王 潇，徐建刚，李久林

(南京大学 建筑与城市规划学院,江苏 南京 210093)

在国土空间规划体系改革和数字化转型的双重背景下，国土空间利用类型之间的竞争逐步增强，国土空间的演绎和变化使得空间利用问题日益显现。城市空间作为国土空间的重要组成要素，其空间问题尤为重要。不合理的城市扩张不仅使得土地利用呈现粗放、浪费的模式，而且会导致城市运行成本增加，甚至引发环境污染、生态系统退化等生态问题。因此城市扩张一直以来是一些学者关注的重点。城市建设用地作为在各种驱动因素影响下作用到城市地域上的产物，是人类与地理环境相互影响的综合体，是研究城市扩张的首选对象[1]。研究城市建设用地的空间演变，不仅可以理清城市空间扩展、城市功能集聚与扩散的空间响应，还可以揭示城市空间扩展的内在特征、趋势及形成机制[2]。

目前，城市用地扩张演变特征的研究主要集中在扩张特征及模式分析[3-4]、扩张驱动力分析[5-6]、用地扩张预测和模拟[7-8]等方面。在研究尺度上，大多数的研究集中在经济发达的东南沿海地区以及北京等大都市地区，多以单个城市[4]、大型城市群[9]为主；在研究对象上，现有研究大多针对城市用地整体分析，或者选择特定的某类用地(如居住用地或工业用地等)研究城市空间结构的演化[2,10]。然而，针对发展相对落后的地区或微观尺度中小城市，特别是对具有特殊意义的县域尺度小城市的研究相对较少。此外，现有研究大多注重建设用地整体分析，缺乏对城市各类建设用地的研究，难以理清城市内部功能空间的演变特征，不利于空间结构的优化。

长汀作为国家级历史文化名城、全国首批“水生态文明城市”建设试点县，其城市建设用地演变对于城市空间合理布局和重构、古城保护、生态文明建设可持续发展等具有重要意义。部分学者针对长汀展开了研究，王敬哲等[11]采用分形维数分析了长汀县土地利用动态变化；邓超等[12]利用马尔科夫的转移矩阵分析不同地形因子下长汀县的土地利用时空变化特征；宗跃光等[13]运用情景分析法研究长汀腾飞经济开发区工业用地开发的情景过程和特征。现有研究大多聚焦于耕地、林地等地类或单一城市用地的研究，对城市内部各类建设用地的研究缺乏，且多采用单一方法，较难得到更加全面的用地空间演变规律，不利于优化城市内部用地结构，难以为老城区保护和新城扩张提供指导。

基于此，本研究以福建长汀为研究区域，基于2006年、2011年、2014年和2016年长汀主城区用地现状数据，从强度、方向及形态三方面，运用分形维数、等扇形分析等多种空间分析方法，定量分析长汀主城区八大类城市建设用地空间演变特征，以期为指导和管制城市内部用地结构调整和有序扩张提供理论依据和决策支持。

1 研究区域与数据源

1.1 研究区概况

长汀县位于福建省西南部，县域总面积为3 098.9 km2，隶属于龙岩市，地处闽赣边陲要冲。地势东西北三面高，中南部低，自北向南倾斜。海拔300～800 m，山地面积占总面积的93.4%，形成了其“八山一水一分田”的自然地理格局。截止2018年，全县实现地区生产总值231.74亿元，总人口55.14万人，城镇化率41.64%。长汀作为国家级历史文化名城，其独特的城池格局、传统的历史街区、古朴的建筑风貌、浓郁的客家文化及丰富的革命斗争史迹构成了深厚多彩的城市文化内涵，对城市的发展有巨大的推动作用。

本研究所界定的城市空间主要指长汀县主城区，其范围确定参考《长汀县县城总体规划(2016—2030)》的城市规划区范围。主要包括汀州镇全部辖区、大同镇和策武镇的部分土地，总面积42.16 km2。

1.2 数据源与预处理

本研究选取的数据主要包括：2006年、2011年、2014年和2016年长汀县主城区用地现状图、1∶5 000地形图等。其中，2016年长汀县主城区用地现状图来源于《长汀县县城总体规划(2016-2030)》，2006年、2011年和2014年长汀县主城区用地现状图来源于对应年份卫星遥感数据解译及土地利用实地勘测。本研究进行建设用地扩张驱动力分析的数据主要来源于2006—2016各年份《长汀统计年鉴》及《长汀县国民经济和社会发展统计公报》。

为便于不同年份城市建设用地类型的比较，以2012年1月1日正式实施的新版《城市用地分类与规划建设用地标准》(GB/T 50137—2011)为依据进行分析。将2006、2011年用地现状数据重新整理归类，2014、2016年用地现状类型保持不变，最终将4个年度用地现状数据归纳为八大类建设用地，除此之外还将研究区内村镇建设用地(H14)、非建设用地(E，水域E1)进行标注。运用GIS分析工具提取并统计各类建设用地的用地性质、用地面积等信息，建立长汀主城区用地空间数据库，用于城市建设用地扩张空间演变及驱动力分析。2006—2016年间4个年度用地现状数据如图1所示。

图1 2006—2016年长汀主城区城市建设用地现状图Fig. 1 Status data of construction land in the downtown Changting from 2006 to 2016

2 研究方法

本研究从强度、方向及形态等三方面，采用扩张速度和强度指数、等扇形分析法、分形维数和稳定性指数等定量分析城市建设用地扩张的空间演变特征；采用灰色关联分析法，探究各影响因子对城市建设用地扩张的驱动机制。

1) 扩张速度和强度

扩张速度Vt指在t时间段内城市用地面积的增长率，用来表征城市的扩张速度和趋势。

(1)

式中：Sa、Sb分别表示研究时间段初始及段末的城市建设用地面积，km2；Ta、Tb分别表示研究时间段初始及段末的时间，a。

扩张强度Rt指在t时间段内城市建设用地面积扩张的快慢或强弱。

(2)

2) 等扇形分析法

等扇形分析法以研究区中心作为圆心，选取适当半径，以东偏北11.25°为起点，以22.5°为间隔将研究区划分为16个夹角相同等扇形区，并与各时期的用地现状数据进行叠置分析，获取16个方向扇形区域的各类建设用地的面积。基于此，计算16个方向城市建设用地扩张强度指数，以此分析城市建设用地的扩张形态演变的空间分异性。

3) 分形维数和稳定性指数

选取分形维数D和稳定性指数S作为研究指标[14]，其中分形维数D用于表征某用地类型斑块的边界复杂性，稳定性指数S表征用地结构的稳定性。其计算过程为：

A=kP2/D。

(3)

式中：A为某种地类用地斑块面积，m2；P为该斑块对应的用地周长，m；D为分形维数；k为常数。对公式(3)等式两边取对数，通过拟合周长-面积的相关方程式，得到分形维数D。

(4)

其中，分形维数D的取值范围为(1,2)。分形维数越大，表明该地类结构越复杂，对应的边界越不规则。当D=1.5时，表明该地类最不稳定。基于此，可定义各土地利用类型的稳定性指数S：

S=|1.5-D|。

(5)

S的取值范围为(0,0.5)，S越大，表明该用地类型越稳定，反之越不稳定。

4) 灰色关联分析法

灰色关联度分析法是依据各影响因素之间发展趋势的相似或相异程度来衡量因素之间的关联度。该方法与统计学分析(如回归分析、主成分分析等)相比，对数据要求较低，在数据部分缺失的前提下仍可通过相应处理，得到各因素的关联性；此外，该方法计算过程简单且结果可靠，可有效避免原始数据之间的共线性等问题，提升分析结果的准确度[15]。

3 长汀城市建设用地空间演变特征

3.1 扩张强度特征

利用公式(1)和(2)分别计算城市总建设用地及八大类型建设用地的扩张速度和强度，其结果如图2和表1所示。

图2 2006—2016长汀主城区城市建设用地扩张速度和强度Fig. 2 Expansion speed and intensity of different types of construction land from 2006 to 2016

经统计，2006—2016年长汀中心城区建设用地面积从10.088 9 km2增加至19.074 5 km2。由图2可知：2006—2011年，建设用地扩张速度和强度分别为0.27 km2/a和2.63%，用地处于“低速低强”发展阶段；2011—2014年，城市建设用地扩张速度和强度均明显高于第一阶段，处于“中速高强”发展阶段；2014—2016年，城市建设用地扩张速度在持续加快，扩张强度有所放慢，处于“高速中强”发展阶段。

据表1可知，2006—2011年间，工业用地(0.17 km2/a)扩张速度最高，道路与交通设施用地(5.46%)和工业用地(5.11%)扩张强度较高，其他建设用地扩张速度和强度均较低，这是由于该阶段经济发展相对缓慢所致。2011—2014年，居住用地(0.59 km2/a)和工业用地(0.63 km2/a)扩张速度较高，说明该阶段城市进入快速发展期。扩张强度指数方面，除绿地与广场用地外，其他七类建设用地均呈高速扩张的阶段。2014—2016年，各类建设用地的扩张速度在持续加快，而扩张强度有所放慢。绿地与广场用地(-3.02%)的持续减少有必要加大重视程度。

表1 2006—2016长汀主城区八大类城市用地扩张速度和强度变化Tab. 1 Expansion speed and intensity of different types of construction land from 2006 to 2016

注：R、A、B、M、W、S、U、G分别代表居住用地、公共管理与公共服务用地、商业服务业设施用地、工业用地、物流仓储用地、道路与交通设施用地、公用设施用地以及绿地与广场用地。

3.2 扩张方向特征

基于ArcGIS，以长汀县主城区中心(三元阁)为原点，选择合适半径，将研究区划分为16个相等的扇形区(图3)，运用GIS的分割、裁剪等工具，分别统计每个方向扇形区内八大类用地面积，计算3个阶段建设用地主要扩张方向和扩张用地类型，结果如表2所示。

第一阶段(2006—2011)：城市主要向S、NE、SWW等方向扩张，城市呈现非紧凑演变特征。首先，S方向扩张强度最大，以道路与交通设施用地增加最多，占比37.0%。其次，SWW方向扩张强度为9.14%，以居住用地和道路与交通设施用地增加为主。再次，NE方向的扩张主要集中在老城区，以工业用地为主。整体来看，受经济发展的限制，用地以老城区内部填充为主。

图3 长汀县主城区建设用地分扇区图Fig. 3 Sector diagram of construction land in Changting downtown in different periods

第二阶段(2011—2014)：城市扩张方位多元化，以S、NE、NEE、SSW等方向为主。首先，受地形的影响，城市建设用地向地势较为平坦的南部扩张，以S、SSW为主。S方向扩张强度达到峰值，以工业用地扩张最高。其次，城市北部扩张集中在老城区，以NE和NEE方位的居住用地扩张为主。总之，该阶段城市建设用地以外部扩张为主，扩张方位多元化且以南部方位为主，城市处于不稳定状态。

第三阶段(2014—2016)：城市主要向S、SSW、SSE、NWW等方位扩张，扩张强度指数分别为35.17%、31.94%、20.09%、16.85%。首先，S方向以工业用地和道路与交通设施用地扩张为主，分别占比52.8%和42.9%。其次，SSW方位除工业用地外，公共管理与公共服务用地扩张显著。另外，北部方位的用地演变，主要集中在老城区用地内部更替。综上，该阶段老城区建设用地逐渐趋于稳定，用地空间形态越来越紧凑，城市外部扩张程度远大于内部填充，总体趋势仍以S方位扩张为主。

表2 2006—2016年长汀主城区各方位扩张强度演变Tab. 2 Expansion intensity evolution of various azimuth in Changting from 2006 to 2016

注：+数量表示扩张强度级别，+越多，扩张强度越大。

3.3 扩张形态特征

基于ArcGIS，统计八大类城市建设用地斑块的周长和面积，分别计算lnP和lnA，并根据公式(4)运用SPSS软件进行线性回归拟合，得到分形维数D。结果如图4和表3所示。

据图4可知，2006—2016年城市建设用地分形维数呈现先增加后减少的趋势，稳定性指数与之相反。在2006—2011年间，城市的分形维数持续增加，表明该阶段建设用地处于不断向外扩张的阶段，城市离散程度不断加大，城市处于随机分布的状态；2011—2016年，城市分形维数大幅度降低，表明长汀在注重经济发展的同时，更加关注城市用地结构的合理性，城市空间形态更加规整，建设用地扩张趋向于规整化、简单化。

图4 长汀主城区各时段分形维数和稳定性指数Fig. 4 Fractal dimension and stability index of Changting downtown in various periods

由表3可以看出，不同用地类型对应的用地斑块周长和面积具有相关性，大部分的拟合结果R2>0.9，具有较好的拟合结果。居住用地分形维数处于缓慢增加的阶段，经分析，居住用地扩张多以老城区内部填充及村镇建设用地转换为主。公共管理与公共服务用地、公用设施用地分形维数涨幅较小，处于相对稳定的状态，而商业服务业设施用地分形维数逐渐降低，B类用地逐渐增多，形态由最不稳定逐渐趋于规整，与城市发展保持一致。工业用地分形维数呈增加后下降再增加的趋势，表明工业用地扩张速度逐渐放缓。然而，道路与交通设施用地、绿地与广场用地的拟合结果相对较差，这是由于随着城市的不断发展，S用地变化较快，处于较不稳定的状态，而G用地成为了城市快速发展的牺牲品，其用地斑块形状最为复杂，边界最不稳定。综上，长汀县主城区建设用地扩张形态总体表现为由简单向复杂再向简单转变，各类型用地形状逐渐变得规则和紧凑。

表3 长汀主城区各类城市建设用地分形维数和稳定性指数Tab. 3 Fractal dimension and stability index of different land types in various periods

续表3

图5 2006—2016年长汀主要经济、人口、耕地、产业指标变化对比Fig. 5 Comparison of economic,population,cultivated land and industrial factors from 2006 to 2016

4 长汀城市建设用地演变驱动机制

城市作为一个复杂的综合体，其空间演变的驱动要素具有多样性特征。借鉴既有研究[15]，从经济、人口、耕地和产业四方面选取10个指标(图5)，采用灰色关联分析法，结合用地空间演变特征，分阶段(2006—2011，2011—2016)探究各因子对城市用地的驱动机制。其中将10个指标因子作为自变量，建设用地面积作为因变量，进行定量分析，结果如表4和表5所示。由表4和表5可知，2006—2011年和2011—2016年两个时间段影响城市用地扩张的驱动因素不同，具体分析如下。

1) 2006—2011年间，长汀县社会经济发展相对缓慢，建设用地扩张速度和强度相对较低。各指标与长汀建设用地扩张的关联程度由大到小依次是常住总人口>耕地面积>城镇化率>三产GDP>地区生产总值>地方财政收入>二产GDP>全社会固定资产投资>第三产业从业人数>第二产业从业人数。人口因素对建设用地的扩张影响最为明显，特别是随着人口的不断增加，造成居住用地规模扩张成为刚性需求，人口因素成为该阶段城市建设用地扩张最主要驱动力。耕地面积对建设用地扩张的关联程度同样很高，说明在该时间段内，建设用地扩张主要来自对耕地的占用。经济因素和产业因素与建设用地扩张的关联度相对较低，但同样影响着建设用地的扩张。

2) 2011—2016年间，随着工业化进程的不断加快，城市建设用地扩张速度和强度不断提升，社会经济发展进入高速发展阶段。产业因素和经济因素对建设用地扩张的影响迅速提升，产业因素中二产GDP、三产GDP与建设用地扩张的关联程度较高，主要原因是该阶段长汀主城区“退二进三”及南部新区工业用地规模不断扩大，形成了对建设用地扩张的新需求。与此同时长汀作为国家历史文化名城，其旅游业的蓬勃发展为该地区创造了大量的GDP。与此同时，人口增长的放缓使得人口因素在该阶段对建设用地扩张的影响相对较弱。耕地对建设用地扩张的影响逐渐减小，主要原因是耕地资源的日益匮乏引起国家和地方的高度重视，进而加大对耕地和基本农田的保护力度，倒逼城市建设用地扩张减弱对耕地的占用。

表4 2006—2011年用地扩张关联度及排序Tab. 4 Correlation degree and sequencing of land expansion from 2006 to 2011

表5 2011—2016年用地扩张关联度及排序Tab. 5 Correlation degree and sequencing of land expansion from 2011 to 2016

5 结论和讨论

以国家历史文化名城福建省长汀主城区为例，运用扩张速度和强度指数、等扇形分析、分形维数和稳定性指数以及灰色关联分析等方法，定量探究了长汀八类城市建设用地的空间演变特征及其驱动因素，结论如下：

1) 2006—2016年间长汀主城区建设用地扩张速度和强度呈现明显阶段变化特征，经历了“低速低强”、“中速高强”、“高速中强”3个发展阶段。

2) 不同阶段城市建设用地扩张方向存在较大差异，总体上老城区建设用地扩展主要沿NE方向进行用地的更替与填充，南部新区建设用地扩张以S方向为主。

3) 长汀城市建设用地分形维数先增加后减小，城市形态逐渐趋于规整化和简单化，各类型建设用地趋于“规则化、紧凑型”演变。

4) 不同时期长汀城市建设用地扩张的因素存在较大差异，2006—2011年人口增加及建设用地对耕地的占用，使得人口和耕地因素成为建设用地扩张的主要驱动力。随着城市化和工业化的加剧，长汀主城区“退二进三”以及南部新区工业用地规模的不断扩大，导致产业结构不断升级，经济和产业因素逐渐成为后期主要驱动因素。

城市建设用地扩张驱动因素复杂多样，主要受社会经济、交通、人口、政策等因素影响[16-17]。由于数据的限制性，本研究仅选取经济、人口、耕地和产业等方面多个指标进行分析，缺少对交通和政策的量化研究。获取完整的交通数据以及量化政策因素成为下一阶段的首要任务。此外，本研究只针对长汀主城区展开研究，尽管能体现主城区八大类建设用地的演变特征，有助于城市内部用地结构调整，但不能完全反映整个长汀县域的建设用地空间演变特征及其驱动机制，后续工作中将研究尺度扩展到长汀县域及周边城市，以进行全面的城市建设用地空间演变及驱动力的分析。