基于多源數(shù)據(jù)的城市建設(shè)用地擴(kuò)張時空特征分析
——以佛山市順德區(qū)為例

符 彥，王劍輝，張 亞

(1. 廣東省地質(zhì)測繪院，廣東 廣州 510800; 2. 中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830; 3. 蘭州交通大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

城市擴(kuò)張演變是城市化的一個重要特征[1]。我國在過去的30年經(jīng)歷了最高的城市擴(kuò)張率[2- 3]。利用地理國情普查和監(jiān)測成果對城市時空演變過程進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，形成既有科學(xué)依據(jù)，又與實際密切結(jié)合的分析成果，不僅能充分發(fā)揮地理國情數(shù)據(jù)的時效性和利用價值[4- 5]，還有助于加深對城市化本質(zhì)的理解。長期以來，有關(guān)城市擴(kuò)張的研究一直是國內(nèi)外的研究熱點，伴隨GIS和RS等技術(shù)的不斷成熟，一方面通過重心轉(zhuǎn)移、擴(kuò)張強(qiáng)度等方法剖析城市建設(shè)用地的時空格局演變特征[6- 7]；另一方面，借助地理數(shù)學(xué)方法和空間分析手段，運用邏輯模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及GIS耦合等方法，對城市建設(shè)用地時空演變過程進(jìn)行模擬，取得了豐碩的成果。

但從總體上看，已有研究所使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性不強(qiáng)，大多以2009年第二次全國土地調(diào)查成果為基礎(chǔ)，且以微觀尺度研究為主。隨著城市化水平的進(jìn)一步提高，立足我國新型城鎮(zhèn)化的切實需求，為了進(jìn)一步提高城市土地集約節(jié)約利用水平，深入認(rèn)識和理解城市發(fā)展規(guī)律，緩解人地矛盾，迫切需要對城市擴(kuò)張演變的時空特征進(jìn)行研究[8]。在此背景下，本文以佛山市順德區(qū)為例，利用地理國情普查和監(jiān)測成果，對主城區(qū)建設(shè)用地擴(kuò)張過程和時空演變特征進(jìn)行研究。

1 研究框架及方法

1.1 研究框架

以地理國情普查成果為基礎(chǔ)，結(jié)合高分辨率遙感影像提取試驗區(qū)多時點城鎮(zhèn)建設(shè)用地的空間分布。技術(shù)路線如圖1所示。

1.2 研究方法

1.2.1 擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)

城市擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)是指某空間單元在一定時期內(nèi)的城市土地擴(kuò)張面積占其土地總面積的百分比[4- 7]，數(shù)字越大，表示擴(kuò)張越快，如下

(1)

式中,UIIi,t～(t+n)為空間單元i內(nèi)t～(t+n)時段內(nèi)的城市擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)；ULAi,t+n和ULAi,t分別為空間單元i內(nèi)在t+n及t時點的建成區(qū)面積；TLAi為空間單元i的土地總面積。UII的劃分標(biāo)準(zhǔn)為：大于1.92為高速發(fā)展；1.05～1.92為快速發(fā)展；0.59～1.05為中速擴(kuò)張；0.28～0.59為低速擴(kuò)張；0～0.28為緩慢擴(kuò)張；小于0則為逆向擴(kuò)張[9]。

1.2.2 擴(kuò)張類型

已有研究對擴(kuò)張類型進(jìn)行了大量的研究，文獻(xiàn)[10—11]通過難以定量分析的目視方法確定擴(kuò)張類型；文獻(xiàn)[12]利用凸殼原理定義了填充式和外延式兩種擴(kuò)張方式；文獻(xiàn)[13]運用景觀擴(kuò)張指數(shù)識別填充式、飛地式、邊緣式3種擴(kuò)張類型。借鑒上述研究，本文將城鎮(zhèn)用地擴(kuò)張類型劃分為蔓延式、填充式、跳躍式3類。蔓延式擴(kuò)張在原有城鎮(zhèn)用地邊緣進(jìn)行“攤大餅”式的擴(kuò)張；填充式擴(kuò)張在原有建成區(qū)內(nèi)部空白區(qū)域內(nèi)填補(bǔ)式發(fā)展；跳躍式擴(kuò)張新增的城鎮(zhèn)用地，與原有城鎮(zhèn)用地之間沒有連接。新增建成區(qū)和原有建成區(qū)通過GIS的空間疊加分析進(jìn)行識別。通過下式實現(xiàn)城市擴(kuò)張類型的自動識別

S=Lc/P

(2)

式中,Lc為新增建成區(qū)和原有建成區(qū)矢量圖斑的公共邊界長度；P為新增建成區(qū)斑塊的周長。S=1時，識別為填充式發(fā)展；0

1.2.3 K- means算法

目前常用的空間聚類算法主要是基于密度、網(wǎng)格和坐標(biāo)- 屬性一體化[14]。本文根據(jù)研究特點采用K- means聚類算法自動劃分功能區(qū)，對于給定的樣本集，按照樣本之間的距離大小，將樣本集劃分為K個簇C1,C2,…,Ck，具體如下：

(1) 原始數(shù)據(jù)集S為x1,x2,…,xm，隨機(jī)選取K個初始類質(zhì)心點為μ1,μ2,…,μk∈Sn。

(2) 利用式(3)將每個樣本i劃分至距離它最近的質(zhì)心點所在的類，其中C代表樣本與K個類中距離最近的類，即

(3)

(3) 對于每一個類μi，利用式(4)重新計算該類的質(zhì)心，即

(4)

(4) 重復(fù)執(zhí)行步驟(2)—(4)，直到聚類中心不再發(fā)生變化為止。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概況

順德區(qū)地處113°01′E—113°23′E，22°40′N—23°02′N，位于廣東省中南部，珠江三角洲腹地，行政區(qū)總面積為806 km2，轄4個街道、6個鎮(zhèn)，常住人口約250萬人，GDP為2 545.1億元。根據(jù)順德區(qū)城市規(guī)劃，本文確定大良、容桂、勒流和倫教4個街道為研究區(qū)。

2.2 數(shù)據(jù)及處理

(1) 地理國情數(shù)據(jù)：2015年順德區(qū)首次地理國情普查數(shù)據(jù)。

(2) 遙感影像數(shù)據(jù)：包括2011年空間分辨率為0.15 m的航空正射影像和2013年空間分辨率為0.5 m的彩色正射影像，通過監(jiān)督分類及分類后處理[15]解譯得到2011、2013年的城市建成區(qū)。

(3) 專題數(shù)據(jù)：來源于國家、省級政府部門，包括交通、人口、產(chǎn)業(yè)布局及社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包含名稱、地址、數(shù)量、聯(lián)系方式等屬性。

3 試驗分析

3.1 總體情況

總體來看，主城區(qū)城鎮(zhèn)化水平較高，城市和鄉(xiāng)村沒有明顯的界線，建設(shè)用地連接成片。主城區(qū)沿著南北方向的G105、S43、S39，以及東西方向的G1501、S268、S112形成了清晰的城鎮(zhèn)發(fā)展軸。中部地區(qū)沿著G105以家電和機(jī)械制造為主形成“以小帶大”的企業(yè)集群模式，其中容桂街道、大良街道的建設(shè)用地比例高達(dá)53.8%、48.9%。東、西部城市國家級高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)、工業(yè)園聚集明顯。西南部城鎮(zhèn)主要以中小企業(yè)為主，城鎮(zhèn)空間較為分散，建設(shè)用地比例相對較少。如圖2所示。

3.2 時空變化分析

3.2.1 擴(kuò)張面積與強(qiáng)度分析

結(jié)合順德區(qū)的行政區(qū)劃界限，提取順德主城區(qū)各街道2011、2013、2015年3個時期建設(shè)用地面積數(shù)據(jù)。將每個街道作為一個空間單元，從擴(kuò)張數(shù)量和擴(kuò)張速度進(jìn)行分析，具體情況見表1。從數(shù)據(jù)可知，順德主城區(qū)建設(shè)用地擴(kuò)張總量后一階段比前一階段減少1.2%。其中，倫教和容桂街道在2013—2015年間建設(shè)用地增加面積大于2011—2013年，而大良和勒流街道的情況相反。2011—2015年間，建設(shè)用地面積增長最多的為大良街道，其次為勒流街道，增加面積最少的為容桂街道。

表1 主城區(qū)2011年來建設(shè)用地擴(kuò)張數(shù)量

3.2.2 擴(kuò)張方向分析

為客觀分析主城區(qū)的擴(kuò)展方向、特點，將主城區(qū)4個街道分為4個空間單元，利用基于K- means的方法將主城區(qū)劃分成15個功能區(qū)(見表2)，并結(jié)合專題數(shù)據(jù)對功能區(qū)進(jìn)行擴(kuò)展分析。主城區(qū)4個街道的建設(shè)用地擴(kuò)張方向各有特點且都與用途密切相關(guān)(如圖3所示)。

3.2.2.1 大良街道

2011—2015年期間，大良街道主要向東部、南部發(fā)展新城區(qū)；西部主要以工業(yè)區(qū)為驅(qū)動擴(kuò)張建設(shè)用地，主要包括完善建設(shè)鳳翔工業(yè)區(qū)和向西南部發(fā)展紅崗、金斗、堤圍等工業(yè)區(qū)。

表2 主城區(qū)各功能區(qū)建設(shè)用地擴(kuò)張情況表

3.2.2.2 勒流街道

勒流街道建設(shè)用地的增加主要是工業(yè)用地的增加，具體包括港口路兩側(cè)眾多國際機(jī)械城、科技園和工業(yè)園區(qū)；此外，南部工業(yè)區(qū)集群式發(fā)展，擴(kuò)張速度較為迅猛。

3.2.2.3 倫教街道

倫教街道增加的建設(shè)用地主要是道路和工業(yè)用地。道路的發(fā)展主要集中在南部，包括倫桂路、廣州繞城高速等。工業(yè)用地的增加則均勻分布在東、南、西、北幾個工業(yè)基地。東北部沿著順德水道(倫教- 陳村段)以三洲農(nóng)產(chǎn)品交易中心、長鹿農(nóng)莊為代表輻射周邊建設(shè)用地發(fā)展。

3.2.2.4 容桂街道

容桂街道的建設(shè)用地增加主要體現(xiàn)在佛山高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)、順德八達(dá)物流園區(qū)域的住宅用地和工業(yè)用地的擴(kuò)張兩方面，且都分布在東部地區(qū)。西北部少量增加主要位于馬崗工業(yè)區(qū)、佛山高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)(順德科技工業(yè)園B區(qū))。容桂老城區(qū)以城市內(nèi)部建設(shè)為主，建設(shè)用地有一定的增加，整體趨于穩(wěn)定。

3.2.3 擴(kuò)張類型分析

建設(shè)用地作為主要的土地利用類型，其擴(kuò)張速度較為緩慢，擴(kuò)展方式以填充式和蔓延式擴(kuò)張為主，跳躍式擴(kuò)張為輔。第一階段，蔓延式的擴(kuò)張占主要地位，第二階段，填充式擴(kuò)張占主要地位，表明順德主城區(qū)在集約化利用土地方面有了一定的進(jìn)步，見表3。

表3 2011—2015年期間主城區(qū)建設(shè)用地擴(kuò)張類型

4 結(jié) 語

本文綜合利用順德區(qū)2011及2013年高分辨率影像、2015年地理國情普查數(shù)據(jù)，以及其他專題數(shù)據(jù)，結(jié)合區(qū)域發(fā)展、社會經(jīng)濟(jì)、人口、政策等因素對主城區(qū)擴(kuò)張數(shù)量、強(qiáng)度和類型進(jìn)行了分析研究，得出以下結(jié)論：

(1) 基于多源高分辨率遙感影像的建設(shè)用地擴(kuò)張動態(tài)監(jiān)測方法監(jiān)測頻次高、精度高，更具現(xiàn)勢性，為控制城市用地和開發(fā)規(guī)模的無序擴(kuò)張?zhí)峁┝诵路椒ā?/p>

(2) 目前順德區(qū)主城區(qū)建設(shè)用地比例已逼近50%，大面積增加建設(shè)用地已不適合，跳躍式的擴(kuò)張方式受到限制，集約節(jié)約用地面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

(3) 未來城市規(guī)劃中，應(yīng)加強(qiáng)對建設(shè)用地用途、結(jié)構(gòu)和區(qū)位的深入監(jiān)測和研究，掌握居住用地、商業(yè)用地和工業(yè)用地的規(guī)模、區(qū)位和結(jié)構(gòu)；加強(qiáng)對人均建設(shè)用地的監(jiān)測和分析，為合理的利用土地資源提供依據(jù)。