城市扩展多尺度驱动机制分析—以北京为例

文章编号：1000-8462（2009）05-0714-08城市扩展多尺度驱动机制分析———以北京为例黄庆旭1,3，何春阳1,2，史培军1,3，赵媛媛1,2，杨洋1,2，刘洪友4（1.北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室，中国北京100875；2.北京师范大学资源学院，中国北京100875；3.北京师范大学减灾与应急管理研究院，中国北京100875；4.北京国泰智业土地规划设计有限公司，中国北京100035）摘要：厘清土地利用变化与其驱动力之间的关系，是土地利用变化研究的核心，也是建立变化模型和定量预测的基础。

以北京为研究案例，基于遥感影像和GIS 技术，获取了1991—2004年北京城市扩展信息，定量分析比较了1991—2004年北京地区面状、线状和点状三种城市扩展空间过程。

并从宏观、中观和微观三个尺度上，分析了北京城市扩展过程的驱动机制。

结果表明：①城镇用地扩展过程显著，城镇用地在区域总面积中所占比例从1991年的9.80%增长到2004年的17.93%；②城市化过程，主要表现为点状、线状和面状城市化三种基本模式；③宏观、中观和微观三层次的驱动因子影响城市扩展过程。

宏观尺度上，城市规划，土地利用政策等政府行为和过去三千年城市发展形成的旧有城市格局从根本上决定了现代北京城市发展的基本风貌和格局；在中观尺度上社会和经济因素为城市扩展提供了驱动力，最明显的是人口增长和人民生活水平的提高；微观尺度的地形、区位和交通限制决定了城市扩展的可能性，最利于城市扩展的因子是距高速公路的距离。

三者综合作用的结果是1991—2004年北京城市化强度出现一个先增长后减小的发展趋势。

关键词：土地利用/覆盖；城市扩展；驱动力；GIS ；北京中图分类号：F293.2文献标识码：A伴随人口增长的强烈土地利用变化，以及这种变化对环境的影响，是研究土地利用变化的热点。

在近20多年中，一些国际交叉学科项目，如土地利用/覆盖变化计划（Land Use and Cover Change Program ）、全球土地计划（Global Land Project ）都致力于回答这个问题。

这些项目均提出理解和认识土地利用变化的驱动因子是研究的核心问题[1-3]，也是建立动态变化模型和定量预测的基础[4]。

当前，全世界特别是发展中国家正在经历快速的城市化过程，城市化已成为人类活动改造自然环境的主要方式之一[4]。

原因在于这种变化在为人类提供更多就业机会和制造更多福利的同时，也改变了自然过程，如径流过程、蒸散发过程和生态过程等，并且产生了如环境污染、交通拥挤、犯罪、居住环境恶化等一系列城市问题，影响区域和全球的可持续发展[5-6]。

因此，研究城市化下的城市扩展过程的驱动机制是土地利用/覆盖变化的驱动机制具有一定的典型性。

目前，许多研究者就城市化背景下的土地利用/覆盖变化机理开展研究[7-17]，研究者明确指出区域土地利用驱动力研究的重要命题在于其尺度的依赖[15]，综观已有研究，大致可将驱动机制分为宏观、中观和微观三个尺度，其结果是多尺度多层次综合作用效果[16]。

①宏观区域尺度的体制政策的转变是城市化地区土地利用/覆盖变化的根本原因，如顾朝林分析发现从高度集中的计划经济向社会主义市场经济的转变，企业和个人成为相对独立的利益主体，成为影响城市集聚和扩散的重要力量[7]；史培军等认为政策体制转变下的经济高速增长和快速的城市化过程是北京城乡过渡区土地利用/覆盖变化的主因[8]，Ding 认为北京土地利用变化与土地利用政策改革关系密切[9]。

②中观尺度的社会经济发展，特别是人口和经济的快速增长，对物质产品、文化生活和环境质量提出了更高的需求，从而影响城市的土地利用/覆盖变化。

如谈明洪等对我国城市用地扩张机制的分析，认为经济增长、人口增长等是城市扩展的根本驱动因素[10]；何春阳等发现耕地的损失与居民消费水平密切相关[11]；张有全等通过收稿时间：2008-11-18；修回时间：2009-04-20基金项目：北京市自然科学基金项目（编号：9092007）、北京市委组织部2008年北京市优秀人才培养D 类项目及教育部留学回国人员科研启动基金项目联合资助。

第29卷第5期经济地理Vol.29，No.52009年5月ECONOM IC GEOGRAPHY M ay ，2009第5期黄庆旭，何春阳，史培军等：城市扩展多尺度驱动机制分析715偏相关分析发现经济的发展是北京城市用地扩展的根本驱动力[12]。

③微观尺度的区位因素即用地类型对交通、地形、位置、土壤类型质量等制约着土地利用/覆盖变化的方向。

利用多源遥感数据，牟凤云等认为在微观尺度上交通的发展促进了城市用地的扩展，是城市扩展的牵引力，对城市空间扩展具有指向性作用[13]。

段增强利用局地因子和邻域因子对北京城市扩展进行了模拟，取得比较好的效果[14]。

近20多年来，伴随着人口和经济的高速增长，中国正进行着快速的城市化过程，并且这个过程还表现出加速的趋势，预计城市人口比重将增长到48%—50%（2020年）乃至60%（2030年）[18]。

北京作为中国的首都，在过去近30年来，经历了一个经济和人口高速增长的时期，人口从871.5万（1978年）增加到1538万（2005年），GDP从108.4亿（1978年）增加到6886.3亿元（2005年），同时也经历了土地利用政策的不断变化，从而出现大规模的城市扩展过程，是分析驱动机制很好的案例区。

因此，认识和了解北京城市扩展不同尺度的驱动机制是非常必要的。

但已有研究对于驱动机制的分析往往只刻画一到二个尺度，分析也多为定性解释，定量分析多在统计尺度，而忽略了空间尺度。

事实上，变化过程在空间上与驱动因素有一定的联系，并且驱动机制是宏观的政策、中观的经济社会发展、微观的城市形态综合的作用结果[8，12，13，16,17]。

鉴于此，本文提出多尺度驱动机制分析方法，以北京地区为研究案例区，在“3S”技术的支持下，通过对北京地区1991—2004年四期遥感数据的处理和分析，在时间和空间上定性定量地，从驱动力的三个尺度综合分析北京城市扩展的驱动机制。

1研究区和数据研究区包括整个北京市18个区（县）级行政单元，总面积为16404.1km2（图1）。

地形上西北高东南低，由西北向东南呈现出低山—丘陵—山前洪积—平原区的有序排列；经济上具有从城市核心区、城乡过渡区到远郊区（县）的明显过渡结构，映射出人类活动由强到弱的梯度变化，充分反映了北京地区的土地利用/覆盖变化主要特征。

采用的遥感数据主要是季相较为一致，质量较好，无云，编号为123/32的四期Landsat TM/ETM+（1991年5月6日、1997年5月16日、2000年4月30日获取的的TM和2004年4月1获取的ETM+）数据。

统计数据主要来自1992—2005年北京市统计年鉴。

图1研究区Fig.1Study area2城市扩展多尺度驱动机制厘清土地利用变化与其驱动力之间的关系，是土地利用变化研究的核心，同时也是建立动态变化检测模型和进行定量预测的基础。

在1969年，穆迪（M urdie）提出了房地产空间分布模型，认为影响空间分布的因子包括社会空间（Social Space）和实体空间（Physical Space），其中社会空间包括种族状况、家族状况和经济状况（图2）[19]。

摆万奇研究指出，驱动力的定义是导致土地利用/覆盖的自然和社会经济属性发生变化的主要生物物理因素和社会经济因素[16]。

但是两者均忽略了宏观尺度的规划制度对土地利用/覆盖变化的作用。

参考模型和已图2穆迪模型Fig.2Murdie model①北京市统计年鉴，2006。

716经济地理第29卷有研究[7-17]，提出城市扩展多尺度驱动机制综合分析的方法（图3）。

城市扩展过程中非城镇单元向城镇单元的转化主要由宏观、中观和微观三个尺度的因素决定。

①宏观区域尺度的体制政策。

其转变是城市化地区土地利用/覆盖变化的根本原因。

城市的总体规划和土地利用规划，土地利用相关政策和法规（如基本农田保护政策、房地产开发法规等），以及土地利用的体制转变，对城市扩展具有强制性、指导性和决定性的作用。

②中观尺度的社会经济发展。

一方面，随着人口和经济的快速增长，对物质产品和文化生活提出了更高的需求[23]。

同时，由于城市扩展带来的负面影响，所以对环境质量也提出了更高的需求，从而从市场经济和生态环境的角度影响对不同类型用地需求的变化。

③微观尺度的生物物理和区位因素。

由于自然条件（如地质、地貌、气候、水文和土壤等）相对稳定，不易改变，所以对城市扩展有着限制作用。

而局地的区位特点，如地形、交通状况和公共设施状况等，则影响城市扩展的难易程度。

城市扩展是这三个尺度驱动力的合力的综合作用结果（图3）。

但是，现在对三个尺度的驱动机制同时分析研究还不多，采用的方法也多为定性分析和简单的统计分析，因此，本文以北京为例，对上述三个尺度的驱动机制，进行定性定量和时间空间上的综合分析。

图3区域城市扩展多尺度驱动机制Fig.3Multi-scale driving forces of regional urbanexpansion3北京城市扩展多尺度驱动机制分析3.1北京城市扩展过程利用四期遥感数据，采用分类后比较的方法提取北京市土地利用/覆盖信息[11]，并在此基础上利用GIS技术提取北京地区城市扩展的基本信息（表1、图4）。

目前，从空间和景观的角度看，城市扩展过程主要理解为农村土地利用单元向城镇土地利用单元的转化，主要包括三种模式[20-22]：中心大区和外围次级中心的面状城市化模式；中心大区和外围次级中心之间沿线状交通干线的线状城市化过程；以及中心大区与外围次级中心广大地域之间的点状城市化过程。

同时，为了有效地利用GIS技术进行城市化过程的空间分析，通过利用城市化比例指数和强度指数对城市化过程进行刻画[11]。

某一空间分析区域区内的城市化比例指数F 和城市化强度指数M可以表示为：F＝U·100%/RM=F/Δt式中：U表示该区域城市化过程中非城市像元转化为城市象元的总数；R表示该区域内城市化前的非城市象元总数，Δt表示间隔时间（年）。

表1北京地区城市化基本特征Tab.1Characters of urbanization in Beijing年代用地类型面积/km2占北京总面积年变化率平原区山区比例%% 1991城镇用地1333.88268.219.801997城镇用地1890.86356.3413.74 6.71 2000城镇用地2129.85451.1115.78 4.95 2004城镇用地2426.89504.6317.93 3.40注：山区和平原的分界线为海拔100m。