土地利用變化與北京城市擴(kuò)展空間過程及驅(qū)動機(jī)制

土地利用變化與北京城市擴(kuò)展空間過程及驅(qū)動機(jī)制

隨著人口的增加，土地利用的強(qiáng)烈變化及其對環(huán)境的影響是研究土地利用變化的焦點(diǎn)。在近20多年中,一些國際交叉學(xué)科項(xiàng)目,如土地利用/覆蓋變化計(jì)劃(LandUseandCoverChangeProgram)、全球土地計(jì)劃(GlobalLandProject)都致力于回答這個(gè)問題。這些項(xiàng)目均提出理解和認(rèn)識土地利用變化的驅(qū)動因子是研究的核心問題,也是建立動態(tài)變化模型和定量預(yù)測的基礎(chǔ)。當(dāng)前,全世界特別是發(fā)展中國家正在經(jīng)歷快速的城市化過程,城市化已成為人類活動改造自然環(huán)境的主要方式之一。原因在于這種變化在為人類提供更多就業(yè)機(jī)會和制造更多福利的同時(shí),也改變了自然過程,如徑流過程、蒸散發(fā)過程和生態(tài)過程等,并且產(chǎn)生了如環(huán)境污染、交通擁擠、犯罪、居住環(huán)境惡化等一系列城市問題,影響區(qū)域和全球的可持續(xù)發(fā)展。因此,研究城市化下的城市擴(kuò)展過程的驅(qū)動機(jī)制是土地利用/覆蓋變化的驅(qū)動機(jī)制具有一定的典型性。目前,許多研究者就城市化背景下的土地利用/覆蓋變化機(jī)理開展研究[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17],研究者明確指出區(qū)域土地利用驅(qū)動力研究的重要命題在于其尺度的依賴,綜觀已有研究,大致可將驅(qū)動機(jī)制分為宏觀、中觀和微觀三個(gè)尺度,其結(jié)果是多尺度多層次綜合作用效果。①宏觀區(qū)域尺度的體制政策的轉(zhuǎn)變是城市化地區(qū)土地利用/覆蓋變化的根本原因,如顧朝林分析發(fā)現(xiàn)從高度集中的計(jì)劃經(jīng)濟(jì)向社會主義市場經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)變,企業(yè)和個(gè)人成為相對獨(dú)立的利益主體,成為影響城市集聚和擴(kuò)散的重要力量;史培軍等認(rèn)為政策體制轉(zhuǎn)變下的經(jīng)濟(jì)高速增長和快速的城市化過程是北京城鄉(xiāng)過渡區(qū)土地利用/覆蓋變化的主因,Ding認(rèn)為北京土地利用變化與土地利用政策改革關(guān)系密切。②中觀尺度的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展,特別是人口和經(jīng)濟(jì)的快速增長,對物質(zhì)產(chǎn)品、文化生活和環(huán)境質(zhì)量提出了更高的需求,從而影響城市的土地利用/覆蓋變化。如談明洪等對我國城市用地?cái)U(kuò)張機(jī)制的分析,認(rèn)為經(jīng)濟(jì)增長、人口增長等是城市擴(kuò)展的根本驅(qū)動因素;何春陽等發(fā)現(xiàn)耕地的損失與居民消費(fèi)水平密切相關(guān);張有全等通過偏相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展是北京城市用地?cái)U(kuò)展的根本驅(qū)動力。③微觀尺度的區(qū)位因素即用地類型對交通、地形、位置、土壤類型質(zhì)量等制約著土地利用/覆蓋變化的方向。利用多源遙感數(shù)據(jù),牟鳳云等認(rèn)為在微觀尺度上交通的發(fā)展促進(jìn)了城市用地的擴(kuò)展,是城市擴(kuò)展的牽引力,對城市空間擴(kuò)展具有指向性作用。段增強(qiáng)利用局地因子和鄰域因子對北京城市擴(kuò)展進(jìn)行了模擬,取得比較好的效果。近20多年來,伴隨著人口和經(jīng)濟(jì)的高速增長,中國正進(jìn)行著快速的城市化過程,并且這個(gè)過程還表現(xiàn)出加速的趨勢,預(yù)計(jì)城市人口比重將增長到48%—50%(2020年)乃至60%(2030年)。北京作為中國的首都,在過去近30年來,經(jīng)歷了一個(gè)經(jīng)濟(jì)和人口高速增長的時(shí)期,人口從871.5萬(1978年)增加到1538萬(2005年),GDP從108.4億(1978年)增加到6886.3億元(2005年),同時(shí)也經(jīng)歷了土地利用政策的不斷變化,從而出現(xiàn)大規(guī)模的城市擴(kuò)展過程,是分析驅(qū)動機(jī)制很好的案例區(qū)。因此,認(rèn)識和了解北京城市擴(kuò)展不同尺度的驅(qū)動機(jī)制是非常必要的。但已有研究對于驅(qū)動機(jī)制的分析往往只刻畫一到二個(gè)尺度,分析也多為定性解釋,定量分析多在統(tǒng)計(jì)尺度,而忽略了空間尺度。事實(shí)上,變化過程在空間上與驅(qū)動因素有一定的聯(lián)系,并且驅(qū)動機(jī)制是宏觀的政策、中觀的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、微觀的城市形態(tài)綜合的作用結(jié)果。鑒于此,本文提出多尺度驅(qū)動機(jī)制分析方法,以北京地區(qū)為研究案例區(qū),在“3S”技術(shù)的支持下,通過對北京地區(qū)1991—2004年四期遙感數(shù)據(jù)的處理和分析,在時(shí)間和空間上定性定量地,從驅(qū)動力的三個(gè)尺度綜合分析北京城市擴(kuò)展的驅(qū)動機(jī)制。1北京山地帶—研究區(qū)和數(shù)據(jù)研究區(qū)包括整個(gè)北京市18個(gè)區(qū)(縣)級行政單元,總面積為16404.1km2(圖1)。地形上西北高東南低,由西北向東南呈現(xiàn)出低山—丘陵—山前洪積—平原區(qū)的有序排列;經(jīng)濟(jì)上具有從城市核心區(qū)、城鄉(xiāng)過渡區(qū)到遠(yuǎn)郊區(qū)(縣)的明顯過渡結(jié)構(gòu),映射出人類活動由強(qiáng)到弱的梯度變化,充分反映了北京地區(qū)的土地利用/覆蓋變化主要特征。采用的遙感數(shù)據(jù)主要是季相較為一致,質(zhì)量較好,無云,編號為123/32的四期LandsatTM/ETM+(1991年5月6日、1997年5月16日、2000年4月30日獲取的的TM和2004年4月1獲取的ETM+)數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要來自1992—2005年北京市統(tǒng)計(jì)年鑒。2多尺度驅(qū)動機(jī)制的建立厘清土地利用變化與其驅(qū)動力之間的關(guān)系,是土地利用變化研究的核心,同時(shí)也是建立動態(tài)變化檢測模型和進(jìn)行定量預(yù)測的基礎(chǔ)。在1969年,穆迪(Murdie)提出了房地產(chǎn)空間分布模型,認(rèn)為影響空間分布的因子包括社會空間(SocialSpace)和實(shí)體空間(PhysicalSpace),其中社會空間包括種族狀況、家族狀況和經(jīng)濟(jì)狀況(圖2)。擺萬奇研究指出,驅(qū)動力的定義是導(dǎo)致土地利用/覆蓋的自然和社會經(jīng)濟(jì)屬性發(fā)生變化的主要生物物理因素和社會經(jīng)濟(jì)因素。但是兩者均忽略了宏觀尺度的規(guī)劃制度對土地利用/覆蓋變化的作用。參考模型和已有研究[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17],提出城市擴(kuò)展多尺度驅(qū)動機(jī)制綜合分析的方法(圖3)。城市擴(kuò)展過程中非城鎮(zhèn)單元向城鎮(zhèn)單元的轉(zhuǎn)化主要由宏觀、中觀和微觀三個(gè)尺度的因素決定。①宏觀區(qū)域尺度的體制政策。其轉(zhuǎn)變是城市化地區(qū)土地利用/覆蓋變化的根本原因。城市的總體規(guī)劃和土地利用規(guī)劃,土地利用相關(guān)政策和法規(guī)(如基本農(nóng)田保護(hù)政策、房地產(chǎn)開發(fā)法規(guī)等),以及土地利用的體制轉(zhuǎn)變,對城市擴(kuò)展具有強(qiáng)制性、指導(dǎo)性和決定性的作用。②中觀尺度的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。一方面,隨著人口和經(jīng)濟(jì)的快速增長,對物質(zhì)產(chǎn)品和文化生活提出了更高的需求。同時(shí),由于城市擴(kuò)展帶來的負(fù)面影響,所以對環(huán)境質(zhì)量也提出了更高的需求,從而從市場經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的角度影響對不同類型用地需求的變化。③微觀尺度的生物物理和區(qū)位因素。由于自然條件(如地質(zhì)、地貌、氣候、水文和土壤等)相對穩(wěn)定,不易改變,所以對城市擴(kuò)展有著限制作用。而局地的區(qū)位特點(diǎn),如地形、交通狀況和公共設(shè)施狀況等,則影響城市擴(kuò)展的難易程度。城市擴(kuò)展是這三個(gè)尺度驅(qū)動力的合力的綜合作用結(jié)果(圖3)。但是,現(xiàn)在對三個(gè)尺度的驅(qū)動機(jī)制同時(shí)分析研究還不多,采用的方法也多為定性分析和簡單的統(tǒng)計(jì)分析,因此,本文以北京為例,對上述三個(gè)尺度的驅(qū)動機(jī)制,進(jìn)行定性定量和時(shí)間空間上的綜合分析。3北京城市多尺度驅(qū)動機(jī)制的分析3.1城市化過程分析利用四期遙感數(shù)據(jù),采用分類后比較的方法提取北京市土地利用/覆蓋信息,并在此基礎(chǔ)上利用GIS技術(shù)提取北京地區(qū)城市擴(kuò)展的基本信息(表1、圖4)。目前,從空間和景觀的角度看,城市擴(kuò)展過程主要理解為農(nóng)村土地利用單元向城鎮(zhèn)土地利用單元的轉(zhuǎn)化,主要包括三種模式:中心大區(qū)和外圍次級中心的面狀城市化模式;中心大區(qū)和外圍次級中心之間沿線狀交通干線的線狀城市化過程;以及中心大區(qū)與外圍次級中心廣大地域之間的點(diǎn)狀城市化過程。同時(shí),為了有效地利用GIS技術(shù)進(jìn)行城市化過程的空間分析,通過利用城市化比例指數(shù)和強(qiáng)度指數(shù)對城市化過程進(jìn)行刻畫。某一空間分析區(qū)域區(qū)內(nèi)的城市化比例指數(shù)F和城市化強(qiáng)度指數(shù)M可以表示為:式中:U表示該區(qū)域城市化過程中非城市像元轉(zhuǎn)化為城市象元的總數(shù);R表示該區(qū)域內(nèi)城市化前的非城市象元總數(shù),Δt表示間隔時(shí)間(年)。3.1.1城市表土面狀城化影響顯著分別以中心大區(qū)10km和遠(yuǎn)郊區(qū)、遠(yuǎn)郊區(qū)10個(gè)外圍次級中心5km范圍進(jìn)行緩沖區(qū)分析,可以發(fā)現(xiàn)區(qū)域面狀城市化過程具有以下基本特征(圖5,表2):①面狀城市化,尤其是中心大區(qū)的面狀城化在區(qū)域城市化過程中居于優(yōu)勢地位,城市化比例指數(shù)在中心大區(qū)遠(yuǎn)高于邊緣次級中心,從1km處的99.56%下降到10km處的39.86%。②邊緣次級中心對區(qū)域城市化過程的影響非常有限。城市化比例指數(shù)從1km處的81.85%下降到5km處的23.03%,影響非常有限。③無論中心大區(qū)還是次級邊緣中心,城市化強(qiáng)度上均出現(xiàn)一個(gè)先增大后減小的過程。從表2可見,1997—2000年的城市化強(qiáng)度指數(shù)均高于另外兩個(gè)時(shí)段。3.1.2高速公路對城市擴(kuò)展影響分析分別以鐵路、高速公路、一般公路10km范圍進(jìn)行緩沖區(qū)分析,發(fā)現(xiàn)線狀城市化過程特點(diǎn)為(圖6):高速公路對城市擴(kuò)展影響最大,城市化比例指數(shù)從1km處的33.95%下降到8km處的13.92%;高速公路的影響呈現(xiàn)二元狀況,在距離8km以遠(yuǎn)城市化比例指數(shù)發(fā)生了轉(zhuǎn)折,說明高速公路對城市擴(kuò)展的影響有限。鐵路和一般公路影響相對較弱。3.1.3分析了中心區(qū)域和周邊次要區(qū)域之間廣大地區(qū)的分散城市化過程3.2北京城市多尺度驅(qū)動機(jī)制的分析3.2.1人民生活水平是城市擴(kuò)展的驅(qū)動因子影響城市擴(kuò)展的宏觀政策主要有決定北京城市形態(tài)的歷史格局,影響城市定位和城市擴(kuò)展方式的城市規(guī)劃,以及有關(guān)限制性和保護(hù)性法規(guī)等。現(xiàn)在的北京城仍然保持有明、清時(shí)期傳統(tǒng)城市的格局與風(fēng)貌:中軸線;“凸”字形城廓平面;反映北京城市沿革的河湖水系;棋盤式道路網(wǎng)骨架、街巷胡同布局與四合院建筑。談明洪等研究表明北京市周圍建設(shè)用地的放射帶與秦朝的馳道吻合,進(jìn)一步說明城市的擴(kuò)展與城市歷史格局息息相關(guān)。數(shù)據(jù)處理過程中,考慮到各類指標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)間跨度較長,量綱各異,且數(shù)量相對較多,我們對所有原始數(shù)據(jù)按著以下公式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化:式中:Yt為無量綱數(shù)據(jù),Xt為某年度數(shù)據(jù),max(Xi)、min(Xi)分別為變量數(shù)據(jù)的最大值和最小值。對指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后,經(jīng)過相關(guān)分析(表5),結(jié)果顯示所有因子都通過0.05的顯著性檢驗(yàn)。相關(guān)性都大于0.9,人民生活水平類的因子相關(guān)系數(shù)大多達(dá)到0.99的高相關(guān)。之后,經(jīng)過主成分分析得到四類指標(biāo)的第一主成分,其貢獻(xiàn)率分別為99.18%、92.50%、98.12%、98.63%,以此代表各類指標(biāo)特征。最后,以建設(shè)用地面積為因變量(Y),以各主成分為自變量,進(jìn)行逐步回歸分析,可以得到下式:式中:R2=0.997,回歸方程并通過0.001的檢驗(yàn),可見人民生活水平的提高是城市擴(kuò)展的一大驅(qū)動因子。而隨著人口的增長,居住成本也隨之增加,嚴(yán)苛的戶籍制度和資源承載力的約束可能限制人口的流動從而限制城市擴(kuò)展的進(jìn)程。3.2.3城市擴(kuò)展概率的logistic回歸模型美國克拉克大學(xué)SLEUTH模型提出,影響和限制城市擴(kuò)展的變量主要包括六個(gè)部分:坡度(slope)、土地利用(landuse)、土地利用的排它性(exclusion)、城市規(guī)模(urbanextent)、交通(transportation)、坡向(hillshade)。這些變量分別決定了土地的生物物理狀況,交通、商業(yè)中心等的空間影響狀況及土地保護(hù)等制度狀況。城市擴(kuò)展由于受到空間區(qū)位的限制,在空間上每個(gè)像元會出現(xiàn)城市擴(kuò)展或者非城市擴(kuò)展兩種情況,如果用1和0分別代表著兩種情況,那城市擴(kuò)展的機(jī)率會服從logistic曲線分布,可以利用logistic方式對其進(jìn)行回歸分析?？臻g上從非城市像元轉(zhuǎn)化為城市像元的概率可以用logistic模型進(jìn)行描述:式中:P代表從非城市像元轉(zhuǎn)化為城市像元的概率,Xi表示限制因子,α和β為變量Xi的系數(shù)。參考其他研究,選擇了高程(X1)、坡度(X2)、坡向(X3)、距市中心的距離(X4)、距高速公路的距離(X5)、距離鐵路的距離(X6)、距一般公路的距離(X7)、距河流的距離(X8)8個(gè)因子,首先對其標(biāo)準(zhǔn)化(圖7),然后與1991—2004年的城市擴(kuò)展單元(P)進(jìn)行回歸。得出回歸方程:Logistic回歸系數(shù)中讓步比(OddsRatio-exp(β))值可以表示當(dāng)自變量發(fā)生一個(gè)單位的增長時(shí),其預(yù)測值幾率的變化,其值大于1時(shí)表示變量的值如果增加,事件發(fā)生的幾率也將增加。表6顯示X1—X8的回歸系數(shù)和exp(β)?？梢?結(jié)果有兩類,一類是讓步比大于1,包括坡向(X3)和距河流的距離(X8),但是均沒有通過顯著性檢驗(yàn)。而另一部分讓步比小于1。以高程為例,讓步比為0.017,表示在高程每增加一個(gè)單位,城市化的幾率只有原來的0.017倍?？梢?限制城市擴(kuò)展最明顯的因子依次是坡度、高程、距離路的距離、距市中心距離、距一般公路的距離和距高速公路的距離;也就是說,所選的微觀因素中距高速公路的距離最利于城市擴(kuò)展的發(fā)生。4生態(tài)變化的驅(qū)動因素區(qū)域城市用地的擴(kuò)展和城市格局的形成是由宏觀尺度的規(guī)劃政策、中觀尺度的社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動和微觀尺度的地形、交通限制共同作用的結(jié)果。以社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和規(guī)劃制度不斷變化的北京作為典型研究區(qū),綜合定性定量的方法從時(shí)間和空間上分析北京城市擴(kuò)展的多尺度驅(qū)動機(jī)制結(jié)果表明:北京市在1991—2004年這13年期間,城鎮(zhèn)用地表現(xiàn)出快速增長過程,平均年增長率達(dá)到6.38%。在空間上主要表現(xiàn)為三種基本模式:一是中心大區(qū)和邊緣次級中心區(qū)的面狀城市化;二是中心大區(qū)和邊緣次級中心區(qū)之間沿交通干線的線狀城市化;三是中心大區(qū)與邊緣次級中心區(qū)之間的點(diǎn)狀城市化。城市擴(kuò)展強(qiáng)度有先增強(qiáng)后減弱的趨勢。城市規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策等政府行為和過去3000年城市發(fā)展形成的舊有城市格局則從根本上決定了現(xiàn)代北京城市發(fā)展的基本過程。在改革開放的背景下,隨著人口的增加和人民生活水平的提高,北京地區(qū)的城市化過程在快速地進(jìn)行。人民生活水平的提高是城市擴(kuò)展的一大驅(qū)動因子。而隨著人口的增長,居住成本隨之增加,加上嚴(yán)苛的戶籍制度和資源承載力的約束可能限制人口的流動從而限制城市擴(kuò)展的進(jìn)程。微觀的區(qū)位條件中最利于城市擴(kuò)展的因子是距高速公路的距離,而坡度和高程很大程度限制了城市的擴(kuò)展。在以上驅(qū)動因素綜合作用下,北京城市化強(qiáng)度從1991—2004年出現(xiàn)了先增長后減小的發(fā)展趨勢。F=U·100%/RM=F/Δt對區(qū)域城市斑塊進(jìn)行面積分類分析可以看出,區(qū)域內(nèi)斑塊出現(xiàn)一個(gè)先快速增長(1991—1997年)后減速增長(2000—2004年)的過程。以面積小于8個(gè)像元的斑塊為例,從1991年的1327個(gè)增加到2004年的1604個(gè),年平均增長21個(gè);其中1991—1997年年均增長41個(gè),明顯高于1997—2000年6個(gè)和2000—2004年年均增長3個(gè)(圖4、表3)。正式批復(fù)的四次城市規(guī)劃和相關(guān)的土地利用政策和戶籍制度都給北京城市擴(kuò)展帶來了很大影響(表4)。1953年的第一次規(guī)劃由于將城市定位為經(jīng)濟(jì)中心,大力發(fā)展工業(yè),市區(qū)工業(yè)特別是重工業(yè)發(fā)展過大過多,造成能源、水源、用地、交通的全面緊張;但是將行政中心仍然放在舊城,保持了老北京城市格局,這為現(xiàn)在北京城市格局奠定了基礎(chǔ)。1983年的規(guī)劃中城市性質(zhì)不再提經(jīng)濟(jì)中心,而是強(qiáng)調(diào)發(fā)展適合首都特點(diǎn)的經(jīng)濟(jì),在空間上采取“分散集團(tuán)式”布局的原則,這也是此時(shí)衛(wèi)星鎮(zhèn)建設(shè)大力發(fā)展的原因,與之前研究結(jié)果1975—1984年的次級中心面狀城市化強(qiáng)度較高的結(jié)論相吻合。1993年的第三次規(guī)劃進(jìn)一步深化分散布局的改造。同時(shí),對這一時(shí)段城市擴(kuò)展影響最大的是通過了一系列的土地利用政策和法規(guī),比如1990年《中華人民共和國城鎮(zhèn)國有土地使用權(quán)出讓和轉(zhuǎn)讓暫行條例》,規(guī)范并改革了國有土地市場,大大促進(jìn)了居住用地的增長,這與1991—1997年城市擴(kuò)展年變化率最高(6.71%)相吻合(表1),同時(shí),面狀和點(diǎn)狀擴(kuò)展模式結(jié)果(表2,表3)也驗(yàn)證了在1991—2000年城市擴(kuò)展出現(xiàn)一個(gè)上升的趨勢。2002年通過《中華人民共和國農(nóng)村土地承包法》等,對被城市擴(kuò)展侵占的耕地資源進(jìn)行了保護(hù)。與此同時(shí),為了避免城市“攤大餅”的外延擴(kuò)展,通過戶籍制度和城市規(guī)模限制對人口流動進(jìn)行控制,這些對城市擴(kuò)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。這與2000年之后,城市擴(kuò)展年變化率、城市面狀、點(diǎn)狀擴(kuò)展強(qiáng)度出現(xiàn)減弱趨勢相