杭州城市建设用地扩张的时空演变分析

2022-02-21卢奂王睿飏范今朝

浙江大学学报（理学版） 2022年1期

卢奂，王睿飏，范今朝

（浙江大学地球科学学院，浙江杭州 310027）

近百年来，城市化成为对人类社会影响最大的社会过程之一。中华人民共和国成立后国民经济复苏，改革开放后城市化进程的快速推进大幅提升了社会经济发展水平［1］。建设用地扩张是城市化空间过程的直观体现和综合反映，相关研究可为城市规划和可持续发展提供有效的决策依据［2-3］。建设用地扩张在规模上表现为城市地域空间范围的扩大，内涵上呈现的是城市空间结构的调整和形态、密度的演替［4］。国内外学者对建设用地扩张开展了研究，研究主要集中在扩张特征［5］、形态［6］、模式［7］、驱动力［8］、模拟预测［9］等方面，范围涵盖全国［10］、区域与城市群［11］、单个城市［12］等多个尺度，取得了大量成果。遥感与GIS提供了可靠的数据来源和有力的研究工具，大量学者利用遥感影像提取建设用地信息刻画扩张过程，广泛运用扩张速度、重心、蔓延指数等测度指标，进行了定量化研究探索［13］。建设用地扩张必然引起景观格局的演变，引入景观格局分析法对刻画扩张过程及其影响有重要作用［14］。DIETZEL等［15］发现，城市化过程呈“扩散—融合”规律性变化，并据此提出了“扩散—融合”假说（diffusion-coalesce hypothesis）。XU等［7］和LI等［16］提出了填充（infilling）、边缘（edgeexpansion）和蛙跳（leapfrogging）3种增长类型（growth type），并揭示了各优势度随城市化进程发生变化的规律。

目前对建设用地扩张的研究时段主要集中在改革开放后，时间跨度多为10～30 a。近年来，已有学者利用不同历史时期的地图、地形图、遥感等多源数据，在更长时间尺度上对扩张机理和特征进行研究［17-19］。但总体看，长时间尺度的研究仍较少。

杭州作为长江三角洲核心城市，是我国快速城市化的典型代表之一，引起了不少学者的关注，现有研究分别从城市扩张［20-22］、土地利用变化［23-24］、景观格局［25］、城市蔓延［26］等视角对杭州城市发展进行探索。总体看，研究时段集中在改革开放后，尚未见在更长时间尺度下的研究。

本文基于GIS技术，综合集成近代地图、CORONA、Landsat TM和OLI遥感影像数据，提取1914—2018年间共6期杭州建设用地数据，对杭州城市建设用地的扩张过程进行说明和分析，并对城市扩张模式的相关理论进行实证检验。

1 研究区域、数据来源与预处理

1.1 研究区域

杭州市是浙江省省会（118°21′E～120°30′E，29°11′N～30°33′N），地处长江中下游平原。历史上杭州的行政区划发生过多次变化，但自唐代以来，杭州中心城区的位置和面积相对稳定。因本文研究城市建设用地变化，故选取实体城市地域为城市范围，在不同时期，其地域范围有所不同。基于杭州发展的历史情况，考虑资料的可获取性和可对比性，选取2021年杭州市部分行政区划调整之前原杭州市的上城、下城、拱墅、江干、西湖5个市辖区的地域范围作为研究区域（图1），即本文所称的“杭州城市”。

图1 研究区域Fig.1 Study area

1.2数据来源

选取1914、1934、1969、1985、2000和2018年共6个时点，对近代地图、遥感影像等多源数据进行分析。数据包括1914年编绘的“浙江省五万分之一地形图”，1931—1934年编绘的“杭州市、杭县都图乡镇地图”，1969年“锁眼”系列卫星拍摄的CORONA KH-4B遥感影像，1985年Landsat 5 TM影像，2000年Landsat 7 TM影像，2018年Landsat 8 OLI影像，各期数据源参数见表1。

表1 数据源参数Table 1 Data source parameters

1.3 数据预处理

由于使用的数据来源较广，为实现数据的连续分析，需对各期数据进行校正、分类处理，提取格式统一的建设用地数据，以重建近百年来建设用地的扩张过程。

“浙江省五万分之一地形图”和“杭州市、杭县都图乡镇地图”与中国古代所绘传统地图不同，因已采用了近代的测绘技术，精度较高。在处理时，先将各图拼接，再手动选择水体、道路等无明显变化的地物作为控制点进行几何校正，选取的控制点应尽可能均匀分散，最终使均方根（RMS）小于1.0。此后，采用目视解译的方法提取建设用地数据，结果如图2（a）和（b）所示。

用ENVI 4.8软件对1985年的Landsat 5 TM影像进行校正、剪裁等处理，用最大似然法进行分类，得到建设用地数据。分类结果如图2（c）所示，总体分类精度为0.94，Kappa系数为0.90。用eCognition 9.02软件，基于面向对象的分类方法，对1969年的CORONA KH-4B影像、2000年的Landsat 7 TM影像和2018年Landsat 8 OLI影像进行分类。经多尺度分割后，通过手动选取样本，选择图层、形状、纹理等作为分类特征，用决策树模块进行分类，得到建设用地数据，并手动修正初次分类中的错分部分。1969、2000、2018年影像的分类结果分别如图2（d）、（e）和（f）所示，总体分类精度分别为0.89，0.92和0.87，Kappa系数分别为0.83，0.88和0.75，基于面向对象的分类方法取得了较好的效果，分类精度满足研究所需。

图2 杭州城市建设用地数据Fig.2 Construction land data of Hangzhou city

2 研究方法

用扩张速度、城市重心、景观格局指数和增长类型等表征杭州城市建设用地扩张过程。

2.1 扩张速度

扩张速度（AGV）表示一定时期内建设用地的年均扩张面积：

其中，Ai+n和Ai分别为第i+n年和第i年的建设用地面积，n为间隔年。

2.2 城市重心

城市重心Di（xi，yi）的变化可反映一定时期内建设用地空间变化的方向和趋势：

其中，xi，yi分别为第i年城市重心的经、纬度坐标，xt，yt分别为第t个斑块重心的经、纬度坐标，Cit为第i年第t个斑块的面积，m为斑块数。

2.3 景观格局指数

选取斑块占景观面积比例PLAND、平均斑块面积MPS、斑块面积标准差PSSD、斑块密度PD、边缘密度ED、平均欧式最邻近距离ENN_MN等6个景观格局指数［29］分析建设用地的斑块类型特征，并用Fragstats 4.2软件进行计算。选取的景观格局指数定义如表2所示。

表2 景观格局指数定义Table 2 Landscape metrics definition

2.4 增长类型

借鉴XU等［7］的研究，用建设用地新增斑块与原有斑块的公共边长度Lc、新增斑块的周长P定义增长类型：

其中，当S≥0.5时，呈填充增长，即新增斑块被原有斑块所包围；当0＜S＜0.5时，呈边缘增长，即新增斑块由原斑块边缘扩张得到；当S=0时，呈蛙跳增长，即新增斑块与原斑块不存在公共边。通过计算3种增长类型的占比，确定建设用地扩张过程中的主导增长类型。

3 结果与分析

3.1 建设用地扩张速度分析

近百年来，杭州城市建设用地面积扩张迅速，从1914年的17.58 km2增至2018年的518.39 km2，约增长29.5倍。6期的建设用地面积、扩张速度数据如表3所示。

表3 杭州城市建设用地面积及扩张速度Table 3 The Area and AGV of construction land of Hangzhou city

1914—1934 年，民国时期由于城墙的拆除和工商业的发展，杭州经历了初步扩张。1934—1969年，经历了10余年因受战争影响城市发展几乎停滞的阶段和中华人民共和国成立后10余年计划经济体制下的城市发展阶段，1969年的建设用地规模是1934年的3.19倍。1969—1985年，前期受“文革”影响，城市发展受阻，改革开放后逐步恢复。1985—2000年，城市化进程加快，向城西、城北扩张趋势较为明显，扩张速度达4.99 km2·a-1。2000—2018年，建设用地扩张速度最快，达17.24 km2·a-1，该时期江干、下沙、之江等片区发展迅速，成片开发令建设用地规模空前增加，城市郊区化进程显现（同时，杭州开始向东跨江发展，向西跳出绕城高速路发展，使得这一趋势更加明显。因超出本文的研究区域，暂不予讨论，下同）。

3.2 城市重心转移分析

近百年来，杭州城市重心经历了“北—西北—北—东南—南”的变化过程，如图3所示。1914年，杭州城市重心位于现今的延安路、解放路一带。1914—1934年，由于拱宸桥一带被划为日本租界，工商业相对繁荣，杭州城市重心北移至现武林广场附近。此后经历战争破坏，至中华人民共和国成立初期的恢复及10余年的建设，城市重心向西北方向移动。1969—1985年，由于城北工业区的建设，杭州北部涌现大量建设用地，城市重心显著北移。1985—2000年，由于江干、下沙等片区的开发，城市重心开始向东南方向移动。2000—2018年，之江片区快速发展，促使城市重心南移（同期，杭州东部的滨江区、萧山区和钱塘新区与杭州西部未来科技城所在的余杭区2大区域发展迅速，但由于方向相反，重心变化基本相互抵消）。总体看，研究区域内，杭州城市建设用地扩张受西湖、钱塘江等自然地理因素的影响较为明显；前期主要呈霍伊特扇形模式，以向西北方向发展为主，后期由于新区开发不再局限于单一方向，逐步向哈里斯和乌尔曼多中心模式转变［20，23］。

图3 建设用地重心转移Fig.3 Gravity change of construction land

3.3 建设用地景观格局分析

通过分析研究区域建设用地斑块的景观格局，得到相应的景观格局指数，见表4，用于表征城市化过程中出现的扩散融合特征。

表4 建设用地景观格局指数Table 4 Landscape metrics of construction land

3.3.1 面积特征

研究期内PLAND值持续上升，表示城市景观不断扩张。1914—1934年，MPS值上升，PD值下降，表明原有小斑块向大斑块整合，建设用地团聚程度增加，PSSD上升，说明斑块面积差异增大。1934—1969年，受战争等影响，MPS值有所下降，PD值上升，斑块破碎化程度增加，零星小斑块分布增多。改革开放后，城市化进程加快，PD值持续下降，建设用地斑块聚集，出现成片开发现象，PSSD持续上升，反映大斑块与零星斑块共存。

3.3.2 形状特征

1914和1934 年，ED值较小，主要是受原城墙和道路的影响，斑块形状较为规则。至1969年，ED值明显上升，由于新中国成立初期较为粗放的开发方式，斑块形状趋于复杂，破碎程度增加。改革开放后，城市发展有序推进，1985年的ED值较1969年略小，斑块形状趋于规则。1985—2000年，城市化进程加快，ED值较高，斑块形状不规则程度和破碎度增大。2018年，ED值略减小，由于城市规划和土地整理等工作的展开，建设用地斑块形状更为规则。

3.3.3 空间分布特征

1914—1934 年，城市外围新增大量建设用地，分布更为分散，导致ENN_MN值上升，景观连通度下降。受战争影响，城市发展停滞，中华人民共和国成立后，生产建设恢复，但开发方式较为粗放，建设用地分布零散，导致1969年的ENN_MN值下降。改革开放后，1985年的ENN_MN值上升，建设用地呈向外扩散的特征。1985年后，城市化高速发展，原有用地间的空白区域逐渐被填充，建设用地分布更为密集连片，景观连通度上升。

3.4 建设用地增长类型分析

为探究建设用地扩张过程中城市不同区域呈现的差异化特征，基于核心-边缘理论［30］，引入城市核心区的概念，利用建设用地密度差异特征，在研究区域内提取城市核心区。具体方法为：用ArcGIS 10.2软件，按100 m×100 m的窗口进行分割，计算建设用地密度，利用自然断点法提取城市核心区。由于城市核心区范围随城市发展不断变化，对每期数据均按上述步骤操作，得到各期的城市核心区范围，如图4所示。分别计算城市核心区和研究区域3种增长类型的占比，结果如表5所示。

表5 杭州城市建设用地增长类型及其占比Table 5 The percentage and growth type of construction land of Hangzhou city

图4 城市核心区范围Fig.4 The scope of urban core area

3.4.1 城市核心区增长类型分析

从城市核心区看，主导增长类型呈交替式变化。1914—1934年，蛙跳增长占主导地位，由于核心区范围较小，蛙跳增长显著。1934—1969年，蛙跳增长仍为主导类型，填充增长的比例有所提高。1969—1985年，填充增长成为主导类型，受“文革”等影响，城市向外扩张进程减缓，主要表现为城市内部空间的填充。1985—2000年，随着建设用地规模的扩张，边缘增长成为主导类型，其次为填充增长，这一时期核心区仍存在较大比例的蛙跳增长，2000—2018年，建设用地集聚程度进一步提升，表现为边缘扩张和内部填充模式占优势地位，蛙跳增长的重要性减弱。

3.4.2 研究区域整体增长类型分析

从研究区域整体看，部分时期与核心区呈差异化特征。1914—1934年和1934—1969年，蛙跳增长和边缘增长占比较大，填充增长主要位于核心区，但由于核心区较小，研究区域整体表现为不显著。1969—1985年和1985—2000年，研究区域的边缘增长较核心区更显著，主要是由于核心区以外的区域尚未得到充分开发，基于原有斑块的边缘增长占比较高。总体看，在研究区域尺度内，边缘增长占相对重要的地位。

4 讨论

4.1 城市扩张模式的理论检验

探讨了城市扩张模式是否具有普遍性和规律性的问题。“扩散—融合”假说和3种增长类型理论都被广泛应用于表征城市扩张模式。景观格局和3种增长类型主导地位的转变可用于观察杭州是否符合“扩散—融合”假说及3种增长类型理论。

4.1.1 “扩散—融合”假说

DIETZEL等［15］提出，城市扩张过程中存在“扩散—融合”规律性变化，城市化早期，斑块形状较为规则且间距较大，扩张过程中，景观异质性提升，斑块呈不均匀分布和破碎化特征，随着城市化进程的推进，异质性景观向同质性的城市景观转变，融合过程显现，斑块集聚程度提升，形状趋于规则。景观格局指数可表征这一变化过程，一般来说，PD、ED、ENN_MN值上升表征扩散过程，反之则表征融合过程。因此在“扩散—融合”过程中，PD、ED、ENN_MN值将出现“单峰”的变化特征。已有研究实证支持了“扩散—融合”假说［12，31-32］。

本研究中，1914—1934年，ED、ENN_MN值上升，斑块形状趋于不规则，破碎度增加，符合城市化早期特征。1969—2018年，经历了较为连续的扩张过程，ED值在1985年后呈先上升后下降的“单峰”特征，并于2000年达到顶峰；ENN_MN值则于1969年后呈先上升后下降的“单峰”特征，于1985年达到顶峰。总体看，杭州城市在一定程度上表现出“扩散—融合”过程，基本符合“扩散—融合”假说。但如LI等［16］指出的，由于景观格局指数的局限性和复杂性，利用不同景观格局指数表征的“扩散—融合”特征可能存在差异。

4.1.2 主导增长类型

LI等［16］认为，“扩散—融合”二分法过于简单，提出了3种增长类型相互转化的螺旋式发展理论，蛙跳增长和填充增长的主导地位相互交替，边缘增长在城市化进程中始终保持相对重要地位。部分实证研究支持这一理论［33］，也有学者认为这一理论在不同空间范围的表现存在差异［34］。

本研究中，蛙跳、填充、边缘增长在城市核心区近百年的发展过程中依次占主导地位。从研究区域看，除1969—1985年外，边缘增长始终占主导地位；20世纪初期，蛙跳增长所占比例较高，随后呈下降趋势，而填充增长的比例有所提升，蛙跳增长和填充增长存在一定的交替关系。总体看，在城市核心区，较好地反映了3种增长类型相互转化的螺旋式发展过程，而在研究区域，则表现为较显著的边缘增长主导过程。3种增长类型的交替转换在不同空间范围存在差异。

4.2 影响建设用地扩张因素的初步分析

影响城市建设用地扩张的因素很多，不同时段其发挥作用的程度也有所差异。因本文的重点是利用多源数据分析杭州城市建设用地的扩张过程与扩张模式，故此处仅就前述分析中所揭示的明显影响建设用地扩张的方面做初步分析。

4.2.1 政治变革与制度变迁

1895年，《马关条约》签订后杭州成为通商口岸，拱宸桥一带被划为日本租界，工商业发展较快，推动了20世纪初期城北的发展。1914年前后拆除“满城”建立“新市场”，该时期蛙跳增长较为明显。1937年杭州沦陷，城市发展停滞。1949—1979年，确立了计划经济体制，但其间也经历了剧烈的政治变动与政策变迁，虽有一定程度发展，但速度较慢。改革开放后，经济发展加快，但城乡隔离体制仍未破除，工业化使得建设用地扩张主要体现在低密度的外围区域［21］。1992年，社会主义市场经济体制确立后，随着土地制度、财税制度、户籍制度等各项改革的深化，建设用地扩张速度大幅提升。

4.2.2 人口增长与经济发展

自1927年设市至1937年，杭州市人口快速增长，1937年达民国时期人口发展的最高峰，杭州市经历了初步扩张过程［35］。1937—1949年，期间战乱频繁，人口数量有所减少，城市发展受阻停滞［35］。中华人民共和国成立后，杭州人口规模逐步增大。改革开放后，杭州市区户籍人口由1978年的104.53万增至2018年的635.30万，市区户籍人口人均生产总值由1978年的1 389元增至2018年的21.35万元，人口规模的增长与经济发展水平的提升促使杭州城市快速扩张［36］。

4.2.3 开发区建设与行政区划调整

1912年，并钱塘、仁和为杭县，特别是1927年杭州设市，直接框定了近代杭州城市建设用地的发展空间。改革开放前后，杭州的行政区划虽经历多次调整，但受限于当时条件，区划调整力度较小，城市建设用地扩张速度较为缓慢。20世纪80年代城北工业区和城西文教区的建设，90年代杭州经济技术开发区和之江旅游度假区的设立，1996年下沙、九堡、三墩等地并入杭州市，2001年萧山、余杭的撤市设区等，均不同程度促进了建设用地扩张速度的提升，使得边缘增长较为显著。

概略而言，杭州城市建设用地的扩张过程明显受政治变革与制度变迁的宏观制约、人口规模增长与经济发展的大力推动以及开发区建设与行政区划调整的直接引导，这些因素对城市空间扩张的速度与方向等均有显著影响。

由于研究资料的局限，关于杭州城市建设用地扩张的社会经济驱动因素及其生态环境影响等内容的定量分析，尚待后续进一步研究。