烟台城市扩展特征及驱动力分析

焦雅楠，杜 鹏，刘万波

(辽宁师范大学 地理科学学院，辽宁 大连 116029)

城市是人口、资源、环境、经济聚集的高级形式。随着全球城市化的不断演进，城市空间也发生了剧烈变化，城市扩展便是其最显著的表达。由于城市在空间上不断扩张蔓延，城市用地供需矛盾越来越尖锐，城市空间扩展引发的一系列问题亟待解决[1]。同时，中国城市的发展由增量规划时代转向存量规划时代，对城市建设提出了新要求。因此，识别存量规划背景下城市扩展的新特征，揭示城市扩展内在机理，对实现城市可持续发展具有重要意义。

城市扩展一直是国内外学者关注的热点问题之一，目前国外学者对城市扩展的研究主要集中在城市蔓延[2]、紧凑城市[3]、精明增长[4]、城市更新[5]等领域。国内学者对于城市扩展的研究要晚于国外，主要聚焦于扩展形态[6-8]、扩展模式[9-10]、动力机制[11-13]、预测模拟[14-16]等方向。城市扩展形态的研究侧重于定性归纳[17]、定量测度城市形态[18]和划分城市空间扩展边界[19]等方面；
关于城市扩展模式，杨荣南认为城市扩展模式主要包括集中型同心圆式扩展、沿主要对外交通轴线带状扩展、跳跃式成组团扩展、低密度连续蔓延4种模式[10]。顾朝林概括出城市扩展具有从同心圆圈层式至分散组团形态、轴向发展形态乃至最后带状增长形态的发展规律[20]。随后许多学者对北京、上海、深圳等城市展开了大量的实证研究[21-23]；
城市扩展的动力机制多采用因子分析、聚类分析、多元回归分析、相关分析进行综合因素研究[24]和单因素研究[25]；
对城市扩展的预测和模拟多采用CA模型[26]、多智能体模型[27]、SLEUTH模型[28]等。

目前，中国的城市扩展研究已经取得了丰硕的成果，但是还存在不足之处：首先，中国已经步入了高质量发展阶段，城市发展迈入了存量规划时代，这对中国城市的发展提出了新要求。但现有研究对存量规划背景下城市扩展新特征和动力机制的识别较少；
其次，以往的研究多集中于北京、上海、深圳等超大城市。烟台市作为面向东北亚开放的桥头堡，近30年来，特别是1984年烟台市成为首批沿海开放城市之后，城市规模不断扩大，但对烟台城市扩展的时空特征一直缺乏长时间序列的深入研究。本研究基于5个时期Landsat卫星遥感影像数据，对1984—2020年烟台城市扩展的时空特征进行分析，并结合相关统计数据识别其驱动力，以期对烟台市城市规划、城市建设有所帮助。

烟台市位于山东半岛东北部，东联威海，西接潍坊，西南毗邻青岛，北邻渤海、黄海，与辽东半岛隔海相望，总面积约为13 864.5 km2。地形以低山丘陵区为主，山丘起伏和缓，其中山地占总面积的36.6%，丘陵占39.7%。气候属暖温带大陆性气候，四季分明，受海洋影响大。烟台市目前共辖5个市辖区、6个县级市，截至2020年底，全市常住人口约710.2万人，全年地区生产总值(GDP)约为7 816.4亿元。烟台市旅游资源多样，地下矿藏资源丰富，以招远市为代表的黄金产业最为著名，海洋经济发展迅速，是全国重要的渔业基地。本研究采用2020年行政区划，选取芝罘区、福山区、牟平区、莱山区、蓬莱区5个市辖区作为研究区域，可以较好反映烟台整体城市空间扩展变化。

图1 研究区范围

2.1 研究方法

2.1.1 规模特征指标

扩展动态度指数可能因为城市初期面积过小而数值过大，无法全面反映扩展规模的变化，因此本研究同时采用扩展强度指数和扩展动态度指数来分析烟台城市扩展的规模特征。扩展强度指数是指某区域在研究时期内城市建设用地扩展面积占区域总面积的百分比[21]，可以用来反映不同发展时期城市扩展的强弱和快慢。计算公式如下：

(1)

扩展动态度指数是指单位时间、各个空间单元内城镇面积变化与其初始面积的比值[29]，可以描述不同时段城市扩展面积的大小。其计算公式为：

(2)

式(1)和(2)中：S为扩展强度指数；
R为扩展动态度指数；
U为研究区总面积；
Ua为研究时段初期城市建设用地面积；
Ub为研究时段末期建设用地面积；
N为时间间隔。

2.1.2 方向特征指标

本研究采用等扇分析法来定量分析不同时段烟台城市扩展的方向特征。基于ArcGIS 10.2，以中心城区芝罘区的平均中心为圆心，基于8个方向将研究区划为若干面积相等的扇形区域，与不同时期城市建设用地范围进行相交分析，得到各方位各时相的城市建设用地面积，最后将各时段面积变化数量与同一方位研究时段初期城市建设用地面积相比，得到扩展方位数据用以测度方向特征。

2.1.3 形态特征指标

因为城市紧凑度和分形维数具有较好的独立性和相互验证性，所以本研究采用这两个指标分析城市扩展的形态特征。城市紧凑度[30]反映了城市内部空间的集中化程度，其值在0～1，值越大，城市扩展形态越接近于圆形，紧凑度越好，反之，则越差。分形维数[31]反映了城市边界形状的复杂性，其值越大，表示城市形状越复杂，反之，则越规则。具体计算公式如下：

(3)

(4)

式(3)和(4)中：C为城市紧凑度；
D为分形维数；
A为城市面积；
P为城市轮廓周长。

2.1.4 地理探测器

已有研究对城市扩展驱动机制的分析多采用相关分析、回归分析等传统的数理统计方法，地理探测器作为一种新的统计学方法，可以探测空间分异性，以及揭示其背后驱动因子[32]，因此，本研究采用地理探测器揭示烟台城市扩展的驱动力。地理探测器包括分异及因子探测、交互作用探测、风险区探测和生态探测4个探测器。本研究主要采用分异及因子探测来分析烟台城市扩展的驱动力。公式如下：

(5)

2.2 数据来源与处理

遥感影像数据来源于地理空间数据云，选取1984年、1993年、2002年、2011年、2020年5期Landsat-5 TM和Landsat-8 OLI影像，共15景。受到数据可获得性的影响，时相多集中在夏秋季节。首先，在ENVI5.3软件中对研究区15景影像进行辐射定标、大气校正、镶嵌等预处理。其次，运用支持向量机分类法(SVM)执行监督分类，采用人机交互目视解译进行一致性检验，并进行精度检验，5期分类结果的Kappa系数均高于90%，满足研究需要。最后在ArcGIS 10.2中提取不同时段的城市建设用地以反映城市建成区(图2)，并统计周长、面积等信息，计算城市扩展规模、方向、形态等指标。高程数据选用地理空间数据云DEM数据，行政中心、铁路、火车站、港口、机场、水系、海岸线数据从OSM获取，行政区划矢量文件来源于山东省地理信息公共服务平台。社会经济数据来源于历年《烟台统计年鉴》。

图2 烟台1984-2020年城市建设用地范围

3.1 规模特征

总体而言，烟台城市扩展面积、扩展速度、扩展强度变化基本保持一致，呈现“V”字型，扩展动态度逐渐下降，城市扩展具有显著的阶段性特征。1984—2020年城市建设用地面积由48.36 km2增加到507.34 km2，净增458.98 km2，规模扩大了9.5倍。

表1 烟台城市扩展规模特征

具体来看：1984—1993年烟台城市扩展强度最高，城市建设用地面积增加了141.49 km2，年均扩展面积为15.72 km2，扩展强度为0.42，扩展动态度为32.51，城市扩展较快。城市建设用地的增长主要来自芝罘区中部人口的聚集，在今幸福街道、只楚街道、世回尧街道形成了新的居住区。1984年烟台被确立为中国首批14个沿海开放城市之一，劳动大厦等工程项目相继落地，带动了烟台中心城区的城市建设，其他城区还处于城市建设初期，扩展面积变化不大。1993—2002年受亚洲金融危机的影响，全市的招商引资受到影响。烟台城市建设用地增加了82.67 km2，扩展强度和扩展动态度均比上一阶段有所下降。新增城市建设用地主要分布在夹河以西、福山区以北的开发区，芝罘区北部基本实现城市化。2002—2011年，烟台城市建设用地面积扩展105.12 km2，扩展面积比上一阶段略有增加，扩展强度有所上升，扩展动态度有所回落。这一阶段烟台市制造业的迅猛发展，国际商贸金融中心、体育公园、滨海大道景观带等大型项目开始推进，五大主城区开始连接成片。烟台大学的建成带动建成区开始越过东炮台，延伸至岱王山东，芝罘区和莱山区绕山连接成片，开发区的建设使得福山区和芝罘区连接成片。2011—2020年烟台建设用地面积增加了129.69 km2，扩展速度、扩展强度、扩展动态度均有所下降。随着经济的发展，居民对生活品质的要求也不断提升，因此这一阶段城市建设以内部整治提升为主。芝罘区的多处工业用地进行了置换，中国农业大学烟台研究院、中国科学院烟台海岸带研究所等教育科研单位落地莱山区，鱼鸟河和沁水河两侧的滨河绿地提升了牟平区的环境品质，整体带状滨海城市带形成。

3.2 方向特征

烟台城市扩展的各时相各方位特征如图3所示。总体而言，烟台建设用地扩展方向分异显著，主要沿S、SW、SE、NW 4个方向扩展。

图3 烟台城市扩展空间分异

具体来看：1984—1993年，新增城市建设用地主要集中在SW、SE、S 3个方向，其中扩展最大的是SW方向。SW方向的扩展主要得益于西郊工业区和西沙旺工业区的建立，东郊大学城的建立以及以海港路为轴线的商业文化中心的发展使得SE方向在这一阶段快速扩展，S方向主要得益于世回尧街道和黄务街道居民区的扩展；
1993—2002年，SW和SE方向保持了较高的扩展强度，分别达到了4.79和2.93，比上一阶段有所下降。1994年牟平区的设立和1990年高新区的设立，加速了牟平地区的崛起，带动烟台在SE方向扩展；
开发区内浪潮LG、通用东岳等大型项目在园区的落地以及蓬莱港区的建设是SW方向扩展的主要动力；
2002—2011年S和E方向的扩展态势较为明显，扩展强度分别为3.52和1.45。黄金顶、魁星楼、塔山等多条隧道的相继建成，山体的天然屏障被打破，烟台北部与南部的联系得以加深，城市空间得以向南扩展。自2000年市政府搬迁后，烟台的政治、文化、教育功能逐渐东迁，因此E方向也是这一时期扩展的热点方向；
2011—2020年烟台城市扩展的主要方向为NW、W和SW方向，扩展强度大幅度下降，都维持在0.5以下。2015年中央城市工作会议对城市发展明确提出了“坚持集约发展，框定总量、限定容量、盘活存量、做优增量、提高质量”的新要求和新任务，在这一思想和理念的指导下，烟台开始注重城市品质的提升，不再过分追求扩展速度，未来城区的扩展主要考虑依托空港、海港、高铁枢纽等重大基础设施带动。

3.3 形态特征

由表2中的城市紧凑度可知：烟台城市空间的紧凑度在各个时期均低于0.03，紧凑度较低。具体而言，1984年城市建成区较小，城市建设相对集中，城市紧凑度最高，而后随着城市在各个方向的扩展，紧凑度降低，之后一直维持在0.015以下。据此：1984—2020年，烟台城市扩展形态总体呈带状离散型，内部资源利用效率维持在低水平，未来烟台城市紧凑度可能会进一步降低，呈现多组团的滨海带状城市空间形态。

表2 烟台城市紧凑度与分形维数变化情况

由表2中的分形维数可知：1984—2020年，烟台分形维数逐年下降，数值在2.3～2.8，均大于2。说明烟台城市边界不规则，复杂程度高。具体而言，1984年数值最大，说明在城市扩展早期，由于缺乏城市规划而产生了城市无序扩张。随后数值逐渐下降，2020年降至最低点，城市扩展以内部填充为主，据此预测未来烟台城市形态将会继续保持复杂，但程度有所缓解。总体而言，1984—2020年烟台城市紧凑度与分形维数一直保持下降，虽然城市的扩展使得城市组团的离散程度增加，但城市建设用地在各组团内逐渐集中。

城市扩展是一个动态的、有机的变化过程。在不同的发展阶段，其驱动力也有所差别。本研究在参考相关文献[9，13，23-24]的基础上结合烟台实际情况，选取区位环境因素、社会经济因素和政策规划因素对烟台城市扩展的驱动力进行剖析。

4.1 区位环境因素分析

区位环境因素是城市扩展的基础，主要包含自然因子和邻域因子两方面。对地级市而言，其区域内的自然条件相差较小，主要受地形影响。邻域因子主要体现在距行政中心、铁路、火车站等基础设施的远近。通过欧氏距离生成到各邻域因子的距离，利用自然断裂分类法将各驱动因子分为5类，通过地理探测器探测各因子对城市扩展的驱动作用大小(表3)。

表3 烟台城市建设用地扩展驱动因子探测结果

从探测结果来看，各因子对烟台城市空间扩展的作用力大小依次为：q(X1)>q(X3)>q(X4)>q(X5)>q(X2)>q(X7)>q(X6)>q(X8)。距行政中心距离最大，行政中心拥有得天独厚的地理条件，人口、产业、基础设施等在此集聚，经济活力巨大；
其次距火车站、港口、机场距离的影响力也较大，交通作为联结城市不同区域之间的纽带，带动了周围地区用地类型的转换，推动城市扩展。沿线各类城市用地根据自身用地需求重新布局，进而使得城市空间形态发生改变；
距水系和海岸线的数值均较小，高程的影响力最小，塔山、南山、黄金顶等城市隧道的开通，山体的天然屏障被打破，烟台城市扩展受地形的限制作用减弱。

4.2 社会经济因素分析

社会经济一方面对人口产生虹吸效应，城市内部对住房、基础设施、交通等需求增加，带动城市的自发性扩展；
同时又引导城市产业结构、用地结构发生转变，推动城市扩展。本研究选取户籍人口、GDP、地方财政支出3个自变量分别与城市建设用地建立拟合图，3因子与城市建设用地存在显著的线性、对数或指数关系。其中城市建设用地与户籍人口呈现二次多项式关系(R2为0.996 4)，城市建设用地与GDP呈现对数关系(R2为0.962 8)，城市建设用地与地方财政收入呈现指数关系(R2为0.988 8)。

由图4(a)可知，随着户籍人口的增加，城市建设用地面积也在快速增加，可见，户籍人口是衡量城市扩展的重要指标。1984—2020年，烟台市户籍人口由588.89万人增加到651.86万人，大量劳动力向城市转移，人口的聚集加大了烟台城市空间承载能力，促使城市通过扩展满足人口增加带来的用地需求增加。图4(b)结果显示，1984—2020年烟台城市建设用地与GDP呈显著的对数关系。GDP作为衡量社会经济发展的重要指标，是一个国家或地区经济实力的重要体现。在改革开放的大背景下，烟台市产业结构不断优化，第一产业比重不断下降，第二、三产业比重的比重不断上升，同时积极参与国际分工与竞争，带动外向型经济进一步成长并逐步形成特色产业体系，伴随着各类开发园区的建立，城市空间又进一步扩展。图4(c)显示，城市建设用地与地方财政收入呈指数关系，作为区域发展的支撑之一，地方财政收入增长，基础设施投入加大，进而助推城市空间扩展。

图4 烟台城市社会经济因素与城市建设用地回归分析

4.3 政策规划因素分析

城市扩展不仅与区位因素、社会经济等因素有关，还与政策规划密不可分。中国城市的扩展具有明显的自上而下属性，公共政策、区域政策、产业政策等影响着城市空间格局。具体来看，公共政策通过城市规划来规范城市建设。对烟台城市扩展影响显著的城市规划主要有3个。1985年城市总体规划对烟台带状组团的城市空间做出构想。1993年城市总体规划引导城市向东西两翼，南北山海扩展。2006年城市总体规划提出多组团、多核心的滨海带状组团城市结构，组团的离散程度虽增加，但各组团内逐渐集中。区域政策方面，烟台处于山东半岛蓝色经济区战略的核心位置，被赋予骨干城市地位。随着改革开放的深入，相关优惠政策在烟台落地生根，空间扩展强度随之提高，E方向表现尤为突出。产业政策方面，1984年烟台经济技术开发区的成立，强化了福山区与芝罘区的联系，推动城市向西、向北扩展。2004年开发区扩容，蓬莱区大季家镇和福山区古现镇划归开发区代为管辖，城市空间向西推进。由此可以看出，政策规划对烟台城市空间扩展有明显的驱动作用。

5.1 结论

利用遥感影像数据提取烟台市1984年、1993年、2002年、2011年和2020年城市建设用地范围，通过计算扩展强度、扩展动态度、城市紧凑度、分形维数等指标来探究烟台城市扩展时空特征，结合区位环境因素、社会经济因素和政策规划因素分析其驱动力。主要结论如下：

(1)烟台城市扩展的阶段性特征明显，其扩展强度和扩展动态度的最高点出现在1984—1993年；
城市空间依海延伸，以SW、SE、S 3个方向为主；
空间形态由单一组团向多组团发展，城市形态复杂程度有所降低，各区呈融合态势。

(2)不同时期多种驱动力的共同作用造就了烟台城市扩展特征的时空分异。区位环境因素是基础力量，其中，行政中心和交通对烟台城市扩展影响较大，高程的限制作用较小；
社会经济因素，尤其是人口、GDP和地方财政收入带动城市的自发性扩展；
行政区划调整、城市规划等助推烟台依海岸线扩展。

5.2 讨论

党的二十大报告明确指出要坚持人民城市人民建、人民城市为人民，提高城市规划、建设、治理水平。根据分析结果，第一，烟台城市扩展强度在未来一段时间内将继续放缓，进入存量规划时代，城市更新将成为未来发展的主题，更加注重城市经济、社会、环境综合效益的提升。对此，城市规划应该控制增量，盘活存量，特别是在烟台市2020年60岁以上老年人口比重已达25.68%的背景下，要更加关注老年友好空间的建设，运用TOD模式加强各组团之间的联系，制定合理的城市发展政策。第二，对于烟台多组团的滨海带状空间结构而言，最易产生的问题就是分散的空间布局。如何调节人地关系，加强各组团之间的有机联系，构建山海相映的城市格局是今后烟台城市发展亟待解决的问题。由于数据获取受限，本研究仅从3个方面探索城市扩展的驱动因子，而城市扩展是一个复杂的多要素参与的过程，在今后的研究中，还需增加驱动力量化指标，以求全面揭示城市扩展驱动力。同时各驱动因素之间相互作用的机制未能揭示，这也是下一阶段需要完善的内容。

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