1980—2018年杭州市城鄉建設用地時空演變特征分析

俞靜怡，田 鵬

（寧波大學地理科學與旅游文化學院,浙江 寧波 315211）

20世紀90年代以來，中國進入城鎮化快速發展的時期，城市土地利用空間格局發生明顯變化，城市擴張進一步增強，而盲目的城市擴張會導致一系列社會經濟和生態環境問題。城市擴張的一個重要表現就是城市建設用地的持續擴張[1]，而建設用地也代表著人類的可活動空間，這是由區位環境和人類活動兩大因素相互影響、相互作用的復雜綜合體，同時也是人類在空間利益上展開活動沖突的產物，故可以通過研究城市建設用地來深入探究城市擴張和土地利用的發展變化[2-3]。因此，研究城市建設用地在空間層面的變化過程，能夠進一步把握城市空間擴展過程的突出特征和發展趨勢，有效控制和改善不合理的城市擴張[4]，切實解決當前用地領域突出存在的現實矛盾。

長期以來，著眼于宏觀（全國、大區域）、中觀（省域、城鄉群）、微觀（城鄉建成區）的建設用地時空變化特征一直是國內外研究的熱點[5-9]。隨著地理信息系統（GIS）和遙感（RS）等技術的不斷成熟[10]，通過建設用地擴張速度、強度、模式、空間格局變化等時空特征定性或定量地分析城市空間擴張模式、城鄉居民點用地[11-15]的研究成果迭出。劉紀遠[16]等基于全國土地利用數據庫，分析基于主體功能區劃的中國城鄉建設用地擴張的時空特征；李進濤等[17]通過對變化規模、變化穩定性、空間擴張方向、極大值出現時間等指標進行總結，利用聚類分析的方法分類京津冀地區城市建設用地擴張過程；林目軒等[18]著重從擴張速度、擴張方向、擴張彈性以及分形維數等多個視角分析和把握長沙市區建設用地擴張過程中的時空特征；陸張維[19]等分析凸殼原理在杭州城市擴展形態識別中的應用價值；楊忍[20]等利用集成格網識別環渤海地區農村居民點時空地域格局。但目前的研究工作仍存在不足：時空特征分析未充分結合城市規劃的階段性部署，多從經濟、人口、地形等因素出發進行定量分析，未考慮到城市規劃政策起到的提綱挈領作用。

改革開放以來，杭州市建成區面積加速擴張，城鎮化率（城鎮人口占總人口的比例）由1980年的13．49%增長至2018年的77．4%；建設用地不斷向生態用地擴張，強度越發增強，導致區域城鄉生態環境矛盾突出。在浙江乃至長三角城市群全面推進城鎮化的關鍵期，開展杭州城鄉建設用地擴張研究，不僅可以加深對中心城鎮空間擴張規律的理解，而且對相關區域城鄉用地結構優化也具有指導意義。因此，本研究以杭州市為例，基于杭州市1980—2018年土地利用時空分布數據，研究其城鄉建設用地擴張的時空演變特征，揭示建設用地時空演變規律，進而為城鄉可持續發展提供理論依據。

1 研究區域概況

杭州市（118°21′E—120°30′E，29°11′N—30°33′N）位于我國華東地區，浙江省北部，是浙江省省會城市、長江三角洲中心城市之一。截至2018年底，杭州市包括10個區（上城區、下城區、西湖區、江干區等）、兩個縣（淳安縣、桐廬縣）以及一個代管縣級市（建德市），整個城市的區域面積共計16 840．75 km2，常住人口規模達到1 036萬人，其中有813．26萬城鎮人口，城鎮化率77．4%。從氣候條件上看，杭州屬于典型的亞熱帶季風氣候，氣候條件相對溫和，且四季分明，年平均氣溫保持在17．8℃左右，年均降水量1 454 mm，全年平均日照時數1 765 h，土壤主要為紅壤和水稻土。杭州是浙江省最為重要的政治、經濟和文化中心，轄區內的西湖更是世界文化遺產，被稱之為人間天堂，其土地利用開發時間早、程度高、強度大，城鄉化水平高。隨著長三角一體化戰略的實施，杭州市社會經濟發展也迎來了新的歷史機遇，城鄉一體化發展更加明顯，未來勢必將成為華東地區城鎮化發展最劇烈的城市之一。

2 數據來源與方法

2.1 數據來源及處理

本文選取1980，1990，2000，2010，2018年共5期土地利用數據，該數據集來自于中科院資源環境科學與數據中心（http://wwwresdccn/），主要以美國陸地衛星Landsat遙感影像數據為主要信息來源，同時借助人工目視進行獲取和解譯，具有較高的解譯精度，能夠最大程度上滿足研究需要。

參考GB/T 21010—2017《土地利用現狀分類》和研究實際需要，將土地利用類型分為耕地、草地、林地、建設用地、水體和未利用地，并將建設用地分為三大類：城鎮建設用地、農村居民點、其他建設用地。運用ArcGIS10．2進行空間分析處理，生成不同時期土地利用現狀圖，提取建設用地專題圖，再通過空間疊加得到土地利用轉移矩陣。

2.2 研究方法

采用土地利用轉移矩陣、建設用地擴展速度、建設用地擴展強度指數、城鎮用地擴展分形維數、城鎮用地重心坐標遷移等方法對杭州市1980—2018年的城鄉建設用地變化進行分析。

2.2.1 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣能直觀、定量表明1980—2018年杭州市城鎮建設用地與其他土地利用類型之間的轉化以及轉移方向和速率，其通式為

式中：Sij為轉移前i地類轉換成轉移后j地類的面積（i，j=1，2，…，n）；n為產生土地轉移的土地利用類型總規模；矩陣中各行元素為轉移前i地類土地具體流向，各列元素為轉移后j地類土地具體來源[21]。

2.2.2 建設用地擴張速率

HPSEC-ELSD法同時測定白及多糖的分子量和含量…………………………………………………… 王 川等（9）：1198

該指標是指某一區域在特定時間范圍內建設用地在數量層面出現的變化，能夠全面真實地反映區域土地利用中建設用地產生的變動趨勢和程度[22]，相應的計算公式為

式中：K為建設用地擴張速率；Ub，Ua分別為研究期間在起始和結束這兩個時點上的建設用地規模；T為整個研究所消耗的時間長度，通常以年為單位。

2.2.3 建設用地擴展強度指數

建設用地擴展強度指數是指空間單元在研究時期內新增的建設用地占土地總面積的比重，其實質是用各單元土地總面積來對其年均擴展速度進行標準化處理[23]，計算公式為

式中：CEI為建設用地擴展指數；Sa為一定時期內一定范圍新增建設用地面積；A為總區域面積。

2.2.4 分形維數與緊湊度

分形維數用于表征某用地類型斑塊的邊界復雜性。計算方法采用Mandelbrot（1979）提出的周長-面積算法[24]，公式為

城市形態的緊湊度，可以反映城市空間形態內部各部分空間集中化程度，被用于反映城市空間形態[26]。本文采用Batty提出的公式來計算研究區的空間緊湊度，公式為

式中：BCI為城市空間緊湊度；A為城市建設用地面積；P為城市輪廓周長。BCI取值范圍為（0，1），并且其數值越大，意味著緊湊度越高；反過來，數值越小意味著緊湊性不強。

2.2.5 建設用地重心坐標遷移

空間重心是描述地理對象空間分布的一個重要指標，常用于城市用地動態變化、土地利用類型變化等研究[27]。

通過ArcGIS軟件計算不同時期城鄉中心坐標，可以清晰展現研究區不同時期建設用地擴張的方向特征。其計算公式為

式中：X，Y分別為中心經、緯度坐標；Ai為第i塊矢量圖斑的面積；Xi，Yi分別為第i塊圖斑幾何中心的經度和緯度坐標；m為矢量圖斑個數。

3 結果分析

3.1 城鄉建設用地擴展規模

1980—2018年，杭州市城鄉建設用地總面積呈持續增長趨勢（見圖1），從1980年的453.33 km2增加至2018年的1 219.59 km2，共增加766.26 km2，年均擴張速率4.45%。2001年蕭山、余杭由市改區，導致2000—2010年期間杭州城鄉建設用地面積由548.88 km2激增至916.66 km2，徹底擺脫了因空間不足而制約城市建設用地擴張的局面。2014年富陽和臨安撤縣設區，建設用地總面積維持高增長趨勢。空間上，建設用地顯現集中區面積增加、新增建設用地分散、從主城區到郊區點狀不連續分布的特點。

圖1 1980—2018年杭州市城鄉建設用地變化圖

城鎮建設用地面積38年間增加441.95 km2，在面積持續增加的同時，其所占建設用地的比例也不斷增大；擴張速率先增加后減少，2000—2010年增速最快，達9.53%。農村居民建設用地增加84.01 km2，面積和擴張速率不斷增加，但所占比例呈現逐漸減少趨勢；2010—2018年增速最快，達1.10%。其他建設用地共增長了240.9 km2，是三類建設用地增速最大的，1980—2018年共增長97.69%；其中2000—2010年增速最大，猛增48.56%；除了1990—2000年這一時期外，其占比均不斷增加。1980—2018年杭州市建設用地規模見表1。

表1 1980—2018年杭州市建設用地規模

3.2 城鄉建設用地利用結構變化

1980—2018年杭州市城鄉建設用地轉換情況見表2。結合表2杭州城鄉建設用地變化的數據，應用ArcGIS10.2軟件進行疊加得到研究區城鄉建設用地的轉移矩陣，并分析杭州市城鄉建設用地利用結構的變化。

表2 1980—2018年杭州市城鄉建設用地轉換情況

總體上，1980—2018年間杭州市城鄉建設用地轉入面積遠大于轉出面積，主要由耕地、林地、水域轉入，向耕地轉出。其中耕地轉入數量最多，占新增建設用地面積84.41%，耕地占用現象嚴重；林地次之，共轉入95.36 km2，占新增建設用地面積11.48%。每個時期都有其他土地利用類型轉為城鄉建設用地，但轉入數量不穩定；在2000—2010年期間共轉入374.88 km2，是轉入面積最多的時期；1980—1990年是唯一轉出數量大于轉入數量的時期，也是轉出面積最大、轉入面積最小的時期。可見建設用地的雙向轉移以建設用地與耕地之間流轉為主，在城鎮化進程中建設用地靠前，耕地靠后。

3.3 城鄉建設用地擴張速率

1980—2018年杭州市城鄉建設用地擴張速率見表3。表3表明，杭州市在不同時段的空間擴展具有明顯的不均衡性，各縣市區的年均擴展速率表現出很大的空間分異性。從整體上看，杭州市建設用地擴張速率呈先上升后下降的趨勢，1980—2010年擴張速率增加，2010—2018年擴張速率減小；速率最大時期為2000—2010年的6.70%，速率最小時期為1980—1990年的0.06%。這表明《全國國土規劃綱要（2016—2030年）》已經獲得初步成效，建設用地的高速擴張減緩，城市無序蔓延的亂象得到一定程度的治理。

表3 1980—2018年杭州市城鄉建設用地擴張速率 （%）

從各行政區來看，1980—2018年擴張速率變化最大的是濱江區、江干區，分別是10.89%，10.02%。濱江區2000—2010年擴張速率最大，達12.52%；江干區2000—2010年擴張速率更是超過濱江區，達14.76%。擴張速率變化最小的是上城區，只有0.30%。由此可以看出上城區作為整個杭州最古老的城區，自1980年以來，始終保持相對穩定的建設用地面積。淳安縣、建德市1990—2000年建設用地呈負增長趨勢，但減少面積較少；2000年后則進入高速增長時期，建德市2010年后仍保持高速增長態勢，而淳安縣增長速率大幅下降。

3.4 城鄉建設用地擴展強度

在1980—2018這一期間，就整個杭州城市建設用地的擴張強度指標上看，該指標指數分別為0.069%，0.495%，2.184%，1.799%，整體上呈現出明顯的先上升后下降趨勢。計算得出杭州市各區的城鎮用地擴張強度，采用自然斷點分級法將發展狀態劃分成5個等級，分別為緩慢、低速、中速、快速、高速發展。從擴展強度指數來看，1980—1990年杭州市城鄉建設用地主要以緩慢擴展為主。在此期間，第三輪杭州城市總體規劃（1981—2000年）提出“保護西湖風景區，開辟錢江新區，逐步改造中心城，發展衛星城鎮”的布局原則[28]。位于杭州市東北方向的余杭區和蕭山區建設用地高速發展，位于杭州市中心城區的拱墅區和下城區布局生活居住區快速發展；緩慢發展的是臨安區、建德市、淳安縣、上城區和西湖區；淳安縣、建德市以及臨安區這3個地區的地理位置相對偏遠，相應的開發速度較緩；而西湖區為國際知名風景勝地等因素的存在，直接限制了其建設用地規模；而自新中國成立以來，上城區始終是杭州市建設用地最為集中的地區，始終保持著相對穩定的建設用地面積。

1990—2000年蕭山區呈現出了迅猛增長態勢，同時余杭區、江干區、西湖區、下城區等地也出現了明顯的快速增長趨勢，而發力相對緩慢的是淳安和建德兩地。1996年杭州市區行政區劃進行一系列調整：三墩鎮、蔣村劃歸西湖區，下沙并入江干區；杭州市濱江區是在蕭山市長河鎮、西興鎮、蒲堰鎮的基礎上設立的。這標志著隨著交通技術的進步，錢塘江不再是阻礙城市內部交通的屏障，杭州從此由“西湖時代”邁向“錢塘江時代”。

2000—2010年蕭山區繼續維持高速增長趨勢，快速增長地區為余杭區、富陽區、江干區，緩慢增長地區為拱墅區、上城區、下城區。因2001年的杭州市區行政區劃調整，第四輪杭州城市總體規劃（1996—2010年）再一次調整，余杭、蕭山撤市設區，正式并入杭州市區，但規劃并沒有真正實施。2001—2020年杭州市第五輪城市總體規劃中明確了這一時期的發展方向，即不斷向東部擴張，持續向西推進旅游產業，同時加大沿江開發力度，實現跨江發展，由此建構形成東擴、西優、南拓、北調的發展空間[29]。蕭山區擁有數量巨大的未開發土地，地勢也較余杭區更加平坦，由于撤市設區，大量郊區集體土地被改造為國有土地，然后發展為建設用地，滿足了城鎮化對土地的大量需求；2000年蕭山機場建成運營，2004年復興大橋通車，交通運輸更加便利；在沿江開發、跨江發展的新規劃理念推動下，蕭山區城市建設加速推進。這段期間內，杭州市依靠主城工業區的外遷和郊區經濟開發區、大學城和高教園區的建立，主城和副城城市建設用地的多中心協同擴張已初具形態，表現在下沙副城經濟開發區的不斷壯大、錢江新城的沿江拓展等。

2010—2018年蕭山區和余杭區的城鄉建設用地高速發展，上城區和下城區緩慢發展，整體以中速擴展為主。城市化發展進程相對較快的蕭山區和余杭區處在杭州城市中心的外圍，加快了城市邊緣地區土地轉化速度，導致其建設用地規模出現了極其劇烈的轉化特征，顯現明顯的郊區化發展趨勢。上城區和下城區是最靠近老城市中心武林廣場的行政區，城市化進行早，建設用地增長受限，2000年以來已趨于穩定。杭州市面對顯著擴大的行政地域，亟須控制擴張強度，將行政區劃調整的紅利真正轉化為社會、經濟、空間全面耦合的發展資源[30]。杭州市城鄉建設用地擴展強度見第76頁圖2。

圖2 杭州市城鄉建設用地擴展強度

3.5 建設用地擴展分形維數

運用ArcGIS統計各行政區建設用地斑塊的周長和面積分別計算lnP和lnA，并根據公式運用SPSS軟件進行線性回歸擬合，得到分形維數D，見第76頁圖3。計算結果顯示1980—2018年杭州市城鄉建設用地空間結構的分形維數分別為1.320 5，1.289 9，1.282 8，1.282 1，1.275 7，其分形維數均小于1.5，證明杭州市的城市形態較為規則，而逐漸下降的分形維數指數表明杭州城鄉建設用地趨向于規整化、簡單化。各個行政區在分形維數這一指標上存在顯著差異。桐廬縣、淳安縣、建德市的分形維數逐年上升，說明這些地區建設用地處于不斷向外擴張的階段，城市邊緣趨向不規則，城市離散程度不斷加大；而其中上城區分形維數基本穩定，略有上升。在分形維數下降的地區中，下城區下降幅度最大，但2000年以后基本穩定；余杭區變化幅度最小；濱江區下降幅度位于第二，但2018年的分形維數全市最低，只有1.21。

圖3 1980—2018年杭州市城鄉建設用地分形維數

就緊湊度指數上看，結合第76頁圖4可以看出，杭州六大區所構成的主城區中空間緊湊度指數整體偏高，總體持續遞增，說明杭州主城區在開發建設過程中的空間形態更加緊湊，具有顯著的集聚趨勢。其中，濱江區增長幅度最大，由1980年的0.147增長至2018年的0.328。此外，蕭山區、余杭區、富陽區、臨安區、桐廬縣、淳安縣、建德市這些周邊行政區的建成區空間緊湊度指數均低于市區的平均水平，且整體上漲幅度均不明顯。這說明郊區比主城區空間形態更加分散且基本穩定。

圖4 1980—2018年杭州市城鄉建設用地緊湊度

3.6 建設用地重心坐標遷移

1980—2018年杭州市建設用地重心偏移特征較復雜，表明杭州城市空間擴張是一個各方向作用力相互拉鋸的過程，總體呈現為向東北方向→東南方向→西南方向逐步偏移的特征，移動距離均較大，可見城市擴張范圍與變化均較劇烈。建設用地重心從1980年的西湖區白巖山西側 （120°1′21″E，30°21′55″N）轉移至2018年的西湖區金色年華退休生活中心（120°1′53″E，30°9′12″N），整體向東南方向偏移了1 663.07 m。這說明自第四輪杭州城市總體規劃（1996—2010年）初步提出“跨江發展”的戰略后，杭州市向東、向南發展的趨勢明顯。1980—1990年杭州市建設用地重心向東北方向偏移，是由于位于東北方向的蕭山區、江干區、余杭區是杭州城市發展的重點地帶；1990—2000年杭州市建設用地重心向東南方向偏移，受到“跨江發展”“城市東擴”戰略的影響；2000—2018年杭州市建設用地重心向西南方向偏移，是由于撤縣設區后西部、南部大量耕地轉為杭州市建設用地。

從各行政區來看，不同行政區建設用地擴張的方向存在較大差異。由于杭州市六大主城區域的區位面積相對較小，因此應當將這些地區進一步合并，由此實現主城區發展重心的轉移分析。

1980—2018年杭州城鄉建設用地空間重心坐標見第77頁表4；1980—2018年杭州建設用地的重心轉移方向見第77頁圖5。從圖5來看，在1980—2018年主城區先向東北后向西北擴張，蕭山區、富陽區一直向東北擴張，桐廬縣一直向東南擴張，余杭區以向東和向南擴張為主，淳安縣以向西南和向東擴張為主，臨安區先向東后向西擴張，建德市則全面擴張。政府在城市擴張中需要管控建設用地擴張方向，合理安排主城區與新區的功能。

圖5 1980—2018年杭州建設用地的重心轉移方向

表4 1980—2018年杭州城鄉建設用地空間重心坐標

4 結論與討論

本文對杭州市1980年、1990年、2000年、2010年、2018年共5期土地利用數據進行研究，通過分析其土地轉移、擴展速率、擴展強度、分形維數、重心轉移，得出關于杭州市城鄉建設用地時空演變格局的主要結論。

1）1980—2018年杭州市城鄉建設用地規模不斷擴展，轉入面積遠大于轉出面積。總面積增加了766．26 km2，最主要的轉入類型是耕地，其次是林地、水域，2000—2010年轉入面積最多。此外，城鄉建設用地的擴展速度持續波動變化，2000—2010年擴展速度最快，為6．70%。從建設用地類型來看，其他建設用地增速較快，但占比最小；其次是城鎮用地，但占比最大；農村居民點則相對緩慢，占比第二。從各行政區來看，擴張速率變化最大的行政區是濱江區、江干區，擴張速率變化最小的行政區是上城區，淳安縣、建德市在1990—2000年建設用地減少。

2）1980—2018年杭州市城鄉建設用地強度先增大后減小，2000—2010年強度最大。蕭山和余杭這兩個地區始終保持較大的擴張強度，而上城區、下城區及拱墅區作為老城區的拓展強度相對較小。隨著行政區劃調整和工業園區建立，遠郊地區的擴展強度增加。政府應當合理開發建設用地，并優化布局結構，在發展經濟的同時降低擴展強度。

3）杭州市城鄉建設用地空間結構的分形維數和緊湊度具有明顯的空間分異性。整體上分形維數不斷減小，緊湊度不斷增加，建設用地的空間形態趨于緊湊、形狀變得更加簡單。從各行政區來看，除上城區、桐廬縣、淳安縣、建德市外，分形維數均下降；市區緊湊度普遍高于遠郊地區。

4）杭州市城鄉建設用地在重心變遷上受到政策影響，整體向東南方向遷移，不同行政區建設用地擴張的方向差異較大。杭州市在城市地區整體發展規劃中提出了進一步向東擴張的發展戰略，力爭實現跨江發展，由此為杭州進一步擴大建設用地提供了方向性指導。