2001—2017年哈爾濱市建設(shè)用地擴張時空特征分析

寧 靜, 郭 磊， 趙超越， 吳 昊， 劉 楠

(1.東北農(nóng)業(yè)大學公共管理與法學院， 哈爾濱 150030； 2.哈爾濱航天恒星數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司， 哈爾濱 150000；3.東北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院， 哈爾濱 150030)

改革開放以來，尤其是20世紀90年代中后期之后，中國城市化進程不斷加速，據(jù)統(tǒng)計，自1949—2018年，中國城鎮(zhèn)常住人口約增加7.7億人，城鎮(zhèn)化率已增長至59.58%[1]。城市化促使中國的經(jīng)濟得到了快速發(fā)展，但快速城市化也引發(fā)了一系列的安全問題，對城市的健康發(fā)展造成影響。隨著城市化進程的不斷推進，建設(shè)用地的需求量逐漸增加，建設(shè)用地面積不斷增長，由此影響到了城市的可持續(xù)發(fā)展。在中國快速城鎮(zhèn)化的形勢下，特別是國家提出東北老工業(yè)基地振興的戰(zhàn)略決策后，哈爾濱作為東北老工業(yè)基地的重要組成部分，得到了快速發(fā)展，建設(shè)用地面積增長迅速。了解哈爾濱城市發(fā)展的過程，分析哈爾濱市建設(shè)用地擴張?zhí)卣鳎瑢ξ磥沓鞘械目沙掷m(xù)發(fā)展具有重要的意義[2]。

近年來，在中國土地利用研究中，城市建設(shè)用地的擴張問題越來越受到國內(nèi)外學者的高度關(guān)注[3]，中外諸多學者開展了大量的這方面的研究[4-9]。針對建設(shè)用地擴張的研究，研究內(nèi)容主要分為時空特征分析、影響因素和驅(qū)動力分析以及模擬預(yù)測幾個方面[10]。研究區(qū)域尺度主要包括全球尺度、國家尺度、區(qū)域尺度和城市尺度。在建設(shè)用地信息提取方面，遙感監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)成為最主要的技術(shù)手段[11]。

從現(xiàn)有的研究來看，目前針對東北地區(qū)城市建設(shè)用地擴張的相關(guān)研究較少，基于此以2001、2008、2013、2017年4期遙感影像解譯數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對16年來哈爾濱市建設(shè)用地擴張強度、形態(tài)、方向和模式等特征進行分析，以期結(jié)果既可以豐富和充實城市建設(shè)用地擴張研究成果，也對指導哈爾濱市城市規(guī)劃以及推進新型城鎮(zhèn)化建設(shè)進程有著十分重要的意義。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1 研究區(qū)概況與研究范圍

哈爾濱市地處黑龍江省中南部，松花江由西南向東北穿過市區(qū)。市域地理坐標為東經(jīng)125°42′～130°10′、北緯44°04′～46°40′，全市總面積約為53 840 km2，下轄道里區(qū)、南崗區(qū)、道外區(qū)、平房區(qū)、松北區(qū)、香坊區(qū)、呼蘭區(qū)、阿城區(qū)和雙城區(qū)9個市轄區(qū)，市轄區(qū)面積10 198 km2。近年來，哈爾濱市經(jīng)濟發(fā)展迅速，國內(nèi)生產(chǎn)總值由2001年的1 120.11億元上升為2017年的6 355.0億元，全市人口由2004年的948.3萬人增長為2017年的955.0萬人?，F(xiàn)將哈爾濱市道里區(qū)、道外區(qū)、香坊區(qū)、南崗區(qū)、平房區(qū)和松北區(qū)作為研究區(qū)。地理坐標為126°8′13″～126°59′37″E, 45°31′48″～46°05′47″N，研究區(qū)總面積為2 067.10 km2。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

研究數(shù)據(jù)主要為研究區(qū)2001、2008、2013、2017年土地覆蓋分類數(shù)據(jù)。首先下載行列號為118028的Landsat陸地衛(wèi)星系列遙感影像，空間分辨率為30 m，其次，在ENVI平臺上對下載的遙感影像進行假彩色合成，并對其進行大氣校正、統(tǒng)一坐標系統(tǒng)、拼接和裁剪[12]；然后，在eCognition平臺上，采用結(jié)合監(jiān)督和非監(jiān)督、以人工目視解譯為主的方法，將研究區(qū)內(nèi)的土地利用類型分為建設(shè)用地、耕地、綠地、水體和其他用地；接著利用ArcGIS平臺將解譯的結(jié)果導入Google Earth，進行比對修正；最后進行分類精度評價。

1.3 研究方法

1.3.1 擴張強度分析

利用規(guī)則格網(wǎng)法進行研究區(qū)建設(shè)用地擴張強度分析[3]。將解譯獲得的2001、2008、2013、2017年4個時間節(jié)點的研究區(qū)建設(shè)用地數(shù)據(jù)進行屬性合并、空間疊加，形成各個階段的研究區(qū)建設(shè)用地擴張矢量圖，從而可以得到不同時期研究區(qū)建設(shè)用地面積變化的數(shù)據(jù)。運用ArcGIS空間分析功能，生成邊長為1 km的格網(wǎng)，計算每個格網(wǎng)內(nèi)年均擴張建設(shè)用地占格網(wǎng)總面積的比例[3]，用格網(wǎng)內(nèi)年均城市土地擴張指數(shù)(ARG)表示[13]，計算公式為

(1)

式(1)中：Aa、Ab分別為格網(wǎng)單元內(nèi)期初、期末的建設(shè)用地面積；T表示時間間隔；AG表示格網(wǎng)的面積。

1.3.2 擴張形態(tài)分析

采用形狀指數(shù)(LSI)、斑塊密度(PD)、聚集度(AI)3個測度指標來對研究區(qū)建設(shè)用地擴張形態(tài)特征進行測度分析。

形狀指數(shù)的數(shù)學表達式為

(2)

式(2)中：pi、ai表示建設(shè)用地斑塊i的周長和面積；n表示建設(shè)用地的斑塊數(shù)。

斑塊密度是指單位面積斑塊數(shù)量，其計算公式為

(3)

式(3)中：ni是景觀中第i類用地的斑塊數(shù)量。

聚集度的數(shù)學表達式為

(4)

式(4)中：gi為建設(shè)用地像元之間的鄰接數(shù)；max→gi為鄰接數(shù)最大值。

1.3.3 擴張方向分析

采用等扇分析法對研究區(qū)建設(shè)用地擴張方向進行分析。首先選取研究區(qū)中心為圓心，選擇適當?shù)陌霃疆媹A，使其能夠包含研究區(qū)所有的建設(shè)用地范圍，以正北方向為起點，分割成8個夾角和面積都相等的扇形。然后分別將研究區(qū)2001、2008、2013、2017年的建設(shè)用的擴張情況進行疊加。最后，計算不同時期各扇形中的建設(shè)用地擴張速率。用其結(jié)果來分析不同階段哈爾濱市建設(shè)用地擴張的方向性特征。

1.3.4 擴張模式分析

采用公共邊測度方法[14-15]來進行研究區(qū)建設(shè)用地的擴張模式分析。首先，利用ArcGIS分別提取2001—2008、2008—2013、2013—2017年各時段新增加建設(shè)用地斑塊與原有建設(shè)用地斑塊的公共邊，然后計算各階段的公共邊長與新增加建設(shè)用斑塊總邊長的比值，根據(jù)其比值的大小將建設(shè)用地擴張主要分為填充式擴張、蔓延式擴張和飛地式擴張3種類型。當比值S大于或等于0.5時稱為填充式擴張；當比值大于0并且小于0.5時稱為蔓延式擴張；當比值等于0時稱為飛地式擴張。計算公式為

(5)

式(5)中：L表示新增加建設(shè)用地斑塊與原有建設(shè)用地的公共邊長；P表示新增加建設(shè)用地斑塊的總邊長。

2 結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)來源分析

表1為研究區(qū)2001—2017年各土地利用類型相互轉(zhuǎn)換情況，圖1為解譯得到的研究區(qū)2001、2008、2013、2017年土地利用類型空間分布情況，圖2為研究區(qū)各土地利用類型所占面積比例變化情況。2001—2017年的16年間，建設(shè)用地和耕地面積比例變化明顯，2001年建設(shè)用地面積比例為18.87%，2017年上升至31.79%，而耕地的面積比例由2001年的72.48%下降至2017年的58.66%；其他3種利用類型土地面積比例總體而言變化幅度不大，水體面積比例由2001年的3.08%上升至2017年的6.26%，綠地面積比例由2001年的3.55%下降至2017年的2.27%，其他用地面積比例由2001年的2.02%下降至2017年的1.01%。16年間耕地面積減少285.50 km2,主要向建設(shè)用地(256.41 km2)、水體(57.84 km2)和綠地(26.49 km2)轉(zhuǎn)變，建設(shè)用地面積的增加主要是通過耕地轉(zhuǎn)變而來。

圖1 研究區(qū)域土地利用類型空間分布Fig.1 Spatial distribution of land use types in the study area

圖2 各類用地類型面積比例變化Fig.2 Changes in the area ratio of various types of land use

表1 2001—2017年各土地利用類型相互轉(zhuǎn)換情況Table 1 Conversion of land use types from 2001 to 2017/km2

2.2 擴張強度

2001年以來，哈爾濱市建設(shè)用地面積得到快速增長，各個時間段內(nèi)研究區(qū)建設(shè)用地的擴展速度和擴張強度指數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，總體來看研究區(qū)建設(shè)用地的規(guī)模不斷上升，根據(jù)表2中所顯示的結(jié)果，以擴張速度30 km2/年為劃分標準，將2001—2008年的研究區(qū)建設(shè)用地擴張劃分為低速擴張和高速擴張2種類型。其中，2001—2008年和2013—2017年2個階段擴張速度小于30 km2/年，為低速擴張；2008—2013年擴張速度大于30 km2/年，為高速擴張。2001—2008年間，建設(shè)用地增加56.66 km2，這一階段建設(shè)用地的增長速度為8.09 km2/年，建設(shè)用地擴張強度指數(shù)為0.39；2008—2013年間，建設(shè)用地以更快的速度擴展，這一期間建設(shè)用地增加面積173.43 km2,增長速度高達34.69 km2/年，建設(shè)用地擴張強度指數(shù)為1.68；2013—2017年間，建設(shè)用地擴展速度放緩，這一期間建設(shè)用地增加面積37.06 km2,增長速度為9.28 km2/年，建設(shè)用地擴張強度指數(shù)為0.45。

表2 研究區(qū)建設(shè)用地擴展強度指數(shù)統(tǒng)計Table 2 Statistics on the expansion strength index of construction land in the study area

利用規(guī)則網(wǎng)格法計算各時期每個格網(wǎng)單元中的年均城市土地擴張指數(shù)，并生成研究區(qū)土地擴張強度指數(shù)圖(圖3)，對研究區(qū)建設(shè)用地擴張強度進行分析，結(jié)果表明：

圖3 各時期研究區(qū)城市建設(shè)用地擴張強度指數(shù)圖Fig.3 Urban construction land expansion intensity index map of the study area in each period

2001—2008年，年均城市土地擴張強度指數(shù)最大為17%，最大擴張指數(shù)主要位于道里區(qū)東部，平房區(qū)北部以及松北區(qū)南部；2008—2013年年均城市土地擴張強度指數(shù)最大為20%，擴張強度指數(shù)最大的地區(qū)是道里區(qū)東部，南崗區(qū)北部，平房區(qū)北部，松北區(qū)南部以及香坊區(qū)中部；2013年以后，年均城市土地擴張強度指數(shù)最大為19%，擴張強度指數(shù)最大的地區(qū)主要是道里區(qū)東北部。

2.3 擴張形態(tài)

2001—2017年間哈爾濱市建設(shè)用地聚集度(AI)、斑塊密度(PD)和形狀指數(shù)(LSI)分別如表3所示。

表3 擴張形態(tài)特征指數(shù)Table 3 Expansion morphological characteristics index

從表3可以看出，在2001—2017年期間研究區(qū)建設(shè)用地斑塊聚集度不斷上升，說明研究區(qū)建設(shè)用地斑塊之間變得越來越聚集。在2001—2008、2008—2013、2013—2017年這3個階段中，2008—2013年間，聚集度從73.953 0上升到78.453 0，聚集度程度有相對明顯的提高，表明這一時間段研究區(qū)的土地利用程度較高，建設(shè)用地斑塊之間逐漸變得集中。而其他兩個階段聚集度上升不明顯，說明這一期間在建設(shè)用地面積增加的過程中各建設(shè)用地斑塊之間并沒有緊密的聯(lián)系，相對比較松散。從表3中還可以看到，2001—2017年間，研究區(qū)內(nèi)斑塊密度不斷增加，從2001年的0.221 1 持續(xù)上升到2017年的0.228 0，這表明研究區(qū)建設(shè)用地斑塊之間的距離不斷減小，變得越來越緊湊。整體來看，2001—2017年間，研究區(qū)內(nèi)建設(shè)用地形狀指數(shù)有所下降，說明建設(shè)用地斑塊形狀變得更加規(guī)則，土地利用程度不斷地得到提高。

2.4 擴張方向

圖4、圖5分別為建設(shè)用地擴張示意圖以及通過統(tǒng)計不同時間段各扇形內(nèi)的建設(shè)用地擴張速率而形成的雷達圖，清晰地展現(xiàn)了研究區(qū)不同時期建設(shè)用地擴張的方向特征。

圖4 不同時期城市擴張示意圖Fig.4 Schematic diagram of urban area expansion in different periods figure

圖5 研究區(qū)城市擴張雷達圖Fig.5 Radar map of urban expansion in the study

結(jié)果表明：2001—2008年，研究區(qū)建設(shè)用地沿正南方向的擴張速率最快，該方向上的擴張速率為27.94%，且明顯高于其他幾個方向，擴張速率最低的是東南方向，為8.58%。這一時期城市主要向單一方向發(fā)展，即向正南方擴張，其他方向的擴張相對比較緩慢；2008—2013年，這一時期研究區(qū)建設(shè)用地在西南、正南以及東南方向擴張速度較快，其擴張速率分別高達50.44%、42.21%、43.64%，在其他方向擴張速率較小，城市的擴張格局開始由主要朝單一方向發(fā)展變?yōu)槌鄠€方向同時發(fā)展轉(zhuǎn)變；2013—2017年，研究區(qū)建設(shè)用地主要沿正西方向擴張，擴張速率為11.92%，其次是正南方向，擴張速率為7.63%，擴張速率最低的是東南方向，僅為0.29%。這一時期整體擴張強度較上一階段有所下降，說明城市形態(tài)已經(jīng)基本穩(wěn)定。

總體來看，2001—2017年間，研究區(qū)建設(shè)用向正南方向擴張最快，其次是西南、正西和西北方向，東、東南、東北方向擴張較慢，并且實現(xiàn)了城市擴張格局由主要朝單一方向發(fā)展變?yōu)槌鄠€方向同時發(fā)展的轉(zhuǎn)變。

圖6 不同時期研究區(qū)城市建設(shè)用地擴張模式Fig.6 Urban construction land expansion model in the study area in different periods

2.5 擴張模式

研究區(qū)建設(shè)用地在不同時期表現(xiàn)為不同的擴張模式(圖6)，各種模式又有其特定的分布規(guī)律，按增長類型劃分，2001—2008年研究區(qū)新增城市建設(shè)用地66.88 km2,以蔓延式增長為主，約占建設(shè)用地增長面積的70.46%，主要由主城區(qū)向外圍蔓延擴張，以南方和西南方為主，填充式增長面積共9.28 km2，占研究區(qū)新增建設(shè)用地總量的13.87%，主要分布于松北區(qū)、道里區(qū)和南崗區(qū)；2008—2013年，研究區(qū)建設(shè)用地擴張仍以蔓延式增加為主，擴張面積87.73 km2，占擴張總面積的61.03%，主要分布在松北區(qū)、道理區(qū)、平房區(qū)和香坊區(qū)，填充式擴張主要分布在主城區(qū)西南部，占研究區(qū)新增建設(shè)用地總量的33.25%；2001—2008年研究區(qū)新增城市建設(shè)用地40.32 km2,其中蔓延式增長面積28.93 km2,占總擴張面積的71.74%，主要沿主城區(qū)西北部蔓延擴張，填充式增加面積7.87 km2,面積較小，僅占研究區(qū)新增建設(shè)用地總面積的19.53%。

3 結(jié)論

基于哈爾濱市2001、2008、2013、2017年的Landsat TM遙感影像，研究了哈爾濱市近16年來建設(shè)用地擴張的時空特征，得到如下結(jié)論。

(1)2001—2017年的16年間，研究區(qū)域建設(shè)用地面積得到明顯的增加，共增加面積267.15 km2，2001年建設(shè)用地面積比例為18.87%，2017年建設(shè)用地面積比例上升至31.79%，增加的建設(shè)用地主要來源于耕地的轉(zhuǎn)換。建設(shè)用地擴張速度和擴張強度呈現(xiàn)由緩慢擴張到強勢增長后又緩慢擴張態(tài)勢，2008—2013年間，擴張強度最大，擴張強度指數(shù)為1.68。各個區(qū)域建設(shè)用地擴張強度指數(shù)也有所不同，2001—2008年，最大擴張指數(shù)主要位于道里區(qū)東部，平房區(qū)北部以及松北區(qū)南部；2008—2013年，擴張強度指數(shù)最大的地區(qū)是道里區(qū)東部，南崗區(qū)北部，平房區(qū)北部，松北區(qū)南部以及香坊區(qū)中部；2013年以后，擴張強度指數(shù)最大的地區(qū)主要是道里區(qū)東北部。

(2)通過聚集度、斑塊密度、形狀指數(shù)對研究區(qū)蔓延的結(jié)構(gòu)特征進行研究，2001—2017年間，聚集度、斑塊密度逐漸增加，這表明哈爾濱市建設(shè)用地緊湊度一直處于上升趨勢，這段時間哈爾濱市的土地利用程度逐漸提高，建設(shè)用地斑塊之間越來越聚集。形狀指數(shù)逐漸減小，這表明研究區(qū)建設(shè)用地形狀越來越規(guī)則，這是由于研究區(qū)內(nèi)部建設(shè)用地斑塊之間的空隙逐漸被填充，城市形態(tài)越來越穩(wěn)定。

(3)研究區(qū)建設(shè)用地擴張具有明顯的方向性，2001—2008年，城市土地主要沿正南方擴張，其擴張速率為27.94%，這個方向上的擴張強度明顯高于其他方向，城市主要朝單一方向發(fā)展。2008—2013年，這一時期城市向多個方向擴張，主要擴張方向在西南、正南以及東南方向，開始轉(zhuǎn)為朝多個方向同時發(fā)展的城市格局。2013—2017年，城市沿正西方向的擴張速率最大，擴張速率為11.92%，這一時期整體擴張強度較上一階段有所下降，城市規(guī)?；痉€(wěn)定?？傮w來看，2001—2017年間，研究區(qū)建設(shè)用地擴張實現(xiàn)了從主要朝單一方向擴張到多方向同時發(fā)展的轉(zhuǎn)變，正南方向擴張最快，其次是西南、正西和西北方向，東、東南、東北方向擴張較慢。

(4)不同時期不同區(qū)域內(nèi)研究區(qū)建設(shè)用地擴張模式有所不同，整體來看，研究區(qū)建設(shè)用地的擴張主要以蔓延式擴張為主，蔓延式擴張面積占建設(shè)用地總增加面積的比例最大，其次是填充式擴張，飛地式擴張面積所占比例最小，并且所分布的區(qū)域相對比較分散。