结合宏观和微观视角的东莞城市建成区扩张特征分析

刘柔芯，白云鹤, ，易 龙，陈洪伟

1. 东莞理工学院，广东 东莞 523830；

2. 东莞市城镇融合发展研究院，广东 东莞 523830

0 引 言

随着珠三角地区城市化快速发展，建设用地需求量逐年增加，各城市出现如土地资源紧缺、能源消耗量大、生态保护等问题，城市发展逐渐显现出发展分散、效益偏低等特征。因此，全面获取城市发展建设用地信息，综合评价分析城市扩张特征，实施土地资源集约化与宏观调控，对未来城市发展规划工作具有重要的现实意义。

近年来，研究人员利用遥感监测与遥感影像分析技术，开展了不同时期城市扩张变化特征的研究。目前，分析城市扩张特征的方法主要分为宏观和微观两种类型。宏观分析一般是从城市扩张的驱动机理、扩张特征角度，表征量化城市扩张过程中的城市宏观形态变化[1-2]。如王丽萍等[3]利用主成分分析法对江苏省建设用地扩张的驱动机理进行分析，得出城市用地变化的主要驱动因素是经济社会发展和人口的增长，而经济社会发展是城市用地扩张的根本驱动力；谢亚娟等[4]以南昌市为研究对象，通过GIS空间分析的方法，运用单一土地利用动态模型、城市扩展强度指数、城市紧凑度等，定量分析1995—2015年南昌市城市扩展时空动态变化的过程和特征。得出1995—2015年南昌城市扩展时空分异显著，西南是城市空间扩展的主要方向，同时，南昌市城市扩张空间上趋于紧凑，城市扩张速度加快。JIAO等[5-6]利用反S函数定量分析方法分析了中国主要城市1990—2010年城市扩张形态；金兵兵等[7]基于Landsat遥感影像，对广州市1979—2017年城市扩张的协调度进行了分析，得出新增建设用地应与人口密度、人口城市化率保持协调；微观分析一般使用景观扩张指数等参数，量化建成区斑块层面的城市土地的微观形态变化[8-9]。如刘小平等[10]首次提出景观扩张指数（LEI），通过景观扩张指数将扩张模式类型分为内填式、边缘式和跳跃式3类。蒋金亮等[11]通过RS、GIS和景观生态结合对长江沿岸上、中、下游中心城市重庆、武汉和南京对城市扩张类型分析，结果显示南京市以边缘式增长为主；武汉市从2000年开始以飞地式扩张向边缘式扩张转变，重庆市以边缘式增长为主。钱敏等[12]对苏锡常地区1985—2008年各阶段城镇扩展空间形态变化进行分析，得出苏锡常地区建设用地增长方式以边缘式的紧凑增长为主。吴健生等[13]利用景观指数，景观转移矩阵和景观扩张指数探究深圳市近20年来景观格局时空变化，并研究了景观扩张的主要驱动因素。综上分析，以往城市扩张特征研究主要是从宏观或者微观的单方面分析城市扩张的研究占比较多，而从宏微观尺度两方面结合分析研究较少，难以全面分析城市扩张的特征，因此本研究结合宏观和微观角度，定量化对比分析城市扩张特征及城市扩张的时空演化规律。

经济高速发展中的东莞现已被列为新一线城市，城镇化发展水平较高，经济的快速发展更使东莞迅速从以传统农业用地为主的地区转变为新兴的高度城市化的地区，面临着如土地资源紧张等城市化发展瓶颈问题，因此东莞市有必要开展城市化扩张特征研究[14]。本研究基于东莞市1998-2018年城市发展的遥感数据，从宏观角度分析城市扩张形态及变化过程，从微观角度分析各向斑块扩张过程，获得城市建成区扩张特征及时空演化规律，研究成果有助于东莞市城乡融合发展过程中土地优化使用。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域

东莞市位于广东省中南部、珠江东岸，北接广州，东接惠州，南与深圳相连，毗邻港澳，处于广州至深圳经济走廊中（图1）。东莞市地势东南高、西北低，地貌以丘陵台地、冲积平原为主[15]。东莞市气候为亚热带季风气候，有明显的季风现象，夏天长冬天短，日照充足，降雨充沛，常年温差振幅较稳定。东莞市4个街道，28个镇，隶属于6个片区，分别为中心城区、水乡片区、滨海片区、松山湖片区、东部片区和临深片区，生态保护区主要位于临深片区和东部片区。

图1 东莞市各片区图Fig.1 Map of each district in Dongguan city

1.2 数据来源

本文选取东莞市1998、2003、2008、2013、2018年的Landsat遥感影像（云量少于5%）分析城市扩张特征。1998、2003年的影像分辨率为30 m，其余年份为15 m。为了分析不同阶段城市形态变化特征，将城市扩张过程分为4个时间段进行研究，分别为1998—2003年（一期），2004—2008年（二期），2009—2013年（三期），2014—2018年（四期）。东莞市遥感影像数据来源于国家地理空间数据云网站（http://www.gscloud.cn/），城市土地分类中用google历史影像图作影像分类参考，同时利用东莞城市土地利用现状数据等进行判读。

本研究为了分析东莞城市建成区扩张的宏微观形态变化特征，设置3个宏观度量指标，分别是土地利用信息、城市扩张强度指数、城市形态变化（城市土地密度指数）；设置两个微观度量指标，分别是景观扩张指数（LEI）、面积加权平均扩张指数（AWMEI）。

2 研究方法

2.1 城市建成区扩张宏观度量指标

1）土地利用面积变化。为识别东莞市的土地利用信息，对不同年份的遥感影像进行辐射校正，大气校正和融合等预处理后，采用监督分类的方法将其分为建成区、水系、绿地、裸地等4大类，并计算东莞市1998—2018年各类别的面积变化，得到不同时期城市扩张的土地利用信息，研究东莞市不同时期的城市扩张特征。

2）年均城市扩张强度指数。年均城市扩张强度指数是反映每年城市扩张到其他空间的强度，年均城市扩张强度指数越大意味着城市扩张速度越快，同时也意味着非建成区受到挤占的情况加剧，生态空间的保护难度加大[2,16]。将遥感影像分类后的影像图转换为矢量地图，并提取建成区。利用东莞市建成区数据，对东莞市不同片区的年均城市扩张强度指数进行计算，年均城市扩张强度公式[17]为：

式中，F为年均城市扩张强度指数；U为研究区域总面积；Ua为前时相城市建成区面积；Ub为后时相建成区面积；△T为前后时相的间隔。

3）城市土地密度。城市土地密度是指城市建成区的密集程度，主要利用城市圈层分析法分析。城市圈层的划分是以东莞市政府为圆心，以一定距离为半径向外做一系列等距的缓冲区，作为基本分析单元，从而探究城市扩张的时空分异特征[18-19]。JIAO发现城市土地密度在中心距离梯度上符合反S形分布[5]。本文以东莞市政府为中心，生成一系列1 km缓冲带，逐渐向外缓冲直至覆盖整个建成区，共形成60个圈层，从而计算个每个圈层的土地密度。东莞市圈层结构如图2所示，计算公式为：

图2 东莞市圈层结构Fig.2 The circle structure of Dongguan city

式中，Dens为城市土地密度；S为单个圈层面积；Surbanland为各个圈层对应的建成区面积。

通过计算城市中各个圈层内的城市土地密度，发现从城市中心到城市外围，城市土地密度的衰减呈倒S形[7]。喻菁等利用反S函数拟合各个圈层城市土地密度向外变化的形态，这种拟合曲线称为反S曲线[1]。城市土地密度的距离衰减模式反映了城市形态及其变化[20]，数学模型为：

式中，f为城市土地密度；r为到市中心距离；a、c、d为衍生参数，a为控制反S曲线斜率的参数，c为城市边缘建设用地的参数值；d为城市边缘到城市中心的距离估计值。

4）城市紧凑度指数（KP）。城市紧凑度指数是描述城市建成区面积空间形态紧凑程度的重要指标之一，可以表示内城区和外城区的占比[21-22]。城市的土地密度从城市中心下降到边缘区的速度越快，紧凑度越低，KP值越小。城市土地密度从城市中心下降到边缘区的速度越慢，KP值越高，紧凑度值越小，计算公式[6]为：

式中，Kp为城市紧凑度指数；a为公式（3）衍生出来的参数。

2.2 城市建成区扩张微观指标

1）景观扩张指数（LEI）。城市扩张的微观分析一般用景观扩张指数来表示。景观扩张指数是通过现有城市斑块与新增斑块的空间位置关系来确定城市用地的空间扩张模式[23]。本文以东莞市政府所在地为中心将东莞市沿8个方位划分成8个区域，划分结果如图3所示。根据LEI的计算结果，LEI=0，为飞地式扩张；0＜LEI＜50，为边缘式扩张；LEI＞50，为填充式扩张。飞地式是指独立现有城市用地而新增的城市用地，边缘式是指在现有的城市用地边缘新增用地，填充式是指在现在的城市用地里面填充新增用地。缓冲区越小，LEI的值越稳定[24]。以东莞市政府为中心，选取100 m作为缓冲距，生成600个缓冲圈，计算景观扩张指数，公式为[4]：

图3 东莞市方位图Fig.3 Orientation diagram of Dongguan city

式中，A0为缓冲区与原建成区重合面积；AN为缓冲区面积和A0之间的差值。

2）面积加权平均扩张指数（AWMEI）。面积加权平均扩张指数反映城市扩张的演变过程[1]。AWMEI值越大，城市扩张整体越趋于紧凑，计算公式[10]为：

式中，N为新增建设用地的斑块数量；ai为新增斑块面积；A为所有新增斑块的面积。

3 结 果

3.1 城市建成区扩张的宏观分析

1）土地利用面积变化分析。结合遥感影像及区域实际土地利用情况，利用1998、2003、2008、2013、2018年遥感影像进行土地利用分类（图4），样本分离度均达到80%以上，土地利用分类精度均在88%～95%。

图4 不同年份东莞市土地利用分类图Fig.4 Land use classification map of Dongguan City in different years

不同年份东莞市土地利用面积变化见表1。1998—2018年建成区面积增加919.49 km2，2018年建成区面积是1998年3倍。1998年绿地面积为737.37 km2，占全市总面积53.24%，20年间绿地面积逐渐下降，到2018年绿地面积共减少了574.26 km2。裸地面积有小幅减少，1998年裸地面积为355.47 km2，占全市总面积的14.53%，城市扩张期间裸地面积波动下降，到2018年总面积下降为131.1 km2，占全市总面积5.32%，20年期间共减少224.37 km2。水系面积变化趋势与裸地大体一致，1998年水系面积为359.21 km2，占全市总面积14.58%，到2018年水系面积为238.56 km2，占全市总面积9.69%，共减少120.65 km2。以上土地利用过程演变表明，20年期间东莞市经历了一个快速的城镇化过程，大量的绿地，裸地和水系转化为城市建成区。

表1 东莞市不同年份土地利用面积Tab.1 Land use classification of Dongguan city in different years

2）年均城市扩张强度指数。由图5可知，从整个东莞市来看，东莞市在一期、二期、三期、四期的年均城市扩张强度分别为4.27%、0.92%、1.5%、0.78%。20年期间东莞市年均城市扩张强度指数为1.87%，一期建成区扩张最为迅猛，面积增加525.89 km2，这是因为东莞市GDP快速增长，人口大量流动[25]。其次是三期、二期、四期。一期年均城市扩张强度是四期的5.47倍。

图5 不同时期东莞市各片区城市扩张强度变化Fig.5 Changes of urban expansion intensity in different districts of Dongguan city in different periods

从东莞市各片区来看，一期水乡片区扩张最快，年均城市扩张强度指数为6.47%，高出一期全市年均城市扩张强度指数2.2%。这是因为中心城区的扩张向外蔓延到了水乡片区，临深片区扩张最少，年均城市扩张强度为1.87%，低于全市年均城市扩张强度指数2.4%。这主要是由于临深片区有大量的生态保护区，城市扩张受到了限制。各片区之间年均城市扩张强度最高值是最低值的3.46倍。二期滨海片区扩张较快，年均城市扩张强度为1.74%，高出二期全市年均城市扩张强度指数0.82%。这主要是滨海片区处于珠三角最中心位置，经济发展有着天然的地域优势。其次是水乡片区，年均城市扩张强度为1.56%。三期松山湖片区、水乡片区、滨海片区高于三期全市年均城市扩张指数0.27%以上。其中松山湖片区的扩张强度最大，主要是因为东莞市政府政策的推动[26]。中心城区扩张最慢，为1%。四期水乡片区的扩张强度最高，为1.48%，中心城区的年均城市扩张强度为0.34%，其余片区扩张强度接近，说明东莞市将全市划分为6大片区，集中优势资源发展，取得了较好的效果。

3）城市形态变化。城市土地密度拟合曲线的拟合效果R2均在0.9以上（图6），城市土地密度随着距城市中心距离的增加而减小，开始时曲线快速下降，经过一段时间后缓慢下降直至稳定，1998—2018年，同一圈层的城市土地密度逐渐增加，各个时间段增加强度不同，一期城市土地密度增加最快。其次三期、二期、四期。

图6 不同时期城市用地土地密度变化。Fig.6 Changes of urban land density in different periods

在距市中心3 km以内，城市土地密度最大。在距市中心40 km处，城市土地密度趋于稳定。距市中心12 km、20 km、28 km左右各有一个高峰，从而表明东莞是一个多中心扩张城市，距离市中心不同距离的地块有不同的发展规划。以市中心为中心建立一个30 km的缓冲区，计算东莞市的城市土地密度，结果表明当缓冲区范围设置为0～30 km时，曲线的拟合度更高。

城市土地密度函数的参数见表2。a是控制反S函数斜率的参数，1998—2018年，反S函数的斜率逐渐增加；参数c是城市边界的城市土地密度，各年份c值最大值为0.031，表明这20年来东莞城市边界的城市土地密度小于3.1%；参数d是城市边缘到城市中心的距离估计值，1998—2018年逐渐增大，1998年为1.41，2018年增加到29.31。

4）城市紧凑度。利用反S函数反演的参数计算城市紧凑度指数Kp（表2），1998年KP最大，为16.44，表明在1998年城市土地密度从城市中心到边缘区的下降速度较慢，城市紧凑度较低。2003、2008、2013、2018年KP逐渐变小，城市紧凑度逐渐增加，1998年KP值是2018年的16倍，表明20年间城市土地密度从城市中心到边缘区的下降速度较快即城市中心区扩张开发快于城郊地区开发。

表2 城市土地密度参数表Tab.2 Table of urban land density parameters

3.2 城市建成区扩张的微观分析

1）景观扩张指数。如表3所示，4个时间段内东莞市城市景观扩张指数在不同空间方向上各自占比表明城市扩张过程中不同方位上3种城市扩张形式共存特征。1998—2018年，快速城镇化发展期间东莞市的城市扩张形式由边缘式向填充式转换。相比一期和四期的景观扩张指数变化可知，东莞市城市扩张形式中边缘式扩张占比减少了38.93%，填充式扩张增加了42.65%，而飞地式扩张减少3.7%。边缘式扩张、飞地式扩张往往与城市扩张的紧凑度和破碎化程度相关，广泛的边缘式和飞地式扩张也印证了东莞市发展的郊区化进程[1]。

表3 东莞市各扩张类型斑块数所占比例Tab.3 Proportion of patches of different expansion types in Dongguan city

一期，城市扩张形式以边缘式扩张为主，占比65%以上；填充式扩张主要发生在第I、V、VII方位上；第III，IV方位上存在少量飞地式扩张，此区域为东莞市松山湖片区，松山湖科技产业园2001年规划建设，而后松山湖片区附近不断加速聚集各类企业[27]。

二期，边缘式扩张较多的是第III、IV、VI、VIII方位，其他方位扩张占比有所减少；填充式扩张有所增加，在第I、V、VII 方位增加量分别为20.18%、21.78%、40.94%；飞地式扩张主要发生在第VIII方位上，占比为5.95%。

三期，城市填充式扩张继续增加，在第VII、VIII方位上最多，增加量分别为82.12%、74.56%；边缘式扩张较多的为第III、IV 、VI 方位，增加量分别为 80.18%、73.27%、63.61% ；飞地式扩张发生在第III，VIII方位上，增加量分别为1.74%，3.5%。

四期，除第Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ方位，其余所有方位以填充式扩张为主，说明城市边界已经固定，城市发展只能考虑市内其他未利用地或城市土地的集约化利用。

2）面积加权平均扩张指数。图7表示不同时期各方位面积加权平均扩张指数（AWMEI）变化特征，反映了1998—2018年东莞市各方位城市扩张的整体趋势。从时间上看，1998年的AWMEI值为15.2，随后逐年增加，到2018年AWMEI值为22.83，表明1998—2018年城市扩张整体上趋于紧凑。

从空间上看，第VII、VIII方位的AWMEI值较大，表明第VII、VIII方位的城市扩张紧凑度更高，此处以中心城区为主。第III、IV、VI方位的AWMEI值较低，表明该方位上城市的紧凑度较低，主要原因是松山湖片区，东部片区，临深片区等3个区中存在较大面积的生态保护功能区，城市扩张受到限制。其中，在一期，第VIII方位AWMEI值减少了6.75，表明城市紧凑度降低与宏观的紧凑度增加不一致，其主要原因是此方位存在大量距离市中心较远的新增斑块即飞地式斑块较多，所以在此方位上城市扩张形式在这段期间趋于离散。

4 结 论

随着东莞市城市的快速发展，东莞市土地利用发生了明显的变化。本文提取1998—2018年遥感影像的土地利用信息，分析城市建成区扩张特征及城市扩张的时空演化规律，得出的结论主要有：

1）东莞市1998—2018年不断扩张，扩张强度逐渐减少，建成区面积逐渐增加，为保证建设用地的有效利用，要充分发挥城市建成区扩张与生态红线的作用，严格控制新增建设用地的审批与开发。

2）城市建成区扩张过程中城市土地密度在城市中心距离变化梯度上符合反S曲线规律。根据拟合结果得出东莞市扩张过程是多中心扩张模式，除以市中心外，其余扩张中心在距离市中心12 km、20 km、28 km左右处，城市扩张过程城市形态趋于紧凑。

3）东莞建成区扩张过程中边缘式扩张、填充式扩张和飞地式扩张3种扩张模式共存。1998—2018年，城市扩张由边缘式扩张向填充式扩张转变。不同方位AWMEI值不同，则微观紧凑度也不同。第Ⅶ、Ⅷ方位的扩张紧凑度较高，第Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ方位的紧凑度较低。虽然Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ方位紧凑度低，但这个地方有大量生态保护区，所以东莞市的发展应集中在第Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ方位，即水乡片区和滨海片区。

4）城市扩张是城镇化发展的必经之路。逐步填充现有建成区内部未开发用地，控制外延扩张速度，才能提高城市扩张中城市用地的利用效率。然而城市用地扩张是一个涉及社会、经济和生态等方面的综合过程，接下来应该从经济社会方面做更深层次的研究。