土地利用空间关联下城乡结合部边界界定方法研究

周 浩，雷国平，张红梅，苗智博

（东北大学土地管理研究所，辽宁 沈阳 110004）

土地利用空间关联下城乡结合部边界界定方法研究

周 浩，雷国平，张红梅，苗智博

（东北大学土地管理研究所，辽宁 沈阳 110004）

研究目的：在沈阳市2005和2015年两期TM/OLI 数据支持下，提出并验证城乡结合部土地利用变化空间关联理论假设和界定城乡结合部边界的新方法。研究方法：理论假设和实证分析相结合。研究结果：（1）由城市核心区到外围乡村，土地利用变化先低—低聚集，后不显著，但局部表现低—高、高—低或者高—高态势，至城乡结合部外缘逐渐表现低—低聚集；（2）实证分析认为，沈阳市城乡结合部内边界大致在二环和三环之间，外边界的北部、西部和南部主要分布在四环线之外，东部分布在三环和四环之间，总面积1234 km2。研究结论：城乡结合部土地利用空间关联理论假设成立，基于土地利用变化空间关联性来界定城乡结合部具有可行性。

土地利用；城乡结合部；土地利用动态度；局部空间自相关；边界界定；沈阳市

1 引言

城乡结合部作为城市蔓延中一种特殊的地域实体，是城市要素与乡村要素相互影响与渗透，具有用地矛盾尖锐、社会管理混乱和解决途径困难等问题的热点地区［1-2］，城乡结合部是城市扩张的缓冲区，如何科学地界定其边界是加强土地资源有序管理，合理控制城市发展规模及乡村城市化进程的前提之一［3］。关于城乡结合部边界的研究，国外始于19世纪早期，如杜能《孤立国》中城市周边在距离作用下的地域分异规律［4］。R·E·迪肯森提出了中央、中间和外缘的三地带理论［5］，开创了城乡结合部正式研究的先河。在城乡结合部边界的具体划定上，国外学者陆续通过量化的指标来进行城乡结合部的范围确定［6］，如借助非农人口与农业人口的比例这一指标来界定城乡结合部［7］、采用郊区化指数SI对城乡结合部进行范围的划分［8］、从居住价格变化角度确定城乡结合部［9］等。国内最早关于城乡结合部边界界定研究，是1988年广州市规划局根据城市发展、居住和交通因素划定出城乡结合部［3］。定量划分方法上，以“断裂点”分析法［10］、DTM信噪度分析［11］、均值突变检测［12］、遥感技术与信息熵［13］和土地利用变化突变点检测［2］等最为典型，研究对象多为北京、上海特大城市及发达省份的中心城市［1］。空间边界的实质就是连续区域上具有显著差别的界线，针对城乡结合部而言，就是试图运用相关方法确定出城市主体与乡村之间过渡性区域边界的过程［3］，界定理论上的城市核心区与城乡结合部以及城乡结合部与乡村间的“突变”线，即所谓的城乡结合部内、外界线。作为城乡交互作用下的动态产物，城乡结合部内部土地利用无序多样且变化强烈，一是以往大部分如人口密度、景观紊乱度等静态指标难以充分体现；二是如动态度指标仅从变化速度角度上进行体现，未考虑城乡结合部用地内部的无序性。“Tobler”地理学“第一定律”认为，任何事物之间都是相互联系的，而离的较近的事物总比离的较远的事物联系度高［14-15］，该定律决定了土地利用空间自相关存在的客观性。鉴于此，本文以城市外围土地利用动态度的空间聚集性和随机性为理论前提，引入空间统计学中的局部空间自相关分析方法，以沈阳市为例，探讨土地利用变化空间关联视角下的城乡结合部边界界定方法，为客观划分城乡结合部界线提供新思路。

2 理论假设与数值方法

2.1 城乡结合部土地利用空间关联理论假设

伴随着城市化水平的不断提高，城乡结合部用地结构处于快速变动之中，由于其位于城市和乡村的过渡地带，受城市辐射作用明显，工业、商业用地等广泛分布，同时，城乡结合部也保留着部分原有乡村土地利用的格局。因此，城乡结合部土地利用最大的特点是变化的动态性和类型的多样性。城市化初期，城乡结合部土地利用变化剧烈，工、商业等城市用地零星式出现，耕地不规则式退缩，区域破碎化程度增加，土地利用变化整体空间分布较为随机，格局特征分布不明显；城市化末期土地利用变化格局恰好是逆向的，土地利用变化缓慢，多表现为低—低聚集的空间关联性。由此，本文提出以下假设：由城市核心区向外，经城乡结合部，以至乡村，土地利用变化速率的空间集聚性趋势是由市中心向外，先整体表现低—低聚集，在城乡结合部时聚集特征不显著，局部可能表现为低—高、高—低或者高—高聚集，到城乡结合部的外缘逐渐又表现低—低聚集（图1）。

图1 城乡结合部土地利用空间关联理论假设Fig.1 Regional differences hypotheses on spatial correlation theory of land use change in urban-rural fringe

2.2 数值方法

2.2.1 土地利用变化速率 土地利用综合动态度考虑了土地利用类型的转移过程情况，而非简单的变化结果［2］，能够反映整个区域土地利用变化的剧烈程度，便于依据一定的空间尺度来监测土地利用变化热点地区。因此，选用土地利用综合动态度模型来反映土地利用变化速率情况：

式（1）中，LC为土地利用综合动态度；T为研究时段长度；LUi代表研究期初i类土地面积；LUi-j为T时间段内i类土地变为j类土地的面积，其中i≠j。

2.2.2 局部空间自相关 空间自相关分析是探索地理实体之间的有效工具和手段，其中局部空间自相关分析（Local Indicators of Spatial Association，LISA）用来衡量观测单元属性值与周边单元属性值的相近（正相关）或差异（负相关）程度。土地作为一种地理实体，其在空间上必然存在一定的分布规律，从探索土地利用空间分布特征的角度出发，解释土地利用变化速率在空间上的集聚性或离散性特征，能够契合城市化进程中更加注重集中连片开发与建设的要旨，LISA指数被定义为：

式（2）中，Ii为局部空间自相关指数值；xi为某一变量在空间单位i上的实测值；x是变量的均值；S表示变量的偏差。一般来讲，其值大于0则表示该区域单元周围相似值（高值或低值）在空间上的聚集，小于0则表示非相似值在空间上的聚集。

2.2.3 城乡结合部内外边界确定 将研究区划分为若干采样网格单元，依据动态度公式计算单个样区动态度，以此作为样区中心点的动态度，并选用地统计学中局部空间插值方法进行动态度空间化处理。基于空间化处理后的动态度数据，进而分析微观单元下的局部空间自相关特征。然后以城市核心区中心为初始点，每10度引出一条发射状剖面线，整个研究区共拉出36条剖面线。综合考虑城市化进程中城乡结合部形成的可能性，分别将集聚特性低—低、低—高、高—低、高—高和不显著的样区单元赋值为1、2、2、4、3。然后以采样区中心点距离城市核心区距离为横坐标，以采样区赋值的累加值为纵坐标，可绘制36条折线图。前述理论假设表明，城市建成区内折线斜率应该较小，至城乡结合部斜率逐渐增加，局部可能发生震荡，到外缘地带又降至低水平。记录各折线图的斜率突变点的空间地理坐标，内侧转折点为内边界，外侧转折点为外边界，分别将转折点依次相连形成研究区城乡结合部的内边界和外边界。

3 实证分析

3.1 研究区土地利用信息提取

本文以沈阳市为研究区，沈阳市是东北地区最大的中心城市，是辽宁中部城市群、“沈阳经济区”的核心，自新中国成立以来，沈阳市经历了快速的城市化进程，特别是进入21世纪以来，中心城区快速向外扩张［16］。以沈阳市2个时相Landsat TM/OLI影像为原始信息源，成像时间分别为2005年10月17日和2015年7月9日，行列号：119/31。基于行政界线对原始影像进行裁剪，涉及的区县包括：沈阳市辖区（含沈北新区、于洪区、棋盘山旅游开发区、皇姑区、大东区、沈河区、和平区、铁西区、苏家屯区和东陵区（浑南新区））、辽中县和新民市。经几何纠正及RGB假彩色的合成。参照全国土地利用分类体系并结合沈阳市土地利用特点、研究目的和分类精度要求，将沈阳市土地利用类型划分为：耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地共6大类。在ENVI 5.2软件支持下，根据影像色调、纹理等特征，采用最大似然法进行监督分类，并配合目视解译将所得数据进行查错和修改，最终得到2005年和2015年两期土地利用现状数据。

图2 研究区土地利用变化采样区划分及综合动态度分布情况Fig.2 Division of land use change samples and its distribution of land use dynamic degree

3.2 研究区土地利用空间关联性计算

为了避免人为划分重采样小区的破碎度，尽可能提高空间化的可信度，借鉴景观生态学中关于景观取样大小的观点，即为斑块2—5倍［14-15］，根据研究区斑块实际情况，采用2 km×2 km大小的网格进行等间距空间化采样，共有样区2269个（图2（a））。通过矢量数据的叠加处理最终计算单个样区动态度，将此值赋到样区中心点，并选用Kriging方法进行动态度空间化插值处理。

依据采样网格对空间化处理后的动态度（图2（b））进行重采样。将采样网格内动态度的平均栅格值视作该采样网格动态度，将其作为观测变量，选用基于邻接的“Queen”邻接规则确定空间权重。考虑处于研究区边缘附近的采样区与2 km×2 km网格面积大小差异，其暗含的稳定性假设可能被比率的内在方差不稳定性所推翻，方差的不稳定性可能导致采样区自相关性错误推断，为了纠正，本文采用经验贝叶斯标准化方法对动态度进行标准化处理，利用标准化后的数据可视化表达研究区土地利用综合动态度空间关联局域指标（LISA）聚集图。

3.3 研究区土地利用空间关联性特点

图3 研究区土地利用变化空间自相关关系Fig.3 Partial spatial autocorrelation of dynamic land use change of Shenyang

3.3.1 差异性与有序性 对研究区采样网格进行关联性特征统计，共1535个网格处于不显著状态，62个高—高聚集，632个低—低聚集，12个低—高聚集，8个高—低聚集。沈阳市市辖区内（图3），低—低聚集分布较为广泛，对应地区土地利用变化缓慢；高—高集聚主要出现在西南部的于洪区经济技术开发区和南部东陵区的白塔堡镇周边地区，建设用地扩张剧烈，低—高或高—低聚集网格非常少，可见采样网格的土地利用动态度空间关联性差异较大。图3显示，沈阳市市区及周边乡村大部分表现为低—低聚集，中间网格整体显著性差，但出现部分聚集性突变现象，整体表现出较为明显的圈层式分布特征，即由内向外，空间集聚性特征为先低—低聚集，至城乡结合部显著性较差或出现部分突变，而又至城乡结合部边缘地带低—低聚集。

3.3.2 突变性和转折性 一般来说，城乡结合部在城市中心的5—30英里的地方［1］，但这一数字随城市人口和面积规模的变化而变化。本文将沈阳市市委所在地视为城市核心区中心点，以50 km为半径共引出36条剖面线（图3）。对剖面折线集聚性累加指数进行分析（图4），可以看出土地利用动态集聚性累加指数由内至外斜率具有较为明显的突变性和转折性，即土地利用动态集聚性高指数地区的累加折线斜率会出现突然降低的情形，这主要是由于在集聚性不显著的地区遇到高—低或者低—高聚集引起突变。同时可以发现土地利用动态聚集性指数由内至外累加值的斜率呈现转折突变点，由此证明了前文的假设。

3.4 城乡结合部内外边界的划定

以36条剖面累加折线图为基础，找出每个折线图由低至高和由高至低转折点，记录每个转折点的地理坐标，将内侧转折点和外侧转折点依次连接，对于部分缺乏转折点或转折不明显的折线图，取其两侧折线图对应转折点中心位置地理坐标作为该折线图的转折点，最终描绘出研究区城乡结合部内外边界轮廓（图5）。可以看出，沈阳市城市核心区包括皇姑区、大东区、沈河区、于洪区和铁西区的部分地区以及和平区，总面积为326 km2，城乡结合部的内边界大致在二环和三环之间，东北部和西部部分地区突破三环线，由正北按顺时针旋转，分布在三台子立交桥—沈阳工业经济学校—和佳园林绿化工程公司—浑南生态园—东陵区前鲜路—沈阳积水潭医院—和谐花园—丁香湖新城的沿线。城乡结合部包括沈北新区、皇姑区、大东区、棋盘山旅游开发区、沈河区、东陵区、苏家屯区、铁西区和于洪区的部分地区，总面积约为1234 km2，外边界北部、西部和南部主要分布在四环线之外，东部基本分布在三环和四环之间，由正北按顺时针旋转，分布在公安厅农场—大志村—东岗子村—前桑林子村—南乱木屯村—南林子村—四方甸子村—高台村的沿线。内边界客观区分了城市核心区与城乡结合部的土地利用变化空间关联性差异，外边界区分了城乡结合部与外围乡村地带土地利用变化空间关联性的不同。

图4 研究区不同方向土地利用变化动态集聚性指数累加折线图（部分）Fig.4 Section lines of the aggregation degree of partial spatial autocorrelation of dynamic land use change in different directions

4 结论

本文在归纳现有城乡结合部研究的基础上，以城乡结合部土地利用变化的空间关联性特征为依据，提出了城乡结合部土地利用空间关联理论假设。以沈阳市为实证对象，采用遥感的监督分类方法提取了两期土地利用信息，借助采样网格进行土地利用变化信息采样，利用局部插值方法实现动态度的空间化处理，并最终分析微观单元下的土地利用变化空间关联性特征，验证了相关理论假设，同时以分析单元的空间集聚性划分城乡结合部的内、外边界，方法可行。可以发现，沈阳市城乡结合部内、外边界处基本存在转折点，依据这些转折点大致可以将三环和四环周边地区确定为城乡结合部，具体包括沈北新区西南部、皇姑区北部、大东区东北部、棋盘山旅游区西部、沈河区东北部、东陵区西部、苏家屯西北部、铁西区中部和于洪区大部分地区，同时，新民市东南角的部分区域也被划定为沈阳市城乡结合部。结论表明，文中提出的城乡结合部土地利用空间关联理论假设成立，通过地统计学中的局部空间自相关理论来分析土地利用变化的“突变性”，进而划分出城乡结合部的内、外边界具有可行性。

图5 沈阳市城乡结合部边界示意图Fig.5 Schematic diagram of urban-rural fringe demarcation in Shenyang

5 讨论

本文从土地利用的空间关联性角度出发，对城乡结合部边界确定进行了理论和实证探讨。城乡结合部边界划分的指标一般可分为静态和动态两类，学者多选择单一静态或动态指标进行研究。实际上，城乡结合部同时存在土地利用变化的动态性和类型的多样性特点，而对照比较已有类似研究，如赵华甫等的研究［2］中较好地体现了城乡结合部这一城乡交互作用的复杂动态产物的动态变化特征，但未能考虑城乡结合部内部土地利用类型多样性的特点。通过引入局部空间自相关方法，分析城市化过程中土地利用变化的空间关联性特征来划分城乡结合部的内、外边界，同时考虑城市化进程中的动态性和多样性特点，较之于上述文献研究成果［2］，从图3可以明显看出初步城乡结合部轮廓更为清晰准确；城乡结合部土地利用动态变化对空间边界影响很大，伴随着城市化进程，城乡结合部的边界也应处于变动中，本文研究的内、外理论边界是现状时间节点下的城乡结合部边界，可用于判断现状条件下城市是否处于蔓延状态或规模合理增长中，一旦城乡结合部过大，则城市蔓延严重，如果正常，则城市化进程合理。由图5可看出沈阳市城乡结合部明显偏大，沈阳市城市蔓延现象严重，研究可为沈阳市城市用地管理提供合理的依据。

城乡结合部具有特有的人口特征、经济特征和景观特征，准确科学地划分其理论内、外边界是加强政府部门有针对性的管理，以及解决城市无序蔓延和节约集约建设用地的关键环节所在。城乡结合部作为城市向乡村时空变化的过渡带，一是由于其为主要受“人”影响的自然—经济社会综合体，内部不确定性因素复杂，二是城市化进程的持续性特点，与传统地理学意义上的空间边界（如行政区划边界）不同的是，该过渡带实质并不存在清晰具体的空间边界，但为了城市用地管理，可借助部分边界划分方法进行“理论”上的边界探讨；在城乡结合部划分研究中，基本可归纳为反映土地利用模式与区位空间特征的地理空间边界和社会经济与人口属性上的社会经济空间边界［1］，二者相互对应、相互联系，但侧重点有所不同，地理空间边界主要体现城乡结合部内部用地结构布局的动态性和无序性以及其所带来的次生土地利用效应，而社会经济空间边界则表征如人口素质、社会管理水平等人文社会管理特点，前者服务于土地资源的布局调整与管理，而后者主要倾向于社会治安等公共事业的管理，选择合适的边界界定方法将有利于针对性的城市问题管理。

除城市用地建设集约的内部推动外，城市迅速蔓延与粮食供求“紧平衡”之间的外在矛盾，使得科学划定出城市发展的“缓冲区”界线显得尤为重要，该界线通常意义是指实际界线，而关于理论上的最优城市界线也一直是学者们长期探讨的问题［17］，后续可围绕理论与实际界线开展现有城市规模的合理性研究。

（References）:

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（本文责编：仲济香）

Study on the Method for the Demarcation of Urban-rural Fringe based on Spatial Correlation Analysis of Land Use Dynamic Indicator

ZHOU Hao， LEI Guo-ping， ZHANG Hong-mei， MIAO Zhi-bo
（Land Management Institute， Northeastern University， Shenyang 110004， China）

The purpose of this paper is to propose and ascertain the spatial correlation theory of land use change in urban-rural fringe and to examine a new demarcation method based on partial spatial autocorrelation of land use change in urban-rural fringe supported by the land use information from 2005 TM images and 2015 OLI images.Methods applied include theoretical deduction， empirical analysis and comparative analysis.The results showed that from urban center to rural area， the spatial correlation of land use change showed the trend of aggregation of low to low firstly， and then correlation was not significant of the land use dynamic degree， but the partial area showed the trend of aggregation of low to high， high to low and high to high， and then gradually showed the low to low aggregation occurring from the inner edge to the outer edge of the urban-rural fringe.It validated the hypotheses on partial spatial autocorrelation of land use change in urban-rural fringe.Therefore， the delineation of urban-rural fringe boundary was feasible.The empirical analysis of demarcation method in Shenyang urban-rural fringe found that the inner edge of urban-rural fringe should locate between the Second Circuit Road and Third Circuit Road， the northern， western and southern outer edge mainly distributed in the outside of the Fourth Circuit Road， and the eastern outer edge mainly distributed between the Third Circuit Road and the Fourth Circuit Road， and the total area was 1234 km2.The paper concluded that thespatial correlation theory of land use change in urban-rural fringe was valid and it would provide a new view of the demarcation on urban-rural fringe.

land use； urban-rural fringe； land use dynamic degree； partial spatial autocorrelation； boundary demarcation；Shenyang

F301.24

A

1001-815（82016）06-0081-08

10.11994/zgtdkx.20160703.103009

2016-05-18；

2016-06-09

教育部博士学科点基金博导类项目（20112325110007）；黑龙江省国土资源科研项目（黑国土科研201411）。

周浩（1990-），男，安徽安庆人，博士研究生。主要研究方向为土地利用与规划。E-mail： zhouhao7404@ 163.com