任启龙^1,, 王利^1,2,, 韩增林^1,2, 徐晓勇¹, 赵东霞³
1. 辽宁师范大学城市与环境学院,大连 116029
2. 辽宁师范大学海洋经济与可持续发展研究中心,大连 116029
3. 辽宁师范大学管理学院,大连 116029

Research on urban expansion based on urban annual rings: A case study of Shenyang

RENQilong^1,, WANGLi^1,2,, HANZenglin^1,2, XUXiaoyong¹, ZHAODongxia³
1. College of Urban and Environmental Science, Liaoning Normal University, Dalian 116029, Liaoning, China
2. Studies Center of Marine Economy and Sustainable Development, Liaoning Normal University, Dalian 116029, Liaoning, China
3. College of Management, Liaoning Normal University, Dalian 116029, Liaoning, China
通讯作者:王利（1965- ）,男,辽宁建平人,教授,博士生导师,主要从事GIS应用、空间发展规划研究。E-mail: wangli0984@vip.sina.com
收稿日期:2017-01-14
修回日期:2017-05-19
网络出版日期:2017-07-31
版权声明:2017《地理研究》编辑部《地理研究》编辑部
基金资助:国家自然科学基金项目（41571122,41601136）
作者简介:
-->作者简介：任启龙（1986- ）,男,内蒙古宁城人,博士研究生,主要从事GIS应用、城市与区域规划研究。E-mail: renql2008@163.com



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摘要
基于现有城市内部地域结构模型及建设用地扩展模式,提出侧重各方向上建设用地扩展的“城市年轮”模型。构建的“城市年轮”模型由城市重心、扩展方向、年轮单元弧、年轮形态等构成。中国城市扩展过程受五年计划（规划）影响呈现明显的阶段性特征,以沈阳市为研究区,选取1985-2015年七期五年计划（规划）期末年份的Landsat遥感影像,运用“城市年轮”模型,结合城市重心坐标、扩展强度、紧凑度、分形维数对沈阳市建设用地扩展的时空特征、形态特征、扩展模式和机理进行分析。研究结果显示沈阳市建设用地扩展时空分异明显;城市重心整体上向西南方向迁移;城市扩展模式由圈层状转换为沿高速道路放射状、再转换为新城组团式扩展;研究期末城市紧凑度很低,分形维数值很高,表明城市空间形态复杂。自然因素、政策因素、经济因素及交通因素是导致沈阳城市扩展的主要因素。

关键词：城市年轮;城市扩展;遥感;沈阳市
Abstract
Based on the existing urban internal regional structure model and the extension model of urban construction land, this paper proposes an "Urban Annual Ring" model, which places emphasis on analyzing the expansion of construction land in every direction. This model can clearly reflect the growth of urban expansion in all directions, effectively enhance the visualization of urban expansion, and effectively assist us in analyzing the spatio-temporal characteristics and influencing factors of urban expansion. The model of "Urban Annual Ring" consists of city center, growth direction, annual ring unit arc, and annual ring pattern. Because the urban expansion process in China is influenced by the "Five-year Plan" and presents a distinct periodical characteristics, this study, taking Shenyang city as the study region, selecting seven Landsat remote sensing images from end years of "Five-year Plan" from 1985 to 2015, and using the "Urban Annual Ring" mode, analyzes the space-time characteristics, morphological features, expansion patterns and mechanisms of urban construction land expansion in Shenyang in combination of the urban expansion intensity, barycentric coordinates, compact ratio and fractal dimension. The results show that the spatio-temporal characteristics of the construction land expansion in this region was obviously different. The construction land expansion during the 7th "Five-Year Plan" period (1986-1990) in Shenyang was slightly higher than the 8th "Five-Year Plan" period (1991-1995). Then the urban land continued growing and the expansion intensity gradually enhanced. The city center moved towards the southwest on the whole. During the 7th "Five-year Plan" period, it moved slightly towards the northeast, and during the eighth, it moved greatly to the southwest. It moved to the northwest during the 9th and 10th "Five-year Plan" periods (1996-2005). As the expansion for the 10th "Five-Year Plan" period (2001-2005) was more balanced in all directions, the range of movement was minimal. By the 11th and 12th "Five-Year Plan" periods (2006-2015), the city center began to move southwest significantly. The urban expansion mode changed from circle layered to radial along the highway and to the new town cluster type. Till the end of 12th "Five-Year Plan" period (2011-2015), the low urban compact ratio and high fractal dimension value indicated that the urban spatial pattern tended to be complicated. Shenyang should optimize the construction land structure, improve the utilization rate of available construction land, and pay attention to connotative development. Finally, the main factors that influenced Shenyang's urban expansion were natural condition, politics, economy and traffic.

Keywords：urban annual rings;urban expansion;remote sensing;Shenyang

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任启龙, 王利, 韩增林, 徐晓勇, 赵东霞. 基于城市年轮模型的城市扩展研究——以沈阳市为例[J]. , 2017, 36(7): 1364-1376 https://doi.org/10.11821/dlyj201707014
REN Qilong, WANG Li, HAN Zenglin, XU Xiaoyong, ZHAO Dongxia. Research on urban expansion based on urban annual rings: A case study of Shenyang[J]. 地理研究, 2017, 36(7): 1364-1376 https://doi.org/10.11821/dlyj201707014

1 引言

工业革命以来,在经济和人口高速增长背景下,世界城市化进程快速推进。欧美国家城市化开始和完成较早,而中国的快速城市化则始于20世纪改革开放后,诺贝尔经济学奖获得者Stiglitz曾断言中国的城市化将是21世纪影响人类进程的大事。城市扩展是城市化过程最直接的表现形式,是城市空间结构与布局变化的反映,已成为国内外城市发展研究的热点^[1]。对城市扩展进行研究,有助于发掘城市扩张蔓延的内在驱动力,预测城市未来演化趋势,从而制定合理的调控政策及设计科学的城市规划,进而有效地引导和调控城市化的发展,减少城市化过程的资源环境负效应,推动城市的持续健康发展^[2-4]。
1923年Burgess基于均质区域和经济地租机制创立了同心环模型,认为城市扩展也会呈现同心环模式;1939年Hoyt在同心环模型基础上,增加放射性道路的影响,提出扇形模型;1945年Harris等在此基础上增加重工业对城市扩展的影响,提出了更为精细的多核心模型^[5],三种模型成为研究城市扩展的经典理论。此后,Camagni等提出了填充式、外延式、沿交通线扩展式、蔓延式和“卫星城”式5种扩展模式^[6];Wilson等认为城市扩展模式有填充式、扩展式、蔓延式、孤岛式和分支式5种类型^[7];近年来,国外****利用遥感数据对坦帕湾流域^[8]、印度海得拉巴^[9]、埃及Menofya^[10]、尼日利亚大都市乔斯^[11]等地的城市扩展进行了评价分析。国内对城市扩展的研究始于20世纪80年代后期,主要包括城市扩展模式^[12-14]、时空特征^[15-18]、驱动机制^[19-23]、扩展过程模拟^[24-27]等方面。武进将中国城市扩展演变方式分为同心圆式扩展、沿交通放射状扩展、跳跃式组团扩展和低密度蔓延^[28];刘纪远等将城市空间扩展分为填充类型和延伸类型^[29];顾朝林等认为中国城市发展具有从同心圆圈层式扩展形态向分散组团形态、轴向发展形态乃至最后形成带状增长形态的规律^[30]。随着对城市扩展理论研究不断深入,系统动力学、元胞自动机、多智能体、CLUE-S模型等^[23,24,27]被广泛应用到城市扩展研究中,重心法、分形维数、扩张指数、紧凑度等^[4,16,17]成为分析城市扩展的经典方法,逐步回归^[22]、Logistic回归^[12,21]、主成分分析^[31]等方法用来分析城市扩展的驱动因素,经济、人口、交通、政策等被认为是城市扩展的重要驱动力。
从国外的研究趋势可以看出,受近期大规模城市化集中在发展中国家影响,城市扩展研究主要以发展中国家的城市为研究对象;遥感数据以其准确获取多时段信息的特性已成为城市扩展时空特征分析的重要信息源。国内对城市扩展研究的成果丰硕,针对时空特征的研究在以下两方面略显不足：一是现有研究在时段划分上没有与五年规划相结合,新中国建立以来,中国已完成了十二个五年计划（“十一五”起改为规划）,中国城市扩展过程受到五年计划（规划）影响呈现出明显的阶段特征;二是现有研究尚未提出城市扩展的“城市年轮”概念及模型。基于此构建“城市年轮”模型,并以沈阳市为研究区,利用Landsat遥感影像提取沈阳市1985-2015七个五年计划（规划）期末时段的城市建设用地,结合城市重心坐标、扩展强度、紧凑度、分形维数对城市扩展的时空特征、形态特征、扩展模式和驱动机理进行分析。本文在理论上是城市扩展研究的延伸和补充,实践上可为沈阳市城市建设相关政策制定提供参考。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究区概况

沈阳市是中国的重工业基地、国家特大型城市,东北地区经济、文化、科技、创新中心,辽宁中部城市群、沈阳经济区的核心。在国家新一轮东北振兴战略带动下,沈阳市正努力将其建设成为具有重大影响力和支撑作用的国家区域中心城市。沈阳市位于辽河平原上,改革开放前城市已初具规模,受城区内环路影响,沈阳市以老城区为中心向外扩展。在过去的30年里,受改革开放和振兴东北战略影响,沈阳市经济、人口高速增长,城市建设用地大规模增加,并呈现明显的“年轮”特征,因此选择沈阳作为研究区,非常具有典型性。针对沈阳市的典型研究^[31-36]可为本文提供依据。
《城市规划基本术语标准（GB/T50280-98）》规定：“城市建成区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”。城市在向外扩展过程中,城市建成区扩展部分应包括两部分,一是新增建设用地,二是原有零散建设用地与建成区连成一体。为更接近现实的分析城市建设用地扩展过程,以2015年沈阳市辖区范围内的建成区为研究范围,解译并提取此范围下的历年建设用地分布。因此得到的沈阳市建设用地变化过程为建成区用地扩展和周边小城镇及农村居民点用地转化为建成区用地的过程。

2.2 “城市年轮”模型

同心环模型、扇形模型、多核心模型等研究了城市在各因素作用下的土地利用结构;填充、外延、蔓延、“卫星城”等扩展模式反映了新增城市用地与原有建设用地间的空间关系。由于城市扩展过程中影响因素在各方向上具有差异性,导致各方向建设用地增长不同,现有城市扩展研究中缺少针对扩展方向的模型,有待提出关注城市扩展方向增量的模型。城市扩展过程中在城市周边不断新增建设用地,如同树木生长的年轮,尤其以老城区为中心向四周扩展时年轮特征会更明显,由此提出并构建“城市年轮”模型,“城市年轮”模型由城市重心、扩展方向、年轮单元弧、年轮形态等构成。
城市重心,即城市建设用地的几何平衡点。城市最初形成时一般围绕区域行政中心、交通中心等扩展,受城市内部结构和扩展驱动力差异影响,各个方向上的不均衡扩展导致城市重心与中心分离,并随着城市的扩展,重心发生迁移。城市重心的移动反映城市在这一方向上或其合力方向上增长要高于其他方向。因此通过不同时期城市重心的迁移情况,可分析城市空间变化规律。城市重心采用城市重心坐标计算法^[3],计算公式如下：
Xi=∑j=1n(Cij×Xj)∑j=1nCij（1）
Yi=∑j=1n(Cij×Yj)∑j=1nCij（2）
式中：X_i、Y_i分别为第i年城市重心的经度、纬度;C_ij为i年第j块图斑的面积;X_j、Y_j分别为第j块图斑几何重心的经度、纬度。
扩展方向,为城市围绕即定城市重心增长的方向。根据需要可设定4方向、8方向或16方向。具体方向的描述可采用对应的方位词进行描述,如东、东北。16方向采用方位词进行描述相对复杂,因此可采用象限进行描述,以正北方向为第1象限,顺时针划分16个象限。扩展方向划分细致有利于精确地刻画城市扩展的方向特征。
年轮单元弧,为可视化表征城市各方向扩展的速度和数量的单位圆环弧段。每个年轮单元弧具有相等的面积,可设置1 hm²、1 km²作为基本单位。圆环弧离城市重心越远,圆环弧段长度增加,环半径减小。
年轮形态,包括城市年轮的基圆、基础形态、扩展形态和最终形态。体现在年轮上的城市扩展基期面积形态为城市年轮的基础形态;以基础形态在各扩展方向上的最小年轮单元数为半径形成的圆称为基圆;某一时段城市在各扩展方向上的增长面积称为城市年轮的扩展形态;基础形态和各时段的扩展形态构成城市年轮的最终形态。
基于以上要素,以初始年份城市重心为圆心,构建“城市年轮”图,如图1所示。为进一步增强城市扩展的可视化,可采用城市扩展面积累积雷达图进行辅助表达。
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图1城市年轮基本概念图
-->Fig.1Concept map of the urban annual rings
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在形态上,“城市年轮”模型与同心环模型、圈层式扩展有很大的相似,同心环模式主要探讨城市地域内部的地域结构,即土地利用结构;圈层式扩展则指新增建设用地在原有用地外侧增长,属于新增建设用地与原有建设用地间关系的一种;“城市年轮”模型侧重各方向上建设用地扩展数量。通过“城市年轮”模型,能有效增强城市扩展的可视化,清晰体现城市扩展在各方向上的增长,利于城市扩展的时空特征分析;通过查找各方向上影响城市扩展的因素,分析城市扩展过程中的时代特征,重现城市化历程和扩展机理,还可探讨城市扩张的合理性,以及对政府决策的科学性进行评价;将“城市年轮”模型与扩展模型及扩展模式结合,可细化城市扩展的相关研究。
“城市年轮”模型最适合应用于以老城区为中心向四周扩展的城市。因此以“城市年轮”模型为基础,引入城市扩展强度、紧凑度和分形维数^[31]对沈阳市城市扩展的时空特征进行实证分析,并探讨沈阳市城市形态演变的影响机理。
（1）城市扩展强度,表示单位时间内城市用地面积变化的幅度,用于定量地表达城市扩张的程度及速度,计算公式为：
R=Uj-UiUi×1T×100%（3）
式中：R为城市扩展强度;U_j为研究末期城市用地面积;U_i为研究初期城市用地面积;T为间隔时间。
（2）紧凑度,是反映地物形状的参数,用于表征城市用地扩展的空间特征。计算公式为：
c=2πAtPt（4）
式中：c为紧凑度;A_t、P_t分别为第t年城市斑块的面积和周长。c值为0~1,其值越大,表明城市的紧凑性越好,反之越差。圆是最紧凑的形态,其紧凑度为1。
（3）分形维数,用于描述城市边界形状的曲折性和复杂程度。其表达式为：
St=2lnPt4ln(At)（5）
式中：S_t为第t年城市斑块的分形维数;A_t、P_t分别为第t年城市斑块的面积和周长。分形维数值的理论范围为1~2,当S_t=1.5时,表示城市形态处于随机分布状态;当S_t>1.5时则表示城市形态趋于复杂,数值越大表示城市形态越复杂。

2.3 数据来源与处理

本文以五年计划（规划）时段为背景,选取1985年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015七期五年计划（规划）期末年份的Landsat遥感影像数据。在保证数据符合分析要求和可获得前提下,尽可能选取植被生长茂盛时段的影像,影像信息见表1。2000年影像为ETM+传感器数据,2015年影像为OLI传感器数据,可通过融合获取15 m分辨率彩色合成影像。其他时段遥感影像为TM传感器数据,分辨率为30 m。1985年影像数据条带号为128/031,其他年份影像数据条带号为119/031。
Tab.1
表1
表1Landsat遥感数据信息
Tab.1Remote sensing data of Landsat

年份	日期	卫星	传感器类型	条带号	分辨率(m)
1985	1985-06-04	Landsat 5	TM	128/031	30
1990	1990-10-08	Landsat 5	TM	119/031	30
1995	1995-09-04	Landsat 5	TM	119/031	30
2000	2000-09-09	Landsat 7	ETM+	119/031	30/15
2005	2005-10-17	Landsat 5	TM	119/031	30
2010	2010-08-12	Landsat 5	TM	119/031	30
2015	2015-07-09	Landsat 8	OLI	119/031	30/15

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基于ArcGIS平台对影像进行几何校正、研究区裁剪,并基于人机交互监督分类及NDBI、NDVI指数提取研究区建设用地。将提取的建设用地赋值到已建立好的120 m×120 m矢量格网中,结合谷歌地球历年高分辨率影像,对分类不理想区域进行人工校正,将沈阳北陵公园和机场用地归入城区建设用地,城市内公园绿地调整为城市建设用地,沿江公园归入非建设用地。同时对获得的各年份建设用地进行纵向时间上的比对和校正,从而得到精度理想的各年份建设用地数据,如图2所示。采用第一次土地利用调查数据与沈阳市1995年影像提取数据对比,将第二次土地利用调查数据与2010年影像提取数据对比,提取的沈阳城区建设用地准确比例均达到91%以上,说明本文提取的数据具有很高的可信度。
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图2沈阳市各方向建设用地扩展及城市重心迁移放大图
-->Fig.2The enlarged drawing of construction land expansion toward all directions and city center migration of Shenyang
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3 沈阳市时空扩展的特征与演进

3.1 沈阳市扩展的时段特征

1985-2015年的30年间,沈阳市建设用地面积由293.93 km²增加到693.50 km²,增长了2.5倍,年均增长13.99 km²,扩展强度指数为5.11%。1985-1990年,为中国的第七个五年计划期,沈阳建设用地增加42.45 km²,扩展强度指数为3.10%,“七五”期间建设用地扩展强度较高。1990-1995年,为中国的第八个五年计划期,建设用地增加41.41 km²,扩展强度指数为2.62%,“八五”期间建设用地扩展面积略低于“七五”。1995-2000年,为中国的第九个五年计划期,建设用地增加50.87 km²,扩展强度指数为2.84%,“九五”期间建设用地扩展面积和扩展强度指数开始回升。2000-2005年,为中国的第十个五年计划期,建设用地增加59.30 km²,扩展强度指数为2.90%。“九五”和“十五”时期建设用地面积扩展速度持续增长,均高于“七五”期间增长值,但扩展强度指数均低于“七五”值。2005-2010年,为中国的第十一个五年规划期,建设用地增加87.02 km²,扩展强度指数为3.72%。“十一五”期间建设用地扩展提速,扩展强度也远高于“七五”值。2010-2015年,为中国的第十二个五年规划期,建设用地增加138.51 km²,扩展强度指数为4.99%,沈阳市建设用地扩展进入高速增长阶段。“十二五”期末,蒲河新城、浑南新区及苏家屯区有大面积区域基本路网建设完成,由此推断沈阳市城市扩展速度在“十三五”规划期仍将高速增长。

3.2 基于城市年轮的时空扩展特征

为更清晰地分析沈阳市扩展规模与强度特征,构建沈阳市1985-2015年“城市年轮”。选取1985年城市重心为圆心,以正北方向为第1象限,顺时针划分16个象限作为扩展方向,采用1 km²为年轮单元弧的基本单位,根据1985年建设用地在各扩展方向上的面积数,设定基圆半径为10个年轮单元弧,将各年份建设用地扩展量绘制到年轮图上,得到沈阳市1985-2015年期间的“城市年轮”图（图3）。为进一步增强城市扩展的可视性,采用建设用地扩展累积雷达图进行辅助表达（图4）。
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图3沈阳市城市年轮图
-->Fig.3The urban annual ring of Shenyang
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3.2.1 基础形态分析 1985年城市建设用地形态为“城市年轮”的基础形态。表现为以东北方向为主的第1象限~第5象限方向、第10象限方向和西方的第11象限~第13象限方向基础形态面积较大。第4象限建设用地面积为26.68 km²,是基础形态中面积最高的区域。第10象限方向建设用地面积为26.01 km²,为苏家屯区所在的方向,因此基础形态面积较大。第12象限方向为铁西工业区所在方向。基圆面积为160 km²,第15象限、第16象限方向为基圆全覆盖区。1985年城市重心坐标为（123°24′32″E,41°47′53″N）,位于中山广场和八一公园之间的区域,与沈阳市政府仅相距1.5 km。
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图4沈阳市城市扩展累积雷达图
-->Fig.4The cumulative radar chart for urban expansion of Shenyang
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3.2.2 扩展形态分析 1985-1990年,“七五”期间城市建设用地增长集中在城市边缘区,增长明显的方向为东北方向和西南方向。东北方向上以第3象限为主,为“七五”期间增长最快的方向,建设用地增加5.92 km²。西南方向以第12象限为主,增长速度仅次于第3象限,建设用地增加5.41 km²,与铁西工业区的扩大及沈阳经济技术开发区创建密切相关。第8象限受沈阳高新技术产业开发区始建和桃仙国际机场修建带动增长较快,建设用地增加了4.28 km²。“七五”期间城市重心向东北移动,偏移距离为0.08 km。迁移幅度较小,表明各个方向上相对均衡。
1990-1995年,“八五”期间城市建设用地增长以第12象限和第10象限方向增长明显。12象限增长最快,建设用地增加6.20 km²。在第12象限和第13象限方向上,城市边缘区已规划修建大面积的基础路网,在下一阶段这一区域将大面积建设。10象限方向建设用地增长仅次于第12象限,建设用地增加5.28 km²。这一时期苏家屯区建设面积扩张明显,长白岛、满融地区的建设使建成区与苏家屯区之间增加大量建设用地。第1象限受道义经济开发区获批建设影响建设用地有明显增长,第8象限受沈阳高新区带动建设用地也有明显增长。“八五”期间城市重心向西南移动,偏移距离为0.32 km,迁移幅度较大。
1995-2000年,“九五”期间城市建设用地增长以西方和北方增长明显。西方表现为第13象限和第12象限,其中第13象限建设用地增加了6.34 km²;第12象限建设用地增加了5.44 km²。北方表现在第1象限、第2象限、第16象限方向,第1象限受道义经济开发区建设及大学城建设带动建设用地扩展提速,建设用地增加5.24 km²;第2象限以城市近郊房地产建设和虎石台经济区的建设带动,建设用地增加了4.65 km²;第16象限主要是以荷兰村为代表的大规模房地产建设。“九五”期间城市重心向西北移动,迁移距离为0.27 km。
2000-2005年,“十五”期间建设用地的增加表现在多个方向上。第12象限方向上,2002年铁西新区成立,并开始铁西工业区整体搬迁改造,2003年沈阳出口加工区设立,使这一方向建设用地增加了8.57 km²,成为建设用地增加最多的方向。第3象限方向在辉山农业高新技术开发区带动下,建设用地增加了8.06 km²。“十五”期间,沈阳市制定在高新区基础上全面开发建设浑南新区的重大战略决策,沈阳建成区跨越浑河,浑河以南的区域开发由点状或块状分布逐步与主城区形成一体,并与苏家屯区初步联通。此外虎石台职教城建设（第2象限）,汪家街道建设（第5象限）,都使相应方向上建设用地面积增加明显。“十五”期间城市重心继续向西北移动,迁移距离为0.05 km,幅度最小。
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图5沈阳市城市紧凑度
-->Fig.5Urban compact ratio of Shenyang
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2005-2010年,“十一五”期间建设用地增长以西南、东北和正南方向上增长明显。第12象限受铁西新区带动建设用地扩展迅速,增加了14.54 km²。蒲河新城管理委员会的组建拉开了沈北大开发的序幕,带动东北方向建设用地明显增加,其中第3象限建设用地增加了8.52 km²。苏家屯城区与浑南新区建设速度加快,第8象限、第9象限、第10象限方向建设用地明显增长。此外,道义经济开发区（第1象限）有大面积基础道路规划建设,为下一时段建设用地扩展提速奠定基础。“十一五”期间城市重心开始向西南大幅度移动,迁移距离为0.37 km,迁移幅度较大。
2010-2015年,“十二五”期间城市扩展以南、西南和东北方向最为明显,浑南新区围绕十二运场馆建设,承接沈阳市政府南迁等项目建设速度前所未有,浑南新区与苏家屯城区连成一片,其中以第9象限建设用地增长最快,增加了18.78 km²。西南方向对应第12象限,以工业用地的扩张为主,建设用地增加了18.49 km²。东北方向上蒲河新城大规模建设,以第3象限建设用地增长最快,主要为城市外围的工业用地增长,增加了13.62 km²。“十二五”期间城市重心保持大幅度的向南方向移动,迁移距离为0.41 km。
3.2.3 最终形态分析 1985-2015年,第12象限为建设用地面积增长最高的方向,建设用地增加58.65 km²,年均增长1.96 km²,扩展强度指数为8.64%。受基础形态面积影响,第9象限为扩展强度指数最高的方位,建设用地增加35.15 km²,年均增长1.17 km²,扩展强度指数为10.65%。西北和东南方向上扩展缓慢,其中第15象限建设用地增长最少,为10.83 km²,年均增长0.36 km²,扩展强度指数为3.63%。研究期内沈阳城市重心整体上向西南方向移动,迁移距离为0.93 km。“十二五”期末（2015年）,第12象限建设用地面积最高,为81.28 km²;第3象限其次,为60.93 km²;第10象限次于第3象限,为59.93 km²。第15象限建设用地面积最少,为20.76 km²,第6象限、第7象限、第11象限建设用地面积较少,沈阳市的城市年轮最终形态呈“蝴蝶结”状。

3.3 沈阳市时空扩展形态演变

紧凑度和分形维数是表征城市扩展形态演变的重要指标,其总体变化趋势及各时段波动情况都能反映出城市形态的演变特征。由于本文的建设用地基于遥感影像信息提取,斑块相对零散,因此计算得到的城市紧凑度数值很小,分形维数数值很高;也由于选取的研究区域由早期诸多小城镇地块演变为最终的沈阳市建成区,这一过程是紧凑度升高、分形维数降低的过程。城市紧凑度和分形维数总体呈现下降（图5、图6）,表明沈阳市建设用地内部利用效率在降低。1985沈阳市建设用地紧凑度为0.042,分形维数为2.08。1985-1990年,沈阳市城市扩展主要在近郊,因此城市的紧凑度大幅度升高,分形维数大幅度降低。1990-1995年,城市的紧凑度大幅下降,分形维数对应升高,一方面由于“八五”期间在城市周边的开发区初具规模;另一方面由于本文提取的建设用地包括三环路,因此导致建设用地紧凑度降低,分形维数升高。1995-2000年,沈阳市的近郊建设用地的扩展明显,以及周边开发区的扩展使城市紧凑度呈现升高,分形维数对应降低。2000年以后,城市扩展以新城建设、开发区建设为主,因此城市的紧凑度逐年降低。2000-2005年,在沈阳市北部和西部有多条基础路网建设,因此分形维数升高,此后分形维数呈下降趋势。“十二五”期末（2015年）,沈阳市建成区的紧凑度值为0.038,分形维数为1.96,可以得出沈阳市的城市形态复杂,形状很不规则。沈阳市应注重内涵式发展、优化现有建设用地结构、提高现有建设用地利用率、补齐边界区域,从而提升城市服务职能效率。
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图6沈阳市分形维数
-->Fig. 6Fractal dimension of Shenyang
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3.4 沈阳市时空扩展模式演变

根据沈阳市建设用地空间扩展的时空特征和形态演变分析,沈阳市时空扩展模式由圈层状扩展到沿高速道路放射状扩展、再到新城组团式扩展。1985-1990年,沈阳市城市的扩展以近郊填充为主,受老城区形态影响呈圈层状扩展。1990-1995年,开发区作用对城市扩展影响逐渐凸显,建设用地在高速及国省道周边增加明显,表现为外延型扩展。1995-2000年,沈阳市的建设用地的扩展以填充为主兼外延式扩展,逐渐形成沿交通轴向外呈放射性扩展的格局。2000-2015年,城市扩展以新城建设、开发区建设为主,城市扩展转为新城组团式扩展。

4 沈阳市城市年轮演变的机理分析

4.1 自然因素

自然地理环境是城市扩展的基础条件^[13]。自然因素影响着城市的形成和发展,对城市扩展的趋势和形态特征起到决定性作用。影响沈阳市城市扩展的自然因素主要包括地形因素和河流因素。沈阳市建在辽河平原上,四周地势平坦,仅东北方向有低缓丘陵,浑河位于城市南部。优越的自然因素有利于沈阳市早期以老城区呈圈层状扩展,后期扩展受到低缓丘陵限制,福陵以东以卫星城的形式扩展,扩展模式改变。浑河为沈阳的形成和扩展做出了积极贡献,建造城池、宫殿的材料大多依靠浑河运抵沈阳;随着现代交通的兴起和浑河航运的衰落,浑河成为城市扩展过程中阻隔交通的限制因素,也因此浑河南岸发展相对缓慢,直到2000年以后沈阳市提出“大浑南,新沈阳”战略,修建了多条跨河大桥,浑河对城市扩展的阻隔作用才逐渐降低;随着对浑河两岸全方位的改造,浑河成为集观光、游览、休闲、娱乐于一体的内河景观带,积极带动两岸大规模的房地产开发,再次带动城市扩展。

4.2 政策因素

五年计划（规划）是未来五年经济社会发展和城市建设发展的行动纲领,融合了国家战略及城市规划等多项政策,通过制定区域政策、调整行政区划和设立开发区等多种手段调控区域基础设施、产业居住生活布局,是城市扩展的主要政策驱动力。从沈阳市城市扩展历程看,沈阳市在“七五”和“八五”期间积极控制中心城区规模,限制了沈阳市建成区的扩展,但受改革开放经济高速增长带动,“七五”时期仍保持了很高的增长速度。因此“八五”时期提出“防止中心城区的进度膨胀”政策,有效降低了沈阳市建设用地的扩展速度。“九五”时期,政府对城市扩展的限制逐渐减小,且国家允许土地使用权依法转让,沈阳市提出了分散组团式布局,积极发展副城（沈阳市经济技术开发区、苏家屯、虎石台、辉山）和组团（汪家、道义）的政策,受政策引导城市扩展开始提速。“十五”时期国家提出东北老工业基地振兴战略,沈阳市启动三环路建设、铁西工业区更新改造、北部大学城建设、东部汽车城建设、全面开发浑南新区等重大战略,带动了城市空间高速扩展。“十一五”规划中明确提出“拓展发展空间”,提出沈抚同城化、沈本一体化、沈阳经济区一体化等区域合作战略,并进行了大规模的行政区划调整,以及在国家投资的刺激带动下,积极推进基础设施建设,沈阳市建设用地扩展明显加速。“十二五”规划提出“不断完善基础设施,扩大城市规模”“以浑南新区和苏家屯区为载体,围绕承接城市重心南移,建设城市空间和功能完善拓展区”,及建设铁西产业新城、蒲河新城、浑河新城和永安新城等,在政策引导下四环快速路建成、十二运场馆修建、沈阳市政府南迁,城市用地扩展速度进一步提升。因城市规划对城市扩展的指导作用已体现在五年计划（规划）的制定和实施中,因此不再赘述。
在城市扩展过程中,开发区的设立对城市用地扩展起到积极作用,改变了城市的环状扩展模式,使城市扩展模式向沿道路及组团式扩展转变。沈阳经济技术开发区、沈阳出口加工区、高新技术产业开发区、道义经济开发区、虎石台经济开发区、辉山农业高新技术开发区等开发区的创立,使相应方向上建设用地增长迅速。

4.3 经济因素

为探究沈阳市城市年轮演变机理,以沈阳市1985-2015年的建成区面积为因变量（Y）,选择城区总人口（X₁）、国民生产总值（X₂）、基本建设投资（X₃）、外资利用额（X₄）、二产占比(X₅）、三产占比（X₆）、社会固定投资额（X₇）为自变量进行逐步回归分析,得出：
Y=0.815X2+0.213X6－0.009（6）
R²为0.993,并通过0.1水平下的显著性检验。即经济增长和第三产业的发展是沈阳市建设用地扩展的主要驱动力。在城市化过程中,经济增长会带动实际收入和城市建设投资的增加,促使城市空间扩展。作为我国东北地区的经济核心城市,沈阳市经济发展迅速,1985年沈阳国民生产总值为104.7亿元,至2015年国民生产总值增长到7280.5亿元。高速发展的经济为城市扩展提供资金保障。
沈阳是中国的老工业基地,工业企业的发展是改革开放前沈阳市城市空间扩展的主要因素^[32]。改革开放后,沈阳注重产业结构的升级,积极发展第三产业,推动工业城市向现代化大都市的转变,由此带动沈阳城区扩展。1985年沈阳三产占比为30.4%,至2015年沈阳三产占比升至47.3%,相对于工业城市,三产占比提升很大。为实现沈阳市城市职能的转变,沈阳市注重打造中心城区的中央商务区,推动优质房地产开发,不断优化中心城区的空间结构;积极建设高新技术产业区、浑南大学城和沈北大学城,提升沈阳市的产业结构和培养创新人才;对铁西等老工业区实施搬迁改造,腾笼换鸟将老工业区转为优质住宅商贸区,原有企业通过外迁完成升级,从而进一步扩大了建成区范围。

4.4 交通因素

交通基础设施的建设可加快人员、物资流通速度、提高资源配置效率。交通干线对城市扩展具有显著的牵引导向作用。沈阳市一环路可追溯到1932年,以及二环路的修建为沈阳市以中心城区向外呈圈层扩展奠定基础。1995年沈阳三环高速路的修建与7条高速公路形成“一环七射”骨架路网格局,以及9条放射状国、省干线奠定了沈阳环状放射结构的城市格局,而2010年四环路及快速轨道交通的建设则有效推动沈阳外围新城建设,促进沈阳市以中心城区向外组团式扩展。14座跨浑河大桥的修建,加快了浑河以南地区开发。尽管桃仙国际机场与主城区在空间上有一定距离,但机场的开放,对沈阳市区域基础设施和配套设施完善,产业布局及城市功能完善起到积极的促进作用。城区内部的优越的通勤环境也为城市扩展提供保障。

5 结论与讨论

基于现有城市内部地域结构模型及建设用地扩展模式,提出侧重各方向上建设用地扩展数量分析的“城市年轮”模型。构建的“城市年轮”模型由城市重心、扩展方向、年轮单元弧、年轮形态等构成。“城市年轮”模型最适合应用于以老城区为中心向四周扩展的城市。通过“城市年轮”模型,能有效增强城市扩展的可视化,清晰体现城市扩展在各方向上的增长,利于城市扩展的时空特征分析;通过查找各方向上影响城市扩展的因素,发现城市发展过程的时代特征,重现城市化历程和扩展机理,还可探讨城市扩张的合理性,以及对政府决策的科学性进行评价。
以沈阳市为实证进行了城市扩展的时空特征、形态特征、扩展模式和扩展机理分析,分析得到的城市用地时空扩展特征及扩展模式分析与已有研究^[31,34,36]一致,证明基于“城市年轮”模型分析的可实现性,研究得到的各时段“城市年轮”特征变化明显,表明以五年计划（规划）为时段划分依据研究城市扩展的合理性。遥感数据以其连续性强、方便获取的特性能有效支撑以五年计划（规划）为时段划分的数据要求,为分析城市扩展变化特征提供可靠的数据保证。
分析发现,1985-2015年沈阳市城市建设用地增长“七五”略高于“八五”时期,而后持续增加,扩展强度逐渐增强。各时段扩展的空间特征分异明显,“七五”城市重心向东北方向小幅度移动,“八五”时期向西南方向较大幅度移动。“九五”和“十五”向西北方向移动,“十五”期间各方向的扩展较均衡,因此移动幅度最小。“十一五”和“十二五”期间城市重心开始大幅度向西南移动。城市扩展由圈层状扩展到沿高速道路放射状扩展、再到新城组团式扩展。至“十二五”期末城市紧凑度较低,分形维数处于高值区,表明城市空间形态复杂。通常认为人口增加带动城市扩展,本文通过逐步回归分析发现人口增长并不是带动沈阳市扩展的主要驱动力,已有研究^[31]对沈阳市城市扩展弹性系数的计算结果,可以佐证本文结论。因此影响沈阳市扩展的主要因素为自然因素、政策因素、经济因素及交通因素。
The authors have declared that no competing interests exist.

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参考文献文献选项 原文顺序
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