敦化市城市規模和效益協調度研究

徐銘崇，李淑杰，張瀛

吉林大學 地球科學學院，長春 130061

0 引言

隨著中國城鎮化和工業化進程向前推進，城市用地作為稀缺的資源被大幅消耗[1]，協調好城市規模和效益之間的關系成為影響城市發展的關鍵。早期城市規模研究產生于阿朗索的單中心城市模型[2]，逐漸發展為以探求最優城市規模為主要目標[3]，隨著城市用地范圍擴大和可持續理論的提出，國外學者認識到城市發展的動態性，從追求單一目標轉向尋求多方影響因素對城市規模的作用[4]，同時對空間形態變化、模式特征等進行歸納和測度[5-8]。伴隨航天遙感技術的發展,利用遙感影像觀測和量化城市用地規模，進而采用各類統計方法進行分析也逐漸成為熱點[9]。國內對于城市規模的觀點也不僅限于城市用地規模，而是將人口規模和經濟規模融入城市綜合規模，并從成本收益、集聚經濟、城市效益乃至生態環境等方面關注到了城市效益與城市規模之間的關系[10]。

城市規模和效益始終處于變動狀態，而以往的研究更重視某一時刻的適度規模，并僅將城市規模和經濟效益建立聯系[11]，不夠重視長期的城市規模變化和城市綜合效益的協調關系；另外，研究對象多以大中型城市或城市群為主[12-13]，對小城市的關注還不多。因此，筆者選取吉林省敦化市主城區作為研究區域，通過處理和對比2010—2018年的遙感影像數據，測度城市用地規模變化情況，分析城市用地、經濟和人口規模的協調變化，構建城市規模和效益協調度和灰色關聯度模型，討論和衡量敦化市城市規模和用地效益的協調發展水平及其相互關聯程度和影響機理，其結果將揭示敦化市城市發展的協調水平和存在的不協調問題，并根據其自然環境條件、社會經濟和政策規劃情況提出進一步優化城市擴張與用地效益增長的建議和策略。

1 研究區概況

敦化市隸屬于吉林省延邊朝鮮族自治州(127°28′～129°17′E， 42°42′～44°30′N)，面積11 787.76 km2，為北中溫帶大陸性半濕潤氣候區，屬長白山西麓，由張廣才嶺、大黑嶺、牡丹嶺和威虎嶺等山脈所環抱，中部為丘陵、臺地，地勢呈四周高、中部低的特點[14]。各山脈總體走向除牡丹嶺呈近東西向外，其余均為北東-南西走向。境內地貌形態有侵蝕火山地貌、侵蝕構造地貌、構造剝蝕地貌和剝蝕堆積地貌等，其中，城區所處位置主要為剝蝕堆積地貌，由階地、漫灘組成牡丹江河谷平原，區內第四系較發育[15]。城市用地在正東、正南、正北方向拓展都會受到低山丘陵的限制，且地面由河谷兩側向河床及下游方向緩傾斜并呈北東向展布，這也在一定程度上引導了敦化市的建設活動范圍和生產生活形式。

敦化市管轄11個鎮、5個鄉、4個街道辦事處和1個省級經濟開發區，是吉林省區域面積最大的縣級市。全市土地近80%為山區林地，市中心城區面積不足35 km2，2018年，全市常住人口不足47萬，屬于典型的東北山區小城市。近年來，以鶴大高速公路、琿烏高速公路和國道201繞城道路相連接的交通路網不斷完善，使得敦化市逐漸突破障礙，在道路沿線得到擴展(圖1)。

圖1 敦化市區位圖Fig.1 Location of Dunhua City

2 研究方法

2.1 數據來源和處理

研究數據主要包括遙感影像數據和其他數據。影像數據為2010年美國地球資源衛星Landsat 5 TM 影像(9月8日，空間分辨率30 m，其中全色波段分辨率15 m)，2014年和2018年美國地球資源衛星Landsat 8 OLI_TIRS影像(4月28日和3月22日，空間分辨率30 m，其中全色波段分辨率15 m)，數據均為當年云量<1%。為保證研究覆蓋敦化市全域，篩選條帶號為116，行編號分別為29和30。其他數據主要來源于2010、2014和2018年敦化市統計年鑒、敦化市土地利用總體規劃調整方案(2006—2020年)和敦化市城市總體規劃(2010—2030年)等。

本次研究選取的影像級別為經過輻射校正和幾何校正的L1T級，成像質量較好，在對影像進行預處理的基礎上[16]，由于敦化市橫跨兩景，需要對校正后影像進行圖像鑲嵌和融合，進而采用監督分類和目視解譯[17]結合的方法，提取敦化市城市邊界。

2.2 模型選擇和構建

2.2.1 協調度模型

反映復合系統協調度的模型有多種，筆者選取基于效益理論和平衡理論的離差系數最小化協調度模型進行測度，且鑒于協調度C只是從數量層面反映各個子系統之間的協調關系，很難反映系統整體協調發展水平[18]，因此選擇協調發展度模型進行補充。具體過程為：

(1)

(2)

T=α×E+β×F

(3)

式中：C為城市擴張和用地效益協調度；T為綜合協調指數；D為協調發展度；E、F為城市用地規模、用地效益綜合分值，通過熵權-TOPSIS法計算；α、β為待定系數，在此，借鑒大多學者的做法，認為城市效益與規模同等重要，故設定：α=β=0.5 且α+β=1。

2.2.2 灰色關聯度分析

為了更好的提升兩系統的良性促進作用，改善協調發展狀態，通過灰色關聯度模型探討城市用地規模和效益的影響因素。參考相關研究可知，灰色關聯分析是對一個系統發展變化態勢的定量描述和比較，比較適用于“小樣本”、“貧信息”不確定性系統。其基本思想是根據曲線幾何形狀的相似程度來判別其聯系是否緊密，主要通過確定參考數列Y(t)和比較數列之間Xi(t)的關聯系數和關聯度來分析[19]，具體過程為：

(4)

ΔQi(k)=|Y(k)-Xi(k)|

(5)

(6)

式中：在t=k時刻，δQi(k)為關聯系數，ΔQi(k)為k時刻兩個序列的絕對差，Δmin、Δmax分別為各個時刻絕對差中的最大值和最小值；rQi為比較數列與參考數列的關聯度，且參考有關結論將ρ設為0.5。

3 評價指標和體系

3.1 城市規模評價指標

3.1.1 城市用地數量和空間特征

城市擴張作為城市化進程中的重要表現，分別體現為城市建設用地的數量增長和城市建成區空間變化兩方面。本文引入擴張速度、擴張強度、城市空間重心和緊湊度4項指標[20-21]，對比分析城市用地規模的數量和空間特征。

城市用地擴張速度和強度指標具體計算公式如下：

(7)

(8)

式中：Uv為城市用地擴張速度；Ui為城市用地擴張強度；ΔUt為研究期內城市用地擴張面積；Δt為研究期(本文以4年為單位)；Ut為研究期初的城市用地面積；S為城市空間重心和緊湊度指標,具體計算公式如下：

(9)

(10)

(11)

式中：Xz、Yz分別為城市用地重心的橫縱坐標；Xm、Ym為第m塊城市用地的幾何中心橫縱坐標；Sm為第m塊片區面積；n為城市斑塊個數；C為城市緊湊度；U和P分別為城鎮用地的面積和周長。

3.1.2 城市用地經濟和人口特征

社會經濟的發展源于社會產出的增加，而社會產出的增加勢必要占用一定的土地得以實現；同時，隨著城市承載人口的不斷上升，也將導致城市用地規模的擴張[22]。本文引入城市用地地均地區生產總值、城市用地人口密度、單位新增人口的建設用地消耗量和單位新增經濟總量的建設用地消耗量4項指標，對比分析經濟、人口因素對城市用地規模的影響。

3.2 城市規模和效益協調度評價指標體系

參考相關研究，結合敦化市實際情況，選取以下16個指標構建城市規模和效益協調度評價指標體系(表1)，并將不同協調度所對應的發展階段劃分為9個等級[23](表2)。

4 結果和討論

4.1 城市規模分析

對經過監督分類和目視解譯的敦化市城區提取結果進行計算，分別得到2010年、2014年和2018年面積為26.50 km2、27.01 km2和27.93 km2(圖2)，城市用地規模有小幅增長，基本保持穩定。

通過計算，城區用地面積從2010年占敦化市土地總面積的0.22%增加到2018年的0.24%，擴張面積僅為1.43 km2，年均擴張速度僅為0.18 km2，以敦化市區西部出現的工業廠區和城市內部牡丹江沿岸的用地增加為主。而擴張速度和強度指標均有所增加，擴張速度由0.48%增長為0.85%；擴張強度由0.36%增長為0.87%，主要是因為城區總體規模較小，少量的面積增加也會導致擴張速度和強度的明顯變化。

表1 協調度評價指標體系及原始值

表2 協調度等級劃分

圖2 2010—2018年敦化市城區范圍提取結果Fig.2 Extraction results of urban land in Dunhua City from 2010 to 2018

緊湊度指數有所降低，2010—2014年敦化市區規模變化的空間緊湊度降低0.06，降幅達到35.29%，變化明顯，偏向于外延式擴展，而2014—2018年保持在0.11±，說明在這一階段，敦化市區保持空間上的穩定狀態，總體偏向于填充式擴展(表3)。同時，以2010年敦化市城市空間重心為坐標原點計算可知，2010—2014年城市重心向西北方向移動，偏移距離153.69 m，2014—2018年城市重心向西南方向移動，偏移距離229.07 m，主要是受到市區工業用地向西發展，且用地規劃正在逐年建設南部新城的影響，但兩個階段中敦化市城市重心偏移幅度不大(圖3)。整體來看，敦化市城市用地數量增長和空間結構的變化反映出8年間敦化市區用地規模增長緩慢，城市內部空間格局較為穩定的特點。

表3 2010—2018年敦化市城市規模變化評價指標表

圖3 2010—2018年敦化市城市空間重心變化Fig.3 Changes of urban spatial center of gravity in Dunhua City from 2010 to 2018

由表3可見，2010—2018年，敦化市地區生產總值增幅顯著，且由于地區生產總值的增幅遠大于城市用地規模的增幅，進而使地均地區生產總值也顯著提升。同時，2010—2014年間，敦化市每萬元新增GDP的城市用地消耗量是0.69 m2，屬于較低水平，而2014—2018年間增長到4.29 m2，表明敦化市經濟發展和城市用地之間協調性顯著增強。

8年間敦化市人口數量呈現減少趨勢，城市用地人口密度由2010年的7 743人/km2下降至2018年的7 086人/km2，單位新增人口的建設用地消耗量也為負值，反映出敦化市的單位土地承載人口能力有所下降，城市規模增大和人口規模減小之間存在不協調。

4.2 城市規模與效益協調度分析

通過構建城市規模和效益協調度復合系統評價指標體系，采用以客觀賦值為主，依據指標變異性大小計算的熵權-TOPSIS法，構建標準化矩陣、信息熵和特征權重，計算正、負理想向量和歐式距離，獲得各項指標權重[24]，并計算得到2010、2014、2018年城市用地規模綜合分值以及相對應的城市用地效益綜合分值(表4、5)，可以看出城市規模和效益兩個系統的綜合分值均呈現上升趨勢，城市規模增長和城市效益提升顯現同向發展態勢。

表4 城市規模和用地效益權重值

表5 城市規模和用地效益綜合分值

將綜合分值代入公式(1)～(3)，得到3個時期敦化市城市規模與效益協調發展情況，并參考等級劃分標準確定協調程度(表6)?？梢钥吹?，2010—2018年，敦化市用地規模和用地效益之間的協調度指數從0.620 1增長至0.744 7，說明兩系統之間的協調度不斷增強但仍處于磨合狀態。協調發展度指數在瀕臨失調向勉強協調之間轉變，表明經過8年的發展，敦化市城市用地規模和效益的自身水平較高，整體協調發展程度不斷提升，但仍有較大改善空間。

表6 城市規模和效益協調度

4.3 城市擴張與用地效益關聯度分析

在城市規模與用地效益協調分析中，兩系統的協調發展程度不斷提升，利用灰色關聯度分析模型得出影響用地規模和效益的因素，可為敦化市城市用地后續的發展提供建議。在此基礎上，參考前人關于城市規模影響因素的研究[25]，從自然環境、社會經濟和政策規劃3個層面選取13項指標并進行灰色關聯度計算(表7)。

表7 灰色關聯度分析指標體系及原始值

對2010、2014、2018年影響敦化市用地效益的指標(Xi)與敦化市城區用地規模(Y)進行均值化后計算關聯系數和關聯度，得到最終排序結果為：

X12>X5>X6>X3>X10>X9>X13>X11>X7>X4>X1>X2>X8

由此可知，影響敦化市城市規模和效益發展的指標順序為：公共財政支出>城市居民人均可支配收入>房地產開發投資額>人均GDP>中小學數目>人均城市道路面積>城市年度供應土地面積>醫院床位數>城市人口密度>非農產業比重>城區綠化覆蓋率>城市空氣質量優良比率(表8)。

表8 城區面積與指標關聯度結果統計表

5 結論

(1)2010—2018年，敦化市城市用地擴張速度和強度有所增加，城市緊湊度指數有所下降，但整體用地規模擴張緩慢，城市重心移動幅度不大，城市用地規模趨于穩定；地區生產總值增幅顯著，人口數量減少，經濟發展和城市用地之間協調性顯著增強，人口發展和城市用地之間不協調。

(2)敦化市城市規模增長和城市效益提升顯現同向發展態勢，二者的協調度指數從0.620 1增長至0.744 7，協調發展度指數從0.421 3增長到0.564 7，整體協調發展程度不斷提升，處于勉強協調階段。

(3)公共財政支出是影響敦化市城市規模和效益的最主要的推動因素，政策和財政因素對驅動敦化市城市用地面積擴張有明顯作用。