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SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA >

2012 , Vol. 32 >Issue 1: 47 - 54

DOI: https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2012.01.47

Orginal Article

Diffusion and Aggregate Process of Urban Pattern in Suzhou, Wuxi and Changzhou cities over the Recent 30 Years

  • LIU Deng-e , 1, 2 ,
  • CHEN Shuang , 1
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  • 1.Nanjing Institute of Geography & Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing, Jiangsu 210008, China
  • 2.Graduate University of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049

Received date: 2011-01-20

  Request revised date: 2011-06-01

  Online published: 2012-01-20

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本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
Fold

Abstract

The authors performed a quantitative study on characteristics of urban expansion in the Suzhou, Wuxi and Changzhou cities (SWC) by means of quadrant analysis and buffer analysis with Landsat MSS/TM/ETM images acquired in 1979, 1991, 2001and 2006. The results indicated that the spatial pattern of urban growth behaved certain regularity in the last 30 years. Expansion intensity index of the three cities showed a highly coherence with circle radius, and the peak of expansion intensity moved gradually from the inside out with time. Combined with experimental analysis for major growth axis, it is suggested that SWC region might present incomplete filling and axial development. The expansion pattern exhibited an alternating process that the complete cycle of diffusion-aggregate-diffusion was not observed in the whole city in 1976-2006. It was also found that urban expansion intensity index was quite different in different directions at different time. Various development zones which were initiated and located by the government played an important role in driving new urban growth. In Suzhou city, the eastern industrial park and southern districts lead the whole expansion process. In Wuxi, the expansion of all directions was relatively balanced.owing to the private economy development. In contrast, the urban expansion of Changzhou showed a multi-polarization trend which flocked to northern high-tech industrial zones and eastern industrial zones. A number of alternating development axes emerged as a result of the top-to-bottom control on urban development in the city.

Key words： urban pattern; expansion intensity; landscape index; space dynamics; Suzhou-Wuxi-Changzhou (SWC) cities

Cite this article

LIU Deng-e , CHEN Shuang . Diffusion and Aggregate Process of Urban Pattern in Suzhou, Wuxi and Changzhou cities over the Recent 30 Years[J]. SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA, 2012 , 32(1) : 47 -54 . DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.2012.01.47

自1954年布卢门菲尔德(Blumenfeld H)提出城市空间动力学理论以来,城市空间扩展模式及驱动机制一直是城市地理学热议的话题,形成了城市增长的波动与周期理论[1~3],与中国城市扩展特征结合提出了集聚-扩散理论[4]。对城市扩展的社会经济动力学[5~8]研究发展也很快,一般通过分析和筛选能驱动城市扩展的社会、经济因子建立动力学方程,并在分形增长(fractal growth)理论假设下模拟和预测城市空间扩展[9~12],如元胞自动机(CA)的研究及其在城市规划研究与实践中的应用。然而,对城市空间形态本身的量化研究[13]仍然相对薄弱。
历史证明,相同的城市形式并不一定传达相同或相似的人的意图,反过来,相同的政治、社会或经济秩序也不一定会导致相同的城市模式[14]。城市的形成是众多环境和人文因素在复杂的组织方式下相互作用的结果,城市空间形态是在城市的自然环境与自然景观、城市发展动力、城市结构与功能因素、城市规划师与城市管理者相互作用下产生的[15]。城市增长模型的精细化研究需要更多的经验观察与数据支撑,需要将极度不规则的城市空间形态抽象成参数,在时空序列上作量化对比和动态过程探讨,并与城市的环境条件、结构、功能进行定量关系解析。借助遥感和GIS技术在快速获取海量空间数据方面的优势,城市形态量化研究从一般测度方法与指标讨论[16~22]开始转向理论和案例研究,利用长时间序列或多个案例城市扩展的历史过程检验经典的空间动力学模式[23,24],促进模型优化。苏州、无锡、常州同属于长江三角洲城市群核心城市,城市区域几近相连,但不同行政辖区内的城市增长机制又各有特色。本文以这3个城市为研究对象,通过对城市扩展量化参数的比较分析,揭示城市空间的集中-分散规律,为城市增长管理和空间形态参数控制提供科学依据。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区包括苏州、常州、无锡3个市辖区,该地区自然条件优越、开发历史悠久,人口众多,经济实力雄厚,是长江三角洲最具实力和活力的地区(表1)。近30 a来,伴随快速的工业化和城镇化,3个城市沿沪宁线连接生长,地域空间上呈融合趋势,表现出城镇密集区典型特征(图1)。建设用地在年均10%的速度增长下,30 a内扩大10倍以上,区域土地利用发生了巨大变化,经济发展与土地资源紧缺的矛盾日益突出,造成系列社会和生态问题,已严重威胁到区域可持续发展。选取该地区开展城镇用地增长过程及模式研究,具有代表性和重要的现实意义。
Table 1 The population, area and construction land of Suzhou, Wuxi and Changzhou cities

表1 苏州、无锡、常州市区基本情况及建设用地增长

年份 苏州 无锡 常州
总人口(万人) 2008年 238.21 237.42 225.87
土地面积(km2) 2008年 1650 1623 1872
建设用地面积(km2) 1979年 36.40 35.47 27.51
1991年 76.67 109.42 92.94
2001年 198.80 205.63 192.43
2006年 543.61 430.43 420.59

数据来源:苏州市统计局[25],无锡市统计局[26],常州市统计局[27]

1.2 数据来源及处理

研究数据主要源于1979年、1991年、2001年和2006年4个时期的Landsat MSS/TM/ETM遥感影像、1:10万地形图、行政区划图及相关统计年鉴[25~27]。首先在ENVI 4.6软件支持下对遥感影像进行几何校正,误差在0.5个象元以内,并进行图像增强处理,采用最大似然法进行监督分类;然后将城镇用地导入ARCGIS 9.3,根据目视判读进行修改,获取苏锡常地区城镇建设用地矢量数据。将4期城镇建设用地空间数据叠加,得到1979~2006年苏锡常市区城镇建设用地扩展图。以1979年中心城区质点为原点,将3个市区分别划分成8个象限,以1979年中心城区为基准、以2 km为间隔做缓冲区,将各时期城镇用地切分到各象限及缓冲带,用于城镇用地扩展的时空分异特征研究(图1)。
Fig. 1 Urban expansion,quadrants and buffers of Suzhou,Wuxi and Changzhou cities in 1979-2006

图1 1979~2006年研究区城市建设用地扩展及象限和缓冲带划分

1.3 城市扩展测度指标计算

城镇用地扩展度量指标主要包括城镇扩展面积、扩展强度指数、分维数、城镇重心坐标等 [28]。由于对空间形态的量化功能,景观格局指数也常被用于描述城市景观斑块[23]。本研究采用扩展强度指数和部分景观格局指数指征城市用地集中与分散状况。
1) 扩展强度指数
借鉴刘盛和[29]的计算方法:
U = △ U · 100 A · △ T 1
式中,A为研究单元面积(km2);△U为研究单元内非城镇建设用地转化为城镇建设用地面积(km2);△T为时间段(年); U为研究单元城镇用地扩展强度指数,即每年新增建设用地的比重。
2) 聚散特征指数
选用平均斑块大小(MPS)与斑块密度(PD)两个最常用的景观格局指数指示城镇用地的集中与分散程度 [23]:
MPS = A ' / N 2 PD = N / A 3
式中,A'为研究区城市景观斑块面积之和(km2),N为研究区斑块数量, A为研究区面积(km2);MPS(km2)、PD(个/ km2)取值均大于0,无上限,城镇用地斑块越小且破碎,则MPS值越小,PD值越大。
3) 城市形状指数
采用景观形状指数(LSI)表示城镇用地形态的复杂度,通过计算斑块形状与相同面积正方形的偏离程度获取 [30]:
LSI = 0.25 P A ' 4
式中,P为所有斑块边界的总长度(km);A'为所有斑块总面积(km2)。当斑块形状为正方形时,值最小,等于1。LSI值增大,表明城镇斑块形状复杂化,减小则表明城镇斑块趋于规整。
综合运用MPS、PD和LSI可以分析城镇用地空间动态过程。当各方向MPS值不断增大,PD相应降低,说明城镇用地在不断扩展,若在某一或几个方向出现高峰值,则在该方向发生了明显填充过程,在填充过程中,LSI值增加表示城镇用地斑块填充及自身扩大的同时,出现新的城镇斑块,若LSI值降低则说明城镇斑块越来越紧凑。

2 结果分析

2.1 苏锡常城镇圈层扩展强度

针对苏州、无锡、常州市区在1979~1991年、1991~2001年、2001~2006年三个时期的城镇用地扩展,计算2 km间隔缓冲圈层(图1)的扩展强度指数U,并以距1979年城区边界距离为横坐标,绘制不同时期城市扩展强度变化曲线(图2)。如图所示,苏锡常3市的城镇建设用地扩展强度指数呈现出极为相拟的变化特征:1979~1991年间,城镇扩展强度随距1979年城区边界距离增加而衰减,曲线初始值为最大值,说明距中心城区0~2 km缓冲区内,城镇扩展最活跃;1991~2001年间,无锡和常州在距中心城区4 km处城镇扩展强度最大,而苏州的城镇扩展强度最大区仍是0~2 km缓冲区;2001~2006年间,3市的城镇扩展强度均远远高于前两个时期,由中心向外快速上升至6 km处达到最大值,然后逐渐下降趋于平缓,说明这一时期扩展速度明显加快。
Fig. 2 The distance decay trends of urban expansion intensity index in Suzhou, Wuxi and Changzhou cities in 1979-2006

图2 1979~2006年苏州、无锡、常州城镇扩展强度指数的距离衰减曲线

2.2 苏锡常城镇各向扩展强度

针对苏州、无锡、常州市区3个时期的城镇用地扩展,分别计算自中心向外的8个象限区(图1)的扩展强度指数U,并以象限为轴绘制不同时期城市扩展强度变化雷达图(图3)。如图显示,苏州市区1979~1991年间在各方向近于均衡扩展,1991~2001年间在东南向VII象限的扩展占主导,2001~2006年各方向扩展强度大幅增加的同时,在I、VII、VIII象限的扩展明显强于其它方向;无锡市区在各阶段的各向扩展强度都相对均衡,整体上在西北-东南(III、VII、VIII)向拓展强于其它方向;常州市区各阶段均表现较明显的定向扩展趋势,前期东南(VIII)占主导,后改为北偏东(II)方向,2001年后各方向扩展强度交错变化,出现多个主导方向。
Fig. 3 The spatial differentiation of urban land expansion in Suzhou, Wuxi and Changzhou cities in 1979-2006

图3 1979~2006年苏州、无锡和常州城镇用地扩展空间分异

采用标准差法分析各城市不同时期扩展的主导方向(表2),表明过去30 a来3个城市扩展的主导方向均发生了变化,但基本上固定在两个象限内,苏州为VII和I,常州为VIII与II,无锡为III与VII,近年VIII象限的扩展量较大。2001年后城市扩展强度加大的同时,定向扩展特征有所削弱。
Table 2 The changes of major growth direction in Suzhou, Wuxi and Changzhou cities in 1979-2006

表2 1979~2006年苏、锡、常城市主要增长方向

城市 时间 象限
I II III IV V VI VII VIII
苏州 1979~1991年 + +++
1991~2001年 +++ +
2001~2006年 ++ + + +
无锡 1979~1991年 + + + ++
1991~2001年 + ++ + +
2001~2006年 + ++ + +
常州 1979~1991年 + + +++
1991~2001年 + +++ +
2001~2006年 ++ + ++

注:+扩展强度高于该市同期8个象限的平均值;++扩展强度高于平均值1个标准差;+++扩展强度高于平均值2个标准差。

2.3 苏锡常城镇扩展形态变化

针对苏州、无锡、常州市区1979年、1991年、2001年、2006年4个年份的城镇用地格局,分别计算自中心向外的8个象限区(图1)的景观格局指数MPS、PD和LSI,绘制不同年份景观指数随象限变化曲线图(图4)。如图显示,苏锡常3市城镇用地MPS值自1979~2006年随时间推移逐渐增大(图4a,4b,4c);LSI值自1979~2001年随时间推移上升,至2001年后普遍下降(图4d,4e,4f);PD值随时间变化特征不明显(图4g,4h,4i)。说明城镇斑块在延伸和填充生长的同时有新的斑块出现,而2001年后斑块主要通过合并扩大,城镇扩展进入大规模填充与合并阶段,用地格局趋于紧凑。此外,2006年的MPS曲线在苏州I、VII,无锡III,常州II、VIII等象限出现明显峰值,对应的LSI值(除苏州I外)和PD值(除常州VIII)均不同程度下降,表明在这些区域出现了大规模填充。
通常MPS增大包括两种方式,一是斑块的边缘延伸,一是斑块合并。其中边缘式扩展贯穿城镇扩展过程,造成MPS总是随时间推移而增大。为了区分此2种增长,对MPS作归一化处理(除以同时期各象限MPS平均值),得RMPS如图4j,4k,4l。比较图4j~4l与图4g~4i,PD与RMPS基本呈相反变化,即当象限的RMPS最大时,PD最小。
Fig.4 Changes of urban land landscape indices of Suzhou, Wuxi and Changzhou cities in 1979-2006

图4 1979~2006年苏锡常市区城镇用地景观指数变化

表明RMPS能反映斑块通过合并而增长的部分,象限的RMPS增长指示斑块合并作用,下降则指示新斑块产生与分散作用。
选取苏锡常3市主要增长轴,观察RMPS、PD和LSI随时间变化趋势(表3),可以看出,除无锡VII以外的各轴用地增长均经历了至少一次由扩散到集中的过程,即RMPS由下降到增长的过程。其中苏州I象限受东部新加坡工业园建设影响显著,2001年前呈跳跃式扩展(RMPS↓,PD↑,LSI↑),工业园二期开发及其带动下的周边开发极大地推动了该区域的连片发展(RMPS↑,PD↓),但形态极不规则(LSI↑),应还有一个较长的继续填充阶段;苏州VII象限,则表现了另一种政策干预下的发展,在1991~2001年间南部原吴县县城区的快速扩张,造成该区域用地形态上的分散(RMPS↓,PD↑,LSI↑),2001年后行政区划调整促成内部填充和连片发展(RMPS↑,PD↓,LSI↓);无锡III象限,体现了苏南郊区城市化的典型过程,以城郊西漳镇为例,1991年前基本为小城镇内源性扩张,其间夹带村办工业发展造成的居住和工业用地混合开发,1991~2001年间沿锡澄公路向北连接堰桥镇、向南连接主城布局大量工业用地,用地形态趋于分散,2001年后开发速度加快,大规模成片工业和住宅开发填充先前空地,形成连片建设的形态;无锡VII象限在2001年前类似无锡III象限的发展过程,由于该区域目前为无锡滨湖新区和新的行政中心所在地,仍处于新斑块不断增加的分散形态;常州II象限为常州北向拓展区,1991年前为旧城改造带动的城市外延,1991~2001年间沿澡港河连续布局工业用地和高新技术开发区,造成廊道式扩展形态,后发生大规模填充与合并,形态趋于集中,2001年后沿江开发政策引导下工业用地快速增长,并产生新斑块;常州VIII象限为常州东向拓展区,过程与常州Ⅱ象限类似,2001年前为依托丁堰镇、戚墅堰镇及沪宁线分散布局乡镇工业斑块,后发生大规模成片填充,形态趋于集中。
Table 3 Changes of urban landscape indices in major growth axes of Suzhou, Wuxi and Changzhou cities before and after 2001

表3 苏锡常城市主要增长轴用地格局指数2001年前后变化

RMPS PD LSI
苏州Ⅰ ↓,↑ ↑,↓ ↑,↑
苏州Ⅶ ↓,↑ ↑,↓ ↑,↓
无锡Ⅲ ↗↘,↑ ↘↗,↓ ↑,↓
无锡Ⅶ ↓,↓ ↑,↑ ↑,↓
常州Ⅱ ↘↗,↓ ↗↘,↑ ↑,↓
常州Ⅷ ↓,↑ ↑,- ↑,↓

注:↓,↑表示2001年前为下降,2001年后为上升趋势;↗↘,↑表示2001年前为先上后下波动变化,2001年后上升趋势。

总体上2001年前RMPS下降,PD上升,LSI上升,城镇用地通过新斑块布局实现扩张,斑块密度上升,形态趋于不规则;2001年以后则进入填充、合并阶段,密度下降,形态趋于规则。

3 讨 论

3.1 城市扩展强度峰值区由内而外渐次推移

对苏锡常地区城镇建设用地扩展特征进行定量分析,发现近30 a年来的城市增长空间模式表现出一定的规律性。苏锡常3市的空间扩展遵循单中心城市由中心向外圈层推进的一般规律。圈层形状受历史城区及自然定制线影响,三城市各有不同,但城市扩展强度指数随圈层半径变化轨迹高度一致(图2),扩展强度峰值同步推移,符合Blumenfeld的城市时空演变动力学有关特定周期内“最大成长区”从城市中心向外移动的论断。1979~1991年间的高强度扩展区在旧城(1979年中心城)外2 km处,1991~2001年间外移到旧城外4 km处,而2001~2006年间的高度扩展区在旧城外6 km处。平均每10 a向外移动2 km。根据扩展强度随距离衰减曲线,距旧城一定距离时扩展强度几乎不再变化,若将该距离作为扩展边界线,则可以观测到1979~1991年间的边界线在12~14 km,1991~2001年间外推至14~16 km,而2001~2006年间则到达18~22 km。综合考虑扩展强度的峰值和边界值及其推移情况,可以推断存在一个约10 km宽的城市扩展活跃区。

3.2 城市扩展形态体现分散-集中交替变化

根据城市增长是一个“扩散—聚合”周期性行为的理论框架,采用景观格局指数定量分析城市增长的分散和聚合过程。对苏、锡、常城市整体和主要增长轴的形态指数分析表明,3市扩展形态呈现分散-集中交替变化。在城市发展的初期阶段,城镇用地扩展以分散过程为主,随着扩展的继续,逐渐填充城镇用地之间的空隙,表现为聚合状态,在聚合过程后期,又会出现新的城镇增长点。在近30 a年的扩展过程中没有观察到城市整体的分散-集中-分散完整周期变化,说明该区域城市扩展的聚散周期应在30 a以上;但是在部分增长轴已出现周期变化过程,表明城市的集聚填充阶段可能会在达到饱和前中止,用地沿伸展轴连续延伸。3市扩展强度峰值和边界线在后期的外移幅度加大,也佐证了城市非完全填充的特征。

3.3 城镇外部形态的空间差异性明显

由于自然、社会经济条件及政策的不同,3个城市的外部轮廓和扩展方向差异明显。
1) 苏州城市定向拓展特征明显,向南和向东拓展主导整个过程。南部为原吴县地区,城镇扩展强度多年居高不下;东片为苏州新加坡工业园区,始建于1994年,用地总面积70 km2,吸引了大批外资企业,同时,外资企业引入也加快了工业园区以东地区的建设。
2) 无锡城市扩展相对均衡,各个方向上扩展强度接近。无锡市高度重视民营经济的发展,集中力量扶持发展民营企业。民营经济吸引人口、资金等生产要素向城镇大量集聚,促进了中小城镇的活跃和繁荣,成为城市经济和空间扩展新的源动力,推动郊区及小城镇城市化发展。在空间上则体现为各个方向上的均衡拓展。
3) 常州城市拓展呈多极化趋势,多个发展轴交替呈现。自上而下的调控对城镇发展起了重要作用。如1992年提出了“重点向北”的“以港兴市、连江通海、三区一线、再造常州”的发展战略,并启动了常州高新技术产业开发区建设;1995“撤县设市”在湖塘镇南部建立了武进市行政中心和新区,后撤市为区并入中心城。从而改变了城市原有沿沪宁铁路及运河沿线带状发展的格局,城市发展表现为向北、向东、向南多极发展格局。

4 结 论

1)总体来看,1979~2006年间苏锡常城镇用地面积扩展巨大,城镇建设用地扩展强度指数经历了一个大致相同的变化趋势:1979~1991年间,距旧城2 km内城镇扩展最活跃,并随距离逐渐下降;1991~2001年和2001~2006年间,城镇扩展强度峰值分别外移至4 km、6 km处。
2)通过城镇用地景观指数计算和分析得出,苏、锡、常城镇扩展形态体现分散-集中交替变化特征,但在近30 a扩展过程中没有观测到完整周期,结合主要增长轴扩展过程分析,表明城市可能出现不完全填充和轴向伸展趋势。
3)研究区城镇用地在不同时段不同方向上扩展强度有较大差异,政策干预下的各类开发区充当城市的新增长空间。苏州城镇用地扩展主要集中在东片工业园区和南部城区,无锡城镇用地各向扩展相对均衡,常州城镇用地扩展主要集中在北部高新技术产业区及城东工业区。
致 谢:诚挚感谢南京地湖所高群老师、相景昌同学、燕月同学等为数据解译提供的无私帮助,感谢所数据中心为研究提供部分遥感影像数据。

The authors have declared that no competing interests exist.

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