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基于GIS的北京城市土地利用扩展模式刘盛和,吴传钧,沈洪泉(中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101)摘要:采用GIS空间分析技术,对1982～1997年期间北京城市土地利用扩展的时空过程进行空间聚类和历史形态分析。证实工业用地的高速外向扩展是北京城市土地利用规模“超常膨胀”的主要原因;揭示城市土地利用扩展的空间分异规律,阐明城市土地利用扩展中心和扩展轴的时空迁移模式。关键词:城市土地利用;扩展强度指数;空间分异;GIS;北京中图分类号:F301.24;F293.2;N945.1文献标识码:A20世纪80、90年代在我国兴起的“开发区热”、“房地产热”造成了巨量的土地浪费、资金沉淀及繁多的社会、生态问题,引起了国内国际社会的注意[1,2],以致于国家不得不在1997年采取全面冻结审批新增城市建设用地一年的断然措施。历史教训警戒我们,必须切实加强对城市土地利用的理论和实证研究,严格根据城市土地利用扩展的时空规律来制定相关政策并指导开发活动。否则,任何主观臆断性的决策均可能产生极为严重的后果。GIS技术能够为城市研究的海量空间信息管理、分析、模拟等提供强有力的技术支持[3]。本文利用GIS技术对北京市1982年、1992年和1997年3个时期的土地利用进行空间聚类和历史形态分析,旨在探索北京城市土地利用扩展的时空分异规律与模式。1研究区域与研究方法1.1研究区概况城市边缘区是观察和研究城市土地利用变化的天然实验室[4,5]。本文选择北京城市边缘区作为研究对象,范围为39°40′N～40°20′N、116°00′E～117°00′E,行政区域包括朝阳区、海淀区、丰台区、石景山区、顺义县的全部、昌平县、通州区、大兴县的大部分乡镇及怀柔县、密云县、平谷县、房山区、门头沟区的小部分区域。该区域的地貌类型以平原为主,从而成为北京城市土地利用扩展的主要目标区。在1982～1992的10年期间,北京全市城市土地利用扩展的总面积为415.4km2,其中的92%即集中在该研究区内。1.2土地利用图件、数据的来源与分类使用的土地利用数据分别来自于1982、1992和1997年三个时期的1∶10万北京市土地利用现状图。各时期所使用的土地利用分类系统虽大致相同,但粗细不一。为了便于比较分析城市土地利用的动态变化,统一调整归并为:耕地、园地、林地、牧草地、城市土地利用、农村居民点、水域、及未利用土地等8个一级类。其中城市土地利用又分为:城镇用地、工矿用地、交通用地和特殊用地等4个二级类。中心城区除少量面积较大的地类外,主要被综合为城镇用地。1.3研究方法采用Arc/info、Arcview等GIS软件包中的空间统计分析技术,来处理空间属性数据。主要技术过程如下:首先编制研究所需的各种北京大地坐标系统1∶10万数字化地图;其次,通过对各时期的土地利用图进行叠合等空间分析运算,获得1982～1992年及1992～1997年的两个变化时期的土地利用变化图和城市土地利用扩展图;其三,将两个变化时期的城市土地利用扩展图分别与乡镇行政区划图(155个空间单元)进行叠合,并根据自然断裂(naturalbreak)法进行聚类分析,获得各时期北京城市土地利用扩展的空间分异图。2北京城市土地利用扩展速度的历史变化1949年解放时,北京城呈规则的城市建成空间和分化的城市社会空间[6]。发展至1982年,北京城市土地利用的总面积已达467km2,大致呈“分散集团式”空间格局。如表1所示,北京城市土地利用扩展速度的历史变化具有如下特点:与全国一样出现了超常增长的“开发区热”和“房地产热”。特别是在1982～1992年期间,北京的城市土地利用以史无前例的超常高速外向扩展,其年均扩展速度约为历史上高速扩展期(1952～1959年)的3倍[7]。工业用地是北京城市土地利用扩展的主力军,且其贡献率在不断增加。这与西方国家城市以居住用地为主导的扩展方式极为不同[5]。北京工业用地的持续超高速扩展,主要是由于乡镇企业用地的迅速增长、工业开发区的大规模兴建及城区工业的调整搬迁等因素的综合作用,在总体上是合理的。但由于乡镇企业的分散布局和随意用地、开发区设置得过多过大等原因,也造成了大规模的土地闲置与浪费现象。因此,要有效地控制北京城市土地利用的扩展,必须严格地控制工业用地的扩展,特别是要加强对乡镇企业用地的规划与管理。以居住用地为主的城镇用地扩展具有较强的自我调节能力和政策敏感性,而工业用地扩展则具有较强的刚性。自1993年以来,随着商品房空置率的不断升高和政府调控“房地产开发热”系列政策的逐步出台,北京城镇用地扩展速度显著减缓。这直接反映出,以居住用地开发为主体的城镇用地扩展具有较高的市场化程度,在市场供求规律和政府的宏观调控政策的综合作用下,已得到了有效的控制。而北京市在工业用地的扩展贡献率系指某类城市土地利用扩展面积占同期城市土地利用扩展总面积的百分比。市场化改革进程中的步伐则相对迟缓,市场信号微弱;且各区县政府的经济扩张热情持续不减,从而导致北京市工业用地逆势而动,呈现出极强的扩展刚性。3北京城市土地利用扩展的空间分异3.1空间分异的衡量指标目前描述城市扩展空间分异最常用的方法,是比较分析城市扩展速度在不同空间方位上的差异[7～9]。这种方法能够在总体上勾画出城市扩展的空间形态,具有直观简明的优点。但由于按方位划分的空间单元并不具有均等的土地面积,因而其扩展速度并不具有严格意义上的可比较性。并且,这种方法无法辨析出城市土地利用的扩展中心或方向区内城市扩展的空间差异。因而,本文对上述方法进行了改进,用年均扩展强度指数这一具有可比较性的新指标描述城市土地利用的空间分异。扩展强度指数是指某空间单元在研究时期内的城市土地利用扩展面积占其土地总面积的百分比。为了便于比较不同研究时期城市土地利用扩展的强弱或快慢,可计算各空间单元的年平均扩展强度指数,它实质就是用各空间单元的土地面积来对其年平均扩展速度进行标准化处理,使其具有可比较性。3.21982～1992年期间城市土地利用扩展的空间分异3.2.1城镇用地扩展的空间分异。区域城镇用地的总体年均扩展强度指数为0.14,平均值为0.15,标准方差为0.42。如图1a所示,城镇用地扩展具有很强的空间集中性。约70%的新增城镇用地集中分布在仅占区域土地总面积7.65%的11个空间单元中;而占区域土地总面积约58%的空间单元内没有发生城镇用地扩展。城镇用地的扩展中心(高速或快速扩展型乡镇)大多分布在紧邻中心城区的近郊圈层。只有昌平与亦庄相对偏远,它们因规划建设国家级高新技术开发试验区昌平园区和北京经济技术开发区而获得良好的发展机遇。3.2.2工业用地扩展的空间分异。区域工业用地的总体年均扩展强度指数为0.43,是城镇用地的3倍,平均值为0.57,标准方差为0.65。如图1b所示:工业用地扩展的空间分布相对比较均匀。在区域155个空间单元中,有109个属于中速、低速及缓慢扩展等中间性类型,占区域土地总面积89.61%,占区域工业用地扩展总面积的71.2%。工业用地扩展中心呈明显的轴向分布,且南部多于北部。沿京通公路延伸的工业用地扩展轴,东西长约20km,年均扩展强度指数为1.62,为区域总体水平的3.8倍,是这一时期北京市工业用地发展最快、空间集聚最为显著的工业走廊[10];沿京深公路延伸的芦沟桥—窦店工业用地扩展轴,西南向延展近33km,年均扩展强度指数为1.38,为区域总体水平的3.2倍,属于快速扩展型;沿京昌公路展布的大屯—昌平扩展轴,西北向长约30km,年均扩展强度指数为1.04,是区域总体水平的2.4倍,属于中速扩展型。东北部是工业用地的弱扩展区。工业用地扩展中心大多比城镇用地扩展中心离中心城区较远。图1北京城市土地利用扩展空间分异图(1982～1992年）3.2.3城市土地利用扩展的空间分异。城市土地利用总体年均扩展强度指数为0.67,平均值为0.78,标准方差为0.61。如图1c、表2所示:城市土地利用扩展类型的空间分布呈明显的圈层式空间形态。由中心城区向外,城市土地利用扩展类型的等级随之下降。并且,由东升乡、朝阳城区、南苑、玉渊潭所组成的高速扩展型城近郊圈,以城镇用地扩展为主;而其它区域则普遍以工业用地扩展为主。城市土地利用扩展具有较强的空间集中性和中心邻近性。高达57%的城市土地利用扩展面积集中分布在仅占区域土地总面积21%的44个高速或快速扩展型乡镇,并且这些扩展活跃区又大多位于距中心城区以外0～20km的近郊圈层,其年均扩展强度指数为1.75,是区域总体水平的2.6倍。扩展活跃中心相对集中分布,并形成了京通、京深、京昌、京怀4条城市扩展轴。其中,京通、京深、京昌城市扩展轴的年均扩展强度指数分别为1.63、1.58和1.38,是总体扩展水平的2.4、2.3和2.1倍,均属于快速扩展型,而京怀城市扩展的年均扩展强度指数为0.9,属于中速扩展型。它在这一时期的活跃扩展区主要集中在将台—孙河的近郊段,城市扩展轴仅具雏形。3.31992～1997年城市土地利用扩展的空间分异3.3.1城镇用地扩展的空间分异。区域城镇用地扩展的总体年均扩展强度指数是0.06,仅为1982～1992年期间的43%。平均值为0.07,标准方差为0.27。如图2a所示:与前一时期一样,城镇用地扩展仍具有很强的空间集中性。仅占区域土地总面积2.35%的6个高速及快速扩展型乡镇,集中了52.53%的城镇用地扩展面积;而占区域土地总面积74%的124个乡镇却没有新增城镇用地。扩展主中心位于由将台乡、来广营乡及大屯乡所组成的东北近郊区。它距中心城区的外边缘约4～8km,年均扩展指数为1.59,是总体水平的26.5倍。次中心则呈散点状分布在北郊的高丽营镇、东郊的南磨房乡,南郊的西红门和良乡,扩展强度指数为0.67～1.24。3.3.2工业用地扩展的空间分异。区域工业用地扩展的总体年均扩展强度指数为0.42,与前一时期的大体相当,是同期城镇用地扩展强度指数的7倍。其平均值为0.5,标准方差为0.57。如图2b所示:与前一时期相比,工业用地扩展的空间分异更趋明显,空间分布趋于集中。高速扩展型乡镇由前一时期的3个增加到了9个,其对总扩展面积的贡献率也由7.88%提高到了13.31%;无扩展类型的空间单元由前一时期的6个增加到了16个。北部的工业用地扩展中心呈明显的轴向分布,形成了京昌、京汤、京怀等3条明显的工业用地扩展轴。它们的年均扩展强度指数分别为1.09、1.42和1.06,均属于快速扩展型。南部工业用地扩展的空间形态已由轴向拓展转变为轴间填充[4]。前一时期的京通、京深扩展轴在这一时期的扩展强度指数分别为0.64和0.58,衰减了60%和58%,降为低速扩展型,基本上丧失了扩展轴的功能,扩展方式转变为轴间填充式。3.3.3城市土地利用扩展的空间分异。区域城市土地利用扩展的总体年均扩展强度指数为0.52,比1982～1992年期间下降了22%。其平均值为0.63,标准方差为0.7。如图2c、表3所示:北部的近郊区是最活跃的城市用地扩展中心。7个高速扩展型乡镇有6个分布在该区。中速及以上级别的扩展类型主要集中分布在北部的扇形区和南部的倒三角形区,东西方向多为弱扩展类型。北部扇形区由夹峙于京昌、京怀公路之间的40个乡镇构成,年均扩展强度指数为1.01,属中速扩展型;其土地总面积为1340km2,占区域土地总面积的23.29%;城市土地利用扩展面积为68km2,占总扩展面积的45.55%。南部的倒三角形区由芦沟桥、高碑店、亦庄等25个乡镇组成,其年均扩展强度指数为1.02,与北部区大致相当,其土地面积为681km2,占区域总面积11.83%;城市土地利用扩展面积为34.8km2，占区域总扩展面积的23.31%,均约为北部区的一半左右。而占区域土地总面积64.88%的其它部分,主要是东、西部区域,仅占城市土地利用总扩展面积的31.14%。其年均扩展强度指数为0.16,属于缓慢扩展型。城市土地利用扩展的空间形态与工业用地极为类似。