北京地区城市化过程与机制研究，本文主要内容关键词为：北京地区论文,机制论文,过程论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：F291.1;TP79
1 引言
目前，城市化已经成为人类活动改造自然环境的主要方式之一[1]。由城市化过程导致的大规模的土地利用／覆盖变化在当前的各种区域土地利用／覆盖变化中也显得格外引人注目。原因在于这种变化从微观尺度上看，为人类提供更多就业机会和制造更多福利的同时，也产生了如环境污染、交通拥挤、犯罪、居住环境恶化等一系列城市问题；从宏观尺度上看，由于以自然为主的土地利用／覆盖变成了以工厂和住宅为主的人为土地利用／覆盖，往往导致对各种自然过程如径流过程、蒸发过程和生态过程等的改变，带来复杂的生态环境后果，影响区域和全球的可持续发展[2,3]。
近20多年来，在改革开放政策的驱动下，北京经历了一个经济和人口高速增长的时期，人口从871.5×10[4]人（1978年）增加到1250×10[4]人（1999年），GDP从108.4×10[8]元（1978年）增加到2074.46×10[8]元（1999年），从而出现了以城市化为主要特征的大规模的土地利用／覆盖变化，引起了众多研究者的关注。周一星、顾朝林、刘盛和、范作江、宗跃光等分别采用不同的数据，从不同角度对北京的城市扩展，郊区化，土地利用／覆盖变化机制等内容进行了研究，有了良好的研究积累[4-10]。但目前利用长时间序列遥感数据，从空间上对北京地区城市化过程和驱动机制进行系统综合的研究还比较薄弱，而这正是深入理解城市化过程中的土地利用／覆盖变化机制，从而模拟和预测城市化过程，降低城市化过程风险水平的重要基础。因此，本文在现代"3S"技术的支持下，通过对长时间序列高分辨率LandsatTM/MSS数据的处理和分析，试图认识和理解北京地区城市化的基本过程和驱动机制。
图１ 研究区
Fig.1 Study area
2 研究方法
2.1 研究区和数据
由于不同时期遥感影像覆盖的限制，本文的研究区主要包括北京城区的东城、西城、宣武、崇文；近郊区的石景山、海淀、朝阳、丰台和远郊区的昌平、顺义、通县等11个区县级行政单元，具体范围为115°50'E～116°59'E，39°36'N～40°23'N（图1）。该区人口919.4×10[4]人，面积4649.9km[2]，分别占北京市的74%和28%；地形上呈现出低山－丘陵－台岗地－山前洪积扇－平原区的有序排列；经济上具有从城市核心区、城乡过渡区到远郊区县的明显过渡，映射出人类活动由强到弱的梯度变化；空间上则呈现从中心大区、城市边缘区到外围地域的明显圈层变化并且整体上联系紧密，表现出大都市区的特征[7]。
本文采用的遥感数据主要是季相较为一致，质量较好，无云，完全研究区的编号为123/32的4期Landsat TM/MSS（1975年5月6日获取的MSS以及1984年10月2日，1991年5月6日和1997年5月16日分别获取的TM）数据。
2.2 城市化过程信息提取
考虑到1975～1991年所用遥感数据时间跨度长，TM与MSS波段不整合，季相因素也不十分理想，进行严格辐射校正难度大，而1991～1997年遥感数据质量、季相因素都相对理想的特点，在小区域遥感监测实验的基础上[11,12]，我们对1975～1997年的土地利用／覆盖变化信息采用以概率松弛法为基础的常规分类后比较法进行测量[13]，对1991～1997年的信息则采用变化向量分析方法和分类后比较法相结合的混合方法进行测量[12]，同时还充分利用各种辅助数据，对明显分类错误进行了分类后处理，从而最终得到了区域城市化过程的基本信息（图2，表1）。
2.3 城市化过程空间分析
目前，对城市化的概念有许多不同的理解和认识[14]，为研究需要，本文主要指空间上非城镇土地利用／覆盖单元向城镇土地利用／覆盖单元的转化。同时，为了有效地利用GIS技术进行城市化过程的空间分析，引入城市化比例指数和强度指数2个概念。
某一空间分析区域区内的城市化比例指数F可以表示为：
F=U×100/R
(2-1)
式中：U为该区域城市化过程中非城市像元转化为城市像元的总数；R为该区域内城市化前的非城市像元总数。
某一空间分析区域区内的城市化强度指数M可以表示为：
(2-2)
式中：U、R的定义同(2-1)式，
表示时间，本文取年为单位。
3 结果分析
3.1 区域城市化特征
1975～1997年，平原区城镇用地（包括高、中低密度城镇用地）面积从259.49km[2]增加到1002.02km[2]，山区城镇用地面积（包括高、中低密度城镇用地）从11.30km[2]增加到21.53km[2]。城镇用地面积总量在区域中所占比例从1975年的6.02%上升到了1997年的22.75%，其中，高密度城镇用地比例从1975年的1.31%上升到了1997年7.04%，1975～1984、1984～1991、1991～1997年3个时期内的年增加率分别达到5.44%，6.37%和25.01%，增加迅速，尤其是在20世纪90年代经历了一个快速增加的过程（表1，图2）。由此可见，城镇用地持续增加，城市化过程明显是区域内城市化的基本特征。
表1 1975-1997年北京地区城市化基本特征
Tab.1 Urbanization in Beijing from 1975 to 1997
注：山区和平原的分界线为海拔100m。年变化率P由公式P=(M[,i]-M[,j])/(M[,j]×△t[,ij])×100计算，式中M[,i]和M[,j]分别表示i和j年的面积，△t[,ij]表示变化的时间。表中取年为单位，计算了1975～1984、1984～1991、1991～1997年三个时段内城镇用地的年变化率。
图2 1975～1997年北京地区城市化过程
Fig.2 Urbanization in Beijing area from 1975 to 1997
3.2 区域城市化过程分析
(1)中心大区和外围次级中心的面状城市化过程分析。在GIS支持下，分别以中心大区10km和昌平、顺义、通县3个外围次级中心5km的范围进行Buffer分析，可以发现区域面状城市化过程具有以下几个基本特征：第一，面状城市化，尤其是中心大区的面状城市化在区域城市化过程中居于优势地位。1975～1997年，中心大区和边缘次级中心Buffer区内的面状城市化总量分别占到了同期1975～1984年、1984～1991年、1991～1997年3个时段区域城市化总量的73.15%、67.71%和57.94%，其中中心大区的面状城市化远远高于边缘次级中心，分别占到各时段城市化总量的63.90%,58.33%和46.47%（图3）。第二，中心大区的面状城市化潜力没有充分发挥，具有进一步向外扩展的趋势。中心大区的城市化比例指数随距离呈现出线形递减的趋势，从lkm处的96.98%下降到10km处的43.11%，看不出明显的梯度变化，而城市化强度指数的高值区则随距离逐步向外推进，1975～1984年、1984～1991年的高值区在Buffer区1～3km处，1991～1997年的高值区却在4～6km处，可见尽管中心大区的面状城市化总量在区域中所占比例有所下降，但面状城市化的潜力还没有充分发挥，中心大区仍然具有进一步向外扩展的趋势（图4、5，表2）。第三，边缘次级中心对区域城市化过程的影响非常有限。边缘次级中心城市化比例指数随距离表现出指数递减的趋势，从1km处的97.81%下降到5km处的17.20%，尤其从1km到3km处，表现出明显的突变，下降幅度达到了60%以上，可见次级中心凝聚作用对区域城市化过程的影响非常有限。不过20世纪90年代以来，次级中心的城市化过程也有所加强，在同期区域城市化总量中所占比例从80年代中后期的9.38%上升到了11.57%，距其中心3～5km处的城市化强度指数也明显高于1975～1984年和1984～1991年2个时段（图4、图5、表2）。
表2 北京地区中心大区和外围次级中心面状城市化分析
Tab.2 Polygon urbanization of central city and sub-central cities
(2)中心大区和外围次级中心之间沿交通干线的线状城市化过程分析。从中心大区向西至石景山，向东沿京同高速路至通州，向西北沿八达岭高速公路到昌平，向东北沿机场高速公路到首都机场等沿线都是城市化像元较多，城市化过程比较明显的地区。其中，由中心大区向西至石景山，向东到通州一线，城市化程度都比较高，表现出形成东西长条形城市廊道的趋势（图2）。
(3)中心大区和外围次级中心之间广大区域内的点状城市化过程分析。随着城市化过程的深入，尤其是20世纪90年代以来，中心大区和次级中心区之间细小的城市斑块明显增多，说明区域内的点状城市化开始变得强烈。对区域城市斑块进行面积分类分析可以看出，区域内面积小于8个像元的斑块数目明显增多，从1975年的385个增加到1997年的738个，增加了353个，年增加率达到了16个，而1991-1997的年增加率则达到了22个，明显高于平均增加速度，表明区域内的点状城市化过程正表现出加速趋势（图2、表3）。
3.3 北京地区城市化驱动机制分析
已有的研究表明，城市化过程中非城镇单元向城镇单元的转化是地形、区位、交通等内在适应性因素和经济，社会等外在驱动因素共同作用的结果[13]。
3.3.1 内在适应性因素分析 (1)地形影响分析。在GIS支持下，对图2进行海拔和坡度的分级统计可以看出，1975～1984年、1984～1991年、1991～1997年3个时段内96%以上城市化像元都集中在海拔100m以下、坡度5°以下的区域，由此不难发现地形对区域城市化过程的强烈影响（表4）。
(2)交通影响分析。区域的交通系统主要由以环状交通为特色的中心大区及城市边缘区的交通系统和以线状交通为特色的中心大区和外围地域之间的交通系统2部分组成（图2）。以中心大区和城市边缘区中的2环、3环、4环和规划5环道路为基础进行空间分析可知，从1975到1997年，2环到3环、3环到4环，4环到规划5环之间的城市化比例指数分别高达95.93%、93.25%和68.42%，进一步计算还发现2环到规划5环之间的城市化总量也分别占到1975～1984年、1984～1991年、1991～1997年3个时期区域城市化总量的63.89%、56.86%和46.07%（图6）。可见，各环之间的区域正是过去22年区域城市化主要进行的区域。由此不难看出，尽管中心大区对区域强大的向心吸引力是造成城市边缘区城市化过程主要原因，但中心大区及城市边缘区的环状交通格局无疑也对这个过程产生了明显的加速作用。
图3 北京中心区与外围次级中心在同期区域城市化中的总量比例
Fig.3 Amount proportion of polygon urbanization to the whole regionin Beijing
图4 北京中心大区与外围中心面状城市化比例指数分析
Fig.4 F value of polygon urbanization of central city and sub-central cities in Beijing
图5 北京中心大区与外围次级中心面状城市化强度指数分析
Fig.5 M value of polygon urbanization of central city and sub-central cities in Beijing
区域线状交通系统主要由高速公路、一级公路和铁路组成，它们使中心大区和外围地域连成了一个统一的整体。由于这些交通干线主要沿区域内20世纪90年代中前期建成的京通、京石、京津塘和八达岭、首都机场等几条高速公路分布，因此，以上述的几条高速公路为准进行Buffer分析，可见随着距离的增加，城市化比例指数表现出指数递减的趋势，从1km处的41.54%递减到10km处的7.31%（图6）。由此可知，线状交通系统也对区域的城市化过程，尤其是线状城市化过程产生了一定的影响，但这种影响非常有限，其潜力还没有充分发挥，1km处的城市化比例指数只有41.54%，比4环到规划5环之间的城市化比例指数还低20%以上。
3.3.2 外在驱动因素分析
城市化过程的外在驱动因素非常复杂，难以用统一的模型进行定量的研究[15]，结合区域实际，采用定性和定量相结合的方式，从经济因素、政府行为、文化因素、突发事件因素等分析各种外在驱动因素对区域城市化过程的影响。
(1)经济驱动因素分析 采用1980～1999年北京市统计年鉴数据，以城市建成区面积为因变量(Y)，以人口(X[,1])，非农业人口(X[,2])，居民收入(X[,3])，基础建设投资(X[,4])，国家预算内投资(X[,5])，实际利用外资(X[,6])，GDP以及第一，第二，第三产业在其中所占的比例(X[,7]、X[,8]、X[,9]、X[,10])为自变量，在正态标准化消除量纲影响后，进行逐步回归分析，可以得到下式：
式中：Y[,'],X[',10],X[',9],X[',5]分别为Y,X[,10],X[,9],X[,5]的标准化变量，可见第三产业、第二产业的发展和国家预算内投资与区域城市化过程关系密切。
再以1980～1999年耕地面积为因变量(Y)，以农业人口(X[,1])、第一产业产值(X[,2])，农业、林业、牧业、渔业在第一产业产值中所占比例(X[,3]、X[,4]、X[,5]、X[,6])，城市居民消费水平(X[,7])，农村居民消费水平(X[,8])为自变量，在变量正态标准化消除量纲影响后进行逐步回归分析，得到下式：
式中：Y[,'],X[',7],X[',2],X[',8]分别为Y,X[,7],X[,2],X[,8]对应的标准化变量，可见城市和居民消费水平的提高与耕地的减少关系密切。事实上，随着区域城市化进程的深入，除了城市建设占用耕地外，城市人口的增加以及城市和农村居民生活消费水平的提高，对菜、果、鱼等副食产品的需求也必然明显上升，在市场机制的作用下，这种需求的增加必然导致第一产业内部的结构调整，从而进一步加快区域城市化的进程。
表3 城市化斑块分级统计
Tab.3 Analysis based on the classification of urban patch
注：像元大小取为150m[*]150m，斑块最小面积为3个像元。
表4 北京地区地形对城市扩展的影响分析
Tab.4 The landform effect on urbanization in Beijing
(2)政府行为驱动因素分析 北京作为中国的首都，在1975～1997年中经历着计划体制向市场体制转变的过程，转型期不同的政府行为始终在区域城市化过程中起着主导作用。在80年代初期的传统计划经济体制时期，政府首先通过城市规划确定城市化的速度、人口规模、产业结构以及城市土地利用模式，随后再通过强有力的人口政策（如户籍制度）、投资倾斜、土地的征用和划拨等措施严格执行城市规划控制着区域的城市化进程。在80年代中后期到90年代初期，北京逐渐进入由计划经济体制向市场经济机制的转型时期，政府通过体制改革，建立土地有尝使用制度等行为开始引入市场机制来影响区域的城市化进程。在90年代市场经济体制开始确立后，调整产业结构、扶持第三产业发展、兴建高科技工业园区、改造城市和建设区域基础设施等政府行为仍然在区域城市化进程中起者举足轻重的作用。从某种意义上看，区域的城市化过程就是政府行为的一面镜子。例如随着1993年北京市总体规划中要求实现“城市发展重点由市区向郊区转移，市区建设重点由外延扩展向调整改造转移。”[5]两个转变以来，区域内的次级中心的面状城市化过程和非城镇用地内部的点状城市化的过程都表现出加强的趋势。
图6 北京地区城市化过程中的交通影响分析
Fig.6 Traffic effect on urbanization
(3)文化驱动因素分析 北京城是一座拥有3000多年建城史，800年建都史的古城。北京作为元、明、清3朝的国都和当时的政治、文化中心，是我国封建时代都城建筑艺术集大成的典范。众多的文物古迹和深厚历史文化积淀，不仅属于中国，也属于全世界。保持传统的城市格局、建筑特色和城市景观，体现东方古都的风貌，是北京城市规划建设中始终要求高度重视的问题。为此，城市的发展建设，尤其是2环内的发展建设，在形态、高度、布局上都受到了传统城市格局的严格的限制[5]。不可能像一般意义上的城市那样在中心区形成高投入、高建筑密度、高容积率、高回报的CBD[5]，使整个城市容积率从市中心向外呈现出由低到高再到低的趋势，从而使中心大区在经济增长和人口增加的巨大压力下，无从选择的在城市边缘区面状式发展。
(4)突发驱动因素分析 由于北京在中国独特的城市地位，其城市化进程还受到许多突发因素的影响和推动。如1990年举办亚运运动会，1999年迎接建国50周年进行67项重大工程建设，以及举办2008年奥运会都已经或将要对对区域内的城市化过程产生了重要影响。此外，随机因素对区域城市化过程的影响也是存在的，这在研究城市发展，尤其是模拟城市发展时往往需要考虑。
4 结论和讨论
(1)从1975到1997年，北京地区经历了比较快速的城市化过程，主要表现为3种基本模式：一是中心大区和边缘次级中心区的面状城市化：二是中心大区和边缘次级中心区之间沿交通干线的线状城市化；三是中心大区与边缘次级中心区之间的点状城市化。其中，中心大区在城市边缘区的面状城市化始终居于优势地位，但90年代后，中心大区与边缘次级中心区之间的点状城市化明显加强，导致城市斑块的数量迅速增加。
(2)区域城市用地的扩展和城市格局的形成事实上地形、交通等内在适应性因素和经济，社会等外在驱动因素共同作用的结果。在改革开放的背景下，随着经济的增长和人口的增加，再加上举办奥运会等突发因素的刺激，北京地区的城市化过程在快速的进行。由于区域内次级中心不发达，与中心大区差距过分悬殊，中心大区成为了人流、物流和资本的主要甚至是唯一的聚集地，表现出强烈的向心聚集效应，但是旧有城市格局的限制和保持古都风貌的需要，中心大区并没有像一般城市那样形成的CBD，城市容量受到了极大限制；而地形的限制使城市扩展主要集中在海拔100m以下和坡度5度以下的平原区，中心大区的环状交通格局又在一定程度上加速了中心大区向城市边缘区扩展的过程，结果导致了中心大区在城市边缘区的强烈的面状扩展。其中，城市规划、产业发展政策等政府行为和3000年城市发展形成的旧有城市格局则从根本上决定了现代北京城市发展的基本过程。
收稿日期：2001-11-12；修订日期：2002-02-26