粵港澳大灣區建設用地演變特征與動態模擬

袁澤棋 王志遠,2

（1.南華大學松霖建筑與設計藝術學院,湖南 衡陽 421001；2.湖南省健康城市營造工程技術研究中心,湖南 衡陽 421001）

國土空間規劃作為國家空間發展指南，是各類開發保護建設活動的基本依據。保障國土空間高質量發展是當前編制國土空間總體規劃的重要課題。

國內外對城市相關用地擴張演變的研究成果相對豐富，不同研究尺度對擴張特征研究的方法具有明顯差異。區域層面，廖建軍等（2021）、張晨晨等（2020）側重時空分布規律，運用驅動機制、演變規律總結等方式，基于較長時空維度視角對城市建設用地變化進行分析[1-2]；吳金穩等（2020）基于碳效應、空間溢出效應等，對城市建設用地進行特異性分析[3]。

綜上所述，可以看出現有研究多側重于建設用地驅動因素探究，以區域為對象的研究更多聚焦經濟規模體系特征分析，缺乏對區域建設用地以統籌變化視角分析問題；區域建設用地擴張的長期時效性變化及驅動因素鮮有研究考量；利用元胞自動機對區域用地擴張趨勢進行預測進而探究演變形式的相關研究相對較少。

鑒于此，本研究立足城市建設用地特征，主要探究粵港澳大灣區城市用地的供需關系與演變情況，對粵港澳大灣區建設用地的時空演變進行分析，并以此為支撐，利用元胞自動機模型對建設用地進行演變模擬預測，總結城市群用地擴張演變規律，并在當下城鎮一體化的大背景下，提出城市群建設用地擴張特征與規律，以期為后續建設用地研究及城鎮化規劃引導提供參考。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區域

研究選取中國城市化最活躍區域之一粵港澳大灣區為研究對象，區域范圍由香港特別行政區、澳門特別行政區和廣東省廣州市、深圳市、珠海市、佛山市、惠州市、東莞市、中山市、江門市及肇慶市9市組成。其整體城市規模發展均衡，在一定程度上揭示了良性城市群未來發展趨勢，是研究城市建設用地分布及演變趨勢的典型案例。

1.2 數據來源及預處理

對粵港澳大灣區1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年七個時期的建設用地擴張進行監測，以Landsat TM/ETM遙感影像為數據源。隨機選取200個樣本點在ENVI 5.1上進行解譯精度驗證，驗證結果顯示精度達90.3%，可用于建設用地擴張研究。

2 研究方法

2.1 建設用地擴張特征分析

2.2 建設用地重心變動與擴張方向分析

2.3 空間聚集情況——空間自相關分析

2.4 約束性因子選取及適宜性評價

圖1 影響因子作用流程圖

2.5 元胞自動機模型（CA）

根據公式以及分析地方經濟狀況、宏觀政策等限制性因素，同時，為了突出城市發展的隨機性，加入隨機項，則元胞從非建設用地狀態轉換為建設用地狀態的最終轉換概率可以表達為

3 粵港澳大灣區建設用地演變特征

3.1 建設用地擴張時序演化特征

以1990—2020年為跨度提取粵港澳大灣區建設用地擴張情況為例進行分析，可以得出粵港澳大灣區呈現明顯擴張趨勢，同時擴張形式在不同時期存在集聚東擴的顯著特點。90年代初，現狀建設用地特征呈一個中心分布其余分散布置的特點，建設用地主要集中在廣州佛山及深圳部分城區。1990—2000年，建設用地擴張存在顯著東擴趨勢并呈線性拓展，以廣州為起始點向東經東莞向深圳南部及中部延伸。2000—2010年，建設用地擴張呈現外延式擴張的特點，以面狀發散模式向外擴張，廣州、東莞、深圳三大地區為中心的片區特征顯現。2010—2020年，整體建設用地呈現圈層向外擴張模式，廣州、佛山、中山一體化趨勢明顯，飛地式建設用地擴張形勢顯著。

對建設用地擴張規模進一步探究分析，在10年建設用地擴張演變的基礎上，以5年為間隔選取七個時期建設用地數據，對城市群擴張面積、擴張速度、擴張強度進行分析。通過擴張統計數據結合建設用地分布情況可以看出建設用地擴張強度呈現減緩趨勢，1990—1995年為粵港澳大灣區用地增長迅速期，擴張強度達到0.07，擴張速度達3 363.44，結合建設用地擴張情況圖說明粵港澳大灣區處于發展機遇期；1995—2000年建設用地擴張減弱，結合歷史事件考慮是受相關政策影響；2000—2020年建設用地強度持續下降，擴張面積持續減少，擴張強度由2000—2005年的0.07降至2015—2020年的0.01，考慮是受到戰略轉型等政策要求及自然資源限制等條件影響。

表1 粵港澳大灣區建設用地擴張統計

3.2 建設用地擴張空間演化特征

3.2.1 建設用地重心變動與擴張方向

如圖2所示，粵港澳大灣區1990—2020年建設用地重心由佛山市轉向廣州市，城市發展前期重心基本處于佛山市并逐漸向東部移動，同時1995—2000年及2010—2015年出現向西移動現象。進入2000年偏移速度加快，說明整體東部建設用地擴張增大導致重心偏移速度變快，結合重心偏移方向可以看出重心偏移存在一定波動性（見表2）。

圖2 粵港澳大灣區建設用地重心變化

表2 1990—2020年粵港澳大灣區城市群建設用地重心偏移軌跡

3.2.2 建設用地擴張空間格局

以10年建設用地擴張特征為基礎，進一步探究其空間聚集程度，以10年為間隔通過空間自相關分析對空間全局自相關進行分析，Moran’s I指數均大于0，同時偏向1，可以看出粵港澳大灣區城市群整體呈現空間集聚態勢。隨著時序演化，1990—2000年Moran’s I指數存在明顯下降，同時2000—2020年Moran’s I指數呈現穩定上升態勢，可以得出粵港澳大灣區城市群空間集聚特征存在先增強后減弱再增強的趨勢。

圖3 粵港澳大灣區建設用地擴張 Moran’s I 指數

通過GIS熱點分析對粵港澳地區空間局部自相關情況進行分析，根據熱點數值高低可知建設用地熱點主要集中在廣州、東莞、深圳、香港，隨著時間發展熱點發生部分偏移及集聚情況變化。1990年高熱點區主要集中在佛山南海區及深圳、香港；2000年高熱點區向中部聚集至東莞區域，同時香港仍保持高聚集態勢；2010年廣州、佛山區域建設用地變化差異不大，空間集聚區持續東移；2020年熱點區持續擴大，相比1990年基礎新增佛山順德區，同時部分地區由中熱點區轉為高熱點區，呈現高集聚態勢。

4 粵港澳大灣區建設用地動態模擬

4.1 基于馬爾科夫鏈的城市建設用地需求量預測

以1990—2020年建設用地數據為基礎，運用馬爾科夫鏈對粵港澳大灣區城市群建設用地需求進行預測。對模型精度進行檢驗，以1990—2018年數據為標準預測2020年城市群建設用地，得出結果發現與真實情況接近，如表2所示。

據此，認為馬爾科夫鏈預測結果準確，可用于后續未來城市建設用地需求預測。基于大灣區現狀建設用地情況，預測至2025年建設用地需求的動態變化如表4所示。

根據馬爾科夫鏈預測結果，可以看出未來建設用地需求呈現穩步增長態勢，根據城市用地規模需求，結合用地規模演變，可進行適度城市擴張。

4.2 基于元胞自動機的建設用地動態模擬

以2020年為基期年份，以城市發展驅動因子評價為依據，利用CA模型對粵港澳大灣區建設用地擴張狀況進行模擬，模擬以年為單位，將迭代次數設為5得到粵港澳大灣區2025年用地擴張情況，并基于模型演變對用地擴張結果進行分析統計。

表3 用地情況推演與實際對比情況

表4 未來用地需求總量預測

表5 2021—2025 年粵港澳大灣區城市群建設用地數量變化數據表

結合用地擴張情況可以看出，粵港澳大灣區建設用地擴張規律整體呈現先飛地式擴展對周邊小城鎮進行建設用地開發，再以外延發展式以中部主城區為核心向外擴張，最后以填補式利用內部部分建設用地。

根據現狀與用地擴張數據比對可以看出，城市發展方向向南部港澳地區發展，呈現邊緣擴散和軸向發展的趨勢。粵港澳大灣區建設用地也從“分散—耦合”型升級為“中心—邊緣”型結構。廣州、佛山、東莞、深圳一體化趨勢明顯。

5 結論與討論

5.1 結論

本研究以粵港澳大灣區為例，利用建設用地擴張規模分析、重心變動與擴張方向分析、空間自相關分析、基于元胞自動機的用地擴張模擬等方法，分析其1990—2020年建設用地的時空演變格局，并基于城市建設用地發展要素對建設用地擴張進行模擬預測以分析其發展趨勢。主要結論如下：

（1）建設用地時序擴張特征為1990—2000年向東呈線性發展；2000—2010年外延式面狀發散擴張，部分建設用地以飛地形式擴張；2010—2020年以圈層向外擴張模式，廣州、佛山、中山一體化趨勢明顯。

（2）粵港澳大灣區擴張重心由佛山市轉向廣州市，整體擴張方向向東移動，隨城市發展產生一定變化并具有一定周期性。

（3）粵港澳大灣區空間集聚特征存在先增強后減弱再增強的趨勢。建設用地熱點主要集中在廣州、東莞、深圳、香港，整體呈現集聚區域增加、集聚等級增強的特點。

（4）基于元胞自動機對建設用地擴張模式進行探究發現，城市主要呈現中部填補適宜建設用地、周邊飛地式建設用地擴張、邊緣式用地擴張三種形式，城市群整體呈現“中心—邊緣”的梯度擴張模式。

5.2 討論

用地擴張演變特征對于國土空間開發控制具有顯著影響力，使土地高效利用探求緊湊高效空間是當下國土空間規劃關注的重點。本研究利用元胞自動機原理，并結合時空序列下空間格局演變規律，總結粵港澳大灣區建設用地演變規律，利于判斷現勢狀況用地擴張形式，能較真實地反映未來城鎮空間布局，可納入國土空間規劃前期分析體系。

關于演變模型約束性因子的考量，仍是未來研究的重點，土地擴張作為復雜演變系統受多方面因素影響，對于模型約束條件因子考慮要素越豐富將使模擬結果更穩定，如何篩選約束性因子并量化相關指標是日后研究的方向之一。