长三角地区城市空间扩展时空格局与特征研究

文潘 鑫上海同济城市规划设计研究院有限公司创研中心、自然资源部国土空间智能规划技术重点实验室高级工程师，注册城乡规划师，博士

张尚武同济大学建筑与城市规划学院教授，自然资源部国土空间智能规划技术重点实验室主任，上海同济城市规划设计研究院有限公司院长（通讯作者）

一、引言

改革开放以来，我国城镇化速度空前，在时空压缩背景下，我国城市空间扩展速度和城市规模增速远超相同历史阶段的任何国家。城市用地快速扩展在为城镇化转移人口、资本和产业集聚提供空间支撑的同时，也伴随着用地规模的盲目增长、城市空间蔓延、土地低效利用，严重的交通拥堵，以及各类生态环境问题，加剧了人口、资源、环境矛盾。[1][2]作为城镇化发展的主要物质载体，城市空间扩展时空特征的研究对于理解城镇化过程以及制定区域发展政策至关重要。

目前，国内外学者对城市空间扩展格局和特征研究主要集中在空间形态、空间结构和格局等方面。研究者采用形态紧凑度指数[3][4]、全局和局部空间自相关[5][6]、凸壳方法[7]、景观扩张指数[8][9]、景观格局指数[10][11]，结合方位比较法、网格单元分析法等，对城镇空间集聚扩散程度、空间扩展模式等进行分析。研究范围涉及大都市地区、都市圈、城市群等多尺度空间。[12][13][14]但纵观现有研究，在以下两个方面仍有待深化：第一，城市空间层面的研究侧重于空间形态、空间结构的静态描述，对于城市空间扩展的动态过程有所忽视。而城市空间的扩展过程决定空间形态格局，在城市发展实践中，对于空间过程的合理干预是实现城市空间紧凑布局的重要手段。第二，现有对城市空间扩展研究基本将城市规模和空间结构演变分开，而现实中城市空间扩展是城市规模与结构协同演化的过程，二者之间存在内在关联性。城市规模的增长会影响城市空间结构效应的发挥，而城市空间结构的演变也会对城市规模效应产生影响。[15]

长三角地区作为我国经济发展最为活跃的巨型城市区域，进入21世纪后先后编制了多轮区域发展规划。2018年11月，长三角区域一体化上升为国家战略，其发展纲要中明确提出打造全国高质量发展样板区的战略定位。在借鉴相关研究基础上，本文尝试采用城市不透水地表（Impervious surfaces）数据，重点从区域和中心城市两个尺度对长三角地区空间扩展的形态特征、集聚扩散特征和扩展模式特征进行分析。并在此基础上，进一步探讨城市空间扩展过程中城市规模和空间结构的协同演变关系，以期增加对长三角地区城市空间演化规律的认识，为长三角地区城市空间发展高质量发展提供科学的决策依据和政策建议。

二、数据处理与研究方法

（一）数据来源与数据处理

不透水地表作为人居环境的主要组成部分，由阻碍或阻止水自然渗入土壤的材料组成，包括屋顶、道路、人行道、停车场等。[16]不透水地表作为典型的人工景观，其空间分布及演化直接反映城市空间结构的演变。本文采用的不透水地表数据主要来自Gong等公开的不透水地表数据。[17][18]该数据以Landsat遥感图像为主要来源，夜间灯光数据为辅助。采用不透水地表映射算法和谷歌地球引擎(GEE)平台对数据进行提取，处理后的30m分辨率数据总体准确率达到90%以上。基础地理信息数据方面，长三角地区范围采用国务院2016年5月发布的《长江三角洲城市群发展规划》，包括26个城市，区域面积21.17万km2。中心城市数据来自中国县级行政单元数据，考虑到1990年后长三角地区“县改区”“市改区”等行政区划调整频繁，为避免行政区划调整对城市空间范围的影响，本文以2018年末各中心城市市辖区为标准，采用GIS统计分析工具，分别提取长三角地区26个中心城市在1990年、2000年、2010年、2018年四个时点的不透水地表数据，用于后续研究。

（二）研究方法

1.空间开发强度和扩展强度

空间开发强度（SDI）表征长三角地区城市用地总面积占研究单元总面积的百分比，用以描述城市空间开发态势。空间扩展强度（EII）是指长三角地区内城市空间年均扩展面积占土地总面积的百分比。

式中，SDI为空间开发强度，EII为空间扩展强度，UAstart为初始时间的城市用地面积，UAend为结束时间的城市用地面积，TLA为研究单元总面积，n为时间跨度。

2.形态紧凑度指数

空间形态是城市空间的外在显性特征，重点关注城市用地外部形状的规整性和趋圆性，通常采用Richardson紧凑度、Cole紧凑度、边界分形维数、景观形状指数等来描述。一般而言，城市空间形态越趋圆，空间形态越紧凑。本文借鉴Richardson紧凑度来描述空间形态的紧凑度，[4]其公示如下：

式中，C指城市空间形态紧凑度，A为城市用地面积，E为城市空间外部形态周长。C值位于0—1之间，形态紧凑度值越大，其空间形态越紧凑；反之，空间形态紧凑性越差。圆是一种形状最紧凑的图形，其紧凑度为1。

3.结构紧凑度指数

狭义的空间结构也即空间要素的组织逻辑，重点反映城市要素或用地的空间集聚分散程度，居住、就业、交通空间的混合和协调程度等，可采用全局和局部空间自相关（Moran系数和Geary系数）、Gini系数、集中度、混合度等来表征。Moran系数能够较好地反映城市空间结构的相对空间关系，应用前提条件局限小，可以用来测度城市空间的结构紧凑度。[19]在测度长三角地区26个中心城市结构紧凑度时，首先，参照王磊等相关研究，[12]采用2km×2km的固定格网（Fishnet模块）与长三角地区行政区划及不透水地表矢量数据进行叠加分析，计算每个格网内的城市空间开发强度；其次，采用空间自相关模型衡量长三角地区城市空间扩展的集聚或扩散特征。全局Moran指数I的公式为：

4.过程紧凑度指数

城市空间扩展是个时空复合过程，城市空间增长并非以同种方式同样位置集聚或扩散。[20]较空间形态和空间要素组织的静态描述，过程视角能够从动态视角描述城市空间发展演变趋势。本文将城市空间扩展过程分为填充式、边缘式、飞地式三种，填充式和边缘式被认为是紧凑扩展，城市土地总面积的增加不会导致城市斑块的增加，可以被看成城市空间的融合过程。飞地式扩展将导致城市斑块数量的增加，可以认为是城市空间的扩散过程。[9]借鉴Liu等提出的景观扩展指数（LEI）对其进行定量分析。[21]

式中，Length(common)为新建城市用地斑块与原有城市用地斑块公共边界的长度，Perimeter(new)为新建城市用地斑块的周长，LEI为公共边界与周长的比值，其范围为0—1。当LEI＞0.5时，为填充式扩展；当0＜LEI≤0.5，为边缘式扩展；当LEI=0时，为飞地式扩展。其中，新增用地的填充式用地比重可以用于表征城市空间扩展过程的紧凑度。

三、长三角地区城市空间扩展时空格局

（一）城市空间扩展强度时空格局

1.区域城市空间扩展强度

总体来看，长三角地区城市用地覆盖面积时空变化巨大，2018年长三角地区城市用地总面积33 013.72km2，是1990年（4 513.61km2）的7.31倍，年均增量1 055.56km2（图1）。1990—2000年，城市用地增长主要集中在沪宁铁路沿线，及各中心城市市区等地，城市用地主要围绕中心城区点状扩散；2000—2010年，城市用地沿线、沿江、沿湖扩展显著，城市用地的扁平化增长推动了城市增长廊道和大都市连绵区的形成；2010—2018年，在原有轴线扩展基础上，中心城市以外的中小城市、县城用地扩展也明显加速，城市空间格局正从点轴形态走向网络化。

图1 长三角地区城市用地扩展过程

从长三角地区城市用地扩展速度与扩展强度角度（见表1），可以发现：1990—2000年、2000—2010年、2010—2018年3个时间段的城市用地年均增长量分别为319.49、1 017.39和2 161.61km2，城市用地年均增长率分别为5.50%、8.78%和9.15%，城市空间扩展强度分别为0.15%、0.48%和1.01%，长三角地区城市用地扩展速度、扩展强度指数不断提高，仍呈现出加速扩展的发展趋势。

表1 长三角地区城市空间扩展速度及强度比较

表2 长三角地区城市空间扩展强度的Moran指数

2.中心城市空间开发强度变化

城市空间开发强度方面，1990—2018年近30年间，长三角地区城市用地面积年均增加1 055.56k m2，开发强度从2.11%增长到15.47%，增长幅度极大。分时段看，1990—2000年10年间增加1.50%，年均增长仅0.15%；2000—2010年均增长达到0.48%；而2010—2018年均增速高达1.01%，城市空间开发强度仍处于加速增长阶段。采用ArcGIS的自然断裂点法将2018年26个中心城市空间开发强度分为5类（图2），发现空间开发强度位于均值以上的区域主要分布在长三角核心区，在长三角北翼沿沪宁、合宁综合交通轴线上的城市空间开发强度大都在28%以上，开发强度普遍较高，上海、无锡、常州、合肥等中心城市空间开发强度居于领先地位；而盐城、滁州、池州、宣城、金华等外围城市空间开发强度大都居于长三角地区均值以下。从时间变化看，1990—2018年城市空间开发强度变化空间特征与2018年城市空间开发强度高度吻合，具有较为相对显著的核心—外围特点，上海、无锡、常州等中心城市是长三角地区的重点开发区域。

图2 长三角地区26个中心城市空间开发强度变化

（二）城市空间形态变化特征

空间形态紧凑度指数能够衡量城市用地的布局形状，而对不同时点数值的比较则能揭示该城市空间形态的变化情况，数值变大，城市空间形态越规则；数值变小，城市空间形态趋于蔓延。2000年、2010年、2018年三个时点26个中心城市空间形态紧凑度指数的平均值分别为0.0156、0.0121、0.0107，数值较低，且呈现缓慢下降态势，城市空间形态布局更加不规则。其原因可能是城市的外部形态更多的受河流、山脉等自然地理条件的影响，形态上的趋圆性是很难实现的。

具体分时段看，随着时间推移，城市空间形态紧凑度指数上升的城市数量呈现增长趋势（图3）。2000—2010年，空间形态紧凑度指数上升的城市仅有合肥一个城市，2010—2018年，空间形态紧凑度指数上升的城市有杭州、苏州、池州、马鞍山等城市，数量有所增加。由此可初步判断，随着经济发展水平提升，城市规划管制的加强，以及行政地域空间范围的限制等，未来城市用地新增空间趋向于集聚，城市空间形态存在规整化布局的倾向。

图3 长三角地区26个中心城市空间形态紧凑度变化

（三）城市空间扩展集聚扩散时空特征

1.区域城市空间集聚程度逐渐上升

将2k m×2k m的固定格网与长三角地区城市空间矢量数据进行叠加分析，并计算2000年、2010年、2018年三个时点每个格网内的城市空间开发强度，将开发强度0.001以上的格网分为四类，其空间开发强度测算结果如图4所示。从图中可以直观发现，长三角地区城市空间范围增长迅猛，且核心区与外围区的开发强度均不断提高。

图4 基于2km格网的长三角地区城市空间开发强度（%）

以2k m×2k m格网城市空间开发强度为变量，测算长三角地区城市空间的Moran's I指数和Z值，计算结果如表3，可以得出以下结论：长三角地区城市空间集聚程度呈现“逐渐上升”的态势。2000年、2010年、2018年三个时点的Moran's I指数分别为0.633、0.702、0.751，且Z值均能通过1%置信区间检验，表明长三角地区城市空间开发一直处于相对集聚的状态，并且集聚程度呈现为逐渐上升发展态势。改革开放之后，尤其是20世纪80年代以后的乡村工业发展，沪宁杭等核心城市及苏南地区增长较快，长三角地区城市空间扩展呈现为核心区域集聚特征；2000年后，在外资驱动、撤县设区、财税改革等多重作用推动下，长三角地区城市空间扩展持续向中心城市、经济发达地区、区域性通道等优势性的城市区域集聚，外围区域呈现点状扩散，但尚未出现明显的增长中心。总体来看，长三角地区城市空间扩展呈现出“集聚性的扩散”特征，城市空间在长三角地区广域范围内扩散，但同时城市空间又围绕中心城市、区域性通道等优势城市区域集聚，Moran指数不断提升，通过城市空间的集聚和扩散过程推动了长三角地区都市连绵区域的形成。

表3 长三角地区26个中心城市城市空间扩展强度的Moran指数

2.中心城市空间集聚程度

进一步测算26个中心城市空间开发强度的Moran's I指数和Z值，计算结果如表3，可以发现：三个时段26个中心城市Moran's I指数均值分别为0.666、0.740和0.773，总体集聚程度呈现上升趋势，且各城市Z值均能通过1%置信区间检验，表明各中心城市空间结构紧凑性发展势头较好。

结合各城市三个时点Moran's I指数变化趋势，并与均值进行比较，将26个中心城市空间结构紧凑类型分为四类：一是高水平集聚型城市，三个时点Moran's I指数均高于26个中心城市均值，包括上海、杭州、南京等中心城市，以及外围的金华、滁州等共计13个城市，该类型城市空间集聚总体水平较高，以长三角地区各都市圈的核心城市为主；二是低水平集聚型城市，三个时点Moran's I指数均低于26个中心城市均值，包括台州、镇江、湖州、嘉兴、安庆、舟山、宣城、池州等8个城市，该类型城市大都位于长三角地区的外围区域，城市规模较小，中心城市的辐射带动能力有限，各类空间资源布局紧凑度不够；三是波动上升型城市，三个时点Moran's I指数从均值以下逐渐提升到均值以上，空间集聚程度不断提升，包括泰州、盐城、铜陵等3个城市，该类城市空间扩展相对紧凑，中小城市的集聚程度也相应提升；四是波动下降型城市，三个时点Moran's I指数从均值以上下降到均值以下，该类城市数量较少，包括芜湖、马鞍山2个城市，均位于安徽省，城市空间仍以外延拓展主导。各类型城市空间的集聚紧凑程度与城市规模等级、区位条件存在密切关联，核心城市以高水平集聚型为主，而外围中小城市则呈现为低水平集聚或波动下降型。

（四）城市空间扩展模式特征

1.区域城市空间扩展模式总体特征

采用景观扩展指数（LEI）对长三角地区1990—2000年、2000—2010年、2010—2018年三个阶段的新增城市空间进行识别，并计算边缘、填充、飞地3类扩展方式比重（图5），可以发现：

图5 长三角地区城市空间扩展方式比例（1990—2018年）

（1）长三角地区新增城市空间总体上经历了“飞地+边缘扩展”到“边缘扩展主导”，再到“边缘+填充扩展”的演变过程。1990—2000年，城市空间以边缘和飞地扩展为主，扩展区域集中于上海、南京、杭州等中心城市边缘以及近郊的乡镇工业用地。2000年后，虽然在主要大城市周边规划了若干卫星城、新城，但在市场作用下城市空间仍以边缘扩展为主，并在苏锡常、杭绍宁等长三角核心区域形成连绵发展态势。2010年后，长三角地区城市空间以边缘式和填充式扩展方式为主，城市空间更为紧凑。

（2）在三个时间段内，边缘扩展方式始终占有60%以上比例，是长三角地区城市空间扩展的主要类型。在我国，国有土地制度赋予政府通过占用城市周边耕地扩大城市边界的权利，相对较低的使用成本刺激政府持续实施土地征用，并将其发展为城市空间。[22]2000—2010年边缘扩张比例高达72.14%，城市边缘区成为城市空间扩展最为敏感的区域。

（3）2010—2018年填充式扩展比例提升明显，达到22.27%，较2000—2010年的11.63%上升了10.64%，在三个时段总体经历了“U”型变化，表明随着区域经济由高速发展向高质量发展模式的转型，长三角地区城市空间趋于紧凑，城市空间向精明增长演化。H e等研究认为填充扩展比例与区域内各城市间距离呈负相关距离越大，填充扩展比例就越低。[11]长三角地区核心区城市间距不足40公里，经过改革开放后30余年的空间扩展，在空间上已经连接成片，从而推动了填充式扩展比例的快速提升。

2.中心城市空间扩展模式

为便于整体把握长三角地区26个中心城市空间扩展类型变化趋势，运用SPSS22统计分析软件，根据2010—2018年各城市扩展方式比重，采用系统聚类中的ward-欧式平方距离进行聚类，将其结果分为三类（见表4）：第Ⅰ类为空间集聚转型类，飞地型比重快速下降至10%以内，边缘型比重略有下降维持在65%以内，填充型比重快速上升至25%，空间扩展模式向内涵式增长转型，该类代表性城市包括上海、南京、杭州、合肥、苏州、无锡等；第Ⅱ类为空间加速成长类，飞地型比重略有下降，仍保持在15%以上的较高水平，边缘型比重略有上升，达到70%左右的高水平，填充型比重略降至15%左右，该类型城市仍处于快速扩张之中，空间扩散力量仍占据主导，未来向城市空间集聚型增长仍有较长道路，代表性城市包括湖州、嘉兴、南通、盐城等；第Ⅲ类为边缘扩展主导类，飞地型比重略有下降至15%以内，边缘型比重上升，达到70%左右的高水平，填充型比重略降至15%以内，边缘型扩展模式占据主导，代表性城市包括扬州、芜湖、池州、滁州等，该类型城市仍在不断蔓延扩展，城市空间不够集约紧凑。

表4 长三角地区26个中心城市空间扩展类型演变

四、长三角地区城市空间扩展中规模与空间结构协同演变关系

（一）城市规模与空间结构、形态紧凑度

采用SPSS对2000年、2010年、2018年长三角地区26个中心城市的形态紧凑度指数、结构紧凑度指数与城市用地规模进行相关分析（见表5），发现形态紧凑度与城市规模负相关，而结构紧凑度与城市规模正相关，且均通过1%水平显著性检验。表明城市空间的形态紧凑度、结构紧凑度与城市规模间存在相反的作用关系，随着城市规模增大，空间形态向不规则方向演变，规模越大形态紧凑度越低；与之相对，城市规模越大，城市空间集聚性越强，空间结构越紧凑。其可能原因在于，形态紧凑度仅是城市规模增长的物质空间表象，反映的是城市空间的外部形态，形态紧凑度并不能代表城市空间真正达到紧凑化。[23]而结构紧凑度更为强调城市空间利用的集聚程度、高密度的开发等，能够较好地揭示城市空间紧凑发展的内涵，结构紧凑度才是影响城市空间运行效率的关键。

表5 长三角地区26个中心城市规模与形态、结构紧凑度相关系数

（二）城市规模与空间过程紧凑度

采用表征城市空间过程紧凑度的填充式用地比重，分别计算1990—2000年、2000—2010年、2000—2018年三个时段各城市填充型用地比重与城市规模相关系数，发现相关系数分别为0.182、0.244和0.388，前两个时段相关系数均未通过显著性检验，2010—2018年相关系数在5%置信区间上通过检验，城市规模与填充型用地比重存在弱相关。参照《关于调整城市规模划分标准的通知》（2014），将城市按用地规模划分为六个等级，绘制不同规模城市填充式用地比重的箱线图（图6），可以看出各规模等级城市填充式用地比重中位数差异不大，总体上呈现为“U”型关系，Ⅰ型大城市填充式用地比重中位数最低，随着城市规模进一步扩大，超大城市、特大城市率先进入空间转型提升期，城市空间向紧凑性集聚发展。

图6 填充式用地比重与城市规模关系

五、结论与启示

20世纪90年代以来，长三角地区城市空间经历了快速扩展过程，引导城市空间理性发展、提升城市空间发展质量成为长三角一体化发展的重要任务。本文基于城市不透水地表数据，从城市空间的形态紧凑、结构紧凑、过程紧凑三个维度，对长三角地区及26个中心城市空间扩展的形态特征、集聚扩散特征、空间扩展模式，以及规模与结构的协同关系等进行了系统分析，揭示长三角地区城市空间扩展特征和优化路径。

研究结果显示：（1）长三角地区层面，1990—2018年，长三角地区城市空间表现出较强的空间集聚性，并呈现出“集聚性的扩散”特征，城市空间在广域范围的扩散与在优势区域的空间集中同时推进；空间扩展模式大致经历了“飞地+边缘扩展”→“边缘扩展主导”→“边缘+填充扩展”的空间扩展过程，边缘扩展模式在不同时段始终占据主导地位。（2）中心城市层面，26个中心城市空间总体集聚程度呈现上升趋势，城市空间增长集聚发展势头较好；空间扩展方式可以分为空间集聚转型、空间加速成长、边缘扩展主导三类，部分核心城市空间扩展模式率先从扩散向集聚转型。（3）城市规模与空间结构演化关系方面，城市规模的增长有助于空间结构的紧凑性集聚，且城市规模与填充式用地比重存在“U”型变化。总体来看，随着城市规模增大，城市空间结构紧凑度提升，其空间扩展方式也更为集约紧凑。

基于以上研究的启示如下：第一，城市规划的编制重点应从形态控制向空间结构、增长过程控制转向。在规划编制和实施中，应重点加强对空间结构紧凑性和开发过程紧凑性的管控。空间上尽可能引导城市团块式集中布局，避免带状或飞地式扩展；时序上，应结合空间扩展速率和模式，合理调控土地供应，引导城市空间增长过程的紧凑布局。第二，完善城市空间政策配套，促进紧凑型空间结构形成。应加强城镇开发边界控制，引导城市用地空间扩展方式由飞地、边缘扩展向填充式扩展转变，提升城市空间密度和土地紧凑化程度。同时，空间结构演变具有路径依赖性，其形成是一个长期性、复杂性的过程，地方政府需要强化战略思维，尽可能保证规划政策实施的一致性和连贯性。