2004—2016年南京市城市扩张及形态演变特征

钱志友, 符海月, 王妍, 张祎婷

(南京农业大学土地管理学院，南京 210095)

0 引言

随着全球化进程的加速，城市规模扩大成为各国参与国际竞争的重要内容。中国是世界上最大的发展中国家，经济高速发展的同时，城镇化进程大大加快，城市规模也迅速扩展[1-4]。全球经济的快速发展和城市化进程的加快，使得城市扩张成为城市地理学以及土地利用变化研究的热点问题[5-9]。20世纪90年代以来，国内外学者开展了大量城市扩展相关研究，主要集中在城市扩展的时空过程探索、动力机制分析、城市扩展模型动态模拟预测以及增长控制战略与对策探讨[10-13]。许多学者引入扩展速度、扩展强度、紧凑度、分形维数及空间自相关指数等测度指标，用以研究城市空间形态特征与时空演变规律[14-18]。

改革开放以来，中国城市在取得快速发展的同时，也面临着城市建设用地过度扩张、城市“三生”(生态-生产-生活承受能力)空间比例失调、城乡发展不协调和城市生态环境脆弱等问题，对中国城市的可持续发展造成了巨大压力。南京市地处长江下游中部地区，作为江苏省省会，是国家区域中心城市(华东)，长三角辐射带动中西部地区发展的国家重要门户城市，也是“一带一路”战略与长江经济带战略交汇的节点城市，其城市空间扩展及形态演变具有一定的典型性和代表性。南京市城市扩展问题也引起了广大学者的关注，众多学者定性或定量分析了南京市城市扩张的变化过程。李飞雪等[19]分析了1949—2003年南京市城市扩展特点； 乔伟峰等[20]对南京市1980—2012年由城市扩展引起的土地利用布局和结构演化进行了研究； 徐海龙等[21]对研究区2013—2040年的城市用地空间扩展进行多情景模拟。从已有研究来看，当前城市扩展相关研究尤其是南京市城市扩张特征相关研究时间节点多为2010年左右，近年来演变特征揭示较少，已不能满足当前区域发展的要求。此外，在已有城市扩张研究中，对城市内部用地功能演化关注较少，城市内部各分区之间的差异难以体现。针对于此，本研究分析南京市城市用地扩张的动态变化，探讨近年来南京市城市空间增长及其空间演变特征，以期为控制南京市建成区规模、优化城市土地配置，提高土地利用效率提供建议和依据。

1 数据来源和研究方法

1.1 研究区概况与数据来源

南京市位于N31°14′～32°36′，E118°22′～119°14′，属北亚热带季风气候区，四季分明，年均气温为16 ℃，年均降雨量为1 106.5 mm。近年来，南京市经济发展迅速，GDP总量由2004年的1 576.33亿元增长为2016年的9 720.77亿元，常住人口由2004年的572.23万人增长为2016年的823.59万人，城镇化率由31.6%增至82%。随着南京市经济社会的快速发展和城镇化的快速推进，城市建设用地空间围绕主城区快速向西、南和东部扩展，形成了南京市一主(主城区)三副(江北、仙林、江宁)的城市格局[31]。

本研究主要采用美国Landsat系列卫星影像(2004年、2007年、2010年、2013年和2016年)提取南京市土地利用动态变化信息，数据来自美国地质勘探局(United States Geological Survey，USGS)网站，遥感数据获取时间均为4—9月份，这个时期的遥感影像云量较少，植物容易被区分。采用监督分类进行土地利用类型提取，最终形成建设用地、耕地、林地、水体和其他用地5种土地利用类型。研究中采用的经济社会数据主要来源于南京市统计年鉴。图1为南京市2004年、2007年、2010年、2013年和2016年土地利用类型空间分布情况。统计研究区各土地利用类型变化趋势如图2所示，图中表明2004年南京市用地类型面积最大的是耕地，其次为林地和建设用地，面积基本持平，水体占用面积相对较少。在2004—2016年间南京市的土地利用类型呈现出明显的变化，其基本趋势是： 建设用地面积加剧扩张，耕地面积逐年减少，林地面积缓慢下降，水体面积波动减少但是变化并不显著。

(a) 2004年(b) 2007年 (c) 2010年

(d) 2013年 (e) 2016年

图2 南京市各土地利用类型变化趋势

1.2 研究方法

主要引入增长速度、城市扩张强度指数和蔓延指数来揭示南京市城市扩张速度、蔓延态势以及区域差异特征。在城市空间形态演变特征方面，采用景观格局指数和等扇方位分析法等空间分析方法。

1)扩张强度指数。采用城市扩张强度指数对城市用地扩展的强弱程度进行描述，即

I=(Uj-Ui)/UT×100%，

(1)

式中：I为在时间i到时间j跨度内城市扩张强度指数；Ui和Uj分别表示时间i和j时期的建设用地面积；U表示土地总面积；T表示i到j的时间变化。

2)城市蔓延指数。针对南京市城市扩张的无序蔓延情况，定义了城市蔓延指数SI[1]来测定南京市的城市蔓延情况，即

(2)

式中：SI为i到j时段内的城市蔓延指数，为建设用地面积增速与人口增速之比；S为建设用地面积；P为常驻人口数量。

3)紧凑度指数。城市外围轮廓形态紧凑度是反映空间斑块完整性和聚集程度的指标，其值介于0～1之间，值越大反映城市的斑块越具有聚集紧凑性，反之值越小紧凑性越差。De Roo[14]提出的紧凑度计算公式为

(3)

式中：C为城市外围紧凑度；A为研究区总面积；P′为城市轮廓周长。

4)最大斑块指数。在景观格局指数里最大斑块指数是指某一类型斑块中最大斑块占整个景观面积的百分比[18]，即

(4)

5)景观分离度。景观分离度是指某一景观类型中不同斑块数个体分布的分离情况，即

N=D/s，

(5)

D=0.5×(n/A)0.5，

(6)

s=Ak/A，

(7)

式中：N为景观分离度指数；D为景观距离指数；s为景观面积指数；n为用地类型数量；Ak为用地类型k的面积。

6)多样性指数。景观多样性指数是景观格局指数的一种，这里定义为城市多样性指数，是用来反映城市空间内部形态特征的指数，即

(8)

式中：H为多样性指数；Rk为第k种用地类型的面积在整个建设用地中的比重。

2 南京市城市空间增长特征

2.1 建成区面积变化情况

近年来南京市的城市用地增长极其迅速，表1为建成区面积变化情况。表1表明,2004年南京市城市建成区的面积为872.2 km2，占南京市全市总面积的13.2%； 到2016年，南京市城市建成区面积为1 717.4 km2，占南京市全市总面积的26.1%，比2013年增长了16%，年平均扩张速度为5.1%。整体上，2004—2016年间南京市建成区面积持续增长，城市扩张速度逐年升高。

表1 南京市建成区面积变化

2.2 城市扩张态势

2004年以来南京市城市建成区规模一直处于高速扩张态势，并具有一定的阶段性特征。南京市城市扩张的蔓延指数统计结果如表2所示，结果表明,在2004—2007年间南京市城市空间增长速度为4.6%； 而在2007—2013年期间南京市建成区规模以6.7%左右的速度高速扩张； 在2013—2016年间扩张速度有所放缓，又回落到5.1%。从城市扩张强度来看，2004—2013年间南京市城市建成区规模持续增强，最高达1.4； 从城市蔓延情况来看，在2004—2016年期间南京市的SI值均大于1，表明在此期间南京市一直处于蔓延状态，尤其在2010—2013年这段时期内SI值高达10.2，说明在这段时间内，南京市建设用地迅猛扩张，存在建设用地过剩的情况； 随着建设用地的趋紧和人口的增长，在2013—2016年这段时间内，SI值回落到7.3，但是仍然处于高速扩张的状态，南京市建设用地蔓延情况依旧很严峻。整体来看，2004—2016年间南京市扩张呈先强势增长后缓慢扩张态势。

表2 南京市城市蔓延指数统计

2.3 城市空间增长的区域差异性

虽然南京市的城市空间总体呈现增长状态，但是各个行政子区域的空间增长态势却存在较大的差异，不同的区域增长的程度和强度都有所不同，以南京市各行政区为基本空间单元，分析南京市城市空间增长的区域差异。

2004—2016年间南京市各行政区的面积变化如表3所示。从面积占比来看，可以分为4个等级，江宁区、六合区和浦口区为面积最大的3个区，占比均在15%以上； 其次是溧水区和栖霞区面积占比在10%左右； 高淳区和雨花台区面积占比在5%左右； 建邺区、秦淮区、鼓楼区和玄武区建成区面积较小，比重在3%左右。可以明显看出江宁区、六合区和浦口区3个区的建成区累计面积之和占南京市建成区面积的一半以上。

表3 南京市各行政区建成区面积变化

从增长速度来看，2004—2016年间南京市各行政区的年平均增长速度如图3所示，可以分为3个等级。其中建成区年平均增长最快的是高淳区和浦口区，分别达到10.2%和9.7%； 栖霞区、溧水区、六合区和江宁区增长速度次之，均大于5%； 雨花台区、玄武区、建邺区、秦淮区和鼓楼区增长速度较慢，均小于5%。

图3 南京市各行政区建成区年均增长速度

3 南京市城市空间形态演变特征

3.1 城市空间结构指数变化特征

2004—2016年间南京市紧凑度指数、景观分离度和多样性指数分别如表4所示。

表4 城市空间结构指数

从表4可以看出，在2004—2016年期间南京市的城市外围轮廓紧凑度远小于1，但一直处于上升趋势，说明南京市经历了一个从松散到较为紧凑的过程。其中2007年和2010年紧凑度指数分别为0.045 5和0.047 8，上升很小，表明虽然城市用地面积在扩张，但是城市各部分斑块之间的联系不紧密，城市形态依然较为松散，城市土地利用开发程度较低。2013—2016年间，紧凑度从0.058 5上升到0.082 1，紧凑度提高程度明显，表明这段时间南京市的土地利用程度较高，城市之间逐渐连成片区，城市斑块之间变得越来越集中紧凑。从南京市景观分离度随时间的演变态势可以看出，南京市景观分离度呈下降趋势，从2004年的3.90持续下降到2016年的1.56，表明南京市建成区之间的斑块越来越聚集，斑块之间的距离变得越来越小。景观分离度下降，究其原因是南京市城市建成区内部之间的斑块逐渐被填充、被聚集，城市土地利用程度在提高，这也和南京市紧凑度指数在某种程度上相吻合。而南京市城市空间多样性指数呈现不断增加趋势。多样性指数已经由2004年的1.388增至2016年的1.578，城市多样性不断得到增强，表明南京市城市内部的稳定发展能力和抗外界干扰能力越来越强。整体上，南京市呈内部结构趋于稳定，外部轮廓趋于紧凑的趋势。

3.2 城市发展模式及空间结构格局

南京市中心连成片城区(最大斑块)叠加比对如图4所示。表5反映了南京市2004—2016年间最大斑块指数变化情况。图4和表5表明2004—2016年间南京市最大斑块指数整体处于下降趋势。2007年比2004年最大斑块指数略微有增加，但是增长微弱，最大斑块指数可以视为南京市主城区连成片的地区，这表明南京市城市建成区的扩张表现为以主城区和各区为中心的协调扩张模式，有利于南京市逐渐从单中心发展模式向多中心协调发展模式转变。

图4 南京市连成片区(最大斑块)叠加比对

表5 最大斑块面积和最大斑块指数

图5为南京市2004—2016年的城市建成区空间扩张情况。图5显示南京市逐渐形成“两带一轴”的城镇空间结构格局： 沿宁连—宁高高速走廊形成的南北方向发展轴已经形成了连成片的建成区，拥江发展的江南江北发展带也逐步形成了连成片的建成区。

图5 2004—2016年南京市城市扩张空间分布

3.3 城市扩张演变的分异特征

为进一步揭示南京市城市扩张演变的分异特征，采用16方位分配法的等扇方位分析法(图6)。

图6 2004—2016年南京市城市形态等扇划分结果

具体原理为： 首先，选取南京市的几何方位中心点，选择适当的半径，使其整个包含所有城市用地范围，以北偏东11.25°为起点，将南京市建成区分割成16个夹角和面积均相等的扇形； 然后，分别将研究区2004年、2010年和2016年的城市扩张情况叠加形成南京城市形态等扇叠加的结果； 最后，计算每个方位上的城市扩张强度，以揭示南京市城市扩张形态演变的分异特征以及每个阶段的扩张主导方向，统计结果如表6所示。

表6 南京市主城区各方位用地扩展强度指数统计

由图6和表6可知，在2004—2010年与2010—2016年期间，南京市城市扩张的形态特征存在一定的共同点和差异性。2004—2010年期间，南京市建设用地主要在N，NNE，NE，W，NWW和NW这6个方位上扩张，集中在南京市NE和SW方位以及SE方位部分区域，纵观几个区域呈狭长的带状，并且呈现沿SW和NE方位拥江发展态势，说明南京市在这段时间的扩张是以拥江的河西和有着万达和江宁大学城的江宁扩张为主，江北浦口区的扩张次之。而在NEE，E，SEE，SE，SSE，S，SSW，SW，SWW和NNW这10个方位上扩张并不明显。在2010—2016年期间，与2010年以前相同的是都在N和NWW方位上有一定程度的扩张，但有所不同的是在N，NW，SE和SSE方位上扩张强劲并有所加快。可以看出在2010—2016年期间南京市扩张最快的区域是南京市北部以及东南部。纵观N，NWW和NNW几个方位均位于江北浦口区，这个阶段表现为向江北浦口方向加速扩张，这也说明随着南京市地铁3号线和10号线过江地铁的开通使得南京江北越来越具有吸引力。而SEE和SE方位的扩张可以明显地看到均集中在南京禄口机场区域，说明机场带动了周边区域的加速扩张。

以上分析可以看出南京市城市扩张形态处于非均衡状态，南京市城市扩张可以分为2个阶段： 在2004—2010年间城市扩张主要集中在南京市SW和SE方位上，在江南和江北发展带上表现为拥江逐步扩张，以河西和江宁为主。但伴随着近年来南京市江北扩张速度明显加快，在2010—2016年间南京市城市扩张方向转为以江北浦口为主，同时还伴随着像禄口机场这类典型的以点带面式的扩张，与上文研究中提到的浦口区和江宁区扩张强度和速度最大最快结果相同。

4 结论与讨论

基于南京市2004年、2007年、2010年、2013年和2016年的Landsat TM遥感影像，研究了南京市近年来的城市扩张态势及其空间形态演变特征，得到如下结论：

1)南京市城市扩张速度和强度呈现先强势增长后缓慢扩张的态势。南京市主要通过大面积的侵占耕地来实现城市的扩张，占用耕地情况严重。南京市建设用地迅速扩张，且呈阶段性特征，以2010年为界，前期主要以粗放式扩张为主，后期逐渐转变为更集约型的扩张，而南京市的城市人口密度在不断下降，城市扩张速度快于人口增长速度。从各行政区来看，南京市城区外围的江宁区、六合区和浦口区的面积占比、面积增长以及增长速度都排在前列，是南京市在2004—2010年期间建成区扩张最大的3个区。

2)“两带一轴”的城镇空间结构格局逐渐形成，多中心协调发展模式凸显。南京市江南六区为主的主城区扩张幅度很小，建成区逐渐形成“两带一轴”的城镇空间结构格局，沿宁连—宁高高速走廊形成的南北方向发展轴已经形成了连成片的建成区，拥江发展的江南江北发展带也逐步形成了连成片的建成区。最大斑块指数逐渐下降，这表明南京市城市建成区的扩张表现为以主城区和各区为中心的协调扩张模式。2004—2016年间，南京市的城市外围轮廓紧凑度一直处于上升趋势，南京市外围轮廓形态经历了一个从松散到较为紧凑的过程。这段时间南京市的土地利用程度较高，城市的外围轮廓形态越来越紧凑。南京市景观分离度呈下降趋势，城市空间多样性指数呈现不断增加趋势，表明南京市内部城市斑块之间的空隙逐渐被填充，建成区之间的斑块越来越聚集，内部形态越来越稳定，有利于南京市逐渐从单中心发展模式向多中心发展模式的转变。

3)南京市城市扩张形态处于非均衡状态。受城市形态演变各向分异制约，南京市城市扩张主导方向可以分为2个阶段： 在2004—2010年间城市扩主导方向为南京市SW和SE方位上，在江南和江北发展带上表现为拥江逐步扩张，以河西和江宁为主。但伴随着近年来南京市江北扩张速度明显加快，在2010—2016年间南京市城市扩张方向转为以江北浦口为主，同时还伴随着像禄口机场这类典型的以点带面式的扩张。

城市增长和空间形态演变过程中不可避免地出现了城市无序扩张，居住环境恶化等各种问题，故根据本研究结果提出以下发展建议：

1)南京市城市建成区自2004—2016年这12 a期间始终处于高速扩张态势，侵占耕地情况日益严重，建议转变以征用、变卖耕地来提高经济发展的模式，耕地是衣食之源，保证耕地的保有量已经显得日益重要，故在未来的一段时间内应制定相关管控政策，严格控制征地、卖地，严防城市无序扩张。

2)制定合理科学的土地规划政策，加大执行力度。南京市城市建成区的增速快于人口增速，城市一直处于不合理蔓延状态。然而，此时却没有足够的人口消纳能力，存在建设用地过剩的情况，应结合人口的分布和增长情况科学合理地制定南京市的城区规划。

3)加强各区域协调发展。包括江南六区的主城区城镇化率已经超过90%，城市之间斑块紧凑度变得越来越紧密，为防止摊大饼的建城模式，在未来应大力发展主城区周边的城区，以主城区和各区为中心的协调扩张模式，有利于南京市逐渐从单中心发展模式向多中心发展模式转变。