山东省城市扩张与形态多中心性演化（2000-2020年）：来自长期夜间灯光数据的证据

《Sustainability》：Urban Expansion and the Evolution of Morphological Polycentricity in Shandong Province, China, 2000–2020: Evidence from Long-Term Nighttime Light Data

　　

快速的城市扩张重塑了城市形态和区域城市体系的空间组织。然而，省级尺度的研究很少整合扩张动态、形态变化和形态多中心性的演化，同时相关因素的阶段性变化仍未得到充分理解。本研究考察了2000年至2020年中国山东省的16个地级市，以量化城市扩张和形态变化，评估形态多中心性和城市规模等级，并评估与新增建设用地相关的阶段性因素。使用统计约束二分阈值法从中国长时间序列人工夜间灯光数据集（PANDA-China）中提取建设用地，并对照独立的土地覆盖产品进行评估，随后进行补充的空间、形态、等级-规模和地理探测器（GeoDetector）分析。结果表明，山东省建设用地面积从1912.10 km²增加到5646.04 km²，而年化扩张率从7.09%/年下降到4.14%/年，尽管2010年后绝对扩张持续较高。主导的东北-西南轴保持稳定，而城市形态变得不那么紧凑且更加复杂。次级建设用地节点加强，而济南和青岛保持其主导地位，表明在持续的双核结构内形态多中心性增强。地理探测器揭示了一个时间转变：从2000-2010年GDP的更高显著性转向2010-2020年更强的人口和道路关联性。初始建设用地密度仍然是解释力最强的因子，且因子交互作用始终超过单个因子的解释力。这些发现阐明了城市扩张的阶段依赖性演化，并支持差异化的土地管理和协调的区域发展。

**研究背景与问题**
城市扩张不仅增加建设用地面积，还重塑城市形态和区域城市体系的空间组织，这与土地利用效率和城市发展的空间布局密切相关。全球范围内快速城市扩张持续转化农业和自然土地，加剧有限土地资源的竞争。在中国，建设用地近几十年来大幅扩展，但速度、空间格局和土地利用效率在区域和城市间差异显著。随着中国城镇化从快速土地扩张转向更高质量和更高效的发展，仅测量建设用地增长量已不足，需要更关注长期扩张如何改变城市形态和区域城市体系的空间组织。然而，现有省级尺度的研究很少同时整合扩张动态、形态变化和形态多中心性（morphological polycentricity）的演化，且对相关因素的阶段性变化理解不足。山东省作为中国东部沿海省份，经历了快速城镇化，且内部沿海与内陆地区存在显著空间差异，为研究长期城市扩张和形态多中心性演化提供了理想案例。

**研究内容与结论**
研究人员利用长期夜间灯光（nighttime light, NTL）数据，分析了山东省16个地级市2000-2020年城市扩张和形态多中心性的演化。结果表明，建设用地面积从1912.10 km²增至5646.04 km²，年化扩张率从7.09%/年降至4.14%/年，但2010年后绝对扩张仍保持高位。主导的东北-西南空间轴稳定，但城市形态变得不再紧凑且边界更复杂。次级建设用地节点（如淄博-潍坊、烟台、济宁、临沂）加强，而济南和青岛保持主导地位，表明在持续双核结构内形态多中心性增强。地理探测器（GeoDetector）分析显示，2000-2010年GDP解释力最高，而2010-2020年人口密度和道路密度解释力增强，初始建设用地密度始终是解释力最强的因子，且因子交互作用远超单个因子。这些发现支持差异化土地管理和协调区域发展。论文发表在《Sustainability》。

**主要关键技术方法**
研究人员采用以下关键技术方法：
1. **数据来源**：基于中国长时间序列人工夜间灯光数据集（PANDA-China，1 km分辨率），提取2000-2020年五个基准年的建设用地，并使用官方统计面积进行约束（统计约束二分阈值法）。空间一致性评估采用三个独立土地覆盖数据集（CLCD、GlobeLand30、CNLUCC）。
2. **空间分析**：包括标准偏差椭圆（SDE）分析主导方向与重心迁移；扩张规模与速度指标（扩张量、年均扩张量、年化扩张率、城市扩张强度指数）；景观扩张指数（LEI）及面积加权平均扩张指数（AWMEI）表征扩张模式；分形维数和紧凑度指数表征形态。
3. **形态多中心性评估**：采用核密度估计（KDE，搜索半径50 km）识别建设用地空间集中度；等级-规模法则（Zipf指数）刻画城市规模等级。
4. **因子分析**：利用地理探测器（GeoDetector）量化七因子（道路密度、人口密度、GDP、初始建设用地密度、坡度、第二产业比重、财政支出强度）对新增建设用地空间分异的解释力及交互作用。样本队列为山东省16个地级市。

**研究结果**
**3.1 扩张方向与重心迁移**
SDE分析显示，2000-2020年建设用地空间分布保持东北-西南主导方向（方位角63.93-66.37°），长轴增大约7.16 km，短轴略减。重心经历东南、东北、西南方向交替迁移，2020年重心较2000年向西南偏移约8.23 km，表明空间结构稳定但重心向西南移动。

**3.2 扩张规模与速度的时空差异**
建设用地总面积从1912.10 km²增至5646.04 km²，累计增加3733.94 km²。年均扩张量（AGRa）在2010年后持续高于207 km²/年，而年化扩张率（AGRs）从7.09%/年降至4.14%/年。城市间差异显著，青岛、济南、烟台贡献了全省43.55%的增量，而滨州、菏泽等城市相对增长更快。

**3.3 扩张模式与城市形态演化**
AWMEI（面积加权平均扩张指数）在时间上波动（均值32.06-35.33），无单调趋势；青岛在2015-2020年达最高值50.85。紧凑度整体下降（均值0.405降至0.291），分形维数上升（1.351升至1.397），表明形态更分散、边界更复杂。但青岛在后期AWMEI升高时紧凑度也上升，而济南AWMEI升高但紧凑度继续下降，显示扩张模式与累积形态变化不同步。

**3.4 形态多中心性与城市规模等级演化**
KDE显示，2000-2020年建设用地从双核（济南、青岛）向更多节点演变，淄博-潍坊、烟台、济宁、临沂等次级节点加强，沿济南-淄博-潍坊-青岛轴线空间连续性增强。等级-规模分析中，Zipf指数从0.7684降至0.7075（2020年），表明城市规模梯度趋平，但济南、青岛仍居主导，且回归斜率无统计学显著差异，提示形态多中心性在持续双核结构内增强，主要由次级节点发展驱动。

**3.5 城市扩张解释结构的时间转变**
地理探测器结果显示，2000-2010年，GDP解释力最高（q=0.0994，除初始建设用地密度外），其次为道路密度（0.0757）和人口密度（0.0740）；2010-2020年，人口密度升至0.1250，道路密度升至0.1020，GDP降至0.0862。初始建设用地密度始终最强（q从0.2296升至0.2481）。交互作用中，道路×人口密度在后期成为最强组合（q=0.207），而GDP相关交互作用下降。多数因子交互作用呈非线性增强，但后期双变量增强比例增加。

**讨论与结论**
讨论部分指出，山东省城市扩张并非简单减速，而是相对增长放缓与绝对扩张持续并存，且城市间差异显著。形态变化中，扩张模式与累积形态不同步，次级节点加强但双核结构稳定，表明形态多中心性增强主要源于次级中心发展而非核心弱化。解释结构的时间转变反映从经济驱动向人口-道路关联的过渡，初始建设用地密度始终提供空间背景。这些发现支持差异化土地管理：主要城市需关注城市更新与空间整合，而快速相对增长城市应评估人口和产业吸收能力。未来研究可结合更高分辨率数据及功能流数据以深化理解。

**研究结论**（翻译自原文5. Conclusions）
本研究考察了2000年至2020年山东省16个地级市城市扩张和形态多中心性的长期演化。建设用地从1912.10 km²增加到5646.04 km²，而年化扩张率从7.09%/年下降到4.14%/年。尽管如此，2010年后的年绝对扩张量仍然很高，表明从快速比例增长转向基于更大城市规模的持续大规模扩张。主导的东北-西南空间轴保持稳定，而紧凑度下降和分形维数增加表明城市形态日益分散和复杂。在区域尺度上，次级建设用地节点（淄博-潍坊、烟台、济宁、临沂）增强，而济南和青岛保持其主导地位。结合更平坦的城市规模梯度，这些变化表明在持续双核结构内形态多中心性增强。地理探测器结果进一步揭示了与新增建设用地相关因素的变化：2000-2010年GDP解释力更强，而2010-2020年人口密度和道路密度更突出。初始建设用地密度在两个时期均为最强因子，且因子交互作用始终提供比单个因子更强的解释力。总体而言，山东省城市扩张以增长步伐、城市形态、区域等级和相关空间条件的同步变化为特征。这些发现支持差异化土地管理、更高效利用现有城市空间以及加强城市间的功能协调。