基于多源数据的城市建设用地扩张时空特征分析——以佛山市顺德区为例

符 彦，王剑辉，张 亚

(1. 广东省地质测绘院，广东 广州 510800; 2. 中国测绘科学研究院，北京 100830; 3. 兰州交通大学测绘与地理信息学院，甘肃 兰州 730070)

城市扩张演变是城市化的一个重要特征[1]。我国在过去的30年经历了最高的城市扩张率[2- 3]。利用地理国情普查和监测成果对城市时空演变过程进行持续监测，形成既有科学依据，又与实际密切结合的分析成果，不仅能充分发挥地理国情数据的时效性和利用价值[4- 5]，还有助于加深对城市化本质的理解。长期以来，有关城市扩张的研究一直是国内外的研究热点，伴随GIS和RS等技术的不断成熟，一方面通过重心转移、扩张强度等方法剖析城市建设用地的时空格局演变特征[6- 7]；另一方面，借助地理数学方法和空间分析手段，运用逻辑模型、神经网络及GIS耦合等方法，对城市建设用地时空演变过程进行模拟，取得了丰硕的成果。

但从总体上看，已有研究所使用的基础数据现势性不强，大多以2009年第二次全国土地调查成果为基础，且以微观尺度研究为主。随着城市化水平的进一步提高，立足我国新型城镇化的切实需求，为了进一步提高城市土地集约节约利用水平，深入认识和理解城市发展规律，缓解人地矛盾，迫切需要对城市扩张演变的时空特征进行研究[8]。在此背景下，本文以佛山市顺德区为例，利用地理国情普查和监测成果，对主城区建设用地扩张过程和时空演变特征进行研究。

1 研究框架及方法

1.1 研究框架

以地理国情普查成果为基础，结合高分辨率遥感影像提取试验区多时点城镇建设用地的空间分布。技术路线如图1所示。

1.2 研究方法

1.2.1 扩张强度指数

城市扩张强度指数是指某空间单元在一定时期内的城市土地扩张面积占其土地总面积的百分比[4- 7]，数字越大，表示扩张越快，如下

(1)

式中,UIIi,t～(t+n)为空间单元i内t～(t+n)时段内的城市扩张强度指数；ULAi,t+n和ULAi,t分别为空间单元i内在t+n及t时点的建成区面积；TLAi为空间单元i的土地总面积。UII的划分标准为：大于1.92为高速发展；1.05～1.92为快速发展；0.59～1.05为中速扩张；0.28～0.59为低速扩张；0～0.28为缓慢扩张；小于0则为逆向扩张[9]。

1.2.2 扩张类型

已有研究对扩张类型进行了大量的研究，文献[10—11]通过难以定量分析的目视方法确定扩张类型；文献[12]利用凸壳原理定义了填充式和外延式两种扩张方式；文献[13]运用景观扩张指数识别填充式、飞地式、边缘式3种扩张类型。借鉴上述研究，本文将城镇用地扩张类型划分为蔓延式、填充式、跳跃式3类。蔓延式扩张在原有城镇用地边缘进行“摊大饼”式的扩张；填充式扩张在原有建成区内部空白区域内填补式发展；跳跃式扩张新增的城镇用地，与原有城镇用地之间没有连接。新增建成区和原有建成区通过GIS的空间叠加分析进行识别。通过下式实现城市扩张类型的自动识别

S=Lc/P

(2)

式中,Lc为新增建成区和原有建成区矢量图斑的公共边界长度；P为新增建成区斑块的周长。S=1时，识别为填充式发展；0

1.2.3 K- means算法

目前常用的空间聚类算法主要是基于密度、网格和坐标- 属性一体化[14]。本文根据研究特点采用K- means聚类算法自动划分功能区，对于给定的样本集，按照样本之间的距离大小，将样本集划分为K个簇C1,C2,…,Ck，具体如下：

(1) 原始数据集S为x1,x2,…,xm，随机选取K个初始类质心点为μ1,μ2,…,μk∈Sn。

(2) 利用式(3)将每个样本i划分至距离它最近的质心点所在的类，其中C代表样本与K个类中距离最近的类，即

(3)

(3) 对于每一个类μi，利用式(4)重新计算该类的质心，即

(4)

(4) 重复执行步骤(2)—(4)，直到聚类中心不再发生变化为止。

2 研究区概况及数据

2.1 研究区概况

顺德区地处113°01′E—113°23′E，22°40′N—23°02′N，位于广东省中南部，珠江三角洲腹地，行政区总面积为806 km2，辖4个街道、6个镇，常住人口约250万人，GDP为2 545.1亿元。根据顺德区城市规划，本文确定大良、容桂、勒流和伦教4个街道为研究区。

2.2 数据及处理

(1) 地理国情数据：2015年顺德区首次地理国情普查数据。

(2) 遥感影像数据：包括2011年空间分辨率为0.15 m的航空正射影像和2013年空间分辨率为0.5 m的彩色正射影像，通过监督分类及分类后处理[15]解译得到2011、2013年的城市建成区。

(3) 专题数据：来源于国家、省级政府部门，包括交通、人口、产业布局及社会经济数据，数据包含名称、地址、数量、联系方式等属性。

3 试验分析

3.1 总体情况

总体来看，主城区城镇化水平较高，城市和乡村没有明显的界线，建设用地连接成片。主城区沿着南北方向的G105、S43、S39，以及东西方向的G1501、S268、S112形成了清晰的城镇发展轴。中部地区沿着G105以家电和机械制造为主形成“以小带大”的企业集群模式，其中容桂街道、大良街道的建设用地比例高达53.8%、48.9%。东、西部城市国家级高新技术产业开发区、工业园聚集明显。西南部城镇主要以中小企业为主，城镇空间较为分散，建设用地比例相对较少。如图2所示。

3.2 时空变化分析

3.2.1 扩张面积与强度分析

结合顺德区的行政区划界限，提取顺德主城区各街道2011、2013、2015年3个时期建设用地面积数据。将每个街道作为一个空间单元，从扩张数量和扩张速度进行分析，具体情况见表1。从数据可知，顺德主城区建设用地扩张总量后一阶段比前一阶段减少1.2%。其中，伦教和容桂街道在2013—2015年间建设用地增加面积大于2011—2013年，而大良和勒流街道的情况相反。2011—2015年间，建设用地面积增长最多的为大良街道，其次为勒流街道，增加面积最少的为容桂街道。

表1 主城区2011年来建设用地扩张数量

3.2.2 扩张方向分析

为客观分析主城区的扩展方向、特点，将主城区4个街道分为4个空间单元，利用基于K- means的方法将主城区划分成15个功能区(见表2)，并结合专题数据对功能区进行扩展分析。主城区4个街道的建设用地扩张方向各有特点且都与用途密切相关(如图3所示)。

3.2.2.1 大良街道

2011—2015年期间，大良街道主要向东部、南部发展新城区；西部主要以工业区为驱动扩张建设用地，主要包括完善建设凤翔工业区和向西南部发展红岗、金斗、堤围等工业区。

表2 主城区各功能区建设用地扩张情况表

3.2.2.2 勒流街道

勒流街道建设用地的增加主要是工业用地的增加，具体包括港口路两侧众多国际机械城、科技园和工业园区；此外，南部工业区集群式发展，扩张速度较为迅猛。

3.2.2.3 伦教街道

伦教街道增加的建设用地主要是道路和工业用地。道路的发展主要集中在南部，包括伦桂路、广州绕城高速等。工业用地的增加则均匀分布在东、南、西、北几个工业基地。东北部沿着顺德水道(伦教- 陈村段)以三洲农产品交易中心、长鹿农庄为代表辐射周边建设用地发展。

3.2.2.4 容桂街道

容桂街道的建设用地增加主要体现在佛山高新技术产业开发区、顺德八达物流园区域的住宅用地和工业用地的扩张两方面，且都分布在东部地区。西北部少量增加主要位于马岗工业区、佛山高新技术产业开发区(顺德科技工业园B区)。容桂老城区以城市内部建设为主，建设用地有一定的增加，整体趋于稳定。

3.2.3 扩张类型分析

建设用地作为主要的土地利用类型，其扩张速度较为缓慢，扩展方式以填充式和蔓延式扩张为主，跳跃式扩张为辅。第一阶段，蔓延式的扩张占主要地位，第二阶段，填充式扩张占主要地位，表明顺德主城区在集约化利用土地方面有了一定的进步，见表3。

表3 2011—2015年期间主城区建设用地扩张类型

4 结 语

本文综合利用顺德区2011及2013年高分辨率影像、2015年地理国情普查数据，以及其他专题数据，结合区域发展、社会经济、人口、政策等因素对主城区扩张数量、强度和类型进行了分析研究，得出以下结论：

(1) 基于多源高分辨率遥感影像的建设用地扩张动态监测方法监测频次高、精度高，更具现势性，为控制城市用地和开发规模的无序扩张提供了新方法。

(2) 目前顺德区主城区建设用地比例已逼近50%，大面积增加建设用地已不适合，跳跃式的扩张方式受到限制，集约节约用地面临严峻挑战。

(3) 未来城市规划中，应加强对建设用地用途、结构和区位的深入监测和研究，掌握居住用地、商业用地和工业用地的规模、区位和结构；加强对人均建设用地的监测和分析，为合理的利用土地资源提供依据。