基于地理国情数据的天津滨海新区建成区动态监测

吴正鹏，隋克林，杨媛

(天津市测绘院，天津 300381)

基于地理国情数据的天津滨海新区建成区动态监测

吴正鹏*，隋克林，杨媛

(天津市测绘院，天津 300381)

以天津滨海新区地理国情数据、遥感影像为数据源，提取2004年～2015年间8期建成区信息，结合建设用地、社会经济等数据利用相关模型分析城市建成区形态演变特征和规律，揭示建成区扩张驱动力，为城市发展提供技术和数据支持。

建成区；地理国情；动态监测；天津滨海新区

1 引 言

为充分发挥地理国情普查成果服务国家部门需求，国家发展和改革委员会与国家测绘地理信息局签署协议：基于地理国情普查成果，开展国家级新区建设变化监测。通过监测，全面掌握新区地理国情信息，为制定新区发展战略与发展规划、调整经济结构布局、转变经济发展方式、推动经济社会科学发展的提供独立、客观和现势的参考信息和数据；为相关部门的专项监测提供基础；为新区监管提供建设变化信息；是科学管理的必要支撑手段。《城市规划基本术语》规定，“城市建成区(urban build-up area)是指城市行政区内实际已成片开发建设、市政公用设施和公共设施基本具备的地区。”城市建成区的动态扩张是新区建设发展变化的最直观体现。本文约定，建成区由天津滨海新区范围内实际已开发利用的建设用地组成，主要包括成片区域及与之密切联系的飞地型片区共同组成的单个或多个核心区，及分散在郊区独立的单个或多个飞地型片区。

2 天津滨海新区概况

天津滨海新区是天津市下辖的副省级区、国家级新区和国家综合配套改革试验区；地处天津市东部沿海地区，地理位置约为东经117°20′～118°00′、北纬38°40′～39°00′。其规划功能定位为：依托京津冀、服务环渤海、辐射“三北”、面向东北亚，努力建设成为中国北方对外开放的门户、高水平的现代制造业和研发转化基地、北方国际航运中心和国际物流中心，逐步成为经济繁荣、社会和谐、环境优美的宜居生态型新城区。

3 建成区动态监测技术方案

为了能准确反映天津滨海新区设立前后建成区范围的持续变化情况，从城市规划建设角度分析其扩张驱动力。首先，基于2015年高分辨率遥感影像、天津滨海新区地理国情普查地表覆盖及专题要素数据(如：道路，居住小区、工矿企业、单位院落、休闲娱乐、景区、体育活动场所、宗教场所等城镇综合功能单元)，结合《城市用地分类与规划建设用地标准》(GB 50137-2011)相关技术要求及内容指标经影像解译、数据整合，形成建设用地及建成区现状数据。再者，采用“逆序倒推”的作业思路，基于相关年份遥感影像，通过影像变化检测、人工解译，依次采集2004年～2014年建成区界线。从而形成8期滨海新区建成区范围变化监测数据集，为分析不同时期建成区的面积变化、形态特征和空间演化规律提供数据支撑。

4 建成区扩张统计分析

4.1 建成区扩张面积

天津滨海新区建成区呈“多中心、多组团”的空间分布特征。2004年～2015年间，塘沽、汉沽、大港城区周边基础配套日益完善，临空产业区、中新天津生态城、临港工业区、海港物流区及滨海高新区等规划产业功能区实施建设并投入使用，新区建成区范围有序扩张，总面积达到 404.49 km2，为2004年建成区面积(181.89 km2)的2.2倍。

4.2 建成区扩张速率

建成区扩张速率表示单位时间内建成区面积变化的幅度，其计算公式为：

式中：Sa，Sb分别表示各监测起始和结束时段建设用地的面积；T为监测时段长度，时间步长设定为年；RT年均变化率。

2004年～2015年，滨海新区建成区面积及年均扩张面积、扩张速率情况如图1所示。扩张速率及年均扩张面积总体呈“先升后降”的特点，变化趋势基本同步；在2012年～2013年达到峰值，年均扩张面积为 37.29 km2，扩张速率高达10.95%；2013年后有所回落、趋于平缓，2014年～2015年，年均扩张面积为 12.07 km2，扩展速率降为3.07%。

图1 建成区面积及扩张速率变化图

4.3 建成区扩张空间特征

空间重心是描述地理对象空间分布位移的一个重要指标，其动态变迁反映了空间要素分布的总体变化趋势，天津滨海新区建成区空间重心坐标变化情况如表1所示。对于多几何单元的重心，其区域重心计算公式如下：

式中：M为第i个单元土地的面积；xi，yi为第i个单元的中心坐标。

天津滨海新区建成区空间特征统计表 表1

图2 天津滨海新区2004年～2015年建成区扩张方向示意图

为了详细分析天津滨海新区建成区空间扩张方向特征，采用等扇形分析法，以滨海新区实际用地范围的重心为原点，将建成区划分为8个方位(正东、正南、正西、正北、东北、东南、西北、西南)，空间叠加8期建成区范围，计算各方位上新增建成区面积及其占比，从而反映建成区空间变化的方向差异。2004年～2015年，滨海新区建成区扩张方向如图2所示。

从滨海新区建成区重心变化情况看，建成区向正北、东北方向拓展趋势明显。依据建成区变化相关信息统计结果，结合建成区扩张空间分布情况看：建成区扩张主要集中在东北、正北、正东、西北方向。其中东北方向占总面积的34.10%；正北方向占总面积的22.01%；正东方向占总面积的15.26%；西北方向占总面积的12.99%。受空间管制区规划影响，为保护滨海南部基本农田及北大港古泄湖与湿地保护区、钱圈水库湿地保护与生态建设区，南部城市建设受到限制，建成区扩张速度整体偏慢。

4.4 建成区扩张形态分析

建成区形态变化，是建成区空间布局和结构变化的综合反映。利用空间紧凑度、空间形状分维数等相关指数，对建成区空间形态及变化情况进行分析，可客观揭示城市生长过程及其扩张规律。

(1)空间紧凑度

城市空间紧凑度是伴随城市周期性扩张而变化的。本文空间紧凑度计算方法采用Batty在2001年提出的紧凑度计算公式：

式中：BCI为城市用地的紧凑度；A为建成区总面积；P为建成区周长。BCI的值在0～1之间时，值越大形状越具有紧凑性；BCI值越接近1，形状越有紧凑性，越接近于圆形(圆是一种形状最紧凑的图形)；反之，形状紧凑度越差。

从整体情况看，滨海新区各年份建成区空间紧凑度数值普遍偏小。一方面，天津滨海新区由原塘沽区、汉沽区、大港区，东丽区部分街道共同构成，成立之初即制定了“多组团、多中心、网络化”共同发展的模式，使其空间紧凑度受到抑制；另一方面，受滨海新区“一轴、一带、三城区”的城市空间布局及“南北生态”景观格局、相对分散的新市镇建设的影响，滨海新区整体空间紧凑度大大降低。

从建成区空间紧凑度变化趋势看，2004年以来，滨海新区各年份空间紧凑度“前期逐年减小，后期趋于稳定”。当城市处于迅速扩张的发展阶段时，紧凑度下降；当城市转化为内部填充、改造发展阶段时，紧凑度明显上升。由滨海新区建成区变化情况可以看出，2004年～2013年间，建成区扩张速率稳中有升，导致空间紧凑度下降；2013年后建成区扩张速率逐年递减，空间紧凑度趋于稳定。同时，城市空间利用效率越低，空间紧凑度就越小，反之亦然。结合城市建设面积及用地结构变化情况看，2004年～2013年为滨海新区设立初期，建成区以较高的速率扩张，建设用地结构偏重于工业用地、物流仓储用地，二者占比之和接近45%，导致空间利用效率较低，空间紧凑度迅速下降；2013年～2015年间，绿地与广场用地、商业服务业设施用地、道路与交通设施用地比例大幅增长，城市配套日益完善，城市空间利用效率逐步提高，空间紧凑度趋于稳定。

(2)分形维数

分形维数可以反映城市用地轮廓线的复杂曲折程度、用地破碎程度以及城市内部空隙多少。通常利用周长、面积来衡量，计算公式如下：

St=21n(Pt/4)/1n(At)

式中，St为t时期城市斑块的分形数；At，Pt分别是t时期城市斑块的面积和周长。St的理论范围在1～2之间，St值越大表示图形形状越复杂。当St<1.5时，说明图形趋向于简单；当St=1.5时，表示图形处于布朗随机运动状态，越接近于该值，稳定性越差；当St>1.5时，则图形更为复杂。

城市发展期，人类活动的有序状态和无序状态同时并存，无序状态占主导地位；随着城市人口、面积的不断增加，城市结构变得越来越复杂，分形维数将随之增大。当城市发展趋于成熟时，逐渐由无序走向有序；随着城市规模的不断扩大，城市结构趋于合理，分形维数趋于稳定。由表1可知，2004年～2015年间，滨海新区处于快速发展阶段、工业化程度较高，城市用地轮廓线的复杂曲折程度提升，分形维数逐年增大；2013年后，新区通过空间资源整合，建成区扩展速率大幅降低，用地破碎程度及城市内部空隙得到有效控制，城市空间分形维数趋于稳定。

5 建成区扩张驱动力分析

5.1 人口因素

人口是城市构成要素中最活跃的因素，随着城镇化建设进程的推进和外来人口的大量转入，导致居住用地、道路与交通设施用地及公用设施用地等与民众生活息息相关的用地面积大幅增加，建成区范围扩张亦是必然。天津滨海新区成立以来，人口保持平稳增长，2015年末，常住人口297.01万人，为2005年的2.12倍；近十年间，居住用地面积增加约 22.37 km2，2015年现状面积约为2006年的1.6倍。对建成区面积与人口数据进行相关性分析，发现二者呈二次相关性，相关系数R2为0.958。

5.2 经济增势及产业结构

强劲的经济增速及“二、三、一”的产业结构格局是影响建成区扩张的重要驱动力。2014年末，天津滨海新区GDP达8760.15亿元，为2005年的5.36倍；经济增速在2010年达到最高峰，2011年后呈趋缓态势。经济增长态势带动固定资产投资增加，致使城市建设用地及建成区扩张速度加快。结合GDP构成情况看，滨海新区经济增长强劲势头来源于第二、第三产业的贡献；近些年新区产业结构演替变化不大，第二产业产值在滨海新区GDP中所占比重基本维持在三分之二的水平；直接表现为城市建设用地各类用地面积占比中工业用地和物流仓储用地二者之和高达45%。对建成区面积与GDP进行相关性分析，发现二者呈指数相关，相关系数R2为0.985。

5.3 人居环境提升

天津滨海新区功能定位中明确了“逐步成为经济繁荣、社会和谐、环境优美的宜居生态型新城区”的建设目标。近些年来，绿地与广场用地、道路与交通设施用地及公用设施用地(医疗、教育、文体)等与人居环境相关的建设用地面积及其占比均有所增加，绿地与广场用地尤为明显。这说明伴随着人口向城市迁移，人居环境逐步改善，城市规划建设对交通、绿化、医疗、教育、文体、市政等基础设施用地的要求越来越高，从而促使城市建成区面积的快速扩张。

5.4 城市功能定位及空间结构

依据城市功能定位，其目标是将天津滨海新区建设成为“中国北方对外开放的门户、高水平的现代制造业和研发转化基地、北方国际航运中心和国际物流中心，逐步成为经济繁荣、社会和谐、环境优美的宜居生态型新城区”。依托环渤海地区京津发展主轴和天津市域发展主轴、东部滨海发展带，2005版“城总规”提出了“一轴、一带、三城区、七功能区”的城市空间结构；2009版“城总规”结合新区布局模式，整合各城区和功能区，形成“一城、三片、两港”的城市空间结构。将新区建成区数据分别与2005版、2009版“城市总体规划”城市空间结构图进行叠加分析可知：受规划引导，滨海新区近十年来的城市发展及建成区拓展方向主要分布在“沿海河和京津塘高速公路的城市发展主轴”及“沿海城市发展带”上。

6 结 语

城市建成区扩张是地理国情变化监测的重要组成部分。本文基于地理国情普查数据，多期历史遥感影像，结合同时期社会经济、人文数据，从地理空间角度分析天津滨海新区建成区变化趋势。监测结果表明：滨海新区自设立以来，受人口规模、经济增速及产业结构、城市功能定位和空间结构、人居环境提升等因素影响，城市建成区保持着较高的扩张速率。建成区重心位置发生明显变化，向正北、东北方向扩张趋势明显；建成区空间紧凑度伴随城市扩张而变化，其各监测年份数值普遍偏小且监测“前期逐年减小，后期趋于稳定”；空间形状分维数逐年增大，城市用地边界及结构日趋复杂；受规划引导，城市建成区扩张方位呈现明显的空间特征和方向性；与人居环境相关的建设用地面积及其占比均有所增加，区域生态景观建设效果显著。总体来看，高速外拓式的城市发展趋势是天津滨海新区建成区扩张的主要特征。

[1] 余晓敏，李兵，詹庆明等. 基于地理国情时空数据的城市建成区动态监测[J]. 地理空间信息，2015(12)，13(6)：8～10.[2] 付治河. 基于地理国情监测的城市扩张分析研究[J]. 测绘通报，2013(3)，98～101.

[3] 徐进勇，张增祥，赵晓丽等. 近40年珠江三角洲主要城市时空扩展特征及驱动力分析[J]. 北京大学学报·自然科学版 ，2015(11)，51(6)：1119～1131.

[4] 叶昌东，周春山. 中国特大城市空间形态演变研究[J]. 地理与地理信息科学，2013(5)，29(3)：70～75.

[5] 李爱民，刘杉，吕安民. 基于卫星遥感影像的郑州市建成区扩展变化研究[J]. 郑州大学学报·工学版，2011，32( 2) ：125～128.

[6] 潭文彬，刘斌，张增祥等. 近三十年来昆明建成区扩展遥感监测与分析[J]. 地球信息科学学报，2009，11( 1) ：117～119.

[7] 余瑞林，王新生，孙艳玲. 中国城市空间形态分形维及时空演变[J]. 地域研究与开发，2007(4)，26(2)：43～47.

Tianjin Binhai New District Built-up Area Dynamic Monitoring Based on GeographicalConditions Data

Wu Zhengpeng，Sui Kelin，Yang Yuan

(Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China)

Using the geographical conditions data，remote sensing image as the data source，extract eight built-up area information from 2004 to 2015 of Tianjin Binhai New District. Make use of model to analyze the morphological characteristics and laws，reveal built-up area expansion drive combined with construction land and socio-economic data. Provide technical and data support for urban development.

built-up area；geographical conditions；dynamic monitoring；Tianjin Binhai New District

1672-8262(2016)06-14-04

P208.1

B

2016—04—13

吴正鹏(1981—)，男，硕士，注册测绘师，高级工程师，主要从事摄影测量与遥感数据处理、应用研究工作。