各阶段中一直处于绝对主导地位，而蔓延式扩张常为城市出现“摊大饼”建设的原因，常伴随着城市土地利用密度低、城市无序扩张的结果。填充式扩张模式在研究期间占3种扩张模式的比例一直最少，填充式扩张代表精明、紧凑的城市扩张模式，一般为城市群发展到一定阶段后出现的内涵式发展，这说明研究期内的成渝城市群土地利用不够集约。总体而言，成渝城市群在研究期内城市扩张呈现无序蔓延的态势，并未趋于紧凑。

图4 1990—2018年间研究区3种扩张模式比例

4 城市群规模体系分析

将成渝城市群各时期的城市建设用地规模进行排序，由图5可以看出城市群用地规模分布的变动情况。成渝城市群内部各市用地规模发展差异巨大，呈“长尾”型发展态势和明显的“双极”发展。自2000年以后，成渝二市用地规模飞速发展，与之对应的是，城市群内的其他中小城市用地规模则停滞不前，继而二者在城市用地规模上出现断崖式差距。成渝二市在城市群规模发展中的垄断力相对较强，主导作用明显，而首位城市与其他城市间的规模差距大，城市规模分布均衡度较弱。这说明成渝城市群整体用地规模发展极不平衡，城市规模没有出现均衡有序的金字塔式等级体系。

图5 1990—2018年研究区城市城市规模排序

将1990—2018年间五个时间节点所对应的成渝城市群15个城市的用地规模和位序按照位序-规模法则进行双对数回归，结果如图6所示。

由图6可知：1990—2018年内各时期拟合优度R2均在0.9以上，模型拟合效果良好。各时期Zipf维数(即q值)均大于1，介于1.15～1.45，表明高位城市与中低位城市间的差距较大，高位序城市较为突出，而中小城市发育不够，城市规模分布比较分散。总体上各年份q值持平，由1990年的1.24降至2018年的1.15，仅减少了7.26%。

图6 1990—2018年研究区城市用地规模分布的位序-规模对数曲线

根据q值的波动情况，将研究期分为3个阶段：①1990—2000年，这时的q值介于1.20～1.24之间，在3个时期中q值最为平稳，且q值较接近于1，说明这个时期的成渝城市群城市规模较为均衡，比较接近于Zipf法则的理想状态；②2000—2010年，q值由1.20持续上升至最大值1.45，城市群规模分布较为极化，高位序城市发展较快，中小城市则发育相对不足；③2010—2018年，这个时期的q值持续回落，由1.45降低至最小值1.15，说明2010年后城市规模分布日趋平衡，中低位序城市发展，城市之间差异逐渐减小，成渝城市群城市城市体系趋向合理。

5 结 语

本文以成渝城市群为例，基于多源遥感影像提取的城市群城市建设用地数据，综合运用定性与定量的方法，分别从扩张速度、热点、模式及城市群规模体系等方面，探讨了城市群城市建设用地扩张规律，对其空间扩张过程与城市群发育特征进行分析。结果表明，1990—2018年，成渝城市群城市建设用地面积呈现由“高速增长”至“平稳增长”的态势。城市建设用地扩张核密度分布主要呈现成渝二市为高值中心，川南地区低值连片分布的特征。各时期成渝城市群新增城市建设用地均以蔓延式扩张为主，飞地式扩张为辅，填充式所占比例最少，且成渝城市群城市规模体系时间序列演化由极化趋于均衡。本文的研究结果为区域可持续发展提供了科学的参考意见。