土地利用变化与北京城市扩展空间过程及驱动机制

土地利用变化与北京城市扩展空间过程及驱动机制

随着人口的增加，土地利用的强烈变化及其对环境的影响是研究土地利用变化的焦点。在近20多年中,一些国际交叉学科项目,如土地利用/覆盖变化计划(LandUseandCoverChangeProgram)、全球土地计划(GlobalLandProject)都致力于回答这个问题。这些项目均提出理解和认识土地利用变化的驱动因子是研究的核心问题,也是建立动态变化模型和定量预测的基础。当前,全世界特别是发展中国家正在经历快速的城市化过程,城市化已成为人类活动改造自然环境的主要方式之一。原因在于这种变化在为人类提供更多就业机会和制造更多福利的同时,也改变了自然过程,如径流过程、蒸散发过程和生态过程等,并且产生了如环境污染、交通拥挤、犯罪、居住环境恶化等一系列城市问题,影响区域和全球的可持续发展。因此,研究城市化下的城市扩展过程的驱动机制是土地利用/覆盖变化的驱动机制具有一定的典型性。目前,许多研究者就城市化背景下的土地利用/覆盖变化机理开展研究[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17],研究者明确指出区域土地利用驱动力研究的重要命题在于其尺度的依赖,综观已有研究,大致可将驱动机制分为宏观、中观和微观三个尺度,其结果是多尺度多层次综合作用效果。①宏观区域尺度的体制政策的转变是城市化地区土地利用/覆盖变化的根本原因,如顾朝林分析发现从高度集中的计划经济向社会主义市场经济的转变,企业和个人成为相对独立的利益主体,成为影响城市集聚和扩散的重要力量;史培军等认为政策体制转变下的经济高速增长和快速的城市化过程是北京城乡过渡区土地利用/覆盖变化的主因,Ding认为北京土地利用变化与土地利用政策改革关系密切。②中观尺度的社会经济发展,特别是人口和经济的快速增长,对物质产品、文化生活和环境质量提出了更高的需求,从而影响城市的土地利用/覆盖变化。如谈明洪等对我国城市用地扩张机制的分析,认为经济增长、人口增长等是城市扩展的根本驱动因素;何春阳等发现耕地的损失与居民消费水平密切相关;张有全等通过偏相关分析发现经济的发展是北京城市用地扩展的根本驱动力。③微观尺度的区位因素即用地类型对交通、地形、位置、土壤类型质量等制约着土地利用/覆盖变化的方向。利用多源遥感数据,牟凤云等认为在微观尺度上交通的发展促进了城市用地的扩展,是城市扩展的牵引力,对城市空间扩展具有指向性作用。段增强利用局地因子和邻域因子对北京城市扩展进行了模拟,取得比较好的效果。近20多年来,伴随着人口和经济的高速增长,中国正进行着快速的城市化过程,并且这个过程还表现出加速的趋势,预计城市人口比重将增长到48%—50%(2020年)乃至60%(2030年)。北京作为中国的首都,在过去近30年来,经历了一个经济和人口高速增长的时期,人口从871.5万(1978年)增加到1538万(2005年),GDP从108.4亿(1978年)增加到6886.3亿元(2005年),同时也经历了土地利用政策的不断变化,从而出现大规模的城市扩展过程,是分析驱动机制很好的案例区。因此,认识和了解北京城市扩展不同尺度的驱动机制是非常必要的。但已有研究对于驱动机制的分析往往只刻画一到二个尺度,分析也多为定性解释,定量分析多在统计尺度,而忽略了空间尺度。事实上,变化过程在空间上与驱动因素有一定的联系,并且驱动机制是宏观的政策、中观的经济社会发展、微观的城市形态综合的作用结果。鉴于此,本文提出多尺度驱动机制分析方法,以北京地区为研究案例区,在“3S”技术的支持下,通过对北京地区1991—2004年四期遥感数据的处理和分析,在时间和空间上定性定量地,从驱动力的三个尺度综合分析北京城市扩展的驱动机制。1北京山地带—研究区和数据研究区包括整个北京市18个区(县)级行政单元,总面积为16404.1km2(图1)。地形上西北高东南低,由西北向东南呈现出低山—丘陵—山前洪积—平原区的有序排列;经济上具有从城市核心区、城乡过渡区到远郊区(县)的明显过渡结构,映射出人类活动由强到弱的梯度变化,充分反映了北京地区的土地利用/覆盖变化主要特征。采用的遥感数据主要是季相较为一致,质量较好,无云,编号为123/32的四期LandsatTM/ETM+(1991年5月6日、1997年5月16日、2000年4月30日获取的的TM和2004年4月1获取的ETM+)数据。统计数据主要来自1992—2005年北京市统计年鉴。2多尺度驱动机制的建立厘清土地利用变化与其驱动力之间的关系,是土地利用变化研究的核心,同时也是建立动态变化检测模型和进行定量预测的基础。在1969年,穆迪(Murdie)提出了房地产空间分布模型,认为影响空间分布的因子包括社会空间(SocialSpace)和实体空间(PhysicalSpace),其中社会空间包括种族状况、家族状况和经济状况(图2)。摆万奇研究指出,驱动力的定义是导致土地利用/覆盖的自然和社会经济属性发生变化的主要生物物理因素和社会经济因素。但是两者均忽略了宏观尺度的规划制度对土地利用/覆盖变化的作用。参考模型和已有研究[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17],提出城市扩展多尺度驱动机制综合分析的方法(图3)。城市扩展过程中非城镇单元向城镇单元的转化主要由宏观、中观和微观三个尺度的因素决定。①宏观区域尺度的体制政策。其转变是城市化地区土地利用/覆盖变化的根本原因。城市的总体规划和土地利用规划,土地利用相关政策和法规(如基本农田保护政策、房地产开发法规等),以及土地利用的体制转变,对城市扩展具有强制性、指导性和决定性的作用。②中观尺度的社会经济发展。一方面,随着人口和经济的快速增长,对物质产品和文化生活提出了更高的需求。同时,由于城市扩展带来的负面影响,所以对环境质量也提出了更高的需求,从而从市场经济和生态环境的角度影响对不同类型用地需求的变化。③微观尺度的生物物理和区位因素。由于自然条件(如地质、地貌、气候、水文和土壤等)相对稳定,不易改变,所以对城市扩展有着限制作用。而局地的区位特点,如地形、交通状况和公共设施状况等,则影响城市扩展的难易程度。城市扩展是这三个尺度驱动力的合力的综合作用结果(图3)。但是,现在对三个尺度的驱动机制同时分析研究还不多,采用的方法也多为定性分析和简单的统计分析,因此,本文以北京为例,对上述三个尺度的驱动机制,进行定性定量和时间空间上的综合分析。3北京城市多尺度驱动机制的分析3.1城市化过程分析利用四期遥感数据,采用分类后比较的方法提取北京市土地利用/覆盖信息,并在此基础上利用GIS技术提取北京地区城市扩展的基本信息(表1、图4)。目前,从空间和景观的角度看,城市扩展过程主要理解为农村土地利用单元向城镇土地利用单元的转化,主要包括三种模式:中心大区和外围次级中心的面状城市化模式;中心大区和外围次级中心之间沿线状交通干线的线状城市化过程;以及中心大区与外围次级中心广大地域之间的点状城市化过程。同时,为了有效地利用GIS技术进行城市化过程的空间分析,通过利用城市化比例指数和强度指数对城市化过程进行刻画。某一空间分析区域区内的城市化比例指数F和城市化强度指数M可以表示为:式中:U表示该区域城市化过程中非城市像元转化为城市象元的总数;R表示该区域内城市化前的非城市象元总数,Δt表示间隔时间(年)。3.1.1城市表土面状城化影响显著分别以中心大区10km和远郊区、远郊区10个外围次级中心5km范围进行缓冲区分析,可以发现区域面状城市化过程具有以下基本特征(图5,表2):①面状城市化,尤其是中心大区的面状城化在区域城市化过程中居于优势地位,城市化比例指数在中心大区远高于边缘次级中心,从1km处的99.56%下降到10km处的39.86%。②边缘次级中心对区域城市化过程的影响非常有限。城市化比例指数从1km处的81.85%下降到5km处的23.03%,影响非常有限。③无论中心大区还是次级边缘中心,城市化强度上均出现一个先增大后减小的过程。从表2可见,1997—2000年的城市化强度指数均高于另外两个时段。3.1.2高速公路对城市扩展影响分析分别以铁路、高速公路、一般公路10km范围进行缓冲区分析,发现线状城市化过程特点为(图6):高速公路对城市扩展影响最大,城市化比例指数从1km处的33.95%下降到8km处的13.92%;高速公路的影响呈现二元状况,在距离8km以远城市化比例指数发生了转折,说明高速公路对城市扩展的影响有限。铁路和一般公路影响相对较弱。3.1.3分析了中心区域和周边次要区域之间广大地区的分散城市化过程3.2北京城市多尺度驱动机制的分析3.2.1人民生活水平是城市扩展的驱动因子影响城市扩展的宏观政策主要有决定北京城市形态的历史格局,影响城市定位和城市扩展方式的城市规划,以及有关限制性和保护性法规等。现在的北京城仍然保持有明、清时期传统城市的格局与风貌:中轴线;“凸”字形城廓平面;反映北京城市沿革的河湖水系;棋盘式道路网骨架、街巷胡同布局与四合院建筑。谈明洪等研究表明北京市周围建设用地的放射带与秦朝的驰道吻合,进一步说明城市的扩展与城市历史格局息息相关。数据处理过程中,考虑到各类指标数据时间跨度较长,量纲各异,且数量相对较多,我们对所有原始数据按着以下公式进行标准化:式中:Yt为无量纲数据,Xt为某年度数据,max(Xi)、min(Xi)分别为变量数据的最大值和最小值。对指标进行标准化后,经过相关分析(表5),结果显示所有因子都通过0.05的显著性检验。相关性都大于0.9,人民生活水平类的因子相关系数大多达到0.99的高相关。之后,经过主成分分析得到四类指标的第一主成分,其贡献率分别为99.18%、92.50%、98.12%、98.63%,以此代表各类指标特征。最后,以建设用地面积为因变量(Y),以各主成分为自变量,进行逐步回归分析,可以得到下式:式中:R2=0.997,回归方程并通过0.001的检验,可见人民生活水平的提高是城市扩展的一大驱动因子。而随着人口的增长,居住成本也随之增加,严苛的户籍制度和资源承载力的约束可能限制人口的流动从而限制城市扩展的进程。3.2.3城市扩展概率的logistic回归模型美国克拉克大学SLEUTH模型提出,影响和限制城市扩展的变量主要包括六个部分:坡度(slope)、土地利用(landuse)、土地利用的排它性(exclusion)、城市规模(urbanextent)、交通(transportation)、坡向(hillshade)。这些变量分别决定了土地的生物物理状况,交通、商业中心等的空间影响状况及土地保护等制度状况。城市扩展由于受到空间区位的限制,在空间上每个像元会出现城市扩展或者非城市扩展两种情况,如果用1和0分别代表着两种情况,那城市扩展的机率会服从logistic曲线分布,可以利用logistic方式对其进行回归分析。空间上从非城市像元转化为城市像元的概率可以用logistic模型进行描述:式中:P代表从非城市像元转化为城市像元的概率,Xi表示限制因子,α和β为变量Xi的系数。参考其他研究,选择了高程(X1)、坡度(X2)、坡向(X3)、距市中心的距离(X4)、距高速公路的距离(X5)、距离铁路的距离(X6)、距一般公路的距离(X7)、距河流的距离(X8)8个因子,首先对其标准化(图7),然后与1991—2004年的城市扩展单元(P)进行回归。得出回归方程:Logistic回归系数中让步比(OddsRatio-exp(β))值可以表示当自变量发生一个单位的增长时,其预测值几率的变化,其值大于1时表示变量的值如果增加,事件发生的几率也将增加。表6显示X1—X8的回归系数和exp(β)。可见,结果有两类,一类是让步比大于1,包括坡向(X3)和距河流的距离(X8),但是均没有通过显著性检验。而另一部分让步比小于1。以高程为例,让步比为0.017,表示在高程每增加一个单位,城市化的几率只有原来的0.017倍。可见,限制城市扩展最明显的因子依次是坡度、高程、距离路的距离、距市中心距离、距一般公路的距离和距高速公路的距离;也就是说,所选的微观因素中距高速公路的距离最利于城市扩展的发生。4生态变化的驱动因素区域城市用地的扩展和城市格局的形成是由宏观尺度的规划政策、中观尺度的社会经济驱动和微观尺度的地形、交通限制共同作用的结果。以社会经济快速发展和规划制度不断变化的北京作为典型研究区,综合定性定量的方法从时间和空间上分析北京城市扩展的多尺度驱动机制结果表明:北京市在1991—2004年这13年期间,城镇用地表现出快速增长过程,平均年增长率达到6.38%。在空间上主要表现为三种基本模式:一是中心大区和边缘次级中心区的面状城市化;二是中心大区和边缘次级中心区之间沿交通干线的线状城市化;三是中心大区与边缘次级中心区之间的点状城市化。城市扩展强度有先增强后减弱的趋势。城市规划、产业发展政策等政府行为和过去3000年城市发展形成的旧有城市格局则从根本上决定了现代北京城市发展的基本过程。在改革开放的背景下,随着人口的增加和人民生活水平的提高,北京地区的城市化过程在快速地进行。人民生活水平的提高是城市扩展的一大驱动因子。而随着人口的增长,居住成本随之增加,加上严苛的户籍制度和资源承载力的约束可能限制人口的流动从而限制城市扩展的进程。微观的区位条件中最利于城市扩展的因子是距高速公路的距离,而坡度和高程很大程度限制了城市的扩展。在以上驱动因素综合作用下,北京城市化强度从1991—2004年出现了先增长后减小的发展趋势。F=U·100%/RM=F/Δt对区域城市斑块进行面积分类分析可以看出,区域内斑块出现一个先快速增长(1991—1997年)后减速增长(2000—2004年)的过程。以面积小于8个像元的斑块为例,从1991年的1327个增加到2004年的1604个,年平均增长21个;其中1991—1997年年均增长41个,明显高于1997—2000年6个和2000—2004年年均增长3个(图4、表3)。正式批复的四次城市规划和相关的土地利用政策和户籍制度都给北京城市扩展带来了很大影响(表4)。1953年的第一次规划由于将城市定位为经济中心,大力发展工业,市区工业特别是重工业发展过大过多,造成能源、水源、用地、交通的全面紧张;但是将行政中心仍然放在旧城,保持了老北京城市格局,这为现在北京城市格局奠定了基础。1983年的规划中城市性质不再提经济中心,而是强调发展适合首都特点的经济,在空间上采取“分散集团式”布局的原则,这也是此时卫星镇建设大力发展的原因,与之前研究结果1975—1984年的次级中心面状城市化强度较高的结论相吻合。1993年的第三次规划进一步深化分散布局的改造。同时,对这一时段城市扩展影响最大的是通过了一系列的土地利用政策和法规,比如1990年《中华人民共和国城镇国有土地使用权出让和转让暂行条例》,规范并改革了国有土地市场,大大促进了居住用地的增长,这与1991—1997年城市扩展年变化率最高(6.71%)相吻合(表1),同时,面状和点状扩展模式结果(表2,表3)也验证了在1991—2000年城市扩展出现一个上升的趋势。2002年通过《中华人民共和国农村土地承包法》等,对被城市扩展侵占的耕地资源进行了保护。与此同时,为了避免城市“摊大饼”的外延扩展,通过户籍制度和城市规模限制对人口流动进行控制,这些对城市扩展产生了深远的影响。这与2000年之后,城市扩展年变化率、城市面状、点状扩展强度出现减弱趋势相