MK_14.基于核密度和景观格局的城市用地扩展研究

许乙青，赵栋，符彬

摘要：以长沙市都市区为研究范围，利用1989年、1999年、2009年的TM卫星遥感影像解译的空间数据，在RS，GIS，FRAGSTATS等软件的支持下，建立了长沙市建成区数据库，并采用核密度估计法和景观格局指数法对研究区的用地扩展及其变化特征进行了分析。结果表明，核密度估计法和景观格局指数法的综合运用，可以更有效地跟踪城市用地的扩展动态。在城市用地扩展中，空间的聚集和分散是同时进行的。在自然环境、交通设施、社会环境、经济与人口等因素的共同作用下，城市用地规模不断增大，用地形态趋于复杂化。

关键词：核密度估计法 景观格局指数 城市用地扩展 长沙市

1引言

改革开放以来，我国进入了城镇化的快速发展时期，城镇化进程不断加快，城市用地不断扩展。城市用地扩展是城市发展的空间过程与特征的直接体现，对它的研究可以加深对城镇化本质的理解，进而为城市的可持续发展提供合理的依据。作为一种复杂的社会经济现象，城市用地扩展受到众多学者的关注。然而在现有的研究成果中，鲜有人将核密度和景观格局的方法应用于用地扩展方面的研究。核密度估计法可以表征用地扩展形态特征，在ARCGIS等软件的支持下可以将其可视化，使分析结果更加直观；景观格局指数法可以通过计算各种指数，更深入地探究用地扩展空间结构等方面的特征。笔者试图将二者进行结合，对长沙市的用地扩展模式展开研究。

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2研究地区与研究方法

2.1研究区概况

长沙市位于湘中偏东北，湘江下游，洞庭湖以南，东经111°53'～114°15'，北纬27°51'～28°41'之间，处于湘中丘陵向滨湖平原过渡地带，地势起伏较大，东、西两端山地环绕，中部渐趋低平，南部丘岗起伏，向北倾斜，逐渐平坦开阔。是湖南省省会所在地和长株潭“两型社会”综合配套改革试验区的核心区域，也是“长江中游城市群”的核心城市之一。

本文选择《长沙市城市总体规划（2003-2020）》（2014年修订）所定义的长沙市都市区作为研究范围（图1）。

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图1 长沙市2014年修订版总体规划空间层次示意图

2.2数据准备

本文研究数据包括长沙市1989年、1999年、2009年30m分辨率的TM遥感影像（来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云），条带号为123/40、123/41；长沙市历年统计年鉴；长沙市历次城市总体规划相关资料等。

2.3研究方法 2.3.1核密度估计法

核密度估计法是基于地理学第一定律的计算方法，即距离越近的事物关系越紧密，与核心要素越近的位置获取的密度扩张值越大。核密度是一种以“距离衰减效应”为空间特征的密度分布模式，其计算方程可以表示为：

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式中，

为空间位置处的核密度计算函数；

表示空间权重函数；为距离衰减

阈值；为阈值内要素点个数。此函数的几何意义在于，在每个核心要素处其密度值最大，并且随着距离的增加，核密度值会逐渐减小，在到达阈值时降为0

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。核密度估计法可以

基于空间距离的概念，针对观察中的每一个点去拟合阈值范围内近大远小的概率密度，因而我们可以利用此方法反演出城市用地某一点对周边范围的影响强度，进而得出城市中心的所在位置以及城市用地扩展的空间形态特征。

2.3.2景观格局指数

景观格局指数是分析景观格局特征的定量化指标，能够反映景观空间结构组成与空间构成方面的特征，根据研究目的，本文选取以下指数进行分析（表1）。

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表1 选用的景观格局指数

一级指标 面积指标 密度指标

斑块密度(PD) 最大斑块指数（LPI）

聚散性指标

聚集指数（AI） 形状指数（SHAPE）

形状指标

分维数（FRAC）

类型/景观

用于表征建设用地斑块形状特征的复杂程度，也表明土地利用干扰的程度

类型 斑块

景观中建设用地的团聚程度，可表征建设用地空间分布的聚集程度及其变化

用于表征建设用地斑块形状的规则程度

类型/景观 类型

斑块密度越大景观破碎化越严重

LPI 越大就说明斑块连片的面积就越大; 同时LPI 也反映破碎化的程度

二级指标 斑块面积（CA） 斑块数量(NP)

尺度水平 类型 类型/景观

意义

某斑块类型的总面积

描述景观异质性，斑块数量越多景观越破碎

2.4数据处理

首先利用专业遥感软件ENVI5.0对遥感影像依次进行波段选择、辐射校正、几何精校正、图像增强等预处理工作，以减少原始遥感数据的误差与形变对分析结果的影响；然后通过分析光谱特征，在建立解译标志的基础上经过人机交互解译、精度检验等一系列过程，得到不同时相的遥感影像分类图，将其二值化处理后得到长沙市都市区1989、1999、2009年的建成区范围（图2）；最后，在ARCGIS10.1软件中进行核密度分析，重分类以后得到不同时相的核密度分析图（图3），利用FRAGSTATS3.3软件计算景观格局指数，用以支持和验证核密度估计法的分析结果。

图2 研究区不同时段建成区分布图

图3 研究区不同时段建成区核密度分析图

3结果与分析

3.1长沙市用地扩展时空演变特征

英国的约翰逊·马歇尔(Johnson Marshall)教授在其《城市重建》一书中曾将城市用地扩展划分为六个不同的阶段，前四个阶段表示城市的集中膨胀过程，后两个阶段是多中心分散过程（图4）。根据不同时相的核密度分析图，可以很直观地观察长沙市都市区城市用地扩展形态的时空演变特征：从1989年到2009年的二十年间，长沙市的用地扩展一直处于动态演化之中，它不同于马歇尔所描述的分阶段的扩展模式，而更是六个阶段的融合。在二十年的用地扩展时空演变过程中，既包括中心城区的不断膨胀，同时又伴随着“蛙跳”式的扩展。城市用地扩展在“集聚—扩聚—多中心”的同时进行与反复循环的过程中呈现螺旋式的上升。1989～1999年，长沙市建成区集中在湘江以东，城市各要素高度集中，呈现单核形态。伴随着城市的不断扩展，在远离主城区的地带产生“飞地”并逐渐发育；1999～2009年，长沙市建成区进一步扩大，原先产生的“飞地”逐步演变成新核心区，并与主城区逐步衔接，与此同时城市外围继续产生新的增长点，空间的集中与分散在同步进行。在此过程中，集中中的分散和分散中的集中在用地扩展的时空演变中同时存在，不可将其割裂地看待。

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图4 城市发展不同阶段的形态特征

从不同时相的景观格局指数中，可以进一步观察长沙市用地扩展的演变特征（表2）。1989年～2009年，长沙市建设用地总面积在迅速增加，斑块密度在不断减小，最大斑块指数在不断增大，但斑块数量经历了一个先减少再增加的过程，表明城市用地规模在不断扩展，斑块由点式形态向团块化形态不断过渡，并逐渐与中心城区进行连接。同时，新的斑块又在不断生成，成为下一轮团块化的开始，用地破碎程度处于不稳定的状态。从聚集指数、形状

指数和分维数的变化来看，城市用地的聚集程度在整体上呈现增强的趋势，其形态朝着不规则的方向发展，变得更加复杂。

表2 长沙市1989～2009年建成区景观格局指数

年份 1989 1999 2009

斑块总面积/km

106.257 215.072 378.837

2

斑块数量/个

1382 1263 1926

斑块密度/（个/ km）

13.01 5.87 5.08

2

最大斑块指数

2.154 4.7661 8.333

聚集指数 89.9859 93.4487 93.5638

形状指数 1.1516 1.2157 1.2174

分维数 1.0246 1.0381 1.0364

3.2用地扩展演变影响因子分析 3.2.1自然环境

自然环境是城市用地扩展的基础条件，直接影响着用地扩展的潜力、方向、速度、模式以及空间结构。自然环境诸要素中，地形条件是影响城市用地扩展最重要的因素之一。在复杂地形条件下，城市用地扩展往往需要“超越”初期的用地地形状况，这就会影响用地结构类型的变化。长沙市湘江东侧以平原、低丘为主，湘江以西为楔形山地及丘陵，北部、南部为山体阻隔，城市建设用地条件复杂，用地的扩展很大程度上受到地形的限制。就决定了长沙市不可能采取平原地区圈层式的扩展模式，而需要随地形的起伏不断调整其用地结构。

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3.2.2交通设施

城市交通是建设用地扩展的重要引擎，交通基础设施可以加快城市物资交换速度，提升资源配置效率，减少距离成本。长沙市水、陆、空三位一体的网络体系，为长沙市的用地扩展提供了重要的支撑。尤其是跨江大桥和过江隧道的建设，使湘江东西两岸的联系得以加强，并突破湘江的阻隔形成了东西向的扩展廊道。在“交通脉动”规律的影响下，长沙市城市用地呈现东西向和南北向的“定向开发”模式，城市用地形成“T型”扩展的格局，用地形态由带状向椭圆形转化(图5)

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。

图5 长沙市用地扩展格局

3.2.3社会环境

社会环境是城市用地扩展的指向性因素，它包括城市宏观发展战略，空间布局规划，政治经济体制等等。79版的总规中，长沙市城市用地布局采取“离散发展，严格控制市区规模，积极发展远郊小城镇”的模式；90版变为“主城区相对集中发展，城市适度向外拓展，形成一主体两翼两组团”；03版进一步变为“沿湘江、319国道两条生长轴线拓展城市发展空间，构筑‘一主、两次、四组团’的多中心分散组团式城市空间结构”。每一次的调整都为城市用地的扩展提供了科学的指导，避免了城市的无序蔓延。

3.2.4经济与人口

经济发展与人口增长是城市用地扩展的直接动力。经济总量的增加，产业结构的升级，人口数量的膨胀等因素都会直接驱动城市用地的扩展。1989至2009这二十年间，长沙市GDP增加了39倍，市区人口由130万猛增至239万。城镇化的加速意味着农村人口向城市人口的流动，也意味着城市用地规模的增大和用地形态的外延。

4结语

利用核密度估计法与景观格局指数法进行城市用地扩展的研究，可以充分发挥二者的优势。核密度可以更加直观地展现出城市用地扩展的时空演变过程，景观格局指数法可以更加科学地定量分析用地扩展的形态特征，在两种方法的相互支持与相互补充下可以更有效地跟踪城市用地的扩展动态。

从分析结果来看，长沙市用地扩展是以收敛和发散两种方式并存而繁衍扩散的

[11]

。地段

的生长始终围绕生长点进行,一个新的生长点产生,带动周围的发展,同时又孕育新的生长点

[12]

。伴随着 “蔓延”式的连续扩展和“跳跃”式的非连续扩展模式，城市用地在时空演变

上趋于分异化，复杂化和综合化。自然环境、交通设施、社会环境，经济与人口等因素都会对其产生重要的影响。城市用地扩展是一个复杂的过程，在遵循城市自身生长规律的基础上，进一步探究各影响因子的作用机理，建立用地扩展与城市各要素的协调机制，将是今后研究的重点。

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作者简介

许乙青，高级城市规划师，湖南大学建筑学院； 赵栋，硕士研究生，湖南大学建筑学院； 符彬，助理工程师，湘潭市规划建筑设计院。