基于GIS的佛山市城市空间扩张特征分析
2019-12-18李辉霞周红艺潘绮雯
李辉霞，周红艺，潘绮雯
（佛山科学技术学院空间信息与资源环境系，广东佛山528000）
一个城市是由基本空间元素组成的，这些元素构成了不同的空间和各种交通走廊，所以每一座城市的空间形态都是不一样的。城市的发展表现为城市形态的扩展，城市形态是指城市实体所表现出来的具体的空间物质形态，是城市发展内生要素的外在空间体现,是城市内在政治、经济、社会结构、文化传统在城市居民点、城市平面形式、内部组织、建筑和建筑群体布局上的反映[1]。城市空间形态是由自然、经济、交通等因素综合作用的一种空间结果，与城市的可持续发展息息相关[2]。城市的空间形态包括城市内部空间形态和城市外部形态[3]，常用研究方法包括空间扩展分析、城市空间形态测度分析和空间相关与移动分析等[4]。
本文以城市的外部形态作为对象，选择空间扩展分析方法，研究佛山城市的几何形态变化特征，以期为佛山城市的可持续发展提供科学支撑。
1 研究区域
佛山市位于广东省中部，地处珠三角腹地，与广州组成“广佛都市圈”，是“粤港澳大湾区”、“广佛肇经济圈”、“珠江-西江经济带”的主要组成部分，在广东省经济社会发展版图中处于领先地位。
佛山市地理位置为北纬 22°38'～23°34'，东经 112°23'～113°23'，与香港、澳门的车程均在2h左右，随着广深高铁、广珠城际轨道的开通，佛港澳构成“1小时交通圈”。
佛山市总面积3 797.72 km2，截至2017年底，建成区面积约为1 368.73 km2，范围遍布在禅城区、南海区、顺德区、高明区和三水区。
2 研究方法
2.1 数据来源
主要数据源包括Landsat卫星影像、高程图（数字高程模型）、气象站点监测数据（气温、降水等）、经济及人口等统计数据。Landsat卫星影像和数字高程模型来源于地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/）、遥感集市（http：//www.rscloudmart.com/）。
派生数据包括1990、2000、2009、2017年的4个时期的城市建成区边界图（从Landsat影像中提取）、坡度坡向图（由数字高程模型派生）、气温分布图和降水分布图（由气象站点数据插值生成）、人口密度图和经济密度图（由统计年鉴数据GIS制图生成）。
2.2 指标计算
2.2.1 城市扩展强度和扩展速度
城市扩展强度指数（urbanization intensity index）是指在某期间内的城市土地扩展面积占其土地总面积的百分比，数字越大，表示扩展越快。根据扩展强度可把城市扩展分为5种类型：高速扩展、快速扩展、中速扩展、低速扩展和缓慢扩展[5]。扩展速度（Expansion speed）表示一定时间内，城市用地扩展面积的年增长速率，代表研究时期内城市用地扩展的总体规模和趋势。其计算公式分别如下
式中，Ia为城市扩展强度指数，Va为城市扩展速度指数，ΔUab为a研究初期到b研究末期建成区扩展面积，U为a时期的土地总面积，Ua为a研究期内的建成区面积，ΔTab为a研究初期到b研究末期的时间间隔。
2.2.2 城市空间重心
城市空间重心是用来描述建成区空间分布的一个重要指数，其动态轨迹可以反映空间要素分布的总体变化趋势。城市空间重心指数可以用加权平均法对建成区的几何中心坐标计算[6]，即
式中，Xb、Yb为b时期内建成区的重心坐标，Da+1为重心迁移距离，θa+1为重心迁移角度，Xa、Yb为第a个建成区的几何中心坐标，Cba为第a个建城区面积。
2.2.3 紧凑度
城市形态的紧凑度是反映城市的空间布局城市形态的一个重要指标[7]。城市紧凑度高，代表城市比较集中，会使土地利用率提高，人们生活环境会受影响；紧凑度低空间离散程度大，会不利于城市管理，各功能地区较分散。紧凑度计算公式为
式中，C为城市用地的紧凑度，a为建成区总面积，P为建成区周长。
C值在0～1之间时，C越接近1，形状越有紧凑性，越接近于圆形；反之，形状紧凑度越差。
2.2.4 分维数
分维数是用来描述斑块几何形状复杂程度的非整型维数值。
本文使用分维度来描述佛山建成区的外部特征，即利用建成区的周长与面积来衡量分维度，其计算公式[6]如下
式中，D为建成区的分维数，A为建成区总面积，P为建成区周长。
在一定程度上，分维数反映了图形对于空间的填充能力和边界不规则的复杂程度。D值的理论范围为1～2，D值越大表示建成区形状越复杂。当D＜1.5时，说明图形趋向于简单；当D=1时，图形是最简单的正方形；当D=2时，图形最复杂。
3 研究结果
3.1 扩展强度与扩展速度
（1）从时间维度上分析。1990—2017年佛山市建成区面积呈高速扩张的趋势，如图1所示。1990—2017年佛山市扩展强度与扩展速度如表1所示。
图1 佛山市1990—2017年建成区
表1 1990—2017年佛山市扩展强度与扩展速度
由表1可知，建成区面积增长了1 362.392 km2，平均每年扩展50.459 km2，扩展速度为19.376%，扩展强度指数为1.329%。城市空间扩张具有明显阶段性，其中1990—2000年是一个飞跃增长型（扩张速率15.47%），2000—2009年是平稳增长型（扩张速率5.87%），2009—2017年是快速增长型（扩张速率7.53%）。
（2）从空间维度上分析。南海区、顺德区城市扩展较快（平均每年增长面积分别为20.998 km2和17.484 km2），且一直呈快速增长趋势，2009—2017年期间空间扩张最明显；禅城区2000—2009年增长较快，但受限于周边可开发土地的面积，平均每年仅增加3.114 km2；三水区在2009年后城市用地发展迅速，平均每年增加6.229 km2；高明区在2009年城市开始快速发展，平均每年增加3.349 km2。
3.2 城市空间重心
佛山市建成区向西南方向偏移趋势明显，如图2所示。1990—2017年佛山市重心转移情况如表2所示。
图2 1990—2017年佛山市建成区空间重心转移
表2 1990—2017年佛山市重心转移
由表2可知，1990—2000年向西南方向偏移了1 580.275 m，127.847度；2000—2009年向西南方向偏移了2 972.74 m，157.266度；2009—2017年向西南方向偏移了2 810.907 m，146.615度；1990—2017年向西南方向偏移了7 220.665 m，146.775度。由此可知，在2000—2017年期间，佛山市建成区主要在西部和南部扩展。
3.3 城市紧凑度
（1）按时段分析。1990—2017年佛山市紧凑度如表3所示。由表3可知，1990—2017年佛山建成区紧凑度呈先上升后下降的趋势，1990—2000年城市扩展有紧凑化趋势，说明城市用地比较集中；2000年后随着城市化进程越来越快，城市形状变得越来越复杂，城市用地越来越分散，紧凑度越来越小。
（2）按行政区分析。1999—2017年佛山市各区紧凑度如表4所示。由表4可知，1990—2017年，禅城区的城市扩展越来越紧凑；顺德区前期扩展较分散，从2009年开始城市用地越来越集中；三水区则相反，前期较集中，2009年后城市建设用地开始分散；南海区和高明区的紧凑度都是先增大后减少。由此可知，佛山市城市用地扩张外向扩展型和内向填充型两种方式并存，其中禅城区和顺德区以内向扩展型为主，三水区、南海区和高明区以外向扩展型为主。
表3 1990—2017年佛山市紧凑度
表4 1990—2017年佛山市各区紧凑度
3.4 分维度
1990—2017 年佛山市分维度如表5所示。由表5可知，1990—2017年佛山建成区分维数先下降后上升，在2000年低于了1.5，说明因为城市快速发展，耕地受到了严重的破坏，城市内部空隙被填充，城市用地更加紧凑，建成区边界复杂性减少，分维度下降。2000—2017年，分维数逐步上升，表明在2000—2017年这段时期内佛山市城市空间扩展以内向填充型为主。
表5 1990—2017年佛山市分维度
4 结论
本研究以遥感影像作为基础数据源，以GIS制图与分析作为技术支撑，尝试实证研究1990—2017年佛山城市空间形态的变化特征。
（1）城市空间扩展分析。1）从时间维度看，1990—2017年佛山市建成区面积呈高速扩张的趋势，扩展速度为19.376%，扩展强度指数为1.329%；不同时段佛山市城区的空间扩张速率差异明显，其中1990—2000年是飞跃增长型（扩张速率15.47%），2000—2009年是平稳增长型（扩张速率5.87%），2009—2017年是快速增长型（扩张速率7.53%）。2）从空间维度看，南海区、顺德区城市扩展较快，且一直呈快速增长趋势，其中2009—2017年期间空间扩张最明显；禅城区城市化水平已达100%，且受限于周边可开发土地的面积，近30年来建成区面积变化并不明显，平均每年仅增加3.114 km2；三水区在2009年后城市用地发展迅速，平均每年增加6.229 km2；高明区在2009年城市开始快速发展，平均每年增加3.349 km2。3）从重心转移轨迹看，城市空间重心往西南方向偏移，偏移量约0.72 km。
（2）景观分析。1）按紧凑度分析，1990—2017年佛山建成区紧凑度呈先上升后下降的趋势。2）按分维度分析，1990—2017年佛山建成区分维数先下降后上升。3）按行政区分析，禅城区的城市扩展越来越紧凑，顺德区前期扩展较分散而后期越来越集中，三水区则前期扩展较集中而后期越来越分散，南海区和高明区的紧凑度都是先增大后减少。综上可知，佛山市城市用地扩张外向扩展型和内向填充型两种方式并存，其中禅城区和顺德区以内向扩展型为主，三水区、南海区和高明区以外向扩展型为主。
