城市建设用地动态变化及时空演变特征分析——以合肥市包河区为例

张思乔，王晨光

（1.安徽建筑大学建筑与城市规划学院，安徽 合肥 230601；2.聊城市人民医院信息科，山东 聊城 252000）

0 前言

城市作为区域社会经济发展的核心区，其土地利用变化对区域整体用地效益的提升具有至关重要的作用[1]。城市化的外延发展过程，在一定程度上反映了城市用地规模呈扩大趋势[2]。随着中国经济的不断发展和城市快速工业化进程，尤其是城市地区土地利用类型不断变化，城区成为土地利用变化的研究热点之一[3][4]。中国目前城市建设用地变化的研究主要有2类：①基于测绘调查统计与专家评价的经验主义；②基于遥感影像，其实时监测的特点提供了强大有效的数据支撑。但在以往的城市建设用地研究区域的选择上主要针对热点区域[5]，例如深圳[6][7]、上海[8]、南京[9]等城市，合肥作为我国重大发展战略地区及长三角城市群的副中心城市，其城市建设用地方面的研究较为匮乏，并且大多基于测绘调查统计数据[10][11]。本文以2014年-2018年Landsat8数据为基础，利用遥感（RS）和地理信息系统等技术，对合肥市包河区建设用进行地动态变化分析。

1 数据与研究方法

1.1 研究数据

1.1.1 研究范围

研究区域为合肥市包河区，位于合肥市东南方向，全区面积340k㎡，是合肥市各城区中面积第一大区，人口第一大区。近年来在科研、金融等多个领域发展迅速，成为合肥市较为繁华的区域。作为典型快速发展的城镇区域，承担着合肥市都市圈较多的功能，因此选择该区域为研究对象。

图1 合肥市区位图

1.1.2 研究数据

美国NASA的陆地卫星计划（Landsat）于1972年至今发射了8颗卫星，Landsat8于2013年发射，Landsat8相较于之前的系列卫星获取的遥感影像较为清晰，因此目前一般通过Landsat8获取影像。其携带有OLI陆地成像仪和TIRS热外传感器可以获取11个波段的信息，不同波段显示不同的信息。本研究使用2014年5月及2018年5月Landsat8 OLI的遥感影像。在GIS中通过光谱分析及数字图像处理获取建设用地信息。为了保证影像质量，下载的影像数据云量控制在10%以下。

1.2 研究方法

1.2.1 标准差椭圆

通过一组地理要素在x和y方向上的空间分布情况，进而定义所有要素分布在一个可形象表示的椭圆，它可以识别一组数据的方向以及分布的趋势。其方法是通过所有要素的平均中心和分布距离等要素信息，计算出椭圆的长短半轴、方差和标准差的椭圆[12]。标准差椭圆的形式为：

图2 2014年包河区遥感影像

图3 2015年包河区遥感影像

x轴和y轴的标准差为：

1.2.2 平均中心

平均中心是一个根据输入要素质心的平均x和y值构造的点。

其中，xi和yi是要素i的坐标；n为要素总数。加权平均中心扩展为

2 结果与讨论

2.1 空间布局变化

合肥市2014年及2018年城市建设用地识别如图4、5所示，明显看出2018年相对于2014年，城市建设用地大量增加，呈现出全面扩张的趋势，尤其是包河区东侧及沿巢湖沿岸区域增加明显。增长类型有居住、医疗、行政办公多个领域。原因在于2006年滨湖新区正式启动建设，并于2014年成立了滨湖新区建设管理委员会，在此期间，吸纳了更多的城市功能聚集，滨湖新区快速发展，城市建设用地也在短时间内急速扩张。

图5 包河区2018年城市建设用地识别

2.2 建设用地动态变化度量

经统计，合肥市2014年至2018年城市建设用地变化主要分为三类，分别为“消失”建设用地、未变化用地及新增建设用地，如图6所示。其中，2014年～2018年新增建设用地为74.5km2；2014年～2018年“消失”建设用地11.5km2；2014年～2018年未变化建设用地154.5km2，在四年内2018年的建设用地相比于2014年的建设用地增加了62.9%，平均每年以15.7%速度增长，增长数量巨大。在区位上，包河区建设用地整体发展水平均衡，建设用地增长区域在整体区位中分布较为平均。2014年～2018年“消失”建设用地多转变为公园绿地、生态绿地及防护绿地，例如，滨湖塘西河公园的建设。整体来说，2014年～2018年城市建设用地增长速度加快，整体建设水平均衡。

图6 包河区2014年-2018年城市建设用地变化

2.3 空间变化规律与特征

为了更好的展示包河区2014年～2018年建设用地空间变化的规律及分布特征，本研究运用标准差椭圆对2014年～2018年建设用地空间变化进行分析。其中，长半轴代表包河区建设用地标准差椭圆的分布方向，短半轴代表包河区建设用的主要分布范围。长半轴越长说明建设用地的分布具有明显的方向性，短半轴越短说明建设用地的分布具有聚合力。短半轴与长半轴越接近表示要素没有任何分布特征。如图7所示，2014年的标准差椭圆长轴距离为8.4km，短轴为6.2km，长短轴差为2.1km；2018年的标准差椭圆长轴的距离为9km，短轴为5.3km，长短轴差为3.7km，2018年长短轴差增长明显，长轴增加，短轴变短，说明2018年建设用地分布更具有聚合力，发展的方向性更为明确。同2014年相比，包河区城市建设用地发展方向由南北方转变为西南至东北方向，建设的重点主要集中在滨湖新区。

图7 2014年～2018年建设用地标准差椭圆

为了更加深入地包河区不同时期城市建设用地在空间上的演变规律，采用平均中心分析法计算得出建设用地中心的化轨迹，如图8所示。2014年至2018年，包河区建设用地平均中心向东南方向偏移。

图8 2014年及2018年建设用地平均中心

2.4 包河区发展驱动力

合肥市建设用地变化驱动力主要有以下几个方面。

①政府宏观决策。合肥市滨湖新区是合肥市“1331”城市空间发展规划的重要组成部分。大湖名城、创新高地”的战略定位，重点打造节约集约用地、城市生态建设2个示范区，营造交通、生态、医疗、教育、购物和休闲“六个环境”，构建区域性金融商务、行政办公、文体旅游、生活服务、研发创意和要素交易等“六大中心”。滨湖新区的大力建设使包河区的建设中心向西南方向偏移。

②道路交通的发展。2014年滨湖新区交通道路有限，随着发展重点的转移，截止2017年滨湖新区已建成市政道路166.5km，路网围合面积超42k㎡，区内建成“六横六纵”的主干路网[13]，路网密布，交通便捷。2016年轨道交通1号线的开通，高铁南站的运行，加快了该地区的发展。

③地理环境条件优越。滨湖新区位于巢湖北侧，是融入长三角发挥的门户，滨湖新区的建设能使合肥市建设成为真正意义上的滨湖城市，更适合该地区的发展。

3 结论

现阶段城市快速发展，城市建设用地逐年增长，随之而来的是对城市管理的新挑战。运用遥感图像处理和分析，获取城市建设用地的扩展情况为城市土地管理提供了新的思路。本研究基于2014年及2018年合肥市包河区遥感图像，通过遥感影像处理和分析，获取了包河区4年内建设用地的扩展情况，并利用标准差椭圆、平均中心点方法分析了包河区建设用地时空演变特征。

①相比于2014年，2018年城市建设用地大量增加，呈现出全面扩张的趋势，尤其是包河区东侧及沿巢湖沿岸区域增加明显。增长类型有居住、医疗、行政办公多个领域。

②2018年的建设用地相比于2014年的建设用地增加了62.9%，平均每年以15.7%速度增长，增长数量巨大。在区位上，包河区建设用地整体发展水平均衡，建设用地增长区域在整体区位中分布较为平均。

③包河区城市建设用地发展方向由南北方转变为西南至东北方向，建设的重点主要集中在滨湖新区。建设用地平均中心向东南方向偏移。

④合肥市建设用地变化驱动力主要有政府宏观决策、道路交通的发展、地理环境条件优越3个方面的原因。

本研究运用遥感及地理信息技术对包河区建设用地动态变化和时空特征进行了分析。研究可以为人们了解城市建设用地提供新思路，对其他城市具有借鉴意义。受篇幅、时间、数据处理水平等因素的限制，研究也存在一定的不足，例如，对遥感数据进行挑选时因云量的影响无法使用其他月份的数据，可能会对数据造成影响，希望在未来进行深度学习后改正。