國家歷史文化名城長汀建設用地空間演變及驅動力分析(2006—2016)

王 瀟，徐建剛，李久林

(南京大學 建筑與城市規劃學院,江蘇 南京 210093)

在國土空間規劃體系改革和數字化轉型的雙重背景下，國土空間利用類型之間的競爭逐步增強，國土空間的演繹和變化使得空間利用問題日益顯現。城市空間作為國土空間的重要組成要素，其空間問題尤為重要。不合理的城市擴張不僅使得土地利用呈現粗放、浪費的模式，而且會導致城市運行成本增加，甚至引發環境污染、生態系統退化等生態問題。因此城市擴張一直以來是一些學者關注的重點。城市建設用地作為在各種驅動因素影響下作用到城市地域上的產物，是人類與地理環境相互影響的綜合體，是研究城市擴張的首選對象[1]。研究城市建設用地的空間演變，不僅可以理清城市空間擴展、城市功能集聚與擴散的空間響應，還可以揭示城市空間擴展的內在特征、趨勢及形成機制[2]。

目前，城市用地擴張演變特征的研究主要集中在擴張特征及模式分析[3-4]、擴張驅動力分析[5-6]、用地擴張預測和模擬[7-8]等方面。在研究尺度上，大多數的研究集中在經濟發達的東南沿海地區以及北京等大都市地區，多以單個城市[4]、大型城市群[9]為主；在研究對象上，現有研究大多針對城市用地整體分析，或者選擇特定的某類用地(如居住用地或工業用地等)研究城市空間結構的演化[2,10]。然而，針對發展相對落后的地區或微觀尺度中小城市，特別是對具有特殊意義的縣域尺度小城市的研究相對較少。此外，現有研究大多注重建設用地整體分析，缺乏對城市各類建設用地的研究，難以理清城市內部功能空間的演變特征，不利于空間結構的優化。

長汀作為國家級歷史文化名城、全國首批“水生態文明城市”建設試點縣，其城市建設用地演變對于城市空間合理布局和重構、古城保護、生態文明建設可持續發展等具有重要意義。部分學者針對長汀展開了研究，王敬哲等[11]采用分形維數分析了長汀縣土地利用動態變化；鄧超等[12]利用馬爾科夫的轉移矩陣分析不同地形因子下長汀縣的土地利用時空變化特征；宗躍光等[13]運用情景分析法研究長汀騰飛經濟開發區工業用地開發的情景過程和特征。現有研究大多聚焦于耕地、林地等地類或單一城市用地的研究，對城市內部各類建設用地的研究缺乏，且多采用單一方法，較難得到更加全面的用地空間演變規律，不利于優化城市內部用地結構，難以為老城區保護和新城擴張提供指導。

基于此，本研究以福建長汀為研究區域，基于2006年、2011年、2014年和2016年長汀主城區用地現狀數據，從強度、方向及形態三方面，運用分形維數、等扇形分析等多種空間分析方法，定量分析長汀主城區八大類城市建設用地空間演變特征，以期為指導和管制城市內部用地結構調整和有序擴張提供理論依據和決策支持。

1 研究區域與數據源

1.1 研究區概況

長汀縣位于福建省西南部，縣域總面積為3 098.9 km2，隸屬于龍巖市，地處閩贛邊陲要沖。地勢東西北三面高，中南部低，自北向南傾斜。海拔300～800 m，山地面積占總面積的93.4%，形成了其“八山一水一分田”的自然地理格局。截止2018年，全縣實現地區生產總值231.74億元，總人口55.14萬人，城鎮化率41.64%。長汀作為國家級歷史文化名城，其獨特的城池格局、傳統的歷史街區、古樸的建筑風貌、濃郁的客家文化及豐富的革命斗爭史跡構成了深厚多彩的城市文化內涵，對城市的發展有巨大的推動作用。

本研究所界定的城市空間主要指長汀縣主城區，其范圍確定參考《長汀縣縣城總體規劃(2016—2030)》的城市規劃區范圍。主要包括汀州鎮全部轄區、大同鎮和策武鎮的部分土地，總面積42.16 km2。

1.2 數據源與預處理

本研究選取的數據主要包括：2006年、2011年、2014年和2016年長汀縣主城區用地現狀圖、1∶5 000地形圖等。其中，2016年長汀縣主城區用地現狀圖來源于《長汀縣縣城總體規劃(2016-2030)》，2006年、2011年和2014年長汀縣主城區用地現狀圖來源于對應年份衛星遙感數據解譯及土地利用實地勘測。本研究進行建設用地擴張驅動力分析的數據主要來源于2006—2016各年份《長汀統計年鑒》及《長汀縣國民經濟和社會發展統計公報》。

為便于不同年份城市建設用地類型的比較，以2012年1月1日正式實施的新版《城市用地分類與規劃建設用地標準》(GB/T 50137—2011)為依據進行分析。將2006、2011年用地現狀數據重新整理歸類，2014、2016年用地現狀類型保持不變，最終將4個年度用地現狀數據歸納為八大類建設用地，除此之外還將研究區內村鎮建設用地(H14)、非建設用地(E，水域E1)進行標注。運用GIS分析工具提取并統計各類建設用地的用地性質、用地面積等信息，建立長汀主城區用地空間數據庫，用于城市建設用地擴張空間演變及驅動力分析。2006—2016年間4個年度用地現狀數據如圖1所示。

圖1 2006—2016年長汀主城區城市建設用地現狀圖Fig. 1 Status data of construction land in the downtown Changting from 2006 to 2016

2 研究方法

本研究從強度、方向及形態等三方面，采用擴張速度和強度指數、等扇形分析法、分形維數和穩定性指數等定量分析城市建設用地擴張的空間演變特征；采用灰色關聯分析法，探究各影響因子對城市建設用地擴張的驅動機制。

1) 擴張速度和強度

擴張速度Vt指在t時間段內城市用地面積的增長率，用來表征城市的擴張速度和趨勢。

(1)

式中：Sa、Sb分別表示研究時間段初始及段末的城市建設用地面積，km2；Ta、Tb分別表示研究時間段初始及段末的時間，a。

擴張強度Rt指在t時間段內城市建設用地面積擴張的快慢或強弱。

(2)

2) 等扇形分析法

等扇形分析法以研究區中心作為圓心，選取適當半徑，以東偏北11.25°為起點，以22.5°為間隔將研究區劃分為16個夾角相同等扇形區，并與各時期的用地現狀數據進行疊置分析，獲取16個方向扇形區域的各類建設用地的面積。基于此，計算16個方向城市建設用地擴張強度指數，以此分析城市建設用地的擴張形態演變的空間分異性。

3) 分形維數和穩定性指數

選取分形維數D和穩定性指數S作為研究指標[14]，其中分形維數D用于表征某用地類型斑塊的邊界復雜性，穩定性指數S表征用地結構的穩定性。其計算過程為：

A=kP2/D。

(3)

式中：A為某種地類用地斑塊面積，m2；P為該斑塊對應的用地周長，m；D為分形維數；k為常數。對公式(3)等式兩邊取對數，通過擬合周長-面積的相關方程式，得到分形維數D。

(4)

其中，分形維數D的取值范圍為(1,2)。分形維數越大，表明該地類結構越復雜，對應的邊界越不規則。當D=1.5時，表明該地類最不穩定。基于此，可定義各土地利用類型的穩定性指數S：

S=|1.5-D|。

(5)

S的取值范圍為(0,0.5)，S越大，表明該用地類型越穩定，反之越不穩定。

4) 灰色關聯分析法

灰色關聯度分析法是依據各影響因素之間發展趨勢的相似或相異程度來衡量因素之間的關聯度。該方法與統計學分析(如回歸分析、主成分分析等)相比，對數據要求較低，在數據部分缺失的前提下仍可通過相應處理，得到各因素的關聯性；此外，該方法計算過程簡單且結果可靠，可有效避免原始數據之間的共線性等問題，提升分析結果的準確度[15]。

3 長汀城市建設用地空間演變特征

3.1 擴張強度特征

利用公式(1)和(2)分別計算城市總建設用地及八大類型建設用地的擴張速度和強度，其結果如圖2和表1所示。

圖2 2006—2016長汀主城區城市建設用地擴張速度和強度Fig. 2 Expansion speed and intensity of different types of construction land from 2006 to 2016

經統計，2006—2016年長汀中心城區建設用地面積從10.088 9 km2增加至19.074 5 km2。由圖2可知：2006—2011年，建設用地擴張速度和強度分別為0.27 km2/a和2.63%，用地處于“低速低強”發展階段；2011—2014年，城市建設用地擴張速度和強度均明顯高于第一階段，處于“中速高強”發展階段；2014—2016年，城市建設用地擴張速度在持續加快，擴張強度有所放慢，處于“高速中強”發展階段。

據表1可知，2006—2011年間，工業用地(0.17 km2/a)擴張速度最高，道路與交通設施用地(5.46%)和工業用地(5.11%)擴張強度較高，其他建設用地擴張速度和強度均較低，這是由于該階段經濟發展相對緩慢所致。2011—2014年，居住用地(0.59 km2/a)和工業用地(0.63 km2/a)擴張速度較高，說明該階段城市進入快速發展期。擴張強度指數方面，除綠地與廣場用地外，其他七類建設用地均呈高速擴張的階段。2014—2016年，各類建設用地的擴張速度在持續加快，而擴張強度有所放慢。綠地與廣場用地(-3.02%)的持續減少有必要加大重視程度。

表1 2006—2016長汀主城區八大類城市用地擴張速度和強度變化Tab. 1 Expansion speed and intensity of different types of construction land from 2006 to 2016

注：R、A、B、M、W、S、U、G分別代表居住用地、公共管理與公共服務用地、商業服務業設施用地、工業用地、物流倉儲用地、道路與交通設施用地、公用設施用地以及綠地與廣場用地。

3.2 擴張方向特征

基于ArcGIS，以長汀縣主城區中心(三元閣)為原點，選擇合適半徑，將研究區劃分為16個相等的扇形區(圖3)，運用GIS的分割、裁剪等工具，分別統計每個方向扇形區內八大類用地面積，計算3個階段建設用地主要擴張方向和擴張用地類型，結果如表2所示。

第一階段(2006—2011)：城市主要向S、NE、SWW等方向擴張，城市呈現非緊湊演變特征。首先，S方向擴張強度最大，以道路與交通設施用地增加最多，占比37.0%。其次，SWW方向擴張強度為9.14%，以居住用地和道路與交通設施用地增加為主。再次，NE方向的擴張主要集中在老城區，以工業用地為主。整體來看，受經濟發展的限制，用地以老城區內部填充為主。

圖3 長汀縣主城區建設用地分扇區圖Fig. 3 Sector diagram of construction land in Changting downtown in different periods

第二階段(2011—2014)：城市擴張方位多元化，以S、NE、NEE、SSW等方向為主。首先，受地形的影響，城市建設用地向地勢較為平坦的南部擴張，以S、SSW為主。S方向擴張強度達到峰值，以工業用地擴張最高。其次，城市北部擴張集中在老城區，以NE和NEE方位的居住用地擴張為主。總之，該階段城市建設用地以外部擴張為主，擴張方位多元化且以南部方位為主，城市處于不穩定狀態。

第三階段(2014—2016)：城市主要向S、SSW、SSE、NWW等方位擴張，擴張強度指數分別為35.17%、31.94%、20.09%、16.85%。首先，S方向以工業用地和道路與交通設施用地擴張為主，分別占比52.8%和42.9%。其次，SSW方位除工業用地外，公共管理與公共服務用地擴張顯著。另外，北部方位的用地演變，主要集中在老城區用地內部更替。綜上，該階段老城區建設用地逐漸趨于穩定，用地空間形態越來越緊湊，城市外部擴張程度遠大于內部填充，總體趨勢仍以S方位擴張為主。

表2 2006—2016年長汀主城區各方位擴張強度演變Tab. 2 Expansion intensity evolution of various azimuth in Changting from 2006 to 2016

注：+數量表示擴張強度級別，+越多，擴張強度越大。

3.3 擴張形態特征

基于ArcGIS，統計八大類城市建設用地斑塊的周長和面積，分別計算lnP和lnA，并根據公式(4)運用SPSS軟件進行線性回歸擬合，得到分形維數D。結果如圖4和表3所示。

據圖4可知，2006—2016年城市建設用地分形維數呈現先增加后減少的趨勢，穩定性指數與之相反。在2006—2011年間，城市的分形維數持續增加，表明該階段建設用地處于不斷向外擴張的階段，城市離散程度不斷加大，城市處于隨機分布的狀態；2011—2016年，城市分形維數大幅度降低，表明長汀在注重經濟發展的同時，更加關注城市用地結構的合理性，城市空間形態更加規整，建設用地擴張趨向于規整化、簡單化。

圖4 長汀主城區各時段分形維數和穩定性指數Fig. 4 Fractal dimension and stability index of Changting downtown in various periods

由表3可以看出，不同用地類型對應的用地斑塊周長和面積具有相關性，大部分的擬合結果R2>0.9，具有較好的擬合結果。居住用地分形維數處于緩慢增加的階段，經分析，居住用地擴張多以老城區內部填充及村鎮建設用地轉換為主。公共管理與公共服務用地、公用設施用地分形維數漲幅較小，處于相對穩定的狀態，而商業服務業設施用地分形維數逐漸降低，B類用地逐漸增多，形態由最不穩定逐漸趨于規整，與城市發展保持一致。工業用地分形維數呈增加后下降再增加的趨勢，表明工業用地擴張速度逐漸放緩。然而，道路與交通設施用地、綠地與廣場用地的擬合結果相對較差，這是由于隨著城市的不斷發展，S用地變化較快，處于較不穩定的狀態，而G用地成為了城市快速發展的犧牲品，其用地斑塊形狀最為復雜，邊界最不穩定。綜上，長汀縣主城區建設用地擴張形態總體表現為由簡單向復雜再向簡單轉變，各類型用地形狀逐漸變得規則和緊湊。

表3 長汀主城區各類城市建設用地分形維數和穩定性指數Tab. 3 Fractal dimension and stability index of different land types in various periods

續表3

圖5 2006—2016年長汀主要經濟、人口、耕地、產業指標變化對比Fig. 5 Comparison of economic,population,cultivated land and industrial factors from 2006 to 2016

4 長汀城市建設用地演變驅動機制

城市作為一個復雜的綜合體，其空間演變的驅動要素具有多樣性特征。借鑒既有研究[15]，從經濟、人口、耕地和產業四方面選取10個指標(圖5)，采用灰色關聯分析法，結合用地空間演變特征，分階段(2006—2011，2011—2016)探究各因子對城市用地的驅動機制。其中將10個指標因子作為自變量，建設用地面積作為因變量，進行定量分析，結果如表4和表5所示。由表4和表5可知，2006—2011年和2011—2016年兩個時間段影響城市用地擴張的驅動因素不同，具體分析如下。

1) 2006—2011年間，長汀縣社會經濟發展相對緩慢，建設用地擴張速度和強度相對較低。各指標與長汀建設用地擴張的關聯程度由大到小依次是常住總人口>耕地面積>城鎮化率>三產GDP>地區生產總值>地方財政收入>二產GDP>全社會固定資產投資>第三產業從業人數>第二產業從業人數。人口因素對建設用地的擴張影響最為明顯，特別是隨著人口的不斷增加，造成居住用地規模擴張成為剛性需求，人口因素成為該階段城市建設用地擴張最主要驅動力。耕地面積對建設用地擴張的關聯程度同樣很高，說明在該時間段內，建設用地擴張主要來自對耕地的占用。經濟因素和產業因素與建設用地擴張的關聯度相對較低，但同樣影響著建設用地的擴張。

2) 2011—2016年間，隨著工業化進程的不斷加快，城市建設用地擴張速度和強度不斷提升，社會經濟發展進入高速發展階段。產業因素和經濟因素對建設用地擴張的影響迅速提升，產業因素中二產GDP、三產GDP與建設用地擴張的關聯程度較高，主要原因是該階段長汀主城區“退二進三”及南部新區工業用地規模不斷擴大，形成了對建設用地擴張的新需求。與此同時長汀作為國家歷史文化名城，其旅游業的蓬勃發展為該地區創造了大量的GDP。與此同時，人口增長的放緩使得人口因素在該階段對建設用地擴張的影響相對較弱。耕地對建設用地擴張的影響逐漸減小，主要原因是耕地資源的日益匱乏引起國家和地方的高度重視，進而加大對耕地和基本農田的保護力度，倒逼城市建設用地擴張減弱對耕地的占用。

表4 2006—2011年用地擴張關聯度及排序Tab. 4 Correlation degree and sequencing of land expansion from 2006 to 2011

表5 2011—2016年用地擴張關聯度及排序Tab. 5 Correlation degree and sequencing of land expansion from 2011 to 2016

5 結論和討論

以國家歷史文化名城福建省長汀主城區為例，運用擴張速度和強度指數、等扇形分析、分形維數和穩定性指數以及灰色關聯分析等方法，定量探究了長汀八類城市建設用地的空間演變特征及其驅動因素，結論如下：

1) 2006—2016年間長汀主城區建設用地擴張速度和強度呈現明顯階段變化特征，經歷了“低速低強”、“中速高強”、“高速中強”3個發展階段。

2) 不同階段城市建設用地擴張方向存在較大差異，總體上老城區建設用地擴展主要沿NE方向進行用地的更替與填充，南部新區建設用地擴張以S方向為主。

3) 長汀城市建設用地分形維數先增加后減小，城市形態逐漸趨于規整化和簡單化，各類型建設用地趨于“規則化、緊湊型”演變。

4) 不同時期長汀城市建設用地擴張的因素存在較大差異，2006—2011年人口增加及建設用地對耕地的占用，使得人口和耕地因素成為建設用地擴張的主要驅動力。隨著城市化和工業化的加劇，長汀主城區“退二進三”以及南部新區工業用地規模的不斷擴大，導致產業結構不斷升級，經濟和產業因素逐漸成為后期主要驅動因素。

城市建設用地擴張驅動因素復雜多樣，主要受社會經濟、交通、人口、政策等因素影響[16-17]。由于數據的限制性，本研究僅選取經濟、人口、耕地和產業等方面多個指標進行分析，缺少對交通和政策的量化研究。獲取完整的交通數據以及量化政策因素成為下一階段的首要任務。此外，本研究只針對長汀主城區展開研究，盡管能體現主城區八大類建設用地的演變特征，有助于城市內部用地結構調整，但不能完全反映整個長汀縣域的建設用地空間演變特征及其驅動機制，后續工作中將研究尺度擴展到長汀縣域及周邊城市，以進行全面的城市建設用地空間演變及驅動力的分析。