快速城市化背景下的建設用地擴展類型格局及驅動力分析

呂志強

（重慶工商大學 旅游與國土學院，重慶400067）

土地是生態功能的基礎，也是生態過程的載體。土地利用／土地覆被變化（LUCC）研究在全球氣候變化、食品安全、土地退化和生物多樣性等關鍵問題研究中發揮著重要作用，也是全球變化研究的重要領域。要理解土地生態系統的生態特征，必須借助于空間動態分析來對建設用地時空格局演變進行分析。許多學者對土地自然、社會屬性以及由自然變化、社會發展進程而引起的土地變化做了大量的研究[1]。

建設用地作為土地利用方式的一種，是利用土地的承載能力或建筑空間，通過工程手段用于建造建筑物、構筑物的土地。建設用地的景觀格局反映了人類干擾土地覆被系統的方式和強度[2]。從全球尺度來看，盡管建設用地占地球表面的比例很小[3]，但由于其擴張而引起的環境狀況的明顯改變卻不容忽視。建設用地的擴展和土地利用方式由自然土地到建設用地的轉換直接或者間接地影響著區域的生態環境，導致了生境的破碎化、氣候條件的改變和污染物的產生[4]。

建設用地擴展作為一種多尺度、多維數的現象在世界各地普遍存在[3]。近年來，眾多學者通過不同的方法對建設用地擴展和城市蔓延進行了定量研究[5]。國際上關于建設用地擴張的研究主要集中在以下4個方面：建設用地擴展的監測與識別[6]；建設用地擴展的驅動機制研究[7]；建設用地擴展的模擬與預測[8]；建設用地擴展的環境生態效應[9]。但對于建設用地擴展類型的空間模式等一些問題缺乏定量化的研究[10]，本文通過拓撲關系對建設用地進行定量劃分，并結合人口、經濟、政策等因素對建設用地及其擴展類型的分布和時空變化進行分析。

1 研究數據與方法

1.1 研究區域概況

深圳坐落于珠江三角洲的東岸，位于東經113°46′—114°37′、北緯22°27′—22°52′。深圳市現轄6個區：羅湖、福田、南山、鹽田、寶安和龍崗，其中深圳特區包括前4個區，而寶安和龍崗則是“關外”區域。本研究中把深圳特區、寶安和龍崗作為主要的3個研究區域。由于靠近香港這一獨特的地理優勢，深圳市經濟從20世紀的70年代末迅速發展，從原來以農業經濟為主的地區發展成為現代化水平和城市化水平較高的國際化大城市。深圳市擁有中國首批經濟特區之一的深圳特區，也具有位居上海之后的第二大國內最繁忙的港口，福布斯在2008年評出了中國變化最大的10個城市，深圳市位居榜首。

深圳是研究建設用地變化和建設用地擴展較為典型的區域，主要具有以下幾個優勢：第一，深圳特區是成立最早的首批經濟特區之一，從1979—2005年近30a的時間里無論是經濟還是建設都發生了巨大的變化，伴隨著城市化進程，土地利用方式和格局發生了翻天覆地的變化；第二，深圳是中國最先發展起來的發達城市之一，由建設用地擴展帶來的社會問題和生態問題，對于其他發展中的城市或即將進入快速發展的城市具有重要的借鑒意義。

1.2 數據資料

本文采用的遙感數據是1979年（MSS）、1990年（TM）、2000年（ETM）和2005年（TM）的多光譜遙感數據，用這些數據分類提取對應年份的區域建設用地。

由于數據資料的短缺，1985年和1990年的土地利用圖采用了中科院地理所通過遙感解譯得到的土地利用現狀矢量圖[11]。參照歷史存檔土地利用現狀圖，對兩期矢量圖進行了圖斑精糾正，使圖層能正確反映土地利用信息，滿足分析需要。

在分析研究區建設用地變化的驅動力的過程中，采用了人口與投資相關的時間序列數據（1979—2005）。

1.3 遙感數據處理

根據地面定位點對2000年的ETM圖像進行了糾正。文中的其他相應年份的MSS和TM圖像均以糾正后的2000年遙感圖為底圖，對每一幅圖像進行配準，均方根誤差都小于0.3個像元。

為研究建設用地的擴展，首先需要提取建設用地。面向對象的分類除了運用光譜信息如顏色、形狀、紋理之外，也通過這些屬性把圖像中單個的象元聚合成同質特征對象用以進行遙感圖像的解譯分類[12]。本文通過對遙感影像中建筑用地的光譜特征、幾何特征和空間特征的分析，采用面向對象的方法[13]提取建筑用地。

準確地提取地類信息是進行土地利用分析的前提，因此對圖像解譯得到的所土地利用圖進行精度評定在遙感分類過程中必不可少，通過精度評定可以確定分類結果的可靠性和適用性。本文選取總體精度（Overall Accuracy）和卡帕系數（Kappa）對分類結果進行評定。

總體分類精度指總分類正確的總數占總抽樣數的比例，表示對每一個隨機樣本，與分類的結果所對應區域的實際類型相一致的概率。它是具有概率意義的一個統計量，它反應分類結果總的正確程度，其計算公式為：

Kappa分析采用離散的多元技術，考慮了矩陣的所有因素，r是總的類別數，xii是第i行第i列的正確分類數，xi＋和x＋i分別是第i行第i列的總像元數量，N是總的用于精度評估的像元數。

1979年、1995年、2000年、2005年4個時相的遙感圖像總體精度分別為89.11%，86.91%，89.24%，87.94%，Kappa系數分別為 0.840 3，0.831 7，0.861 5，0.844 1。

為監測建設用地擴展，首先需要把與研究時間對應的土地利用圖中的建設用地提取出來。對于矢量圖而言，用地類屬性提取建設用地；對 MSS／TM／ETM遙感圖像而言，基于對象的分類方法[13]用以識別建設用地斑塊。通過兩個相鄰年份建設用地圖的疊加，得到5個不同時期的蔓延圖：1979—1985年、1985—1990年、1990—1995年、1995—2000年、2000—2005年。

1.4 建設用地擴展類型識別

為了對建設用地擴展類型進行分析，通過相鄰年份的建設用地圖的疊加得到建設用地擴展圖。在疊加之后的建設用地擴展圖中，所有的建設用地斑塊類型分為新增斑塊和舊有斑塊兩種，疊加圖中的新增斑塊用以產生擴展類型圖。在不同的研究中，盡管蔓延類型的描述和名稱的表達各不相同，但表述的原理卻是一致的。建設用地擴展類型可以分為很多種[14]，本研究中有3類主要的擴展類型：邊緣增長型（edge—expansion）、填充型（infilling）和外延型（outlying）[4]。邊緣增長型擴展，主要發生在舊有建設用地斑塊的邊界，是舊有建設用地斑塊向外蔓延的一種擴展類型；填充型擴展一般發生在舊有建設用地內部區域，是舊有建設用地斑塊包圍的非建設用地向建設用地的轉變；外延型擴展是新增的建設用地斑塊在空間上和舊有的建設用地斑塊無直接的比鄰關系的一種新增建設用地擴展類型。

在通過疊加得到的建設用地擴展圖中，依據公式（3）可以把新增斑塊劃分成3種擴展類型。在公式（3）中，R（n，P）是新增斑塊與其臨近的舊有建設用地斑塊之間的拓撲公共邊界的長度，b（n）是新增斑塊的邊界長度總和。擴展類型可以通過R（n，P）的值來進行判別。如果R（n，P）的值為1，說明新增的建設用地斑塊被舊有的斑塊完全包圍，是典型的填充型擴展；如果R（n，P）的值為0，說明新增建設用地斑塊的邊界和舊有建設用地斑塊沒有公共邊界，是典型的外延型擴展。本文中以0.4和0.6作為判定閾值來判斷蔓延的類型。

2 結果與分析

2.1 建設用地擴展

在過去的26a里，深圳市的建設用地面積從1979的19.55km2增加到2005年的894.31km2，期間建設用地面積增加了近50倍（表1）。建設用地擴展在不同的時期增長也不均衡，大規模的擴展主要發生在1990年之后。

深圳市的建設用地比例從1979年的1.05%增加到2005年的48.08%。最大的增幅出現在2000—2005年，建設用地比例從30.72%增加到48.08%。寶安和特區的建設用地比例分別從1979年的0.88%和3.34%增加到2005年的62.28%和46.70%。在5個研究期內，龍崗的建設用地比例增加較緩，2005年龍崗建設用地比例為33.28%，只有同期寶安建設用地比例的一半。

表1 深圳市建設用地動態變化

建設用地擴展迅速，特別是1990年之后香港經濟繁榮的帶動作用和勞動力的涌入，以及外商直接投資和固定資產投資的投入增加了工廠、居民點、道路和辦公場地的建設，這些都加快了建設用地的擴展。

盡管在1979年之后建設用地的擴展加速（表1），但是因為土地利用歷史、利用難度和規劃的限制，擴展在3個區域（寶安、龍崗、深圳）并不均衡。1979年，建設用地主要分布在主城區（深圳特區），隨著時間的推移，建設用地開始往“關外”擴展延伸。

深圳特區是經濟、政治、貿易和高新技術中心，是3個區域中發展最早的區域，且在1985年之前已經發展得較為成熟，所以之后的發展較其他后發展的兩個區域緩慢。作為深圳特區和香港的衛星城，寶安和龍崗的建設速度在1990年經濟快速發展之后，比特區的發展速度更為迅速。

從研究區的數字高程圖分析，龍崗的高程較高，坡度較大，從土地利用圖中也可以看到該區域大部分的土地覆被類型是林地。一方面，與寶安和特區相比，龍崗的土地從非建設狀態轉換成建設狀態更為困難；另一方面，作為沿海和多山區域，有較為豐富的旅游資源來吸引游客帶動旅游經濟。所以從利用難度和利用特點來看，龍崗建設用地的擴展速度在整個研究區內比寶安和特區的要慢。

改革開放之后，隨著經濟的發展和政策的支持，無論是在城市還是在鄉村，深圳市的建設用地都出現了迅猛的擴展[15]。雖然研究區域內的建設用地出現了明顯的增加，但3個研究區域（深圳特區、寶安、龍崗）在 不 同 時 段 （1979—1985 年、1985—1990 年、1990—1995年、1995—2000年、2000—2005年）內的擴展差異卻十分明顯。

建設用地的擴展和蔓延與經濟的發展、人口的增加和各項投資是密不可分的。建設用地的擴展和自然土地到建設用地的轉換是由城市化進程導致的，例如居民點的增加、工業的發展和交通用地的擴張。

在深圳，建設用地的變化和社會經濟的發展進程相互影響。以經濟增長為中心，與改革開放、土地投資、戶籍政策3方面相關的一系列政策得到貫徹實施[16]。這3方面政策的實施對引進投資、勞動力，形成社會經濟結構、土地景觀結構發揮了巨大的作用。大量的外商直接投資、勞動力涌入、固定資產投資和房地產投資的興起等影響因素是促使深圳市從一個小漁村發展成為高城市化水平區域的強有力的驅動力（圖1a，b，c，d）。

（1）經濟改革和開放政策。經濟改革和開放政策始于1978年。深圳特區作為4個最先確立的經濟特區之一，從1979年得到確立后，特殊的政策支持更有利于吸引外商直接投資。自此，與外商直接投資相關的企業被允許建立起來，一些非國有經濟成分也相繼出現（圖1c，d）。這些強有力的措施加快了深圳市的城市化進程，加速了農用地到其他建設用地的轉換。

（2）土地投資。土地投資和收益的循環，加速了農用地的流失和建設用地的擴展。改革開放之前，土地市場不是十分活躍[16]。1987年的土地改革允許土地使用權轉讓，經濟特區土地管理改革允許國有土地以招標拍賣的形式租賃給開發者，所得的收益可以用來資助基礎設施的改造，例如道路、通訊等。建設項目的增加需要大量的用地作為保證，受香港經濟的影響，建設用地全面分散擴展。1990年香港的經濟繁榮和資產投資引起土地市場的迅速升溫，房地產投資規模不斷增大（圖1b），資產市場的迅速發展加快了其他用地向建設用地的轉化。

（3）戶籍制度的放寬。20世紀80年代之前，戶籍與住房、子女教育、醫療、工資等密切相關。嚴格的戶籍制度限制了人口的流動。戶籍制度的松動使大量的勞動力能從鄉村轉移到其他大城市或者經濟發達的地方成為可能[15]，廣東省內和省外的大量勞動力涌入深圳（圖1a）。外來人口在1979年所占比例較小，自1989年開始超過了當地人口，2005年外來人口更是達到645.82萬人，占全市總人口的78%。外來人口的涌入提供了大量的勞動力，為深圳市的城市建設、工業發展和服務業提供了勞動力。人口的增加也需要建設工廠、宿舍、住房來容納新進人員。

圖1 建設用地增加和影響因素之間關系

建設用地的重心轉移反映區域的建設用地擴展對于整個建設用地擴展在區位上的影響。如某一區域相比其他區域的建設用地增加的速度較快、建設用地總量大，則該區域的發展將會導致整個建設用地的重心向該區域移動。

1979—1985年，建設用地重心在水平位置自西向東移動了3.6km，南北方向偏移量較小。1985年之后重心的轉移主要為自南向北的方向。1990—2005年期間，重心點在南北方向上移動了8.7km，而東西方向只有2.3km的移動量。東西方向和南北方向移動的最大量分別發生在1979—1985年、1990—1995年，相應的移動距離為3.6km和4.9km（圖2）。建設用地重心在1979—1985年主要是橫向移動。1990年之后，深圳特區的擴展速度降低，而受寶安和龍崗的建設用地擴展的影響，土地利用重心向東北方向移動。

圖2 6個年份建設用地重心位置轉移圖

2.2 擴展類型分析

1979—2005年，深圳市全市建設用地持續高速增長。在整個研究期內，外延型擴展是其主要的擴展類型。1979—2005年，超過60%的新增建設用地是外延式擴展，而填充型擴展的比例不到16%。外延式擴展的峰值出現在1990—2000年，而邊緣增長型和填充型擴展的峰值都出現在2000—2005年。邊緣型擴展、填充型擴展和外延型擴展3種類型在1979—2005年間分別增加了215.71km2，132.25km2和526.80 km2。2000年之前外延式擴展是主要的擴展類型，2000年之后填充型擴展則成為了主要的擴展類型。

邊緣擴展型、填充型、外延擴展型的擴展量的峰值分 別 出 現 在 2000—2005 年、2000—2005 年、1990—1995年，且都出現在寶安區（圖3a）。1990—1995年和2000—2005年兩個時段的增量最大。深圳特區的3種擴展類型之和增加最快的時段是1979—1985年，之后擴展較慢。在整個研究期內，寶安區是3個研究區中增量最多的區域。邊緣增長型是第二大擴展類型，在1979—2000年的擴展量只有75.22km2，但在2000—2005年的增加量卻為140.49 km2（圖3b）。邊緣增長型擴展在寶安和龍崗逐年增加，但在深圳特區增加卻不甚明顯。填充型擴展在特區1979—2000年只有16.33km2，但在2000—2005年期間迅速增加到了115.93km2（圖3c）。填充型擴展最先出現在深圳特區和寶安區，然后在整個研究區內蔓延。與其他兩種擴展類型相比，填充型擴展在1990年之前數量較小，1990—2000年緩慢增加，2000—2005年迅猛增加（圖3c）。外延型擴展在各個研究區內5個不同的時段內都有分布（圖3d）。深圳特區外延擴展峰值出現在1979—1985年，為46.96km2；寶安和龍崗外延擴展峰值都出現在1990—1995年，分別為131.08km2和71.35km2。1979—1985年，外延型擴展量占到整個擴展總量的87.77%。外延型擴展盡管在1990年之后的各個時間段內都存在，但其衰減的趨勢卻十分明顯，甚至在2000—2005年之間的增加量僅為88.31km2，增量只占同期3種蔓延類型總和的20.59%。

圖3 研究區域內3種擴展類型在5個時段的動態變化

整個研究期內，外延型擴展是深圳市建設用地擴展數量最多的擴展類型，填充型擴展是數量最小的擴展類型。經濟的超常規發展和大量的人口轉入加速了農用地的流失和建設用地的擴張。外延型擴展作為一種隨意性強、可持續性較差的擴展方式，在深圳的擴展類型中占據較高的比例，說明在注重發展經濟的同時，與土地利用和土地規劃相關政策的監管和規劃力度不夠。1990年之后，隨著基本農田保護條例（1994年頒布）和深圳市土地利用總體規劃（1997—2010）的實施，之后的研究期內，外延型擴展的比例降低，另外兩種擴展類型比例顯著增加，土地的有序利用明顯增強。自此，散布在建設用地周邊的非建設用地開始逐步優先轉換成為建設用地，在2000—2005期間，填充型的擴展比例超過了外延型擴展比例。聯系建設用地擴張和社會經濟因素，發現固定資產投資、外商直接投資和人口在1990年之后迅速增加，建設用地擴展在1990年之后比之前擴展也較為迅速圖1a。外延型擴展在1995年之前在各個研究區域都存在。1979—1995年，大量具有良好的可達性和優越交通條件的耕地轉換成了建設用地。之后的土地規劃和城市規劃對于土地的利用更加規范，建設用地盲目擴張的現象得到有效的控制，因此這一擴展類型的數量逐步減少。

2.3 建設用地格局分析

格局指數已經越來越廣泛地應用于景觀格局的定量分析[17]，特別是隨著各種景觀指數軟件的普遍應用，格局的定量化研究更為方便，景觀格局的時空動態變化研究也更為可行。本研究選取幾個有代表的格局指數如斑塊密度（PD）、最大斑塊指數（LPI）、景觀形狀指數（LSI）、周長面積分維數（PAFRAC）來對建設用地的格局和擴展進行時間序列分析。

由圖4看出，3個區域的指數趨勢相似度較高。斑塊密度總體呈下降的趨勢，但在1990年出現一個波峰。斑塊密度的下降和建設用地的總面積增加說明，1990—2005年研究區的建設用地斑塊數量越來越大。龍崗的斑塊密度值最大、特區的斑塊密度最小，在1979年值都較大都超過40，自1985年之后的幾年，值基本停留在20左右，2005年的值降到最低。

圖4 1979－2005年不同區域的指數變化

雖然期間有微小的下降，但最大斑塊指數呈總體上升的趨勢。LPI的增加說明在研究區內，大型斑塊所占的面積比例增加。深圳特區和龍崗的LPI較大，這兩個區域的大斑塊面積的比例更高。LPI隨著時間的推移變化較小，1990年之后的增大速度較1990年之前快，反映出1990年之后大型斑塊占據的面積比例增加更為迅猛。形狀指數LSI先增加后降低，建設用地斑塊先離散，然后自2000年開始變得緊湊。寶安的建設用地斑塊的格局更為離散，特區的LSI變化最小。特區的分維數比寶安和龍崗的大，說明特區的斑塊形狀更為復雜。與其他年份相比，1979年的分維數最低，并且在1985—2005年分維數變化不大。

4個指數的變化趨勢相似，說明在城市化的進程中建設用的蔓延特征在3個區域中也基本類似。隨著建設用地的擴展，斑塊的面積增大，不同的斑塊逐漸融合，形成更大的斑塊，PD和LSI共同反映出區域的總體斑塊數目降低并且大型斑塊的數量增加。因為土地利用的難易程度不同，格局的結構更加多樣化，景觀形狀越發不規則，促使了邊界形狀的不斷增加。龍崗的斑塊密度最大，斑塊較為零碎，這一現象主要是因為龍崗的地形地貌較為復雜，土地利用難度較大，因而斑塊的分布主要是面積小數量多的特點。

3 結論

（1）以深圳為典型研究區的建設用地擴展研究說明，人口（特別是流動人口）、經濟（外商直接投資、固定資產投資、房地產投資）、政策（耕地保護政策、房地產開發政策、土地與城市規劃）的合力，在一定程度上推動了深圳市建設用地的擴展，并影響著建設用地擴展類型的格局分布。

（2）1979—1985年期間，受特區政策的影響，建設用地的擴展主要是在南部的深圳特區，因此建設用地重心在南部水平方向移動距離較大。隨著特區建設用地的相對飽和，建設用地擴展主要發生在龍崗和寶安，使得建設用地重心北移，并且遷移方向也主要發生在南北方向。

（3）在整個研究期內，雖然外延型建設用地擴展是深圳市數量最大的擴展類型，但隨著時間的推移，這一擴展類型的比例顯著下降。邊緣增長型和填充型擴展的比例在5個研究期內數量、比例持續升高。2000—2005年期間，填充型擴展從1979—2000年期間的16.33km2增加到2000—2005年期間的140.49 km2，成為數量最多的建設用地擴展類型。由分散、擴張特征明顯的外延式擴展到以舊有建設用地邊緣和內部連續擴展的轉變，在一定程度上體現了城市擴張由無序向有序、由粗放到集約的土地利用理念得到了很好的貫徹實施。

（4）隨著建設用地擴展，建設用地斑塊的邊界逐漸融合，斑塊數量減少、單個斑塊面積增大，斑塊的格局呈現出由零散分布到集中分布的趨勢。

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