關(guān)鍵詞多中心結(jié)構(gòu)；土地使用；多情景分析；國土空間規(guī)劃

文章編號 1673-8985（2024）05-0088-06 中圖分類號 TU984 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

DOI 10.11982/j.supr.20240513

1 相關(guān)研究綜述

倡導(dǎo)分散理念的有機(jī)疏散理論是大城市為了解決過度擁擠問題所發(fā)展出的多中心結(jié)構(gòu)理論的雛形。城市規(guī)劃領(lǐng)域所倡導(dǎo)的分散理念并非無限制低密度擴(kuò)張，而是注重分散中的集聚。具體而言，該理念主張?jiān)诔鞘邪l(fā)展過程中，從核心地區(qū)分散出去的各項(xiàng)功能能夠在空間上再次聚集，形成與主中心地區(qū)相輔相成的次中心。這種多中心化的模式通過建立密切的社會經(jīng)濟(jì)聯(lián)系和分工，使各級中心地區(qū)之間形成有機(jī)互動，這一過程被稱為多中心化[1]。多中心結(jié)構(gòu)是由城市中的主中心和各個次中心構(gòu)成的整體[2]。國內(nèi)相關(guān)研究表明，推動城鎮(zhèn)空間結(jié)構(gòu)向多中心模式發(fā)展是緩解由單中心蔓延帶來的交通擁堵和生態(tài)惡化等大城市病，推動城市可持續(xù)發(fā)展的重要策略[3-4]。

多中心空間結(jié)構(gòu)可以從形態(tài)、功能等層面進(jìn)行內(nèi)涵闡釋[5]?，F(xiàn)有的多中心結(jié)構(gòu)研究往往集中在形態(tài)維度上，功能上的多中心結(jié)構(gòu)根據(jù)城市組團(tuán)間的功能聯(lián)系程度進(jìn)行界定，如城市內(nèi)部動態(tài)的交通聯(lián)系情況。就業(yè)次中心是相對于就業(yè)主中心的就業(yè)活動聚集的空間單元，可以從功能聯(lián)系的角度進(jìn)行識別[6]。孫斌棟等[7]基于上海市統(tǒng)計(jì)局各街道就業(yè)崗位統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從就業(yè)中心的角度對多中心結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，指出多中心是上海未來城市空間發(fā)展的必然選擇?；谡{(diào)查的普查數(shù)據(jù)間隔時(shí)間約為5年，難以分析就業(yè)次中心在不同年份的變化?；谑謾C(jī)信令數(shù)據(jù)可以識別人們的日常通勤行為[8]，通過對人們通勤活動的空間分布進(jìn)行聚類分析，可以更好地分析就業(yè)次中心的動態(tài)變化。

多中心結(jié)構(gòu)是土地使用演變的重要影響因素[9]。城市經(jīng)濟(jì)學(xué)的理論研究表明，生產(chǎn)和服務(wù)功能集聚形成的中心對居住、就業(yè)、土地價(jià)格等城市要素的空間分布有著顯著影響[10-11]。在多中心結(jié)構(gòu)模式中，城市土地使用突破傳統(tǒng)單中心結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢，不同功能用地將不再全部集中于傳統(tǒng)的單一中心區(qū)域，而是在城市內(nèi)部形成多個分散的功能集聚區(qū)，不同集聚區(qū)可能形成不同功能的次中心[12]1579。根據(jù)競租理論，鄰近就業(yè)主中心或者次中心，產(chǎn)品運(yùn)輸和居民通勤成本較低，競租能力增強(qiáng)，在市場機(jī)制的作用下，就業(yè)中心較低價(jià)值的用地（如工業(yè)用地、居住用地）可能會向更高價(jià)值的用地（如金融、商業(yè)服務(wù)用地）轉(zhuǎn)換。

規(guī)劃政策的引導(dǎo)機(jī)制對城市多中心結(jié)構(gòu)具有重要影響。部分城市次中心可以通過規(guī)劃政策影響其發(fā)展，規(guī)劃政策對就業(yè)次中心的形成具有一定引導(dǎo)作用。需要進(jìn)一步研究城市多中心結(jié)構(gòu)的規(guī)劃調(diào)控對于土地使用的空間影響，以實(shí)現(xiàn)通過城市多中心結(jié)構(gòu)引導(dǎo)居住、就業(yè)活動，優(yōu)化土地使用發(fā)展布局的目的[12]1583。

在對城市用地模擬的研究中，多考慮地理格局、交通、社會經(jīng)濟(jì)及區(qū)位等因素對土地使用演變的影響[13-14]。交通方面，城市交通系統(tǒng)的發(fā)展會影響空間可達(dá)性進(jìn)而對城市用地演變產(chǎn)生重要影響[15]。社會經(jīng)濟(jì)方面，人口密度反映土地使用的開發(fā)強(qiáng)度，地均GDP反映地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。人口、經(jīng)濟(jì)要素持續(xù)在城市集聚，為城市帶來了與物質(zhì)文化生活相對應(yīng)的土地需求，從而帶來土地使用的演變[16]。相對于城市主中心和次中心的區(qū)位是影響土地使用演變的重要因素。已有研究大多考慮了相對于城市主中心的區(qū)位因素，而因?yàn)樵谕恋厥褂醚葑兊哪M中難以分析次中心在不同年份的變化，所以相對于次中心的區(qū)位因素對城市土地使用演變的影響考慮較少。在國土空間規(guī)劃中，城市多中心空間結(jié)構(gòu)作為規(guī)劃調(diào)控的要素會對土地使用產(chǎn)生影響。在城市的實(shí)際發(fā)展過程中，就業(yè)次中心會發(fā)生變化，如果將就業(yè)次中心的變化作為影響土地使用演變的因素，將有效提高土地使用演變模擬的精度，得到“考慮規(guī)劃調(diào)控的多中心結(jié)構(gòu)”下的未來土地使用分布。近年來，時(shí)空大數(shù)據(jù)為識別就業(yè)次中心并分析其不同年份的動態(tài)變化提供了新的契機(jī)。鈕心毅等[17]基于手機(jī)信令數(shù)據(jù)，對城市商業(yè)服務(wù)、商務(wù)辦公功能高度集聚的城市公共中心進(jìn)行識別和分析。

總體來說，已有很多學(xué)者研究了多中心結(jié)構(gòu)演變特征及其對用地發(fā)展的影響，但對于其與城市土地使用演變模擬預(yù)測的協(xié)同研究較為缺乏。近年來，有關(guān)土地使用演變模擬的研究持續(xù)增加，已有研究將交通條件、城市社會經(jīng)濟(jì)因素、相對于城市主中心的區(qū)位因素納入模擬模型，探究其對土地使用演變的影響[18]，但少有研究考慮相對于就業(yè)次中心的區(qū)位因素對土地使用演變的影響?？紤]多中心結(jié)構(gòu)的城市用地模擬可以幫助理解城鎮(zhèn)空間結(jié)構(gòu)與用地變化之間的關(guān)系，本文通過耦合包括主中心和次中心的多中心結(jié)構(gòu)的土地使用模擬，研究相對于就業(yè)次中心的區(qū)位因素對土地使用演變產(chǎn)生的影響。

2 耦合多中心結(jié)構(gòu)的土地使用模擬框架

2.1 研究案例選擇

面對資源緊約束條件下的城市發(fā)展模式轉(zhuǎn)變，人口集聚帶來的空間承載壓力為上海市空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化帶來巨大挑戰(zhàn)[19]?！渡虾Ｊ谐鞘锌傮w規(guī)劃（2017—2035年）》（以下簡稱“上海2035”）提出“完善公共活動中心體系”，以優(yōu)化城鎮(zhèn)空間結(jié)構(gòu)為導(dǎo)向，構(gòu)建多中心和網(wǎng)絡(luò)化的空間結(jié)構(gòu)。對于上海這樣的超大城市而言，多中心結(jié)構(gòu)是未來城市空間發(fā)展演化的方向，城市空間規(guī)劃應(yīng)該把多中心體系和次中心的布局作為發(fā)展重點(diǎn)。因此，本文選擇以上海市作為案例（見圖1），研究多中心結(jié)構(gòu)對土地使用演變的影響。因多中心結(jié)構(gòu)對崇明區(qū)的影響機(jī)制與其他地區(qū)差別較大，故本文的研究區(qū)域不包括崇明區(qū)。

2.2 研究思路

（1）歷史年份土地使用演變分析

基于過去兩個不同時(shí)間點(diǎn)的土地使用數(shù)據(jù)和影響土地使用變化的驅(qū)動因子數(shù)據(jù)，通過隨機(jī)抽樣的方法獲取訓(xùn)練數(shù)據(jù)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層接收每個模擬用地單元對應(yīng)的各個驅(qū)動因子的空間變量值，它們決定了該單元的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，即用地類型的轉(zhuǎn)換。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出層可以得到不同類型用地的發(fā)展概率，即模擬單元轉(zhuǎn)換為各類用地的概率。綜合各類用地的發(fā)展概率，通過元胞自動機(jī)模型迭代得到每個用地單元對各類用地的總體轉(zhuǎn)換概率，再將土地利用類型分配給該單元。然后，結(jié)合歷史年份實(shí)際土地使用規(guī)模，對歷史年份土地使用演變過程進(jìn)行模擬，生成歷史年份的土地使用分布。再利用隨機(jī)森林算法挖掘不同類型用地的演變機(jī)制與各類空間驅(qū)動因子之間的關(guān)系，得到不同驅(qū)動因子對于各類用地發(fā)展的影響。

（2）未來土地使用發(fā)展布局推演

基于歷史年份用地演變分析結(jié)果，可以得到土地利用演變的發(fā)展趨勢和空間驅(qū)動因子對土地利用演變的影響，用于未來土地使用模擬模型。在預(yù)測過程中使用識別的就業(yè)次中心分布數(shù)據(jù)替換歷史年份就業(yè)次中心分布驅(qū)動因子，其余空間驅(qū)動因子保持一致，得到在更新的就業(yè)次中心影響下的各類用地發(fā)展概率（見圖2）。設(shè)定規(guī)劃年份用地模擬面積與土地使用演變約束條件，基于現(xiàn)狀用地?cái)?shù)據(jù)與歷史年份土地使用演變分析得到的土地使用演變趨勢，可以推演生成未來目標(biāo)年份的土地使用分布情況。

2.3 數(shù)據(jù)選擇與處理

本文采用上海市兩個不同年份的用地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，用地類型主要包括：居住用地、公共管理與服務(wù)用地、工業(yè)用地、商業(yè)用地、非建設(shè)用地。

本文主要使用區(qū)位、交通、社會經(jīng)濟(jì)3種空間驅(qū)動因子模擬土地使用變化（見表1）。上海市市域內(nèi)坡度、高程等自然地理因素差異較小，在本文中不予考慮。

在多中心結(jié)構(gòu)影響下，城市內(nèi)以等級規(guī)模為標(biāo)準(zhǔn)的垂直聯(lián)系逐漸減弱，水平聯(lián)系逐漸增強(qiáng)，分工逐漸細(xì)化形成不同就業(yè)次中心[20]，對土地使用演變有重要影響。本文重點(diǎn)研究多中心結(jié)構(gòu)對于土地使用演變的影響，因此，選取“到城市主中心和就業(yè)次中心”的距離作為影響土地使用演變的區(qū)位因素。

使用手機(jī)信令數(shù)據(jù)可以識別居民的就業(yè)地和就業(yè)密集區(qū)[21]。對于就業(yè)中心空間驅(qū)動因子，本文通過2011年上海移動用戶手機(jī)信令數(shù)據(jù)對就業(yè)密度進(jìn)行計(jì)算（見圖3），并使用非參數(shù)分析法基于就業(yè)密度識別就業(yè)中心。就業(yè)主中心位于人民廣場地區(qū)，通過手機(jī)信令數(shù)據(jù)計(jì)算就業(yè)密度得到的就業(yè)次中心為陸家嘴、漕河涇、徐家匯、虹橋涉外貿(mào)易區(qū)等。

同樣，通過手機(jī)信令數(shù)據(jù)提取的就業(yè)密度識別出2017年（“上海2035”起始年）的就業(yè)次中心，并與前文識別出的2011年就業(yè)次中心進(jìn)行比較（見圖4），2011—2017年，新增就業(yè)次中心主要分布于主城區(qū)內(nèi)，其中浦東新區(qū)新增就業(yè)次中心較多，總體來說就業(yè)次中心分布仍集中在主城區(qū)內(nèi)。

3 多中心結(jié)構(gòu)對上海市土地使用演變的影響

3.1 空間驅(qū)動因子對土地使用演變的影響

首先，基于上海市不同年份土地使用數(shù)據(jù)（見圖5）和空間驅(qū)動因子數(shù)據(jù)，通過隨機(jī)抽樣方法訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到不同類型用地的發(fā)展概率。使用元胞自動機(jī)模型綜合不同類型用地的發(fā)展概率，以2009年的土地使用數(shù)據(jù)為初始數(shù)據(jù)，根據(jù)2014年土地使用數(shù)據(jù)設(shè)定各類用地的目標(biāo)面積，對2009—2014年的土地使用演變過程進(jìn)行模擬，生成2014年土地使用的模擬結(jié)果，與實(shí)際土地使用情況進(jìn)行對比，驗(yàn)證模型模擬的精度。

其次，提取兩期用地中各類用地變化的部分，使用隨機(jī)森林算法分析各驅(qū)動因子對各類用地變化的影響權(quán)重（見表2）。

影響居住用地及商業(yè)用地演變的空間驅(qū)動因子權(quán)重排名相似，權(quán)重較高的為到地鐵站的距離、到就業(yè)次中心的距離。到城市主中心的距離、到就業(yè)次中心的距離是影響工業(yè)用地演變的主要因素。對于居住、商業(yè)、工業(yè)3類用地的演變，到就業(yè)次中心的距離這一驅(qū)動因子權(quán)重均較高。影響公共管理與服務(wù)用地演變的空間驅(qū)動因子與其他3類用地差異較大，人口密度、到城市道路的距離權(quán)重較高。對于居住、商業(yè)、工業(yè)3類用地演變的影響，到城市主中心的距離的權(quán)重均低于到就業(yè)次中心的距離。

軌道交通促進(jìn)了其周邊土地的高強(qiáng)度開發(fā)，到地鐵站的距離對商業(yè)用地、居住用地演變影響較大。到就業(yè)次中心的距離對居住、商業(yè)、工業(yè)土地使用演變影響較大，可能與距離就業(yè)次中心較近的區(qū)域通常趨向于與功能升級有關(guān)。公共管理與服務(wù)用地的演變主要受人口密度、城市道路的影響，因?yàn)橐?guī)劃的公共管理與服務(wù)設(shè)施緊鄰服務(wù)的居住人口，同時(shí)傾向于分布在交通便利的位置。公共管理與服務(wù)用地的演變受到就業(yè)次中心距離的影響較小，可能跟公共管理與服務(wù)用地的分布在一定程度上主要受政府政策影響有關(guān)。

3.2 考慮多中心結(jié)構(gòu)的土地使用演變模擬

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對歷史年份的土地使用演變進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，將歷史年份到就業(yè)次中心的距離作為空間驅(qū)動因子加入訓(xùn)練模型，訓(xùn)練完成后結(jié)合元胞自動機(jī)模型進(jìn)行土地使用模擬，以比較考慮多中心結(jié)構(gòu)情景下的土地使用模擬的精度。將到就業(yè)次中心的距離作為空間驅(qū)動因子之一，對2014年的城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布進(jìn)行模擬，通過將模擬結(jié)果與實(shí)際土地使用數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證模擬精度為0.89，得出到就業(yè)次中心的距離是影響土地使用演變的重要因素。因此，在對土地使用進(jìn)行規(guī)劃布局時(shí)不僅應(yīng)考慮城市主中心的影響，也應(yīng)考慮實(shí)際已經(jīng)形成的就業(yè)次中心的影響。

4 多中心結(jié)構(gòu)影響下的上海市土地使用多情景模擬

4.1 土地使用多情景模擬

通過對未來土地使用多情景的模擬推演，能夠?qū)Ρ确治霾煌嘀行慕Y(jié)構(gòu)發(fā)展情景下的土地使用布局情況（見圖6），從而在規(guī)劃實(shí)施前對其進(jìn)行預(yù)評估。這種預(yù)評估的目的是為了評價(jià)規(guī)劃方案可能帶來的效果，預(yù)測可能發(fā)生的城市問題，并尋找更佳的規(guī)劃策略，提升空間利用效率。有效的預(yù)評估可以大幅降低規(guī)劃實(shí)施后不必要的調(diào)整，重點(diǎn)考慮規(guī)劃方案的空間利用效率和空間政策的適應(yīng)性。通過模擬不同的規(guī)劃目標(biāo)和結(jié)構(gòu)策略，未來土地使用的多情景模擬可以生成多種規(guī)劃方案，規(guī)劃師可以綜合這些模擬結(jié)果和各個方案的特點(diǎn)，確定最佳的規(guī)劃路徑，為國土空間規(guī)劃提供參考。

本文在考慮就業(yè)次中心變化的基礎(chǔ)上，設(shè)置了不同多中心結(jié)構(gòu)的模擬情景，并得出不同情景下的土地利用布局結(jié)果。根據(jù)前文提出的土地使用演變目標(biāo)，設(shè)定兩種城市多中心結(jié)構(gòu)發(fā)展情景。情景一：基準(zhǔn)發(fā)展（歷史年份的就業(yè)次中心），假定現(xiàn)有發(fā)展趨勢不變。情景二：城市主中心—發(fā)展更新的就業(yè)次中心的多中心結(jié)構(gòu)，在考慮城市主中心的基礎(chǔ)上，加入識別出的就業(yè)次中心后進(jìn)行模擬。

根據(jù)國土空間規(guī)劃對用地總量的約束與控制確定未來用地模擬目標(biāo)面積。“上海2035”要求生態(tài)用地占市域陸域面積比例不低于60%。為提高居民生活質(zhì)量，增加綠地、公共服務(wù)設(shè)施等用地的比例，推進(jìn)存量用地的二次開發(fā)和低效工業(yè)用地的減量。規(guī)劃強(qiáng)調(diào)增加公共服務(wù)設(shè)施，增加城鎮(zhèn)居住用地。在工業(yè)用地方面，規(guī)劃要求為必要的先進(jìn)制造業(yè)、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和都市型工業(yè)提供發(fā)展空間，積極鼓勵開發(fā)邊界內(nèi)存量工業(yè)用地“二次開發(fā)”與開發(fā)邊界外低效工業(yè)用地減量。綜合設(shè)定用地模擬目標(biāo)面積為：居住用地637.71 km2，公共服務(wù)設(shè)施用地372.00 km2，工業(yè)用地318.86 km2，商業(yè)用地243.81 km2，非建設(shè)用地2 922.86 km2。

國土空間規(guī)劃的核心價(jià)值觀是以生態(tài)文明建設(shè)優(yōu)先[22]。國土空間規(guī)劃要求落實(shí)生態(tài)環(huán)境保護(hù)理念，在對農(nóng)業(yè)空間及生態(tài)空間充分保護(hù)的前提下科學(xué)地進(jìn)行用地布局規(guī)劃?！吧虾?035”將生態(tài)空間分為4類進(jìn)行差異化管控：一類、二類生態(tài)空間為“禁止建設(shè)區(qū)”，預(yù)測中對這類區(qū)域的建設(shè)用地?cái)U(kuò)展進(jìn)行約束，“禁止建設(shè)區(qū)”內(nèi)無新增建設(shè)用地。三類、四類生態(tài)空間（包括永久基本農(nóng)田）為“限制建設(shè)區(qū)”，在管控過程中禁止對生態(tài)功能產(chǎn)生影響的開發(fā)建設(shè)，預(yù)測中根據(jù)規(guī)劃要求對四類生態(tài)空間的建設(shè)用地開發(fā)進(jìn)行限制。

4.2 土地使用多情景模擬結(jié)果分析

比較兩種不同多中心結(jié)構(gòu)發(fā)展情景下的模擬結(jié)果（見圖7）。情景一中，建設(shè)用地分布均質(zhì)零散、缺乏規(guī)律，與之相比，情景二中建設(shè)用地集中成片，飛地明顯減少。將情景二的模擬結(jié)果與對應(yīng)的城市主中心—發(fā)展更新的就業(yè)次中心的多中心結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)二者在空間分布上有明顯的聯(lián)系，就業(yè)次中心周邊形成了一定規(guī)模的商業(yè)用地組團(tuán)，可見多中心空間結(jié)構(gòu)對未來土地使用模擬影響顯著。

以商業(yè)用地為例，對2014年現(xiàn)狀和2035年的兩種情景下未來用地模擬結(jié)果中的用地分布進(jìn)行計(jì)算和分析。主城區(qū)及5個新城商業(yè)用地占比如表3所示。比較主城區(qū)商業(yè)用地占比情況，情景二中商業(yè)用地占比增高，在多中心結(jié)構(gòu)的影響下，商業(yè)用地傾向于向主城區(qū)集聚。比較5個新城商業(yè)用地占比情況，情景一中各新城商業(yè)用地占比較高，情景二考慮了就業(yè)次中心的多中心結(jié)構(gòu)，商業(yè)用地占比較低。其中，南匯新城在情景二中商業(yè)用地占比特別低，這可能與該發(fā)展情景對應(yīng)的就業(yè)次中心距離南匯新城較遠(yuǎn)有關(guān)。

5 結(jié)語

本文以上海市為研究對象，探索了多中心結(jié)構(gòu)對土地使用演變的影響，并融入城市多中心結(jié)構(gòu)因素對未來土地使用發(fā)展布局進(jìn)行多情景模擬。通過手機(jī)位置數(shù)據(jù)彌補(bǔ)普查數(shù)據(jù)在時(shí)間方面的局限性，識別出不同年份的就業(yè)次中心。在土地使用模擬中通過將手機(jī)位置數(shù)據(jù)識別出的就業(yè)次中心分布替換歷史年份的就業(yè)次中心，從而進(jìn)一步分析相對于就業(yè)次中心的區(qū)位因素對土地使用演變的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除了交通、社會經(jīng)濟(jì)因素、相對于城市主中心的區(qū)位因素外，相對于就業(yè)次中心的區(qū)位也是影響土地使用演變的重要因素，需要在土地使用演變模擬中進(jìn)行考慮。土地使用模擬結(jié)果與多中心結(jié)構(gòu)分布特征具有明顯聯(lián)系，就業(yè)次中心周圍形成了商業(yè)用地的集聚。

應(yīng)用元胞自動機(jī)模型對不同多中心結(jié)構(gòu)影響下的土地使用進(jìn)行模擬，可以得到城市在不同發(fā)展情景下的土地使用演變結(jié)果，經(jīng)分析比較可以輔助土地使用布局規(guī)劃。在國土空間規(guī)劃中，可以考慮通過調(diào)控就業(yè)次中心的布局優(yōu)化土地使用發(fā)展布局。本文重點(diǎn)探究多中心結(jié)構(gòu)如何影響土地使用演變，研究思路可以外延到路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、公共交通分布等其他因素對土地使用演變的影響，以探究不同情景下的土地使用發(fā)展布局。