基于灘涂圍墾的海島城市時(shí)空擴(kuò)張?zhí)卣餮芯?br/>——以舟山本島為例

羊大方，李偉芳*，馬仁鋒,2，楊曉平，夏 然，朱菲菲,袁敏杰,尹昌霞

(1.寧波大學(xué) 地理與空間信息技術(shù)系，浙江 寧波 315211；2.浙江省海洋文化與經(jīng)濟(jì)研究中心，浙江 寧波 315211)

基于灘涂圍墾的海島城市時(shí)空擴(kuò)張?zhí)卣餮芯?br/>——以舟山本島為例

羊大方1，李偉芳*1，馬仁鋒1,2，楊曉平1，夏 然1，朱菲菲1,袁敏杰1,尹昌霞1

(1.寧波大學(xué) 地理與空間信息技術(shù)系，浙江 寧波 315211；2.浙江省海洋文化與經(jīng)濟(jì)研究中心，浙江 寧波 315211)

以舟山本島為研究單元，利用1995年，2005年和2015年的遙感影像，采用生態(tài)學(xué)分析、空間統(tǒng)計(jì)學(xué)分析、城市擴(kuò)張指數(shù)等方法來(lái)探究舟山本島灘涂圍墾活動(dòng)和城市用地?cái)U(kuò)張的特點(diǎn)，并分析兩者之間的關(guān)聯(lián)。結(jié)果表明：(1)在1995—2015年的20 a間，灘涂圍墾的面積不斷擴(kuò)大。(2)1995—2005年的灘涂資源利用以近陸域的海涂為主，2005—2015年逐漸向淺海發(fā)展。(3)1995—2015年間，城市用地面積前10 a增長(zhǎng)強(qiáng)度為0.53，增長(zhǎng)速度為3.01 km2/a，后10 a增長(zhǎng)強(qiáng)度為1.46，增長(zhǎng)速度為8.11 km2/a。(4)舟山本島的城市發(fā)展重心在20 a間經(jīng)歷了一個(gè)自西向東移動(dòng)而后向北跳躍的過(guò)程，各區(qū)域間協(xié)同發(fā)展，使舟山本島經(jīng)濟(jì)整體性和城市功能合理性得到提升。(5)灘涂圍墾形成的土地與城市用地?cái)U(kuò)張之間存在著正相關(guān)關(guān)系，且從研究數(shù)據(jù)來(lái)看兩者之間發(fā)生自然演替需要時(shí)間，大約為8～10 a，人工干預(yù)可以大幅縮短這個(gè)過(guò)程所需要的時(shí)間。

灘涂圍墾；遙感影像；海島城市；時(shí)空擴(kuò)張；舟山本島

0 引言

目前世界上已經(jīng)有超過(guò)一半的人口生活在城市范圍內(nèi)[1]，而海岸帶是目前世界上，包括中國(guó)在內(nèi)城市最為集中的地區(qū)[2-3]。作為海岸帶的特殊組成，海島是指四周被海水包圍，高潮時(shí)露出海面的陸地[4]。由于自然環(huán)境和自然資源的有限性以及海島城市發(fā)展的突出區(qū)位優(yōu)勢(shì)，海島城市化過(guò)程中，城市發(fā)展與自然環(huán)境之間的相互作用顯著，兩者耦合作用引導(dǎo)著海島城市空間擴(kuò)張演變歷程[5]。在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)大量占用耕地的情況下,灘涂圍墾成為實(shí)現(xiàn)耕地總量動(dòng)態(tài)平衡的主要途徑之一[6]。大規(guī)模的灘涂圍墾為沿海經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展提供了空間,但也造成了沿海海涂濕地生態(tài)系統(tǒng)功能退化、生物棲息地?fù)p失、近岸海域生物生境惡化、生物多樣性降低等一系列問題[7]。舟山市作為典型的海島型城市，是連接海洋生態(tài)環(huán)境和陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要紐帶，其生態(tài)環(huán)境及生態(tài)平衡與其他陸域及海域相比有著一定的特殊性[8]，陸域面積的有限性相較其他地區(qū)更為顯著，飛速發(fā)展的城市化進(jìn)程使得舟山市原本就狹小的陸地空間無(wú)法滿足城市建設(shè)的需求。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)圍墾方面的研究主要集中于圍墾現(xiàn)狀[9]、濕地資源的開發(fā)利用[10]、圍墾強(qiáng)度與速率[6]及圍墾對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響[7]等，對(duì)城市空間擴(kuò)張的影響等相關(guān)的研究比較少。然而伴隨著圍墾過(guò)程，原有的土地利用和城市空間都會(huì)發(fā)生翻天覆地的變化。加強(qiáng)對(duì)舟山本島灘涂圍墾的海島空間研究可為海島可持續(xù)發(fā)展提供決策參考。

1 研究區(qū)概況

舟山市由群島組成，地處太平洋西側(cè)的東海海域范圍，是長(zhǎng)江、錢塘江、甬江三條河流的出?？趨R聚之處。地理座標(biāo)位于29°32′～31°04′N， 121°30′～123°25′E之間。 北與上海市海域相連，西南方接象山港出?？冢瑬|臨太平洋，西瀕杭州灣。舟山本島是舟山市面積最大的島嶼，也是浙江省第一大島，我國(guó)第四大島，位列臺(tái)灣島、海南島、崇明島之后。舟山島地處北回歸線以北的亞熱帶，年平均氣溫在16 ℃左右，水汽豐盈，常年降水量在927～1 620 mm之間，給各種生物群落繁殖、生長(zhǎng)提供了良好的條件。舟山島屬海島丘陵地形，山地面積占陸域總面積的73.3%，島內(nèi)海拔最高點(diǎn)為黃楊尖，高503.6 m[11]。從舟山島的地理特征來(lái)看，其周邊水域?qū)儆诘湫偷膹?qiáng)潮河口外緣海域，故而長(zhǎng)江、錢塘江、甬江的潮流對(duì)舟山島周邊的含沙量格局和泥沙運(yùn)動(dòng)起著巨大作用，有的自然灘涂資源處于沖淤動(dòng)態(tài)平衡和緩慢淤積發(fā)育狀態(tài)。自1990年以后，灘涂圍墾活動(dòng)從近陸域淺海不斷向深海推進(jìn)，并逐漸發(fā)展為填海造地。1987年1 月，舟山從地區(qū)升格為市，城市發(fā)展實(shí)現(xiàn)從集鎮(zhèn)到城市的轉(zhuǎn)化，定海和沈家門從兩個(gè)獨(dú)立的小縣城合并為舟山市區(qū)。到2000年時(shí)，定海城區(qū)以城市東部地帶為主要發(fā)展方向，向城市周圍各個(gè)方向迅速擴(kuò)張，普陀區(qū)以東港新城為主要發(fā)展軸，實(shí)現(xiàn)向西和向東北的發(fā)展。灘涂圍墾用地的增多為城市快速發(fā)展提供了基礎(chǔ)。為了保證研究的完整性，本文以整個(gè)舟山島為調(diào)查區(qū)，探究海島灘涂圍墾與海島城市用地?cái)U(kuò)張之間的關(guān)系。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

遙感影像數(shù)據(jù)全部來(lái)自于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)網(wǎng)站，分辨率30 m，云量均在10%以下，軌道號(hào)為118-039的遙感圖像共3景。其中1995年與2005年數(shù)據(jù)為TM影像，2015年數(shù)據(jù)為OLI影像。本文用到的數(shù)據(jù)還包括舟山市灘涂資源現(xiàn)狀圖、舟山市多年統(tǒng)計(jì)年鑒以及ASTGTM傳感器在N29E122、N30E121和N30E122三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)上提取的DEM數(shù)據(jù)。

根據(jù)解譯標(biāo)志，將圍墾形成區(qū)域分為裸露濕地、人工填埋區(qū)域、漁業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)用地、人工邊界不完整區(qū)域4類。人工邊界不完整區(qū)的圖斑位置有明顯人工堤壩邊界，但未形成封閉圖形，因此根據(jù)人工堤壩邊界延伸，提取完整封閉區(qū)域。圍墾區(qū)域在泥沙淤積或被土方完全填埋后土地利用方式也隨之發(fā)生改變，變更后的土地利用類型基本為農(nóng)用地、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、未利用地和水域4種。針對(duì)3個(gè)時(shí)期各種景觀的變化信息，運(yùn)用Excel計(jì)算景觀指數(shù)。將全島遙感影像所有地貌景觀分為4類：水面、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、耕地和林地。完成后導(dǎo)出城鎮(zhèn)建設(shè)用地部分，通過(guò)目視判別刪除圖斑中與遙感影像不相符的部分，得到3個(gè)時(shí)間斷面城市用地的矢量數(shù)據(jù)。

2.2 景觀格局指數(shù)選取

景觀格局指數(shù)是景觀生態(tài)學(xué)界廣泛使用的一種定量研究方法,其高度濃縮了景觀格局的信息，反映景觀結(jié)構(gòu)組成和空間配置的基本特征[12]。比較前人關(guān)于景觀指數(shù)選取的研究[13]，共選取以下6個(gè)指標(biāo)為研究對(duì)象，分別為：灘涂圍墾斑塊個(gè)數(shù)(NP)、灘涂圍墾平均斑塊面積(MPS)、灘涂圍墾斑塊密度(PD)、灘涂圍墾強(qiáng)度指數(shù)(IN)、灘涂圍墾分離度指數(shù)(F)和灘涂圍墾圖斑平均分維數(shù)(MPFD)。景觀格局指數(shù)公式見表1。

2.3 城市用地?cái)U(kuò)張時(shí)空特征選取

為了全面反映舟山本島城市用地?cái)U(kuò)張的時(shí)空特征，本文采用城市用地?cái)U(kuò)張速度(V)、擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)(I(i,i+n))、擴(kuò)張規(guī)模彈性指數(shù)(Ri)、標(biāo)準(zhǔn)距離(SDW)及標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析等指數(shù)，從時(shí)間和空間的角度對(duì)舟山本島1995—2015年之間的城市用地進(jìn)行分析，并從城市用地?cái)U(kuò)張與灘涂分布象限方位分析和城市用地?cái)U(kuò)張與灘涂分布的緩沖區(qū)分析，進(jìn)一步探究海島灘涂圍墾與海島城市用地?cái)U(kuò)張之間的關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)距離(SDW)及標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析、城市用地?cái)U(kuò)張與灘涂分布象限方位分析和緩沖區(qū)分析在ArcGIS 10.1軟件中完成。時(shí)空特征指數(shù)公式見表2。

表1 景觀指數(shù)計(jì)算方法

表2 時(shí)空特征指數(shù)計(jì)算方法

3 舟山本島灘涂圍墾概況

3.1 灘涂圍墾現(xiàn)狀

從歷年圍墾情況可知，1995年的灘涂圍墾區(qū)域主要集中于舟山本島北部馬岙至螺門一線，和東南部的長(zhǎng)峙島至沈家門東港一帶，少量分布于西部沿海區(qū)域。零散的小圖斑較多。2005年的圍墾區(qū)域范圍與1995年基本相同，但相比1995年向深海延伸的程度更大，陸域附近海拔相對(duì)較高的圍墾區(qū)面積逐漸減少。到2015年時(shí)，大部分近海的圍墾區(qū)已經(jīng)基本消失，能看到明顯的大塊圖斑。新增的圍填海工程區(qū)主要位于本島與周邊島嶼之間的洋面上。

1995年，2005年和2015年3年遙感影像的解譯結(jié)果如表3所示。

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果中可以看出，2005年的灘涂圍墾區(qū)總面積最多。漁業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)用地面積在1995—2005年間減少20.52%，到2015年時(shí)剩余面積僅有1995年總量的16.31%。而進(jìn)行人工填埋工程的區(qū)域面積又以2015年最多，工程面積接近1995年的7.5倍。由此可見1995—2015年的20 a里，尤其是2005—2015年階段舟山本島范圍內(nèi)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和城鎮(zhèn)化建設(shè)強(qiáng)度較大。

表3 1995年，2005年和2015年圍墾區(qū)面積統(tǒng)計(jì)表

3.2 灘涂圍墾區(qū)域土地利用演化分析

圖1為1995—2015年灘涂圍墾區(qū)域土地利用變更情況，其中綠色區(qū)域?yàn)?995—2005年變更土地，藍(lán)色區(qū)域?yàn)?005—2015年變更土地。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4和表5所示。

由表3可知，研究區(qū)范圍內(nèi)新增灘涂圍墾面積表現(xiàn)出加速增長(zhǎng)的特征，然而相應(yīng)的年份中灘涂圍墾區(qū)面積并未出現(xiàn)同步增長(zhǎng)，這說(shuō)明在新增圍墾區(qū)不斷增長(zhǎng)的同時(shí)，有一定量的圍墾土地向其他方式的土地利用類型轉(zhuǎn)變。

1995—2015年全部圍墾區(qū)域內(nèi)42.79%的土地轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)建設(shè)用地，5.93%的土地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)用地，剩余圍墾區(qū)面積占整體圍墾區(qū)域的51.28%。灘涂圍墾區(qū)域在轉(zhuǎn)變?yōu)殛懹虻某跗?，因地質(zhì)、土壤及政策等方面條件不適合進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或是建筑物建設(shè)，導(dǎo)致該類土地被暫時(shí)擱置待整理后再作開發(fā)。因而，2005年和2015年的用地類型中有一定比例的未利用地。各用地類型的具體變化速率情況如表6所示。

不難看出，灘涂圍墾區(qū)域用地類型在1995—2005年間變化相對(duì)緩慢，而在2005—2015年這段時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈的改變，農(nóng)田和城鎮(zhèn)建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化速率皆為1995—2005年時(shí)間段的3～4倍。變化的主要特征為城鎮(zhèn)建設(shè)用地急速增長(zhǎng)而農(nóng)田數(shù)量小幅度上升。

圖1 1995—2015年圍墾區(qū)域土地利用變更情況Fig.1 Land use change of reclamation area from 1995 to 2015

km2

表5 1995—2015年圍墾區(qū)土地利用方式變更統(tǒng)計(jì)表

表6 1995—2015圍墾區(qū)相關(guān)地類變化速率統(tǒng)計(jì)表

3.3 灘涂圍墾數(shù)據(jù)景觀指數(shù)分析

根據(jù)上文所選取的公式，計(jì)算景觀指數(shù)所需的數(shù)據(jù)為：NP(圖斑個(gè)數(shù))、A(圖斑面積)、L(岸線長(zhǎng)度)、P(圖斑周長(zhǎng))、Ai(i類圖斑面積)、Ni(i類圖斑個(gè)數(shù))，其中i=1，因此Ai=A，Ni=NP。NP，A和P三個(gè)數(shù)據(jù)可以通過(guò)ArcGIS 10.1軟件直接從已經(jīng)完成的灘涂圍墾遙感影像解譯結(jié)果上提取，岸線長(zhǎng)度數(shù)據(jù)即水域包圍形成區(qū)域的矢量數(shù)據(jù)，其中的周長(zhǎng)信息即為所需的岸線長(zhǎng)度。匯總計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表7所示。

歷年灘涂圍墾數(shù)據(jù)的景觀指數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，1995年的灘涂圍墾區(qū)域數(shù)量多、破碎度大、離散程度較高，人類活動(dòng)強(qiáng)度大。1995至2005年的10 a間，研究區(qū)范圍內(nèi)圍墾區(qū)域數(shù)量呈緩慢減少的態(tài)勢(shì)，灘涂開發(fā)強(qiáng)度緩慢下降。而2005至2015年間，灘涂圍墾區(qū)域的數(shù)量快速減少，圍墾開發(fā)的強(qiáng)度也明顯下降，地塊的完整性顯著提高，空間分布情況也較前10 a更加集中。從圖斑平均分維數(shù)看，3個(gè)年份間圖斑的分維數(shù)并沒有發(fā)生較大變化，但相對(duì)來(lái)說(shuō)1995年的圖斑更為規(guī)則、簡(jiǎn)單，接近正方形。此外，在圖斑分維數(shù)的計(jì)算過(guò)程中，部分地塊出現(xiàn)了分維數(shù)小于1的情況，這說(shuō)明此類灘涂圍墾區(qū)域受人類活動(dòng)的影響比其他區(qū)域要大，部分邊界更接近圓形，在周長(zhǎng)相等的情況下比正方形所能涵蓋的水域面積更大。

表7 圍墾區(qū)圖斑景觀指數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 城市用地?cái)U(kuò)張時(shí)空特征

4.1 城市用地變化概況

將研究區(qū)內(nèi)地貌景觀分為四類：水面、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、耕地和林地。得到3個(gè)時(shí)間斷面城市用地的矢量數(shù)據(jù)?？梢杂?jì)算出舟山本島面積為555.71 km2，城市建成區(qū)面積1995年為19.61 km2,2005年為49.57 km2,2015年為130.88 km2。從圖2中可以直觀看出，舟山本島的城市用地總量在1995—2015年的20 a間呈加速上升的態(tài)勢(shì)，2005—2015年間的城市用地增長(zhǎng)量要遠(yuǎn)大于1995—2005年。1995年時(shí)城市用地主要集中于舟山本島南部沿海的定海、沈家門兩個(gè)歷史城區(qū)，北部沿海僅有規(guī)模不大的村莊聚落。到2005年時(shí)，可明顯看出城市用地已開始逐漸向其他區(qū)域擴(kuò)張，其中又以定海、沈家門兩城之間的連接地帶最為突出。2015年的圖像數(shù)據(jù)則表明，城市用地已基本覆蓋整個(gè)舟山本島。南部形成以定海、臨城、沈家門3個(gè)城區(qū)為核心的連貫城市發(fā)展帶，北部沿海地區(qū)也從分散村莊聚落發(fā)展為集中連片的城鎮(zhèn)。

圖2 舟山本島1995—2015年城市建成區(qū)分布情況Fig.2 Built-up area distribution of urban in Zhoushan Island from 1995 to 2015

4.2 城市用地?cái)U(kuò)張時(shí)間特征

4.2.1 擴(kuò)張速度分析

根據(jù)過(guò)去15 a間學(xué)界對(duì)城市用地?cái)U(kuò)張速度的研究，基本可以將城市用地?cái)U(kuò)張的速度分為以下4個(gè)等級(jí)：低速擴(kuò)張(擴(kuò)張速度小于2 km2/a)、中速擴(kuò)張(擴(kuò)張速度介于2～6 km2/a)、快速擴(kuò)張(擴(kuò)張速度介于6～10 km2/a)、高速擴(kuò)張(擴(kuò)張速度大于10 km2/a)[14]。根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算和分類后得到的結(jié)果如表8所示。

依照城市擴(kuò)張速度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，舟山本島在1995—2015年的20 a間城市用地整體擴(kuò)張速度等級(jí)為中速擴(kuò)張。相對(duì)而言，前10 a的城市用地?cái)U(kuò)張趨勢(shì)較為平穩(wěn)，擴(kuò)張速度為3.01 km2/a，屬于中速擴(kuò)張；后10 a的城市用地?cái)U(kuò)張速度激增至8.11 km2/a，是1995—2005年時(shí)間段內(nèi)速度的2.7倍，屬于快速擴(kuò)張。這表明，1995—2005年期間，舟山本島范圍內(nèi)的城鎮(zhèn)化進(jìn)程處于相對(duì)緩慢的階段。而隨著近幾年國(guó)家對(duì)發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)的重視程度提高，及2011年舟山群島新區(qū)的設(shè)立，舟山本島的城鄉(xiāng)發(fā)展在近10 a里處于快速城鎮(zhèn)化的階段。

表8 1995—2015年舟山本島城市用地?cái)U(kuò)張速度統(tǒng)計(jì)

4.2.2 擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)分析

參照劉盛和 等[15]人研究北京城市用地?cái)U(kuò)張時(shí)所用的標(biāo)準(zhǔn)，將擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)分為5級(jí)：緩慢擴(kuò)張(0～0.28)，低速擴(kuò)張(0.28～0.59)，中速擴(kuò)張(0.59～1.05)，快速擴(kuò)張(1.05～1.92)和高速擴(kuò)張(>1.92)。舟山本島數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果如表9所示。

結(jié)果顯示，舟山本島范圍內(nèi)城市用地的擴(kuò)張強(qiáng)度，呈快速上升的態(tài)勢(shì)。1995—2005年的擴(kuò)張強(qiáng)度為0.53，屬于中速擴(kuò)張，而2005—2015年的擴(kuò)張強(qiáng)度飆升至前10 a的近3倍，步入快速擴(kuò)張的階段。整體而言，舟山城市用地在近20 a間的擴(kuò)張強(qiáng)度屬于中速擴(kuò)張，這一信息也與擴(kuò)張速度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相吻合。值得一提的是，舟山本島陸域范圍中，有接近40%的土地為山地丘陵景觀，開發(fā)利用難度大。實(shí)際可利用的土地總面積應(yīng)相對(duì)小于計(jì)算中所用的總面積值。

表9 1995—2015年舟山本島城市用地?cái)U(kuò)張強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表

4.2.3 擴(kuò)張規(guī)模彈性指數(shù)分析

研究區(qū)范圍內(nèi)城市用地?cái)U(kuò)張規(guī)模彈性指數(shù)如表10所示。一般認(rèn)為城市用地規(guī)模彈性系數(shù)為1.12時(shí)比較合理[16]。結(jié)果顯示，舟山本島范圍內(nèi)1995—2015年的城市擴(kuò)張規(guī)模彈性指數(shù)大幅度偏離1.12。且1995—2005年間的數(shù)值要小于2005—2015年。這也客觀說(shuō)明，在這20 a時(shí)間里，舟山本島的土地利用效率得到切實(shí)的提高，土地集約化利用日趨成熟，人口與土地資源之間的關(guān)系也隨之變得更加緊張，但舟山本島范圍內(nèi)的人口總量仍有進(jìn)一步增長(zhǎng)的空間。

表10 1995—2015年舟山本島城市擴(kuò)張規(guī)模彈性指數(shù)表

注：年均人口增長(zhǎng)參考《1995年舟山市統(tǒng)計(jì)年鑒》[17],《2005年舟山市統(tǒng)計(jì)年鑒》[18]和《2015年舟山市統(tǒng)計(jì)年鑒》[19]

4.3 城市用地?cái)U(kuò)張空間特征

4.3.1 標(biāo)準(zhǔn)距離及標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析

在3個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，通過(guò)對(duì)舟山本島城市用地的標(biāo)準(zhǔn)距離計(jì)算分析來(lái)反映城市擴(kuò)張?jiān)诳臻g上分布的重心和平均范圍。在時(shí)間尺度上，通過(guò)辨析標(biāo)準(zhǔn)距離的重心與動(dòng)態(tài)軌跡能夠良好地突出城市用地?cái)U(kuò)張覆蓋范圍的時(shí)空過(guò)程[20]。標(biāo)準(zhǔn)距離計(jì)算結(jié)果如表11和圖3所示，重心偏移情況如表12所示，標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析結(jié)果如表13和圖4所示。

在3個(gè)年份城市用地標(biāo)準(zhǔn)距離的計(jì)算結(jié)果中，2015年的標(biāo)準(zhǔn)距離最大,2005年的標(biāo)準(zhǔn)距離最小。這表明2005年城市用地的分布情況在3個(gè)年份里最為集中，這是因?yàn)?995—2005年間新增的城市用地主要分布在舟山本島重心附近的新城區(qū)所造成的。而2005—2015年間城市用地在全島范圍內(nèi)擴(kuò)展，分布情況比較分散，導(dǎo)致2015年標(biāo)準(zhǔn)距離值上升。城市用地?cái)U(kuò)張的總體方向?yàn)橄认驏|發(fā)展，而后向北轉(zhuǎn)移。

舟山本島城市用地的長(zhǎng)軸走向一直為SE—NW方向，短軸走向保持NE—SW方向，這種情況主要是由舟山島本身的地理?xiàng)l件所決定的。研究時(shí)間段內(nèi)，1995—2005年的橢圓旋轉(zhuǎn)角變化較小，2005—2015年的旋轉(zhuǎn)角變化較大，向E—W方向發(fā)生偏移。對(duì)比各個(gè)時(shí)期標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的長(zhǎng)、短軸數(shù)據(jù)后可以發(fā)現(xiàn)，2005年較1995年長(zhǎng)軸縮短428.6 m，短軸增長(zhǎng)225 m；2015年較2005年，長(zhǎng)軸增長(zhǎng)925 m，短軸縮短522.9 m。說(shuō)明1995—2005年的城市用地?cái)U(kuò)張主要集中于NE—SW方向，而2005—2015年間城市用地在SE—NW方向上大量增長(zhǎng)。同時(shí)，從圖中可以明顯看出，2015年的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓有向西北方向移動(dòng)的跡象，這說(shuō)明舟山本島的城市用地整體上呈北擴(kuò)的態(tài)勢(shì)，這也印證了標(biāo)準(zhǔn)距離的計(jì)算結(jié)果。因此總體而言，在本次研究所選取的時(shí)間段內(nèi)，舟山本島城市用地?cái)U(kuò)張的空間特征為先自西向東緩慢發(fā)展而后快速向北擴(kuò)張，并逐步覆蓋全島。

表11 1995—2015年舟山本島城市用地標(biāo)準(zhǔn)距離值統(tǒng)計(jì)表

圖3 1995—2015年舟山本島城市用地標(biāo)準(zhǔn)距離圖Fig.3 Calculation result of urban land standard distance of Zhoushan Island from 1995 to 2015

項(xiàng)目1995—2005年2005—2015年1995—2015年轉(zhuǎn)移距離/m824.11486.61367.2轉(zhuǎn)移方向ESENNWNNE

表13 1995—2015年舟山本島城市用地標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析統(tǒng)計(jì)表

圖4 1995—2015年舟山本島城市用地?cái)?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓圖Fig.4 Urban land standard deviation ellipse of Zhoushan Island from 1995 to 2015

4.3.2 城市用地?cái)U(kuò)張與灘涂分布象限方位分析

城市的不同區(qū)域由于受其自身自然條件的限制，能夠進(jìn)行開發(fā)利用的方式各有不同，舟山本島的情況也是如此。將城市用地?cái)U(kuò)張數(shù)據(jù)與灘涂圍墾數(shù)據(jù)按象限劃分(其中2015年的灘涂圍墾區(qū)域，其后續(xù)土地利用方式尚未可知，因此未納入考慮)，結(jié)果如表14、表15和圖5所示。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明1995—2005年間，僅有第Ⅲ象限處于快速擴(kuò)張階段，第Ⅱ象限屬于中速擴(kuò)張，而Ⅰ、Ⅳ象限則處于低速和緩慢擴(kuò)張的階段。到2005—2015年間，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ象限的擴(kuò)張速度極大提升，第Ⅲ象限小幅上升。從整體情況來(lái)看，第Ⅲ象限內(nèi)城市用地?cái)U(kuò)張的強(qiáng)度最大，而灘涂圍墾的面積最小，不足其他區(qū)域的10%。剩余3個(gè)區(qū)域雖然灘涂圍墾的面積較大，但在用圍墾面積數(shù)據(jù)與擴(kuò)張強(qiáng)度之間進(jìn)行相關(guān)性分析后，并未出現(xiàn)明顯特征。同時(shí)，在圖5中可以看出1995—2005年所形成的圍墾區(qū)，僅有少量與1995—2005年間城市用地?cái)U(kuò)張范圍重合，大部分分布在2005—2015年的城市用地?cái)U(kuò)張范圍內(nèi)，且多表現(xiàn)為大范圍的集中或連片形態(tài)。由此可以推斷出，研究區(qū)范圍內(nèi)城市用地的自然擴(kuò)張主要侵蝕的還是農(nóng)田和林地，灘涂圍墾用地為以上兩類用地不足時(shí)的替代方案。圍墾區(qū)的主要優(yōu)勢(shì)在于地塊連片、完整、破碎度小，占地面積可在有限的范圍內(nèi)通過(guò)人工手段進(jìn)行調(diào)整，劣勢(shì)則是人力成本高和生態(tài)破壞相對(duì)嚴(yán)重。因此，灘涂圍墾區(qū)域在城市用地?cái)U(kuò)張中起到的主要作用，應(yīng)是根據(jù)對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)城市建設(shè)或產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要對(duì)城市建設(shè)用地進(jìn)行定向補(bǔ)充擴(kuò)張，而非用于自然擴(kuò)張。

表14 灘涂圍墾區(qū)域分象限統(tǒng)計(jì)表

表15 城市用地?cái)U(kuò)張情況分象限統(tǒng)計(jì)表

圖5 各象限城市用地?cái)U(kuò)張-圍墾情況圖Fig.5 Urban land expansion and reclamation relation in each quadrant

4.3.3 城市用地?cái)U(kuò)張與灘涂分布的緩沖區(qū)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示(表16)，1995—2005年和2005—2015年城市用地?cái)U(kuò)張的峰值均出現(xiàn)在半徑為6～9 km的緩沖區(qū)內(nèi)，之后1995—2005年曲線表現(xiàn)出沿坐標(biāo)軸正方向下行的形態(tài)，而2005—2015年數(shù)據(jù)在18～21 km緩沖區(qū)范圍出現(xiàn)小幅的轉(zhuǎn)折。另一方面，1995—2005年整體圍墾的峰值出現(xiàn)在6～9 km和9～12 km兩個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)，在15～18 km和18～21 km緩沖區(qū)內(nèi)也表現(xiàn)出轉(zhuǎn)折上揚(yáng)的特征，與2005—2015年的城市用地?cái)U(kuò)張?zhí)卣鬏^為相似?；谶@一特點(diǎn)，再使用SPSS 19.0數(shù)理分析軟件對(duì)這兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，分析結(jié)論為Person值0.841，在0.05水平上顯著相關(guān)。這說(shuō)明從舟山本島發(fā)展動(dòng)力角度來(lái)看，灘涂圍墾用地與城市用地?cái)U(kuò)張之間有較強(qiáng)的聯(lián)系，但在時(shí)間尺度上，有接近10 a的滯后性。如果將6～9 km及相鄰緩沖帶視為舟山本島城市用地的核心區(qū)，18～21 km及周邊范圍則可視為邊緣區(qū)。從分析的結(jié)果可以看出，近20 a里舟山本島核心區(qū)一直保持著較強(qiáng)的發(fā)展動(dòng)力，而邊緣區(qū)的發(fā)展動(dòng)力在近10 a內(nèi)得到顯著提升，處于兩者之間的過(guò)渡地帶相對(duì)發(fā)展動(dòng)力較弱。

表16 圍墾-城市擴(kuò)張緩沖區(qū)統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論

本文以1995年，2005年和2015年的遙感影像為數(shù)據(jù)源，使用ENVI 5.1、ERDAS 9.0、ArcGIS 10.1軟件及相關(guān)統(tǒng)計(jì)軟件，借助景觀指數(shù)模型、城市擴(kuò)張指數(shù)、質(zhì)心橢圓模型、象限分析方法以及緩沖區(qū)分析對(duì)舟山本島的城市用地?cái)U(kuò)張、灘涂利用演變及兩者之間關(guān)系進(jìn)行探究。研究結(jié)果表明：

(1)在1995—2015年的20 a間，舟山本島的灘涂圍墾活動(dòng)處于相當(dāng)活躍的狀態(tài)，灘涂圍墾的總范圍不斷擴(kuò)大，圍墾面積增速持續(xù)上升，圍墾開發(fā)的強(qiáng)度隨時(shí)間推移略有下降，在經(jīng)過(guò)幾十年的利用后本島周邊的灘涂資源面臨枯竭。

(2)前10 a的灘涂資源利用以近陸域但漲潮水位較高的灘涂為主，后10 a逐漸向淺海發(fā)展。城市重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域周邊即使缺乏開發(fā)條件較好的灘涂資源，也會(huì)在不造成嚴(yán)重生態(tài)影響的前提下，對(duì)周邊水域采用人工填埋等成本相對(duì)較高的作業(yè)方式。

(3)20 a間，城市用地面積隨著舟山市的人口、經(jīng)濟(jì)、城鎮(zhèn)化發(fā)展水平的提升而增長(zhǎng)。城市用地?cái)U(kuò)張情況在這20 a里差異較大，不管從城市用地面積增速角度來(lái)看，還是從城市用地?cái)U(kuò)張強(qiáng)度來(lái)看，1995—2005年整體表現(xiàn)為中低速擴(kuò)張，2005—2015年城市用地則呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。盡管后10 a城市用地?cái)U(kuò)張速度較快，但土地利用率也處于相對(duì)較高的水平，這說(shuō)明舟山在2005—2015年間處于一個(gè)城鎮(zhèn)化快速推進(jìn)、人口大量聚集的階段。

(4)舟山本島的城市發(fā)展重心在20 a間經(jīng)歷了一個(gè)自西向東移動(dòng)而后向北跳躍的過(guò)程。各區(qū)域間協(xié)同發(fā)展，使舟山本島經(jīng)濟(jì)整體性和城市功能合理性得到提升。

(5)灘涂圍墾形成的土地與城市用地?cái)U(kuò)張之間存在著正相關(guān)關(guān)系，且從研究數(shù)據(jù)來(lái)看兩者之間發(fā)生自然演替需要時(shí)間，大約為8～10 a，人工干預(yù)可以大幅縮短這個(gè)過(guò)程所需要的時(shí)間。

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Dynamic analysis of urban spatial and temporal expansion of island city:A case study of Zhoushan Island

YANG Da-fang1, LI Wei-fang*1, MA Ren-feng1,2, YANG Xiao-ping1,XIA Ran1, ZHU Fei-fei1, YUAN Min-jie1, YIN Chang-xia1

(1.DepartmentofGeography&SpatialInformationTechniques,NingboUniversity,Ningbo315211,China;2.MarineCultureandEconomyResearchCenter,Ningbo315211,China)

Based on the three phase of remote sensing images of Zhoushan Island in 1995, 2005 and 2015, through the interpretation of human-computer interaction, the image of the land resources and urban land use data were obtained. And then using the ecology analysis method, spatial statistics analysis method, urban expansion index method, the Zhoushan Island reclamation activities and urban land expansion characteristics were explored, and meanwhile the association between them was also analyzed. Finally, the following conclusions were acquired: (1) The total reclamation area in Zhoushan Island was expanded from 1995 to 2015. (2) In the first ten years, land use at the beach resources was mostly in land near the beach, while it gradually went to the shallow sea in the late ten years. (3) In the years from 1995 to 2005, the growth intensity was 0.53 and the growth speed was 3.01 km2/a. In the years from 2005 to 2015, the growth intensity was 1.46 and the growth speed was 8.11 km2/a. (4) The city development center of Zhoushan Island had experienced a move from west to east and then had a northward jump process during the past 20 years. Coordinated development had been made among the various regions so that the economic integrity of Zhoushan Island and the rationality of urban functions had been upgraded. (5) The cultivation of land by tideland reclamation and urban land expansion were positively related, the research data showed that natural succession took about 8-10 years, artificial intervention could significantly shorten the process.

beach reclamation; remote sensing image; island city; spatial and temporal expansion; Zhoushan Island

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.02.007.

2015-10-10

2017-03-28

浙江省社會(huì)科學(xué)重點(diǎn)研究基地2015年度省社科規(guī)劃項(xiàng)目資助(15JDHY01YB)

羊大方(1992-)，男，浙江杭州市人，主要從事土地資源管理研究。E-mail：yangdafang123@163.com

*通訊作者：李偉芳(1964-)，男，副教授，主要從事土地資源管理研究。E-mail：liweifang@nbu.edu.cn

TU984.11+3

A

1001-909X(2017)02-0061-13

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.02.007

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