城市多中心结构下的土地使用多情景发展布局

关键词多中心结构；土地使用；多情景分析；国土空间规划

文章编号 1673-8985（2024）05-0088-06 中图分类号 TU984 文献标志码 A

DOI 10.11982/j.supr.20240513

1 相关研究综述

倡导分散理念的有机疏散理论是大城市为了解决过度拥挤问题所发展出的多中心结构理论的雏形。城市规划领域所倡导的分散理念并非无限制低密度扩张，而是注重分散中的集聚。具体而言，该理念主张在城市发展过程中，从核心地区分散出去的各项功能能够在空间上再次聚集，形成与主中心地区相辅相成的次中心。这种多中心化的模式通过建立密切的社会经济联系和分工，使各级中心地区之间形成有机互动，这一过程被称为多中心化[1]。多中心结构是由城市中的主中心和各个次中心构成的整体[2]。国内相关研究表明，推动城镇空间结构向多中心模式发展是缓解由单中心蔓延带来的交通拥堵和生态恶化等大城市病，推动城市可持续发展的重要策略[3-4]。

多中心空间结构可以从形态、功能等层面进行内涵阐释[5]。现有的多中心结构研究往往集中在形态维度上，功能上的多中心结构根据城市组团间的功能联系程度进行界定，如城市内部动态的交通联系情况。就业次中心是相对于就业主中心的就业活动聚集的空间单元，可以从功能联系的角度进行识别[6]。孙斌栋等[7]基于上海市统计局各街道就业岗位统计数据，从就业中心的角度对多中心结构进行分析，指出多中心是上海未来城市空间发展的必然选择。基于调查的普查数据间隔时间约为5年，难以分析就业次中心在不同年份的变化。基于手机信令数据可以识别人们的日常通勤行为[8]，通过对人们通勤活动的空间分布进行聚类分析，可以更好地分析就业次中心的动态变化。

多中心结构是土地使用演变的重要影响因素[9]。城市经济学的理论研究表明，生产和服务功能集聚形成的中心对居住、就业、土地价格等城市要素的空间分布有着显著影响[10-11]。在多中心结构模式中，城市土地使用突破传统单中心结构的发展趋势，不同功能用地将不再全部集中于传统的单一中心区域，而是在城市内部形成多个分散的功能集聚区，不同集聚区可能形成不同功能的次中心[12]1579。根据竞租理论，邻近就业主中心或者次中心，产品运输和居民通勤成本较低，竞租能力增强，在市场机制的作用下，就业中心较低价值的用地（如工业用地、居住用地）可能会向更高价值的用地（如金融、商业服务用地）转换。

规划政策的引导机制对城市多中心结构具有重要影响。部分城市次中心可以通过规划政策影响其发展，规划政策对就业次中心的形成具有一定引导作用。需要进一步研究城市多中心结构的规划调控对于土地使用的空间影响，以实现通过城市多中心结构引导居住、就业活动，优化土地使用发展布局的目的[12]1583。

在对城市用地模拟的研究中，多考虑地理格局、交通、社会经济及区位等因素对土地使用演变的影响[13-14]。交通方面，城市交通系统的发展会影响空间可达性进而对城市用地演变产生重要影响[15]。社会经济方面，人口密度反映土地使用的开发强度，地均GDP反映地区的经济发展。人口、经济要素持续在城市集聚，为城市带来了与物质文化生活相对应的土地需求，从而带来土地使用的演变[16]。相对于城市主中心和次中心的区位是影响土地使用演变的重要因素。已有研究大多考虑了相对于城市主中心的区位因素，而因为在土地使用演变的模拟中难以分析次中心在不同年份的变化，所以相对于次中心的区位因素对城市土地使用演变的影响考虑较少。在国土空间规划中，城市多中心空间结构作为规划调控的要素会对土地使用产生影响。在城市的实际发展过程中，就业次中心会发生变化，如果将就业次中心的变化作为影响土地使用演变的因素，将有效提高土地使用演变模拟的精度，得到“考虑规划调控的多中心结构”下的未来土地使用分布。近年来，时空大数据为识别就业次中心并分析其不同年份的动态变化提供了新的契机。钮心毅等[17]基于手机信令数据，对城市商业服务、商务办公功能高度集聚的城市公共中心进行识别和分析。

总体来说，已有很多学者研究了多中心结构演变特征及其对用地发展的影响，但对于其与城市土地使用演变模拟预测的协同研究较为缺乏。近年来，有关土地使用演变模拟的研究持续增加，已有研究将交通条件、城市社会经济因素、相对于城市主中心的区位因素纳入模拟模型，探究其对土地使用演变的影响[18]，但少有研究考虑相对于就业次中心的区位因素对土地使用演变的影响。考虑多中心结构的城市用地模拟可以帮助理解城镇空间结构与用地变化之间的关系，本文通过耦合包括主中心和次中心的多中心结构的土地使用模拟，研究相对于就业次中心的区位因素对土地使用演变产生的影响。

2 耦合多中心结构的土地使用模拟框架

2.1 研究案例选择

面对资源紧约束条件下的城市发展模式转变，人口集聚带来的空间承载压力为上海市空间结构优化带来巨大挑战[19]。《上海市城市总体规划（2017—2035年）》（以下简称“上海2035”）提出“完善公共活动中心体系”，以优化城镇空间结构为导向，构建多中心和网络化的空间结构。对于上海这样的超大城市而言，多中心结构是未来城市空间发展演化的方向，城市空间规划应该把多中心体系和次中心的布局作为发展重点。因此，本文选择以上海市作为案例（见图1），研究多中心结构对土地使用演变的影响。因多中心结构对崇明区的影响机制与其他地区差别较大，故本文的研究区域不包括崇明区。

2.2 研究思路

（1）历史年份土地使用演变分析

基于过去两个不同时间点的土地使用数据和影响土地使用变化的驱动因子数据，通过随机抽样的方法获取训练数据对神经网络进行训练。神经网络的输入层接收每个模拟用地单元对应的各个驱动因子的空间变量值，它们决定了该单元的状态转换，即用地类型的转换。神经网络的输出层可以得到不同类型用地的发展概率，即模拟单元转换为各类用地的概率。综合各类用地的发展概率，通过元胞自动机模型迭代得到每个用地单元对各类用地的总体转换概率，再将土地利用类型分配给该单元。然后，结合历史年份实际土地使用规模，对历史年份土地使用演变过程进行模拟，生成历史年份的土地使用分布。再利用随机森林算法挖掘不同类型用地的演变机制与各类空间驱动因子之间的关系，得到不同驱动因子对于各类用地发展的影响。

（2）未来土地使用发展布局推演

基于历史年份用地演变分析结果，可以得到土地利用演变的发展趋势和空间驱动因子对土地利用演变的影响，用于未来土地使用模拟模型。在预测过程中使用识别的就业次中心分布数据替换历史年份就业次中心分布驱动因子，其余空间驱动因子保持一致，得到在更新的就业次中心影响下的各类用地发展概率（见图2）。设定规划年份用地模拟面积与土地使用演变约束条件，基于现状用地数据与历史年份土地使用演变分析得到的土地使用演变趋势，可以推演生成未来目标年份的土地使用分布情况。

2.3 数据选择与处理

本文采用上海市两个不同年份的用地数据进行分析，用地类型主要包括：居住用地、公共管理与服务用地、工业用地、商业用地、非建设用地。

本文主要使用区位、交通、社会经济3种空间驱动因子模拟土地使用变化（见表1）。上海市市域内坡度、高程等自然地理因素差异较小，在本文中不予考虑。

在多中心结构影响下，城市内以等级规模为标准的垂直联系逐渐减弱，水平联系逐渐增强，分工逐渐细化形成不同就业次中心[20]，对土地使用演变有重要影响。本文重点研究多中心结构对于土地使用演变的影响，因此，选取“到城市主中心和就业次中心”的距离作为影响土地使用演变的区位因素。

使用手机信令数据可以识别居民的就业地和就业密集区[21]。对于就业中心空间驱动因子，本文通过2011年上海移动用户手机信令数据对就业密度进行计算（见图3），并使用非参数分析法基于就业密度识别就业中心。就业主中心位于人民广场地区，通过手机信令数据计算就业密度得到的就业次中心为陆家嘴、漕河泾、徐家汇、虹桥涉外贸易区等。

同样，通过手机信令数据提取的就业密度识别出2017年（“上海2035”起始年）的就业次中心，并与前文识别出的2011年就业次中心进行比较（见图4），2011—2017年，新增就业次中心主要分布于主城区内，其中浦东新区新增就业次中心较多，总体来说就业次中心分布仍集中在主城区内。

3 多中心结构对上海市土地使用演变的影响

3.1 空间驱动因子对土地使用演变的影响

首先，基于上海市不同年份土地使用数据（见图5）和空间驱动因子数据，通过随机抽样方法训练神经网络得到不同类型用地的发展概率。使用元胞自动机模型综合不同类型用地的发展概率，以2009年的土地使用数据为初始数据，根据2014年土地使用数据设定各类用地的目标面积，对2009—2014年的土地使用演变过程进行模拟，生成2014年土地使用的模拟结果，与实际土地使用情况进行对比，验证模型模拟的精度。

其次，提取两期用地中各类用地变化的部分，使用随机森林算法分析各驱动因子对各类用地变化的影响权重（见表2）。

影响居住用地及商业用地演变的空间驱动因子权重排名相似，权重较高的为到地铁站的距离、到就业次中心的距离。到城市主中心的距离、到就业次中心的距离是影响工业用地演变的主要因素。对于居住、商业、工业3类用地的演变，到就业次中心的距离这一驱动因子权重均较高。影响公共管理与服务用地演变的空间驱动因子与其他3类用地差异较大，人口密度、到城市道路的距离权重较高。对于居住、商业、工业3类用地演变的影响，到城市主中心的距离的权重均低于到就业次中心的距离。

轨道交通促进了其周边土地的高强度开发，到地铁站的距离对商业用地、居住用地演变影响较大。到就业次中心的距离对居住、商业、工业土地使用演变影响较大，可能与距离就业次中心较近的区域通常趋向于与功能升级有关。公共管理与服务用地的演变主要受人口密度、城市道路的影响，因为规划的公共管理与服务设施紧邻服务的居住人口，同时倾向于分布在交通便利的位置。公共管理与服务用地的演变受到就业次中心距离的影响较小，可能跟公共管理与服务用地的分布在一定程度上主要受政府政策影响有关。

3.2 考虑多中心结构的土地使用演变模拟

基于神经网络对历史年份的土地使用演变进行训练时，将历史年份到就业次中心的距离作为空间驱动因子加入训练模型，训练完成后结合元胞自动机模型进行土地使用模拟，以比较考虑多中心结构情景下的土地使用模拟的精度。将到就业次中心的距离作为空间驱动因子之一，对2014年的城镇建设用地分布进行模拟，通过将模拟结果与实际土地使用数据进行对比，验证模拟精度为0.89，得出到就业次中心的距离是影响土地使用演变的重要因素。因此，在对土地使用进行规划布局时不仅应考虑城市主中心的影响，也应考虑实际已经形成的就业次中心的影响。

4 多中心结构影响下的上海市土地使用多情景模拟

4.1 土地使用多情景模拟

通过对未来土地使用多情景的模拟推演，能够对比分析不同多中心结构发展情景下的土地使用布局情况（见图6），从而在规划实施前对其进行预评估。这种预评估的目的是为了评价规划方案可能带来的效果，预测可能发生的城市问题，并寻找更佳的规划策略，提升空间利用效率。有效的预评估可以大幅降低规划实施后不必要的调整，重点考虑规划方案的空间利用效率和空间政策的适应性。通过模拟不同的规划目标和结构策略，未来土地使用的多情景模拟可以生成多种规划方案，规划师可以综合这些模拟结果和各个方案的特点，确定最佳的规划路径，为国土空间规划提供参考。

本文在考虑就业次中心变化的基础上，设置了不同多中心结构的模拟情景，并得出不同情景下的土地利用布局结果。根据前文提出的土地使用演变目标，设定两种城市多中心结构发展情景。情景一：基准发展（历史年份的就业次中心），假定现有发展趋势不变。情景二：城市主中心—发展更新的就业次中心的多中心结构，在考虑城市主中心的基础上，加入识别出的就业次中心后进行模拟。

根据国土空间规划对用地总量的约束与控制确定未来用地模拟目标面积。“上海2035”要求生态用地占市域陆域面积比例不低于60%。为提高居民生活质量，增加绿地、公共服务设施等用地的比例，推进存量用地的二次开发和低效工业用地的减量。规划强调增加公共服务设施，增加城镇居住用地。在工业用地方面，规划要求为必要的先进制造业、战略性新兴产业和都市型工业提供发展空间，积极鼓励开发边界内存量工业用地“二次开发”与开发边界外低效工业用地减量。综合设定用地模拟目标面积为：居住用地637.71 km²，公共服务设施用地372.00 km²，工业用地318.86 km²，商业用地243.81 km²，非建设用地2 922.86 km²。

国土空间规划的核心价值观是以生态文明建设优先[22]。国土空间规划要求落实生态环境保护理念，在对农业空间及生态空间充分保护的前提下科学地进行用地布局规划。“上海2035”将生态空间分为4类进行差异化管控：一类、二类生态空间为“禁止建设区”，预测中对这类区域的建设用地扩展进行约束，“禁止建设区”内无新增建设用地。三类、四类生态空间（包括永久基本农田）为“限制建设区”，在管控过程中禁止对生态功能产生影响的开发建设，预测中根据规划要求对四类生态空间的建设用地开发进行限制。

4.2 土地使用多情景模拟结果分析

比较两种不同多中心结构发展情景下的模拟结果（见图7）。情景一中，建设用地分布均质零散、缺乏规律，与之相比，情景二中建设用地集中成片，飞地明显减少。将情景二的模拟结果与对应的城市主中心—发展更新的就业次中心的多中心结构进行比较，发现二者在空间分布上有明显的联系，就业次中心周边形成了一定规模的商业用地组团，可见多中心空间结构对未来土地使用模拟影响显著。

以商业用地为例，对2014年现状和2035年的两种情景下未来用地模拟结果中的用地分布进行计算和分析。主城区及5个新城商业用地占比如表3所示。比较主城区商业用地占比情况，情景二中商业用地占比增高，在多中心结构的影响下，商业用地倾向于向主城区集聚。比较5个新城商业用地占比情况，情景一中各新城商业用地占比较高，情景二考虑了就业次中心的多中心结构，商业用地占比较低。其中，南汇新城在情景二中商业用地占比特别低，这可能与该发展情景对应的就业次中心距离南汇新城较远有关。

5 结语

本文以上海市为研究对象，探索了多中心结构对土地使用演变的影响，并融入城市多中心结构因素对未来土地使用发展布局进行多情景模拟。通过手机位置数据弥补普查数据在时间方面的局限性，识别出不同年份的就业次中心。在土地使用模拟中通过将手机位置数据识别出的就业次中心分布替换历史年份的就业次中心，从而进一步分析相对于就业次中心的区位因素对土地使用演变的影响。结果发现，除了交通、社会经济因素、相对于城市主中心的区位因素外，相对于就业次中心的区位也是影响土地使用演变的重要因素，需要在土地使用演变模拟中进行考虑。土地使用模拟结果与多中心结构分布特征具有明显联系，就业次中心周围形成了商业用地的集聚。

应用元胞自动机模型对不同多中心结构影响下的土地使用进行模拟，可以得到城市在不同发展情景下的土地使用演变结果，经分析比较可以辅助土地使用布局规划。在国土空间规划中，可以考虑通过调控就业次中心的布局优化土地使用发展布局。本文重点探究多中心结构如何影响土地使用演变，研究思路可以外延到路网结构、公共交通分布等其他因素对土地使用演变的影响，以探究不同情景下的土地使用发展布局。