大城市邊緣物質(zhì)空間擴展格局及其趨勢研究

高青 劉思宇 程曉宇 李芷傲

摘 要：針對大城市邊緣物質(zhì)空間的演化研究，以武漢市光谷地區(qū)為例，運用基于知識的土地利用分類方法，利用ENVI與ArcGIS分析了武漢市光谷地區(qū)的物質(zhì)空間，結(jié)果表明：（1）從2013—2017年武漢市光谷地區(qū)的低矮建筑的用地面積整體上呈減少的趨勢，建設(shè)用地、高層住宅以及高層商業(yè)樓呈逐年增加的趨勢。（2）從2013—2017年，高層商業(yè)樓從光谷轉(zhuǎn)盤周圍，沿著交通要道進行擴張；高層住宅樓也主要從光谷轉(zhuǎn)盤向四周擴張，從2014年開始部分的高層住宅樓周圍出現(xiàn)了高層商業(yè)樓；2013—2017年，整體來說建筑用地從東部向西部進行擴張，2015年與2017年西部開發(fā)較完善，東部出現(xiàn)大量建設(shè)用地。（3）從2013—2017年建設(shè)用地主要是在光谷地區(qū)西部發(fā)生了用地的轉(zhuǎn)變；高層住宅和高層商業(yè)樓都主要是在光谷地區(qū)西部發(fā)生變化，且都主要在光谷大轉(zhuǎn)盤四周以及沿著珞瑜路、礪志路、魯磨路、珞雄路、民族大道等主要交通要道發(fā)生變化。反映出光谷地區(qū)變化較大且變化進程快的特點。

關(guān)鍵詞：武漢市光谷地區(qū) 物質(zhì)空間擴展 土地利用變化

中圖分類號：F12 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（a）-0198-04

城市作為人類社會經(jīng)濟發(fā)展的重要載體，是人類活動最集中、受人類活動影響最強烈的區(qū)域。而城市空間形態(tài)，是城市社會、經(jīng)濟、政治、文化、歷史及地理綜合作用的結(jié)果，并以其特有的方式記錄著城市自身發(fā)展的脈絡(luò)[1]。中國改革開放以來，城市建設(shè)經(jīng)歷劇烈的變化，隨著城市數(shù)量、人口、用地的增加，以及城市規(guī)模的擴大等引發(fā)的城市問題引起關(guān)注[2]。另一方面，在以經(jīng)濟增長為導(dǎo)向的城市發(fā)展模式刺激下，盲目城市擴張席卷全國，由此引發(fā)的耕地流失、交通擁堵、地價暴漲等社會亂局凸顯[3]。因此通過研究城市空間形態(tài)，理解其演變歷程，有助于我們更好的理解認識城市擴張過程及格局，從而益于降低擴張亂局的惡化的風(fēng)險。而位于武漢市東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)的光谷經(jīng)歷了大量的人口遷入、大量投資引入、建成區(qū)快速擴張的快速城市化的過程，物質(zhì)空間的擴張與社會空間演化同時發(fā)生并且持續(xù)相互作用，具有典型的代表意義，亟待進行深入的時空研究。

1 研究背景及意義

就國內(nèi)外城市空間擴展的背景來看，第二次世界大戰(zhàn)后，西方國家經(jīng)濟迅速恢復(fù)，人口大量增加，原有的城市設(shè)施已滿足不了新的發(fā)展要求，致使一些大城市中心區(qū)的人口和工業(yè)紛紛遷向市郊區(qū)，而且遷出城外的大多為中產(chǎn)階級和高收入階層，從而導(dǎo)致原來的中心區(qū)“衰落”——稅收下降、房屋和設(shè)施失修、就業(yè)崗位減少、社會治安和生活環(huán)境趨于惡化等等現(xiàn)象[4]。在此情況下，外城卻迅速擴張，迎來了快速發(fā)展的時期。而西方學(xué)者Ronnie Donaldsona等人在此背景下發(fā)現(xiàn)城市空間規(guī)劃方面存在著過于專業(yè)化、與其他部門規(guī)劃隔離等問題[5]。我國在建國及改革開放以來則注重舊城改造，例如增添一些最基本的市政設(shè)施，以解決居民的衛(wèi)生、安全、合理分居等最基本的生活問題[6]。交通方面限于拓寬打通少數(shù)道路。而市中心地段由于人口密集，建筑密度較高，一般改造時都無力問津[7-8]。因此，城市建設(shè)的形態(tài)出現(xiàn)外圍建筑新、質(zhì)量好、層數(shù)高，而中心區(qū)則普遍較為陳舊、建筑質(zhì)量差，呈現(xiàn)出與城市正常發(fā)展規(guī)律相違背的反常狀態(tài)。現(xiàn)在也進入外城擴張內(nèi)城衰弱時期[9]。國內(nèi)學(xué)者孟丹等人對京津冀都市圈城鄉(xiāng)建設(shè)用地空間擴張?zhí)卣鞣治龅贸鼍┙蚣蕉际腥Τ擎?zhèn)用地呈現(xiàn)顯著的“圈層式”擴張模式，城鎮(zhèn)用地擴張主要集中在中心城區(qū)外圍及高速公路沿線的結(jié)果[10]；焦利民等人對武漢的研究發(fā)現(xiàn)城市擴張在數(shù)量、格局及強度方面與綠地破碎化格局顯著關(guān)聯(lián)[11]。

通過對比國內(nèi)外研究綜述可以看出，當前國內(nèi)外城市在物質(zhì)空間上的變化趨勢大致相同，但城市物質(zhì)空間演進及發(fā)展路徑存在不同，制度環(huán)境的差異是造成這一現(xiàn)象的根本原因[12]。傳統(tǒng)的城市空間分析主要關(guān)注平面空間的土地利用變化，如建設(shè)用地的擴張和耕地減少等問題，而忽視了城市的三維空間變化，本研究物質(zhì)空間重構(gòu)，由平面擴張轉(zhuǎn)變?yōu)楦茖W(xué)立體擴張?zhí)剿?。并且之前傳統(tǒng)的經(jīng)濟社會空間研究多基于行政單元，具有一定程度上的限制，不能真實的反映某些城市社會空間結(jié)構(gòu)。并且，本研究試圖通過遙感影像確定城市物質(zhì)空間的改變，劃分出城市物質(zhì)空間變化的“高頻區(qū)”，物質(zhì)空間變化的高頻區(qū)的出現(xiàn)一定意味著社會空間經(jīng)過快速、激烈的演化過程，以此選定區(qū)域并對“高頻區(qū)”內(nèi)的居民進行深入的訪談和社會調(diào)研，深入社會經(jīng)濟層面，更有針對性的獲取數(shù)據(jù)，貼合真實的城市社會空間結(jié)構(gòu)。使用基于知識的土地利用分類技術(shù)，應(yīng)用ENVI軟件處理遙感圖像，通過對物質(zhì)空間的變化來判斷社會空間演化特別是紳士化發(fā)生的區(qū)域。定性與定量、動態(tài)與靜態(tài)相結(jié)合，更科學(xué)，成本更低并且精確度高。此外，當前相關(guān)領(lǐng)域?qū)χ形鞑砍鞘械某鞘懈屡c擴張研究涉及較少，我們選取武漢光谷地區(qū)為研究對象，可以有效填補這一地區(qū)的研究空白，推動國內(nèi)城市物質(zhì)空間更新研究、豐富相關(guān)成果。并對于找出武漢市物質(zhì)空間變化與社會空間變化的普遍聯(lián)系，引導(dǎo)相關(guān)部門在城市規(guī)劃管理上的科學(xué)決策，提高規(guī)劃部門對城市規(guī)劃中人與地的規(guī)劃意識，促進城市人地關(guān)系的協(xié)調(diào)發(fā)展，提升居民生活幸福水平等都有實踐意義。

2 數(shù)據(jù)處理與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)處理

本研究選取的是來自地理空間數(shù)據(jù)云的2013—2017年的landsat8 OLI遙感圖像，使用ENVI軟件進行數(shù)據(jù)融合、圖像裁剪與用地分類，將用地類型分為高層住宅樓、高層商業(yè)樓、低矮建筑、綠地、建設(shè)用地、不透水面、水體、不可識別八類。在此基礎(chǔ)上，利用網(wǎng)格分析法在ArcGIS中對已進行用地分類處理后的武漢光谷地區(qū)2013—2017年遙感圖像進行比較分析，并利用ENVI和ArcGIS做出土地利用變化圖表，發(fā)現(xiàn)物質(zhì)空間更新明顯，大面積的土地出現(xiàn)建筑高度增長。根據(jù)變化情況，對2013—2017年的數(shù)據(jù)進行核密度分析，進而得到武漢市光谷地區(qū)從2013—2017年物質(zhì)空間變化的高頻區(qū)，了解武漢光谷地區(qū)物質(zhì)空間演變趨勢。

相較于2013年，2017年武漢市光谷地區(qū)物質(zhì)空間發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變：（1）低層住宅減少，高層住宅增加；（2）東南部部分綠地、建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為高層住宅；（3）裸露土地減少；（4）東部、南部開發(fā)力度大，逐漸由開發(fā)程度較低的低住、空地轉(zhuǎn)換成高層商住用地。從2013—2017年，高層商業(yè)樓從光谷轉(zhuǎn)盤周圍，沿著交通要道進行擴張，2015年高層商業(yè)樓大規(guī)模擴張；高層住宅樓也主要從光谷轉(zhuǎn)盤向四周擴張，從2014年開始部分的高層住宅樓周圍出現(xiàn)了高層商業(yè)樓，2016年高層商業(yè)樓大規(guī)模擴張；2013—2017年，整體來說建筑用地從東部向西部擴張，2015年與2017年西部開發(fā)較完善，東部出現(xiàn)大量建設(shè)用地。

從2013—2017年建設(shè)用地主要是在光谷地區(qū)西部以及除光谷轉(zhuǎn)盤以外的地方發(fā)生變化；高層住宅和高層商業(yè)樓都主要是在光谷地區(qū)西部發(fā)生變化，且都主要在光谷大轉(zhuǎn)盤四周以及沿著珞瑜路、礪志路、魯磨路、珞雄路、民族大道等發(fā)生變化。后期調(diào)研與數(shù)據(jù)趨勢吻合，因此，可以判斷對武漢光谷地區(qū)物質(zhì)空間演變的研究是比較符合實際的。

2.2 研究方法

（1）遙感圖像解譯與分析。

本研究首先采用基于知識的土地利用監(jiān)督分類方法，運用Envi技術(shù)，區(qū)分出高層住宅、高層商務(wù)區(qū)、低矮建筑群等。對遙感影像進行了圖像融合處理，裁剪出本項目研究范圍——武漢光谷地區(qū)區(qū)域，后進行對遙感圖像的用地類型分類處理。根據(jù)不同功能建筑物周圍環(huán)境和物理構(gòu)造的差異，將用地類型分為高層住宅樓、高層商業(yè)樓、低矮建筑、綠地、建設(shè)用地、不透水面、水體、不可識別八類。每種地類選取100～200個特征樣本。在具體操作過程中，綠化易區(qū)分，一般存在于水面附近和大面積的山體附近。高層住宅樓和宅前路、小區(qū)內(nèi)道路平行、相鄰分布在區(qū)域內(nèi)，陰影可見并覆蓋在綠色植被區(qū)上。高層商業(yè)樓一般沿交通線分布，陰影可見并覆蓋在不透水面上；低矮建筑在影像上為模糊片狀，無清晰陰影，一般為城中村或老社區(qū)街道；水面易識別，易選取，在選取過程中注意避免游船。同時，為提高可識別區(qū)準確度，還對分類不明確的給予了不明確分類。

（2）網(wǎng)格分析。

由于研究使用的主要方法是基于綠地/建筑陰影的土地利用分類技術(shù)，而遙感數(shù)據(jù)圖里的建筑陰影會受光照角度等的影響，為了矯正陰影分析質(zhì)量以及減少其他無關(guān)地類陰影的干擾，我們采取150m×150m的網(wǎng)格進行土地利用類型的歸類，通過格網(wǎng)內(nèi)的最大地類來判斷格網(wǎng)的土地類型，以降低陰影長短不同帶來的誤差。再將網(wǎng)格中的無關(guān)地類的數(shù)據(jù)移除，得到研究的四種地類：高層住宅樓、高層商業(yè)樓、低矮建筑、建設(shè)用地。再識別出四種地類中陰影面積最大的地類，得到2013—2017年的最大地類分布圖。

（3）土地利用變化分析。

為了更精確地了解研究光谷地區(qū)土地利用變化情況，在ENVI軟件里對研究區(qū)域的土地利用變化進行定量分析，制作2013—2017年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。

通過ArcGIS對研究區(qū)的土地利用變化進行定性分析，可以得到光谷地區(qū)2013—2017年的土地利用變化圖，重點關(guān)注建設(shè)用地、高層商業(yè)以及高層住宅樓的變化。

（4）核密度分析。

對重點關(guān)注的低矮建筑和建設(shè)用地——高層住宅的土地變化深入分析。采取核密度分析的方法，判定土地利用變化最強烈的地區(qū)——即物質(zhì)空間演變高頻區(qū)。

3 武漢市光谷地區(qū)時空擴展的演進路徑

3.1 武漢市光谷地區(qū)四種土地利用方式的擴展路徑

采用基于知識的土地利用分類技術(shù)，再利用ArcGIS中的網(wǎng)格分析，得到了武漢市光谷地區(qū)從2013—2017年的高層住宅樓、高層商業(yè)樓、低矮建筑、建設(shè)用地四種土地利用方式的分布圖。據(jù)圖可以定性地分析，從2013—2017年，低矮建筑呈減少的趨勢；從2013—2017年，高層商業(yè)樓具有從光谷轉(zhuǎn)盤周圍沿著交通要道進行擴張的特征，2015年高層商業(yè)樓大規(guī)模擴張；高層住宅樓也具有主要從光谷轉(zhuǎn)盤向四周擴張的特征，另外從2014年開始部分的高層住宅樓周圍配套出現(xiàn)了高層商業(yè)樓，2016年高層住宅樓大規(guī)模擴張；從2013—2017年，整體來說建筑用地具有從光谷東部向西部擴張的特征，且主要集中在光谷的東部地區(qū)，2015年與2017年西部開發(fā)較完善，東部出現(xiàn)大量建設(shè)用地。

自2009年12月光谷東湖高新區(qū)建設(shè)國家自主創(chuàng)新示范區(qū)獲批后，中央有關(guān)部委以及湖北省、武漢市、東湖國家自主創(chuàng)新示范區(qū)在財稅、科技金融創(chuàng)新、股權(quán)激勵、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、發(fā)展戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)等方面相繼出臺了50多項配套政策，大大吸引了大量的高新技術(shù)企業(yè)入住光谷地區(qū)，由此也帶動了光谷地區(qū)的發(fā)展，加快了光谷地區(qū)的經(jīng)濟建設(shè)。工廠大量建設(shè)，因此從2013年到2017年，光谷地區(qū)的建設(shè)用地面積主要呈增加的趨勢；大量企業(yè)的遷入也帶來了大量的人口，促進了光谷地區(qū)商業(yè)的發(fā)展，因此高層商業(yè)樓以及高層住宅樓也呈逐年增長的趨勢。

3.2 武漢市光谷地區(qū)土地利用方式的變化

在ENVI軟件里對研究區(qū)域的土地利用變化進行定量分析（見表1）。表一中橫坐標代表2013年各用地分類，縱坐標代表2017年各用地分類。從2013—2017年，水體總共變化了1253250m2，轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地的面積最大，為673200m2；其次是高層住宅和高層商務(wù)。不透水面總共變化了13664925m2，轉(zhuǎn)變?yōu)榈桶ㄖ拿娣e最大，為6707925m2；其次是建筑用地和高層住宅。低矮建筑總共變化了13508550m2，轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地的面積最大，為6338700m2；其次是綠地和不透水面。綠地總共變化了15741900m2，轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地的面積最大，為11144925m2；其次是不透水面和高層住宅。建設(shè)用地總共變化了13107600m2，轉(zhuǎn)變?yōu)榈桶ㄖ拿娣e最大，為5091300m2；其次是不透水面和綠地。定量地反映出了高層住宅樓、高層商業(yè)樓、低矮建筑、建設(shè)用地的變化趨勢。

通過ArcGIS對研究區(qū)的土地利用變化進行定性分析，可以得到建設(shè)用地、高層商業(yè)和高層住宅的變化圖（如圖1）。從圖1可以看出，從2013—2017年建設(shè)用地主要是在光谷地區(qū)東部的地方發(fā)生變化；高層住宅和高層商業(yè)樓都主要是在光谷地區(qū)西部發(fā)生變化，且都主要在光谷大轉(zhuǎn)盤四周以及沿著珞瑜路、礪志路、魯磨路、珞雄路、民族大道等主要交通要道發(fā)生變化。

通過定性與定量的分析可得，2013—2017年光谷地區(qū)建設(shè)用地、高層商業(yè)和高層住宅的變化相對面積較大，反映出光谷地區(qū)的變化較大的特點。

3.3 武漢市光谷地區(qū)物質(zhì)空間演變高頻區(qū)

采取核密度分析的方法，對低矮建筑以及建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦邔幼≌瑯堑牟糠诌M行深入分析得出了高層住宅變化最強烈的地區(qū)——即物質(zhì)空間演變高頻區(qū)（如圖2）。圖2顏色最深處代表從低矮建筑以及建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦邔幼≌瑯穷l率最高的地區(qū)。據(jù)圖可得，高層住宅樓變化的高頻區(qū)主要是分布光谷地區(qū)的西部地區(qū)，這反映出光谷地區(qū)轉(zhuǎn)變過程用時較短；高層住宅樓的變化也可以進一步表現(xiàn)出光谷地區(qū)正處于郊區(qū)紳士化的進程中。

5 結(jié)論與討論

本文運用基于知識的土地利用分類方法，利用ENVI以及ArcGIS分析了武漢市光谷地區(qū)的物質(zhì)空間擴展以及變化趨勢，結(jié)果表明：（1）從2013—2017年武漢市光谷地區(qū)的低矮建筑的用地面積整體上呈減少的趨勢，建設(shè)用地、高層住宅以及高層商業(yè)樓呈逐年增加的趨勢。（2）從2013年到2017年，高層商業(yè)樓從光谷轉(zhuǎn)盤周圍，沿著交通要道進行擴張；高層住宅樓也主要從光谷轉(zhuǎn)盤向四周擴張，從2014年開始部分的高層住宅樓周圍出現(xiàn)了高層商業(yè)樓；2013—2017年，整體來說建筑用地從東部向西部進行擴張，2015年與2017年西部開發(fā)較完善，東部出現(xiàn)大量建設(shè)用地。（3）從2013—2017年建設(shè)用地主要是在光谷地區(qū)西部發(fā)生了用地的轉(zhuǎn)變；高層住宅和高層商業(yè)樓都主要是在光谷地區(qū)西部發(fā)生變化，且都主要在光谷大轉(zhuǎn)盤四周以及沿著珞瑜路、礪志路、魯磨路、珞雄路、民族大道等主要交通要道發(fā)生變化。

通過對光谷地區(qū)物質(zhì)空間的分析發(fā)現(xiàn)，光谷地區(qū)正處于郊區(qū)紳士化時期，且地區(qū)變化較大且變化進程快，容易出現(xiàn)等住房緊張、交通壓力、居民融合等社會問題，因此政府在大力進行經(jīng)濟的建設(shè)，發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的同時也要注意保障民生的建設(shè)，解決阻礙光谷地區(qū)發(fā)展的一系列社會問題。

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