基于多源數據的城市建設用地擴張時空特征分析
——以佛山市順德區為例

符 彥，王劍輝，張 亞

(1. 廣東省地質測繪院，廣東 廣州 510800; 2. 中國測繪科學研究院，北京 100830; 3. 蘭州交通大學測繪與地理信息學院，甘肅 蘭州 730070)

城市擴張演變是城市化的一個重要特征[1]。我國在過去的30年經歷了最高的城市擴張率[2- 3]。利用地理國情普查和監測成果對城市時空演變過程進行持續監測，形成既有科學依據，又與實際密切結合的分析成果，不僅能充分發揮地理國情數據的時效性和利用價值[4- 5]，還有助于加深對城市化本質的理解。長期以來，有關城市擴張的研究一直是國內外的研究熱點，伴隨GIS和RS等技術的不斷成熟，一方面通過重心轉移、擴張強度等方法剖析城市建設用地的時空格局演變特征[6- 7]；另一方面，借助地理數學方法和空間分析手段，運用邏輯模型、神經網絡及GIS耦合等方法，對城市建設用地時空演變過程進行模擬，取得了豐碩的成果。

但從總體上看，已有研究所使用的基礎數據現勢性不強，大多以2009年第二次全國土地調查成果為基礎，且以微觀尺度研究為主。隨著城市化水平的進一步提高，立足我國新型城鎮化的切實需求，為了進一步提高城市土地集約節約利用水平，深入認識和理解城市發展規律，緩解人地矛盾，迫切需要對城市擴張演變的時空特征進行研究[8]。在此背景下，本文以佛山市順德區為例，利用地理國情普查和監測成果，對主城區建設用地擴張過程和時空演變特征進行研究。

1 研究框架及方法

1.1 研究框架

以地理國情普查成果為基礎，結合高分辨率遙感影像提取試驗區多時點城鎮建設用地的空間分布。技術路線如圖1所示。

1.2 研究方法

1.2.1 擴張強度指數

城市擴張強度指數是指某空間單元在一定時期內的城市土地擴張面積占其土地總面積的百分比[4- 7]，數字越大，表示擴張越快，如下

(1)

式中,UIIi,t～(t+n)為空間單元i內t～(t+n)時段內的城市擴張強度指數；ULAi,t+n和ULAi,t分別為空間單元i內在t+n及t時點的建成區面積；TLAi為空間單元i的土地總面積。UII的劃分標準為：大于1.92為高速發展；1.05～1.92為快速發展；0.59～1.05為中速擴張；0.28～0.59為低速擴張；0～0.28為緩慢擴張；小于0則為逆向擴張[9]。

1.2.2 擴張類型

已有研究對擴張類型進行了大量的研究，文獻[10—11]通過難以定量分析的目視方法確定擴張類型；文獻[12]利用凸殼原理定義了填充式和外延式兩種擴張方式；文獻[13]運用景觀擴張指數識別填充式、飛地式、邊緣式3種擴張類型。借鑒上述研究，本文將城鎮用地擴張類型劃分為蔓延式、填充式、跳躍式3類。蔓延式擴張在原有城鎮用地邊緣進行“攤大餅”式的擴張；填充式擴張在原有建成區內部空白區域內填補式發展；跳躍式擴張新增的城鎮用地，與原有城鎮用地之間沒有連接。新增建成區和原有建成區通過GIS的空間疊加分析進行識別。通過下式實現城市擴張類型的自動識別

S=Lc/P

(2)

式中,Lc為新增建成區和原有建成區矢量圖斑的公共邊界長度；P為新增建成區斑塊的周長。S=1時，識別為填充式發展；0

1.2.3 K- means算法

目前常用的空間聚類算法主要是基于密度、網格和坐標- 屬性一體化[14]。本文根據研究特點采用K- means聚類算法自動劃分功能區，對于給定的樣本集，按照樣本之間的距離大小，將樣本集劃分為K個簇C1,C2,…,Ck，具體如下：

(1) 原始數據集S為x1,x2,…,xm，隨機選取K個初始類質心點為μ1,μ2,…,μk∈Sn。

(2) 利用式(3)將每個樣本i劃分至距離它最近的質心點所在的類，其中C代表樣本與K個類中距離最近的類，即

(3)

(3) 對于每一個類μi，利用式(4)重新計算該類的質心，即

(4)

(4) 重復執行步驟(2)—(4)，直到聚類中心不再發生變化為止。

2 研究區概況及數據

2.1 研究區概況

順德區地處113°01′E—113°23′E，22°40′N—23°02′N，位于廣東省中南部，珠江三角洲腹地，行政區總面積為806 km2，轄4個街道、6個鎮，常住人口約250萬人，GDP為2 545.1億元。根據順德區城市規劃，本文確定大良、容桂、勒流和倫教4個街道為研究區。

2.2 數據及處理

(1) 地理國情數據：2015年順德區首次地理國情普查數據。

(2) 遙感影像數據：包括2011年空間分辨率為0.15 m的航空正射影像和2013年空間分辨率為0.5 m的彩色正射影像，通過監督分類及分類后處理[15]解譯得到2011、2013年的城市建成區。

(3) 專題數據：來源于國家、省級政府部門，包括交通、人口、產業布局及社會經濟數據，數據包含名稱、地址、數量、聯系方式等屬性。

3 試驗分析

3.1 總體情況

總體來看，主城區城鎮化水平較高，城市和鄉村沒有明顯的界線，建設用地連接成片。主城區沿著南北方向的G105、S43、S39，以及東西方向的G1501、S268、S112形成了清晰的城鎮發展軸。中部地區沿著G105以家電和機械制造為主形成“以小帶大”的企業集群模式，其中容桂街道、大良街道的建設用地比例高達53.8%、48.9%。東、西部城市國家級高新技術產業開發區、工業園聚集明顯。西南部城鎮主要以中小企業為主，城鎮空間較為分散，建設用地比例相對較少。如圖2所示。

3.2 時空變化分析

3.2.1 擴張面積與強度分析

結合順德區的行政區劃界限，提取順德主城區各街道2011、2013、2015年3個時期建設用地面積數據。將每個街道作為一個空間單元，從擴張數量和擴張速度進行分析，具體情況見表1。從數據可知，順德主城區建設用地擴張總量后一階段比前一階段減少1.2%。其中，倫教和容桂街道在2013—2015年間建設用地增加面積大于2011—2013年，而大良和勒流街道的情況相反。2011—2015年間，建設用地面積增長最多的為大良街道，其次為勒流街道，增加面積最少的為容桂街道。

表1 主城區2011年來建設用地擴張數量

3.2.2 擴張方向分析

為客觀分析主城區的擴展方向、特點，將主城區4個街道分為4個空間單元，利用基于K- means的方法將主城區劃分成15個功能區(見表2)，并結合專題數據對功能區進行擴展分析。主城區4個街道的建設用地擴張方向各有特點且都與用途密切相關(如圖3所示)。

3.2.2.1 大良街道

2011—2015年期間，大良街道主要向東部、南部發展新城區；西部主要以工業區為驅動擴張建設用地，主要包括完善建設鳳翔工業區和向西南部發展紅崗、金斗、堤圍等工業區。

表2 主城區各功能區建設用地擴張情況表

3.2.2.2 勒流街道

勒流街道建設用地的增加主要是工業用地的增加，具體包括港口路兩側眾多國際機械城、科技園和工業園區；此外，南部工業區集群式發展，擴張速度較為迅猛。

3.2.2.3 倫教街道

倫教街道增加的建設用地主要是道路和工業用地。道路的發展主要集中在南部，包括倫桂路、廣州繞城高速等。工業用地的增加則均勻分布在東、南、西、北幾個工業基地。東北部沿著順德水道(倫教- 陳村段)以三洲農產品交易中心、長鹿農莊為代表輻射周邊建設用地發展。

3.2.2.4 容桂街道

容桂街道的建設用地增加主要體現在佛山高新技術產業開發區、順德八達物流園區域的住宅用地和工業用地的擴張兩方面，且都分布在東部地區。西北部少量增加主要位于馬崗工業區、佛山高新技術產業開發區(順德科技工業園B區)。容桂老城區以城市內部建設為主，建設用地有一定的增加，整體趨于穩定。

3.2.3 擴張類型分析

建設用地作為主要的土地利用類型，其擴張速度較為緩慢，擴展方式以填充式和蔓延式擴張為主，跳躍式擴張為輔。第一階段，蔓延式的擴張占主要地位，第二階段，填充式擴張占主要地位，表明順德主城區在集約化利用土地方面有了一定的進步，見表3。

表3 2011—2015年期間主城區建設用地擴張類型

4 結 語

本文綜合利用順德區2011及2013年高分辨率影像、2015年地理國情普查數據，以及其他專題數據，結合區域發展、社會經濟、人口、政策等因素對主城區擴張數量、強度和類型進行了分析研究，得出以下結論：

(1) 基于多源高分辨率遙感影像的建設用地擴張動態監測方法監測頻次高、精度高，更具現勢性，為控制城市用地和開發規模的無序擴張提供了新方法。

(2) 目前順德區主城區建設用地比例已逼近50%，大面積增加建設用地已不適合，跳躍式的擴張方式受到限制，集約節約用地面臨嚴峻挑戰。

(3) 未來城市規劃中，應加強對建設用地用途、結構和區位的深入監測和研究，掌握居住用地、商業用地和工業用地的規模、區位和結構；加強對人均建設用地的監測和分析，為合理的利用土地資源提供依據。