海南省中心城市扩展特征及其驱动力研究

海南省中心城市扩展特征及其驱动力研究

摘要：本文借助城市空间特征测度方法、地理探测器，对比研究海南省中心城市空间扩展格局，揭示驱动机制。结果表明：（1）近35年来，海南省中心城市空间扩展缓慢，海口和三亚城市扩展速度分别为5.36%/a和7.77%/a，城市空间紧凑度略有下降；（2）海口和三亚城市扩展都呈现沿海岸线、交通线扩展的趋势，海口市主要集中在北部，三亚市主要集中在中部和南部，且都收到自然保护区等政策的限制，一些区域扩展呈现断层情况。（3）人口、交通条件、GDP是促进城市扩展的三大动力，且三亚的地理探测值q均高于海口。（4）海南省中心城市空间扩展过程存在相似点，但GDP、人口、交通对三亚城市扩展影响普遍高于海口，这与海口和三亚市的旅游资源、经济结构、人口流动和政策定位差异有关，城市扩展的主要驱动因素是经济社会因子，南北两级的中心城市间的相互作用不强。建议未来在坚持可持续发展的原则上优化城市空间布局，改进无序扩展的现状，加强岛内轨道交通流建设，转变流动人口为常住人口。关键词：空间扩展；驱动机制；地理探测器；海南省中心城市1.绪论1.1研究背景及意义 全球城市化是普遍存在的，不同地区的城市化发展呈现各具特色的趋势。根据《2022年世界城市报告：展望城市未来》，预计到2050年，全球城镇人口比例将从2021年的56%上升至68%。然而，城镇化进程中也面临一系列问题,如污染、生态损害、交通拥堵、高昂的房价和租金、恶劣的居住条件、失业率上升以及社会治安问题等。城市化是一个复杂的过程，既带来了发展和机遇，也带来了挑战和问题。因此，我们需要通过科学合理的规划和管理，以及有效的政策干预，来推动可持续的城市化进程。中心城市的空间扩展特征及其驱动力分析是城市地理学、城市规划和土地管理等领域的重要研究内容。主要用于分析城市发展的空间过程，揭示城市空间扩展的规律和特征，以及影响这一过程的各种社会经济因素[1]。城市空间扩展时空特征的研究作为当前城市研究的热点，对于防治城市蔓延[2]、促进城市精明增长[3]、理解城市发展模式、优化资源配置和指导城市规划方面都至关重要。城市扩展驱动力则对于理解和预测城市发展具有重要的意义[4]。城市扩展驱动力的研究可以揭示城市建设用地扩展与影响因子之间的关系[5]，帮助我们准确判断城市发展规律，剖析演化过程和预测城市未来扩展趋势[6]。已有研究表明，经济发展、人口增长、产业结构、资源供应以及公共财政支出等社会经济因素对城市空间扩张具有显著影响[1]。海南省的城市扩展特征和驱动力对海南的发展具有重要意义。海南省城市发展的特点和动因对其进步具有关键影响。海南省地处我国通向南海的战略位置，成为利用南海资源的重要基地。其地理位置靠近连接东亚和东南亚的国际航道，通过南海连接至印度洋，进而通向非洲和欧洲，为海南提供了独特的经济地理优势。这种位置使得海南不仅有着经济腹地的支撑，还能享受到经济发达地区的辐射效应，有利于促进内外经济交流与合作。依据政府的发展规划，预计海南在未来五年将快速进步。海南目前采取行政区域整合策略，计划建立东、西、南、北、中五大行政区，形成“南北两极带动、东西两翼加快发展，中部山区生态保育”的全省空间布局，这将为海南省的经济和社会发展注入新的动力。海口和三亚是海南省的两个重要中心城市，它们的发展对于整个海南省乃至中国的经济发展都具有重要影响[7-9]。目前，针对海南省城市发展及扩张动力的研究目前相对不足。而且，作为城市群发展的关键，中心城市在推动城市群发展中起到了领航作用。尤其是在那些有两个或多个中心城市的城市群中，这些中心城市间的互动对城市的空间扩张产生了明显的影响。所以研究以海口和三亚为中心的城市扩展特征及其城市扩展驱动力具有重要的意义。1.2研究现状目前，国内外学者对城市空间扩展格局和特征研究主要集中在空间形态、空间结构和格局等方面[10]。研究采用形态紧凑度指数、全局和局部空间自相关、凸壳方法、景观扩张指数、景观格局指数，结合方位比较法、网格单元分析法等，对城镇空间集聚扩散程度、空间扩展模式等进行分析[11]。如车前进等人（2011）研究了城镇空间扩展的全局及局部关联性，以识别区域间的空间关系模式。褚帅与团队（2023）通过分析城市扩张的扩展速率和动态性来量化城市扩展的数值特性，并通过考察城市外观的紧凑性和分形维数来探讨空间形态的特点，同时利用重心分析和扇形法来研究城市扩展的方向性。王小波等人（2023）应用城市空间特征测量方法、地理探测器和FLUS模型来分析成渝城市群的扩展驱动因素，并预测未来城市扩展的趋势。荀斌及其团队（2014）通过分析六期Landsat遥感图像，使用城市扩展模式识别和景观格局指标来量化深圳不同增长模式下的城市用地时空变化。黄琼仪等人（2021）则采用多源夜间灯光数据来监控城市扩展情况。对于驱动力分析的主要方法有主成分分析法、灰色关联度分析以及地理探测器。主成分分析是将多个性状指标经正交变换转化为少数几个综合指标的一种统计分析方法，灰色关联分析方法则是关于因素之间的发展趋势的一种方法，这些因素可以是相似，也可以是有一定差异的，找到这些因素之间的关系，作为衡量多因素间关联程度的一种方法，非常适合多元素之间动态分析[12]。主成分分析法与灰色关联度分析首先的不同便是指标的数量，前者需要大量的指标去支撑[13]。地理探测器作为一种新的统计学方法，可以探测空间分异性，以及揭示其背后驱动因子[14]。地理探测器涵盖了分异与因素分析、交互影响分析、风险区域分析以及生态分析等功能。例如，陶帅及其团队（2020年）以宜宾市为案例，运用地理探测器模型研究了影响长江上游NDVI空间分布的关键因素。现有的城市扩展研究主要是基于城市地表的土地利用或者土地覆盖类型变化为基础来研究城市扩展，且研究的数据来源较为单一，多为基于Landsat影像、高分数据[14]和夜间灯光研究。由于城市生态系统的复杂性,城市扩展的理论和方法研究大多还停留在假设阶段[15]，且现有的指标和模型多从单一的“时间”或“空间”维度表征城市扩张时序演化规律或空间格局。新数据、新理论及新方法应用有望促进城市扩张度量“时空统计模型”研究[7]。2.研究区概况与数据来源2.1研究区概况海南省位于中国南端，是中国最大的岛屿省份，同时也是中国热带岛屿之一，位于中国南海之中。毗邻广东省，南与台湾隔海相望，西与越南隔海相对。由于其独特的地理位置，海南省被誉为中国的“翡翠之岛”。中心城市，通常指一个国家或地区内具有重要政治、经济、文化以及交通枢纽功能的城市，它对周边地区有着显著的辐射和带动作用。海南省下辖4个地级市、15个省直辖县级行政单位。海口市和三亚市作为海南省的两个地级市，位于海南省的一南一北，在海南省的“十四五”规划中，海口市和三亚市被确定为构建二主二辅发展格局的两个省域中心城市。海口市是海南省省会，地处海南岛北部，土地面积约2284.49km2,是全省政治、经济、科技、文化中心，交通邮电枢纽交会处[16]。三亚市地处海南岛最南端，陆地总面积1919.58km2,海域总面积6000km2[16]不仅是海南省重要的经济和文化中心，还是国际知名的旅游度假目的地。本文旨在研究海南省中心城市扩展特征，故研究区域为海口市城区和三亚市城区。图SEQ图\*ARABIC1海南省及中心城市空间位置示意图2.2数据来源与处理研究所需要的数据可以分为三个部分，一是1985年、1995年、2005年、2015、2020年土地利用数据，用于提取城市空间范围，数据来自中国科学院空天信息创新研究院，该数据为LandsatTM/ETM遥感影像解译得来；二是区域社会经济统计数据，包括GDP、年末常住人口等，分别来自相应年份的《海南省统计年鉴》；三是自然资源与环境数据，包括DEM、距河流距离、距铁路距离、距公路距离等，借助GIS支持下计算得来，数据来源于开源地图和地理空间数据云。3.研究方法3.1城市空间特征测度方法3.1.1扩展速度与扩展强度扩展速度指数S和扩展强度指数I主要描述了城市空间扩展的规模。扩展速度反映了城市空间扩展的快慢，表示在某一时间段内城市扩展的绝对面积；而扩展强度则对扩展速度进行了标准化处理，以确保在不同时间段具有可比性。具体公式如下：S（1）I=（2）式中，∆𝑇𝑖为指定时间段内城市面积变化数量，∆𝑡为研究时间间隔，𝑇𝑝为时段初城市面积，𝐴为城市面积。3.1.2紧凑度紧凑度指数B是表征城市用地聚集程度的重要指标，主要取决于城市用地图斑的几何形态。公式如下：B（3）式中，B代表紧凑度指数，A代表城市建设用地面积，P代表建设用地轮廓周长。B的值一般位于0~1之间，越接近1，则越接近圆形，形状越紧凑；越接近0，则紧凑度越低。紧凑的城市通常指的是建筑物和人口密度高、用地利用效率高的城市。较高的紧凑度可能意味着更高的便利性和效率，但也可能带来拥挤和资源紧缺等问题。3.1.3分形维数分形维数指数D用于反映城市区域形态的复杂程度与边界的曲折程度。公式如下：D（4）式中，A为城市面积，P为城市边界周长。分形维数值位于1～2之间,当D=1.5时,表示城市处于随机分布状态;当D<1.5时,表示城市的形态趋于稳定;当D>1.5时,表示城市的形态趋于复杂,值越大稳定性就越差,城市形态以外部扩张为主[17]。较高分形维数可能反映了城市土地利用效率较低，资源利用不均衡。也可能意味着城市发展受到了空间资源的限制或者发展政策的约束，需要进一步调整城市发展战略，寻求更加可持续的发展路径。3.2地理探测器地理探测器是探测空间分异性以及揭示其背后驱动力的空间分析方法，被广泛用于进行驱动力分析和因子分析[18]。本文使用地理探测器旨在研究影响城市扩展的驱动因子大小。模型如下：q（5）式中，q为驱动因子探测力指标，q值介于0～1之间，该值越大则该因子对城市空间扩展的影响越大。𝐿为变量数量，Nh为次一级区域的样本单元数量，𝑛为区域样本单元数，𝜎2为区域变量方差，σℎ4.结果与分析4.1中心城市空间扩展特征4.1.1城市扩展空间演变格局分析总体来看，海口近35年城市扩展主要集中在海口北部（图2）。城市扩展空间格局上，近35年来，呈现以龙华区北部和秀英区北部为中心，向周围扩展的趋势，其中秀英区北部主要呈现向南部扩展，向南部扩展的一个重要因素是海口美兰机场的建设完成，同时城市扩展呈现边缘式增长强度明显高于跳跃式扩展；而以龙华区北部为中心的扩展，空间扩展以边缘式扩张为主；海口城市整体上也有向北部沿海地区扩展，这与海口沿海填海造陆、建设新港口以及环岛高铁的建设有着密切关系，例如2005年，海南省开始推进海口秀英港、新港和马村港“三港合一”，进一步扩建港口，推动港口发展。海口市南部建设用地面积较少，呈现出明显分散斑块。海口作为海南省的省会城市，其发展格局受到多种因素的影响，城市建设集中在海口北部的主要原因包括地理位置、经济战略、生态环境保护。在地理位置上，海口北部靠近海口美兰国际机场，紧邻琼州海峡，海口港也是重要的交通枢纽，对于连接海南岛与广东省等地区的交通运输具有战略意义；在经济战略上，海口市政府在北部地区设立了多个经济开发区和高新技术产业区，刺激了北部地区的经济活动和城市建设；在生态环境保护上，海口市政府对于南部的一些区域，如滨海区域和生态脆弱区，实行了更为严格的建设和开发限制。这促使开发重心向对生态影响相对较小的北部倾斜。图SEQ图\*ARABIC2海口市城市扩展分析图三亚市近35年城市建设集中在中部和南部，建设用地扩展呈现沿海岸线聚集的分布情况（图3）。城市扩展空间格局上，吉阳区和天涯区呈现从1985年建成区向北、西北、东北、东、南几个方向扩展，其中城市向南方向扩展较弱，南方陆地面积有限，且有大量自然保护区，例如红树林保护区、珊瑚礁保护区等；崖州区从1985年建成区主要向南方向扩展，扩展呈现跳跃式扩展趋势；海棠区建成区扩展以跳跃式扩展为主。三亚南部城市1985-2020年扩展区呈现交通线密集的情况，交通线连接了沿海岸线的众多风景区，扩展区东西侧由于各种自然景区和公园的存在，未进行城市开发和建设，例如扩展区东侧亚龙湾天堂热带森林公园、三亚凤凰岭海誓山盟景区等，扩展区西侧的天行森林公园、南山大小洞天旅游区等。三亚市城市建设集中在中部和南部不仅是利用其地理和旅游资源的优势，同时也是遵循生态环境保护和可持续发展的原则所做出的战略选择。在旅游资源方面，三亚市中部和南部拥有长达数十公里的海岸线，包括亚龙湾、大东海、三亚湾等著名海滨旅游区。这些区域位于热带，全年气候温暖，适合旅游度假，是开展海滨旅游活动的理想地点。在经济发展战略和生态环境保护方面，三亚市政府高度重视旅游产业的发展，将中部和南部海滨区域作为重点开发区域，通过建设高档酒店、度假村、娱乐设施和海滨公园等，大力发展海滨旅游经济，同时中部和南部区域拥有众多的自然保护区和国家森林公园，如南山文化旅游区、天涯海角旅游区等。在发展旅游的同时，保护和恢复自然生态环境，实现可持续发展。图SEQ图\*ARABIC3三亚市城市扩展分析图4.1.2城市扩展速度和扩展强度分析1985─2020年期间，海口市的城市面积增加了144.54km²，相当于1980年的2.88倍，表现为5.36%/a的扩展速度和1.86%的扩展强度，呈现出城市空间扩展的平缓状态。同时，三亚市的城市面积在相同期间增加了102.09km²，相当于1980年的3.722倍，表现为7.77%/a的扩展速度和2.09%的扩展强度。为进一步研究城市空间扩展的演变特征，制作各阶段的扩展强度折线图进行分析（图4）。总体上，三亚在各个时期的扩展强度比海口市大，海口城市扩展强度整体都呈现先平缓后下降的趋势，1985-2015年，海口市整体扩张强度维持在2.70%附近,2015—2020年明显下降，扩张强度为1.92%；三亚城市扩展强度呈现先上升后下降的趋势，在1995-2005年扩展强度最大,达到3.78%,随后逐步减小强度,2015—2020年减小到2.06%。图SEQ图\*ARABIC4中心城市扩展强度分析图4.1.3城市紧凑度与分形维数分析海口市和三亚市紧凑度及分形维数指标在各时间段数值变化较为平缓，且海口紧凑度及分形维数在各个阶段普遍略低于三亚（图4）。1985-2020年，海口市紧凑度从0.0117下降到0.0100，三亚则从0.010下降到0.0112。两座城市在近35年的空间扩展过程中城市形态呈现轻微松散趋势。从分形维数来看，海口的分形维数呈现先下降后上升的趋势，三亚的分形维数呈现先下降-上升-下降的趋势，但是从1985-2020年整体上都趋于下降趋势。改革开放初期，海口和三亚的分形维数分别为1.476和1.475，而在2020年，海口和三亚分形维数分别下降到了1.467和1.466，均小于1.5的临界值。可见海口和三亚近35年城市空间形态总体趋于稳定特征，城市边界的曲折程度略有下降。图SEQ图\*ARABIC5中心城市紧凑度和分形维数分析图4.2中心城市扩展驱动机制4.2.1城市空间扩展影响因素的选取城市景观格局演变具有极其复杂的驱动机制,自然因素和人为因素均可对其产生影响,但人为活动无疑占据更为重要的地位[19]。其中，自然因素决定了城市扩展的可能性和限制条件，本文用距河流距离和坡度两项指标表征影响城市空间扩展的自然因素。人为因素中主要从经济和交通两方面来探测，其中，经济因素是推动城市扩展的主要动力之一，对城市的空间结构、规模和形态产生深远影响。本文取GDP指标表征城市空间扩展的经济因素。社会因素中，常住人口、交通建设是城市扩展的重要引力。自古代的官道驿站到近现代的公路、铁路经过的区域，都会对城市发展产生巨大影响，甚至形成新的城市[20]。选择年末常住人口、距公路距离、距铁路距离表征城市空间扩展的社会因素。利用地理探测器探测城市空间扩展变化的主要影响因子（表1）。表SEQ表\*ARABIC1城市空间扩展驱动因子探测结果指标层因子层海口（q）三亚（q）自然因素坡度0.0025509590.100609509***距河流距离0.0139340760.011748058**经济因素GDP0.318653876***0.554482507***社会因素年末常住人口0.204292122***0.39043566***距公路距离0.0056784560.016639882***距铁路距离0.183830021***0.33481941***注：***、**分别表示结果在1%、5%水平上具有统计意义。4.2.2基于探测因子的驱动机制分析如表1所示，对海口和三亚城市扩展强度影响最大的三个因子具有一致性，都属于经济社会因子类型，分别为GDP、年末常住人口和距铁路距离，三个因子对三亚城市扩展的影响都比海口大。其中最显著的是GDP，海口和三亚GDP的探测值分别为0.32和0.55，GDP作为衡量经济总量的指标，直接反映了城市的经济实力和发展水平。高GDP意味着城市拥有更多的财政收入、投资资源和市场需求，能够支持城市基础设施建设、公共服务供给和产业发展，从而推动城市扩展和发展。其次是年末常住人口，海口和三亚的探测值分别为0.20和0.39，海口市和三亚市作为海南省的知名旅游城市，吸引了大量人口的流入和集聚。人口流动和集聚带来了更多的劳动力、技能和创新资源，促进了城市产业结构的优化和城市功能的提升，推动了城市扩展。而铁路建设也是海口和三亚城市扩展的一个动力，例如海南环岛高铁的建设，加强了海口和三亚与周边城市之间的联系，形成更加紧密的区域经济圈，形成环岛旅行线，带动海南旅游业发展，推动城市扩展和新城建设。公路对海口和三亚的城市扩展驱动力都较小，检测值q均小于0.02，这是因为除了公路，海口和三亚还拥有发达的水路和航空交通。海口拥有繁忙的港口和航运网络，而三亚则拥有国际知名的机场和航线。这些水路和航空交通方式的发展也降低了对公路交通的依赖程度，减轻了公路对城市扩展的影响。自然因素中距河流距离和坡度对海口和三亚城市扩展影响不大。海口和三亚地区地形相对平坦，尤其是沿海地区，大部分地区坡度较小。相对平坦的地形有利于城市规划和建设，降低了城市扩展受地形限制的程度。河流在城市扩展中可以起到一定的作用，但海口和三亚地处海南岛的东南部，河流数量相对较少且规模较小，海口市的主要河流是海河，而三亚市则没有大型主要河流，只有一些小型的溪流和小河流，相对较小的河流规模限制了其对城市扩展的影响。5.结论与讨论5.1结论以海南省中心城市为研究区域，运用城市空间特征测度方法、地理探测器，对比分析其近35年城市空间扩展格局，探测其驱动机制。主要结论如下：近35年来，海南省中心城市空间扩展较为缓慢，扩展强度整体呈现下降趋势。中心城市的紧凑度和分形维数则趋于平缓，紧凑度和分形维数从1985-2020年都略有下降，变化不明显。海口和三亚城市扩展都呈现沿海岸线、交通线扩展的趋势，且都收到自然保护区等政策的限制，一些区域扩展呈现断层情况。GDP、人口、交通是海口三亚城市扩展的主要驱动力。三个因子之间也相互作用，高GDP不仅能够吸引人才和资金流入，而且促进基础设施建设，如铁路、公路；人口密集提高了对城市交通线的要求，也带动了当地经济发展；交通线的完善更是带动了海口和三亚旅游业的发展。GDP、人口、交通对三亚城市扩展影响普遍高于海口，这与三亚的旅游资源更丰富、经济结构更依赖旅游业、人口高流动性以及在海南国际旅游岛建设中的核心地位都有密切关系。5.2讨论（1）鉴于城市空间扩展较为缓慢，建议对现有城市空间进行优化，提高城市土地使用效率。通过增加公共绿地和开放空间，推广混合用地，以及优化城市设计，可以提高城市的居住质量和吸引力。同时，鉴于海南省城市国际旅游岛、绿色生态示范区的定位，应充分考虑环境保护，尤其是对于沿海岸线和自然保护区附近的开发。通过实施严格的环境评估和保护措施，确保城市发展与自然环境的和谐共生。（2）考虑到海口和三亚旅游业的发展以及铁路对两个城市扩展的影响较大，建议应特别关注旅游交通设施的完善，现有的环岛高铁仅对城市沿岸联系促进较大，应增加城市内部轨道交通，提升城市间和城市内部的交通便捷性。（3）人口对海口和三亚城市扩展也具有一定影响力，但是海口三亚的人口流动性较大，除了关注人口流量，还应提高常住人口数量，通过提升当地教育、医疗和科技水平，吸引更多的人定居和工作。（4）在海口、三亚城市扩展过程中，呈现出无序扩展的现象。政府应加强对城市扩展的规划和管理，通过科学合理的政策引导，激发市场活力，同时确保规划的有效执行，防止无序扩张和城市断层现象的发生。参考文献：[1]王宏亮,高艺宁,吴健生等.高度城市化地区建设用地扩展及其驱动力分析——以深圳市为例[J].北京大学学报(自然科学版),2021,57(04):707-715.DOI:10.13209/j.0479-8023.2021.045.[2]张景奇,孙萍,孙蕊.从“蔓延控制”到“蔓延治理”——美国城市蔓延应对策略转变及内因剖析[J].城市规划,2015,39(03):74-80.[3]王绍博,罗小龙,顾宗倪等.精明增长背景下上海城市空间扩展演变特征与驱动机制[J].经济地理,2019,39(06):58-65.DOI:10.15957/ki.jjdl.2019.06.007.[4]李春林,刘淼,胡远满等.基于增强回归树和Logistic回归的城市扩展驱动力分析[J].生态学报,2014,34(03):727-737.[5]刘炎.中国城市综合扩张及其影响因素分析[D].湖南大学,2023.DOI:10.27135/ki.ghudu.2021.000488.[6]赵可,张安录,徐卫涛.中国城市建设用地扩张驱动力的时空差异分析[J].资源科学,2011,33(05):[7]童陆亿.国