1、传统城市增长边界划定方法的局限
城市增长边界(Urban Growth Boundary)最早由美国在20世纪70年代的俄勒冈州塞勒姆市提出,是指通过划定城市区域和农村区域之间的界限,利用区划、开发许可证的控制和其他土地利用调控手段,将合法的城市开发控制在边界之内,并通过地方立法的形式来规范相应的边界控制和管理工作。
目前,国内外研究城市增长边界的方法归纳起来主要是两类,第一类是非建设用地控制导向型,核心思路是从保护的角度出发,研究城市、区域中必须要加以保护的生态敏感地区、水源、基本农田等要素,形成倒逼机制;第二类是建设用地发展导向型,核心思路是从发展的角度来合理预测城市未来的增长趋势,以及未来需要预留的弹性空间。
国内在城市增长边界的研究尚处于起步阶段,传统的划定方法由于受到数据来源、技术平台、主观因素等限制,表现出一定的局限。首先,传统的城市增长边界划定定性分析为主,定量分析不足,很难达到合理控制城市蔓延的功效。其次,非建设用地控制导向的划定方法虽然起到很好的保护生态环境、控制城市无序蔓延的作用,但是过于刚性,随着城市的快速发展,单纯的非建设用地控制与城市空间扩张之间的矛盾越来越突出。第三,建设用地发展导向的划定方法在判断用地规模时仍然离不开主观性判断,也容易受到政府干扰、市场绑架等影响。
目前,两种导向划定方法相结合的组合应用越来越多,基于各种技术平台的空间模拟、定量分析等手段也都在逐渐探索应用中。
2、基于遥感应用的城市空间增长研究
21世纪是空间时代和信息社会的新世纪,随着空间技术、传感器技术、数字图像处理技术的发展,卫星遥感影像逐渐成为城市空间增长研究的主要来源。利用遥感和地理信息系统等空间信息技术进行城市时空扩展监测和动态模拟分析是城市遥感的主要应用方向,可以说很大地弥补了传统城市增长边界预测的不足。基于遥感应用的城市空间增长研究的方法主要包括以下内容:
(1)遥感影像的建成区边界提取技术
卫星遥感能够提供及时、大范围、多时相的城市地理信息,可作为提取建成区范围的丰富数据源。
(2)城市建成区扩展分析
在利用历年同时相遥感影像得到建成区范围后,就可以研究城市扩展的规律特征和模式。
(3)城市动态扩展模拟
目前,元胞自动机是动态模拟城市扩展过程的最好工具,具有强大的空间运算能力,常用于组织系统演变过程的研究。
(4)研究城市用地规模的预测方法
在城市土地总体规划中,要确定一个城市的用地规模,需要决策者在掌握城市扩展现状及规律的基础上,通过各种预测模型得到。
(5)研究基于遥感影像的建成区人口获取方法
传统的城市人口统计方法是基于行政地域得到的,并不能反映城市建成区的真实人口。

图1 总体技术路线图

图2 南昌大都市区2014年春季遥感影像镶嵌、拼接、裁剪结果
1、研究背景
南昌大都市区包括南昌市域,抚州市的临川区、东乡县,宜春市的高安市、丰城市、樟树市、奉新县、靖安县,上饶市的余干县和九江市的永修县,总面积约2.3万k㎡。《南昌大都市区规划》是南昌市落实国家“一带一路”战略、长江经济带战略的重要区域性规划,基于江西省推进生态文化先行示范区建设的大前提下,如何协调好大湖地区保护与发展的关系,是本次规划的关注重点。



图3-图8 1989—2014年南昌大都市区土地利用变化图
2、总体思路
(1)定性判断与定量分析并重
城市发展的预测需综合考虑经济、生态、空间、地理等多专业的发展因素,单纯的规划专业支撑已不能满足量化的要求,因此,本规划结合遥感应用来进行量化支持,通过定性判断与定量分析并重的划定方法,为大都市区规划提供相关决策依据。
(2)底线控制与弹性引导并重
城市发展边界不能局限于“一根线”,而应对城市发展兼具控制和引导的作用。综合国内外经验,本规划采取“底线控制+弹性引导”的城市空间增长边界形式。所谓底线控制,就是对相关法规和规划中已经明确提出的禁止破坏的生态空间和资源空间及生态高敏感地区,严格划定生态红线,并采取有效措施逐步清理不符合管理规定的已有设施。而弹性引导,则重点针对集聚性的城市增长空间,在生态环境和资源保护的前提下,预留必要弹性,以适应不确定的发展需求及多元化主体的协商应对需要。
(3)划定技术与管控政策相结合
由刚性和弹性增长边界共同构成南昌大都市区两线三区的城市空间增长管控体系。刚性增长边界内用地为法定性生态保护区,任何建设活动不得占用,且规划期内不可变更。弹性增长边界内为城市空间集聚发展区,引导建设活动集聚,提高土地开发和使用效率,同时应对弹性边界进行定期评估和动态调整。刚性增长边界和弹性增长边界之间的用地为结构性生态控制区,正常情况下任何建设活动不得占用,而是留作弹性用地,以应对城市动态发展中的不确定性。
3、技术路线
基于遥感影像的数据分析支撑,从非建设用地控制导向与城市建设用地发展导向两方面着手,采取定性与定量相结合的方法,划定刚性增长边界线与弹性增长边界线。同时结合不同的情境模式比选,优化城市增长边界。在两线划定的基础上,建立两线三区管控体系。
1、遥感影像解译
首先,收集季相一致、质量较好,少云无云,完全覆盖南昌大都市区的遥感影像数据,本研究统一以LandsatTM影像图为空间基准, 使用遥感图像处理软件PCIGeomatica9.0和ERDAS对TM影像图进行几何纠正、图像增强、裁剪拼接等预处理。然后利用不同时相的遥感影像资料提取土地利用变化信息进行动态遥感监测,在对遥感影像图进行几何纠正和一些增强处理后,使用高分辨率遥感影像分类软件eCognition,采用面向对象法来进行影像的分类和信息提取。即通过对影像的分割,使同质像元组成大小不同的对象,然后利用对象的空间特征和光谱特征进行分类。面向对象的分类方法主要包括影像分割、训练数据选取、对象空间特征信息和对象间拓扑信息的计算、分类规则的生成、分类等几大重要步骤。
2、生态环境本底评价
首先,基于遥感分类数据,选取影响城市发展的自然地理、生态环境要素,如生物丰度、植被覆盖度、水网密度、地质灾害危险性、洪水淹没风险等,分析其影响大小并确定各因素的空间权重,经过综合叠加分析得出南昌大都市区生态敏感性评价结论。大都市区生态敏感空间主要集中在东北、西北和正南三个方向,京
九、沪昆和向莆廊道上生态承载能力相对较高。





图9-图17 南昌大都市区生态环境本底以及生态敏感性分析
3、划定刚性增长边界
将生态敏感性评价中高度敏感和较为敏感的地区划入刚性增长边界范围,并结合相关保护要求划定基础性刚性增长边界。南昌大都市区的保护范围包括国家级、省级、市县级自然保护区;国家和省级的风景名胜区、森林公园、湿地公园及生态公益林;世界、国家和省级地质遗迹保护区;日供水万吨以上的水源保护区及备用水源地;洪水调蓄区;重要水源涵养区;国家级水产资源保护区;区内湖泊(含滩涂)等重要生态功能湿地;鄱阳湖重要保护区;以及其他特殊物种保护区。同时,结合城市空间结构与生态格局,划定区域绿地系统、大型生态廊道、生物迁徙通道等,作为结构性控制发展用地,一并列入刚性增长边界。确保具有重要生态功能的区域、重要生态系统及主要物种得到有效保护,提高生态产品供给能力,为大都市区生态保护与建设,自然资源有序开发和产业合理布局提供重要支撑。南昌大都市区刚性增长边界面积146 709k㎡,约占南昌市大都市区面积的59%。
1、综合约束型CA城市模型建立
城市的发展变化受到自然、社会、经济、文化、政治、法律等多种因素的影响,因而其行为过程具有高度的复杂性。正是由于这种复杂性,城市模拟必须考虑各种复杂因素的影响。本研究采用CA模拟(Cellular Automaton,简称CA),将复杂的城市系统进行分解,通过每个地块单元的自我演化表现出复杂的城市系统空间增长特征。
(1)综合约束要素的设定
参考城市经济学基础理论,同时考虑数据的可获得性,选择下列影响城市增长的要素作为CA模型的空间变量。
空间性约束变量:即高程、坡度、城市干道、县道、省道、国道、高速、铁路、机场,以及各种市、县级发展中心。根据以上空间驱动力的假设,计算出每个空间要素的欧式距离,得到空间驱动力变量图,同时,计算出各种空间驱动力的变化影响力,作为CA模型设置的基本系数。
规划控制约束变量:包括城市规划结构导向,控制南昌大都市区“东湖、西岭、南丘”的整体生态格局,城市空间扩展主要集中在南昌大都市区核心区、昌九一体城镇产业扇面、丰樟高城镇产业扇面及向莆发展走廊;生态敏感性评价、刚性增长边界范围也是重要的生态约束要素。



图18 空间驱动力变量分析图
(2)CA模型建立与校准
本次采用TM卫星遥感影像解译的1994—2004年土地利用变化对CA模型的参数进行校正,利用2014年的土地类型对模拟精度进行检验。首先,利用逻辑回归模型对南昌大都市区1994—2004年的城镇增长规律进行提取。然后,以2004年土地利用现状作为CA模拟的初始化状态,将规律输入到CA模型获得2014年的城镇用地分布,对比2014年模拟的土地情况与实际情况的差别,以验证CA模型的有效性。在不考虑空间规划政策调控干预的情况下,CA模拟抽样检测精度达到90.07%,这说明CA模型对城市扩张进行模拟具有较高的可信度。
建立的逻辑回归CA模型为:

其中,St+1(ij) 为元胞在t+1时刻的状态,Pthresho 是[0,1]之间的阈值,Pt是元胞发展为城市用地的概率。

图19 2014年城市用地

图20 2014年模拟结果
2、多情景模拟与评价
为了能对都市区不同发展模式进行对比分析,本次采用2014年南昌市大都市区土地利用图作为CA模拟的起始年份,通过设定不同的城镇空间开发模式,模拟大都市区2050年在不同情景约束下的城市用地分布图,以科学评估南昌大都市区城市扩张过程对生态以及耕地保护产生的影响。结果如下。
(1)边缘扩张型情景
边缘扩张型发展情景下,直接利用历史变化规律进行模拟,使用要素计算以空间性约束变量为主,除不能占河流、湖泊、大型山体与水库外,城市发展过程不做任何制约。重点考虑为满足经济快速发展对建设用地的需求,以及城乡建设用地的合理布局。根据模拟结果显示,所有新增城市用地将围绕着现状建成区扩张,南昌市核心区与周边城镇均延续历史发展规律,使得城市周边大量的林地和优质耕地被占用,对粮食生产和生态环境造成不可逆转的损害。城市扩张量与原有城市的规模呈现明显的正相关关系,南昌核心区城市扩张较快,周边县市扩张较慢,整个区域内城市的发展将符合优势集中的规律,大城市所在地区开发建设条件和发展基础较好,对周围的辐射带动作用强,城市扩张较大。
(2)生态保护优先情景
生态保护优先情景下,以生态敏感性图层作为约束要素输入,只发展生态敏感性较低的区域,同时,以刚性增长边界作为约束条件,重点考虑区域生态环境的改善,生态敏感区等,合理布局和保护。根据模拟结果显示,在生态敏感分区的约束下,南昌市核心区的发展规律与边缘型扩张有显著不同,如核心区西北部的林地,南昌市周边的重点生态敏感区都得到了保留,在预设发展规模的设定下,城镇出现跳跃式发展,形成新的开发区。城市扩张量与其原有规模的相关性较低,表现为一定的去中心化,大城市的扩张强度与小城市的扩张强度之间的差距减少,这在很大程度上受到城市所在区域生态重要性的影响。在此情景下,城市扩张选择区域内生态重要性较低的斑块进行,生态重要性越高,转化为城市斑块的可能性越低。
(3)协调发展情景
协调发展情景下,城市扩张模拟以交通区位因子等要素作为扩张适宜性图层,同时使用刚性增长边界对模拟边界进行约束,获取城市快速扩张和生态保护的平衡。根据模拟结果显示,通过生态红线的约束保障了基本生态用地的安全,而生态红线以外,将选择区域条件良好、交通便利等最具有发展潜力的区域进行开发,这样既保障了生态安全,同时也能最大限度地满足城市发展的需要。在城市周边的发展依然按照城市的自有规律进行扩张,但是,首先应符合生态保护的约束,使城市的增长在可控的生态保护目标下进行,由此实现更加可持续的城市发展战略。
3、弹性增长边界的划定
综合评估三大情景模拟,确定协调发展情景为推荐方案。在此基础上提取城市空间扩张边界线,以此确定南昌大都市区弹性增长边界。规划确定2030年弹性增长边界内的城镇建设面积为1 725.91k㎡,占大都市区总面积的7.5%。

图21 南昌大都市区刚性增长边界划定
城市增长边界研究离不开定量的深入分析,基于遥感应用的分析技术正好提供了定量分析的平台,以支撑更为可信的分析结果。但是,城市是一个复杂的动态系统,受到各种因素的影响和制约,城市增长边界的划定方法仍处于探索阶段,依然存在一些问题需要进一步研究。
城市空间扩张仅仅是从增量上去考虑,没有考虑到土地类型转化的问题,譬如,哪些类型用地转化为城市用地、各占多大比例等。CA模型的建立与约束要素的设定直接相关,目前仅以强调综合的生态敏感性分区和土地等级作为规划控制约束引入规划控制情景的模拟过程。如何将复杂的空间增长影响要素与定性的规划控制导向用科学量化的形式反映,仍处于探索阶段。现有的空间增长模拟是宏观层面的模拟,仅以限建等级作为模拟的条件。下一步如何将城市增长模型扩展到多种土地利用,实现街区尺度的精细化城市增长模拟,将具有更深层次的借鉴意义。城市扩张具有动态性和不确定性,划定的城市增长边界如何进行动态调整,以及增长规模的理性评估,都需要进一步研究。
作者信息:
胡 方 上海同济城市规划设计研究院规划有限公司三所 主任规划师 高级工程师
姚 凯 上海同济城市规划设计研究院规划有限公司三所 副所长 高级工程师
艾 彬 中山大学海洋学院遥感与地理信息研究中心副教授