自然资源遥感, 2022, 34(4): 76-86 doi: 10.6046/zrzyyg.2022066

海岸带空间资源及生态健康遥感监测专栏

中国海岸带区域城市扩展遥感监测与内部地表覆盖时空分异特征分析

史姝姝,1,2, 窦银银3, 陈永强,1, 匡文慧3

1．中国科学院空天信息创新研究院航天微波遥感系统部,北京 100089

2．中国科学院大学,北京 100049

3．中国科学院地理科学与资源研究所陆地表层格局与模拟院重点实验室,北京 100101

Remote sensing monitoring based analysis of the spatio-temporal changing characteristics of regional urban expansion and urban land cover in China’s coastal zones

SHI Shushu,1,2, DOU Yinyin3, CHEN Yongqiang,1, KUANG Wenhui3

1. Space Microwave Remote Sensing System Department, Aerospace Information Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100089, China

2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

3. Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China

通讯作者: 陈永强(1973-),男,副研究员,主要从事SAR海洋遥感研究。Email:clyq@163.com。

收稿日期: 2022-03-3   修回日期: 2022-06-6  

基金资助: 自然资源部委托项目“规划体检评估相关地理空间数据分析评价”(20211811054)

Received: 2022-03-3   Revised: 2022-06-6  

作者简介 About authors

史姝姝(1998-),女,硕士研究生,主要从事遥感信息处理研究。Email: shishushu926@163.com。

摘要

城市扩展及地表覆盖结构的变化在很大程度上影响城市生态环境甚至生态安全。中国海岸带区域城市人口和经济活动高度集聚,城市化速度快,引起了城市扩展及城市地表覆盖结构的剧烈变化。然而,目前对于海岸带区域的城市扩展及地表覆盖状况的认识仍不清晰。本研究利用30 m空间分辨率全球城市土地利用/覆盖变化数据产品,从多个角度剖析了海岸带区域城市扩展和地表覆盖结构的时空分异特征。结果表明: ①中国海岸带区域城市土地面积由2000年的1.66万km2增加到2020年的4.80万km2,扩展强度为9.41%。41.03%的城市以高强度扩展,这些高强度扩展城市主要位于中北部海岸带。海岸带区域城市在加速扩展,2000—2010年的扩展速度为1 260.04 km2/a,2010—2020年城市扩展速度上升为1 871.74 km2/a。②20 a间城市不透水面面积持续增加,但城市不透水面比例下降,城市绿地空间比例升高。2000年时,海岸带区域城市不透水面和城市绿地空间面积分别占城市土地面积的69.49%和20.81%,到2020年,分别占63.70%和26.72%。③海岸带区域83.33%城市的扩展超前于人口增长。小城市的地均国内生产总值大,用地效率高。研究结果可为海岸带区域城市规划和可持续发展提供重要的科学依据和决策支持。

关键词： 中国海岸带; 城市扩展; 土地利用/覆盖; 不透水面; 绿地空间

Abstract

Changes in urban expansion and urban land cover structures greatly affect the urban ecological environment and even ecological security. The highly concentrated urban population and economic activities and the resultant rapid urbanization have caused dramatic changes in urban expansion and urban land cover structures in China’s coastal zone. However, previous study data are insufficient for a clear understanding of the urban expansion and urban land cover structures in China’s coastal zone. In light of this, this study analyzed the spatio-temporal changing characteristics of the abovementioned aspects from multiple perspectives using the global urban land use/cover composites with 30 m spatial resolution (GULUC-30). The results are as follows. The urban land area in China’s coastal zone increased from 16 600 km2 in 2000 to 48 000 km2 in 2020, with an expansion intensity of 9.41%. The regional cities in high-density expansion accounted for 41.03% and were mainly located in the north-central portion of the coastal zone. Cities in China’s coastal zone were expanding rapidly at a rate of 1 260.04 km2/a from 2000 to 2010 and 1 871.74 km2/a from 2010 to 2020. The urban impervious surface area had continued to increase over the past two decades. However, the proportion of the urban impervious surface decreased while that of urban green space increased. In 2000, the areas of urban impervious surface and urban green space in China’s coastal zone accounted for 69.49% and 20.81% of the urban land area, respectively. By 2020, they accounted for 63.70% and 26.72%, respectively. The urban expansion of 83.33% of the cities in China’s coastal zone was ahead of the urban population growth. The small cities have large GDP per urban land and high land use efficiency. The study can provide an important scientific basis and decision support for regional urban planning and sustainable development of China’s coastal zone.

Keywords： China’s coastal zone; urban expansion; land use/cover; impervious surface; green space

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本文引用格式

史姝姝, 窦银银, 陈永强, 匡文慧. 中国海岸带区域城市扩展遥感监测与内部地表覆盖时空分异特征分析[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(4): 76-86 doi:10.6046/zrzyyg.2022066

SHI Shushu, DOU Yinyin, CHEN Yongqiang, KUANG Wenhui. Remote sensing monitoring based analysis of the spatio-temporal changing characteristics of regional urban expansion and urban land cover in China’s coastal zones[J]. Remote Sensing for Land & Resources, 2022, 34(4): 76-86 doi:10.6046/zrzyyg.2022066

0 引言

海岸带是海陆交汇地带,拥有优越的资源和环境条件,全球一半以上的人口居住在海岸线约60 km以内的范围,世界上人口多于160万人的大城市有2/3位于海岸带区域[1]。凭借良好的区位条件,大量的人口和经济活动聚集在海岸带空间[2]。海岸带区域城市化进程不断加快,城市扩展是城市化和城市土地利用变化的最直接表现,城市下垫面连续扩张导致城市空间布局和结构发生变化[3-4]。大规模的城市扩展带来的土地覆盖变化会对气候和生态环境造成巨大影响,产生城市热岛效应、区域气候变化和城市生态服务下降等生态环境问题[5],海岸带区域面临着严峻的生态环境压力[6]。城市土地覆盖主要包括城市不透水面、绿地空间和水域等。城市不透水面是指在人为土地利用活动影响下产生的地表水无法向下渗透到土壤中的人工地表覆盖,主要包括道路、广场和建筑屋顶等[7]。城市绿地空间主要包括位于城市建成区中的公园、草地和林地等[8]。城市不透水面和城市绿地空间比例反映了城市生态环境质量和城市宜居舒适性[9-10]。研究分析海岸带区域城市扩展和地表覆盖结构特征,对海岸带区域城市的合理开发及海岸带生态环境保护具有重要意义。

中国海岸带区域一直是我国经济发展重心地带,该区域的各省市区面积仅占国土面积的15%,却拥有全国70%以上的大中城市和近40%的人口,并创造了全国61%以上的国内生产总值(gross domestic product,GDP)[11]。海岸带区域城市的扩展速度远快于内陆多数城市,其特殊的海陆生态环境也容易受到自然灾害及人类活动的影响[12],城市化发展和土地集约利用加剧了该区域的环境问题,人口持续增加和土地资源短缺的矛盾日益紧张[13]。如何对海岸带区域城市扩展状况进行大范围长时间序列的遥感监测以及对城市内部地表覆盖时空特征进行科学描述是评价海岸带区域城市国土空间利用质量的重点问题,是提高城市用地效率,实现城市人居环境高质量发展的关键。

目前,海岸带区域城市扩展研究受到学者们的广泛关注[14-15]。马金卫等[16]研究了滨海城市烟台市的城镇空间扩展过程,发现城镇建设填海造地侵占了大量海域。同样,填海造地使得厦门市大面积的滩涂变成了城市建成区,向海要地建设新城区,城市扩展速度快,出现飞地的跳跃式发展[17]。Yu等[18]从整个城市和城市内区级2个尺度量化了深圳市的城市扩展情况,结果表明从1979—2017年深圳市快速扩张,城市用地增长了3 400%; Cao等[19]对舟山群岛城市扩展情况进行的研究表明65%的城市扩展集中在综合开发型岛屿; Yan等[20]研究表明珠江三角洲区域城市2000—2015年城市土地面积在持续扩大,但城市扩展强度呈现了下降趋势,且逐渐形成了多中心的空间分布格局[21]; 高啸峰等[22]研究表明长三角城市群的建设用地规模也向着多中心化趋势发展。但是,现有研究多集中于单个城市的研究或者某一城市群的城市扩展研究,对中国整个海岸带区域城市扩展及地表覆盖结构变化的研究较少。

鉴于此,本文从不同视角分析了中国海岸带区域2000—2020年的城市扩展和城市土地覆盖的时空分异特征。利用30 m空间分辨率全球城市土地利用/覆盖变化数据产品(global urban land use/cover composites with 30 m spatial resolution, GULUC-30),将距海岸线50 km缓冲区内的城市作为研究区,通过对城市土地面积的扩展速度和扩展强度等进行分析,揭示中国海岸带城市扩展及内部地表覆盖结构变化特征和空间差异,并结合城市土地增长弹性系数和地均GDP等指标衡量城市扩展质量和城市用地效率,为海岸带城市的可持续发展提供技术支持。

1 研究区概况

我国海岸线漫长,东西、南北跨度大,大陆海岸线北起鸭绿江口,南抵北仑河口,共跨越了30个纬度,包括热带、亚热带及温带三大气候带。全国共有14个省市特别行政区处于沿海地区,分别是辽宁、河北、天津、山东、江苏、上海、浙江、福建、广东、广西、海南、香港、澳门和台湾[23⇓-25]。本文将与全国的海岸线50 km缓冲区相交的地级市及以上行政区(不包括台湾省)作为研究区,共涵盖了上海、泉州、广州等76个市级行政区及香港和澳门2个特别行政区,研究区范围如图1所示。根据第七次人口普查数据统计,研究区的城市人口共4.65亿人,占全国总城市人口的32.23%。

图1

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图1   研究区示意图

(审图号: GS(2019)1824号-01。图2、图6和图9同。)

Fig.1   Sketch map of study area


2 数据源

本研究所用数据主要包括土地利用/覆盖数据和社会经济数据。土地利用/覆盖数据主要采用Kuang等[26]研发的GULUC-30产品,下载自国家综合地球观测数据平台(http://www.chinageoss.cn/geoarc/en/index.html),主要包括2000年、2010年和2020年3期的城市边界数据、城市不透水面组分和绿地空间组分数据。该数据基于等级尺度的城市下垫面表征以及制图的原理和模型算法,主要识别了陆地表层不透水面比例大于35%的集中连片且和中心城区密切联系的建成用地,即城市土地。该套数据产品的城市土地制图精度为93%,城市地表结构组分信息的相关系数均高于0.90,均方根误差低于15%,可以满足研究的需求。辅助数据包括来自欧洲航天局(European Space Agency,ESA)的global land cover数据(http://maps.elie.ucl.ac.be)。社会经济数据包括城市人口数据和GDP数据,城市人口数据指的是城市常住人口,采用了2000年、2010年和2020年的人口普查数据,来自各省市的人口普查公报。GDP数据来源于2000年和2020年各地区的国民经济和社会发展统计公报及统计年鉴。

3 研究方法

3.1 城市扩展分析

城市扩展状况采用城市扩展速度和城市扩展强度来分析,以比较不同时段内城市扩展的快慢、强弱及趋势[27]。城市扩展速度指研究时段内平均每年城市扩展的面积; 城市扩展强度指年际城市面积增长的比率 [28]。具体公式分别为:

V=S2-S1t2-t1
E=S2-S1(t2-t1)S1×100%

式中: V为城市扩展速度,km2/a; E为扩展强度,%; t1和t2分别为研究初期和末期的年份; S1和S2分别为t1和t2对应的城市土地面积,km2。依据自然断点法,按城市扩展强度将研究区城市分为低强度扩展城市(E<6%),中强度扩展城市(E为[6,12)%)以及高强度扩展城市(E≥12%)。

以2020年城市土地面积为分层标准,选择1 000 km2,500 km2和100 km2为分界点,将研究区城市分为特大城市、大城市、中等城市和小城市。

城市扩展的协调性则采用城市土地增长弹性系数来测定。城市土地增长弹性系数K是指某段时间内城市土地增长率与城市人口增长率之比,用来衡量城市扩展与人口增长之间的协调关系[29],其公式为:

K=(RG/RP)×100%

式中: RG为城市土地面积年均增长率; RP为城市人口年均增长率。K的最优值为1.12,当K>1.12时,表明城市土地相对人口增长来说扩展过快,反之,表明城市土地扩展不足; 且K值越大时,说明城市空间扩展越稀疏[30]。

3.2 城市地表覆盖变化分析

基于2000年、2010年和2020年3期城市不透水面和绿地空间数据分析城市地表覆盖组分空间变化及差异特征,统计不同年份城市区域对应的不透水面和绿地空间比例和面积。城市不透水面比例及城市绿地空间比例分别指城市不透水面面积及城市绿地空间面积所占城市土地总面积的比例,公式分别为:

ISAm=ISAS×100%
UGSm=UGSS×100%

式中: ISAm和UGSm分别为城市不透水面比例和城市绿地空间比例,%; ISA和UGS分别为城市不透水面和城市绿地空间的面积,km2; S为城市土地的总面积,km2。将ISAm≥65%的城市表示为高不透水面比例城市; ISAm在[60,65)%的城市表示为中等不透水面比例城市; ISAm<60%的城市表示为低不透水面比例城市。

3.3 城市用地效率分析

城市用地效率采用地均GDP来衡量,即每km2城市用地产出的GDP。通过地均GDP可以表示城市经济增长与城市用地之间的关系,反映城市的经济集中程度和发展程度,来判断城市规模大小的合理性[31]。

4 结果与分析

4.1 海岸带区域城市扩展时空特征

2020年,中国海岸带区域城市土地面积共4.80万km2,由2000年的1.66万km2扩展了3.13万km2,城市空间范围不断向外沿推进,扩展强度为9.41%。海岸带区域城市在加速扩展,2000—2010年的城市扩展速度为1 260.04 km2/a,2010—2020年上升至1 871.74 km2/a。近20 a间,城市土地面积扩展排名前五位城市依次是上海(1 521.87 km2)、无锡(1 478.99 km2)、苏州(1 446.48 km2)、天津(1 132.48 km2)和杭州(1 116.00 km2),主要位于长江三角洲和环渤海湾区域,这些城市在各自区域城镇化发展中起到了很好的引领作用[32]。研究区城市扩展强度如图2所示。

图2

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图2   研究区城市扩展强度

Fig.2   Urban expansion intensity in the study area


城市土地扩展空间分布差异显著,整体上看,海岸带中北部区域城市扩展强度高,高强度扩展城市数量占比41.03%,在江苏、山东和浙江等省份分布较多。低强度扩展城市只有12个,主要包括上海市及广东省的多个城市。有34个城市以中等强度扩展,数量占比43.59%,2020年的城市土地面积共占研究区的36.37%,在整个海岸带区域呈分散分布,如天津市、浙江省温州市和广东省湛江市等。

由于海洋逐渐成为我国经济社会发展的重要战略空间,海洋经济快速发展给沿岸城市土地扩展带来了巨大影响[33],《全国海洋经济发展“十三五”规划》中指出,中国海岸带区域形成了三大海洋经济圈——北部海洋经济圈、东部海洋经济圈和南部海洋经济圈,包含上海、深圳和广州3个全球海洋中心城市,还包含天津、厦门和珠海等12个区域海洋中心城市[34],三大海洋经济圈的城市土地面积统计结果如表1所示。从表1可以看出,城市土地面积最大的是南部海洋经济圈,该区域包含城市多,发展较早,一直处于领先地位。但南部海洋经济圈的城市扩展面积一直小于其他2个经济圈,20 a间城市土地面积共增加了9 229.32 km2。2000—2020年,东部海洋经济圈的城市扩展面积最大,共增加了1.13万km2,扩展强度高,达13.08%。其次是北部和南部海洋经济圈,城市扩展强度分别为11.69%和5.98%。3个经济圈的城市土地均呈加速扩展态势,北部和东部经济圈更为明显。北部和东部经济圈城市后10 a(2010—2020年)的扩展速度均为前10 a(2000—2010年)的1.5倍左右; 南部经济圈城市扩展速度相对平稳。

表1   三大海洋经济圈中海洋城市及城市土地面积

Tab.1  Marine cities and urban land area in the three marine economic circles

海洋经济圈全球海洋中心城市区域海洋中心城市土地面积/km2扩展强度/%
2000年2010年2020年
北部海洋经济圈—天津、大连、青岛4 608.698 996.9115 381.1711.69
东部海洋经济圈上海连云港、宁波、舟山4 327.048 531.6615 643.0813.08
南部海洋经济圈深圳、广州厦门、汕头、珠海、湛江、海口、三亚7 712.8511 720.4716 942.175.98

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北部海洋经济圈包括渤海湾、辽东半岛以及山东半岛沿岸,包含天津、大连和青岛3个区域海洋中心城市(图3),都属于中强度扩展城市。20 a间,这3个中心城市扩展面积分别为1 132.48 km2,442.53 km2和752.25 km2,扩展方向有所不同。其中,天津在2000—2010年以填充型扩展为主,2010—2020年转为以外延型为主,空间上呈现沿西北—东南轴向延伸扩展。大连城市扩展以填充型为主,主城区土地逐渐趋于饱和。青岛城市土地向内陆纵深扩展,表现为环湾发展的空间形态。北部海洋经济圈城市间联系较少,各自独立分散发展,城市间差距较大,城市发展稍落后于其他2个经济圈。

图3

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图3   北部海洋经济圈城市扩展

(审图号: GS(2022)4307号-01。图4和图5同。)

Fig.3   Urban expansion of northern marine economic circle


东部海洋经济圈包括上海、江苏和浙江沿岸(图4),位于“一带一路”建设和长江经济带发展战略的交汇区域,城市发展具有极大的优势,城市扩展强度大。包含了上海这一全球海洋中心城市以及连云港、宁波和舟山3个区域海洋中心城市。2020年上海城市土地面积为2 842.42 km2,城市土地面积在海岸带区域城市中排名第一,20 a间共增加了1 521.86 km2,扩展强度为5.76%,扩展模式由外延式逐渐转变为填充式发展。连云港城市扩展强度为21.11%,城市土地沿南北轴向高强度扩展,尤其是在2010—2020年城市扩展较快,这10 a扩展面积是前10 a扩展面积的2.8倍。受制于地形因素,宁波和舟山扩展面积相对较少。其中,宁波城市土地向四周延伸扩展,且向南部扩展较多; 舟山是典型的群岛城市,城市土地受地形因素影响明显,但自2011年国家设立浙江舟山群岛新区后,城市土地面积增长显著。东部海洋经济圈在上海这个全球海洋中心城市的带领下,城市间协作条件优越,逐渐实现聚拢发展。

图4

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图4   东部海洋经济圈城市扩展

Fig.4   Urban expansion of eastern marine economic circle


南部海洋经济圈由福建、珠江口及其两翼、北部湾和海南岛沿岸组成,包含了深圳和广州2个全球中心海洋城市,以及厦门、汕头、珠海、湛江、海口和三亚6个区域海洋中心城市(图5)。其中,广州的土地面积增加最多,20 a间共增加了933.62 km2。广州和深圳发展早,在前10 a城市土地面积增长快,后10 a的扩展速度明显变慢,城市扩展强度低,分别为5.51%和3.12%。厦门作为福建省的区域中心城市,城市扩展面积也较大,为394.38 km2。汕头、珠海和湛江在各自区域中起到引领作用,城市土地面积逐年增加,以中等强度扩展。海南岛沿岸城市以海口和三亚为核心,充分利用土地资源,城市土地增加面积分别为91.79 km2和48.83 km2。南部海洋经济圈以广州、深圳这2个全球海洋中心城市为核心,城市土地组团聚集发展,东莞和深圳、珠海和澳门等地城市土地边界趋于融合。

图5

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图5   南部海洋经济圈城市扩展

Fig.5   Urban expansion of southern marine economic circle


全球海洋中心城市应同时具备“全球城市、中心城市、海洋城市”三大特征,发挥城市核心吸引力,带动周边城市一同发展,是“中心城市”的关键所在。北部海洋经济圈目前尚未有全球海洋中心城市的关键之一在于中心城市的核心凝聚力不足,空间统筹发展水平不够。土地是城市最基本的组成要素,和城市的经济发展相互制约,关于三大海洋经济圈城市扩展趋势的研究与目前城市的发展水平相一致。

北部、东部和南部海洋经济圈的城市土地增长弹性系数K依次为14.78,8.78和2.85,说明北部海洋经济圈的城市扩展更为稀疏,而南部海洋经济圈的城市扩展更为紧凑,从图3—5中也可以看出,南部海洋经济圈城市间联系紧密,城市组团聚集发展。城市土地增长弹性系数K在最佳值1.12附近的以大城市和特大城市为主,其中最为接近的是厦门和佛山2市,K分别为1.09和1.14,城市扩展与城市化水平较为协调。连云港、南通、宿迁、泰州、盐城、淮安和丹东、葫芦岛、鞍山、淮安、锦州以及辽阳这11个城市的人口呈减少趋势,而城市土地面积在持续扩展,城市扩展与城市化水平不协调程度大,城市化水平亟待提升。83.33%城市的K>1.12,表明多数城市扩展超前于人口增长。梅州和营口等城市的K>100,远远大于最优值1.12,城市扩展速度远快于人口增长速度。深圳和海口的K分别为0.41和0.53,这些中心城市的城市化速度快,人口聚集能力强,城市扩展略慢于人口增长速度。

4.2 海岸带区域城市内部地表覆盖分异特征

近20 a间随着城市化浪潮的不断推进,海岸带区域城市不透水面在迅速增加。2000年时,海岸带区域城市不透水面和城市绿地空间面积分别占城市土地面积的69.49%和20.81%。20 a间,城市不透水面面积以949.34 km2/a的速度持续增加,共增加了18 986.75 km2。同时,城市绿地空间面积以467.50 km2/a的速度增加了9 349.96 km2。到2020年,海岸带区域城市不透水面积为30 555.74 km2,占城市土地面积的63.70%; 城市绿地空间面积为12 814.28 km2,占城市土地面积的26.72%。总体来看,研究区城市不透水面面积在持续增加,但不透水面比例呈现下降趋势,城市绿地空间比例在不断升高。研究区78个城市中,高、中等以及低不透水面比例城市的个数分别为23个、51个和4个。其中,高不透水面比例城市主要分布在研究区中上部的江苏、山东等省份,如淮安、宿迁、德州和日照等城市; 低不透水面比例城市包括莆田、珠海、崇左及澳门等城市; 海岸带区域有3/5城市的不透水面比例处于中等水平,分布广泛(图6)。

图6

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图6   研究区城市不透水面比例

Fig.6   Proportion of urban impervious surface in the study area


2000—2020年三大海洋经济圈城市地表覆盖比例如图7所示。三大海洋经济圈中,南部海洋经济圈城市不透水面和城市绿地空间面积最大,2020年分别为10 680.42 km2和4 448.13 km2,占城市土地面积的63.04%和26.25%。东部海洋经济圈的城市不透水面增加最快,20 a间城市不透水面面积增加了7 048.45 km2。北部海洋经济圈20 a间城市绿地空间面积增加最多,共增加了3 428.01 km2。从城市不透水面比例来看,东部海洋经济圈的城市不透水面平均比例最高,20 a来一直处于领先,但呈现了下降趋势,由2000年的71.16%下降到2020年的64.74%。与之相反,3个经济圈的城市绿地空间比例均呈现上升趋势,2000年南部海洋经济圈的城市绿地空间比例最高,为23.02%,到2020年上升到26.25%,略低于北部海洋经济圈的28.01%。城市在发展过程中逐渐重视城市绿地建设,致力于建设高质量发展的绿色宜居城市。

图7

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图7   三大海洋经济圈城市地表覆盖比例

Fig.7   Proportion of urban surface coverage in the three marine economic circles


建设全球海洋中心城市需有宜居宜业的城市环境,城市绿地空间面积比例是重要的生态环境评价指标之一,三大海洋经济圈中海洋中心城市的地表覆盖情况如图8所示。全球海洋中心城市上海、深圳和广州的绿地空间面积比例变化分别呈现了“增-增”,“减-增”和“增-减”模式,到2020年绿地空间面积比例分别为26.74%,26.93%和27.20%。2020年区域海洋中心城市中绿地空间面积比例最高的是青岛市,为28.73%。其次是三亚市,为28.64%; 20 a间,三亚市绿地空间面积比例呈现先升后降的趋势,2010年绿地空间比例为32.84%,绿地覆盖率高,在海洋城市中处于领先地位。珠海市、广州市和海口市紧随其后,绿地空间比例分别为28.49%,27.20%和27.07%,着力打造绿色滨海城市。

图8

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图8   三大海洋经济圈海洋中心城市地表覆盖

Fig.8   Surface coverage of marine central cities in the three marine economic circles


4.3 海岸带区域城市用地效率分析

进入21世纪以来城市经济飞速发展,研究区城市的地均GDP都在上升,而随着城市规模变大,城市地均GDP在逐渐降低。研究区内城市地均GDP情况如图9所示,其中,香港和澳门2个特别行政区拥有的土地资源少,但GDP高,地均GDP较大。此外,深圳以23.79亿元/km2的地均GDP遥遥领先,城市用地效率高。宁德、舟山、茂名和南通等城市因城市土地面积小而GDP高,地均GDP都在15亿元/km2以上。江苏省的几个城市地均GDP也都比较高,在城市土地面积上充分发挥自身的特色产业优势,以较少的土地面积贡献出较大的经济效益,城市土地效率较高。上海、苏州、广州、杭州和青岛等城市的地均GDP都在10~15亿元/km2之间,较大的城市土地面积创造了相对多的GDP,城市规模大对周边城市具有一定的聚集作用,大型城市靠拢组团发展,城市GDP平稳发展。

图9

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图9   研究区城市地均GDP

Fig.9   GDP per urban land in the study area


随着我国海洋经济布局的逐步优化,三大海洋经济圈根据各自的资源禀赋和发展潜力,在城市发展和整体定位上有所不同,城市用地效率也表现出差异性。2000年时,三大海洋经济圈地均GDP从大到小依次为东部(3.74)、北部(3.04)和南部(2.20)。到2020年时,东部海洋经济圈的地均GDP最大,为10.79,南部海洋经济圈地均GDP(10.72)超越北部海洋经济圈(6.92)。东部海洋经济圈的城市用地效率较高,土地集约化利用程度高。南部海洋经济圈城市土地面积最大,经济发展稍落后于东部,稳中求进,实现高质量发展。北部海洋经济圈教育科研优势显著,正处于经济转型发展阶段,着眼于先进制造业方向发力,城市土地扩展潜力大,要多关注城市间协同发展的优势,提高城市间的联系,充分发挥大城市辐射带动作用,促进周边中小城市的结构升级,提升城市的整体土地利用效率,实现生产要素的合理配置。

5 结论与讨论

利用30 m空间分辨率全球城市土地利用/覆盖变化数据产品(GULUC-30)分析了中国海岸带区域城市扩展状况,对比分析了不同区域城市扩展的特征及城市内部地表覆盖结构的时空差异。得出以下结论:

1)中国海岸带区域城市土地面积20 a间共增长了3.13万km2,扩展强度为9.41%。43.59%的城市扩展强度处于中等水平,海岸带中北部城市扩展强度高。三大海洋经济圈城市扩展规模和模式存在显著异质性,南部海洋经济圈城市发展早,扩展少,城市集中平稳扩张; 东部海洋经济圈城市扩展势头猛,强度大,城市聚拢发展; 北部海洋经济圈城市扩展慢,城市发展分散。

2)2020年,中国海岸带区域城市不透水面面积和绿地空间面积分别占城市土地面积的63.70%和26.72%。近20 a,城市不透水面面积在持续增加,但不透水面比例呈现下降趋势,城市绿地空间比例不断上升。南部海洋经济圈的城市不透水面和城市绿地空间面积最大。东部海洋经济圈的城市不透水面比例最高,城市不透水面增加最快。2020年北部海洋经济圈的城市绿地空间比例最高,20 a间城市绿地空间面积增加最多。

3)中国海岸带区域83.33%城市的扩展超前于人口增长,厦门和佛山的城市扩展与城市化水平最为协调。小城市的地均GDP大,用地效率高。东部海洋经济圈城市土地集约化利用程度高。

本研究旨在揭示城市扩展和城市内部地表覆盖结构特征,对于城市扩展的驱动力分析较少。研究发现在特大城市中超半数的城市都属于副省级城市及以上,可见国家对城市的战略定位对城市自身发展来说至关重要,国家政策引导的城市发展规划以及城市经济活动等因素对城市扩展和城市地表覆盖结构等具有重要影响,后续可以结合地形、距海距离和开发区规划等自然和社会经济驱动因子分析城市扩展特征的外在因素,从更深层次探究城市今后的发展方向。

近年来,继上海、广州和深圳之后,天津、青岛、大连、宁波和舟山等城市纷纷提出要打造“全球海洋中心城市”的目标,城市人口和城市不透水面分布逐渐向海岸带移动。随着全球气候变化,海岸带区域城市将面临更加严峻的挑战,而“全球海洋中心城市”的评选对城市的环境资源承载力也提出了更高要求。因此,海岸带区域城市在大力发展经济的同时,也要做好城市空间布局的合理规划,提高土地资源配置效率和产出效率,优化城市不透水面及绿地空间比例,构建陆海绿色生态格局,建设高质量滨海城市。

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Urban land cover has major impacts on urban ecosystem service and inhabitant living environment. Chinese cities' spatio-temporal distribution of impervious surface area and green land shows more remarkable differences than that of USA. This study focused on monitoring and comparing the spatio-temporal dynamics, land cover patterns and characteristics of urban functional regions in six cities located in China and USA, based on Landsat TM/MSS images obtained in 1978, 1990, 2000 and 2010. The study indicated that the three major cities in China were developing with compact forms, but the three major cities of USA have presented dispersed forms during the past 30 years. The proportion of vegetation land of the three cities in the USA was as much as 2.21 times of that in the three China's cites. Land use types of Chinese cities are more complicated with a higher density of impervious surface area. In contrast, the CBD and living areas of American cities were covered by low impervious surface area and high rate of green land, which were relatively independent. This study can make contribution to urban planning and administration for both China and USA.

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本文选择大连市沙河口和西岗区为研究区,以Landsat ETM、SPOT等数据为基础,通过遥感解译和反演得到1999年和2013年研究区内绿地及地表温度空间分布及演变特征,结合温度-植被指数（TVX）空间分析法测度城区发展过程中绿色空间减退所引起的热环境效应,以提出更有针对性的城市气候变化适应性规划。研究结果表明：（1）1999-2013年,研究区绿地面积减少43.8%,绿地斑块增加42.9%,城市绿地呈现面积减少、空间分布碎化的演变特征。其中,森林绿地、公园绿地和街区绿地转化为建设用地的贡献率分别为43.8%、42.9%和13.3%,街区绿地因原始面积小且转化率高,被建设用地侵占最为严重。（2）1999-2013年,研究区地表温度最高值上升5.2 K,地表温差增加1.7 K,地温聚集区间由301.6 ~304.7 K上升至306.5~310.9 K,热环境效应加剧。（3）TVX模型追踪结果显示,快速城市化过程中研究区内城市绿地转化为建设用地引起植被覆盖度下降和地表温度上升,其中街区绿地被侵占造成的地表热环境效应大于公园绿地和森林绿地。

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海岸带城镇扩展及土地利用变化在很大程度上影响着海岸带生态安全。本文以滨海城市-烟台市为例,基于1990年-2009年间的遥感监测历史数据,将城市扩展动态模拟方法与区域生态风险评价方法相结合,模拟和评估三种海岸带政策管理预案条件下烟台市区2010年-2040年间的城镇扩展与土地利用变化过程,以及城镇扩展导致的海岸带资源损失和区域生态风险空间差异性。结果表明：烟台市区未来城镇化过程加速,开发区、莱山-牟平一带区域生态风险明显加大；若不加约束将有更多的耕地资源和近岸海域被侵占；鼓励海岸带开发利用与适度围填海的城镇发展政策,加速了岸线资源的损失,使得海岸带区域生态风险增大,需要采取强有力的海岸带保护和围填海建设监管措施,降低高强度开发给海岸带地区带来的生态风险。

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Yantai, situated on the northern coast of the Shandong Peninsula, has achieved great development in industrialization and urbanization since the reform and opening up. In recent years, coastal tourism and maritime transportation increasingly have contributed to local economic development. As a result, the urban area of Yantai has expanded drastically, which resulted in massive threat to coastal ecological integrity. In this study, urban distribution maps of Yantai in five years (1990, 1995, 2000, 2004, and 2009) were obtained from Landsat Thematic Mapper (TM) and Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM<sup>+</sup>) satellite imageries. Then, the spatial-temporal process of urban expansion and land use changes over the period 2010 -2040 under three kinds of coastal policy management scenarios were simulated with the SLEUTH urban growth model. The three urban growth policy management scenarios included history trend scenario (HT), coastal protection scenario (UP), and coastal growth scenario (CG). Under scenario HT, there are no extra management for urban growth. Policies protecting coastal resources and guaranteeing ecological security are applied under scenario UP. Scenario CG could promote the exploitation and utilization of coastal resources. On the basis of the simulation results and a combination of GIS spatial analysis with regional ecological risk assessment methods, differences in urban development patterns as well as coastal resource losses and the regional ecological risk spatial-temporal distribution were analyzed. Conclusions are given as follows. 1) After the year 2000, the urbanization rate of Yantai has speeded up. Under the HT scenario, the urban area in 2040 was estimated to be 607.36 km<sup>2</sup>, increasing by 388.04 km<sup>2</sup> compared to that in 2009. About 205.39 km<sup>2</sup> of cultivated lands would be lost and the annual loss would come up to 743.88 ha. There were 34.75 km<sup>2</sup> of land reclaimed from the sea which became urban and public facilities. The ratio of high-risk ecological zones would go up and the local ecological risks would apparently increase in Laishan district, the economic and technological development zone, as well as the areas of 15 km from the coast; 2) The CG scenario would promote urban expansion along coastline; however, it aggravated losses of cultivated land, shelter forest, and natural resources in the coastal zone, causing higher ecological risks. Under the management condition, strong reclamation regulatory measures for urban development should be taken to prevent tourists and industrial constructions from being close to the sea and to increase the intensive land and sea use in coastal zones. The measures also include increasing ecological spaces and wetland, reducing geological disasters and ecological risks resulted from the high-intensity development in the sea area of the Yantai west port and near the Yangma Island; 3) Scenario UP would protect resources of coastal areas to some extent and effectively reduce ecological risks along the coastline from Laishan to Muping by restricting the rates of urban expansion. Under this condition, the connotation development policies should be taken to adjust the land use structure and make urban land use more intensive. This study could help governments to develop coastal urban areas and manage coastal land use reasonably.

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