基于動態(tài)指標(biāo)的城鄉(xiāng)交錯帶邊界界定方法研究

趙華甫 ，朱玉環(huán) ，吳克寧 ，胡曉濤

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京100083；2.國土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100035）

1 引言

城鄉(xiāng)交錯帶是城市要素與鄉(xiāng)村要素相互滲透，具有特定的人口特征、經(jīng)濟(jì)特征、景觀特征的地域，也是土地利用問題最多、矛盾最尖銳的地區(qū)[1]?？茖W(xué)的城鄉(xiāng)交錯帶范圍界定是加強(qiáng)這一特殊地域土地資源管理、解決用地問題的前提。20世紀(jì)早期，國外就城鄉(xiāng)交錯帶范圍的界定開展了定性和定量研究。如1947年R·E·迪肯森（Dikinson）根據(jù)伯吉斯的同心圓理論，將城市地域結(jié)構(gòu)區(qū)由核心到外圍分為中央地帶、城鄉(xiāng)邊緣中間地帶和城市外緣地帶或郊區(qū)地帶，開創(chuàng)了城市邊緣區(qū)（即所謂中間地帶）研究的先河[2]。1968年P(guān)ryor R J提出城鄉(xiāng)邊緣區(qū)具有土地利用、社會和人口特征與城市差異的特征[3]，但是缺乏案例研究。到1975年Russwurm L·H提出的區(qū)域城市結(jié)構(gòu)模式對城市邊緣區(qū)范圍作了明確界定[4]。直到1982年Bryant C R才首次利用城鄉(xiāng)邊緣區(qū)內(nèi)聚居人口（非農(nóng)業(yè)人口）與農(nóng)業(yè)人口之比來定量分析城鄉(xiāng)邊緣區(qū)邊界問題[5]。同期Desai等根據(jù)聚集指數(shù)和郊區(qū)化指數(shù)的綜合指數(shù)來劃分邊緣區(qū)[6]，Garreau甚至提出城市邊緣區(qū)域的5項(xiàng)判定標(biāo)準(zhǔn)[7]。國內(nèi)研究略滯后，主要依據(jù)人口密度梯度、景觀紊亂度、城市用地比率等人口、社會、經(jīng)濟(jì)、空間特征等指標(biāo)對城鄉(xiāng)交錯帶進(jìn)行定性[8]或定量邊界界定研究。在定量劃分方法方面，主要有人口密度梯度法、信息熵法、斷裂點(diǎn)法、引力法、門檻值法和空間疊加法[1，9-12]，同時，非農(nóng)化建設(shè)密度、土地權(quán)屬特征等多指標(biāo)綜合評判，以及信息技術(shù)定性分析相結(jié)合等綜合方法也被應(yīng)用于北京、上海等城鄉(xiāng)結(jié)合部邊緣區(qū)地域識別中[13-15]。然而，以往城鄉(xiāng)交錯帶范圍界定研究均依據(jù)人口構(gòu)成、地類比重、景觀指數(shù)等靜態(tài)指標(biāo)空間變化特征，難以體現(xiàn)城鄉(xiāng)交錯帶這一城鄉(xiāng)交互作用的復(fù)雜動態(tài)產(chǎn)物[16]的動態(tài)變化特征。鑒于此，本文以城市外圍土地利用動態(tài)度變化特征與城鄉(xiāng)交錯帶關(guān)系理論假設(shè)為前提，以北京市為例，探討了基于動態(tài)指標(biāo)的城鄉(xiāng)交錯帶界定方法，為客觀劃分城鄉(xiāng)交錯帶提供方法借鑒。

2 理論假設(shè)與數(shù)值方法

2.1 城鄉(xiāng)交錯帶土地利用變化理論假設(shè)

城市化初期階段，城鄉(xiāng)交錯帶景觀穩(wěn)定性差，景觀的多樣性持續(xù)快速上升，各景觀斑塊的規(guī)模進(jìn)一步縮小，導(dǎo)致區(qū)域破碎化程度增強(qiáng)，形狀變得復(fù)雜，農(nóng)田景觀優(yōu)勢地位逐步被弱化，而在城市化結(jié)束階段，城鄉(xiāng)交錯帶景觀的變化正好是逆向的?？梢?，一定時期內(nèi)城鄉(xiāng)交錯帶邊界可以借助土地利用動態(tài)度加以刻畫。由此，本文提出如下假設(shè)，由城市中心向外，經(jīng)城鄉(xiāng)交錯帶，以至鄉(xiāng)村，土地利用動態(tài)度的變化趨勢是由市中心向外，先緩慢增加，在城鄉(xiāng)交錯帶內(nèi)緣時發(fā)生突變、急速升高、局部可能發(fā)生震蕩，到城鄉(xiāng)交錯帶的外緣發(fā)生突降至較低水平，逢到鄉(xiāng)鎮(zhèn)或者農(nóng)村居民點(diǎn)則又略有起伏（圖1）。

2.2 數(shù)值方法

綜合土地利用動態(tài)度考慮研究時段土地利用類型間的轉(zhuǎn)移，著眼于變化的過程而非變化的結(jié)果，其意義在于反映整個區(qū)域土地利用變化的劇烈程度，便于在不同空間尺度上找出土地利用變化的熱點(diǎn)區(qū)域[17]。因此可依據(jù)土地利用動態(tài)度對城鄉(xiāng)交錯帶邊界進(jìn)行界定，其計(jì)算公式為：

式1中，LC為綜合土地利用動態(tài)度，LUi為監(jiān)測起始時間第i類土地利用類型面積；ΔLUi-j為監(jiān)測時段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為非i類（j類，j=1，……，n）土地利用類型的面積；T為監(jiān)測時段長度。

將研究區(qū)域劃分為若干小區(qū)域，計(jì)算每一小區(qū)域的土地利用動態(tài)度。同時以被研究城市核心區(qū)中心為初始點(diǎn)，以其為中心每10度形成一條放射狀剖面線，整個研究區(qū)共拉出36條剖面線。依據(jù)剖面線所經(jīng)過相應(yīng)柵格的土地動態(tài)度數(shù)值情況，構(gòu)成36個數(shù)據(jù)序列。然后，以某一條剖面線上某柵格單元的土地利用動態(tài)度數(shù)值為縱坐標(biāo)，以該柵格中心點(diǎn)距離城市核心區(qū)中心距離為橫坐標(biāo)，可繪制出36幅土地利用動態(tài)度折線圖，并找出土地利用動態(tài)度由低值到高值和由高值到低值的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。然后，將所有的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，根據(jù)其地理坐標(biāo)，標(biāo)注在遙感影像圖上，并根據(jù)各轉(zhuǎn)折點(diǎn)與初始點(diǎn)的相對位置，區(qū)分內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)和外側(cè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并分別將內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)和外側(cè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)相連，形成城鄉(xiāng)交錯帶的內(nèi)邊界和外邊界。

圖1 城鄉(xiāng)地域土地利用動態(tài)度分異假設(shè)Fig.1 Regional differences hypotheses of land use dynamic degree in urban and rural regions

3 實(shí)證分析

3.1 研究區(qū)土地利用信息提取

本文以北京市為研究區(qū)，北京市地處西山山前沖積平原，城區(qū)四周地形平坦廣闊，東南部為廣袤的華北平原，東北部、北部距山地均在50 km以上，西部也在30 km以上。以北京市2個時相的Landsat-TM衛(wèi)星遙感影像為基礎(chǔ)，成像時間分別為1999年8月2日和2010年8月8日，其軌道號為123/32；以行政界線和遙感影像為基礎(chǔ)，截取北京市東南部平原區(qū)和部分山區(qū)，涉及區(qū)縣包括東城區(qū)、西城區(qū)、朝陽區(qū)、海淀區(qū)、豐臺區(qū)、石景山區(qū)、通州區(qū)、順義區(qū)、密云縣、房山區(qū)、門頭溝區(qū)、懷柔區(qū)、大興區(qū)、昌平區(qū)、平谷區(qū)。在ENVI軟件系統(tǒng)的支持下，對原始影像進(jìn)行裁剪、配準(zhǔn)等預(yù)處理，滿足動態(tài)變化信息提取的要求。根據(jù)遙感圖像自身的可解譯性，結(jié)合北京市土地的經(jīng)營特點(diǎn)、利用方式以及研究目的和分類精度的要求，參照土地利用現(xiàn)狀分類體系，將北京市土地類型劃分為農(nóng)用地、建設(shè)用地、城市綠地、水域、其他土地5種類型，其中城市綠地包括城市公園、交通綠地。采用最大似然分類法進(jìn)行遙感影像的監(jiān)督分類，并結(jié)合北京市土地利用現(xiàn)狀變更調(diào)查成果及實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，采用目視解譯的方式對錯分的地類進(jìn)行修正，形成兩期土地利用現(xiàn)狀圖。

3.2 研究區(qū)土地利用動態(tài)度計(jì)算

利用網(wǎng)格法劃分土地利用動態(tài)度判別的基本單元，經(jīng)試驗(yàn)判別單元為2 km×2 km時，能夠很好地反應(yīng)土地利用的動態(tài)特征，因此以2 km×2 km為基本判別單元，研究區(qū)共劃分為1680個判別單元。將柵格格式的土地利用現(xiàn)狀圖轉(zhuǎn)化為矢量格式，在ArcGIS中將兩期矢量格式的土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行疊加處理，提取土地變化信息的空間位置和面積，按照式1計(jì)算每一判別單元的土地利用動態(tài)度。研究區(qū)土地利用動態(tài)度如圖2。

3.3 研究區(qū)土地利用動態(tài)度的特點(diǎn)

3.3.1 對比性與有序性 對研究區(qū)的土地利用動態(tài)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最大值為3.76%，出現(xiàn)在鳥巢上方的森林公園地區(qū)，這一地區(qū)由原來的農(nóng)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘芯G地，變化比較大；最小值為0，出現(xiàn)在部分為林地覆蓋的山地地區(qū)，基本無變化，可見土地利用動態(tài)度具有強(qiáng)烈的對比性。對市區(qū)土地利用動態(tài)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)土地利用動態(tài)度一般在0.50%以下，對四環(huán)和六環(huán)之間的區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)土地利用動態(tài)度大多處于1.00%—3.76%之間，六環(huán)以外區(qū)域土地利用動態(tài)度一般小于1.00%。由此可見，研究區(qū)土地利用動態(tài)度由內(nèi)而外具有圈層式的變化特點(diǎn)，即從內(nèi)向外土地利用動態(tài)度逐漸變大，至城鄉(xiāng)交錯帶邊緣，又趨于減少的規(guī)律性。

3.3.2 震蕩性與轉(zhuǎn)折性 通過對36個剖面的折線圖進(jìn)行分析，可以看出不同土地利用動態(tài)度的分布具有震蕩性，即高中有低，低中有高，在土地利用動態(tài)度比較大的區(qū)域會出現(xiàn)土地利用動態(tài)度比較小的區(qū)域，而在土地利用動態(tài)度比較小的區(qū)域，也會突然出現(xiàn)高值，這主要是因?yàn)橛龅洁l(xiāng)鎮(zhèn)或農(nóng)村居民點(diǎn)而引起的土地利用動態(tài)度的變化。同時可以發(fā)現(xiàn)，土地利用動態(tài)度不是均勻變化的，而是存在由低值到高值和由高值到低值的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，如圖3d，距城市核心區(qū)9km和22km處存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)。剖面數(shù)據(jù)證實(shí)了前文提出的城鄉(xiāng)交錯帶土地利用動態(tài)度變化假設(shè)，因此依據(jù)城、鄉(xiāng)及城鄉(xiāng)交錯帶土地利用動態(tài)度的區(qū)域分異特征界定城鄉(xiāng)交錯帶內(nèi)緣邊界和外緣邊界，從而實(shí)現(xiàn)對城鄉(xiāng)交錯帶的界定具有可行性。

圖2 研究區(qū)土地利用動態(tài)度Fig.2 Landusedynamicdegreeofthestudiedarea

圖3 不同方向土地利用動態(tài)度變化剖面線Fig.3 Sectionlineoflandusedynamicdegreeindifferentdirections

圖4 北京市城鄉(xiāng)交錯帶邊界示意Fig.4 Schematic diagram of urban-rural fringe demarcation in Beijing

3.4 城鄉(xiāng)交錯帶內(nèi)外邊界的劃定

以36條剖面線的折線圖為基礎(chǔ)，找出每個剖面由低值到高值和由高值到低值的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。把轉(zhuǎn)折點(diǎn)依次連接，局部缺乏轉(zhuǎn)折點(diǎn)的區(qū)域以鄰近轉(zhuǎn)折點(diǎn)的數(shù)值和該區(qū)域土地利用動態(tài)度數(shù)值為參照，找出該局部區(qū)域的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，描繪出城鄉(xiāng)交錯帶內(nèi)外邊界的位置。描繪時保持了區(qū)域空間上的連續(xù)性、完整性，城鄉(xiāng)交錯帶內(nèi)外邊界如圖4。可以看出，城市核心區(qū)包括市區(qū)和朝陽、海淀、豐臺、石景山的一部分，內(nèi)邊界大致在三環(huán)和四環(huán)之間，在北、東、西三個方向部分地區(qū)突破四環(huán)線，基本上分布在北辰橋—辛店路—芍藥居—三元橋—新東路—高碑店水庫—雙龍南里—十八里店橋—宋家莊—鄭王墳—蓮花池公園—田村西口—長河灣碼頭—北四環(huán)西路—清華東路—北辰橋沿線。城鄉(xiāng)交錯帶包括海淀區(qū)、昌平區(qū)、順義區(qū)、朝陽區(qū)、通州區(qū)、大興區(qū)、豐臺區(qū)、石景山區(qū)的部分地區(qū)，大部分地區(qū)位于四環(huán)和六環(huán)之間，在西北、東北、東、西南方向上有所延伸，基本上分布在屯佃—中關(guān)村永豐高科技產(chǎn)業(yè)基地—南沙河—七里渠—回龍觀—平西府—朝順橋—機(jī)場南線高速—首都機(jī)場附近地區(qū)—溫榆河畔—馬各莊—通州城區(qū)附近地區(qū)—施園橋—馬駒橋新橋—團(tuán)結(jié)河南村—大興城區(qū)附近地區(qū)—永定河畔—西山山麓—屯佃。內(nèi)側(cè)邊界客觀區(qū)分了城市化完成地區(qū)和未完成地區(qū)的用地動態(tài)變化差異；外側(cè)邊界區(qū)分了已城市化地區(qū)和待城市化地區(qū)的用地動態(tài)變化的不同。

4 結(jié)論與討論

本文以綜述現(xiàn)有城鄉(xiāng)交錯帶邊界界定方法為基礎(chǔ)，以城鄉(xiāng)交錯帶土地利用動態(tài)變化特征為依據(jù)，提出了城鄉(xiāng)交錯帶土地動態(tài)度由城市中心到農(nóng)村腹地的變化理論假設(shè)，并以北京市為例，用遙感分類提取土地利用信息計(jì)算了綜合土地利用動態(tài)度，驗(yàn)證了相關(guān)理論假設(shè)，同時以綜合土地利用動態(tài)度來劃分城鄉(xiāng)交錯帶的邊界，方法具可行性。研究結(jié)果表明，北京城鄉(xiāng)交錯帶內(nèi)邊界、外邊界處的綜合土地利用動態(tài)度均存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)，依據(jù)這些轉(zhuǎn)折點(diǎn)可以將海淀區(qū)東北部、昌平區(qū)南部、順義區(qū)機(jī)場高速沿線及機(jī)場周邊、朝陽區(qū)大部、通州區(qū)西南邊緣、大興區(qū)的北部邊緣、石景山區(qū)東部、豐臺區(qū)的全部地區(qū)納入城鄉(xiāng)交錯帶。

對照比較已有研究，本研究所界定的城鄉(xiāng)交錯帶范圍在內(nèi)外緣輪廓與文獻(xiàn)［12］較為貼近，表明研究結(jié)論具有一定的可信度，但與文獻(xiàn)［12］的最大不同在于，城鄉(xiāng)交錯帶內(nèi)緣的北段，四環(huán)外——中軸線北延長線周邊部分在本研究劃定為邊緣區(qū)，而文獻(xiàn)［12］界定為城市核心區(qū)。分析認(rèn)為存在這種差異的原因，一方面是由于二者依據(jù)不同的劃分指標(biāo)，另一方面由于城鄉(xiāng)交錯帶并不是固定的，而是隨時間發(fā)生變化。劃分不統(tǒng)一的地段對應(yīng)于奧林匹克公園，在2001年7月北京奧運(yùn)會申辦成功后，該地區(qū)土地利用變化迅速，這個可以反應(yīng)到柵格的變化中，但卻無法通過區(qū)域地類結(jié)構(gòu)變化分析體現(xiàn)出來。

當(dāng)然，若能采用更高分辨率的遙感影像，將使劃分研究結(jié)果更為精確。同時，城鄉(xiāng)交錯帶的確定與行政管理、用地政策、城市規(guī)劃、生態(tài)建設(shè)規(guī)劃、市民的生活趨向等因素有關(guān)，若能與其他靜態(tài)指標(biāo)相結(jié)合，將會使城鄉(xiāng)交錯帶邊界的劃分成果更具科學(xué)性和實(shí)用性。

（References）：

［1］陳佑啟.城鄉(xiāng)交錯帶名辯［J］.地理學(xué)與國土研究.1995，11（1）：47-53.

［2］周偉林，嚴(yán)冀.城市經(jīng)濟(jì)學(xué)［M］.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2004.

［3］Pryor R J.Defining the rural-urban fringe［J］.Social Forces,1968（,47）:202-215.

［4］Russwurm L·H.Urban Fringe and Urban Shadow［M］.Toronto:Holt,Rinehart and Winston,1975.

［5］Bryant CR,Russwurm L H,Mclellan A G.The city’s countryside,land and its management in the rural-urban fringe［M］.Addison-Wesley:Longman Group Limited,1982.

［6］Anjana Desai,Smita Sen Gupta.Problem of changing landuse pattern in the urban fringe,perspectives in Urban Geography,Volume 9.Rural-Urban Fringe［M］.New Delhi:Concept Publishing Company,1987.

［7］Garreau J.Edge City:Life on the New Frontie［rM］.New York:Doubleday,1991.

［8］王靜，楊山，何挺，等.城鄉(xiāng)結(jié)合部土地利用變化的信息提取技術(shù)與分析——以無錫市為例［J］.地理科學(xué)進(jìn)展，2004，23（2）：1-9.

［9］顧朝林.中國大城市邊緣區(qū)研究［M］.北京：科學(xué)出版社，1995.

［10］程連生，趙紅英.北京城市邊緣帶探討［J］.北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1995，31（1）：128-129.

［11］章文波，方修琦，張?zhí)m生.利用遙感影像劃分城鄉(xiāng)過渡帶方法的研究［J］.遙感學(xué)報(bào)，1999，3（3）：1999-2002.

［12］張寧，方琳娜，周杰，等.北京城市邊緣區(qū)空間擴(kuò)展特征及驅(qū)動機(jī)制［J］.地理研究，2010，29（3）：471-480.

［13］林堅(jiān)，湯曉旭，黃斐玫，等.城鄉(xiāng)結(jié)合部的地域識別與土地利用研究——以北京中心城地區(qū)為例［J］.城市規(guī)劃，2007，31（8）：36-45.

［14］方曉.淺議上海城市邊緣區(qū)的界定［J］.地域研究與開發(fā)，1999，18（4）：65-68.

［15］任榮榮，張紅.城鄉(xiāng)結(jié)合部界定方法研究［J］.城市問題，2008，（4）：44-49.

［16］錢紫華，陳曉鍵.西安城市邊緣區(qū)空間擴(kuò)展研究［J］.人文地理，2005，83（3）：54-58.

［17］朱會義，李秀彬.關(guān)于區(qū)域土地利用變化指數(shù)模型方法的討論［J］.地理學(xué)報(bào)，2003，58（5）：643-650.