長沙市建成區(qū)城市用地功能變化的特征識別*

李家裕，黃春華

隨著城市快速發(fā)展和人口不斷增加，城市交通擁堵、用地緊缺、環(huán)境惡化等大城市病問題日益凸顯，城市更新顯得愈發(fā)迫切。2021 年中國政府明確提出實施城市更新行動，旨在優(yōu)化城市結(jié)構(gòu)、提升城市品質(zhì)、改善居住環(huán)境，從而實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展[1]。全球氣候變化導(dǎo)致的氣象災(zāi)害問題日益嚴峻。2020 年9 月，中國鄭重承諾2030 年前實現(xiàn)碳達峰、努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和[2]，城市低碳發(fā)展成為必然要求。

城市用地是指按照特定功能和用途分配的土地，反映了城市布局的形態(tài)和功能性質(zhì)的差異[3]。其中，城市用地功能有單一與混合之分。城市用地功能混合的概念源于1961 年簡·雅各布斯提出的混合基本功能。美國的房地產(chǎn)行業(yè)組織普遍認為：混合功能包含住宅、零售、辦公、娛樂等功能，謀求空間利用最大化的集成開發(fā)[4]，也包括特定區(qū)域相鄰地塊不同功能類型的組合[5]，混合在特定尺度才有意義，多種不同功能的地塊之間仍然存在不同程度的混合[6]。土地集約利用是國家一直倡導(dǎo)的要求，而城市用地功能混合則被認為是促進土地資源集約、緊湊利用，強化空間共享與活力，提高空間多樣性，實現(xiàn)低碳發(fā)展的重要途經(jīng)[7-9]。目前城市規(guī)劃管理在用地分類上只進行單一功能用地劃分，與城市用地功能混合布局的實際情況和發(fā)展需求有較大差異。因此，識別城市用地的單一功能和混合功能并進行功能變化的分析能有效反映城市土地利用效率，符合城市發(fā)展趨勢，能更加準(zhǔn)確把握城市用地的發(fā)展變化，指導(dǎo)城市用地功能布局。

目前對城市用地功能的識別研究主要包括兩個方面：一是通過遙感影像和地理信息系統(tǒng)等技術(shù)手段對城市用地類型進行分類和分析。二是通過實地調(diào)查和統(tǒng)計分析等手段對城市用地功能進行判斷和評價。第一個方面，遙感影像主要用于提取各類型土地利用，如城鎮(zhèn)工礦用地、耕地、林地等，對于精細化提取城市內(nèi)各類型用地存在諸多問題，并且由于遙感圖像在某種情況下所需成本和勞動力較高，因此不容易及時應(yīng)用于所有城市的城市擴張研究[10]。此外，遙感分析強調(diào)城市發(fā)展的物理角度，而不考慮其他維度[11]。第二個方面，往往基于人工經(jīng)驗和專家意見，存在主觀性和誤差，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不高。而興趣點（Point of Interest，POI）數(shù)據(jù)以點的形式呈現(xiàn)，能描述地理實體的準(zhǔn)確信息，包括名稱、地理坐標(biāo)等。因其定位精確、容易獲取、包含信息齊全的優(yōu)點，在城市商業(yè)設(shè)施空間分布、空間結(jié)構(gòu)研究、土地利用分類的完善、城市功能區(qū)的劃分、公共服務(wù)的優(yōu)化等方面應(yīng)用廣泛。吳佳楠等基于POI 數(shù)據(jù)采用SOFM 網(wǎng)絡(luò)對深圳市城市土地利用的功能進行識別與分析[12]。冉釗等利用長沙市六區(qū)POI 數(shù)據(jù)采用核密度分析、熵指數(shù)等方法對長沙市生活性服務(wù)業(yè)的空間格局特征進行研究[13]。池嬌等利用POI 數(shù)據(jù)對6 類城市功能區(qū)進行定量識別[14]。LIU等基于POI 數(shù)據(jù)和RS 數(shù)據(jù)采用核密度分析法、RS 目視解譯等GIS 空間分析法對北京市工業(yè)用地更新進行特征識別研究[15]。曹根榕等利用POI 數(shù)據(jù)并采用網(wǎng)格分析法、樣方比例法、GIS 空間分析法等對上海市中心城區(qū)“三生空間”進行識別與分析[16]。

長沙市作為“一帶一路”節(jié)點城市，湖南省“一帶一部”首位城市以及“長株潭”城市群核心城市，擔(dān)負著承東啟西、連接南北的戰(zhàn)略重任。然而，長沙市目前的發(fā)展路徑仍然存在明顯的傳統(tǒng)依賴，城市“攤大餅”建設(shè)的現(xiàn)象嚴重，亟需從規(guī)模擴張走向精明增長，加強高端服務(wù)功能集聚，規(guī)劃必須利用空間供給的轉(zhuǎn)型倒逼經(jīng)濟轉(zhuǎn)型。同時，中央對土地調(diào)控要求不斷提高，城市用地績效需要提高以適應(yīng)城市高質(zhì)量發(fā)展的需要。

城市建成區(qū)的城市用地功能變化是指對城市土地資源進行再利用和再開發(fā)的過程。城市用地功能更新可以提高城市的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益，提升城市形象和品質(zhì)。因此，對城市用地功能變化的特征進行識別，可以更好地推進城市用地功能更新工作，提高城市的可持續(xù)發(fā)展水平。本文主要為識別城市用地功能變化的特征，分析城市用地功能變化的現(xiàn)狀和趨勢，對提高城市用地功能更新工作的效果和質(zhì)量具有重要意義。

總之，利用POI 數(shù)據(jù)能較精確地識別城市用地功能，但目前研究主要針對某一年份的行政區(qū)域內(nèi)城市用地功能識別分析，較少對長時序的城市建成區(qū)用地功能變化特征分析；并且缺乏面向城市發(fā)展實際情況與需求的城市功能混合利用的混合用地識別?；诖?，本研究以長沙市建成區(qū)為研究對象，基于2012 年與2022年的POI數(shù)據(jù)，運用頻數(shù)密度與類型比例法以及核密度分析法劃分城市單一與混合功能用地及分析其時空變化特征，并進一步與基于RS 數(shù)據(jù)的解譯結(jié)果進行對比分析。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究范圍確定

本文選取長沙市建成區(qū)作為研究范圍，以谷歌地球2012 年12 月與2022 年12 月的歷史高分辨率影像圖為底圖，空間分辨率為0.60 m，結(jié)合JIANG 等[17]學(xué)者分享的長沙市2010 年和2020 年的建成區(qū)數(shù)據(jù)，利用ArcGIS10.2 軟件，目視解譯得到長沙市2012 年與2022年的建成區(qū)范圍，作為本文的研究范圍，如圖1、2 所示。長沙市建成區(qū)涉及芙蓉區(qū)、天心區(qū)、岳麓區(qū)、開福區(qū)、雨花區(qū)、望城區(qū)、長沙縣共7 個行政區(qū)劃，7個行政區(qū)劃的總面積為3955.38 km2，兩期建成區(qū)面積分別為603.22 km2、988.96 km2，占比為15.25%、25.00%。建成區(qū)是城市化的主體和規(guī)劃管理的重點，是長沙核心功能的主要承載區(qū)，也是長沙建設(shè)國際知名的創(chuàng)新創(chuàng)意中心和智能制造中心的重要區(qū)域。對這一區(qū)域進行評估，對于提高長沙市的服務(wù)保障能力十分必要。

圖1 長沙市行政區(qū)劃圖

圖2 2012 年與2022 年研究范圍

在進行POI 數(shù)據(jù)識別城市用地功能之前，首先將2022 年長沙市建成區(qū)劃分基本識別單元，結(jié)合長沙市實際街區(qū)尺度以及趙廣英等[18]研究中推薦的街區(qū)單元的測度尺度，本研究劃分500m×500m 的網(wǎng)格作為基本識別單元，研究范圍內(nèi)共包括4303 個基本單元。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1 POI 數(shù)據(jù)校正

POI 主要是指與人們生活密切相關(guān)的地理實體，如學(xué)校、商業(yè)貿(mào)易、政府機關(guān)等。本研究中的POI 數(shù)據(jù)來自長沙市2012 年10 月與2022 年9 月的高德電子地圖的抓取。在對POI 數(shù)據(jù)進行分析之前，需要對其進行重分類與重復(fù)數(shù)據(jù)刪除處理。結(jié)合《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)（GB50137-2011）》[19]6-9與相關(guān)研究[12，14-16，18]分析，并遵循POI 分類的普遍性與一致性原則[20]，本研究提取14 大類進行數(shù)據(jù)重分類與清理，重分類為居住、公共管理與公共服務(wù)、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施、工業(yè)、交通設(shè)施、綠地與廣場6 類功能用地。

本研究剔除公眾認知度低[21]、在城市用地功能識別中不顯著的POI 數(shù)據(jù)，如便利店、公交車站等，保留能明顯體現(xiàn)城市用地功能特征的POI 數(shù)據(jù)。通過重新分類后，并根據(jù)POI 公眾認知度刪除重復(fù)數(shù)據(jù)中公眾認知度較低的POI，本研究收集了26299 和176594 個數(shù)據(jù)點，如表1 所示。

表1POI 數(shù)據(jù)分類與綜合權(quán)重賦值

城市地塊功能屬性受實體對象的面積以及公眾認知度的影響。POI 數(shù)據(jù)是抽象點，無法體現(xiàn)實體對象的建筑面積或占地面積，而且城市中不同實體對象的面積差異較大。不同的POI 類型，公眾認知度也不同。因此，通過權(quán)重賦值的方式對分類后的POI 數(shù)據(jù)進行處理。研究通過遙感影像與相關(guān)資料的查詢，以及參考曹根榕等研究[16]49，依據(jù)各類用地面積的平均值對各類指標(biāo)進行賦值，賦值區(qū)間為（0，100），并將其定義為影響度指數(shù)imp。并且研究參考趙衛(wèi)鋒等對POI 數(shù)據(jù)的公眾認知度調(diào)查分析[21]，對調(diào)查得到的各類POI 顯著程度均值進行（0.1，1）的歸一化處理，得到各類型POI 的公眾認知度指數(shù)cog。基于對影響度與公眾認知度的數(shù)據(jù)分析，將各類型POI 數(shù)據(jù)的影響度和公眾認知度指標(biāo)累積起來得到POI 的綜合權(quán)重（表1）：W=imp×cog。

1.2.2 RS 數(shù)據(jù)解譯

RS 遙感影像圖來自谷歌地球2012 年12 月與2022 年12 月的歷史高分辨率影像圖，空間分辨率為0.60m。本研究以《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)（GB50137-2011）》[19]6-9為基礎(chǔ)，確定長沙市建成區(qū)的土地劃分標(biāo)準(zhǔn)與POI 數(shù)據(jù)用地分類一致，即包括居住、公共管理與公共服務(wù)、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施、工業(yè)、交通設(shè)施、綠地與廣場以及其他功能用地。本文將遙感影像的圖像特征與谷歌地圖和高德地圖進行對比，參考LIU 等研究[15]5，確定解譯標(biāo)準(zhǔn)，如表2 所示。利用ArcGIS10.2 軟件平臺，基于2023 年2 月的Open Street Map 道路數(shù)據(jù)提取高架及快速路、城市主干路、城市次干路路網(wǎng)進行圖斑劃分，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)解譯標(biāo)準(zhǔn)，目視解譯進一步劃分得到長沙市2012 年和2022 年的建成區(qū)范圍內(nèi)的用地類型數(shù)據(jù)。

表2 遙感圖像下不同類型土地的解譯標(biāo)準(zhǔn)

1.3 研究方法

本文的研究框架主要包含6 個部分，分別為研究范圍確定、POI 數(shù)據(jù)校正、RS 數(shù)據(jù)解譯，基于POI 數(shù)據(jù)的城市用地功能變化分析、基于RS 解譯的城市用地功能變化分析、POI 數(shù)據(jù)與RS 數(shù)據(jù)對比分析。研究方法用于基于POI 數(shù)據(jù)的城市用地功能變化分析，具體包括采用頻數(shù)密度與類型比例法進行用地功能識別，通過混淆矩陣驗證識別結(jié)果，在用地功能識別結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用核密度分析法對用地空間格局變化進行分析。

1.3.1 頻數(shù)密度與類型比例法

根據(jù)竇旺勝等人[22]807對區(qū)位熵方法改進，使用頻數(shù)密度與類型比例法識別城市用地功能。公式如下：

其中，F(xiàn)i表示該網(wǎng)格內(nèi)第i 類POI 數(shù)量占該類型POI總數(shù)的頻數(shù)密度，i 代表一級類用地類型，ni代表網(wǎng)格內(nèi)第i 類POI 數(shù)據(jù)個數(shù)，Ni代表第i 類POI 總數(shù)。Ci表示第i 類POI 的頻數(shù)密度占網(wǎng)格內(nèi)所有類型的POI 頻數(shù)密度比例。

當(dāng)Ci值大于或等于50%時，該網(wǎng)格被劃分為“單一功能用地”，具體用地類型即Ci值對應(yīng)的一級類功能用地。如果網(wǎng)格內(nèi)所有Ci值均小于50%，則該網(wǎng)格被劃分為“混合功能用地”。這時，根據(jù)Ci值大小排序前三的類型確定為該網(wǎng)格的混合用地類型，其中Ci值最大的用地類型為該混合用地類型的主導(dǎo)用地類型。如果網(wǎng)格內(nèi)沒有數(shù)據(jù)，則將該網(wǎng)格劃分為“無數(shù)據(jù)區(qū)”，用地類型統(tǒng)一稱為“其他用地”。

1.3.2 核密度分析法

核密度分析法（Kernel Density Estimation，KDE）被用來計算元素在其周圍鄰域的密度。該密度在中心最大，并隨距離衰減，在極限距離處密度為零[15]5。在分析點要素的空間分布特征時，KDE 用來反映點要素的空間分布相對集中程度[23]。通過ArcGIS10.2 中核密度分析法測算長沙市建成區(qū)城市功能用地的空間分布密度，分析各類功能用地的整體空間分布特征。其表達式如下：

其中，kj是研究對象j 的權(quán)重，dij是空間點i 和研究對象之間的距離，r 是選定區(qū)域的帶寬。

1.3.3 混淆矩陣

混淆矩陣（Confusion Matrix）以矩陣的形式描繪樣本數(shù)據(jù)的真實屬性和預(yù)測結(jié)果之間的關(guān)系，是用來評價分類器性能的一種常用方法，可用n 行n 列的矩陣形式來表示，得到N×N 維混淆矩陣CM（C, M）。

混淆矩陣的每一列代表了預(yù)測類別，每一列的總數(shù)表示預(yù)測為該類別的數(shù)量；每一行代表了數(shù)據(jù)的真實類別，每一行的總數(shù)表示真實為該類別的數(shù)量。如cm11表示真實值為類型1，預(yù)測值也為類型1；cm12表示真實值為類型1，預(yù)測值為類型2。

混淆矩陣常用總體精度（Overall Accuracy，OA）、Kappa 系數(shù)（K）來評價識別結(jié)果精度。公式如下：

式中：N 是樣本總數(shù)，n 是混淆矩陣中的行列數(shù)，xii是混淆矩陣中第i 行第i 列的樣本數(shù)，xi+和x+i分別為第i行和第i 列的樣本總數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 基于POI 數(shù)據(jù)的城市用地功能變化分析

以劃分基本識別單元后的長沙市建成區(qū)為研究對象，根據(jù)表1 的綜合權(quán)重計算每個網(wǎng)格單元內(nèi)各一級類POI 數(shù)量，如網(wǎng)格單元內(nèi)綠地與廣場用地的數(shù)量=[公園綠地POI 數(shù)量×65.484 ]+[風(fēng)景名勝POI 數(shù)量×79.990 ]，依據(jù)公式（1）和（2）計算Fi、Ci值，得到長沙市2012 年與2022 年建成區(qū)內(nèi)的單一、混合功能用地、無數(shù)據(jù)區(qū)空間分布圖（圖3）。2012 年與2022年的單一與混合功能用地均呈現(xiàn)圈層化地域分布格局，如圖3 所示。

圖3 2012 年與2022 年長沙市建成區(qū)功能用地空間分布圖

根據(jù)表3，2012 年～ 2022 年對比分析可知，單一與混合功能用地網(wǎng)格數(shù)量均增加，總功能用地增加39.04%。其中，單一功能用地由1447 個增加至2402 個，增加22.19%；混合功能用地由398 個增加至1123 個，增加16.85%。兩期單一功能用地的規(guī)模均比混合功能用地大，雖然單一功能用地增加不到1 倍、混合功能用地增加接近2 倍，但二者的占比差沒有減少而有所增加，從24.38%增加至29.72%。

表3 2012～2022 年用地功能類型網(wǎng)格數(shù)量與變化

如圖4 所示，總體上，10 年來長沙市建成區(qū)的空間擴張方向主要集中在開福區(qū)北部、岳麓區(qū)北部和東部、雨花區(qū)中部、天心區(qū)西南部、望城區(qū)東南部、長沙縣西部。經(jīng)過城市的不斷發(fā)展，建成區(qū)的用地更加緊湊，并且不斷向周邊地區(qū)擴張。

圖4 2012 年與2022 年功能用地核密度圖

2.1.1 識別結(jié)果驗證

通過建立混淆矩陣定量評價識別精度，利用ArcGIS10.2 創(chuàng)建隨機點功能選擇樣本網(wǎng)格進行識別結(jié)果驗證。城市實際用地功能由高分辨率影像以及高德地圖中所顯示的地名、地物等屬性信息確定。從各單一功能用地及以其為主導(dǎo)的混合功能用地的網(wǎng)格中、無數(shù)據(jù)區(qū)網(wǎng)格中分別隨機選擇50 個樣本網(wǎng)格，由于2012 年的交通設(shè)施用地的網(wǎng)格總數(shù)為24 個，將其全部作為樣本，因此2012 年與2022 年樣本總數(shù)分別為324 個和350 個。通過目視解譯及屬性信息查詢，對樣本的實際用地類型進行確認，建立混淆矩陣（表4、5），計算總體精度與Kappa 系數(shù)指標(biāo)值。

表4 2012 年各類用地樣本混淆矩陣

表5 2022 年各類用地樣本混淆矩陣

2012 年與2022年各類用地樣本的總體精度分別為79.01%和73.14%，用地分類結(jié)果精度較高；Kappa 值分別為0.753 和0.687，當(dāng)Kappa 值介于0.6～0.8 時，表示分類結(jié)果高度一致，準(zhǔn)確性檢驗結(jié)果良好。圖5 顯示了一些檢驗樣本的高清影像圖（該圖以2022 年為例）。居住用地的32 號樣本顯示影像圖為位于岳麓區(qū)的八方小區(qū)。公共管理與公共服務(wù)用地的11 號樣本顯示影像圖為位于天心區(qū)的湖南省政府與湖南省自然資源廳。工業(yè)用地的7 號樣本顯示影像圖為工業(yè)建筑物，結(jié)合高德電子地圖為多家鋼材工廠。綠地與廣場用地的20 號樣本顯示影像圖為位于岳麓區(qū)的梅溪湖公園。

2.1.2 單一功能用地變化特征識別

結(jié)果如表6 所示，2012～2022 年間，各單一功能用地數(shù)量均增加，增加量從多到少分別是工業(yè)、綠地與廣場、交通設(shè)施、居住、公共管理與公共服務(wù)、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地。兩期規(guī)模數(shù)量前三的用地依次均為工業(yè)、居住和公共管理與公共服務(wù)用地。2022年，單一的綠地與廣場用地規(guī)模超過商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地排第4 位。規(guī)模最小的用地均為交通設(shè)施用地。在各類型用地占該時期總單一用地的百分比中，2022 年，單一的公共管理與公共服務(wù)、居住、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地占比減少，單一的工業(yè)、交通設(shè)施、綠地與廣場用地占比增加。

表6 2012～2022 年單一功能用地類型網(wǎng)格數(shù)量與變化

其中，工業(yè)用地增加最顯著，網(wǎng)格增加量占總增加量的54.45%，2022 年工業(yè)用地規(guī)模占研究范圍的23.70%；空間分布方面，總體上2012 年工業(yè)用地分布在中心外圍，2022年工業(yè)用地向外擴張，并且原來在市中心的部分工業(yè)用地向外圍遷移，最明顯的遷移區(qū)域為芙蓉區(qū)東部，城市內(nèi)部工業(yè)用地逐漸置換為其他用地，是“退二進三”進程的空間表現(xiàn)。綠地與廣場用地的變化量也較為顯著，比2012年增加了1.62 倍；空間分布方面，2022 年綠地與廣場用地在研究范圍內(nèi)分布更加均衡、廣泛，城區(qū)中心用地明顯增加。交通設(shè)施用地網(wǎng)格數(shù)量由24 個增加到150 個，2012 年～2022 年長沙市建成區(qū)交通設(shè)施用地明顯增加，空間分布更加廣泛，城市交通功能顯著增強。

單一的居住、公共管理與公共服務(wù)、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地的網(wǎng)格數(shù)量變化均較不顯著，變化量占總變化量均小于10%。但空間變化較為明顯且相似，2012 年用地較密集分布在城區(qū)中心，2022年表現(xiàn)為用地向外擴張，用地在建成區(qū)中心分布顯著減少，整體上分布更加廣泛與均衡，體現(xiàn)城市向外擴張且配套設(shè)施不斷完善的過程?？臻g分布如圖6、7 所示。

圖6 2012 年與2022 年各類單一功能用地空間分布圖

圖7 2012 年與2022 年各單一功能用地核密度圖

2.1.3 混合功能用地變化特征識別

本研究不考慮混合用地中各類用地的相對順序，共有20 種混合情況?；旌嫌玫刂懈黝愑玫氐氖鬃肿鳛榛旌嫌玫氐暮喎Q。例如，“居工商”即居住、工業(yè)、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地的混合。

經(jīng)統(tǒng)計，建成區(qū)城市用地混合類型2012 年共計9 種，2022 年共計20 種，2012 年缺少“交工公”、“綠交商”、“綠商工”、“交公居”、“交綠公”、“交工商”、“交居商”、“交居綠”、“交綠工”、“交商公”和“交居工”11種類型。混合功能用地主要分布在城區(qū)中心，并發(fā)生了顯著的空間擴張，建成區(qū)中心原單一功能用地較大部分更替為混合功能用地，如圖8、9 所示。

圖8 2012 年與2022 年混合功能用地空間分布圖

圖9 2012 年與2022 年混合功能用地核密度圖

對各類的混合功能用地的網(wǎng)格數(shù)量進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，2012年與2022年的混合類型排在前四的用地類型相同，分別是“居商公”、“工商公”、“居工公”和“居工商”，2022年該4 類用地占混合用地類型百分比分別為29.92%、19.23%、19.15%、11.31%， 總 計79.61%，為混合用地類型的主要部分，即其余16 種用地類型占比為20.39%。由此可以進一步看出城市用地主要混合方式是“居公”、“居商”、“居工”、“工公”、“工商”，居住用地多與公共管理與公共服務(wù)、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施、工業(yè)用地混合分布，工業(yè)用地多與商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施及公共管理與公共服務(wù)用地混合分布。

除了以上4 種數(shù)量較顯著的混合用地類型，2012 年的其余5 種混合用地類型的網(wǎng)格數(shù)量均小于10。在2022 年，這5 種已有的混合用地類型增加較顯著的是“綠公居”和“綠商公”?！熬G公居”網(wǎng)格數(shù)量由2012 年的2 個增加到2022 年的53 個，“綠商公”由9 個增加到31 個。表明城市綠化建設(shè)更加完善，分布在居住設(shè)施和商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施周圍，綠地與廣場用地面積增加，城市環(huán)境質(zhì)量提升。

除上述6 種混合用地類型，2022 年的其他14 種混合用地類型的網(wǎng)格數(shù)量均小于25 個。該14 種混合用地類型中，如上所述有11 種類型為2022 年新增，可以發(fā)現(xiàn)主要是由于交通設(shè)施的增加，并與其他用地類型混合。

2.2 基于RS 解譯的城市用地功能變化分析

根據(jù)上文介紹的解譯標(biāo)準(zhǔn)和方法，本研究對2012 年和2022 年長沙市建成區(qū)的遙感影像圖進行了直觀判讀，分別得到了1987 個和2904個用地圖斑，結(jié)果如圖10所示。

圖10 2012 年與2022 年長沙市建成區(qū)用地類型遙感影像解譯圖

根據(jù)遙感影像解譯結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)長沙市在十年間發(fā)生了明顯的向外擴張，以及部分城市用地的內(nèi)部更新，主要體現(xiàn)在原建成區(qū)外工業(yè)、居住用地面積的顯著增加，內(nèi)部其他用地、工業(yè)、綠地與廣場用地更新為其他功能用地?？臻g分布上，工業(yè)用地主要分布在長沙縣西部、岳麓區(qū)北部、望城區(qū)東南部。從統(tǒng)計結(jié)果來看（表7），工業(yè)用地圖斑增加了207 個，面積增加了65.56 km2。居住用地圖斑增加了262 個，面積增加了61.06 km2。公共管理與公共服務(wù)、綠地與廣場用地有所增加。商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施、交通設(shè)施用地圖斑數(shù)量和面積變化不大。其中，原建成區(qū)外，工業(yè)用地面積增加58.46 km2，居住用地面積增加36.44 km2。居住和公共管理與公共服務(wù)用地在原建成區(qū)內(nèi)外的面積增加量相差不大，綠地與廣場、交通設(shè)施用地面積的增加主要位于原建成區(qū)外。原建成區(qū)內(nèi)綠地與廣場用地圖斑數(shù)量顯著增加，面積變化不大。

表7 2012 年與2022 年用地類型圖斑數(shù)量與面積統(tǒng)計

這一結(jié)果表明，城市化進程中，工業(yè)和居住用地顯著增加，公共管理與公共服務(wù)、綠地與廣場、交通設(shè)施用地相應(yīng)增加。原建成區(qū)內(nèi)工業(yè)用地面積增加不大，變化主要為原分散雜亂的低端工業(yè)廠房更新為整體布局的高端產(chǎn)業(yè)園區(qū)，工業(yè)用地向外圍發(fā)展。原建成區(qū)內(nèi)居住用地增加較明顯，建設(shè)更加緊湊。原建成區(qū)內(nèi)綠地與廣場用地分布更加廣泛，但單個用地平均面積減少。

將解譯后的4 類用地占比與《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)（GB50137-2011）》[19]12中規(guī)定用地占城市建設(shè)用地比例進行對比，發(fā)現(xiàn)兩期居住、工業(yè)、公共管理與公共服務(wù)用地的用地比例相差均在5%以內(nèi)，綠地與廣場用地的比例小于規(guī)定的比例，且占比相差較大。這一結(jié)果表明，城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)分配較合理，但城市化進程中侵占了城市綠地，未來應(yīng)保護城市綠色空間，加強綠色基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。

2.3 POI 數(shù)據(jù)與RS 解譯結(jié)果對比分析

本文利用ArcGIS10.2 將各類POI 數(shù)據(jù)和遙感影像解譯后的用地類型進行空間連接，以POI 點數(shù)據(jù)為目標(biāo)要素，解譯矢量圖為連接要素，以“相交”為匹配選項，從而得到POI 數(shù)據(jù)類型與解譯矢量圖用地類型一一對應(yīng)的數(shù)據(jù)，將POI 類型與解譯的用地類型進行“相同”與“不同”數(shù)量統(tǒng)計，結(jié)果如表8 所示。

表8 POI 數(shù)據(jù)和解譯的用地類型比較

2012 年，居住和交通設(shè)施用地的POI 類型與解譯的用地類型的匹配效果處于中間狀態(tài)，相同數(shù)量比例分別為54.33%和48.48%。公共管理與公共服務(wù)、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施、工業(yè)、綠地與廣場用地的匹配效果較差，相同數(shù)量比例為30.00%左右。2022 年，居住用地的POI 類型與解譯的用地類型的匹配效果處于中間狀態(tài)，其余5類POI 數(shù)據(jù)匹配效果較差。

為了進一步查明POI 數(shù)據(jù)與解譯的用地類型匹配結(jié)果較差的原因，本研究對各類POI 數(shù)據(jù)與解譯的用地類型進行一一對應(yīng)統(tǒng)計，得到結(jié)果如表9、10所示，表中首列代表POI 功能類型，首行代表解譯的用地類型。

表9 2012 年各類POI 數(shù)據(jù)和解譯的用地類型比較

表10 2022 年各類POI 數(shù)據(jù)和解譯的用地類型比較

觀察表9、10 數(shù)據(jù)大小，可以發(fā)現(xiàn)居住、公共管理與公共服務(wù)、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地3 類POI 數(shù)據(jù)對應(yīng)的解譯用地類型按照數(shù)量大小順序排序，前3 位的解譯用地類型均為此3 類用地。POI 數(shù)據(jù)與解譯用地類型匹配結(jié)果較差的原因是實際建設(shè)中，公共管理與公共服務(wù)、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地混合建設(shè)在住宅建筑中，在土地解譯過程中不容易提取，并且大量公共管理與公共服務(wù)設(shè)施建筑所占面積不大，解譯過程中容易混淆。工業(yè)用地類型POI 數(shù)據(jù)主要分布在居住、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施、公共管理與公共服務(wù)用地中，原因是公司企業(yè)類的工業(yè)類型POI 數(shù)據(jù)容易與上述用地混淆。交通設(shè)施用地類型POI數(shù)據(jù)主要分布在居住、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地中，原因是地鐵站點建于地下空間，在解譯過程中不能提取。綠地與廣場用地類型POI 數(shù)據(jù)主要分布在居住、公共管理與公共服務(wù)用地中，原因是這兩類用地中分布著大量居住小區(qū)中的配套社區(qū)綠地，以及高等院校、職業(yè)技術(shù)學(xué)校中的綠地與廣場。由此可以看出，實際建設(shè)中用地功能多進行混合布局，主要混合功能用地類型為“居商公”、“居工公”“居工商”、“綠公居”、“交居商”5 種，與POI 數(shù)據(jù)識別結(jié)果得到的混合功能用地類型相似。

結(jié)合對比POI 識別結(jié)果與RS 解譯結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)二者的功能用地在空間和規(guī)模變化上結(jié)果相似?？臻g擴張較顯著區(qū)域為長沙縣西部、岳麓區(qū)北部、望城區(qū)東南部；功能規(guī)模變化上，結(jié)合POI 數(shù)據(jù)識別的混合功能用地類型結(jié)果表明，工業(yè)、居住用地增加較顯著，公共管理與公共服務(wù)、綠地與廣場、交通設(shè)施用地規(guī)模也相應(yīng)地增加。POI 數(shù)據(jù)與RS 數(shù)據(jù)解譯用地類型對比發(fā)現(xiàn)城市實際建設(shè)中用地功能多混合布局。因此，基于POI 數(shù)據(jù)精細化提取與劃分城市單一與混合功能用地進行功能變化特征分析，更加符合實際情況，且有利于未來城市功能混合布局規(guī)劃，提高土地利用效率。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本研究基于POI 數(shù)據(jù)運用頻數(shù)密度與類型比例法以及核密度分析法，對長沙市建成區(qū)城市用地功能進行識別，并與RS 數(shù)據(jù)解譯結(jié)果進行對比，分析其2012 年與2022 年兩期城市用地在功能類型與空間分布的變化特征，得到結(jié)論如下：

（1）建立城市用地功能變化的規(guī)劃和管理體系是城市更新的重要保障和推動力。兩期城市功能用地的總體分布均呈現(xiàn)圈層化地域分布特征?；旌瞎δ苡玫嘏c單一功能用地以“中心-外圍”式分布，混合功能用地主要分布在城區(qū)中心，單一功能用地主要沿混合功能用地外圍分布，且數(shù)量大于混合功能用地。單一與混合功能用地均向外擴張。城市擴張最顯著區(qū)域為長沙黃花國際機場以西區(qū)域，除此以外，城市各區(qū)域均不同程度地向外擴張。通過與《長沙市城市總體規(guī)劃（2010-2030）》對比發(fā)現(xiàn)，城市用地擴張與規(guī)劃相對一致?？梢?，隨著城市發(fā)展，城市用地向外圍擴張，城市中心混合度提高，但仍需加強外圍用地功能的混合。需建立城市用地功能變化的規(guī)劃和管理體系，以提高城市用地的混合度和推動城市可持續(xù)發(fā)展。

（2）城市用地功能變化越來越注重節(jié)約集約利用土地資源，推進土地空間優(yōu)化配置和布局調(diào)整。對比兩期混合功能用地規(guī)模，數(shù)量占比增加了16.85%，主要用地類型為“居商公”、“工商公”、“居工公”和“居工商”4種。除此之外，2022 年增加量較多的混合功能用地類型還有“綠公居”和“綠商公”兩種，2022 年新增11 種混合功能用地類型，其中10 種為包含交通設(shè)施用地的混合功能用地類型?？梢?，城市用地功能變化越來越注重節(jié)約集約利用土地資源，城市用地中居住用地多與商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施、公共管理與公共服務(wù)、工業(yè)用地混合分布，工業(yè)用地多與商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施、公共管理與公共服務(wù)用地混合分布。城市綠地與廣場用地以及交通設(shè)施用地增加，包含這兩種用地的混合功能用地相應(yīng)增加。

（3）城市用地功能變化是城市經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級、提高城市居民生活質(zhì)量和保障城市生態(tài)環(huán)境的需要。單一功能用地類型的規(guī)模數(shù)量均增加。其中，工業(yè)用地的規(guī)模數(shù)量變化最顯著，增加量占總變化量的54.45%，其次，綠地與廣場用地以及交通設(shè)施用地增加較顯著，居住、公共管理與公共服務(wù)、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地規(guī)模數(shù)量增加較不顯著。由此可見，城市產(chǎn)業(yè)發(fā)展快速，城市交通更加便捷，城市“增綠”取得一定成效。人民對經(jīng)濟發(fā)展、交通便捷性和城市綠色空間的需求得到滿足。工業(yè)用地空間布局向外圍遷移與擴張，綠地與廣場用地和交通設(shè)施用地在城區(qū)中心分布增加且更廣泛，居住、公共管理與公共服務(wù)以及商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地的分布在整個建成區(qū)范圍內(nèi)分布更加均衡與廣泛。

3.2 討論

本研究利用POI 與RS 數(shù)據(jù)分析了長沙市建成區(qū)的城市用地功能變化特征，研究結(jié)果表明，長沙市城市用地越來越注重土地資源節(jié)約集約利用，體現(xiàn)城市經(jīng)濟發(fā)展、居民生活質(zhì)量、城市生態(tài)環(huán)境保護等方面的工業(yè)、交通設(shè)施、綠地與廣場等用地類型有明顯的增加。這些特征表明長沙市城市用地功能正在往城市可持續(xù)發(fā)展方向前進，但需要注意的是，與過去十年相比，城市用地從規(guī)模擴張更加注重精明增長，對城市土地利用要求更高，如何進一步加強城市土地資源的再利用和再開發(fā)過程是今后研究的重點。

過去的研究中利用POI 數(shù)據(jù)識別城市用地功能或功能區(qū)時通常采用城市行政區(qū)域作為研究范圍，然而，這樣容易受到行政區(qū)域內(nèi)非城市建設(shè)用地的POI 數(shù)據(jù)的影響，導(dǎo)致識別誤差。本文利用其他學(xué)者[17]的開源數(shù)據(jù)，基于遙感影像圖劃定城市建成區(qū)作為研究范圍，有效避免誤差，同時有利于加深對城市實體地域的定量時空認識，更精確地認識土地城鎮(zhèn)化過程[24]。本研究不僅可以識別城市用地的時空變化，還為城市建設(shè)用地的精細化提取以及城市各種公共服務(wù)設(shè)施的合理布局提供了參考。

總體來看，本研究基于POI 數(shù)據(jù)定量識別城市建成區(qū)的用地功能并將其可視化，可以更加直觀地把握城市空間結(jié)構(gòu)及其功能變化特征，提高政府部門對空間規(guī)劃與土地利用的科學(xué)性[22]811。但由于POI 數(shù)據(jù)的分布缺陷，對于POI 數(shù)據(jù)少、建筑密度低、城市裸地的地區(qū)的用地分類，可能造成分類失真。與RS 數(shù)據(jù)進行對比分析能相互監(jiān)督保證了結(jié)果的真實性和可信度，也可以實現(xiàn)定性和定量的多維分析，為城市用地功能更新帶來更大的便利。本研究只探討了長沙市2012 年與2022 年的城市用地功能變化特征，而沒有對更多年份更長跨度的城市用地功能變化進行探討和研究，這些不足之處將在今后的研究中進一步完善。

4 政策建議

基于長沙市建成區(qū)城市用地功能變化的特征分析，對長沙市城市未來發(fā)展，從用地功能混合布局、綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、城市邊緣區(qū)域管控3 個角度提出以下建議：

（1）加強用地功能混合布局，提高土地利用效率。新開發(fā)用地中加強居住用地與商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施、公共管理與公共服務(wù)用地之間的復(fù)合；加強工業(yè)用地與居住、公共管理與公共服務(wù)、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地的復(fù)合，緩解城市交通壓力；加強交通設(shè)施用地與居住、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施、工業(yè)用地的復(fù)合建設(shè)，提高城市便捷性；加強綠地與廣場用地與居住用地的復(fù)合建設(shè)。同時，注重用地功能之間的協(xié)調(diào)和銜接，避免功能隔離和碎片化的問題。

（2）增加綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，增強城市綜合承載能力。增加城市公園綠地與保護城市生態(tài)空間，大力增加城市綠地比例。一方面保護城市內(nèi)已有綠地空間，特別是保障高密度建成區(qū)的綠色空間；另一方面，新增建設(shè)用地注重自然綠地的保留，綠地與其他用地類型混合建設(shè)，提高城市生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高城市抵御氣候災(zāi)害、抗洪的能力。

（3）加強城市邊緣區(qū)域管控，防止城市無序擴張。加強對城市邊緣區(qū)域的規(guī)劃和建設(shè)，優(yōu)化長沙市城市內(nèi)外部擴展的通道和交通網(wǎng)絡(luò)，特別是長沙縣西部和岳麓區(qū)北部；強化對城市新區(qū)和新增用地的管控，確保新區(qū)的規(guī)劃與建設(shè)與整個城市的發(fā)展相協(xié)調(diào)；制定科學(xué)合理的城市發(fā)展規(guī)劃，明確長沙市城市擴張的邊界和發(fā)展方向，避免城市蔓延過快和無序擴張。

圖、表來源

表1：作者基于對參考文獻[12]、[14-16]、[18-21]的信息進行繪制；

表2：作者基于參考文獻[15]的信息進行繪制；

其余圖、表均由作者繪制。