粤港澳大湾区建设用地演变特征与动态模拟

袁泽棋 王志远,2

（1.南华大学松霖建筑与设计艺术学院,湖南 衡阳 421001；2.湖南省健康城市营造工程技术研究中心,湖南 衡阳 421001）

国土空间规划作为国家空间发展指南，是各类开发保护建设活动的基本依据。保障国土空间高质量发展是当前编制国土空间总体规划的重要课题。

国内外对城市相关用地扩张演变的研究成果相对丰富，不同研究尺度对扩张特征研究的方法具有明显差异。区域层面，廖建军等（2021）、张晨晨等（2020）侧重时空分布规律，运用驱动机制、演变规律总结等方式，基于较长时空维度视角对城市建设用地变化进行分析[1-2]；吴金稳等（2020）基于碳效应、空间溢出效应等，对城市建设用地进行特异性分析[3]。

综上所述，可以看出现有研究多侧重于建设用地驱动因素探究，以区域为对象的研究更多聚焦经济规模体系特征分析，缺乏对区域建设用地以统筹变化视角分析问题；区域建设用地扩张的长期时效性变化及驱动因素鲜有研究考量；利用元胞自动机对区域用地扩张趋势进行预测进而探究演变形式的相关研究相对较少。

鉴于此，本研究立足城市建设用地特征，主要探究粤港澳大湾区城市用地的供需关系与演变情况，对粤港澳大湾区建设用地的时空演变进行分析，并以此为支撑，利用元胞自动机模型对建设用地进行演变模拟预测，总结城市群用地扩张演变规律，并在当下城镇一体化的大背景下，提出城市群建设用地扩张特征与规律，以期为后续建设用地研究及城镇化规划引导提供参考。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域

研究选取中国城市化最活跃区域之一粤港澳大湾区为研究对象，区域范围由香港特别行政区、澳门特别行政区和广东省广州市、深圳市、珠海市、佛山市、惠州市、东莞市、中山市、江门市及肇庆市9市组成。其整体城市规模发展均衡，在一定程度上揭示了良性城市群未来发展趋势，是研究城市建设用地分布及演变趋势的典型案例。

1.2 数据来源及预处理

对粤港澳大湾区1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年七个时期的建设用地扩张进行监测，以Landsat TM/ETM遥感影像为数据源。随机选取200个样本点在ENVI 5.1上进行解译精度验证，验证结果显示精度达90.3%，可用于建设用地扩张研究。

2 研究方法

2.1 建设用地扩张特征分析

2.2 建设用地重心变动与扩张方向分析

2.3 空间聚集情况——空间自相关分析

2.4 约束性因子选取及适宜性评价

图1 影响因子作用流程图

2.5 元胞自动机模型（CA）

根据公式以及分析地方经济状况、宏观政策等限制性因素，同时，为了突出城市发展的随机性，加入随机项，则元胞从非建设用地状态转换为建设用地状态的最终转换概率可以表达为

3 粤港澳大湾区建设用地演变特征

3.1 建设用地扩张时序演化特征

以1990—2020年为跨度提取粤港澳大湾区建设用地扩张情况为例进行分析，可以得出粤港澳大湾区呈现明显扩张趋势，同时扩张形式在不同时期存在集聚东扩的显著特点。90年代初，现状建设用地特征呈一个中心分布其余分散布置的特点，建设用地主要集中在广州佛山及深圳部分城区。1990—2000年，建设用地扩张存在显著东扩趋势并呈线性拓展，以广州为起始点向东经东莞向深圳南部及中部延伸。2000—2010年，建设用地扩张呈现外延式扩张的特点，以面状发散模式向外扩张，广州、东莞、深圳三大地区为中心的片区特征显现。2010—2020年，整体建设用地呈现圈层向外扩张模式，广州、佛山、中山一体化趋势明显，飞地式建设用地扩张形势显著。

对建设用地扩张规模进一步探究分析，在10年建设用地扩张演变的基础上，以5年为间隔选取七个时期建设用地数据，对城市群扩张面积、扩张速度、扩张强度进行分析。通过扩张统计数据结合建设用地分布情况可以看出建设用地扩张强度呈现减缓趋势，1990—1995年为粤港澳大湾区用地增长迅速期，扩张强度达到0.07，扩张速度达3 363.44，结合建设用地扩张情况图说明粤港澳大湾区处于发展机遇期；1995—2000年建设用地扩张减弱，结合历史事件考虑是受相关政策影响；2000—2020年建设用地强度持续下降，扩张面积持续减少，扩张强度由2000—2005年的0.07降至2015—2020年的0.01，考虑是受到战略转型等政策要求及自然资源限制等条件影响。

表1 粤港澳大湾区建设用地扩张统计

3.2 建设用地扩张空间演化特征

3.2.1 建设用地重心变动与扩张方向

如图2所示，粤港澳大湾区1990—2020年建设用地重心由佛山市转向广州市，城市发展前期重心基本处于佛山市并逐渐向东部移动，同时1995—2000年及2010—2015年出现向西移动现象。进入2000年偏移速度加快，说明整体东部建设用地扩张增大导致重心偏移速度变快，结合重心偏移方向可以看出重心偏移存在一定波动性（见表2）。

图2 粤港澳大湾区建设用地重心变化

表2 1990—2020年粤港澳大湾区城市群建设用地重心偏移轨迹

3.2.2 建设用地扩张空间格局

以10年建设用地扩张特征为基础，进一步探究其空间聚集程度，以10年为间隔通过空间自相关分析对空间全局自相关进行分析，Moran’s I指数均大于0，同时偏向1，可以看出粤港澳大湾区城市群整体呈现空间集聚态势。随着时序演化，1990—2000年Moran’s I指数存在明显下降，同时2000—2020年Moran’s I指数呈现稳定上升态势，可以得出粤港澳大湾区城市群空间集聚特征存在先增强后减弱再增强的趋势。

图3 粤港澳大湾区建设用地扩张 Moran’s I 指数

通过GIS热点分析对粤港澳地区空间局部自相关情况进行分析，根据热点数值高低可知建设用地热点主要集中在广州、东莞、深圳、香港，随着时间发展热点发生部分偏移及集聚情况变化。1990年高热点区主要集中在佛山南海区及深圳、香港；2000年高热点区向中部聚集至东莞区域，同时香港仍保持高聚集态势；2010年广州、佛山区域建设用地变化差异不大，空间集聚区持续东移；2020年热点区持续扩大，相比1990年基础新增佛山顺德区，同时部分地区由中热点区转为高热点区，呈现高集聚态势。

4 粤港澳大湾区建设用地动态模拟

4.1 基于马尔科夫链的城市建设用地需求量预测

以1990—2020年建设用地数据为基础，运用马尔科夫链对粤港澳大湾区城市群建设用地需求进行预测。对模型精度进行检验，以1990—2018年数据为标准预测2020年城市群建设用地，得出结果发现与真实情况接近，如表2所示。

据此，认为马尔科夫链预测结果准确，可用于后续未来城市建设用地需求预测。基于大湾区现状建设用地情况，预测至2025年建设用地需求的动态变化如表4所示。

根据马尔科夫链预测结果，可以看出未来建设用地需求呈现稳步增长态势，根据城市用地规模需求，结合用地规模演变，可进行适度城市扩张。

4.2 基于元胞自动机的建设用地动态模拟

以2020年为基期年份，以城市发展驱动因子评价为依据，利用CA模型对粤港澳大湾区建设用地扩张状况进行模拟，模拟以年为单位，将迭代次数设为5得到粤港澳大湾区2025年用地扩张情况，并基于模型演变对用地扩张结果进行分析统计。

表3 用地情况推演与实际对比情况

表4 未来用地需求总量预测

表5 2021—2025 年粤港澳大湾区城市群建设用地数量变化数据表

结合用地扩张情况可以看出，粤港澳大湾区建设用地扩张规律整体呈现先飞地式扩展对周边小城镇进行建设用地开发，再以外延发展式以中部主城区为核心向外扩张，最后以填补式利用内部部分建设用地。

根据现状与用地扩张数据比对可以看出，城市发展方向向南部港澳地区发展，呈现边缘扩散和轴向发展的趋势。粤港澳大湾区建设用地也从“分散—耦合”型升级为“中心—边缘”型结构。广州、佛山、东莞、深圳一体化趋势明显。

5 结论与讨论

5.1 结论

本研究以粤港澳大湾区为例，利用建设用地扩张规模分析、重心变动与扩张方向分析、空间自相关分析、基于元胞自动机的用地扩张模拟等方法，分析其1990—2020年建设用地的时空演变格局，并基于城市建设用地发展要素对建设用地扩张进行模拟预测以分析其发展趋势。主要结论如下：

（1）建设用地时序扩张特征为1990—2000年向东呈线性发展；2000—2010年外延式面状发散扩张，部分建设用地以飞地形式扩张；2010—2020年以圈层向外扩张模式，广州、佛山、中山一体化趋势明显。

（2）粤港澳大湾区扩张重心由佛山市转向广州市，整体扩张方向向东移动，随城市发展产生一定变化并具有一定周期性。

（3）粤港澳大湾区空间集聚特征存在先增强后减弱再增强的趋势。建设用地热点主要集中在广州、东莞、深圳、香港，整体呈现集聚区域增加、集聚等级增强的特点。

（4）基于元胞自动机对建设用地扩张模式进行探究发现，城市主要呈现中部填补适宜建设用地、周边飞地式建设用地扩张、边缘式用地扩张三种形式，城市群整体呈现“中心—边缘”的梯度扩张模式。

5.2 讨论

用地扩张演变特征对于国土空间开发控制具有显著影响力，使土地高效利用探求紧凑高效空间是当下国土空间规划关注的重点。本研究利用元胞自动机原理，并结合时空序列下空间格局演变规律，总结粤港澳大湾区建设用地演变规律，利于判断现势状况用地扩张形式，能较真实地反映未来城镇空间布局，可纳入国土空间规划前期分析体系。

关于演变模型约束性因子的考量，仍是未来研究的重点，土地扩张作为复杂演变系统受多方面因素影响，对于模型约束条件因子考虑要素越丰富将使模拟结果更稳定，如何筛选约束性因子并量化相关指标是日后研究的方向之一。