高雁鵬，郭春瑤

(東北大學(xué)江河建筑學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110169)

近年來(lái)，中國(guó)城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進(jìn)程刺激了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增長(zhǎng)和社會(huì)空間的擴(kuò)展，同時(shí)也帶來(lái)了城市無(wú)序蔓延、結(jié)構(gòu)失衡等問(wèn)題[1]。隨著城市發(fā)展進(jìn)入存量階段，城市的適度開發(fā)與合理控制是支撐社會(huì)良性發(fā)展的必然選擇[2]。沈陽(yáng)市作為重要的老工業(yè)城市，在長(zhǎng)期的城市開發(fā)過(guò)程中存在單向集聚、粗獷增長(zhǎng)、規(guī)模密度失衡等問(wèn)題?？茖W(xué)準(zhǔn)確地測(cè)度沈陽(yáng)市城市開發(fā)強(qiáng)度、明晰其空間特征是優(yōu)化城市空間布局、實(shí)現(xiàn)城市精細(xì)化管理和高質(zhì)量發(fā)展的重要依據(jù)。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于城市開發(fā)強(qiáng)度的研究主要集中在概念內(nèi)涵、時(shí)空特征、影響機(jī)理以及評(píng)價(jià)分析等方面。城市開發(fā)強(qiáng)度的內(nèi)涵不斷豐富。岳文澤等[3]強(qiáng)調(diào)用建筑密度、道路密度、人口密度等社會(huì)指標(biāo)反映城市開發(fā)強(qiáng)度。吳大放等[4]從土地?cái)U(kuò)張程度、人口聚集能力、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和社會(huì)投入水平4個(gè)方面對(duì)城市開發(fā)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)。現(xiàn)有研究多運(yùn)用探索性空間數(shù)據(jù)分析、趨勢(shì)面分析[5]、空間自相關(guān)分析[6]等方法對(duì)城市開發(fā)強(qiáng)度空間分布特征、格局演變及時(shí)空分異機(jī)制進(jìn)行探析。部分學(xué)者[7-8]關(guān)注城市開發(fā)強(qiáng)度的影響機(jī)理，利用經(jīng)濟(jì)計(jì)量模型、地理探測(cè)器等解析城市開發(fā)強(qiáng)度的影響因素?？傮w來(lái)看，城市開發(fā)強(qiáng)度研究已取得了豐碩成果，但目前仍存在一定的局限。從指標(biāo)選擇來(lái)看，以往的研究多選擇二維尺度及宏觀測(cè)度，未能充分闡釋城市開發(fā)強(qiáng)度多層次的豐富內(nèi)涵。研究單元多以行政單元為最小單位，數(shù)據(jù)多依賴統(tǒng)計(jì)年鑒和政府部門的官方數(shù)據(jù)，在研究尺度和數(shù)據(jù)精度上有待細(xì)化。

基于已有研究，結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)，將城市開發(fā)強(qiáng)度界定為城市土地開發(fā)利用程度及其承載的累積密度[9]。選擇土地、建筑、功能、人口4個(gè)維度的指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)體系?？臻g尺度依據(jù)《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50180—93)》，參考居住組團(tuán)規(guī)模，選擇250 m×250 m的網(wǎng)格尺度作為評(píng)價(jià)單元[10]。對(duì)城市開發(fā)強(qiáng)度空間分布規(guī)律和結(jié)構(gòu)性特征進(jìn)行分析，構(gòu)建耦合協(xié)調(diào)模型，探討各維度開發(fā)強(qiáng)度耦合協(xié)調(diào)水平，最后由點(diǎn)及面，運(yùn)用變異系數(shù)、冷熱點(diǎn)分析等方法對(duì)城市開發(fā)強(qiáng)度空間格局進(jìn)行分析。旨在更加多源化、精細(xì)化地測(cè)度沈陽(yáng)市城市開發(fā)強(qiáng)度，為城市國(guó)土空間格局優(yōu)化提供參考依據(jù)。

一、研究?jī)?nèi)容與方法

1.研究區(qū)域

以沈陽(yáng)市市域?yàn)檠芯繀^(qū)。沈陽(yáng)市地處中國(guó)東北地區(qū)、遼寧省中部，是中國(guó)“特大城市”，下轄10個(gè)區(qū)、2個(gè)縣、代管1個(gè)縣級(jí)市，中心城區(qū)以四環(huán)路為基礎(chǔ)(見圖1)。沈陽(yáng)市土地總面積1 285 804.55 hm2，其中，建設(shè)用地面積198 886.19 hm2，約占總面積的15.5%(見圖2)。

圖1 研究區(qū)范圍

圖2 研究區(qū)土地利用

2.數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

(1)數(shù)據(jù)來(lái)源

研究數(shù)據(jù)以用地?cái)?shù)據(jù)、建筑數(shù)據(jù)、城市興趣點(diǎn)(Point of Interest，POI)數(shù)據(jù)以及人口數(shù)據(jù)等多源大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并輔以傳統(tǒng)的行政邊界矢量數(shù)據(jù)(見表1)。

各項(xiàng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一選擇2020年作為時(shí)間截點(diǎn)，投影坐標(biāo)系選擇WGS 1984 UTM ZONE 51N，評(píng)價(jià)單元采用規(guī)則格網(wǎng)方式，空間尺度設(shè)定為250 m×250 m的矢量格網(wǎng)，整個(gè)研究區(qū)共劃分了208 141個(gè)格網(wǎng)單元。

(2)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理過(guò)程包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、評(píng)價(jià)因子量化、綜合測(cè)度體系建立、數(shù)據(jù)可視化、耦合協(xié)調(diào)性分析和空間特征分析。

表1 數(shù)據(jù)選擇及來(lái)源

3.研究方法

(1)城市開發(fā)強(qiáng)度測(cè)度體系

人口變化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展驅(qū)動(dòng)城市建設(shè)，土地系統(tǒng)為城市開發(fā)提供基礎(chǔ)條件。選擇土地、建筑、功能、人口4個(gè)維度來(lái)表征城市開發(fā)強(qiáng)度。

①土地開發(fā)強(qiáng)度。城市開發(fā)以城市土地使用為核心，借鑒《全國(guó)主體功能區(qū)規(guī)劃》對(duì)土地開發(fā)強(qiáng)度的概念界定，用區(qū)域建設(shè)用地面積與區(qū)域土地總面積之比來(lái)表示。

②建筑強(qiáng)度。建筑強(qiáng)度直觀反映城市開發(fā)建設(shè)程度，選擇建筑密度和建筑容積率兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行表征。建筑密度是指單位用地承載的建筑基底面積，建筑容積率是指地上總建筑面積與凈用地面積的比率。

③功能強(qiáng)度。功能強(qiáng)度反映城市承載的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)活動(dòng)強(qiáng)度，選用單位建設(shè)用地上的POI密度進(jìn)行表征。

④人口強(qiáng)度。人口強(qiáng)度直接反映城市人口和開發(fā)利用的集聚性，選用單位建設(shè)用地承載的人口數(shù)量進(jìn)行表征。

(2)基于熵值法的城市開發(fā)強(qiáng)度綜合測(cè)度

不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)城市開發(fā)強(qiáng)度的影響程度不同，選取熵值法來(lái)確定指標(biāo)權(quán)重，指標(biāo)變異程度越大，信息熵越小，該指標(biāo)權(quán)重值就越大，反之越小[11]。熵值法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重的步驟如下：

①數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。

正向指標(biāo)：

(1)

(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m)

負(fù)向指標(biāo)：

(2)

(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m)

式中：Xmax、Xmin分別為同指標(biāo)下所有樣本的最大值和最小值；n為評(píng)價(jià)對(duì)象的個(gè)數(shù)；m為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

②計(jì)算信息熵。

(3)

③計(jì)算差異系數(shù)。

gj=1-ej

(4)

式中：gj為差異系數(shù)。

④計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重。

(5)

式中：wj為熵值法所得指標(biāo)權(quán)重。

⑤計(jì)算綜合指標(biāo)。

(6)

式中：Si為城市開發(fā)強(qiáng)度綜合得分；Wj為各指標(biāo)權(quán)重值；Xij為各指標(biāo)單因子評(píng)價(jià)分值(標(biāo)準(zhǔn)化值)。Si的取值區(qū)間為[0，1]，Si值越大，表明城市開發(fā)強(qiáng)度越高，反之越低。

計(jì)算所得城市開發(fā)強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重如表2所示。

表2 城市開發(fā)強(qiáng)度測(cè)度指標(biāo)體系

(3)耦合協(xié)調(diào)特征分析

土地、建筑、功能、人口等要素平衡互動(dòng)并實(shí)現(xiàn)空間利用綜合效益最大化是城市開發(fā)的重要目標(biāo)。運(yùn)用耦合協(xié)調(diào)模型定量測(cè)度各維度開發(fā)強(qiáng)度協(xié)調(diào)發(fā)展水平[12]，計(jì)算式為

(7)

T=αf1+βf2+γf3+δf4

(8)

(9)

式中：C為耦合度；fi為土地利用各子強(qiáng)度評(píng)價(jià)值；T為城市開發(fā)強(qiáng)度綜合評(píng)價(jià)值；筆者認(rèn)為各子強(qiáng)度在協(xié)調(diào)發(fā)展過(guò)程中同等重要，取各子強(qiáng)度的待定權(quán)數(shù)α=β=γ=δ=1/4；D為耦合協(xié)調(diào)度水平，取值范圍為0～1，值越大，表明系統(tǒng)間耦合協(xié)調(diào)度越好[11]。

參考已有文獻(xiàn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合區(qū)域特征，將城市開發(fā)強(qiáng)度耦合協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r劃分為三大類(見表3)。

表3 城市開發(fā)強(qiáng)度耦合協(xié)調(diào)度等級(jí)

(4)空間分異特征分析

針對(duì)沈陽(yáng)市城市開發(fā)強(qiáng)度區(qū)域不平衡現(xiàn)象，采用變異系數(shù)來(lái)測(cè)算各區(qū)(縣)城市開發(fā)強(qiáng)度的整體差異，計(jì)算式為

(10)

(i=1，2，…，n)

(5)空間自相關(guān)特征分析

利用空間自相關(guān)特性探究沈陽(yáng)市不同空間層次下各維度開發(fā)強(qiáng)度的空間集聚性。采用熱點(diǎn)分析(Getis-Ord Gi*)識(shí)別不同空間單元的高值簇(熱點(diǎn)區(qū))與低值簇(冷點(diǎn)區(qū))的空間聚類，計(jì)算式為

(11)

(12)

二、城市開發(fā)強(qiáng)度定量測(cè)度結(jié)果

多維測(cè)度下沈陽(yáng)市城市開發(fā)呈較為典型的高強(qiáng)度單核心式布局與周邊多中心分布相結(jié)合的空間特征(見圖3)。中心城區(qū)開發(fā)強(qiáng)度呈單中心同心圓分布，高值單元分布密集，整體開發(fā)強(qiáng)度高，區(qū)域開發(fā)以圈層狀逐步向外發(fā)展。中心城區(qū)以外開發(fā)強(qiáng)度分布較為分散，在康平縣中部、法庫(kù)縣東北部、沈北新區(qū)中部、新民市中部、遼中區(qū)中部及東部(以下簡(jiǎn)稱“五大開發(fā)中心”)形成不同程度的多中心局部高值聚集區(qū)，并沿高值中心向外呈擴(kuò)散趨勢(shì)。

圖3 城市開發(fā)強(qiáng)度測(cè)度結(jié)果

(1)土地開發(fā)強(qiáng)度測(cè)度結(jié)果如圖4(a)所示。在中心城區(qū)高值單元分布較廣，高值單元沿渾河兩側(cè)集中連片分布，整體開發(fā)強(qiáng)度高。中心城區(qū)以外土地開發(fā)強(qiáng)度大尺度上分布較為均勻，高值單元分布相對(duì)分散，在五大開發(fā)中心形成小范圍高值聚集區(qū)。

(2)建筑強(qiáng)度測(cè)度結(jié)果如圖4(b)所示。在中心城區(qū)范圍內(nèi)整體開發(fā)強(qiáng)度高，圈層分布特征較為典型。中心城區(qū)以外建筑開發(fā)程度整體偏低，建筑強(qiáng)度空間布局差異明顯、均衡性差，高值聚集區(qū)與土地開發(fā)強(qiáng)度分布較為一致。

(3)功能強(qiáng)度測(cè)度結(jié)果如圖4(c)所示。在中心城區(qū)高值單元分布由內(nèi)向外遞減，密度分布與其他維度開發(fā)強(qiáng)度相比較為分散。中心城區(qū)以外整體開發(fā)強(qiáng)度低，布局分散，高值聚集區(qū)分布與土地開發(fā)強(qiáng)度分布相對(duì)一致。

(4)人口強(qiáng)度測(cè)度結(jié)果如圖4(d)所示。在中心城區(qū)人口密度高并呈“中心—外圍”分布。中心城區(qū)以外人口分布相對(duì)均勻和分散，在五大開發(fā)中心形成強(qiáng)度中心并向外擴(kuò)散。

圖4 城市開發(fā)強(qiáng)度各維度測(cè)度結(jié)果

總體來(lái)說(shuō)，沈陽(yáng)市城市開發(fā)強(qiáng)度呈現(xiàn)“單核心、多中心”的空間結(jié)構(gòu)，城鎮(zhèn)化景觀梯度明顯。以四環(huán)為基礎(chǔ)的中心城區(qū)整體開發(fā)強(qiáng)度高并沿中心向外遞減，中心城區(qū)以外在各縣區(qū)建設(shè)中心形成局部高值聚集地。圍繞各集聚中心，開發(fā)強(qiáng)度形成由城市核心區(qū)、城鄉(xiāng)過(guò)渡區(qū)、鄉(xiāng)村地區(qū)組成的區(qū)域分層結(jié)構(gòu)。各維度開發(fā)強(qiáng)度大致呈正相關(guān)，空間分布具有一致性。不同維度開發(fā)水平不均衡，土地開發(fā)超前于人口吸引、功能布局和建筑建設(shè)。

三、城市開發(fā)強(qiáng)度耦合協(xié)調(diào)特征

沈陽(yáng)市各維度開發(fā)強(qiáng)度耦合協(xié)調(diào)水平最高值為0.86，有效低值為0.04(見圖5)。中心城區(qū)開發(fā)強(qiáng)度耦合協(xié)調(diào)水平呈同心圓結(jié)構(gòu)，二環(huán)以內(nèi)及三環(huán)南側(cè)處于高度耦合協(xié)調(diào)狀態(tài)，各維度開發(fā)建設(shè)相互增益、同步發(fā)展。二環(huán)至三環(huán)及三環(huán)周邊地區(qū)處于中度耦合協(xié)調(diào)狀態(tài)，各維度開發(fā)強(qiáng)度處于過(guò)度調(diào)適階段。三環(huán)至四環(huán)處于低度耦合協(xié)調(diào)和不協(xié)調(diào)狀態(tài)，各維度開發(fā)強(qiáng)度彼此失衡。中心城區(qū)以外，五大開發(fā)中心耦合協(xié)調(diào)度也呈圈層分布，內(nèi)部用地開發(fā)處于中度耦合協(xié)調(diào)狀態(tài)，外圈處于低度耦合協(xié)調(diào)和不協(xié)調(diào)狀態(tài)。有些地區(qū)存在單個(gè)或多個(gè)開發(fā)強(qiáng)度指標(biāo)為0的情況，處于失衡狀態(tài)。

圖5 城市開發(fā)強(qiáng)度耦合協(xié)調(diào)水平

沈陽(yáng)市空間開發(fā)與社會(huì)結(jié)構(gòu)失衡。各聚集點(diǎn)中心建成區(qū)建設(shè)時(shí)間長(zhǎng)，土地開發(fā)、建筑建設(shè)、功能布局和人口分布同步性良好，城市開發(fā)利用協(xié)調(diào)；外圍建成區(qū)用地、建筑、功能、人口建設(shè)發(fā)展同步性弱，以用地開發(fā)為主導(dǎo)，開發(fā)建設(shè)方面短板凸顯。

四、城市開發(fā)強(qiáng)度空間特征分析

1.城市開發(fā)強(qiáng)度空間分異特征

沈陽(yáng)市城市開發(fā)強(qiáng)度呈現(xiàn)不同程度的空間分異特征(見表4、圖6)。分維度來(lái)看，同一區(qū)域不同維度開發(fā)強(qiáng)度空間異質(zhì)性較為一致，土地開發(fā)強(qiáng)度、人口強(qiáng)度、城市開發(fā)強(qiáng)度空間分布相對(duì)均衡，建筑強(qiáng)度和功能強(qiáng)度呈現(xiàn)出較高的空間異質(zhì)性且地區(qū)分異差距明顯；分區(qū)域來(lái)看，中心城區(qū)開發(fā)強(qiáng)度空間分布均衡，周邊新城開發(fā)強(qiáng)度空間差異大。總體來(lái)說(shuō)，沈陽(yáng)市人口城鎮(zhèn)化及建筑、功能建設(shè)速度明顯落后于土地城鎮(zhèn)化速度。沈陽(yáng)市作為特大型城市，中心城區(qū)建成時(shí)間長(zhǎng)，土地開發(fā)廣泛，建設(shè)均衡性好，但具有一定的空間壟斷性，城市建設(shè)過(guò)于集聚。周邊新城分散能力有限，開發(fā)建設(shè)空間差異大，土地利用欠賬較多，存在建設(shè)利用粗放、供而未用、用而未盡、產(chǎn)出效率低等現(xiàn)象。

表4 沈陽(yáng)市(各區(qū)縣)各維度開發(fā)強(qiáng)度變異系數(shù)

圖6 沈陽(yáng)市(各區(qū)縣)各維度開發(fā)強(qiáng)度空間分異特征

2.城市開發(fā)強(qiáng)度空間集聚特征

沈陽(yáng)市城市開發(fā)強(qiáng)度呈現(xiàn)不同程度的空間集聚特征(見圖7)。分維度來(lái)看，沈陽(yáng)市各維度開發(fā)強(qiáng)度空間冷熱點(diǎn)分布較為一致，其中，土地開發(fā)強(qiáng)度、建筑強(qiáng)度和城市開發(fā)強(qiáng)度冷熱點(diǎn)分布高度重合，熱點(diǎn)區(qū)主要集中在沈陽(yáng)市東南部中心城區(qū)；分區(qū)域來(lái)看，沈陽(yáng)市城市開發(fā)強(qiáng)度呈現(xiàn)出不同的空間自相關(guān)特征，西部、北部地區(qū)各維度開發(fā)強(qiáng)度集聚性均不明顯，東南部各維度開發(fā)強(qiáng)度集聚特征顯著。

沈陽(yáng)市城鄉(xiāng)建設(shè)用地集中式、組團(tuán)式發(fā)展突出，強(qiáng)城市、弱鄉(xiāng)鎮(zhèn)的二元化結(jié)構(gòu)明顯。中心城區(qū)開發(fā)建設(shè)和功能承載過(guò)密，多年來(lái)人口增長(zhǎng)、產(chǎn)業(yè)空間聚集、經(jīng)濟(jì)建設(shè)累積程度高，用地集聚效益明顯。由于受到中心城區(qū)虹吸效應(yīng)及空間的負(fù)外部性影響，加之近年來(lái)由粗放向節(jié)約集約利用的土地利用方式轉(zhuǎn)變，土地管控嚴(yán)格，使得周邊新城土地開發(fā)利用及其承載的社會(huì)功能減少。

圖7 各維度開發(fā)強(qiáng)度空間Getis-Ord Gi*分析

五、結(jié) 語(yǔ)

多維測(cè)度下沈陽(yáng)市城市開發(fā)強(qiáng)度呈現(xiàn)出由單核心集聚模式向多中心均衡發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變并處于初級(jí)階段。中心城區(qū)開發(fā)程度整體較高，其強(qiáng)度呈同心圓由內(nèi)向外遞減；各維度開發(fā)強(qiáng)度同步性由內(nèi)向外遞減；整體開發(fā)建設(shè)空間分布較為均衡，空間集聚性強(qiáng)。周邊地區(qū)開發(fā)強(qiáng)度整體較低，在各區(qū)(縣)中心形成小范圍高值聚集區(qū)；各維度開發(fā)強(qiáng)度耦合協(xié)調(diào)性整體偏低；開發(fā)建設(shè)空間差異大，尤其是建筑強(qiáng)度和功能強(qiáng)度的異質(zhì)性強(qiáng)，空間集聚特征不顯著。

在沈陽(yáng)市未來(lái)的城市開發(fā)中，要引導(dǎo)構(gòu)建均衡的多中心發(fā)展模式，倡導(dǎo)土地利用與空間紅利要素的對(duì)位開發(fā)行為，建立長(zhǎng)效的要素配置引導(dǎo)與開發(fā)管理機(jī)制，合理控制城市開發(fā)強(qiáng)度，優(yōu)化城市開發(fā)格局。