粵港澳大灣區不透水面變化及城市擴展研究

尹 振 南，周 廷 剛，李 洪 忠，謝 舒 蕾，任 彥 霓

(1.西南大學地理科學學院，三峽庫區生態環境教育部重點實驗室，重慶 400715；2.中國科學院深圳先進技術研究院，空間信息研究中心，廣東 深圳 518055)

0 引言

城市擴展可綜合反映城市化的空間布局與結構變化[1]。監測和分析城市的空間擴展過程、特征及規律，對于合理制定城市未來發展規劃和有效調控城市化進程，進而促進城市的可持續發展具有重要作用[2]。改革開放以后，中國城市進入快速擴展狀態，2017年粵港澳大灣區城市群的建設與規劃正式列入國家發展戰略，作為我國沿海開放的前沿和“一帶一路”的重要起點，粵港澳大灣區是中國變化最快的大區域城市群之一[3]。隨著城市化不斷發展，粵港澳大灣區城市用地緊張和自然環境惡化等問題逐漸突顯，同時，廣闊的區域范圍及復雜的空間異質性也使其成為研究城市擴展的理想區域。眾多學者利用遙感技術對粵港澳大灣區城市擴展演變進行了研究，如黎夏等[4，5]分析了珠三角城市擴展的時空變化情況。已有研究主要基于提取的城市建成區數據，結合專題和統計數據分析城市空間擴展演變及其規律，受建成區范圍限定，大區域城市群的城市擴展研究存在一定的局限性，如城市空間不連續等問題。不透水面作為反映人類活動強度和評價城市建設用地增長態勢的重要指標[6]，其空間格局變化可直觀反映城市的擴展變化和城市化程度。近年來，日益成熟的衛星遙感技術被廣泛應用于不透水面提取[7,8]、不透水面變化監測[9,10]以及對地表熱環境的影響[11]等研究，但關于粵港澳大灣區不透水面研究的時間尺度多為5 a、15 a，基于長時間序列的研究較少。

鑒于此，本文以粵港澳大灣區為研究區域，基于Landsat TM、ETM+、OLI和HJ-1A、B影像數據，采用面向對象分類方法獲取1990-2020年不透水面數據，結合地表特征指數變化，研究粵港澳大灣區城市擴展的動態演變趨勢；利用象限方位分析方法探索區內城市的擴展模式，并從社會和經濟等角度探討城市擴展的驅動因子，以期為粵港澳大灣區城市化建設提供科學依據。

1 研究區與數據

粵港澳大灣區(以下簡稱“大灣區”)包括廣州、深圳、珠海、佛山、惠州(不含龍門)、東莞、中山、江門、肇慶(市區和四會市)9個地級市以及香港、澳門兩個特別行政區，位于亞熱帶季風氣候區(112°1′～115°26′E，21°34′～23°56′N)，地形以丘陵、平原為主，總面積約為4.26×104km2，常住人口約為7 264.92萬人(1)數據來源于《廣東省2019年統計年鑒》。。大灣區是我國改革開放的南大門，與美國舊金山灣區、紐約灣區和日本東京灣區并稱為世界四大灣區，經濟的快速發展加快了該區城市化進程，土地利用類型和空間結構發生了巨大變化。

研究數據包括：1)大灣區及其內各城市邊界等基礎地理數據；2)各城市人口、GDP數據，來源于《廣東省統計年鑒》、香港政府統計處和澳門統計暨普查局；3)1990年、2000年、2010年和2020年4期土地利用類型數據，包括林地、草地、濕地、耕地、不透水面(居住地、交通用地、廠礦等建設用地)和未利用地6個一級類，數據來源于中國科學院深圳先進技術研究院空間信息中心。土地分類數據基于Landsat TM、ETM+、OLI和HJ-1A、B衛星影像，根據經驗和實地考察確定各地類的解譯標志，基于eCognition軟件和面向對象分類方法獲取2000年的土地利用類型數據，以此為基準，利用多時相連續對比法[12]獲取其他年份土地利用類型的矢量數據，并利用實地調研的樣本數據對土地利用矢量數據進行抽樣驗證，保證分類數據的精度達到90%以上。

2 研究方法

2.1 不透水面擴展指標

不透水面擴展速度V[13]表示研究時段內平均每年增加的不透水面面積(式(1))；不透水面擴展強度R[14]指不透水面在一定時段內的增長率(式(2))，反映研究區域內不透水面的變化程度。

V=(Aj-Ai)/T

(1)

R=(Aj-Ai)/(AiT)×100%

(2)

式中：Ai和Aj分別為研究初期和末期的不透水面面積；T為年份間隔。

2.2 象限方位分析法

象限方位分析法可以直接比較和分析不同方向上的城市擴展差異[15]。本文使用象限分析方法，將1990年大灣區整體及區內各城市不透水面重心設置為原點，東西方向為橫軸，南北方向為縱軸，按照四象限八方位將不透水面等分為八個象限(北、東北、東、東南、南、西南、西、西北)；利用Python調用ArcGIS軟件中的函數和分析工具，統計分析每個方向象限的不透水面面積，得到大灣區整體及區內各城市不同時期的不透水面擴展面積雷達圖。

3 結果分析

3.1 不透水面擴展演變

由表1可知，1990年大灣區總體不透水面面積為4 488.97 km2，2020年為8 751.82 km2，30年間擴展了4 262.85 km2(年均擴展142.10 km2)，范圍增大了0.95倍(圖1)。由圖2可知，30年間大灣區不透水面的擴展速度和擴展強度呈先增后降趨勢，均具有明顯的單峰特征。1990-2010年是大灣區不透水面集中擴展期，2000-2010年擴展速度(187.38 km2·a-1)和強度(3.17 a-1)達到近30年的峰值。1990年以來深圳、香港、東莞不透水面擴展速度和強度逐漸下降；廣州、珠海、澳門、中山、惠州、佛山和江門不透水面擴展速度和強度呈先增后降趨勢，且在2000-2010年達到頂峰；肇慶市不透水面擴展速度穩定上升，擴展強度先降后增。

表1 大灣區不透水面擴展演變

深圳市1990-2000年不透水面擴展速度較快，達到21.01 km2·a-1，2000-2010年降至18.48 km2·a-1，2010-2020年擴展速度和強度大幅降低。香港特別行政區1990-2020年不透水面擴展速度為3.95 km2·a-1，面積總計擴展60.41 km2，2010-2020年擴展速度降至0.32 km2·a-1。東莞市1990-2000年不透水面擴展速度(31.03 km2·a-1)和強度(4.85 a-1)均達到30年間的最高值，2000-2010年與2010-2020年擴展速度分別降至22.30 km2·a-1和14.46 km2·a-1。澳門特別行政區1990-2020年不透水面擴展速度變幅最小，2000-2010年擴展速度最快，達0.63 km2·a-1，2010-2020年擴展停滯，擴展速度僅為0.04 km2·a-1。中山市1990-2010年不透水面擴展總面積為307.25 km2，其中2000-2010年不透水面擴展速度達到峰值(192.32 km2·a-1)，2010年后擴展逐漸放緩。廣州市是大灣區內不透水面擴展面積變幅最大的城市，該市1990-2000年不透水面擴展速度為19.86 km2·a-1，2000-2010年升至29.24 km2·a-1，2010-2020年降至20.62 km2·a-1。珠海市1990-2020年不透水面擴展速度為4.59 km2·a-1，2000-2010年快速提升至16.00 km2·a-1，2010-2020年又快速衰減至4.34 km2·a-1。佛山市1990-2010年不透水面平穩增長了541.93 km2，占30年擴展總面積的83.45%，2010-2020年擴展速度大幅降至10.75 km2·a-1。江門市1990-2000年不透水面擴展速度為7.07 km2·a-1，2000-2010年升至22.72 km2·a-1，2010-2020年降至12.78 km2·a-1?；葜菔?990-2000年不透水面擴展速度為12.05 km2·a-1，2000-2010年增至21.22 km2·a-1，2010-2020年降至13.98 km2·a-1。

圖1 1990年和2020年大灣區不透水面空間分布

圖2 1990-2020年大灣區各城市不透水面擴展速度和擴展強度

3.2 不透水面擴展的土地利用影響

由土地利用轉移矩陣[16]分析結果(表2)可知，近30年大灣區不透水面擴展占用土地面積共3 986.01 km2，其中占用耕地面積最多(占比為61.94%)，其次為林地(24.34%)和濕地(12.24%)，占用草地和其他土地類型面積(58.18 km2)最少，占比為1.49%。

20世紀90年代是深圳城市發展的起步階段，位于西南部的濱海平原首先被開發，1990-2000年耕地供給面積占同時期不透水面擴展面積的53.99%，2000-2010年不透水面擴展占用林地、草地、濕地等的比例有所增加，但耕地仍居首位；不透水面擴展主要集中在龍崗區、坪山區北部、龍華區和光明區，寶安區西部、南山區西南部及福田區南部地區因填海造陸,不透水面擴展占用大量濕地。廣州市不透水面擴展對耕地的影響較大，主要集中在1990-2010年，前10年耕地轉化為不透水面的比例高達75.94%，2010年后不透水面擴展占用林地和濕地的比例上升；不透水面擴展對耕地和林地的影響主要集中在花都區中部的淺丘臺地和南部的廣花平原、白云區和荔灣區的西南部、天河區和黃浦區的南部、番禺區和南沙區，濕地的轉化集中在南沙區的東南沿海地區。香港特別行政區不透水面擴展主要來源于林地和濕地，30年間占用的林地面積占不透水面擴展總面積的66.59%；中環、灣仔、東大嶼、香港口岸及屯門至赤鱲角連接路區域的填海工程使濕地轉化為不透水面的比例不斷增加，耕地占用主要集中在新界北部的元朗平原和粉嶺低地。澳門特別行政區早期不透水面擴展主要來源于林地，且集中分布在澳門半島北部、氹仔島中部和路環島南部地區；填海造陸在澳門的城市建設中發揮著重要作用[17]，使得澳門陸地總面積由1986年的16.64 km2增至2020年的32.87 km2。1990-2000年珠海市不透水面擴展占用耕地面積比例高達73.90%，年均占用2.51 km2，2000年以后，不透水面擴展占用耕地的比例逐漸下降，占用濕地的比例不斷上升，唐家北圍、唐家后環和航空城濱海商務區是填海造陸的主要區域。耕地也是惠州、肇慶、佛山、中山、江門和東莞不透水面擴展的主要土地來源，特別是1990-2000年惠州、肇慶、佛山、中山和東莞70%以上不透水面擴展面積來源于耕地。

表2 1990-2020年大灣區各城市不透水面擴展主要來源

分析不同時段大灣區內各城市的不透水面和綠地空間[18](林地和草地)比例，結果(圖3)顯示：1990-2020年大灣區內各城市的不透水面比例不斷增加；深圳、廣州、肇慶、佛山、珠海和東莞的城市綠地空間在1990-2010年不斷減少，2010-2020年小幅增加；惠州、中山、江門、香港和澳門的城市綠地空間在1990-2020年呈遞減趨勢。近10年大灣區內各城市的生態建設更加注重綠化設施的改善，在城市規劃區域內部一定程度上增加了綠地植被的覆蓋面積，提高了城市綠化服務功能。

圖3 大灣區各城市不透水面與綠地空間比例變化

3.3 不透水面重心遷移路徑

由圖4a可知，大灣區不透水面擴展主要集中在東、西方向，進一步通過ArcGIS空間分析工具計算出大灣區不透水面重心位于珠江口岸的中心位置(圖4b)，研究期間重心隨城市化發展不斷遷移。1990年大灣區不透水面重心位于廣州南部，1990-2000年以政府為主導的城市化建設使得大灣區東岸的廣州、佛山、深圳和東莞城市發展較快，不透水面重心向東南方向遷移1.56 km；2000-2010年隨著區域一體化進程的加快，佛山、江門、肇慶和中山等西岸城市不透水面面積不斷增加，不透水面重心向西南方向遷移2.54 km；2010-2020年大灣區東岸的城市用地逐漸飽和，不透水面擴展主要集中在西岸城市，不透水面重心向西北方向遷移了1.83 km。

圖4 大灣區不透水面擴展雷達圖及不透水面重心遷移圖

3.4 城市擴展模式

30年來大灣區內各城市主要有跳躍式組團擴展和沿交通軸線帶狀擴展兩種城市擴展模式，與徐進勇等[19]的研究結果相近。

(1)珠海、香港和澳門受山體阻隔和島嶼分布影響，屬于典型的跳躍式組團擴展(圖5(彩圖見附錄2)、圖6)。珠海市建城區擴展早期集中于香洲區，后期受區域空間限制，擴展重點為斗門區和金灣區，不透水面擴展重心逐漸向西南方向遷移；香港受區域地理條件限制，不透水面呈環帶狀分布且不連續，整體呈跳躍式組團擴展特征；澳門不透水面早期擴展集中于澳門半島，20世紀90年代中期形成澳門半島與氹仔島、路環島兩個離島雙城空間格局，南部離島的填海造陸成為澳門不透水面擴展的主要來源。

圖5 跳躍式組團擴展城市不透水面空間擴展過程

圖6 跳躍式組團擴展城市不透水面空間擴展雷達圖

(2)沿交通軸線帶狀擴展的城市包括：廣州、佛山、肇慶、江門、中山、深圳、惠州和東莞 (圖7(彩圖見附錄3)、圖8)。廣州西部與佛山的南海、順德和三水的城區連片，不透水面分布密集擴展空間狹小，因此，G105國道和廣州繞城高速沿線的廣州南部和佛山北部成為不透水面擴展的主要地區；肇慶市不透水面集中分布于靠近佛山的四會區和西南部的端州區，沿兩廣高速和廣昆高速呈帶狀分布；江門市不透水面主要沿佛開、新臺高速組團式擴展，擴展重心逐漸向佛山和中山東北部遷移；廣珠城際鐵路、廣深城市軌道交通線、京港澳高速及廣珠高速在加強中山與大灣區右岸城市聯系的同時，也牽引了中山市不透水面向東擴展；深圳市早期不透水面主要以蛇口工業區和原寶安縣城為中心向外擴展，自20世紀90年代中期不透水面擴展速度加快，主要沿交通線向東北、西北方向組團擴展；惠州市1990年不透水面集中分布于中部的惠城區，之后擴展重心逐漸沿道路網向東南方向遷移，呈組團帶狀分布；東莞早期城市擴展偏向東南，后主要沿交通線呈東南—西北向擴展，不透水面呈組團帶狀分布于交通線兩側。

圖7 沿交通軸線帶狀擴展城市不透水面空間擴展過程

圖8 沿交通軸線帶狀擴展城市不透水面空間擴展雷達圖

4 討論

(1)不透水面擴展的人口影響因素分析。人口對于城市化發展有著重要影響，同時城市擴展可吸納更多外來人口。自1990年以來，大灣區城市人口從2 695.73萬人增至4 687.78萬人。結合統計結果分析：大灣區所有城市不透水面擴展與人口變化存在顯著的正相關(r=0.44,p<0.01,n=44)，說明人口增長是推動城市不透水面擴展的重要因素。

(2)不透水面擴展的經濟影響因素分析。1990-2020年大灣區GDP總量從6 388.43億元增長到115 336.80億元，年均增長3 631.61億元，尤其是前10年大灣區GDP總量的增速達到最高，2000年GDP總量是1990年的3.20倍。結合大灣區各城市不透水面擴展與GDP統計數據的相關性分析可知：香港和澳門特別行政區城市不透水面面積與GDP總量的相關性并不顯著，這主要是因為二者的GDP增速遠大于城市不透水面的擴展速度。其他城市的不透水面面積與GDP總量有顯著的相關性(r=0.45,p<0.01,n=36)，說明珠江三角洲9個城市經濟水平的提高促進了城市建設用地需求量的增加，進而擴大了不透水面面積。

(3)不透水面擴展對城市生態環境的影響。隨著城市化發展，大量自然地表轉化為不透水面，很大程度上影響了城市的生態環境并產生一系列生態環境問題[20]，如城市熱島效應[21]和城市內澇災害等[22]。在大灣區不透水面擴展過程中，各城市中心城區不透水面比例更高，綠地多分布于城市外圍。2010年后大灣區不透水面擴展用地愈發緊張，政府也出臺相關政策引導城市用地類型的轉換，控制城市不透水面的擴展速度。盡管深圳、廣州等城市在2010年后城市綠地空間比例有小幅增加，但中心城區不透水面比例仍在70%以上，惠州、中山、江門、香港和澳門特別行政區的城市綠地空間比例仍在進一步縮小。因此，在大灣區城市未來發展中應進一步控制不透水面比例，增加城市綠地空間，優化城市內部綠地空間的比例，提高城市整體的綠化服務功能。

5 結論

本文利用遙感與GIS技術，監測1990-2020年大灣區不透水面擴展狀況，并結合多種方法分析大灣區城市擴展情況。研究發現：1)30年間大灣區不透水面擴展速度和擴展強度呈先增后降趨勢，兩指標均具有明顯的單峰特征，不透水面擴展主要集中在1990-2010年。2)大灣區不透水面擴展占用耕地面積最多，其次為林地和濕地。深圳、廣州和香港特別行政區等城市的綠地空間比例在2010年后有小幅增長，中山、惠州和澳門特別行政區的城市綠地空間比例30年間呈遞減趨勢，總體上大灣區城市生態綠化水平在2010年后不斷提升。3)大灣區不透水面重心主要沿東南—西南—西北軌跡遷移，不透水面主要呈東—西向擴展，各城市的不透水面以跳躍式組團擴展和沿交通軸線帶狀擴展為主。4)珠江三角洲城市不透水面擴展與人口增長、經濟發展和政府政策密切相關，香港和澳門特別行政區GDP增速遠超不透水面擴展速度，二者相關性不顯著。

基于上述結論，今后應加強大灣區東、西兩翼的交通建設，協調好各城市不透水面的擴展速度和范圍，優化城市不透水面和綠地空間的比例，增加城市中心區域的綠化建設，積極引導城市經濟建設和產業結構轉型，確保區域可持續發展[23]。本文利用面向對象方法有效獲取了較高精度的大灣區不透水面數據，但遙感影像的陰影、光照差距和噪聲等因素影響了圖像分割的準確性，造成不透水面提取誤差。如何確定不透水面提取的最優分割尺度，降低提取的不確定性，有待進一步研究。