基于GIS的聊城市建成區空間擴張研究

湯 力，劉一光

(青島理工大學 建筑與城鄉規劃學院，青島 266033)

城市空間的擴張一直是城市問題的研究重點，土地的可持續利用是城市發展的必然要求[1]。在國土空間開發規劃新背景的要求下，運用GIS技術與數理統計方法分析城市空間擴張的時空特征以及驅動機制，將對城市低效用地與存量用地的判定起到積極的指導作用。國內對城市擴張方面的研究相對于國外起步較晚，但發展速度很快，在“城市空間利用”方面已經形成了較為完善的概念、技術等框架體系。如王士君等利用GIS技術提取了區位坐標、城市形態、用地規模等相關信息，分析了1984年以來大慶的建成區空間擴張規律[2]。譚雪蘭等應用多元回歸模型分析了長沙市空間擴展的影響因素，得出長沙市主要驅動力是快速推進的工業化、社會經濟發展水平、交通區位引導以及相應的國家政策制度[3]。吝濤等指出行政區劃演變、城市總體規劃的演變、產業經濟的發展布局、地形、圍填海、交通、人口分布等七大因素影響廈門島的空間擴張[4]。此外，還有諸多學者對淮北、武漢、寧波、長春等城市進行了城市空間形態、土地利用模式等方面的分析[5-9]。

聊城作為魯西地區重要城市，在新的時代發展背景和時間節點上，特別是大運河成功申請世界遺產、大運河文化帶崛起的發展戰略契機下，運用新技術對聊城市建成區拓展的時空特征進行分析，并對其空間拓展的動力機制進行剖析，對于指導聊城未來發展具有十分重要的意義。

1 研究設計

1.1 聊城概況

1.1.1 地理區位

聊城市介于東經115°16′～116°32′和北緯35°47′～37°02′之間，地處冀魯豫交界，東靠濟南、西臨邯鄲、北依德州、南接濮陽和菏澤，是連接中原和西北地區、通往沿海的重要開放口岸。在戰略發展層面，聊城先后被國家列入中原經濟區，被山東省列入“省會城市群經濟圈”“西部經濟隆起帶”以及在2016年納入國家戰略“京津冀協同發展區”。聊城市相比魯西德州等市，目前交通地位一般，鐵路有京九鐵路、邯濟鐵路穿城而過，濟館高速公路也經過聊城。

1.1.2 經濟水平

2017年，聊城市地區生產總值為3013.55億元，按可比價格計算，比上年增長7.50%，位列全省第12名，占山東省總產值比重4.15%。三次產業結構比重11.50∶49.40∶39.10，居民消費水平偏低，2017年聊城市全體居民人均消費水平17 581元，僅高于臨沂市和菏澤市(圖1)。

圖1 2017年山東各市經濟情況

1.1.3 社會發展現狀

按照聊城市公安局戶籍統計人口數據可知，2017年聊城市戶籍總人口達到639.69萬人，常住人口城鎮化率為50.34%，相比2016年增長1.84%。

1.2 數據收集及研究方法

1.2.1 數據收集

本文遙感影像分別來源于聊城市1985，1996，2006和2017年4期Landsat TM和Landsat 8OLI，分辨率為30 m。除2017年數字遙感數據略有云量外，其余均無云層覆蓋，成像質量優良。同時，該4期影像成像時間均為6月或7月。此外，相關分析數據還來源于1985—2017年的社會經濟統計公報、政府工作報告以及部分聊城市統計年鑒和山東省統計年鑒等。

1.2.2 研究方法

本文在ENVI 5.1和Arcgis 10.2等相關軟件的支持下，首先對4期遙感影像進行解譯。采用目視解譯方法提取聊城市的土地利用信息，并在Arcgis中繪制出聊城市建成區的范圍，重點分析聊城市建成區的時空拓展特征。

2 聊城市城市發展歷史進程

2.1 聊城市建成區擴張的空間特征

從1985，1996，2006和2017年聊城市建成區范圍可以直觀看出(圖2)，聊城市空間拓展在近30年經歷了北向、東擴、南展3個發展階段。在1997年之前，聊城作為縣級市，且在山東省“海上山東” “黃河三角洲開發”兩大戰略背景下，投資大范圍地向東部沿海傾斜，同時由于西部鐵路與南部天然河流的阻隔，使得聊城偏向于北、東兩處交通環境更便利的門戶區擴張，但由于此時的聊城為魯西地區的縣級市尚未得到重視而發展極為緩慢。1997年8月，聊城撤地設市，城市發展重點由傳統農業經濟轉向城市經濟，城市建設開始逐步駛上快車道。聊城開始實施“大開放、大招商，促進大發展”戰略，同時“江北水城”的框架也基本形成。特別是1992年聊城開發區正式獲批，1995年正式啟動建設，位于徒駭河東部的開發區迎來了新一輪的建設發展，城市建成區實現跨河向東發展。2006年聊城市提出要制定全市流通業發展規劃，加快在城區北部建設大型物流基地，城區北部在政策的大力引導下得到進一步的發展。同時，隨著聊城確定融入濟南都市圈的戰略以及聊城開發區于2013年3月2日被國務院批準升級為國家級經濟技術開發區后，大量投資涌入，使其經濟得到爆發式增長，人口大量聚集到城區，其用地規模也進一步擴大。

2.2 聊城市建成區擴張的時間特征

總體而言，2003—2017年的15年間，聊城市建成區擴張非常明顯(表1)。2003年，聊城市市區面積為1245.00 km2，建成區面積為50.01 km2，建成區僅占市區總面積的4.01%。以遙感影像后時間為準，2006年建成區面積為59.00 km2，2017年聊城市市區面積增長至1710.00 km2，建成區面積為104.70 km2。2006年和2017年建成區分別占市區總面積的4.70%和6.12%。具體看，2003—2006年建成區面積增加了17.98%，年均增長速度為5.72%；2006—2017年，建成區面積增加了77.46%，年均增長速度為5.52%，說明近10年聊城市建成區擴張相比之前更為明顯，同時佐證了圖2解釋的空間擴張特征。

表1 2003—2017年聊城市城市建設用地情況 km2

從具體用地角度而言，各項用地面積均不斷增加，但增長速率略有不同。居住用地自2003年的13.58 km2增至2017年的30.20 km2，年均增長速度達6.55%，快于城市建成區的擴張速度，但占城市建設用地面積則大體不變，基本維持在26%～35%的區間。工業用地自2003年的9.15 km2增至2017年的21.40 km2，年均增長6.41%，從側面說明了近十幾年來聊城工業經濟發展較好，工業用地擴張迅速的特征。工業用地在2003—2013年占城市建設用地面積比重不斷上漲，從20.13%增長至29.90%，說明該時段建設用地的增加基本為工業布局服務。公共管理與公共服務用地從2003年的7.59 km2增至2017年的10.30 km2，年均增長速度為2.77%，遠低于城市建成區的擴張速度。道路與交通設施用地自2003年的3.84 km2增至2017年的20.10 km2，年均增長速度高達19.58%，其占城市建設用地面積的比重也一路增長，2003年聊城市道路與交通設施用地僅占城市現狀建設用地比重8.45%，至2017年占比高達20.30%。

3 動力機制分析

3.1 研究方法

為理清聊城市空間擴展的驅動機制，本文采用灰色關聯分析法對聊城市建成區面積與各影響因素的關聯度進行分析。影響因素參考其他相關文獻，選擇總人口、GDP、工業生產總值、地方財政收入。

在分析過程中，采用按照三級指標平權設置的方法進行分析。其計算過程如下：

1) 根據本文的評價目標確定聊城市建成區面積為參考序列，一般表示為xo={xo(1),xo(2),…,xo(n)}。選取建成區擴張的驅動因素作為比較序列，一般表示為xi={xi(1),xi(2),…,xi(n)},i=1,2,…,m。

2) 對以上兩大數列進行無量綱化處理。由于本文中指標均為收益型指標，故其標準化公式為

式中：rij為無量綱化值；xij為第i對象的第j指標的實際值。

3) 計算2個序列在同一時刻的絕對差值，記為Δi，即

Δi=|x0'(k)-xi'(k)|i=1,2,3,…,m

4) 計算灰色關聯系數和關聯度：

式中：ζi(k)為x'i對x'0在時刻k的關聯系數；ri為二者的相關度，反映的是自變量和因變量整體相關性；δ是分辨系數，一般取δ=0.5。

3.2 結果分析

2003—2017年聊城市建成區面積及影響聊城市建成區空間擴張的因素數據見表2。

表2 2003—2017年聊城市建成區面積及四大指標數據

通過對上述四大變量進行灰色關聯分析，得出2003—2017年影響聊城市建成區擴張的因素按關聯程度依次排序為地方財政收入、地區生產總值(GDP)、總人口和工業總產值，該四大指標與建成區擴張的年均灰色關聯度分別為0.812，0.783，0.778和0.771(表3)。

表3 2003—2017年四大指標與聊城市建成區面積的灰色關聯度

地方財政收入與地區生產總值是影響建成區擴張的前2個因素，這說明經濟是促進城市空間擴張的主要驅動力。一般而言，經濟的發展會促進收入的提高，人們的需求也會隨之提高。這時增長的需求必然帶來產業投入和產出的提高，亦會帶來人口和產業的聚集。城鎮內聚集的人口增多，對城市用地的要求會更多，這直接推動了城市建成區規模的增大，參考國內主要城市的發展歷程也可得出這個結論。地方財政收入與地區生產總值的增長同時也意味著政府有更多的資本投入到城市建設與發展之中，特別是對于交通設施的投資，直接促成了城市化水平的提高，從而不斷促進聊城市建成區的空間擴張。

工業生產總值的增加亦促進了聊城市建成區規模的擴張，但關聯強度不如上述2個因素。說明聊城目前的人口吸引能力還有較大的潛力尚未開發出來，同時其工業化水平也處于初期，對人口的吸引力較小，不能較好地促進城市建設用地規模的擴大。

值得說明的是，從整個時間序列上講，以上4個因素對建成區擴張的影響是越來越小的，特別是地方財政收入的灰色關聯度下降最快，這說明隨著聊城經濟的進一步發展，依托地方財政投資進行城市空間擴張的發展模式正逐步地被轉變，城市建成區用地被逐漸優化，建成區擴張逐漸朝著更科學、合理的方向發展。反而相對其他指標，工業總產值成為主要的影響因素，這說明聊城市在經過一系列的產業調整與結構的優化后，其城鎮化發展已經進入到中期，進入了以工業為主的第二產業(特別是國家級開發園區)帶動建成區拓展的階段。

4 結論

1) 以聊城市為研究區域，運用遙感、GIS技術以及數理統計分析，對1985—2017年的聊城市市區的空間利用狀況進行動態分析，揭示土地利用及市區拓展的時空特征；聊城市城市用地由于鐵路和天然河流的阻隔，在政府政策和資金引導下，促使其先后向北、東、南三處擴張。

2) 通過分析數據得知，在時間上，城市建成區面積的增長與圖像呈現規律相符。同時在此基礎上分析市區擴張的動力機制，分析得出地方財政收入、地區生產總值(GDP)、總人口和工業總產值四大指標與建成區擴張有著較強的關聯程度，且關聯度依次降低。

3) 地方財政收入的擴大會帶來政府資本投入的擴大，進而促使聊城建成區面積的增加。隨著經濟的發展，特別是工業經濟的不斷發展，以及產業結構的轉型，直接擴大了建成區的面積。同時，聊城市總人口的增加，相應促進了常住人口城鎮化率的提高，這也進一步影響了城市建成區空間的擴張。