陳海珍，包穎，梅元勛，申佩佩

(寧波市測繪設計研究院，浙江 寧波 315042)

1 引 言

城市城鎮(zhèn)化格局演變的分析與研究，是城市科學合理規(guī)劃和建設的重要基礎，對于推動城鎮(zhèn)化健康發(fā)展、提升城鎮(zhèn)化質量具有重要意義。國內外學者對城市擴張的研究十分豐富，從不同學科、不同視角出發(fā)，對城鎮(zhèn)化擴張的空間特征以及動力機制展開了系列研究，研究主要集中于景觀和形態(tài)特征[1～4]、擴張模式[4，5]、擴張生態(tài)效應[6]、用地類型轉變[7，8]、內部空間結構[9]、變化方向性特征[10～12]、城鎮(zhèn)化驅動機制[13，14]、城市群演變[15～17]、城鄉(xiāng)關系[18～20]等，為城鎮(zhèn)化歷史演變分析提供了有益借鑒。不少學者利用多時序遙感影像結合GIS相關定量方法進行城鎮(zhèn)化格局演變的研究，匡文慧等[21]提取北京1932年～2007年北京主城區(qū)城市空間擴張以及建筑密度空間信息，并分析北京城市土地利用擴張過程。張?zhí)鸬萚22]利用1987年～2015年27期長時序Landsat影像，尋找深圳增長的轉折點及其景觀演變特征。王雷等[23]利用TM和ETM+影像數據，繪制了中國1990年～2010年城市擴張衛(wèi)星遙感圖；劉小平等[24]研究東莞市1988年～2006年期間的城市景觀擴張指數變化，并識別城市擴張的三種類型—填充式、邊緣式以及飛地式擴張模式；高金龍等[25]通過劃分1985年～2007年南京市區(qū)建設用地擴張模式，探討不同擴張模式的空間結構特征及其演變機理；賀振等[26]、潘竟虎等[27]、李明財等[28]、戴德藝等[29]也基于不同遙感數據和GIS方法分別對中國主要城市的城市用地擴張時空演變進行深入研究。

寧波市作為副省級城市和計劃單列市，經歷了特色的城鎮(zhèn)化發(fā)展演變的過程。了解寧波市發(fā)展歷程，對未來的城市發(fā)展和規(guī)劃，具有重要的現實意義。本文著重探討寧波市20世紀60年代以來的建設區(qū)擴張空間特征，定量評價其發(fā)展特點和擴張模式，旨在為新一輪總規(guī)編制、優(yōu)化城市空間格局等提供科學依據，助力寧波市“名城名都”建設、生態(tài)文明建設及美麗寧波、“城市雙修”、海綿城市建設。

2 研究區(qū)與數據

2.1 研究區(qū)概況

寧波是副省級城市，下轄6個區(qū)和4個縣市，改革開放以來，城市化進程速度飛快，城鎮(zhèn)建設區(qū)面積大幅增長。研究區(qū)為寧波市中心城區(qū)(如圖1所示)，主要覆蓋海曙、江北、鄞州、鎮(zhèn)海、北侖五個區(qū)，為寧波核心城區(qū)，總面積約為 2 500 km2。

圖1 研究區(qū)范圍

2.2 數據源與預處理

本研究采用的是多時相遙感影像，包括1960年代～2016年的6期影像數據，數據情況如表1所示。以2016年影像為基準進行統(tǒng)一配準和幾何校正。其中1987年和1998年優(yōu)于 10 m的高分辨率遙感影像沒有覆蓋整個監(jiān)測區(qū)，故使用LANDSAT影像鑲嵌補充，并對其進行色調調整。

遙感影像資料表 表1

3 研究方法

3.1 建設區(qū)定義

關于城市的邊界至今有多種定義方式[23，30]，城市擴張常用建成區(qū)面積變化來表征，建成區(qū)的定義為：城市行政區(qū)內實際已成片開發(fā)建設、市政公用設施和公共設施基本具備的地區(qū)。本次監(jiān)測，使用的是多期高分辨率歷史影像，無法全面獲取多個歷史時期的市政公用設施和公共設施等輔助資料，故采用建設區(qū)進行表征。建設區(qū)的定義為：城市中心城區(qū)及其周邊相鄰地區(qū)已建設完成或正在建設、分布相對集中的地區(qū)。

3.2 分類與信息提取

基于1960年代～2016年的高空間分辨率遙感影像，利用決策樹及監(jiān)督分類等自動分類方法，提取建設區(qū)范圍，以地理國情普查中的建成區(qū)成果范圍為參考，以中心城區(qū)的行政界線為限定，按照“城市景觀紋理”符合、“建設區(qū)擴張不可逆”等原則，利用地理國情普查地表覆蓋數據(2015年)和建成區(qū)普查與監(jiān)測數據(2015年、2016年)、收集整理1960年代～2016年各類地圖作為參考數據，進行空間疊置分析，對提取信息進行精細修正，按時間倒序依次完成2016年、2007年、1998年、1987年、1970年代和1960年代各期建設區(qū)邊界信息。

3.3 分類精度評價

分類精度評估主要采用實地調查、高分辨率影像檢驗低分辨率影像的分類和目視解譯隨機點/區(qū)域三種方式。對于歷史時間序列的影像，實時實地信息獲取的可能性極低，對應地區(qū)對應時間的更高分辨率影像也存在極大困難。故本文采用目視解譯隨機點/區(qū)域方法進行精度評價。

3.4 擴張演變度量

對建設區(qū)擴張演變主要采用三類指標來表征，第一類是反映擴張程度的指標，包括面積和長度基本統(tǒng)計、擴張速率和擴張強度；第二類是反映擴張方向，通過計算重心遷移來表征；第三類是反映擴張的模式，通過公共邊測度，判定擴張模式。

(1)擴張程度度量

城鎮(zhèn)化擴張常用擴張速率和擴張強度來表征[21，31]，擴展強度表示某一時間段內各市區(qū)建設區(qū)面積相對于基期面積的年擴展比例，表示單位時間內不同市區(qū)擴展快慢的相對(比例)差異。公式為：

Ni=△Bij/(△tj×Tij)×100%

(1)

式中，Ni為擴展強度；△Bij為j時段第i個市區(qū)建設區(qū)擴展面積；△tj為j時段的時間跨度；Tij為j時段初期第i個市區(qū)建設區(qū)總面積。

擴展速率表示某一時間段內各市區(qū)建設區(qū)面積的年增長速率，表示單位時間內不同建設區(qū)擴展快慢的絕對(面積)差異。公式為：

Vi=△Bij/△tj

(2)

式中，Vi為擴展速度；△Bij為j時段第i個市區(qū)建設區(qū)擴展面積；△tj為j時段的時間跨度。

(2)重心遷移模型

基于空間上的多種社會、經濟和自然資源的重心問題研究，從20世紀70年代就開始了，人類的各種活動離不開空間、人流、物流和能量在空間上的聚散和遷移，便產生了某一時刻的重心問題，重心的運動方向是表征某一物質在空間上變化的重要指標[10，12]。

目前常用的城市用地重心坐標計算方式與人口重心計算方式相仿[10]，其計算模型為：

(4)

(5)

其中，Xt，Yt為第t年建設區(qū)的重心坐標；Cti為第i塊建設區(qū)斑塊的面積；xi，yi為第i塊建設區(qū)斑塊的重心坐標。為更好地控制飛地建設區(qū)斑塊帶來的重心計算偏移，在計算時，將面積占比小于當年總面積1%的飛地圖斑剔除。

(3)擴張模式分析

城市擴張模式的判定，最常用的有凸殼模型[3，32]，即用最小外接多邊形凸殼判斷，凸殼內部為填充式，凸殼邊界為蔓延式，凸殼外部為飛地式。但凸殼模型適用于城市群等宏觀尺度，對于微觀尺度或單一城市中觀尺度的歷史擴張演變模式測度效果不佳。此次監(jiān)測，采用中觀尺度的公共邊測度方式[25，33]。首先，確定新增建設用地斑塊與現狀建設用地斑塊的公共邊，如圖2(a)；然后，通過計算公共邊與新增斑塊周長的比值確定新增斑塊所屬擴張模式。其劃分依據[33]為：

S=Lc/P

(6)

式中：Lc為新增建設用地斑塊與現狀建設用地斑塊的公共邊長度；P為新增建設用地斑塊的總邊長。如圖2(b)所示，當S≥0.5，為填充式擴張；當0

圖2 公共邊和擴張模式示意圖[25]

4 結果與討論

4.1 提取精度評價

為驗證數據精度，選擇不參與分類提取的人員，從各期影像隨機抽取10%區(qū)域，通過目視解譯勾繪建設區(qū)，將解譯結果進行對比發(fā)現，在對建設區(qū)概念理解一致的情況下，除了1987年外，面積差異在12%以內，1987年由于大部分區(qū)域使用影像分辨率相對較低，提取效果相對較差，結合相鄰的前后兩期影像，采用人工目視解譯進行修正，而后參與分析。總體而言，數據可以達到后續(xù)分析的要求。

4.2 建設區(qū)歷史演變

(1)建設區(qū)擴張分析

經過上述數據提取方法，得到了1960s～2016年寧波市中心城區(qū)建設區(qū)范圍，如圖3所示?；谠摂祿?，分別計算了其擴張速率和擴張強度的變化。

圖3 1960s～2016年中心城區(qū)建設區(qū)擴張圖

從圖3可以直觀看出，1960s～2016年，中心城區(qū)建設區(qū)二維擴張顯著。從三江口為中心的主城區(qū)，逐漸發(fā)展為三江口主城區(qū)和鎮(zhèn)海、北侖兩個較為發(fā)達的衛(wèi)星城，并呈現出逐漸“握手”融合的趨勢。

分析圖4，大體可以將中心城區(qū)建設區(qū)擴張分為三個階段：停滯及緩慢增長階段(1960s～1970s)，60年代～70年代建設區(qū)增長停滯，建設區(qū)的面積基本持平，新增建設區(qū)面積僅 2.67 km2；緩慢增長階段(1970s～1998年)，70年代～1987年有緩慢增長的趨勢，增幅較小，增加建設區(qū)面積 24.28 km2，1987年～1998年穩(wěn)步增長，增幅加大，新增建設區(qū)面積52.48 km2；快速增長階段(1998年～2016年)，進入快速城鎮(zhèn)化階段，建設區(qū)面積增長迅猛，城市規(guī)模進一步擴大，該階段新增建設區(qū)面積 450.17 km2，增幅超過1998年建設區(qū)總面積的4倍。

圖4 1960s～2016年建設區(qū)總面積及相鄰兩期增長面積

從圖5可以看出，在歷史演變的過程中，中心城區(qū)建設區(qū)擴張速率主要有兩個趨勢，以2007年為節(jié)點，2007年以前擴張速率逐期增大，2007年后擴張速率增速放緩，但仍處于較高水平。

圖5 中心城區(qū)建設區(qū)擴張速率和擴張強度變化圖

擴張強度有一定的曲折性，發(fā)展停滯階段(1960s～1970s)，擴張強度較?。?970s～1987年，由于建設區(qū)面積基數較小，雖然增長速率未處于較高水平，擴張強度值卻較高。1998年～2007年期間，擴張速率和擴張強度都處于最高水平，在此期間，城市擴張最為迅猛。2007年～2016年期間，建設區(qū)面積基數大，擴張強度有所回落，擴張趨勢有所減緩，用地較為集約。

通過五區(qū)擴張速率比對(如圖6所示)，可以發(fā)現，海曙區(qū)、江北區(qū)擴張速率處于較平穩(wěn)有序增長。北侖區(qū)、鎮(zhèn)海區(qū)以及鄞州區(qū)在快速增長階段(1998年～2016年)，建設區(qū)擴張迅猛，呈現“破竹”之勢。

圖6 1960s～2016年各區(qū)建設區(qū)擴張速率

通過五區(qū)擴張強度比對(如圖7所示)，可以發(fā)現，海曙區(qū)、江北區(qū)擴張強度處于較平穩(wěn)狀態(tài)。北侖區(qū)在1987年～2007年期間，擴張強度明顯增大，超越其他區(qū)域，出現高峰，這與改革開放初期，“七五”計劃以及計劃單列市等一系列引領寧波發(fā)展的政策息息相關，“依港而建”的北侖工業(yè)新城迅速崛起。鄞州區(qū)自1987年～2007年，擴張強度都處于較高水平，尤其是1998年～2007年，在建設區(qū)基數較大的情況下，仍出現峰值，這與2002年鄞州“撤縣變區(qū)”，大力開發(fā)南部商務區(qū)的發(fā)展相符。鎮(zhèn)海區(qū)于1970s～1987年期間出現擴張強度峰值，這也與20世紀70年代初鎮(zhèn)海在國家主導“四大工程”工業(yè)化建設下，由“海防重鎮(zhèn)”向“現代化深水港”轉變的發(fā)展歷程相符。

圖7 1960s～2016年各區(qū)建設區(qū)擴張強度

(2)建設區(qū)重心遷移

基于各時期建設區(qū)數據，依據式(4)、(5)計算得到中心城區(qū)及其五區(qū)各時期建設區(qū)重心位置，如圖8所示。

圖8 1960s～2016年中心城區(qū)及其五區(qū)建設區(qū)重心遷移示意圖

可以看出，中心五區(qū)建設區(qū)重心在20世紀60年代以來，有東偏南移動趨勢，這主要與鎮(zhèn)海區(qū)和北侖區(qū)兩大衛(wèi)星城的快速發(fā)展息息相關。

海曙建設區(qū)重心呈現鮮明的西偏南方向遷移趨勢，隨著建設區(qū)外擴，重心從三江口舊城區(qū)逐漸外移。江北建設區(qū)重心先是向東南遷移，而后往西北方向遷移。鄞州建設區(qū)重心移動軌跡先向東偏移，而后大幅向南遷移。鎮(zhèn)海建設區(qū)重心呈現鮮明的西偏北方向遷移趨勢，也是隨著建設區(qū)擴張而逐漸往西偏北方向遷移。北侖建設區(qū)重心偏移軌跡較為復雜，20世紀60年代與70年代，主要為大型村鎮(zhèn)聚落，80年代由于鎮(zhèn)海發(fā)展迅速，北侖與鎮(zhèn)海隔河相望處建設區(qū)新增較多，建設區(qū)重心跳躍式向西遷移，90年代開始，北侖工業(yè)新城發(fā)展迅猛，重心隨著新城建設而迅速東遷。

(3)建設區(qū)擴張模式

基于各時期建設區(qū)邊界數據，采用公共邊測度方法，獲取各期新增建設區(qū)圖斑擴張模式類型，如圖9所示，并計算各時期三種擴張模式面積占比情況，如圖10所示。

圖9 1960s～2016年中心城區(qū)建設區(qū)擴張模式

圖10 1960s～2016年中心城區(qū)三種擴張模式面積占比圖

寧波市的發(fā)展經歷了幾個重要節(jié)點，1927年設寧波市，1978年改革開放，1987年成為計劃單列市、1994年被確定為副省級城市。從圖9和圖10擴張模式分析可以看出，寧波城市的發(fā)展與國家的政策導向以及城市定位息息相關。

蔓延式在各個時期中都是中心城區(qū)城鎮(zhèn)化擴張的主要模式。填充式作為精細化、集約化城鎮(zhèn)化擴張模式，在1960s～1970s和2007年～2016年兩個時期，占比較大，前者為改革開放以前，城鎮(zhèn)化摸索前進，處于發(fā)展停滯時期；后者為城鎮(zhèn)化擴張速率增速有所放緩，趨向集約化發(fā)展時期，都是城市較為穩(wěn)定的時期。1970s～1987年期間，改革開放帶來蔓延式占絕對主導的城鎮(zhèn)化發(fā)展小高潮。飛地式擴張模式在1987年～1998年占比較大，這正是寧波成為計劃單列市和副省級城市的時期，說明該階段為城市迅猛發(fā)展的前期，以飛地形式跳躍性擴張；而后迎來蔓延式為主的快速城鎮(zhèn)化階段。

5 結 論

通過建設區(qū)擴張演變分析，探尋寧波市中心城區(qū)時空演變歷程和規(guī)律，揭示了其演變宏觀規(guī)律，得到的結論為：

(1)1960s～2016年，中心城區(qū)建設區(qū)二維擴張顯著，中心五區(qū)建設區(qū)重心在60年代以來，有東南方向遷移趨勢。從三江口為中心的主城區(qū)，逐漸發(fā)展為三江口主城區(qū)和鎮(zhèn)海、北侖兩個較為發(fā)達的衛(wèi)星城，并呈現出逐漸“握手”融合的趨勢。

(2)中心城區(qū)建設區(qū)擴張大體可以分為三個階段：停滯及緩慢增長階段(1960s～1970s)，緩慢增長階段(1970s～1998年)和快速增長階段(1998年～2016年)。蔓延式在各個時期中都是寧波市中心城區(qū)城鎮(zhèn)化擴張的主要模式。

(3)中心城區(qū)建設區(qū)擴張速率以2007年為節(jié)點，2007年以前擴張速率明顯增大，2007年后速度放緩，但仍處于較高水平；擴張強度有一定的曲折性；1998年～2007年期間，擴張速率和擴張強度都處于最高水平，在此期間，城市擴張最為迅猛。2007年～2016年期間，擴張速率和擴張強度都有所回落，用地更為集約，擴張趨勢有所減緩。

本文研究仍存在一些不足之處，受限于歷史影像資料覆蓋范圍和時間，加之歷史影像分辨率和影像質量各異，在信息提取的過程中，各年份的提取精度略有差異，但是經過精度驗證和輔助數據核查，數據可靠性在可接受范疇內。