丛晓男, 刘治彦

(中国社会科学院 城市发展与环境研究所， 北京 100028)

基于GIS与RS的北京城市空间增长及其形态演变分析

丛晓男, 刘治彦

(中国社会科学院 城市发展与环境研究所， 北京 100028)

利用遥感影像监督分类技术，分析了1991-2011年间北京市建成区空间增长态势及其形态演化。研究发现：1.建成区面积增长远快于常住人口增长，呈现空间蔓延态势，以城区边缘增长、沿交通廊道增长和开发区增长为主；2.空间形态上出现了外围轮廓紧凑度下降、最大斑块指数上升和建成区景观分离度下降的演化趋势，不利于北京多中心城市的形成和发育。上述问题可从土地利用模式、城市空间布局、交通优化等方面提出应对策略。

北京；城市病；城市增长；建成区；城市空间

引言

城市是地表上占据一定面积的地理实体，城市空间的扩张速度及形态结构对城市的正常运转有很重要的影响。城市空间的变化是一个持续性的动态过程，表现为总量和结构两个维度，前者是指城市空间边界的涨退和面积的增减，即城市空间增长，后者是指城市空间内各用地单元之间的相互关系及分布特征，即城市空间形态的演变。城市空间增长和形态演化既受城市地理环境、人口、交通、产业等多要素的发展和空间分布的影响，同时又对上述要素产生反作用。合理的城市空间增长态势和形态演化有助于优化城市功能布局、降低居民通勤成本、缓解域内交通压力、提高土地利用效率，反之，不合理的增长态势和形态演化则造成城市土地利用效率低下、交通拥堵、城市环境恶化等严重问题。《国家新型城镇化规划(2014-2020年)》归纳了我国城镇化过程中的六个突出矛盾和问题，其中有两项就与城市用地和空间布局有关。实际上，空间蔓延和形态不合理不仅是城市病的重要外在表现[1]，也是现代城市病的重要根源[2]，空间视角下的城市治理研究也成为城市病治理的突破口之一。

上文提及，城市空间变化与城市地理环境、人口、交通、产业等要素相互影响，协同演进。从较长的时间尺度上看，作为因变量的城市空间能够适应上述要素的变化，从而实现与各要素的自动匹配，但是，在较短的时间尺度上，城市空间变化往往受到短期、局部利益的驱使，难以做到长久和全局的最优。这意味着，城镇化的快速推进、城市规模的快速膨胀加大了城市空间蔓延和结构失衡的风险。当前，我国正处于城镇化的快速推进时期，合理控制城市增长边界、科学规划城市空间结构、不断提升城市空间形态合理性，是决定能否实现新型城镇化的重要途径，因而开展城市空间增长与形态演化研究具有重要的理论与现实意义。

本文基于地理信息系统(Geographical Information System，简称GIS)和遥感(Remote Sensing，简称RS)技术，以北京市为例开展城市空间增长与形态演化分析。北京是中国的政治中心、文化中心、国际交往中心和科技创新中心，其在全国的经济地位亦举足轻重，近十年来80%的外来流动人口能够在北京实现有效就业，体现了北京超强的人口集聚能力和城市吸纳能力。[1]然而，随着城市规模的扩张，作为超大型城市的北京在近年里面临着城市空间蔓延、空间形态不合理等严重问题，导致农业用地及林地被快速挤占、土地利用效率低下、交通通达性下降、城市功能布局紊乱等恶劣的后果，北京已成为城市病最为集中的中国城市之一。在此情形下，以北京为例开展城市空间增长与形态演化研究，对于从空间视角下探索城市病尤其是大城市病的缓解途径具有重要的实践价值。

一、研究方法与数据

本文所用遥感数据来源于Landsat 5 TM遥感影像，共涉及五个时相(1991年、1996年、2001年、2007年、2011年)的资料，所有数据的成像时间均位于5月—9月，一是确保云量较少，二是此时段植被生长旺盛，相比秋冬季节的分类结果拥有更高的准确性。遥感数据的具体属性如表1所示。

表1 遥感影像资料

研究采用GIS和RS相结合的方法。分析过程分为三个主要步骤，分别是遥感影像预处理、土地利用类型分类和分类结果分析，其中土地利用类型的分类采用ENVI软件的监督分类法实现，将北京市土地利用类型分为建设用地、耕地、林地、水体和其他用地共5种用地类型，其中，其他用地包括裸露的山体及河道、矿坑等用地类型。对于分类结果采用ArcGIS软件和北京市行政区矢量图、北京市交通路线图等辅助数据进行空间分析，具体分析路线如图1所示。

图1 分析流程

二、用地类型变化及转变态势

分类结果显示，北京市土地利用类型中面积最大的是林地，其次是耕地和建成区，水体面积相对最小。1991-2011年间，北京市各土地利用类型呈现明显的动态变化，其基本趋势为：建成区面积急剧扩张，耕地面积持续下降，林地面积有所上升，水体和其他用地面积下降，如图2所示。

林地1991年为7551平方千米，1996年增长为7929平方千米，2001年林地面积有所下降，随后2007年上升，2011年林地面积为8167平方千米，1991年到2011年林地面积共增长了8.2%。林地在北京市各土地利用类型面积中比重最大，几乎占了北京市土地总面积的一半，1991年至2011年，北京市城区绿化和周边山区生态涵养水平有所提升，林地面积比重呈现波动性上升趋势，比重从1991年的46.1%上升到2011年的49.9%左右。

水体从1991年到2001年间，面积保持在200平方千米左右，2007年北京的降水量较多年同期平均水平下降，再加上北京市人口快速增长、用水量加大，造成水面萎缩，水体面积急剧下降至148平方千米，2011年略有恢复，面积为158平方千米，2011年水体面积比1991年下降了21%。

耕地面积持续下降，1991年北京市耕地面积为6034平方千米，2011年下降为3912平方千米，比1991年下降了35.2%，年均下降速度为2.14%，面积比重也持续下降，从1991年的36.9%下降到2011年的23.9%。

建成区面积呈现急剧扩张态势，1991年北京市建成区面积为1042平方千米，2011年增长为3502平方千米，较1991年增长了2.4倍，年均增长速度为6.25%。与此同时，建成区面积占北京市总面积的比重也呈现快速上升态势，1991年建成区占比为6.4%，2011年增长为21.4%，与耕地面积近乎持平。

图2 北京市各土地利用类型面积变化趋势

不同用地类型之间存在着变更替代关系，且不同的时段内用地类型间的变更存在一定差异，主要表现为：1991年至1996年间，林地面积增长，主要来源于耕地和其他用地；耕地面积下降，主要流向为林地和建成区；建成区扩张，主要通过侵占耕地实现。1996年至2001年，林地面积下降，主要流向为耕地和其他用地；耕地面积下降，主要流向为建成区、林地、其他用地；建成区扩张主要来源于耕地。2001年至2007年，林地面积上升，主要来源于其他用地；耕地面积继续下降，主要流向为建成区；建成区扩张，主要通过侵蚀耕地获得；水体面积下降，主要流向为耕地和林地。2007年至2011年，耕地面积继续下降，主要流向为建成区；建成区继续通过侵蚀耕地而扩张；林地、水体、其他用地变化较小。在用地类型的上述变更过程中，最明显的变更关系表现为建成区对耕地的挤占，1991年至1996年间、1996至2001年间、2001至2007年间、2007至2011年间，分别有609、730、1231、1088平方千米的耕地转变为建成区，尤其以2001-2007年间为甚，总转换面积占北京市总面积的22.33%，由此可见建成区的快速增长主要通过挤占耕地的方式实现。

图3 耕地转化为建成区的面积

三、北京城市空间增长

城市空间增长是指建成区面积的增长。北京市空间增长态势极为迅速，1991年北京市建成区面积为1042平方千米，占北京市土地总面积的6.4%；1996年上升为1479平方千米，占比9%，比1991年增长41.9%，年均增长速度为7.2%；2001年北京市建成区面积为1944平方千米，占北京市土地总面积的11.88%，比1996年增长了31.4%，年均增长速率为5.6%；2007年建成区面积达到2686平方千米，占北京市土地总面积的16.4%，比2001年增长了38.2%，年均增长速度为5.5%；2007年到2011年建成区增长速度再次提高，2011年建成区面积为3502平方千米，占北京市土地总面积的21.4%，比2007年增长30.4%，年均增长速率为6.8%。

表2 北京市建成区面积变化(km2)

图4 北京市建成区空间增长态势

北京城市空间的快速增长，导致了严重的城市蔓延问题。本文采用蔓延指数SI[3]对北京城市蔓延程度进行测度：

其中，SI为t1与t2时段内的城市蔓延指数，为建成区面积增速与人口增速之比，S为建成区面积，P为常住城镇人口数量。若果SI>1，即建成区增速快于人口增速，则表示城市处于城市蔓延状态，其SI值越大，蔓延程度越高。测算结果表明，自1991年至2011的五个时间段内，北京市SI指数一直高于1，表明城市处于蔓延状态，尤其是1996-2001年间，SI指数高达2.28，蔓延程度较为严重，但同时观察到，自2001年后，随着建设用地供给的趋紧和城区常住人口的快速增加，SI指数逐渐呈现下降态势，至2007-2011年间，空间增长和人口增长的年均增速趋于一致，SI指数接近于1。

表3 北京市城市蔓延指数

(一)北京城市空间增长的区域差异

北京市全域呈现空间增长态势，但内部不同子区域的空间增长态势却存在较大差异。本文以区县为基本空间单元，分析北京城市空间增长的区域差异。

从1991年到2011年，北京市各区县的建成区面积变化如表4、图5所示。1991年，北京市建成区面积最大的区县是朝阳区，建成区面积为150平方千米，占当年建成区总面积的14.5%；其次是丰台区和海淀区，建成区面积分别是121、118平方千米，占当年建成区总面积的11.7%、11.4%。至1996年，建成区面积最大的地区仍然是朝阳区，建成区面积增长为195平方千米，但是，占当年建成区总面积的比重却降为13.8%；其次是房山区，建成区面积增长为170平方千米，占比11.5%，丰台区建成区占比与去年持平，建成区面积增长为11.2%。2001年，大兴区跃升为北京市建成区面积最大的地区，面积为258平方千米，占比13.7%；其次是房山区，建成区面积为201平方千米，占当年建成区总面积的10.6%。2007年，北京市建成区面积最大的地区依然是大兴区，为348平方千米，占当年建成区总面积的13%；其次房山区，建成区面积为325平方千米，占建成区总面积的12.1%。2011年，大兴区的建成区面积依然最大，为463平方千米，占当年建成区总面积的13.2%，其次是房山区，建成区面积为445平方千米，占建成区总面积的12.7%。

表4 北京市各区县建成区面积变化(面积单位：km2)

续表

注：表中比重是指该区县建成区面积占当年北京市建成区总面积的比重。

图5 北京市各区县建成区面积变化情况

从增长速度上看，1991年到2011年北京市各区县建成区年均增长速度如图6所示，其中，建成区年均增长速度最快的地区是大兴区，年均增

长速度为10.6%，其次是怀柔区，建成区年均增长速度为9.2%，再次是顺义区、昌平区、密云区、房山区、通州区、延庆县等，另外，东城区和西城区的建成区面积比重早已达到90%以上，因此建成区面积增速很小。

从建成区面积占比来看，可分为5个等级，大兴区和房山区的建成区面积最大，占建成区总面积的13%左右；其次是通州、朝阳、顺义、昌平等地，其建成区面积比重为9%左右；海淀、丰台、密云等地区建成区面积占比6%左右；怀柔、延庆、平谷等郊区的建成区面积较少，比重为4%-5%左右；门头沟、石景山、西城、东城等地区建成区面积比重较低。另外，从图中可以看出，大兴、房山、通州、朝阳、顺义等五个地区的建成区比重累积超过了北京市建成区总面积的一半以上。

图6 北京市各区县建成区年均增长速度(1991年—2011年)

图7 2011年北京市各区县建成区比重的帕累托图

(二)空间增长的模式

北京市空间增长模式主要分为三类，分别是城区边缘增长、沿交通沿线增长和新兴建成区增长，空间增长的基本动力由三者混合形成，且在不同的时段内，其主导增长模式也有所不同。1991年至1996年五年间，建成区扩张方式是以城区边缘增长为主；1996年至2001年五年间，随着城市公共交通线路的延展，城市空间增长以沿交通线增长与边缘增长方式同时并存；2001年至2007年六年之间，建成区扩张方式是以沿交通线增长、边缘增长、新兴建成区增长(通州新城)等方式混合共存；2007年至2011年四年之间，建设用地扩张方式是以新兴建成区增长和沿交通线路增长为主，亦庄、顺义新城、昌平新城等在此期间快速形成。整体而言，从1991年至2011年，北京市中心连片城区的范围几乎是以同心圆方式扩张，1991年北京市连片城区范围集中于西城、东城、海淀、朝阳、丰台等五个地区，到了2011年，除去以上五个地区之外，北京市连片城区范围几乎覆盖石景山区、房山区、大兴区、通州区、昌平区等地，原主城区与昌平新城、顺义新城、通州新城、亦庄-大兴新城、房山新城、门头沟新城等地几乎连接成片(如图8所示)。

四、城市空间形态演化

城市空间形态即城市景观的空间结构特征，本文采用三类指数分析北京市空间形态演化，分别是外围轮廓紧凑度、最大斑块指数和景观分离度。

图8 北京市中心连片城区(最大斑块)扩张的叠加比对(1991年——2011年)

(一)城市外围轮廓紧凑度

城市外围轮廓紧凑度(Compactness Ratio)是反映城市空间形态的重要指标，紧凑度越大，形状越有紧凑性，反之，紧凑性越差[4-5]，圆形是形状最紧凑的图形，其紧凑度为1。集中紧凑不仅可以节约城市用地，缩短各类工程管线和交通线路的长度，节约城市基础设施投资，而且能够降低居民通勤时间成本，缓解城市交通压力。De Roo(2000)提出的紧凑度计算公式[5]为

式中，0

图9 北京市中心城区外围轮廓紧凑度

(二)最大斑块指数

最大斑块指数(Largest Patch Index)是指景观中最大斑块的面积占总面积的百分比[7]，其计算公式为

图10 北京市建成区最大斑块指数

(三)景观分离度

景观分离度(Landscape Division)是指某一景观中不同斑块个体空间分布的离散程度，最早由Pearce提出[8]，计算公式为：

N=D/S

式中，N为景观的分离度指数，D是景观的距离指数，D=0.5×(n/A)0.5，n为景观类型斑块数，A为研究区总面积，S是景观的面积指数，S=Ai/A,Ai为景观i的面积。分离度指数用来分析景观要素的空间分布特征，分离度越大，表示斑块越离散，斑块之间距离越大。北京市建成区景观分离度演变态势如图11所示，据图可知，北京市建成区景观分离度呈现持续下降趋势，分离度从1991年的13.77下降到2011年的6.51，表明其建成区景观斑块越来越聚集，不同斑块之间的距离越来越小。分离度指数下降的原因是建成区之间的破碎地块逐渐被填充，使原本分散的地块逐渐连接成片。

图11 北京市建成区景观分离度

五、结论与对策

(一)结论与问题

本文基于北京市1991、1996、2001、2007和2011年的Landsat 5 TM遥感影像，通过监督分类方法对北京市土地利用类型进行了提取和分析，研究了北京市空间增长态势及成因、空间形态演化。研究发现：(1)北京市各土地利用类型中，林地占比最大，耕地占比次于林地，建成区占比再次之。(2)北京市各土地利用类型处于动态变化之中，典型特征为建成区面积快速上升，林地小幅增长，耕地面积快速下降，耕地面积的下降在早期表现为以耕地向林地的转化为主、向建成区转化为辅的特点，但1996年之后，耕地面积的减少主要表现为向建成区的转化。(3)北京市建成区迅速膨胀，占土地总面积的比重不断增大，年均增长速度为6.2%，至2011年，建成区规模超过3500平方千米，占北京市土地总面积比重为21.38%，整体上快于常住人口增长速度。按照区县来看，建成区的消长发生重要变化，1991年，建成区面积较大的区县包括朝阳、丰台、海淀，至2011年，大兴、房山、通州的建成区面积居前三。(4)从建成区的空间增长模式上看，沿城区边缘增长、沿交通线增长和开发区式增长是三种主要的增长模式，且在不同的时间主导模式也有所差异。(5)北京市中心城区外围轮廓紧凑度远小于1，且整体呈现逐渐下降趋势，表明北京市城区形态发展越来越松散；北京市建成区最大斑块指数整体呈现上升趋势，这与北京建设多中心城市的愿景相违背；北京市建成区景观分离度呈现逐年持续下降趋势，表明其建成区斑块越来越聚集，斑块之间的距离越来越小，原本分散的城区、城镇逐渐连接成片。

在北京市城市建设、社会经济快速发展的背景下，隐含着一些较为突出的城市问题，尤其以城市空间蔓延、空间形态恶化为甚。整体上看，北京市以沿中心城区周边扩展、沿交通廊道扩展、通过开发区建设呈现飞地式扩展等为主要蔓延方式，逐步形成“摊大饼”外延发展的局面，给城市发展带来严重的负面影响。第一，城市建设土地利用效率较低。按照约定俗成的标准，当人口增长速度低于建成区空间增长速度时，城市建设土地利用被认为是低效率的。从1991年到2011年的20年间，北京市建成区面积增长了2.4倍，年均增长6.2%，而同期北京市常住人口年均增速仅为3.2%，明显低于城市空间增长速度，表明北京市土地利用效率较低，城市空间增长呈蔓延状。第二，北京市建成区的无序增长是以挤占耕地为代价的。1991年至2011年，建成区面积增长迅速，占比由1991年的6.37%上升到2011年的21.38%，但同时，耕地面积则持续下降，占比从1991年的36%下降到2011年的24%左右。在耕地转换为建成区的过程中，伴随着大量的社会与经济难题，例如，如何保证农民的权益，如何保护和传承快速消失的乡村文化等。第三，北京市中心城区空间结构不尽合理，缺乏良好的规划控制。北京市中心城区外围轮廓紧凑度远小于1，且从1991年以来，北京市中心城区外围轮廓紧凑度呈现逐渐下降趋势，这表明北京市中心城区各空间之间的联系距离增大，这必然会导致城市基础设施和已开发土地的利用效率将会降低，导致居民对汽车形成更高的依赖度，从而加大能源消耗和大气污染物的排放。第四，北京市内部城镇体系结构不合理。北京市内部城镇体系，是指北京市中心城区与各副中心之间相互作用形成的城市集合。北京市内部城镇体系结构的不合理表现在，中心城区面积占总建成区面积的比重(即最大斑块指数)不断增大，中心城区沿外缘扩张的态势十分明显，南部区县如房山、大兴的建成区基本与主城区形成连片，且城市功能较为单一，很难培育为相对独立的副中心，北部区县的建成区扩展在空间上与中心城区相对分离，仍有培育为副中心的潜力。

(二)政策建议

城市增长过程中出现空间蔓延和空间形态恶化等一系列严重问题，在包括北京在内的我国城市都普遍存在，为此本文提出如下相关对策。第一，转变以GDP为政绩标准的经济增长模式，着眼于城市发展的质量。在土地开发方面，积极推动农村土地经营权流转，体现农村集体土地使用的市场价格，抑制地方政府突破规划限制下的超常规地征地卖地，要从源头上减少其征地、卖地的动力。第二，除对城市增长进行科学规划之外，还应加强规划的执行力度。主体功能区中的生态涵养发展区属于限制、禁止开发区域，但从历史发展情况来看，北京市生态涵养区中的建成区面积一直保持较快增长，要解决保护生态环境与经济发展之间的矛盾，需要建立生态保护红线制度和生态建设利益补偿机制，对生态涵养区内建成区扩张给予适度控制。第三，通过多种措施探索北京建设多中心城市的途径。要限制中心城区沿边缘蔓延，从空间扩展现状看，房山、通州、大兴已经与中心城区连接成片，未来要控制中心城区继续向北蔓延，昌平、顺义等区县的城区将是北京市形成多中心城市的基础，应考虑在中心城区与区县城区间构建绿化隔离带以阻止蔓延、明确相互之间的边界。第四，促进开发区尤其是远郊开发区建设与发展，开发区的设立应当从产业结构与空间选址两方面引起重视。产业结构方面，以高新技术产业、现代服务业和生产性服务业为先导，积极完善开发区内及周边的配套服务产业，采用混合高强度土地利用和开发模式，使之逐渐形成多功能一体化的、相对独立与完善的城市空间，降低劳动力的通勤成本与服务采购成本。空间选址方面，应适度保持开发区与中心城区间的距离，避免两者形成连片式扩张，从而提高土地开发效率。第五，限制小汽车快速增长，大力发展公共交通。首先，继续通过机动车指标控制等措施限制机动车保有量，适时考虑在重点地段征收城市交通拥堵税；其次，需要增大对轨道交通等的投资力度，有效利用城市地下空间，完善城市公共交通网络；另外，按出行距离适当提高公共交通费用，其目的在于通过“时间”与“经济”双重成本的约束，从根本上降低城市蔓延的微观动力。

[1]宋梅.北京城市综合治理体系研究[J].城市发展研究,2015,(2):18.

[2]王宁.特大城市空间结构缺陷与“城市病”治理[J].区域经济评论,2015,(1):29.

[3]王家庭,张俊韬.我国城市蔓延测度:基于35个大中城市面板数据的实证研究[J].经济学家,2010,(10):56-63.

[4]Batty M. Exploring isovist fields: space and shape in architectural and urban morphology[J].EnvironmentandPlanningB,2001,28(1):123-150.

[5]De Roo G. Environmental conflicts in compact cities: complexity, decisionmaking, and policy approaches[J].EnvironmentandPlanningB,2000,27(1):151-162.

[6]孟斌,郑丽敏,于慧丽.北京城市居民通勤时间变化及影响因素[J].地理科学进展,2011,30(10):1218-1224.

[7]Herold M, Goldstein NC, Clarke KC. The spatiotemporal form of urban growth: measurement, analysis and modeling[J].RemotesensingofEnvironment,2003,86(3):286-302.

[8]Pearce CM. Pattern analysis of forest cover in southwestern Ontario[J].TheEastLakesGeographer,1992,27:65-76.

(责任编辑：沈松华)

An Analysis on the Spatial Growth and Structure Evolution of Beijing ——Based on GIS and RS

CONG Xiao-nan1, LIU Zhi-yan2

(1. Institute for Urban and Environmental Studies, Chinese Academy of Social Sciences, Beijing 100028, China; 2. Laboratory for Urban Information Integration and Dynamic Modeling, Chinese Academy of Social Sciences, Beijing 100028, China)

By the application of the RS supervised classification technology, the trend of spatial growth and form evolution built-up area of Beijing from 1991 to 2011 is studied in this paper. The results show that: (1) The increase of the built-up area in Beijing is much larger than that of the resident population growth with a spatial extension, of which there are three types of growth patterns: growth along the urban edge, growth along the transportation corridor and growth of the development zone; (2) The spatial form of built-up area shows the decrease of the compactness ratio, the increase of the largest patch index, and the decrease of the landscape division index, which is not conducive to the formation and development of multi-center city. In the paper, some countermeasures to the problem are put forward from the perspective of land use pattern, urban space layout, traffic optimization, and etc.

Beijing; Urban disease; Urban growth; built-up area; Urban space

2015-06-10

国家发展和改革委员会地区经济司“城市信息集成与动态模拟系统的构建与应用研究”(2013-47-45)的研究成果。

丛晓男(1982-)，男，山东文登人，管理学博士，经济学博士后，中国社会科学院城市发展与环境研究所助理研究员，主要从事城市系统模拟、城市经济研究。刘治彦(1967-)，男，黑龙江哈尔滨人，中国社会科学院城市发展与环境研究所研究员、博士生导师，主要从事城市与区域经济、城市系统模拟研究，本文通讯作者。

城市学研究

F299.27

A

1674-2338(2015)05-0122-09

10.3969/j.issn.1674-2338.2015.05.017