成都城市群城镇用地时空变化分析

李昭颖，王 妍，曹良中

(九江学院，江西 九江 332005)

1 引言

城镇用地变化是城镇化推进的重要体现。通过阐述城镇用地变化特征，能有效揭示自然环境和人类活动相互作用的程度，是实现从数据收集到知识凝练，理解城镇土地时空格局变化对城镇发展进程的响应，探索区域城镇化背景下城镇土地利用最优格局的重要枢纽。

国内外对城镇用地时空格局量化描述的研究主要集中在以下2个方面。

(1)测度指数分析。基于GIS和数理统计方法构建定量化指数模型描述城市土地利用的变化特征，主要包括不同土地利用类型面积变化的幅度、速率等指数的建立与分析[1～3]，推动着城镇化的快速发展，学者们更侧重于描述城市扩张的速率和范围变化等特征[4～6]。测度指数多样实用，为深入探索城镇空间演化过程提供了研究基础和参考依据。

(2)城镇空间扩张模式研究。城市空间扩张模式是对扩张演变过程类型的总结，对城市理论的验证和城市发展的合理性分析有重要意义。国外关于城镇扩张模式的研究由来已久，早期学者通过大量案例从宏观扩张形态上进行归纳和总结，认为有同心圆、多核及扇形等多种扩张模式。由于缺少对城市内部微观扩张的考虑，随后学者们对扩张模式不断有新的定义。Forman[7]从景观生态学角度出发将扩张模式划分为边缘、廊道、单核、多核和散布式5种类型；Clarke等[8]基于SLEUTH城市扩张模型提出了自发式、新中心式、边缘式和道路引力式4种扩张模[9～11]，与Forman相似；Wilson等[9～11]从景观生态学出发，通过设定规则识别城市斑块增长类型，包括填充、扩张和飞地式，其中又将飞地式细分为孤立、线性和组团式分支扩张[12]。此后，这些模式被广泛应用于国外城镇扩张研究中。

国内学者关于城市空间扩张模式也有很多实例研究，由于地域和发展水平差异，不同地区城市扩张呈现出不同的特征模式[13～15]。随着研究的深入，研究对象不仅限于单个城市，对于区域层面的研究逐步增多，且多城市共性及差异研究成果日趋丰富[16～18]，普遍认为城市空间扩张模式主要有以下3种：填充式、边缘式和飞地式，其他模式均可视为这3种基本模式的变种或者混合体[19，20]。

城镇用地变化作为城镇化时空格局演变最直接的表现，其测度指数和扩张模式分析的侧重点虽各有不同，但均是城市化时空演变特征描述中的重要组成部分。城市系统是一个多尺度且极具空间异质性的“社会-经济-自然”复合体，通过综合运用遥感、GIS技术分析方法，从不同角度和不同尺度定量分析和理解城市系统的结构、功能和动态性，更有助于揭示城市化中复杂的多尺度格局过程间的相互关系。而目前较多研究仍仅从独立个体城镇时空格局演变进行分析，缺乏针对城市群的面向区域联动的时空分析框架。因此，深入探索和总结城市群城镇时空格局演变特征与规律，开展面向城市群的区域城镇时空格局特征分析十分必要。

2 研究区域概况与研究方法

2.1 研究区域概况

成都市位于中国西南地区，是中国西部经济第一大省四川省的省会城市，全市覆盖12个市辖区、5个县级市、3个县。改革开放以来，成都市城市发展扩增显著，在区域联动影响下，成都市在快速发展的同时，也同步驱动绵阳、遂宁、乐山等周边卫星城市城镇用地面积不断扩增。截至2020年，成都城市群城镇化率超过65%。

根据城市的城镇用地规模及行政级别差异，将成都城市群范围内的城市划分以下4个层级(表1)，并从城市群全局视角及不同层级城市的视角对成都城市群1980年份以来的城镇用地变化分析。

表1 成都城市群城镇分级

2.2 数据来源

由于研究区范围大，本文选择采用中等分辨率陆地资源卫星(Landsat)影像作为主要的光学遥感数据源，为收集1983年至今覆盖研究区的Landsat时间序列数据，选择成都城市群覆盖范围内含云量<10%的Landsat多波段数据，共采用Landsat4-5 TM、Landsat7 ETM、Landsat7 ETM+和Landsat 8 OLI 4种传感器采集的卫星光学影像。

2.3 研究方法

本文采用遥感技术和地理信息系统空间分析方法，对各时期遥感影像解译提取城镇用地基础数据源，然后进行波段数据融合，统一空间分辨率，再进行裁剪，最后提取成都城市群城镇用地信息。分析研究期内成都城市群城镇土地利用变化特征和规律以及城镇空间扩张的现状及规律，量化城镇扩张指标进一步分析城市群城镇用地时空格局演变特征。

2.3.1 城市扩张强度指数

城市扩张强度指数是一种通用的描述城市扩张水平的指标参数[21～23]。本文采用其对成都城市群不同时间段的城镇用地面积扩张的强度进行定量描述。城市扩张强度指数公式如下：

(1)

式(1)中，I为城市扩张强度指数，ΔUi为某一时间段城镇用地增长面积，Δt是时间区间，TLA是城市土地总面积。I越大则说明该时间段内土地扩张强度越大，反之越小。

2.3.2 城市紧凑度指数

该指数通过城镇用地土地面积及土地外围边界周长计算获得，用来测度城市城镇用地空间分布的紧凑程度和饱满程度，客观反映城市空间形态。城市紧凑度指数公式如下：

(2)

式(2)中，C为城市城镇用地紧凑度指数，A为城镇用地面积，P是城镇用地外围边界周长，C值越大表明城市城镇发展越紧凑，反之城镇发展形态越离散。

3 城镇用地时空变化分析

本文利用成都城市群1980～2020年多期光学遥感卫星数据，在对成都城市群城镇用地类型细分的基础上，通过遥感信息提取技术，计算得到1980年(使用1980s数据)、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年共8期成都城市群城镇用地数据，分别从城市群总体和城市群各中心城镇研究城镇用地变化。

3.1 城镇用地分类体系建立

根据城市群城镇扩张的用地变化特点，将成都城市群城镇用地类型分为两类(表2)。

表2 成都城市群城镇用地分类说明

3.2 成都城市群城镇用地变化分析

3.2.1 城市群城镇扩张总体分析

按成都城市群城镇用地类型进行时间序列变化分析。近35年以来，成都城市群建成区面积变化显著，核心城市、区域性中心城市、地方性中心城市及一般县市的城镇建成区均明显扩张。由表3可知，成都城市群城镇建成区总面积增加1106.21 km2。城市群城镇建成区面积扩张强度在不同时间阶段内表现出差异性,2000年后，成都城市群城镇建成区面积扩张加速，2000～2010年期间城市群城镇建成区面积增加显著，2010～2015年间建成区面积增加出现放缓，在2015～2020年又呈现快速扩张现象。从城市群城镇建成区紧凑度指数来看，城市群覆盖的县市总体呈现出建成区形态及分布较为零散，且空间格局整体分布稳定，紧凑度较低。

表3 1980～2020年成都城市群城镇建成区面积及扩张强度

从城市群其他建设用地的变化(表4)来看，1980～2020年间，成都城市群其他建设用地面积变化同样显著，城市群其他建设用地从地块数量及地块区域规模上明显提升，其他建设用地总面积增加919.51 km2。表明过去35年内，成都城市群建成区周边区域覆盖的工业、建筑等相关产业处于适宜的发展环境，扩增速度明显超过建成区发展状态。同时，其他建设用地的快速扩增也为超级城市的孕育储备了巨大潜能。从成都城市群其他建设用地面积扩张强度指标来看，2010～2020年间的扩张强度指数远大于2005年之前，特别是2010～2015年间，城市群其他建设用地面积扩张强度达到顶峰，为近5年城市群建成区的扩张提供巨大潜能支撑。从城市群其他建设用地紧凑度指数来看，过去35年间，成都城市群其他建设用地地块紧凑度呈线性减小趋势，表明随着用地面积不断新增，成都城市群其他建设用地愈发零散扩增，且零散的其他建设用地主要分布于核心城市、区域性中心城市及地方性中心城市的周边，是各城市城镇建成区用地面积扩增的前期表现。

表4 1980s至2020年成都城市群其他建设用地面积及扩张强度

3.2.2 城市群中心城市扩张分析

3.2.2.1 核心城市

成都市作为成都城市群的核心城市，其城镇用地面积在城市群中占比最大，在成都城市群城镇扩张整体状态导向中发挥决定性作用。由图1可知，1980～2020年，城镇建成区面积由134.39 km2扩增至831.58 km2，面积增幅超过500%。近10年，成都市城镇建成区扩张强度指数均值为1，表现出强劲的扩张速率。此外，2005年后，成都市建成区面积占成都城市群总面积比重超过60%，是成都城市群快速发展的主力支撑。

图1 1980～2020年成都市城镇建成区面积及扩张强度

成都市其他建设用地面面积扩增同样显著(图2)，由仅有的5.28 km2扩增至393.34 km2。同时，成都市其他建设用地在2005～2010年持续保持较高水平的扩张强度，使得成都市其他建设用地在城市群总体占比由17.47%提升至39.86%，并且在2010～2020年的10年内，其他建设用地面积在城市群同类土地利用中持续保持高占比。

图2 1980～2020年成都市其他建设用地面积及扩张强度

3.2.2.2 其他中心城市

(1)从用地面积方面分析。3个区域性中心城市(绵阳、遂宁、乐山)中，绵阳市作为四川省第二大经济城市，其城镇建成区面积及其他建设用地面积均逐年增加，城镇建成区扩增面积为90.93 km2。其他建设用地面积扩增相对较为明显，由2.28 km2扩增至91.92 km2。遂宁市位于成都城市群东部，其城镇建成区扩增面积为43.7 km2，其他建设用地扩增面积与绵阳市接近。乐山市作为四川省重要工业城市，城镇用地结构与其他地区级城市有明显差异，其他建设用地在城镇用地的比例接近50%。城镇建成区扩增面积为46.58 km2，其他建设用的面积稍有扩增，但城镇用地面积扩张主要体现在城镇建成区的面积增长。

4个地方性中心城市(德阳、资阳、眉山、雅安)中，德阳市城镇建成区扩增面积为46.58 km2，其他建设用地面积由1.94 km2扩增至72.32 km2，占全市城镇用地总面积的56.2%，突显其工业扩张及建筑扩张特点。资阳市城镇建成区扩增面积为24.77 km2，其他建设用地面积扩增高达100.78 km2，明显高于建成区扩增强度，尤其近5年直接扩增56.47 km2。眉山市城镇建成区直接扩增面积为56.75 km2，其他建设用地扩增幅度相较建成区增幅更大。雅安市城镇建成区直接扩增面积为16.26 km2，为城市群各中心城市增幅面积最小的城市，其他建设用地总面积至2020年仍低于20 km2，整体建设程度相比城市群内其他中心城市较低(图3、图4)。

图3 1980～2020年区域性、地方性中心城市城镇建成区用地面积

图4 1980～2020年区域性、地方性中心城市其他建设用地面积

(2)从用地面积扩张强度指数分析。3个区域性中心城市(绵阳、遂宁、乐山)中，绵阳市城镇建成区面积扩张强度在2005～2010年间有小幅提升，其余阶段面积扩张速度较为平稳；其他建设用地2015年后面积扩张强度指数显著增大。遂宁市城镇建成区扩张强度在2000～2010年，由0.06提升至0.2，面积扩张明显，近5年面积扩张强度指数为0.24，达到历史峰值。其他建设用地面积扩张强度指数在2010～2015年间达到峰值，为遂宁市城镇建成区贡献大量扩张储备，直接刺激3遂宁市城镇建成区面积扩增。乐山市城镇建成区面积扩张强度指数在2010～2015年度指数为0.31，达到历史峰值，其他建设用地面积扩张强度指数变化不大。

4个地方性中心城市(德阳、资阳、眉山、雅安)中，德阳市一直保持较高的城镇建成区扩张强度，由于优越的地理区域优势，2015～2020年间城镇建成区用地面积扩张强度指数达到历史扩张峰值；其他建设用地面积扩张强度指数在2010～2015年间为0.82，为随后城镇建成区扩张提供前期储备。资阳市用地面积扩张强度变化不明显，表明城镇建成区发展为缓慢扩增型，但其他建设用地面积扩增强度明显高于建成区扩增强度。眉山市城镇建成区面积扩张强度保持低值水平，2000年后，临近成都南郊区域的其他建设用地新增及扩增明显。雅安市城镇建成区面积扩张强度指数基本保持低值水平，扩张速率较低，说明雅安市城镇建成区扩增幅度低于城市群整体扩增水平，其他建设用地方面，与城市群整体增幅也具有一定差距(图5、图6)。

图5 1980～2020年区域性、地方性中心城市城镇建设区用地面积扩张强度指数

(3)从城市群占比方面分析。3个区域性中心城市(绵阳、遂宁、乐山)中，绵阳市城镇建成区面积除1980和1990年在城市群中占比较高外，基本保持在10%上下，其他建设用地面积占城市群其他建设用地面积比例自2000年后有所提升，近20年基本保持在10%上下。遂宁市城镇建成区在城市群同类地块的面积占比变化不大，2000年后遂宁市其他建设用地面积在城市群中的占比跃升至11.24%，之后保持在10%上下，表明遂宁市在2000年后处于城市群主力建设区域之一。乐山市城镇建成区面积在城市群同类地块的占比基本保持在3%上下，其他建设用地占城市群比例由54.88%下降到5.36%，说明城镇用地扩增由工业用地为主导的传统工业城市正在逐步向人居城市转型。

4个地方性中心城市(德阳、资阳、眉山、雅安)，德阳市城镇建成区面积在城市群城镇建成区总面积占比保持在4%上下；2010～2015年间其他建设用地占比达到9.27%，为德阳市其他建设用地面积在城市群同类地块面积的历史最高的占比。资阳市城镇建成区面积占比逐年下滑，说明资阳市城镇建成区面积扩增速率低于城市群城镇建成区整体增幅水平。眉山市自2000年后其他建设用地面积在城市群同类地块中的占比明显提升，特别是2015～2020年临近成都南郊区域，其他建设用地新增及扩增明显。雅安市城镇建成区面积与其他建设用地面积在城市群城镇建成区总面积的占比逐年降低(图7、图8)。

图7 1980～2020年区域性、地方性中心城市城镇建设区用地面积城市群占比

图8 1980～2020年区域性、地方性中心城市其他建设用地面积城市群占比

1980年至今，成都城市群各中心城市在城镇建成区及其他建设用地面积扩张方面具有一定规律性，成都市作为成都城市群的核心城市，2005年后进入快速发展阶段，其建成区及其他建设用地面积扩张的规模和强度远超城市群整体平均发展水平。在城市群核心城市的发展驱动下，多数中心城市于2005年后开始进入城镇用地扩张加速期，部分传统工业城市(如乐山)的城镇用地扩张正在逐步从工业用地主导向人居城市发展转型。

4 结论

通过利用成都城市群多年光学遥感卫星数据，经遥感信息提取技术和地理信息空间分析技术，计算成都城市群长时间序列城镇扩张面积、城镇扩张强度、城市紧凑度等数据，研究结果表明：

(1)近35年(1980～2020年)以来，成都城市群建成区面积变化显著，核心城市、区域性中心城市、地方性中心城市及一般县市的城镇建成区均明显扩张。

(2)2005年之后，成都城市群在成都市快速发展的驱动下，各中心城市也相应出现城镇用地加速扩张的拐点。

(3)部分传统工业城市(如乐山市)的城镇用地扩张正在逐步从工业用地主导向人居城市发展转型。

(4)城镇用地扩张进程中，城镇其他建设用地面积的扩张及扩张强度变化，与城镇建成区扩张在时间和空间上出现此消彼长，说明城镇其他建设用地是城镇建成区扩张的重要储备来源。