粤港澳大湾区不透水面变化及城市扩展研究

尹 振 南，周 廷 刚，李 洪 忠，谢 舒 蕾，任 彦 霓

(1.西南大学地理科学学院，三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400715；2.中国科学院深圳先进技术研究院，空间信息研究中心，广东 深圳 518055)

0 引言

城市扩展可综合反映城市化的空间布局与结构变化[1]。监测和分析城市的空间扩展过程、特征及规律，对于合理制定城市未来发展规划和有效调控城市化进程，进而促进城市的可持续发展具有重要作用[2]。改革开放以后，中国城市进入快速扩展状态，2017年粤港澳大湾区城市群的建设与规划正式列入国家发展战略，作为我国沿海开放的前沿和“一带一路”的重要起点，粤港澳大湾区是中国变化最快的大区域城市群之一[3]。随着城市化不断发展，粤港澳大湾区城市用地紧张和自然环境恶化等问题逐渐突显，同时，广阔的区域范围及复杂的空间异质性也使其成为研究城市扩展的理想区域。众多学者利用遥感技术对粤港澳大湾区城市扩展演变进行了研究，如黎夏等[4，5]分析了珠三角城市扩展的时空变化情况。已有研究主要基于提取的城市建成区数据，结合专题和统计数据分析城市空间扩展演变及其规律，受建成区范围限定，大区域城市群的城市扩展研究存在一定的局限性，如城市空间不连续等问题。不透水面作为反映人类活动强度和评价城市建设用地增长态势的重要指标[6]，其空间格局变化可直观反映城市的扩展变化和城市化程度。近年来，日益成熟的卫星遥感技术被广泛应用于不透水面提取[7,8]、不透水面变化监测[9,10]以及对地表热环境的影响[11]等研究，但关于粤港澳大湾区不透水面研究的时间尺度多为5 a、15 a，基于长时间序列的研究较少。

鉴于此，本文以粤港澳大湾区为研究区域，基于Landsat TM、ETM+、OLI和HJ-1A、B影像数据，采用面向对象分类方法获取1990-2020年不透水面数据，结合地表特征指数变化，研究粤港澳大湾区城市扩展的动态演变趋势；利用象限方位分析方法探索区内城市的扩展模式，并从社会和经济等角度探讨城市扩展的驱动因子，以期为粤港澳大湾区城市化建设提供科学依据。

1 研究区与数据

粤港澳大湾区(以下简称“大湾区”)包括广州、深圳、珠海、佛山、惠州(不含龙门)、东莞、中山、江门、肇庆(市区和四会市)9个地级市以及香港、澳门两个特别行政区，位于亚热带季风气候区(112°1′～115°26′E，21°34′～23°56′N)，地形以丘陵、平原为主，总面积约为4.26×104km2，常住人口约为7 264.92万人(1)数据来源于《广东省2019年统计年鉴》。。大湾区是我国改革开放的南大门，与美国旧金山湾区、纽约湾区和日本东京湾区并称为世界四大湾区，经济的快速发展加快了该区城市化进程，土地利用类型和空间结构发生了巨大变化。

研究数据包括：1)大湾区及其内各城市边界等基础地理数据；2)各城市人口、GDP数据，来源于《广东省统计年鉴》、香港政府统计处和澳门统计暨普查局；3)1990年、2000年、2010年和2020年4期土地利用类型数据，包括林地、草地、湿地、耕地、不透水面(居住地、交通用地、厂矿等建设用地)和未利用地6个一级类，数据来源于中国科学院深圳先进技术研究院空间信息中心。土地分类数据基于Landsat TM、ETM+、OLI和HJ-1A、B卫星影像，根据经验和实地考察确定各地类的解译标志，基于eCognition软件和面向对象分类方法获取2000年的土地利用类型数据，以此为基准，利用多时相连续对比法[12]获取其他年份土地利用类型的矢量数据，并利用实地调研的样本数据对土地利用矢量数据进行抽样验证，保证分类数据的精度达到90%以上。

2 研究方法

2.1 不透水面扩展指标

不透水面扩展速度V[13]表示研究时段内平均每年增加的不透水面面积(式(1))；不透水面扩展强度R[14]指不透水面在一定时段内的增长率(式(2))，反映研究区域内不透水面的变化程度。

V=(Aj-Ai)/T

(1)

R=(Aj-Ai)/(AiT)×100%

(2)

式中：Ai和Aj分别为研究初期和末期的不透水面面积；T为年份间隔。

2.2 象限方位分析法

象限方位分析法可以直接比较和分析不同方向上的城市扩展差异[15]。本文使用象限分析方法，将1990年大湾区整体及区内各城市不透水面重心设置为原点，东西方向为横轴，南北方向为纵轴，按照四象限八方位将不透水面等分为八个象限(北、东北、东、东南、南、西南、西、西北)；利用Python调用ArcGIS软件中的函数和分析工具，统计分析每个方向象限的不透水面面积，得到大湾区整体及区内各城市不同时期的不透水面扩展面积雷达图。

3 结果分析

3.1 不透水面扩展演变

由表1可知，1990年大湾区总体不透水面面积为4 488.97 km2，2020年为8 751.82 km2，30年间扩展了4 262.85 km2(年均扩展142.10 km2)，范围增大了0.95倍(图1)。由图2可知，30年间大湾区不透水面的扩展速度和扩展强度呈先增后降趋势，均具有明显的单峰特征。1990-2010年是大湾区不透水面集中扩展期，2000-2010年扩展速度(187.38 km2·a-1)和强度(3.17 a-1)达到近30年的峰值。1990年以来深圳、香港、东莞不透水面扩展速度和强度逐渐下降；广州、珠海、澳门、中山、惠州、佛山和江门不透水面扩展速度和强度呈先增后降趋势，且在2000-2010年达到顶峰；肇庆市不透水面扩展速度稳定上升，扩展强度先降后增。

表1 大湾区不透水面扩展演变

深圳市1990-2000年不透水面扩展速度较快，达到21.01 km2·a-1，2000-2010年降至18.48 km2·a-1，2010-2020年扩展速度和强度大幅降低。香港特别行政区1990-2020年不透水面扩展速度为3.95 km2·a-1，面积总计扩展60.41 km2，2010-2020年扩展速度降至0.32 km2·a-1。东莞市1990-2000年不透水面扩展速度(31.03 km2·a-1)和强度(4.85 a-1)均达到30年间的最高值，2000-2010年与2010-2020年扩展速度分别降至22.30 km2·a-1和14.46 km2·a-1。澳门特别行政区1990-2020年不透水面扩展速度变幅最小，2000-2010年扩展速度最快，达0.63 km2·a-1，2010-2020年扩展停滞，扩展速度仅为0.04 km2·a-1。中山市1990-2010年不透水面扩展总面积为307.25 km2，其中2000-2010年不透水面扩展速度达到峰值(192.32 km2·a-1)，2010年后扩展逐渐放缓。广州市是大湾区内不透水面扩展面积变幅最大的城市，该市1990-2000年不透水面扩展速度为19.86 km2·a-1，2000-2010年升至29.24 km2·a-1，2010-2020年降至20.62 km2·a-1。珠海市1990-2020年不透水面扩展速度为4.59 km2·a-1，2000-2010年快速提升至16.00 km2·a-1，2010-2020年又快速衰减至4.34 km2·a-1。佛山市1990-2010年不透水面平稳增长了541.93 km2，占30年扩展总面积的83.45%，2010-2020年扩展速度大幅降至10.75 km2·a-1。江门市1990-2000年不透水面扩展速度为7.07 km2·a-1，2000-2010年升至22.72 km2·a-1，2010-2020年降至12.78 km2·a-1。惠州市1990-2000年不透水面扩展速度为12.05 km2·a-1，2000-2010年增至21.22 km2·a-1，2010-2020年降至13.98 km2·a-1。

图1 1990年和2020年大湾区不透水面空间分布

图2 1990-2020年大湾区各城市不透水面扩展速度和扩展强度

3.2 不透水面扩展的土地利用影响

由土地利用转移矩阵[16]分析结果(表2)可知，近30年大湾区不透水面扩展占用土地面积共3 986.01 km2，其中占用耕地面积最多(占比为61.94%)，其次为林地(24.34%)和湿地(12.24%)，占用草地和其他土地类型面积(58.18 km2)最少，占比为1.49%。

20世纪90年代是深圳城市发展的起步阶段，位于西南部的滨海平原首先被开发，1990-2000年耕地供给面积占同时期不透水面扩展面积的53.99%，2000-2010年不透水面扩展占用林地、草地、湿地等的比例有所增加，但耕地仍居首位；不透水面扩展主要集中在龙岗区、坪山区北部、龙华区和光明区，宝安区西部、南山区西南部及福田区南部地区因填海造陆,不透水面扩展占用大量湿地。广州市不透水面扩展对耕地的影响较大，主要集中在1990-2010年，前10年耕地转化为不透水面的比例高达75.94%，2010年后不透水面扩展占用林地和湿地的比例上升；不透水面扩展对耕地和林地的影响主要集中在花都区中部的浅丘台地和南部的广花平原、白云区和荔湾区的西南部、天河区和黄浦区的南部、番禺区和南沙区，湿地的转化集中在南沙区的东南沿海地区。香港特别行政区不透水面扩展主要来源于林地和湿地，30年间占用的林地面积占不透水面扩展总面积的66.59%；中环、湾仔、东大屿、香港口岸及屯门至赤鱲角连接路区域的填海工程使湿地转化为不透水面的比例不断增加，耕地占用主要集中在新界北部的元朗平原和粉岭低地。澳门特别行政区早期不透水面扩展主要来源于林地，且集中分布在澳门半岛北部、氹仔岛中部和路环岛南部地区；填海造陆在澳门的城市建设中发挥着重要作用[17]，使得澳门陆地总面积由1986年的16.64 km2增至2020年的32.87 km2。1990-2000年珠海市不透水面扩展占用耕地面积比例高达73.90%，年均占用2.51 km2，2000年以后，不透水面扩展占用耕地的比例逐渐下降，占用湿地的比例不断上升，唐家北围、唐家后环和航空城滨海商务区是填海造陆的主要区域。耕地也是惠州、肇庆、佛山、中山、江门和东莞不透水面扩展的主要土地来源，特别是1990-2000年惠州、肇庆、佛山、中山和东莞70%以上不透水面扩展面积来源于耕地。

表2 1990-2020年大湾区各城市不透水面扩展主要来源

分析不同时段大湾区内各城市的不透水面和绿地空间[18](林地和草地)比例，结果(图3)显示：1990-2020年大湾区内各城市的不透水面比例不断增加；深圳、广州、肇庆、佛山、珠海和东莞的城市绿地空间在1990-2010年不断减少，2010-2020年小幅增加；惠州、中山、江门、香港和澳门的城市绿地空间在1990-2020年呈递减趋势。近10年大湾区内各城市的生态建设更加注重绿化设施的改善，在城市规划区域内部一定程度上增加了绿地植被的覆盖面积，提高了城市绿化服务功能。

图3 大湾区各城市不透水面与绿地空间比例变化

3.3 不透水面重心迁移路径

由图4a可知，大湾区不透水面扩展主要集中在东、西方向，进一步通过ArcGIS空间分析工具计算出大湾区不透水面重心位于珠江口岸的中心位置(图4b)，研究期间重心随城市化发展不断迁移。1990年大湾区不透水面重心位于广州南部，1990-2000年以政府为主导的城市化建设使得大湾区东岸的广州、佛山、深圳和东莞城市发展较快，不透水面重心向东南方向迁移1.56 km；2000-2010年随着区域一体化进程的加快，佛山、江门、肇庆和中山等西岸城市不透水面面积不断增加，不透水面重心向西南方向迁移2.54 km；2010-2020年大湾区东岸的城市用地逐渐饱和，不透水面扩展主要集中在西岸城市，不透水面重心向西北方向迁移了1.83 km。

图4 大湾区不透水面扩展雷达图及不透水面重心迁移图

3.4 城市扩展模式

30年来大湾区内各城市主要有跳跃式组团扩展和沿交通轴线带状扩展两种城市扩展模式，与徐进勇等[19]的研究结果相近。

(1)珠海、香港和澳门受山体阻隔和岛屿分布影响，属于典型的跳跃式组团扩展(图5(彩图见附录2)、图6)。珠海市建城区扩展早期集中于香洲区，后期受区域空间限制，扩展重点为斗门区和金湾区，不透水面扩展重心逐渐向西南方向迁移；香港受区域地理条件限制，不透水面呈环带状分布且不连续，整体呈跳跃式组团扩展特征；澳门不透水面早期扩展集中于澳门半岛，20世纪90年代中期形成澳门半岛与氹仔岛、路环岛两个离岛双城空间格局，南部离岛的填海造陆成为澳门不透水面扩展的主要来源。

图5 跳跃式组团扩展城市不透水面空间扩展过程

图6 跳跃式组团扩展城市不透水面空间扩展雷达图

(2)沿交通轴线带状扩展的城市包括：广州、佛山、肇庆、江门、中山、深圳、惠州和东莞 (图7(彩图见附录3)、图8)。广州西部与佛山的南海、顺德和三水的城区连片，不透水面分布密集扩展空间狭小，因此，G105国道和广州绕城高速沿线的广州南部和佛山北部成为不透水面扩展的主要地区；肇庆市不透水面集中分布于靠近佛山的四会区和西南部的端州区，沿两广高速和广昆高速呈带状分布；江门市不透水面主要沿佛开、新台高速组团式扩展，扩展重心逐渐向佛山和中山东北部迁移；广珠城际铁路、广深城市轨道交通线、京港澳高速及广珠高速在加强中山与大湾区右岸城市联系的同时，也牵引了中山市不透水面向东扩展；深圳市早期不透水面主要以蛇口工业区和原宝安县城为中心向外扩展，自20世纪90年代中期不透水面扩展速度加快，主要沿交通线向东北、西北方向组团扩展；惠州市1990年不透水面集中分布于中部的惠城区，之后扩展重心逐渐沿道路网向东南方向迁移，呈组团带状分布；东莞早期城市扩展偏向东南，后主要沿交通线呈东南—西北向扩展，不透水面呈组团带状分布于交通线两侧。

图7 沿交通轴线带状扩展城市不透水面空间扩展过程

图8 沿交通轴线带状扩展城市不透水面空间扩展雷达图

4 讨论

(1)不透水面扩展的人口影响因素分析。人口对于城市化发展有着重要影响，同时城市扩展可吸纳更多外来人口。自1990年以来，大湾区城市人口从2 695.73万人增至4 687.78万人。结合统计结果分析：大湾区所有城市不透水面扩展与人口变化存在显著的正相关(r=0.44,p<0.01,n=44)，说明人口增长是推动城市不透水面扩展的重要因素。

(2)不透水面扩展的经济影响因素分析。1990-2020年大湾区GDP总量从6 388.43亿元增长到115 336.80亿元，年均增长3 631.61亿元，尤其是前10年大湾区GDP总量的增速达到最高，2000年GDP总量是1990年的3.20倍。结合大湾区各城市不透水面扩展与GDP统计数据的相关性分析可知：香港和澳门特别行政区城市不透水面面积与GDP总量的相关性并不显著，这主要是因为二者的GDP增速远大于城市不透水面的扩展速度。其他城市的不透水面面积与GDP总量有显著的相关性(r=0.45,p<0.01,n=36)，说明珠江三角洲9个城市经济水平的提高促进了城市建设用地需求量的增加，进而扩大了不透水面面积。

(3)不透水面扩展对城市生态环境的影响。随着城市化发展，大量自然地表转化为不透水面，很大程度上影响了城市的生态环境并产生一系列生态环境问题[20]，如城市热岛效应[21]和城市内涝灾害等[22]。在大湾区不透水面扩展过程中，各城市中心城区不透水面比例更高，绿地多分布于城市外围。2010年后大湾区不透水面扩展用地愈发紧张，政府也出台相关政策引导城市用地类型的转换，控制城市不透水面的扩展速度。尽管深圳、广州等城市在2010年后城市绿地空间比例有小幅增加，但中心城区不透水面比例仍在70%以上，惠州、中山、江门、香港和澳门特别行政区的城市绿地空间比例仍在进一步缩小。因此，在大湾区城市未来发展中应进一步控制不透水面比例，增加城市绿地空间，优化城市内部绿地空间的比例，提高城市整体的绿化服务功能。

5 结论

本文利用遥感与GIS技术，监测1990-2020年大湾区不透水面扩展状况，并结合多种方法分析大湾区城市扩展情况。研究发现：1)30年间大湾区不透水面扩展速度和扩展强度呈先增后降趋势，两指标均具有明显的单峰特征，不透水面扩展主要集中在1990-2010年。2)大湾区不透水面扩展占用耕地面积最多，其次为林地和湿地。深圳、广州和香港特别行政区等城市的绿地空间比例在2010年后有小幅增长，中山、惠州和澳门特别行政区的城市绿地空间比例30年间呈递减趋势，总体上大湾区城市生态绿化水平在2010年后不断提升。3)大湾区不透水面重心主要沿东南—西南—西北轨迹迁移，不透水面主要呈东—西向扩展，各城市的不透水面以跳跃式组团扩展和沿交通轴线带状扩展为主。4)珠江三角洲城市不透水面扩展与人口增长、经济发展和政府政策密切相关，香港和澳门特别行政区GDP增速远超不透水面扩展速度，二者相关性不显著。

基于上述结论，今后应加强大湾区东、西两翼的交通建设，协调好各城市不透水面的扩展速度和范围，优化城市不透水面和绿地空间的比例，增加城市中心区域的绿化建设，积极引导城市经济建设和产业结构转型，确保区域可持续发展[23]。本文利用面向对象方法有效获取了较高精度的大湾区不透水面数据，但遥感影像的阴影、光照差距和噪声等因素影响了图像分割的准确性，造成不透水面提取误差。如何确定不透水面提取的最优分割尺度，降低提取的不确定性，有待进一步研究。