街區尺度城市內部動態度的量化
——以深圳市為例

李志強,周偉奇,3,*

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049 3 中國科學院生態環境研究中心北京城市生態系統研究站, 北京 100085

城市作為“社會-經濟-自然”復合生態系統,其景觀具有高動態度的特征[1- 3],具體表現為土地覆蓋/土地利用在時間和空間兩個維度上的高頻變化[4-5]。這種變化可能會帶來環境質量的下降,如產生揚塵、噪聲等,并降低城市生態系統的穩定性,影響城市生態系統服務,從而導致城市可持續發展能力下降[6-7]。此外,城市內部高動態地區通常是城市生態系統的敏感區,也是城市監管的重點區域[8]。因此,開展城市內部景觀格局動態變化的定量化研究是理解城市生態系統演變規律以及城市監管和城市規劃的基礎[9]。

城市化與城市發展對景觀格局的影響,既包括城市擴張過程中對景觀格局的影響,也包括城市內部更新產生的景觀格局的動態變化。基于Landsat等中等分辨率遙感影像眾多的學者在城市、區域,甚至全球尺度上研究了城市擴張引起的城市景觀格局動態,揭示城市發展過程中建設用地的增長及其帶來的農田、森林、草地和濕地等其他生態系統喪失的城市化影響[10- 13]。研究中通常假設城市內部土地變化都是從透水面轉化為不透水面,且這種變化不可逆[14-15]。但是,城市發展過程中,不僅存在城市空間的向外擴張,城市建成區也存在高度的動態變化[5],只是這種內部動態受限于空間分辨率,基于中等分辨率的遙感影像的方法難以揭示[9,16]。城市內部景觀的高度異質性,需要采用更高空間分辨率的數據,在更精細的尺度,才能準確刻畫[16-17]。街區作為城市管理的基本單元,也是開展城市更新、內部填充等土地開發活動的基本單元[18-19]。國際上,如美國等國家以街區尺度開展的研究相對較多,而中國由于城市街區尚未有明確的官方定義,街區的劃分方法還有待統一[18],使得在街區尺度上對城市內部動態度開展定量化的研究還十分罕見。

為揭示城市內部土地覆蓋動態度變化的空間異質性,本研究以深圳市為例,利用多等級道路數據劃分街區,基于高分辨率衛星影像解譯的土地覆蓋數據對街區尺度的土地覆蓋動態度及其土地利用強度進行量化,以期回答如下3個科學問題：(1)深圳城市建成區街區尺度上土地覆蓋變化的劇烈程度如何,其在空間上如何分布？(2)城市內部街區不同土地覆蓋類別動態度及其土地利用強度有何差異？(3)街區的動態度與街區大小是否存在關聯？回答上述問題,有助于深化對城市景觀動態的認識,為城市景觀動態的監測、管理以及城市規劃提供科學支撐。

1 研究區

深圳市地處廣東省南部,毗鄰中國香港,位于東經113°46′—114°37′,北緯 22°27′—22°52′之間,全市面積約為1997 km2,是中國實施改革開放政策以來設立的第一個經濟特區(圖1)。40余年來,伴隨著城市的飛速發展,深圳市土地覆蓋也發生著高度動態變化。1979年到2017年,深圳市建設用地從26.49 km2增長到946.14 km2,經歷了34倍的城市增長[20]。2010年,深圳市頒布了《深圳市城市總體規劃(2010—2020)》,控制外部增量,挖潛內部存量。2013年深圳市的城市更新項目達72個,占地面積5.45 km2,占深圳市建設用地面積的0.63%[21]。深圳城市空間增長開始逐漸由“攤大餅式”的快速擴張向“存量優化”的城市更新模式轉變[22]。因此,深圳市是研究城市內部動態度量化的理想地點。

圖1 研究區概況圖Fig.1 Summary of study area

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

研究基于OpenStreetMap(https://www.openstreetmap.org)下載的2017年5等級道路矢量作為劃分深圳市街區的邊界,不同等級道路分別為：高速公路(motorway)、主干道(trunk)、一級道路(primary)、二級道路(secondary)、和三級道路(tertiary)(表1)。為了刻畫深圳市高時空動態度特征,選取2017、2018 年SPOT 6和GF- 1號(全色波段分辨率為1.5 m,多光譜分辨率為6 m)高分辨率遙感影像解譯的土地覆蓋結果(圖2),進行街區動態度的量化。遙感影像土地覆蓋解譯結果的類別共有9類,分別為林地、草地、水體、建筑、在建用地、道路、其他不透水地表、裸土、農田。參考Qian等[16]精度驗證的方法,獲得兩期影像分類總體精度分別為89.67%和90.67%。

圖2 2017和2018年深圳市土地覆蓋分類結果Fig.2 Land cover classification maps of Shenzhen in 2017 and 2018

表1 道路等級描述表

2.2 研究方法

本研究在街區尺度上量化深圳市動態度,主要包括以下三個方面：(1)基于深圳市多等級道路矢量劃分深圳市街區；(2)利用2017、2018年土地覆蓋分類結果量化街區的動態度及其土地利用強度；(3)統計分析不同街區動態度與街區大小以及土地覆蓋類型的關系。

2.2.1城市街區的劃分

研究中通常將街區定義為具有正方形或長方形形狀,建筑填充其中,以閉合街道為邊界的密集空間[23]。作為城市居民社會活動的基本單元,街區已成為城市生態、城市規劃、城市管理等領域的重要分析尺度。近些年,國內已有學者在考慮空間、功能維度等方面的基礎上提出街區的劃分方法[18,24-25],但不同方法仍存在復雜、不易應用,以及與實際不符等情況。本研究借鑒Xia等的方法[24],利用5個等級的道路矢量來劃分城市街區。具體方法如下：在ArcGIS10.1軟件中，將獲取的不同等級的道路矢量數據進行融合(Merge)處理,手動修改不同等級道路間的拓撲錯誤,利用線轉面 (Feature To Polygon) 工具將道路線狀矢量轉化為街區面狀矢量。由于不同等級道路間相互交錯,產生許多較小面積的地塊,這些地塊并不具有城市生態學和城市管理學意義,對初步獲得的街區進行如下處理：(1)將面積小于1hm2的地塊合并到相鄰街區地塊中；(2)2005年起深圳市劃定了生態控制線,管制綠色空間[22],部分由道路直接產生的地塊內部全部為林地,不符合街區定義,故將其刪掉,最終得到深圳市街區分析單元。

2.2.2城市街區動態度及其土地利用強度量化

為反映街區內土地覆蓋變化的頻率與幅度,研究使用街區動態度指數對其進行量化。城市內部土地覆蓋變化包括地類轉出和地類轉入兩個過程,只關注地類的凈變化無法反映土地覆蓋真實的動態度[16,26]。動態度的量化需要同時關注這兩個過程。本研究借鑒Wang等量化城市綠地動態度的方法,利用土地利用動態度指數對深圳市街區尺度上的土地覆蓋動態度進行量化[9]。首先,基于深圳市2017年和2018年的土地覆蓋分類結果,進行兩年間土地覆蓋的變化檢測分析。然后,在街區尺度上對深圳市9種地類間的轉化結果進行動態度指數(Dynamic Index,DI)的計算：

(1)

其中，DI為街區內土地覆蓋動態變化的比例；s為遙感影像解譯的期數，本研究中s為2；i為土地覆蓋類別代碼；j為土地覆蓋類別數量，本研究中j為9；P(i→noti)為土地覆蓋類別i轉變為非i類別的比例。

土地利用強度指數不僅可以反映土地利用程度的高低，也可以反映土地利用開發的環境效應，被廣泛應用于土地覆蓋動態變化研究中[27-28]。研究使用劉紀遠等提出的土地利用強度綜合指數[29]，其計算公式為：

(2)

土地利用強度變化可定量反映土地利用的綜合水平及其變化趨勢，計算公式如下：

(3)

其中，I為土地利用強度綜合指數，Ai為第i級的土地利用程度分級指數;Ci為第i級土地利用程度分級面積百分比；ΔI為土地利用強度綜合指數的變化，該值為正數時，表明土地利用程度增加，而該值為負數時，表明土地利用程度降低。Cia和Cib分別為第i級土地利用程度在時間a、b時的分級面積百分比。

根據慶大方等對土地利用分級的描述[29]，以及深圳市土地利用的實際情況，對深圳市土地利用強度等級進行以下分級：

表2 土地利用程度分級賦值表

2.2.3統計分析

熱點分析(hotspot analysis)是一種識別感興趣變量聚集分布區域的空間分析方法，廣泛應用于土地覆蓋動態及生態系統服務研究[30-31]。本研究利用局部Gi*統計量(Getis-Ord Gi*)對街區尺度動態度進行熱點分析，識別其熱點和冷點的空間分布，分析其空間聚集特征，可為城市內部高動態度區域的監管提供數據支撐。為探究街區動態度在不同街區大小上的差異，研究基于街區動態度與街區面積的散點圖及二者數據分布的箱式圖，進行回歸分析，從而為城市街區動態監測提供參考。土地覆蓋轉變過程中，不同地類對動態度的貢獻度往往不同，將每種類別轉移占總變化的比例定義為動態度貢獻度(公式4)，統計每個街區中不同類別轉移對于街區動態度貢獻度，分析街區不同土地覆蓋轉移類別的差異。

(4)

其中，P(i→j)為街區內部類別i轉化為j的比例。

3 結果

3.1 街區動態度空間分布與熱點分析

深圳市6個等級道路共劃分出5044個地塊,去除掉位于生態控制線內的地塊,共得到4796個街區(圖3)。街區面積共1061.43 km2,占深圳市國土面積的53.15%。計算街區動態度指數,發現2017—2018年深圳市共有716個街區發生土地覆蓋變化,占街區總數的14.93%,表明深圳市街區尺度上的土地覆蓋變化仍處于高度動態中。其中,動態度較高的街區主要分布在鹽田區、大鵬新區、南山區、寶安區,街區平均動態度分別為18%、17.6%、17.5%和17.1%,而龍崗區、福田區、坪山新區等區的土地覆蓋變化動態度則相對較低,街區平均動態度分別為10%、12.2%和12.7%(圖4),說明深圳市西部沿海地區總體上仍處于較為劇烈的開發中。

圖3 深圳市2017—2018年街區動態度分布Fig.3 Distribution of dynamics of street block in Shenzhen from 2017 to 2018

圖4 深圳市各區街區動態度箱式分布圖 Fig.4 Boxplot of block dynamics of different districts in Shenzhen

2017—2018年深圳市在不同置信度下動態度的熱點分布如圖5。本文以P<0.05(95%可信度)作為判斷顯著性的標準,動態度熱點主要分布在寶安區西北部、寶安區與南山區交界的前海新區,以及坪山新區的中部和東部。這些區域主要是深圳市近些年原特區外重點開發的區域。而作為原特區的南山區、羅湖區、福田區,由于開發程度較高,則為深圳市動態度冷點區域。

圖5 深圳市2017—2018年街區動態度熱點分布Fig.5 Hotspots of block dynamics in Shenzhen from 2017 to 2018

3.2 街區動態度與土地覆蓋變化類型的關系

分析街區內部土地覆蓋類別對街區動態貢獻度可以發現：不同類別土地覆蓋間的轉移對街區動態的貢獻度具有較大差異(圖6)。其中,街區貢獻度最高的為林地到裸土的轉化,為12.59%；其次為在建用地向建筑、林地向建筑用地,以及其他不透水地表向裸土的轉移,其動態度貢獻度分別為7.21%,7.00%,6.20%；而草地和農田與其他類別間的轉化對街區動態的貢獻度相對較小,分析原因主要為城市內街區草地與農田的比例很少。值得注意的是,其他不透水地表向裸土的變化的動態度貢獻度較高,說明城市更新引起的城市內部動態占據重要地位。

圖6 不同土地覆蓋類別轉移對街區動態貢獻度熱點圖(灰色表示無值)Fig.6 Heatmap of contribution of different land cove types to block dynamics (gray squares represent null value)

對比街區的土地利用強度變化可以發現,不同街區的土地利用強度變化差異較大,土地利用強度變化值的范圍為-400—337.2。在深圳市4796個街區中,土地利用強度發生變化的有735個。其中,土地利用強度變化為負值的有390個,占變化街區總數的8.13%,主要分布在城市內部,如寶安區東部、龍崗區南部、坪山新區、羅湖區、福田區等。而土地利用強度變化為正值的有345個,占變化街區總數的7.19%,主要分布在城市外圍,如寶安區西部沿海、龍華新區、龍崗區與坪山新區相鄰的區域、南山區北部等。以上街區土地利用強度變化表明,深圳市城市內部總體上土地開發強度降低,而城市外圍的土地開發強度增加,可能的原因為城市更新更注重城市生態環境的改善,增加了街區的生態用地,使街區的土地開發強度有所降低。

圖7 深圳市街區土地利用強度變化分布Fig.7 Distribution of land use intensity changes of blocks in Shenzhen

3.3 街區動態度與街區大小的關系

分析街區大小與街區動態度數據可以發現：深圳市街區大小主要集中在1—85.03hm2之間,街區平均面積為42.22 hm2(圖8),表明深圳市不同街區的大小存在較大差異,且街區大小在均值上下分布范圍較大。街區動態度則主要分布在0.1%—43.95%,街區的平均動態度為14.63%(圖8),說明不同街區的動態度大小也存在較大差異,需要對不同街區進行的差異化的監管。從街區動態度和街區大小的散點圖可以得到：隨著街區面積的增加,街區動態度先急劇下降,之后下降程度逐漸放緩。利用對數回歸進行擬合,得到街區動態度隨街區大小變化的回歸方程,并通過統計上的顯著性檢驗(P<0.01)。街區動態度與街區大小間的非線性關系表明動態高的街區主要為面積相對較小的街區,這一結果也為街區尺度上的城市監管提供了參考。

圖8 深圳市街區動態度與街區面積邊際箱線圖及二者關系Fig.8 Distribution of block size and block dynamics and relationship between them

4 討論

4.1 街區動態度加深了城市動態度變化的理解

研究通過對深圳市城市街區動態度的量化,在街區尺度上揭示了深圳市內部土地覆蓋動態度特征,加深了對城市生態系統動態變化的理解,豐富了城市發展過程中的土地覆蓋時空動態的變化規律。對比前人研究結果[20,32],深圳市在城市化初期與后期,城市土地覆蓋均具有高度的動態度,但兩個階段動態變化特征存在明顯差異。從動態度空間分布上看,城市化初期,深圳市大規模進行圍海造陸等城市擴張活動,土地覆蓋變化主要發生在西部沿海和北部的林地[20],城市動態度熱點主要分布在城市外圍。而進入城市化后期,深圳市城市發展從“增量擴張”向“存量優化”轉變,城市高動態度熱點由城市外部向城市內部轉移。南山區、鹽田區作為原經濟特區,面臨著以城市更新為主要方式的“存量優化”改造。《深圳市實施東進戰略行動方案(2016—2020)》中提出加快東部城區城市化進程,打造東部發展新軸帶,實現東西均衡發展[33]。大鵬新區東部沿海地區作為深圳市著力打造旅游名片,鹽田區作為東進的重要通道都具有較高的動態度。

從變化類別來看,以往的研究表明深圳市快速的城市化主要通過侵蝕林地、農田、濕地來增加建設用地[20],因此向外部蔓延的城市擴張成為深圳市城市化初期動態度的主要貢獻者。而現階段的城市動態則主要來自于城市內部的存量式開發,如城市更新活動等,表現為其他不透水地表轉化為裸地的變化也具有較高的動態度貢獻,并且城市內部的土地利用強度變化相對城市外圍較低,一定程度上改善了城市人居環境。因此,“存量優化”階段下的城市動態度監測在兼顧城市綠色基礎設施(如城市公園、廣場植被等)和藍色基礎設施(如河道、公園水體等)的同時,也應該關注城市內部建筑以及城市棕地的動態[34],以改善城市人居環境,實現城市的可持續發展。

4.2 城市動態度與城市生態監管

及時準確獲得城市動態度信息是城市生態監管和城市規劃的基礎與前提[35]。街區作為城市居民活動的主要場所,已成為城市生態與城市規劃研究中的基本基元[25,36]。街區大小是街區的基本屬性之一,其直接影響城市居民的社會生活,如出行方式等,對于城市的社會經濟生活具有重要意義[18,24,37]。本研究結果顯示,不同大小的街區,其動態度存在較大差異,面積較小的街區,城市動態度較高,而面積較大的街區具有較低的動態度,二者存在非線性關系。分析可能的原因為面積較小的街區其內部景觀組成較為單一,對其進行土地開發,動態度的影響是全局的；而面積較大的街區,其景觀組成相對復雜,內部往往有較大面積的城市公園等,土地開發活動頻度相對較低,其動態度影響通常是局部的。同時,這一結果也為城市動態監測提供了參考。在實際監測過程中,監管人員可將高動態度的小街區合并到臨近街區,形成一定尺度的“街區組”；而對于動態度低的大街區可進行更為細致的“子街區”分割,進而在“街區組”和“子街區”水平上進行監管。此外,監管中應對面積較大且動態度較高的街區進行高頻率的監測,而對于面積較小且動態度較低的街區開展低頻率的監測,從而實現街區的差異化監管,提高城市監管的效率。

5 結論

城市發展過程中不僅往外擴張,城市建成區內部也發生變化,量化城市內部的這種變化,是理解城市發展的生態環境影響,有效開展城市生態監管與城市規劃的前提和基礎。本研究以深圳市為例,基于街區量化相鄰兩年城市的土地覆蓋動態度,得到如下結論：(1)深圳市城市內部具有較高的動態度,2017—2018年間14.93%的街區發生了不同程度的變化。動態度的熱點區域主要分布在南山區、寶安區、鹽田區等,冷點則主要分布在龍崗區、坪山新區、福田區等。(2)相較于城市化初期,現階段深圳市動態度熱點由西部向東部轉移,城市更新引起的土地覆蓋變化(如不透水地表轉變為裸土等)的動態度貢獻較高,是導致城市內部景觀動態的重要因素。與此同時,深圳市街區的土地利用強度也存在較大差異,且表現為土地利用強度增加的街區多分布在城市外圍,而街區土地利用強度降低多分布在城市內部。(3)深圳市街區尺度上空間動態度隨著街區面積的增大,先急劇下降,后趨于平緩,二者關系呈現非線性關系。研究結果揭示了深圳市內部街區尺度上的動態度特征,加深了對城市景觀動態發展的認識,為城市規劃和生態空間監管提供了重要支撐。