武漢市1999-2012年城市擴張的時空分異

劉艷芳， 湯碩華， 譚榮輝， 孔雪松

(1.武漢大學 資源與環境科學學院，湖北 武漢 430079；2.武漢大學 地理信息系統教育部重點實驗室，湖北 武漢 430079)

?

武漢市1999-2012年城市擴張的時空分異

劉艷芳1，2， 湯碩華1， 譚榮輝1， 孔雪松1，2

(1.武漢大學 資源與環境科學學院，湖北 武漢 430079；2.武漢大學 地理信息系統教育部重點實驗室，湖北 武漢 430079)

以1999-2012年14期LandsatTM影像為數據源，選取武漢市為研究區，采用GIS與景觀指數分析相結合的方法，從時間序列和空間發展角度分析了城市建設用地的分布特征及變化規律，探討了武漢市建設用地擴張的時空分異特征.結果表明：1999-2012年，武漢市的建設用地從161.78km2增長到712.17km2，年均增長面積為42.34km2，擴張速度達到26.17%/a，擴張強度則為0.5%/a；城市主體是沿著長江和漢江呈斜十字形不斷向外擴張的，擴張方向主要是W、SW和SE三個方向，擴張模式以邊緣式和填充式為主；從建設用地的景觀特征來看，破碎度先減小后增大，優勢度先增大后減小，景觀形狀一直趨于簡單化，景觀分布則緩慢聚集.究其原因，主要包括四點：國家政策的宏觀調控、城市規劃的引導作用、河流湖泊的地形限制和經濟發展的強烈需求.

武漢市；城市擴張；時空特征；景觀格局

城市化是當今世界上最重要的社會經濟現象之一[1]，城市用地急劇擴張成為城市和社會經濟加速發展的重要特征[2].城市擴張侵占城市周圍的生態用地(主要是耕地)，使其面積逐年減少，分析城市擴張的時空特征，對科學合理地指導城市規劃、保護有限的耕地資源和生態環境具有十分重要的意義[3].

時空特征作為城市擴張的六大研究領域[4]之一，國內外學者對其研究已經頗為完善.其中，國外對建設用地增長的時空特征的研究相對較少，雖然對建設用地擴張研究較早，但主要集中于建設用地變化驅動力的研究.而國內對建設用地時空特征的研究研究成果十分顯著.從研究對象上看，有單個城市的[5]，也有城市圈或城市群的[6]，還有區域尺度的[7]，更有全國尺度的[8]；從研究方法上看，由單一的GIS空間分析[9]到RS與GIS結合分析[10,11]，再到RS、GIS與景觀指數綜合分析[12,13]，技術手段逐漸多元化；從研究內容上看，主要包括數量特征分析[14]、擴張模式分析[15]、變化檢測分析[16]、社會經濟指標分析[17]和景觀格局分析[18,19]；從研究領域上看，有純粹的時空特征分析[20]，也有時空特征與其他領域的綜合分析如影響因素與驅動力[21,22]、耕地占用[23]、模擬預測[24]等.但是，研究對象多以東部大城市為主，而且研究時序以階段性時間變化為主，缺少連續性的時序研究，同時，在研究方法上，對建設用地的增長方向研究均是四方向或八方向上的規模統計，甚至于簡單的定性描述，沒有明確對各個方向上城市擴張的空間特征進行定量分析.

武漢市作為典型的中部城市，隨著社會經濟的高速發展，城市化進程加快，城市建設用地擴張加速，歷年的城市擴張比較明顯.因此，本文以遙感為主要信息源，以GIS空間分析和景觀指數分析為手段，研究武漢市1999-2012年城市擴張的時空特征，提出了一種改進的研究城市擴張方向的方法，在學術上是對相關研究的補充，在實際應用上對土地合理規劃具有指導意義，可為城市規劃和相關政策的制定提供支撐.

2 研究區域與研究方法

2.1 研究區域

武漢市是湖北省省會，華中地區最大城市，占地面積8494km2，地處長江中下游，東經113°41′-115°05′，北緯29°58′-31°22′，東西最大橫距134km，南北最大橫距155km.根據武漢市2012年統計年鑒，武漢市2011年戶籍總人口827.2萬人，其中非農人口546.59萬人，占總人口的55.07%，人口密度每平方千米973.91；國內生產總值6756.2億元，其中第三產業總產值3309.48億元，占國內生產總值的48.98%，人均GDP67427元.

2.2 數據來源及處理

本文采用LandsatTM遙感影像數據14期，獲取時間分別為1999-2012年，成像時間分別為7-9月間，影像質量良好，滿足分類的需要.運用遙感圖像處理軟件Envi4.8對遙感影像進行配準(精度控制在0.5個像元內)、坐標變化、幾何校正、影像增強等數據預處理工作.采用最大似然法對遙感影像進行監督分類，將其劃分為建設用地、耕地、林地、水域和裸地五類，并進行分類后處理，去除小像元.為了保證選取樣本的正確性和代表性，每期影像隨機選擇其中100個樣本與土地利用現狀圖比對，并進行實地調查，使得分類整體精度和kappa系數分別大于87%和0.81.然后基于建設用地面積隨時間增加而增大的原則，在ArcGIS9.3中進行修改操作(clip、erase、eliminate等)，保證最終建設用地提取精度在90%以上.

圖1 1999-2012年武漢市建設用地擴張變化圖Fig.1 Construction land expansion in Wuhan City from 1999 to 2012

2.3 研究方法

本文采用GIS空間分析與景觀指數分析相結合的方法.利用GIS的空間分析功能，統計建設用地擴張的數量特征和面積-城市中心距離指數.其中，數量特征主要包括建設用地擴張的速度與強度，擴張速度是指單位時間內建設用地面積變化的幅度，擴張強度是指單位時間內建設用地占研究區總面積比例變化的幅度[25].

而面積-城市中心距離指數是指建設用地的面積隨離城市中心的距離遠近而變化的規律.本文以研究區的建設用地重心作為城市中心，以城市中心為圓心，以2km為半徑，遞增向外畫圓環直至覆蓋整個研究區的建設用地，最終形成32個環區；同時將32個環區劃分為8個方向，計算每個方向的面積-城市中心距離指數(圖1).

同時利用景觀格局分析軟件Fragstats3.3計算建設用地的斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)、面積加權平均分形維數(AWMPFD)和聚集度指數(AI)，從而說明建設用地的景觀特征.最大斑塊指數能反應最大斑塊對景觀的影響程度，從而反應斑塊類型的優勢度.最大斑塊指數越大，最大斑塊對景觀的影響程度越高，斑塊類型的優勢度越大[26].

3 結果分析

3.1 數量特征分析

表1 1999-2012年武漢市建設用地的面積和占研究區總面積的比例

建設用地面積變化是城市擴張最直觀的反應，利用GIS空間分析，得到1999-2012年武漢市建設用地的面積和占研究區總面積比例的變化情況.由表1可知，武漢市2012年的建設用地面積是1999年的4.4倍，建設用地增長了550.39km2，年均增長面積為42.34km2/a；而占研究區總面積的比例由原來1999年的1.9%增加到2012年的8.38%，增長了6.48%；擴張速度達到26.17%/a，擴張強度則為0.5%/a.

圖2 1999-2012年武漢市建設用地擴張強度Fig.2 The expansion intensity of construction land in WuhanCity from 1999 to 2012

本文以擴張強度的0.5倍、1倍、1.5倍將城市擴張過程劃分為四個階段(取上限值)：低擴張階段、較低擴張階段、較高擴張階段和高擴張階段.由圖2可知，武漢市在2000-2001和2002-2003處于低擴張階段，最低達到0.12%；在1999-2000、2003-2004、2005-2008和2009-2010處于較低擴張階段；在2001-2002、2004-2005和2008-2009處于較高擴張階段；在2010-2012處于高擴張階段，最高達到1.05%.其中，2010-2011的最大值1.05%是2000-2001的最小值0.12%的8.75倍，由此可見1999-2012年武漢市建設用地增長的快慢差異.

3.2 面積-城市中心距離指數分析

基于1999-2012年的建設用地分布，利用GIS空間分析，得到1999-2012年武漢市8個方向上建設用地的面積-城市中心距離指數，由于圖幅限制，將遠城區外小于1km2的數據進行了省略，如圖3所示.由于武漢市中心有長江干流穿過，因此初始2km環區內以水域為主，建設用地面積比較小.隨著環區的半徑加大，主城區的建設用地急劇凸顯，圖形呈現明顯的上升趨勢，快速達到最高峰.隨著環區向近郊移動，建設用地面積減少，圖形以相對緩慢的趨勢下降，直至建成區界線.環區繼續向遠郊移動，遠城區的城鎮用地凸顯，使圖形呈現小山包似的突起，直至到達行政區界線，建設用地漸漸減少后消失.

由圖3-a可知，N方向上建設用地的增長變化比較平緩，S方向上建設用地的增長變化相對明顯；兩者主城區建設用地的最大值增加了7km2左右，所在環區和邊界范圍向外推進了2-4km；遠城區建設用地的最大值則增加了3km2左右，所在環區和邊界范圍無明顯變化.同時，S方向上建設用地的規模明顯大于N方向，而且2005-2012年在22-24km范圍內形成了一個新的極值點，與遠城區相偎相依.

圖3 1999-2012年武漢市建設用地的面積-城市中心距離指數變化曲線Fig.3 The area-city center distance index of construction land in Wuhan City from 1999 to 2012

由圖3-b可知，W方向上建設用地的增長變化比較明顯；主城區建設用地的最大值增加了10km2左右，所在環區和邊界范圍向外推進了6-8km；由于東西湖的城區與中心城區相連，1999-2004年可以看到一個小山包緊隨主峰出現，后來隨著城市擴張而逐漸被主峰所包容；蔡甸的城區則離中心城區較遠，建設用地的最大值增加了5km2左右，所在環區和邊界范圍無明顯變化.而E方向上建設用地的增長變化則比較平緩；主城區建設用地的最大值增加了7km2左右，所在環區和邊界范圍向外推進了2-4km.由于東湖的阻擋作用，E方向上建設用地的增長速度明顯慢于W方向，導致2012年建設用地的規模明顯小于W方向.

由圖3-c可知，NW方向上建設用地的增長變化比較平緩；主城區建設用地的最大值增加了6km2，所在環區和邊界范圍向外推進了4km.而SE方向上建設用地的增長變化非常明顯；主城區建設用地的最大值增加了12km2，所在環區和邊界范圍向外推進了10km；建設用地規模在2005年明顯超過了NW方向.

由圖3-d可知，SW方向上建設用地的增長變化非常明顯；主城區建設用地的最大值增加了9km2，所在環區和邊界范圍分別向外推進了10km和20km，并在2005-2010年將邊界范圍延伸到了漢南城區所在環內；遠城區建設用地的最大值則增加了1.5km2左右，所在環區和邊界范圍無明顯變化.而NE方向上建設用地的增長變化比較平緩；主城區建設用地的最大值僅增加了4km2，所在環區和邊界范圍向外推進了2-4km；遠城區建設用地的最大值則增加了2km2，所在環區和邊界范圍無明顯變化；建設用地規模在2005年明顯小于SW方向.

3.3 景觀指數分析

利用景觀格局分析軟件Fragstats3.3計算景觀指數結果如表2.總體來看，PD變化非常明顯，最大值4.57是最小值2.02的2.26倍；LPI則變化比較明顯，最大值與最小值之比是1.41；而AWMPFD和AI變化不大，最大值與最小值之比分別是1.08和1.06.

表2 1999-2012年武漢市建設用地的景觀指數

由表2和圖4可知，1999-2012年武漢市建設用地的景觀指數變化大致可以分為三個階段.1999-2004年，PD和AWMPFD減小，LPI和AI增大，建設用地斑塊的破碎度顯著降低，聚集程度升高，最大斑塊對景觀的影響程度顯著升高，建設用地的優勢度明顯上升，整體形狀趨于規則化和簡單化.這個時期主要受城市總體規劃的影響，主城區建設以四城(漢口商業金融城、東湖科技城、青山鋼鐵城、沌口汽車城)為重點，注重新區開發與舊城改建的結合，初步形成核心區、中心區片和綜合組團的布局結構.

圖4 1999-2012年武漢市建設用地的景觀指數變化Fig.4 Landscape Index of construction land in WuhanCity from 1999 to 2012

2004-2008年，景觀指數有微小的起伏，但總體來說，AWMPFD增大，PD、LPI和AI相對減小，建設用地斑塊的破碎度降低，聚集程度降低，最大斑塊對景觀的影響程度降低，建設用地的優勢度下降，整體形狀趨于復雜化.這個時期主要受國家政策的影響，宏觀經濟政策和資金技術的大量支持，使得武漢市的發展上了一個新臺階，建設用地的擴張強度明顯提升.

2008-2012年，PD和AI增大，LPI和AWMPFD減小，建設用地的破碎度顯著升高，聚集程度有所升高，最大斑塊對景觀的影響程度降低，建設用地的優勢度下降，整體形狀再次趨于規則化和簡單化.由于國家政策和城市總體規劃的共同影響，武漢市的建設用地急劇蔓延.由于河流湖泊的地形導向與限制，主城區與吳家山、豹遚、紙坊和常福距離較近，建設用地進行填充式擴張，使得武漢市的整體擴張方向表現為明顯的W、SW和SE三個方向.

3.4 影響因素分析

綜上所述，1999-2012年，武漢市是以長江和漢江為兩條基本軸線不斷向外蔓延的，后期建設用地一方面填充前期的發展空隙，另一方面在此基礎上逐步向外擴張；與此同時，遠城區形成6個次級核心，與城市主體之間的大片土地又逐漸被侵蝕，城市規模不斷擴大.

究其原因主要有四點：一是國家政策的宏觀調控.2004年3月，中共中央提出中部崛起戰略和“兩橫兩縱”經濟帶.2007年，國家又批準武漢城市圈進行“兩型社會”的試點建設.2010年，國務院明確武漢市為中部地區的中心城市.武漢作為中國內陸最大的城市之一，獲得了國家在宏觀經濟政策和資金技術投入等多方面的大力支持，促進了社會經濟的快速發展.同時，武漢市作為湖北省的省會城市和1+8城市圈的中心，社會經濟的發展只有始終與周邊城市保持相當大的差距，才能夠穩固龍頭老大的位置，而這勢必要求武漢市加速城市發展.

二是城市規劃的引導作用.《武漢市城市總體規劃(1996-2020年)》的近期建設規劃明確指出：加快主城用地調整和舊城改建，推進新區的整體開發，促進主城功能布局趨于合理.因此，1999-2004年，建設用地的土地利用結構變得緊湊，空間布局逐步優化，景觀指數特征表現出明顯的變化.同時，規劃修編以后，武漢市按照城市總體規劃的要求，建設以主城區為核心的多軸、多中心、開放式的城市空間布局；主城區依托“兩江交匯、三鎮鼎立”的自然格局，采用“多中心組團式”的城市空間結構，由內到外分別布局了10多個中心組團，同時建設11個新城和13個新城組團，帶動郊區工業化和城市化水平的提高.因此，2008-2012年，建設用地雖然在聚集和規則程度有所提升，但是景觀卻變得比較破碎.

三是河流湖泊的地形限制.武漢市水資源豐富，形成了“以長江和漢江為引線，以東湖、湯遜湖等大大小小160多個湖泊為點綴”的水域景觀.其中，長江和漢江形成了武漢市的兩條軸線，引導著武漢市的土地利用方向與發展趨勢，形成了“三鎮鼎立”的空間格局；而眾多湖泊則對建設用地景觀進行了明顯的地域分割，導致建設用地只能朝著特定的方向增長，如W、SW和SE，使武漢市主體呈現為一只翩翩起舞的“蝴蝶”.

四是經濟發展的強烈需求.社會經濟的高速發展必然需求大量的建設用地.1999-2012年，武漢市GDP總量以年均約16.8%的速度增長，同期建設用地則以年均26.17%的速度增長.“十一五” 和 “十二五”期間，東湖新技術開發區、武漢經濟技術開發區和吳家山海峽兩岸科技產業園發揮其核心增長極的作用，組團式推進產業的集聚升級和空間的輻射擴散，成為全市經濟發展最快、活力最強、規模最大的新的經濟增長帶；與此同時，武漢新區、北湖化工新區、王家墩商務區、陽邏開發區等均不斷向周邊地區延伸產業發展空間.因此，2005年以后，建設用地擴張強度明顯加快.

4 結論和討論

綜合運用RS、GIS和景觀指數，對武漢市1999-2012年城市擴張的時空特征進行了定量研究，研究結果表明：1)1999-2012年武漢市的建設用地從161.78km2增長到712.17km2，年均增長面積為42.34km2，擴張速度達到26.17%/a，擴張強度則為0.5%/a.從歷年擴張強度來看，武漢市在2000-2003基本處于低-較低擴張階段，只是在2001-2002存在一個極大值點，達到較高擴張階段；在2003-2010處于較低-較高擴張階段；在2010-2012處于高擴張階段.2)從面積-城市中心距離指數變化曲線來看，武漢市主體是沿著長江和漢江呈斜十字形不斷向外擴張的，擴張方向主要是W、SW和SE三個方向，朝著東西湖區、蔡甸區和江夏區逐漸蔓延.3)1999-2012年武漢市建設用地的景觀特征有明顯的變化規律.PD和LPI、AWMPFD和AI剛好呈現相反的變化趨勢；景觀破碎度先減小后增大，景觀優勢度先增大后減小，景觀形狀一直趨于簡單化，景觀分布則緩慢聚集.總之，武漢市建設用地景觀逐漸變得簡單、緊湊，但是又被生態用地景觀分割而變得相對破碎.

由此可見，GIS空間分析與景觀指數分析相結合的方法具有明顯的優勢，不僅直觀反映了城市擴張的數量特征，而且還充分體現了建設用地增長的空間特征.同時，連續性的時序研究更能準確反映城市擴張的狀態和程度；而面積-城市中心距離指數變化曲線更能夠定量描述城市的擴張方向，直觀反映城市建設用地以及新增建設用地的空間分布.武漢市地理位置獨特，作為中部地區的核心城市之一，快速的經濟發展與城市擴張是不可避免的.但是，建設用地擴張強度不斷加大，城市周圍的生態用地不斷減少，將嚴重影響社會經濟和生態環境的可持續發展.有研究表明：1995-2010年，湖泊水域有16.73km2轉變成了建設用地，轉移比率達到18.89%[27].土地資源是有限的，無節制的城市擴張是不可行的，我們需要從數量和空間分布上對城市建設用地的增長進行合理規劃，提高土地的集約利用率，保證合理的擴張強度和擴張模式，實現社會經濟與生態環境的可持續發展.

[1] 陸笿,湯茂林,劉茂松.基于RS和GIS的江陰城市擴張研究[J].南京師大學報：自然科學版,2010(02):132-137.

[2] 徐夢潔,於海美,梅艷,等.近年我國城市土地擴張研究進展[J].國土資源科技管理,2008(01):47-52.

[3] 吳宏安,蔣建軍,周杰,等.西安城市擴張及其驅動力分析[J].地理學報,2005(01):143-150.

[4] 王婧,方創琳.城市建設用地增長研究進展與展望[J].地理科學進展,2011(11):1440-1448.

[5] 鄭榮寶,陳梅英,陳美招.廣州市花都區建設用地擴展的時空特征及驅動因素分析[J].熱帶地理,2012(01):66-71.

[6] 熊宏濤.近25年來武漢城市圈土地利用景觀格局變化及驅動力分析[D].武漢：華中師范大學,2012：4-6.

[7] 李平星,孫偉.改革開放以來蘇南地區城市擴展格局與驅動機理研究[J].長江流域資源與環境,2013(12):1529-1536.

[8] 張利,雷軍,李雪梅,等.1997-2007年中國城市用地擴張特征及其影響因素分析[J].地理科學進展,2011(05):607-614.

[9] 劉盛和,吳傳鈞,沈洪泉.基于GIS的北京城市土地利用擴展模式[J].地理學報,2000(04):407-416.

[10] 張榮天.縣域城鎮空間擴展特征及影響因素分析[D].南京：南京師范大學,2012：3-4.

[11] 湯君友,楊桂山.基于RS與GIS的無錫市城鎮建設用地擴展時空特征分析[J].長江流域資源與環境,2004(05):423-428.

[12] 楊振山,蔡建明,文輝.鄭州市2001-2007年城市擴張過程中城市用地景觀特征分析[J].地理科學,2010(04):600-605.

[13] 王瑩,邢立新,潘軍,等.城市擴張對景觀格局變化影響研究[J].江西農業學報,2013(01):31-34.

[14] 吳優.上饒市建設用地時空特征及其驅動力研究[D].南昌：江西農業大學,2013：15-17

[15] 張金蘭,歐陽婷萍,朱照宇,等.基于景觀生態學的廣州城鎮建設用地擴張模式分析[J].生態環境學報,2010(02):410-414.

[16] 馮仕超,高小紅,亢健,等.西寧市30多年來土地利用/土地覆被變化及城市擴展研究[J].干旱區研究,2012(01):129-136.

[17] 周國華,賀艷華.長沙城市土地擴張特征及影響因素[J].地理學報,2006(11):1171-1180.

[18] 陳穎彪,李雁,千慶蘭,等.基于TM數據的廣州市番禺區土地覆被格局分析[J].地理科學,2012(04):458-463.

[19] 賈琦,運迎霞,黃煥春.快速城市化背景下天津市城市景觀格局時空動態分析[J].干旱區資源與環境,2012(12):14-21.

[20] 儲金龍,馬曉冬,高抒,等.南通地區城鎮用地擴展時空特征分析[J].自然資源學報,2006(01):55-63.

[21] 安彥明.城市擴展特征及其驅動力分析[D].武漢：湖北大學,2012：6-4.

[22] 賀振,趙文亮,賀俊平.鄭州市城市擴張遙感動態監測及驅動力分析[J].地理研究,2011(12):2272-2280.

[23] 任文利,江東,董東林,等.成都市城市擴張遙感監測及演變特征研究[J].甘肅科學學報,2014(02):15-21.

[24] 段學軍,盧雨田,李慧,等.南通市城鎮建設用地擴展時空特征分析及模擬[J].長江流域資源與環境,2009(02):104-110.

[25] 嵇濤,楊華,何太蓉.重慶主城區建設用地擴展的時空特征及驅動因子分析[J].長江流域資源與環境,2014(01):60-66.

[26] 馮石,馬友鑫,劉文俊,等.城市化過程中昆明周邊景觀格局特征分析[J].云南大學學報：自然科學版,2009(S1):338-343.

[27] 黃浦江,劉艷芳,劉暢,等.基于RS與GIS的武漢城市湖泊演化研究[J].生態環境學報,2012(09):1588-1593.

Spatial-Temporal Variation of Urban Expansion in Wuhan City from 1999 to 2012

LIU Yan-fang1，2， TANG Shuo-hua1， TAN Rong-hui1， KONG Xue-song1，2

(1. School of Resource and Environmental Science, Wuhan University, Wuhan 430079, China; 2. Key Laboratory of Geographic Information System, Wuhan University, Wuhan 430079, China)

With 14 years Landsat TM images from 1999 to 2012 as the data source, selecting Wuhan City as the study area, this paper adopting the combined methods of GIS and landscape index analysis analyzed the distribution and variation of urban construction land from the perspective of time series and spatial development and discussed the spatial-temporal differentiation characteristics of construction land expansion in Wuhan City. The results show that: in 1999-2012, the construction land area increased from 161.78 km2to 712.17km2, the average annual growth area was 42.34 km2, the expansion rate reached 26.17%/a, and the expansion intensity was 0.5%/a; the city sprawled along the Yangtze river and Hanjiang river in oblique cross, the expansion direction was mainly W, SW and SE, and the expansion mode is given priority to with edge and filling; from the perspective of the landscape characteristics of construction land, the fragmentation increased with the decrease of the first, the dominance decreased after the first increased, the landscape shape always simplified and the landscape distribution scattered slowly. The reason mainly included four points: the macro-control of national policy, urban planning guide, the terrain constraints of rivers and lakes and the strong demand of economic development.

Wuhan city; urban expansion; spatial-temporal characteristics; landscape pattern

10.14182/J.cnki.1001-2443.2015.03.012

2014-09-29

國家“十二五”科技支撐計劃資助項目(2012BAH28B02).

劉艷芳(1959-)，女，湖北武漢人，教授，博士生導師，主要從事區域規劃、經濟地理和地理信息應用工程研究.通信作者：湯碩華(1989-)，男，湖北荊州人，碩士，主要研究方向為經濟地理與區域規劃.

劉艷芳，湯碩華，譚榮輝，等.武漢市1999-2012年城市擴張的時空分異[J].安徽師范大學學報：自然科學版，2015，38(3)：272-277.

F

A

1001-2443(2015)03-0272-06