城區范圍空間劃定方法研究

伍 江， 劉 春， 應 申， 余 婷

(1.同濟大學建筑與城市規劃學院，上海 200092； 2.同濟大學測繪與地理信息學院，上海 200092； 3.武漢大學資源與環境科學學院，武漢 430072；4. 同濟大學城市交通研究院，上海 200092)

0 引言

我國正處于快速城鎮化階段[1]，科學準確地劃定城區范圍，對快速城鎮化時期下的公共政策以及城鎮化進程等研究具有重要意義[2]。早在1955年頒布的《國務院關于劃分城鄉標準的規定》中，對城鎮的建制就有明確的規定。該時期多推行“切塊設市”、“切塊設鎮”的模式，利用行政地域范圍可識別出城區范圍。然而，改革開放以后，隨著市場經濟體制的推行，行政地域范圍和地方經濟逐漸聯系在一起，造成在該時期我國各地出現大量縣改市、鄉改鎮等的行政區劃變動[3]。1993年《關于調整設市標準的報告》頒布后，設市設鎮的條件放寬，進一步推動了撤縣設市、撤鄉設鎮的熱潮[4]。行政區劃大量變動后，大部分鄉村也被包含在城鎮的行政范圍中，此時再根據行政地域識別城區范圍，則難以反映真實的城區建設現狀，得出結果與實際結果誤差較大[5]。

為了科學合理地統一城區劃分標準，國家制定了一系列文件以明確城區范圍。2008年國家統計局發布的《統計上劃分城鄉的規定》(以下簡稱《規定》)[6]中指出： “城區是指在市轄區和不設區的市，區、市政府駐地的實際建設連接到的居民委員會和其他區域?！薄兑幎ā防锾岢隽恕皩嶋H建設”的概念，明確了城區提取的空間依據[7]。然而，只有基礎定義而缺乏統一的劃定方法，在國家統計局、住房和城鄉建設部、地方政府各部門，以及部門內部之間，對于城區仍然存在多個不同口徑[8]。如何統一城區劃分方法成為一個難題[9-10]。

在國外，人口特征和空間關系常被當作城區劃分的標準。例如，英國利用城市土地利用規模和人口集聚度劃分城市地區(urban area)[11]； 美國和日本利用人口密度和通勤水平結合空間鄰接條件確定城市化地區(urbanized area)和人口集中地區(densely inhabited district)[9,12]。然而，利用人口特征提取城區范圍在我國難以實現。我國歷次的人口普查文件沒有使用統一的方法，且不同批次的普查方法之間存在較大差異，目前還未形成完善的人口統計機制[2]。

識別城區范圍也吸引了越來越多國內學者的關注。早在1995年，周一星等[13]就提出了根據建成區下限人口規模、非農化水平和平均人口密度3個指標來劃分城區，綜合了景觀、人口、經濟等多方面要素開展研究。后續，研究學者主要圍繞建設用地和人口密度兩個統計指標開展城區范圍的提取[14-15]。

遙感圖像因其廣泛、定期、持續的監測能力，逐漸成為城區范圍提取的重要數據來源。一些研究學者首先利用MODIS數據對城市的發展和擴張進行監測和研究[16]； 隨著遙感技術的不斷發展，以Landsat系列為主的中分辨率衛星影像被廣泛應用于城區范圍的提取研究當中，例如Gao等[17]利用40 a的中分辨率遙感數據，監測中國長三角地區的城市發展過程。然而，由于中低分辨率影像得到的城區邊界提取精度較低，高分辨率影像逐漸成為城區范圍識別的重要數據源，例如Wang等[18]提出了一種利用高分辨率圖像和地理信息數據實現的半自動城市邊界提取方法，結合城市景觀等輔助數據，形成了一套城市范圍劃定的規則。

基于遙感影像進行城區劃定的方法也在不斷改進。受到技術發展的限制，研究之初多以人工解讀和目視解譯的方法為主[19]，這種方法通常工作量大、花費時間長。隨后采用最大似然法[20]、決策樹[21]等分類的方法替代原始的人工方法。另外，一些學者利用遙感影像的光譜信息定義了相關指標，利用指標數值進行城區的劃定[22]，或者是綜合判定的方法[23]。隨著大數據和計算機產業的發展，一些機器學習和深度學習的方法也被用于城區范圍的劃定中[24]。

然而，基于高分辨率遙感影像數據的城區范圍劃定方法也存在一些不足。首先，高分辨率影像數據通常成本較高，且數據量大，處理費時耗力。其次，針對高精度影像進行城區劃分時，由于光譜的復雜性，難以提出普適性的指標； 采用機器學習或者深度學習的方法時，由于方法內部機理不透明，無法闡述清楚劃定的規則和結果。這導致在利用高分辨率遙感影像開展城區提取時，難以快速地對多個城市進行同樣的城區提取操作，在全國尺度上不適應[25]。

第三次全國國土調查(以下簡稱“三調”)的成果數據為城區范圍的提取提供了全局尺度高精度的研究數據。在《第三次全國國土調查技術規程》(以下簡稱《規程》)里對土地現狀調查的精度規定為[26]： “城鎮內部土地利用現狀調查，采用優于0.2 m分辨率的航空遙感影像資料”。對各類圖斑的最小上圖圖斑面積規定為[26]： “建設用地和設施農用地實地面積200 m2； 農用地(不含設施用地)實地面積400 m2； 其他地類實地面積600 m2，荒漠地區可適當減低精度，但不應低于1 500 m2； 對于有更高管理需求的地區，建設用地可適當提高調查精度”。更高精度的土地利用現狀數據和更精細的成果數據圖斑，為城區范圍的劃分提供了更科學更合理的全覆蓋的基礎數據。

此外，在“三調”成果數據集“城鎮村及工礦用地”中，已完成基礎的城區劃分[26]，主要包含城市(二級編碼201)(以下簡稱城市201)、建制鎮(二級編碼202)(以下簡稱建制鎮202)和村莊(二級編碼203)(以下簡稱村莊203)?；凇叭{”成果里基礎的城區劃分數據再進行精細的城區提取，可大大減少城區范圍空間劃定的工作量。

因此，本研究針對城區范圍空間劃定這一問題，在廣泛調研的基礎上，界定了城區范圍的空間內涵，以“三調”成果數據為基底，輔以測繪地理信息、遙感等技術手段，綜合考慮用地特征和地物功能判斷、空間連接等多因素，提出了城區范圍的空間劃定方法。該方法同樣可用于鎮區范圍的空間劃分，旨在為我國城鄉劃分提供參考。

1 城區范圍的概念內涵

1.1 城區的概念與屬性特征

目前，我國對城區概念的界定通常以國務院2014年發布的《國務院關于調整城市規模劃分標準的通知》(以下簡稱《通知》)[27]中對城區的規定為基準： “城區指在市轄區和不設區的市，區、市政府駐地實際建設連接到的居民委員會所轄區域和其他區域?！边@一概念定義繼承于國家統計局2008年發布的《規定》[6]中對城區的定義。

《通知》中對城區從行政、土地利用、空間等多角度進行了基本界定。從中可歸納出城區應當滿足的3個屬性: ①行政屬性，城區是在市轄區和不設區的市的行政地域界限內，其不能突破所在城市的行政區劃邊界； ②土地利用屬性，城區是區、市政府駐地實際建設且連接到的區域，未建設的土地不能包含在城區范圍內； ③空間屬性，城區是指區、市政府駐地實際建設連接到的居民委員會所轄區域和其他區域。對于分散在外圍或周邊的區域來說，還需要滿足空間連接的條件，才可納入城區范圍。

1.2 城區范圍的空間內涵

城區范圍的空間內涵最早由周一星教授在1995年提出。其將城市地域分為行政地域、實體地域(景觀地域)和功能地域[13]： “城市的實體地域是集中了各種城市設施，以非農業用地和非農業經濟活動為主體的城市型景觀分布范圍，相當于城市建成區?！?/p>

城區實體地域即城區的空間范圍，指按照城區實際建成情況識別后確定的范圍，是實際開發建設、市政公用設施和公共設施基本具備的區域。城區實體地域的概念銜接城市建成區的概念，兩者具有相似的空間形態。建成區在空間上要求集中連片，一些面積較小的飛地或者空心地要經過一定的合并處理。城區實體地域則通過空間連接條件的限定，劃出相對集中的實體地域范圍。

然而，城區實體地域與城市建成區的概念不完全相同。從功能和用地性質角度說，城市建成區包括了實際建成、享受基本城市服務、擁有城市基礎設施的地區，其偏重于是否已開發建設和城市設施是否完備。城區實體地域則偏重于土地的實際利用類型和空間連接關系。從行政區劃范圍上說，城區實體地域在市轄區和不設區的市的行政地域內劃定[27]； 城市建成區在城市行政區內劃定[28]。對于設區的市，其城市建成區在整個市域范圍內劃定，而城區實體地域只在其市轄區范圍內劃定； 對于不設區的市，兩者都在整個市域范圍內劃定。

從地理空間的角度解讀城區概念，它同樣滿足城區的3類屬性，并且在其基礎上有進一步的界定： ①行政屬性，城區實體地域在城區范圍內劃定，不可越過城區邊界; ②土地利用屬性，城區實體地域集中了各種城市設施，其內地物應該符合城市用地類型特征，相當于城市建成區； ③空間屬性，城區實體地域在空間上實地可測，空間形態沒有固定的規律，分散的實體地域應當在空間上連接。

1.3 其他相關概念

除城市建成區外，國內與城鄉規劃、城鄉劃分相關的術語包括市區、市域、中心城區、主城區、城市建設用地、城鎮開發邊界、城市空間增長邊界等。除去城市建設用地外，其他概念均為考慮管理職能或者未來規劃的邊界，若非行政區劃調整或者城市規劃建設調整之外，其邊界不會改變。因此這些概念術語不能反映城市發展的時空變化[29]。

2 城區范圍的空間劃定

2.1 數據準備

2.1.1 “三調”成果數據

“三調”對各類用地類型的圖斑進行了明確標注，成果匯總于“第三次全國國土調查工作分類”(以下簡稱“三調”工作分類)數據中。該數據在GB/T 21010—2017的土地利用現狀分類的基礎上進行了部分修改[26]。

除去“三調”工作分類表外，還包含“城鎮村及工礦用地”數據表[26]。該表內的數據圖層由“三調”工作分類表中的數據圖斑合并而成。將滿足條件的“三調”工作分類中的單個圖層合并后，即可得到“城鎮村及工礦用地”數據表中的各個數據(表1)。其他輔助“三調”成果數據包括： 地類圖斑(DLTB圖層)、城鎮村等用地(CZCDYD圖層)、行政區(XZQ圖層)。

表1 城鎮村及工礦用地數據集Tab.1 Datasets of urban villages and industrial mining land occupancy

2.1.2 數據基準統一

數據的坐標、投影設置如下[26]： 投影，采用高斯-克呂格投影3°分帶(CGCS2000_3_Degree_GK_CM_114E)； 坐標系統，采用2000國家大地坐標系; 高程基準，采用1985國家高程基準。

2.2 劃定技術流程

總體流程圖如圖1所示。在廣泛調研國內外研究方法的基礎上，基于城區實體地域的概念內涵，建立了一套提取城區實體地域的方法。該方法以城市用地特征和地物功能、地物的空間連接關系、圖斑所屬的行政地域為確定依據，依次判斷后得出城區實體地域范圍，即城區的空間范圍。

圖1 城區范圍空間劃定流程圖Fig.1 Flow chart of the delineation of urban physical area

2.2.1 初始范圍提取

基于“三調”成果數據，可提取出城區實體地域劃定的基礎范圍，在此基礎上進行實體地域的確定。初始范圍采用“三調”城市201和城市獨立工業用地201A數據。其中，城市201數據指“城市居民點，以及與城市連片的和區政府、縣級市政府所在地鎮級轄區的商服、住宅、工業、機關、學校等單位用地，包括其范圍內的其他各類用地”[26]。加載“三調”數據后，根據屬性將二級編號為“201”和“201A”的數據導出，即獲取城區實體地域劃定的初始范圍。

2.2.2 確定待納入實體地域的圖斑

根據初始范圍的用地性質可知，城區初始范圍已經包含了大部分的城區實體地域。在城區初始范圍的基礎上，向外判斷其100 m緩沖范圍內的圖斑地類是否符合城區用地類型特征(2.2.2.1節)、空間上是否連接(2.2.2.2節)等。將符合條件的圖斑認定為待納入實體地域的圖斑。

2.2.2.1 城區用地類型特征判斷

根據土地利用類型區別城鄉是城鄉識別中常用的方法。商業服務業用地、住宅用地、公共管理與公共服務用地和交通運輸用地等4種用地類型常成片分布在城區范圍內，成為區別城鄉的主要用地類型差異。除去這4類用地類型之外，還有部分其他類型的土地與城市的發展密切相關，例如濕地、工礦用地、水域及水利設施用地、特殊用地等。然而，根據這些用地類型無法直接區分城鄉，其城鄉屬性需進一步根據其所處地理位置和城市發展現狀來區分。因此，考慮到城區和鄉村功能的差異，基于“三調”工作分類，對城區實體地物類別作如下要求(表2)。

表2 城區實體地物類別及相關要求Tab.2 Categories and related requirements of land features in urban physical

在實體地域提取時，對緩沖區的圖斑進行如下步驟用于城區用地特征判斷：

1)若其圖斑類別符合實體地物必選類別，則其用地屬性滿足城市用地特征，繼續進行空間連接(2.2.2.2節)的判斷。

2)若其符合實體地物候選類別，當其具備城市居住和承擔城市生態涵養、休閑游憩、防護隔離、自然和歷史文化保護及其他城市相關必要功能時，考慮將其納入實體地域的待選范圍。

3)若都不符合，則該類圖斑在用地類型上不滿足城市用地特征，其對城市的發展建設所承擔的功能不大，因此不將其納入。

2.2.2.2 空間連接判斷

地物圖斑與初始范圍之間的空間關系主要判斷兩者之間是否連接。一般使兩者空間上不連接的阻隔要素主要包括河流、高速公路和鐵路等3種類型。若待納入城區實體地域的地物圖斑和城區初始范圍之間無以上任一阻隔要素時，則認定兩者空間上連接。否則，需考察阻隔要素是否對兩側地物起阻隔作用。

1)若有可供附近居民和車輛通行的橋梁、涵洞或隧道時，且橋梁、涵洞或隧道的兩端分別到待納入實體地域的地物圖斑與初始范圍的最短距離之和不大于100 m時，則認定兩者空間上連接。

2)若待納入實體地域的地物圖斑與初始范圍分別位于河流兩側，且有溝通兩岸的輪渡時，當兩側地物分別到同側的渡口或碼頭所在建設用地邊界的距離不大于100 m時，則認定兩者空間上連接。

將判定為與初始范圍空間上連接的圖斑納入實體地域，若不滿足空間連接條件，則不納入實體地域。

2.2.3 迭代更新

考慮100 m的緩沖范圍未必能將所有初始范圍附近符合條件的地物都納入，對于新納入的地物應當進行在其基礎上繼續作緩沖處理，即迭代更新操作(重復2.2.2節步驟)。判斷新納入的圖斑周圍是否有滿足條件的地物，若有，則也應當將其納入。如果新納入圖斑的緩沖區內沒有可以納入的地物，則目前劃定的實體地域邊界即為城市目前發展建設的邊界線，此時無需再進行迭代更新。

在迭代更新的過程中，往往出現因道路的延長將實體地域范圍延伸至邊緣鄉村區域，此時根據城區用地特征判斷很可能將鄉村的建設用地或者一些離城市較遠的飛地也納入城區實體地域范圍。因此，在實際操作中，一些線狀要素，如道路、溝渠等，不參與迭代過程。

2.2.4 行政邊界核查

對于迭代更新后的所有的待納入實體地域的圖斑，需要檢查其是否屬于劃定城市的行政范圍內。需要疊加“三調”的行政區數據，將越過該城市行政地域的圖斑刪除，最終與初始范圍疊加，得到實體地域范圍。

2.3 特殊情況說明

2.3.1 “城中村”劃分

“城中村”是處于城市建設用地范圍內的農村社區[30]。雖然部分“城中村”在土地權屬上歸集體所有，但是其實際已享受城市基礎設施和公共設施服務。對于這一類特殊用地，在進行初始范圍臨近地物的緩沖分析時，按照城區用地特征的判斷步驟進行。不考慮將被實體地域包圍且不滿足城區實體地物類型的“城中村”單獨劃入。

2.3.2 飛地劃分

飛地常指“脫離城市集中連片建設范圍而單獨發展的建設用地圖斑”[31]。若飛地存在于初始范圍內，則直接納入實體地域中。對于城市發展中實際存在的、非初始范圍內的飛地，根據迭代更新的判斷步驟考慮是否將其納入。

3 實證研究

3.1 研究區選取

選取四川省巴中市作為實證研究對象。巴中市地處川陜兩省交界的大巴山系米倉山南麓，屬典型的山地城市。境內地貌多變、地形復雜、多河流，整個城市組團式地分布在河谷和山谷之間，是本研究提出的城區實體地域劃分方法的理想實驗地區。其下設2區3縣，即巴州區、恩陽區、平昌縣、南江縣和通江縣。實體地域劃定范圍為巴州區和恩陽區。

3.2 城區初始范圍提取

導入“三調”數據中的城市201和城市獨立工業用地201A數據，作為城區的初始范圍(圖2)，城區初始范圍的面積為3 164.21 hm2，其包含的各類地物以住宅用地、交通運輸用地和公共管理與公共服務用地為主(表3)。

圖2 城區初始范圍圖Fig.2 Initial urban area

表3 城區初始范圍各地類統計表Tab.3 The area proportion of land feature in the initial range

3.3 城區實體地域提取

根據前文提出的城區實體地域劃定方法，在經過65次迭代更新之后，迭代出現自然終止，得到巴中市實體地域范圍結果(圖3)，迭代新增實體地物總面積為4 072.03 hm2，與城區初始范圍實體地物面積之和為7 236.24 hm2，新增的實體地物主要是住宅用地和交通運輸用地(表4)。

圖3 巴中市實體地域提取結果圖Fig.3 urban physical area extraction results map in Bazhong

表4 新增實體地物面積占比情況Tab.4 The area proportion of new land features

3.4 精度分析

本研究提出的城區范圍空間劃分方法，其可靠性和高精度主要體現在以下2個方面。

1)研究數據的可靠性。為了“全面細化和完善全國土地利用基礎數據，掌握詳實準確的全國國土利用現狀和自然資源變化情況”[32]，國家自2017年起開展“三調”的工作?！爸荚诘诙稳珖鴩琳{查成果的基礎上，進一步明確土地利用現狀、土地權屬和專項用地”[32]。

“三調”數據在制作時，城市部分主比例尺是1∶2 000，其余是1∶5 000。國家統一采購優于1 m分辨率影像制作底圖。城鎮內部調查要求地方收集優于0.2 m的數字正射影像以便更好地開展工作，并且伴隨實地圖斑舉證。與其他研究相比，本研究采用的數據具有高精度、全覆蓋的優點。依靠高精度的“三調”數據能夠清晰地識別土地利用類型，提取出科學可靠的城區空間范圍[26,32]。

2)劃定方法的可靠性。本研究基于城市土地利用的真實類型和其與城區初始范圍之間的空間關系，通過城區用地特征判斷和空間連接判斷，劃定真實可測的城區范圍。由于城市土地利用類型的客觀性和唯一性，在地理空間上保證了劃定結果和城市真實情況的一致性，不存在其他方法中的錯分和漏分情況。

4 問題分析

4.1 閾值驗證

為了驗證緩沖閾值100 m的可靠性，采用150 m的閾值檢驗。在巴中市初始范圍的基礎上利用150 m的緩沖閾值進行城區實體地域的提取。然而，從第5次迭代更新操作開始，新增的實體地物總面積逐漸減少，并且趨向于一個定值，每次新增地物總面積均為145 hm2。后續迭代更新操作中，每次迭代結果里村莊實體地物面積占新增實體地物總面積、村莊實體地物圖斑個數占新增實體地物圖斑總數比例趨于穩定，直至第18次迭代，依然保持平穩比例。結合城鎮村等用地圖斑的分布情況，推斷150 m距離閾值迭代較難自然終止。

4.2 與人口統計的關系

我國長期以來城鎮化率的指標采用城鎮人口與總人口的比值[33]?；诒狙芯縿澏ǖ某菂^范圍可在空間上確定城鎮人口的空間統計范圍。由于城區實體地域即為城市的實際建設區域，在這一區域上常住人口可認定為是城鎮人口。然而，由于實體地域的邊界往往呈現無規律的空間形態，與人口統計邊界不完全重合。因此，在基于城區實體地域統計人口時，還需要進行一定的轉換，將城區實體地域反映到對應的人口統計邊界。

4.3 城區范圍更新

我國正處于快速城鎮化的時代，因而城區范圍應當定期更新，以滿足城鎮化指標統計的相關要求。城區范圍應當盡可能地反映城區的實際建設情況，同時考慮所付出的人力物力盡可能少。因而在更新城區范圍時，可將上一期的城區范圍作為該期的城區初始范圍，在其基礎上結合國土變更調查的相關數據進行修正、核查等工作。

5 結論

科學合理地劃定城區范圍，對統一國家各部門、各城市統計口徑，和城市的管理、研究，具有重大意義。然而長期以來，我國尚未建立一套完整的提取城區邊界的方法體系，各部門、各城市往往有各自的一套操作標準，這造成統計結果難以比較。

本研究針對城區劃分的熱點問題，基于《規定》中對于城區的劃分依據，確定城區范圍的空間概念，并且提出劃定城區范圍空間邊界的方法。該方法基于“三調”成果數據，以土地的真實覆蓋情況和與初始范圍之間的空間關系為篩選標準，劃定了城市范圍的空間邊界。該方法可同樣運用于鎮區范圍的識別。

本研究結論如下：

1)通過與其他城區劃分相關的術語對比，在遵循《規定》和《通知》里關于城區定義的基礎上，明確城區范圍的空間概念內涵，即城區實體地域，該范圍反映了城市的實際建設情況，在空間上實地可測。

2)以高精度、全覆蓋的“三調”數據為基底，建立了一套空間劃定城區范圍的方法流程，對城區提取過程中的難點問題做了明確的規定，從而能統一高效地在全國范圍內劃定城區范圍。

3)以巴中市為例，采用本研究提出的方法劃定巴中市的城區范圍，實驗結果證明該方法的可行性。通過對城區范圍的劃分，可有效在地理空間上劃分城鄉，對城鎮化指標統計、城市下一步建設規劃等工作具有一定指導意義。

本研究尚存在以下不足：

1)實證研究僅選取一座城市，結果具有局限性，未來可針對不同規模、不同地域位置、不同人口密度的城市開展研究，進行分類討論。

2)城區劃定過程中迭代次數的限制。由于城鄉相互交錯，空間上難以分割，如何設置合理的迭代次數從而解決劃定過程中城區延伸的情況，還有待完善。

3)本研究劃定的城區基于空間地理范圍，而當前大部分統計工作的最小單元均為統計區劃單元。如何有效統一城區空間范圍和區劃范圍，使得劃定結果具有統計意義，將是下一步需要研究的重點。

志謝：感謝巴中市政府提供的基礎數據，感謝上海同濟城市規劃設計研究院成都分院吳偉國、吳童榮、邱艷嬌、惠澤惠在本文制圖制表過程中提供的幫助。