广州市建设用地扩张特征及影响因素研究*——基 于1987-2017 年landsat 卫 星影像

朱晓清，张文忠，曹 靖

随着社会经济不断发展，改革开放后我国的城镇化率不断提高，1979～2020 年中国的城镇化率提高了近46%，并且在未来的一段时间里，中国城镇人口规模依然会保持着较高增速[1，2]。建设用地是人口和非农产业发展的载体，在城镇人口的高速增长的同时，城镇建设用地面积快速扩张成为城镇化以及社会经济发展的重要体现之一[3]，由此也产生了耕地和生态空间快速减少、生态环境恶化、土地供需矛盾升级等问题。土地利用方面严峻的形势，使得城市建设用地的扩张问题成为众多城市研究学者的研究热点。深入开展城市建设用地扩张研究，对指导国土空间保护空间格局的统筹布局与优化具有十分重要的意义,可为促进城市的可持续发展、减少城市化过程的资源环境负效应提供理论和实证支撑[4]1440-1441。

在关于城市建设用地增长的研究中，对于用地增长时空过程与特征、影响因素与动力机制的分析是其中重要的两个领域。国内外学者对不同国家、区域建设用地增长的速度、特征、模式、影响因素等进行了大量的实证研究，其中对于美国、欧洲等发达国家地区以及中国、印度等快速城市化进程中国家地区的研究相对较多[5-13]。在国内的相关研究中，从研究尺度和区域上看，已有研究主要关注全国尺度[3，14-21]、经济快速发展或政策重点支持的区域层面[22-30]、省域[31-34]以及部分建设用地供需矛盾较大的大中城市[35-38]，对于城市内部区（县域）层面进行纵横向对比的研究相对较少；对于研究对象建设用地增长的时间区间多在10 ～15 年，从长时间、多尺度研究城市建设用地增长规律的研究就更少。

城市建设空间扩张是具有阶段性、多样性和复杂性特征的过程，无论处于哪个时段，受着多重驱动力的共同作用[4]1442。在已有的关于城市建设用地增长影响或驱动因素研究中，关注最多的是社会经济方面的影响因素，涉及人口增长、不同产业部门发展、固定资产投资、外资利用、交通条件、政策制度、社会行为、城市环境[4，14-21，25-36]等，此外自然环境[23]等因素也在部分研究中有所涉及。然而，结合土地与城建政策、行政区划调整以及城市发展规划等来分析城市及内部不同行政区的建设用地扩张机制的相关研究相对较少。

广州属于粤港澳大湾区及珠三角城市群的核心城市，是中国改革开放后最早进入高速发展的城市之一，在过去的30 年中经历了从工业化初期逐渐向后工业化演变的历程，城市社会经济及城市化建设均经历了巨大发展。在我国全面开展市县国土空间规划编制的关键时期，以广州市为研究对象，基于卫星遥感影像，创新性地运用异常值分析等研究方法，对其及内部各行政区1987 ～2017 年30 年间建设用地增长的时空特征和分异进行研究，并结合30年间的社会经济统计数据、土地政策、行政区划调整、城市空间发展战略变更等情况来探讨建设用地扩张的影响因素，有助于更为全面地认识广州市城市空间发展演变肌理，为珠三角其他城市及全国市级国土空间规划中建设空间格局优化与国土空间用途管制提供典型案例的借鉴。

1 研究区域、数据来源与研究方法

1.1 研究区域概况

本文以广州为研究对象，以整个市域作为研究区域，总面积约7434.4km2。广州是我国华南地区的国家中心城市，位于珠江三角洲北缘。根据当前行政区划，广州市共辖荔湾、越秀、海珠、天河、白云、黄埔、花都、番禺、南沙、增城、从化等11 个行政区。2020 年，广州市GDP 总值2.5 万亿元，同比增长2.7%,排全国第四，是我经济最发达的城市之一。当前广州市现状建设用地面积已经接近2020 年土规建设用地指标，加上永久基本农田、生态红线等底线控制的限制，新增建设用地的需求和用地指标的紧张之间的矛盾已十分突出，已成为广州社会经济发展中的突出矛盾之一。

1.2 研究数据选取与处理

经细致比较，能够获取且符合研究需要最早的Landsat 系列覆盖广州市范围的卫星影像为Landsat5 TM 卫星1987 年所拍摄影像。为考察一个较长时段内不同时期建设用地的增长特征，考虑到数据的可获取性、完整性、一致性及数据质量，本文以1987 年和2017 年作为研究的起止年份，同时以7～8 年较为均衡的时间间隔来划分时期，从而形成1987～1995、1995～2003、2003～2010、2010～2017 四 个 研 究 时 段。 以1987、1995、2003、2010、2017 等5 年当年12 月的Landsat系列卫星遥感影像作为土地利用数据源，其中1987、1995 年采用Landsat5 TM 卫 星影像，2003、2010 年采用Landsat7 ETM 卫星影像，2017 年采用Landsat8 OLI_TIRS 卫星影像。

采用综合指数法和阈值法对遥感影像中土地利用类型进行识别。识别过程中，首先运用归一化建筑指数（NDBI）识别建设用地，再利用归一化植被指数（NDVI）、修正归一化水体指数（MNDWI）对植被、水体的识别结果，对前述建设用地识别结果进行修正[39，40]。建设用地提取并修正完成后，对于历年数据均随机选取超过100 个样本进行精度检验，通过与同年度高分辨率影像对照或结合数据源影像目视判断，5 个年份的建设用地识别结果的总体精度均超过0.80，能够满足本文研究内容对建设用地识别精度的要求。

同时，选取了与上述卫星影像相应年份的年末户籍人口、地区生产总值、第一产业增加值、第二产业增加值、第三产业增加值、年末从业人数、全年工资总额、全社会固定资产投资额、预算内财政收入、预算内财政支出、社会消费品零售总额、实际利用外资等12 项社会经济数据，考察其与建设用地扩张的关系。数据来源为历年广州市统计年鉴、《广州50 年》、部分年份各区政府工作报告等。由于部分早期统计数据难以获取，文中使用临近年份可获取数据作为代替。

1.3 研究方法

1.3.1 城市建设用地增长速率指标

文本采用“年均增长量”和“增长动态度”两个指标来反映广州市各区建设用地增长速率特征[37]。其中“年均增长量”描述研究区域时间段内年均新增建设用地面积，用来衡量建设用地的增加速度；“增长动态度”描述研究区域时间段内，年均新增建设用地面积相对于基期建设用地面积的比例，相比于“年均增长量”，“增长动态度”指标能够体现研究区域建设用地增长速度与建设用地规模之间的关系。指标公式表达为：

式中，V 为建设用地年均增长量，K 为研究期内建设用地增长动态度；Ua和Ub分别为研究阶段始末年的建设用地面积；T 为时间跨度，单位为年。

1.3.2 城市建设用地网格化分析

采用网格离散化方法将建设用地格局通过网格化加以抽象，可便于量化分析城市空间扩张程度和空间区位，进而总结其增长方式的特征。本文将广州市辖区范围划范围进行500m × 500m 的网格划分，共将广州市划分为29342个网格单元。以每个网格单元中建设用地面积与网格面积的比值作为网格的属性值，最小值为0，最大值为1，以此可以获得各个研究年份的建设用地网格化地图。将每个网格单元内1987、1995、2003、2010、2017 五个年度建设用地面积与网格面积的比值分别作为当年网格的属性值。

1.3.3 聚类和异常值分析

本文通过对每个单元格在不同研究时段内聚类结果的变化情况，来分析不同时段建设用地增长的空间特征。在空间分析中，聚类和异常值分析工具可识别具有高值或低值的要素的空间聚类,并且还可识别空间异常值。该分析方法计算每个要素的 local Moran's I 值、z 得分、p值， z 得分和 p 值表示计算出的指数值的统计显著性。该方法根据计算出的local Moran's I 值将每个具有显著统计学意义的要素聚类为HH（高值被高值环绕）、HL（高值被低值环绕）、LH（低值被高值环绕）、LL（低值被低值环绕）四种类型。本文以前述城市建设用地网格化分析中分割的网格作为进行聚类和异常值分析的要素，计算公式如下：

计算式中，Ii为i 要素的Moran's I 指数；xi，xj为要素i，j 的值（建设用地面积）；和s 分别为邻域范围1）内各要素值的均值和标准差；n 为邻域范围内要素总数；Wi,j为空间权重矩阵(本文采用反距离权重)。

1.3.4 皮尔逊相关分析

采用皮尔逊相关分析方法来考察各时段中建设用地年均增长量指标与人口、产值、投资、财政等经济指标增长率之间的数量相关关系。公式表达为：

式中r 为样本(Xi, Yi)的皮尔逊相关系数，分别为X、Y 的平均值。

2 研究结果与扩张影响因素分析

2.1 建设用地扩张时空特征

2.1.1 增长速率呈现波浪式变化

在空间上，广州市建设用地经历了1987～1995年、2004～2010年两个时段的快速扩张。由表1，广州市1987～2017年30 年间建设用地增长呈现了明显的快-慢-快-慢的变化态势。1 97 8 ～1 9 9 5年间广州市建设用地面积年均增长27.3 km2，增长动态度为10.6%。1996 ～2003 期间建设用地增长速度明显放缓，年均增长14.34 km2，仅略高于上一时段年均增长面积的50%，增长动态度下降到3%，不及上一时段的1/3。随后2004 ～2010 期间广州建设用地增长再次进入高峰期，这一时段建设用地年均增长45.85 km2，增长动态度上升到7.7%。2011 ～2017 年间建设用地增长再次放缓，年均增长18.24 km2，增长动态度下降到2.0%。

2.1.2 不同时段增长主要方向不同

从各个时段各行政区2）建设用地增长情况来判断该时段广州市建设用地增长的主要方向。由表1 可见，1987 ～1995 年，天河、黄埔两区建设用地增长动态度均超过20%，在各区中排在前两位，这一时期广州市建设用地在增长方向上主要体现出的特征是主城区向东延伸。1996～2003年，建设用地整体上增长速度较为缓慢，但天河、黄埔两区建设用地增长动态度仍然排行前列，白云区、海珠区建设用地增长动态度在这一时期也相对较高，广州主城区增长方向由向东延伸逐渐向东、北、南三个方向同时延伸。2004 ～2010年，黄埔区建设用地继续快速增长，这一时段黄埔区新增建设用地主要集中当时属于萝岗区的范围，位于当时黄埔区辖区范围以北。同时南部的番禺、南沙，北部的白云、花都建设用地均有明显增长，中心城区各区建设用地逐步达到饱和。增城、从化在此时期也经历了建设用地的高速增长，至此广州市城市空间已大大扩张，这一时段广州建设用地增长方向体现的主要特征是主城外围地区建设用地高速增长。2011～2017时段各区建设用地增长速度大幅减缓，其中南沙区和从化区这一时期建设用地增长动态度相对较高，广州市建设用地增长的主要方向进一步向外围地区集中。

表1 各行政区不同时段建设用地增长规模和动态度

图1 广州市建设用地扩张空间格局

2.1.3 从蔓延式增长向独立式增长过渡

对网格进行聚类和异常值分析(Anselin Local Moran’s I)，可以将网格划分为HH（高值被高值环绕）、HL（高值被低值环绕）、LH（低值被高值环绕）、LL（低值被低值环绕）、统计不显著等类别。参考高金龙等对南京市城市建设用地填充式、蔓延式、飞地式等模式的定义方法[41]，考察每个网格每个时间区段内类型的变化情况，将由LH 转变为HH 类型的网格定义为“蔓延式增长”，将LL 或统计不显著转变为HH 或HL 的网格定义为“独立式增长”，由此分析增长方式特征。“蔓延式增长”的网格主要为在基期原有的连片集中的建设用地周边新增的建设用地，“独立式增长”的网格主要包括远离原有建设用地新开发的连片建设用地，以及虽然围绕原有建设用地分布、但距离原有建设用地较远的新增建设用地。

图2 各年份聚类和异常值分析结果

由表2 可见，广州市蔓延式增长网格与独立式增长的网格的比值在1995 ～2003 年时段达到最高，其后两个时段快速下降。从1987 ～1995 时段到1995 ～2003时段，广州市建设用地增长的蔓延式特征逐渐增强，即通过扩展城市建设用地边界增大城市建成区规模。后两个时段中，建设用地增长的蔓延式特征明显下降，与之相对的独立式增长特征增强，实际表现为集中建成区外相对独立的小城镇发展加速，以及各类园区的开发建设。

表2 各行政区不同时段建设用地增长方式特征

从分区层面看，从化、增城及南沙由于基期城市建设用地规模小，在当前的研究尺度下，未能体现出明显的新增建设用地围绕原有建设用地分布的格局，各个时段中蔓延式增长网格和独立式增长网格的比值均很低。荔湾、越秀、海珠等老区缺乏建设用地独立式增长的空间，新增建设用地主要分布于原有建设用地周边或建成区内部的空地，因此各时段蔓延式增长网格和独立式增长网格的比值普遍较高。花都、番禺在前两个时段蔓延式增长的特征较为明显，后两个时段独立式增长特征逐渐明显。天河、黄埔、白云三个区的建设用地增长特征和广州市总体特征较为接近。

2.2 建设用地扩张的影响因素分析

2.2.1 人口增长与经济发展

建设用地扩张与人口增长和经济发展间存在明显的联系。采用皮尔逊相关分析来考察各时段中建设用地年均增长量指标与年末户籍人口、地区生产总值、第一产业增加值、第二产业增加值、第三产业增加值、年末从业人数、全年工资总额、全社会固定资产投资额、预算内财政收入、预算内财政支出、社会消费品零售总额、实际利用外资等12项指标的年均增长率之间的相关关系。由于30 年间广州市经历了多次行政区划调整，而本研究考察的数据均为不同时期间的增量指标，因而将11 个现行行政区合并为中心城区（荔湾、越秀、海珠、天河）、近郊区（黄埔、白云）、番禺（番禺、南沙）、花都、增城、从化6 个区域单元分别整合社会经济指标，从而保持了不同时期中研究区划分基本一致，使得增量指标具有意义。将划分的6 个部分作为相关分析的样本。

表3 中部分相关系数尽管未能达到显著性标准，但仍能一定程度上反应指标间的相关关系。1987～1995年时段中，建设用地年均增长量与全社会固定资产投资额年均增长率和预算内财政支出年均增长率两个指标正相关性比较明显，而与产值类指标增长率的相关性很低，可以反映出该时期建设用地的增长主要受到投入方面因素的影响，建设用地增长在此时期尚未明显对应产值的加速增长。1995～2003 年时段中，建设用地年均增长量与从业人数、总工资额、社会消费品零售总额以及二、三产业生产总值指标年均增长率之间的相关关系较上个时段有明显提升，说明该时期建设用地增长已经逐渐体现在了企业与就业人口的加速增长，从而带来产值与社会消费增速的上升。2003 ～2010年时段在宏观政策及城市发展战略等多重因素影响下，广州市进入建设用地增长的高峰阶段，在此时期广州新建扩建了一大批产业园区，同时大量吸引了外资投入，因而这一时期建设用地年均增长率与第二产业增加值年均增长率、实际利用外资年均增长率的相关性比较显著。2010～2017 年时段中，建设用地年均增长量与生产总值年均增长率呈现一定程度的负相关，而与户籍人口的增长呈显著的正相关，说明该时期经济增长与建设用地增加之间关系逐渐脱钩，而户籍人口的增加意味着居住用地需求的提升，从而反应到建设用地的增长。

表3 不同时段建设用地增长量与经济发展指标增长率间的相关性

2.2.2 土地与城建政策

土地与城建政策对城市建设用地增长的速率影响非常显著。“八五”时期广州市把建筑与房地产业作为六大支柱产业之一，这一时期广州房地产开发工作量年均增长89.1%[42]。建筑与房地产业高速发展的同时带来了土地批租、行政划拨土地宏观失控、老城区拆迁强度过大、违法占地、违法建设等问题，政策的导向和管控的缺失加速了该时期建设用地的增长。为应对土地过量划拨和供应以及违法用地凸显等问题，广州市政府多个部门在1995 年12 月联合对市区已经出让的开发土地进行调查，随后几年间，广州市陆续颁布了有关加强开发用地管理、闲置土地处理、清理违法用地和“烂尾地”等的一系列政策措施。与此同时，国家开始实施紧缩银根等宏观调控措施，颁布了《基本农田保护条例》，修订了《土地管理法》。在这些政策措施影响下，1995年后广州建设用地增长速度明显放缓。2001年开始，原国土资源部逐步叫停沿用多年的土地协议出让方式，推行土地招拍挂出让制度，这使得地方政府对于土地出让的积极性明显加强。同时，广州市政府也推行了一系列政策措施推动地产交易，如简化办事流程、减税、增加贷款额度等，这些政策措施促使了2003 到2010 年这一时段建设用地增长速度大幅回升。2009年后，国家颁布了一系列政策对房地产建设进行管控，对土地市场监控升级，并通过严控城市规划底线限制城市扩张，因此2011 ～2017 年这一时段广州建设用地增长的速度再度回落。2015 年国务院审议通过南沙自贸试验区总体方案，政府给予南沙大量的政策支持，这显著提升了南沙区建设用地增长速度，使得南沙在近年来建设用地增长动态度上领先全市。通过上述分析可见，建设用地增速的变化对于土地政策，特别是宏观政策非常敏感。

2.2.3 行政区划调整

行政区划的调整对于建设用地增长的方向和特征有一定的影响作用。以花都、番禺为例，两区2000 年纳入广州市市辖区范围，在此之前为县级市。在纳入市辖区前，花都、番禺在行政上与广州主城区联系较弱，其增长更多依靠内生动力扩张，体现在建设用地增长方式上即此阶段蔓延式增长的特征较为明显。花都、番禺纳入市辖区后与广州主城区的联系增强，逐渐成为广州市城市用地拓展的重点区域，其增长更多地接受来自主城区的外部动力，这促使这一时期这两区建设用地的独立式增长特征逐渐明显。

2.2.4 城市发展规划

不同时期城市发展中心及战略调整对建设用地增长方向影响明显。1978年全国城市工作会议后，城市规划制度逐步恢复，广州开始编制了《广州城市总体规划(1984 ～2000 年)》，并于1984 年获得国务院批复。这版总规提出城市结构从“以旧城为基础的单中心”扩展成为“带状组团格局”，采取沿珠江北岸向东发展，形成“旧城组团、天河组团、黄埔组团”。在该版规划指引下，1987 ～1995 年、1996 ～2003 两个时间段中，天河、黄埔两区建设用地增长动态度一直排在各区前列，广州新中央商务区珠江新城的规划在这一时期完成并开始建设。2000年广州市开始编制《广州城市建设总体战略概念规划纲要》，确立了“南拓、北优、东进、西联”的空间拓展方针，在此基础上广州形成了新一版的《广州市城市总体规划(2001 ～2010)》，本版总规确定城市空间发展的基本策略为从上一版的向东发展扩展到同时往南部、北部、东部发展。在本版规划指引下，2003到2010 年时段广州东部黄埔区继续快速增长，番禺、南沙、白云、花都等外围区域建设用地均有明显增长。2010年亚运会，对于2004-2009 年间推动广州市基础设施建设升级、城市绿道建设，一定程度上也促进了建设用地的扩张。《广州市城市总体规划（2011—2020 年）》的提出建设南沙滨海新城、东部山水新城（包含黄埔区和增城区部分区域）“两个新城区”，在此指引下，南沙、黄埔以及增城在2011 ～2017 时段建设用地增长动态度位居各区前列。

结论与不足

本文以1987、1995、2003、2010 和2017 年等五期Landsat卫星遥感影像为基础，结合社会经济统计数据，综合运用网格化分析、聚类和异常值分析、皮尔逊相关分析等方法研究分析了广州市1987-2017年30 年间不同时段中建设用地扩张的时空特征及影响因素。主要的研究结论有：

（1）受到土地政策及各类措施变化的影响，广州市建设用地增长速率在1987-2017 年30 年中先后呈现快-慢-快-慢的波浪式变化特征。但不同时期、不同行政区建设用地增长的方式特征又各有不同。

（2）受到不同版本城市发展战略及城市总体规划影响，广州市在30 年中不同时间段建设用地的增长的重点方向有所差异，从开始主要向东延伸逐渐过渡到同时向东、向南、向北增长，再到2010 年后着重发展特定区域。

（ 3 广）州市建设用地蔓延式增长特征在1995 ～2003年时段达到最高，随后独立式增长特征逐渐明显。

（4）不同时段中与建设用地增长关系密切的经济发展指标有所不同。1987 ～1995年时段建设用地的增长主要受到投入方面因素的影响。1995 ～2003年时段建设用地增长逐渐体现在了企业与就业人口的加速增长。2003～2010年时段建设用地年均增长率与第二产业增加值年均增长率及实际利用外资年均增长率的相关性比较显著。2010～2017 年时段经济增长与建设用地增加之间关系逐渐脱钩，与居住人口的增长关系较为密切。

（5）广州市建设用地扩张受到社会经济与人口、土地与城建政策、行政区划调整和城市发展规划等因素影响，其中土地与城建政策、城市发展规划、行政区域对对建设用地增长影响显著，建设用地增长与人口增长和经济发展间存在明显的联系。

本文在研究方法的使用及影响因素分析的视角等方面具有一定的创新之处，但仍存在一些不足需要在后续研究中予以改进，一是基础数据的精度可以进一步提升，从数据来源到处理方法上均有较大提升空间；二是对建设用地增长方式特征总结的视角比较单一；四是在对新增建设用地和社会经济增长率指标进行相关性分析时，由于样本数量特征较小，得出的结论有可能缺乏普适性，该问题需要在后续研究中通过扩大研究范围、增加样本量予以解决。

图、表来源

文中图、表均由作者绘制。

注释

1）根据研究实际情况，经过反复试验，本文在进行聚类和异常值分析时将邻域的阈值定位5000m。

2）本文中所提及的行政区未经特殊说明的，均以现行的行政区划为准。