快速城镇化区域城市形态时空演变特征分析——以昆明市呈贡区为例

李强军 LI Qiang-jun；杨宏瑞 YANG Hong-rui；吴晓伟 WU Xiao-wei；袁磊 YUAN Lei

（①云南省地矿测绘院有限公司，昆明 650217；②云南云金地科技有限公司，昆明 650101；③云南师范大学地理学部，昆明 650500）

0 引言

城市空间形态结构是城市功能空间在一定区域内的相互作用和相互关系在区位、分布形式、集聚规模和程度等方面的具体反映[1]。近年来，随着城市的快速发展，城市形态演变特征成为科学衡量和评价城市扩张的重要指标[2]。通过将城市形态演变与城市土地利用变化联系起来，分析城市形态演变的特征，可以为快速城镇化背景下的城市土地利用空间优化和开发边界划定提供参考。

城市空间形态研究最早萌芽于19 世纪初。伴随城市研究的不断深入和各学科之间的交叉，地理学、建筑学和人文学科等学科率先将形态学引入到了城市的研究范畴中，将城市看作是一个有机体来观察和研究，以便探讨城市的发展机制[3]。国外学者对城市空间形态及其结构的研究较早，理论也较完善。由于我国相关研究起步较晚，对城市形态结构的研究主要集中在数学推导和数学模型的运用。例如，运用帕雷托（Pareto）模型揭示城市规模分布的时间演变特征[4]；引入城市建设用地扩展弹性系数对建设用地扩展合理性进行研判[5]；基于分形维数和形状指数的城市空间形态变化研究[6]；引入城市景观指数和核密度估计的城镇建设用地群态化特征及演变模式研究等[7]。现有研究表明，快速城镇化是推动城市及周边土地利用类型转变的主要动力[8]。呈贡新区作为云南省近年来快速城镇化的重点区域，明确其城市形态时空演变特征对该区域的未来发展至关重要。本文基于中国快速城镇化的典型区——昆明市呈贡区为例，利用地统计和GIS 空间分析技术对昆明市呈贡区城市空间形态演变进行分析，探讨城市演化规律和驱动因素，为指导研究区城镇未来空间发展提供科学依据和决策支持，为其他相似区域城镇化形态演化定量分析提供参考和借鉴。

1 研究区概述

呈贡区位于云南省昆明市东南部，地处东经102°45′-102°59′和北纬24°21′-24°45′，该区东南方和东北方都是高山，东部和西部为阳宗海和滇池，地势东部高，西部低，海拔1775-2820m 之间，境内最高为梁王山主峰，海拔2820m。全区面积461km2，下辖龙城、斗南、吴家营、雨花、洛龙、乌龙、马金铺、大渔、洛羊和七甸10 个街道。2003年，云南省启动现代新昆明建设，率先开发呈贡新区，呈贡进入快速城镇化发展阶段。2011 年，昆明市行政中心迁至呈贡新区。目前，昆明市行政中心和大学城均位于该研究区，辖区内共有云南大学、昆明理工大学、云南师范大学、云南民族大学等9 所高校，常住人口约40 万人[9]。2020年，在统筹疫情防控和经济社会发展后，呈贡区经济运行呈逐季改善、逐步恢复常态，全区经济运行自上半年扭负为正后持续稳定恢复。2020 年，全区实现地区生产总值（GDP）508.59 亿元，比上年增长5.1%。2022 年，呈贡区地区生产总值为5910507 万元，同比增长5.9%，总量在昆明14 个县区中居第六位，增速在14 个县区中排名第二位。两年平均增长4.9%。其中，第一产业增加值为67610 万元，同比增长2.3%；第二产业增加值为2422964 万元，同比增长6.7%；第三产业增加值为3419933 万元，同比增长5.5%。然而，随着呈贡新区的快速发展，出现了土地城镇化进程加快、人口城镇化动力不足的问题[10]。

2 数据来源和数据处理

本文所需的指标数据分别来自《呈贡年鉴》和《昆明年鉴》；采用的遥感数据是Landsat 系列卫星获取的2002 年、2007 年、2013 年和2017 年的4 景影像，分辨率为30m，遥感数据具体参数见表1。

表1 采用的遥感数据参数

根据遥感影像不同特征的差异，分析地物的光谱和空间信息。本研究采用监督分类法提取呈贡区各类土地利用信息，首先需要对遥感图像上某些区域中影像地物的类别属性有一定的先验知识，对每一种类别选取一定数量的训练样本，利用计算机进行训练，从而实现对遥感影像的分类[11]。遥感影像中的像素主要划分为6 类，分别为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地。为了确保分类的精度和可靠性，利用Google earth 的同期影像进行精度验证，其中总体精度和Kappa 系数均较高，遥感影像分类效果较好，能够满足本文对呈贡区建设用地城市化形态时空特征的分析要求。

3 研究方法

3.1 建设用地扩张速度分析

为了揭示研究区城镇形态的演变规律，更准确地定量分析呈贡区城镇用地的扩张速度，引入城市扩张年速度指数来表征各阶段建设用地的总体规模和趋势。它是指某空间单元在研究时期内建设用地的年平均扩展面积[12]。计算公式为：

式中，V 表示年度扩张速度，Ua表示研究年跨度第一年的建设用地面积，Ub表示研究年跨度最后一年的建设用地面积；T 是时间跨度，单位是年。

3.2 城市扩张动力分析

引入城市扩展动态指数，即建设用地数量的年变化率，定量分析城市土地利用变化率，明确建设用地的变化情况[13]。公式如下：

式中K 为扩展动态度；Ua是研究年跨度第一年的建设用地面积，Ub是研究年跨度最后一年的建设用地面积；T 是时间跨度，单位是年。

3.3 城市扩展强度分析

城市扩展强度是反映建设用地空间扩展强弱或快慢的指标，其实质是对研究区建设用地的年均扩展程度进行标准化处理，使不同时期建设用地的扩展程度具有可比性。城市扩张强度指数实际上是按单位土地面积划分的建设用地平均扩张率的标准化。公式如下[14]：

式中，UI 为膨胀强度；Ua是研究年跨度第一年的建设用地面积，Ub是研究年跨度最后一年的建设用地面积，U是研究区的总土地面积；T 是时间跨度，单位是年。

3.4 扩展综合指数分析

以上三个指标都只是从一个角度计算城市的扩张。因此，结合上述三个因素，引入了归一化过程，并引入了扩展综合指数。该指数是在分别测度建设用地扩张速度、扩张动力和扩张强度的基础上，参考内梅罗公式将3 项指数进行合成。扩展综合指数不仅考虑了扩展的相对变化率，也考虑了扩展基数的影响，还考虑了扩展的重要性程度。公式如下：

式中SI 为扩展综合指数；Ua是研究年跨度第一年的建设用地面积，Ub是研究年跨度最后一年的建设用地面积，U 是研究区的总土地面积；T 是时间跨度，单位是年。

4 结果和分析

4.1 城市结构演变特征分析

基于上述城镇用地扩张速度、扩张动力、扩展强度、扩展综合指数的计算，结果如表2 所示。

表2 研究区城镇结构演变指数

2002-2007 年，研究区虽然面积增量相对较小、年扩展速度较慢、扩展强度较弱，但仍处于中等偏快的扩张状态。并且，由于2002 年建成区面积较小，扩展动态度和扩展综合指数因此较高，扩展量明显；2007-2013 年，建成区面积增量最大、年扩展速度最快、扩展强度最大，并且扩展动态度和扩展综合指数也较高，由此可见这一阶段为呈贡区城市形态演变最为显著的一个阶段，属于城镇快速扩张阶段；2013-2017 年，这一阶段面积增量相对于2007-2013年阶段有了一定的减缓，但年扩展速度和扩展强度依然较大，也属于中等偏快的扩展阶段。

4.2 城市形态演变空间特征分析

采用GIS 空间分析功能，对研究区2002 年、2007 年、2013 年和2017 年的城镇用地扩张状态进行制图分析，其中，红色代表建设用地动态变化，结果如图1 所示。

图1 呈贡区城市形态演变

从空间分析的结果可知，研究区城镇用地规模不断扩大，呈现出持续扩张的态势。在2002 年至2007 年的基础上，建设用地向外扩张，开始向东延伸一定距离。2013 年，在2007 年的基础上，城镇用地发生了填充式扩张，城镇边界发生了显著变化。呈贡区过去15 年建设用地的主要扩展方向在西北和西南方向。

该扩张趋势是自然环境、政策取向、经济社会等多因素共同作用的结果。就自然因素而言，呈贡区东南部和东北部均为高山，东部与阳宗海相邻。地势东高西低，呈贡区开发中心西北、西南相对平坦；政策方面，呈贡区作为昆明市的行政中心，聚集了一批大学和高科技产业园区，大量公共服务设施的建设，使呈贡新区发生了重大变化；社会因素方面，随着人口的大量迁移和公共交通的快速发展，呈贡区人口集聚也促进了其城市形态结构的改变。

5 结论

在快速城镇化的背景下，城市功能形态空间的出现导致了城市空间结构的演变。本文在城镇用地扩张速度、扩张动力、扩展强度、扩展综合指数和GIS 技术支持下，通过对遥感数据的处理和分析，研究了昆明市呈贡区2002-2017 年城镇空间形态的扩展和演变，探讨了其扩展的驱动因素。运用空间分析技术，对昆明市呈贡区城市空间结构演变进行定量分析，揭示内部功能空间集聚扩散特征和城市形态演变。研究结论如下：近15 年呈贡区城市形态扩张均属于中高速发展阶段，2002-2007 年扩展变化明显，2007-2013年扩展变化最为显著，2013-2017 年扩展速度减缓，但仍然处于中等偏快的扩展状态。此外，呈贡区城市形态演变具有明显的时空特征，建成区多位于呈贡西部。这种扩张态势受2003 年5 月云南省启动“一湖四环”“一湖四片”的建设现代新昆明战略影响显著；其次，地形和其他地理环境等内部适应因素也是研究区城市发展过程中空间演变的重要影响因素。