大城市边缘物质空间扩展格局及其趋势研究

高青 刘思宇 程晓宇 李芷傲

摘 要：针对大城市边缘物质空间的演化研究，以武汉市光谷地区为例，运用基于知识的土地利用分类方法，利用ENVI与ArcGIS分析了武汉市光谷地区的物质空间，结果表明：（1）从2013—2017年武汉市光谷地区的低矮建筑的用地面积整体上呈减少的趋势，建设用地、高层住宅以及高层商业楼呈逐年增加的趋势。（2）从2013—2017年，高层商业楼从光谷转盘周围，沿着交通要道进行扩张；高层住宅楼也主要从光谷转盘向四周扩张，从2014年开始部分的高层住宅楼周围出现了高层商业楼；2013—2017年，整体来说建筑用地从东部向西部进行扩张，2015年与2017年西部开发较完善，东部出现大量建设用地。（3）从2013—2017年建设用地主要是在光谷地区西部发生了用地的转变；高层住宅和高层商业楼都主要是在光谷地区西部发生变化，且都主要在光谷大转盘四周以及沿着珞瑜路、砺志路、鲁磨路、珞雄路、民族大道等主要交通要道发生变化。反映出光谷地区变化较大且变化进程快的特点。

关键词：武汉市光谷地区 物质空间扩展 土地利用变化

中图分类号：F12 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）05（a）-0198-04

城市作为人类社会经济发展的重要载体，是人类活动最集中、受人类活动影响最强烈的区域。而城市空间形态，是城市社会、经济、政治、文化、历史及地理综合作用的结果，并以其特有的方式记录着城市自身发展的脉络[1]。中国改革开放以来，城市建设经历剧烈的变化，随着城市数量、人口、用地的增加，以及城市规模的扩大等引发的城市问题引起关注[2]。另一方面，在以经济增长为导向的城市发展模式刺激下，盲目城市扩张席卷全国，由此引发的耕地流失、交通拥堵、地价暴涨等社会乱局凸显[3]。因此通过研究城市空间形态，理解其演变历程，有助于我们更好的理解认识城市扩张过程及格局，从而益于降低扩张乱局的恶化的风险。而位于武汉市东湖新技术开发区的光谷经历了大量的人口迁入、大量投资引入、建成区快速扩张的快速城市化的过程，物质空间的扩张与社会空间演化同时发生并且持续相互作用，具有典型的代表意义，亟待进行深入的时空研究。

1 研究背景及意义

就国内外城市空间扩展的背景来看，第二次世界大战后，西方国家经济迅速恢复，人口大量增加，原有的城市设施已满足不了新的发展要求，致使一些大城市中心区的人口和工业纷纷迁向市郊区，而且迁出城外的大多为中产阶级和高收入阶层，从而导致原来的中心区“衰落”——税收下降、房屋和设施失修、就业岗位减少、社会治安和生活环境趋于恶化等等现象[4]。在此情况下，外城却迅速扩张，迎来了快速发展的时期。而西方学者Ronnie Donaldsona等人在此背景下发现城市空间规划方面存在着过于专业化、与其他部门规划隔离等问题[5]。我国在建国及改革开放以来则注重旧城改造，例如增添一些最基本的市政设施，以解决居民的卫生、安全、合理分居等最基本的生活问题[6]。交通方面限于拓宽打通少数道路。而市中心地段由于人口密集，建筑密度较高，一般改造时都无力问津[7-8]。因此，城市建设的形态出现外围建筑新、质量好、层数高，而中心区则普遍较为陈旧、建筑质量差，呈现出与城市正常发展规律相违背的反常状态。现在也进入外城扩张内城衰弱时期[9]。国内学者孟丹等人对京津冀都市圈城乡建设用地空间扩张特征分析得出京津冀都市圈城镇用地呈现显著的“圈层式”扩张模式，城镇用地扩张主要集中在中心城区外围及高速公路沿线的结果[10]；焦利民等人对武汉的研究发现城市扩张在数量、格局及强度方面与绿地破碎化格局显著关联[11]。

通过对比国内外研究综述可以看出，当前国内外城市在物质空间上的变化趋势大致相同，但城市物质空间演进及发展路径存在不同，制度环境的差异是造成这一现象的根本原因[12]。传统的城市空间分析主要关注平面空间的土地利用变化，如建设用地的扩张和耕地减少等问题，而忽视了城市的三维空间变化，本研究物质空间重构，由平面扩张转变为更科学立体扩张探索。并且之前传统的经济社会空间研究多基于行政单元，具有一定程度上的限制，不能真实的反映某些城市社会空间结构。并且，本研究试图通过遥感影像确定城市物质空间的改变，划分出城市物质空间变化的“高频区”，物质空间变化的高频区的出现一定意味着社会空间经过快速、激烈的演化过程，以此选定区域并对“高频区”内的居民进行深入的访谈和社会调研，深入社会经济层面，更有针对性的获取数据，贴合真实的城市社会空间结构。使用基于知识的土地利用分类技术，应用ENVI软件处理遥感图像，通过对物质空间的变化来判断社会空间演化特别是绅士化发生的区域。定性与定量、动态与静态相结合，更科学，成本更低并且精确度高。此外，当前相关领域对中西部城市的城市更新与扩张研究涉及较少，我们选取武汉光谷地区为研究对象，可以有效填补这一地区的研究空白，推动国内城市物质空间更新研究、丰富相关成果。并对于找出武汉市物质空间变化与社会空间变化的普遍联系，引导相关部门在城市规划管理上的科学决策，提高规划部门对城市规划中人与地的规划意识，促进城市人地关系的协调发展，提升居民生活幸福水平等都有实践意义。

2 数据处理与研究方法

2.1 数据来源与数据处理

本研究选取的是来自地理空间数据云的2013—2017年的landsat8 OLI遥感图像，使用ENVI软件进行数据融合、图像裁剪与用地分类，将用地类型分为高层住宅楼、高层商业楼、低矮建筑、绿地、建设用地、不透水面、水体、不可识别八类。在此基础上，利用网格分析法在ArcGIS中对已进行用地分类处理后的武汉光谷地区2013—2017年遥感图像进行比较分析，并利用ENVI和ArcGIS做出土地利用变化图表，发现物质空间更新明显，大面积的土地出现建筑高度增长。根据变化情况，对2013—2017年的数据进行核密度分析，进而得到武汉市光谷地区从2013—2017年物質空间变化的高频区，了解武汉光谷地区物质空间演变趋势。

相较于2013年，2017年武汉市光谷地区物质空间发生明显转变：（1）低层住宅减少，高层住宅增加；（2）东南部部分绿地、建设用地转化为高层住宅；（3）裸露土地减少；（4）东部、南部开发力度大，逐渐由开发程度较低的低住、空地转换成高层商住用地。从2013—2017年，高层商业楼从光谷转盘周围，沿着交通要道进行扩张，2015年高层商业楼大规模扩张；高层住宅楼也主要从光谷转盘向四周扩张，从2014年开始部分的高层住宅楼周围出现了高层商业楼，2016年高层商业楼大规模扩张；2013—2017年，整体来说建筑用地从东部向西部扩张，2015年与2017年西部开发较完善，东部出现大量建设用地。

从2013—2017年建设用地主要是在光谷地区西部以及除光谷转盘以外的地方发生变化；高层住宅和高层商业楼都主要是在光谷地区西部发生变化，且都主要在光谷大转盘四周以及沿着珞瑜路、砺志路、鲁磨路、珞雄路、民族大道等发生变化。后期调研与数据趋势吻合，因此，可以判断对武汉光谷地区物质空间演变的研究是比较符合实际的。

2.2 研究方法

（1）遥感图像解译与分析。

本研究首先采用基于知识的土地利用监督分类方法，运用Envi技术，区分出高层住宅、高层商务区、低矮建筑群等。对遥感影像进行了图像融合处理，裁剪出本项目研究范围——武汉光谷地区区域，后进行对遥感图像的用地类型分类处理。根据不同功能建筑物周围环境和物理构造的差异，将用地类型分为高层住宅楼、高层商业楼、低矮建筑、绿地、建设用地、不透水面、水体、不可识别八类。每种地类选取100～200个特征样本。在具体操作过程中，绿化易区分，一般存在于水面附近和大面积的山体附近。高层住宅楼和宅前路、小区内道路平行、相邻分布在区域内，阴影可见并覆盖在绿色植被区上。高层商业楼一般沿交通线分布，阴影可见并覆盖在不透水面上；低矮建筑在影像上为模糊片状，无清晰阴影，一般为城中村或老社区街道；水面易识别，易选取，在选取过程中注意避免游船。同时，为提高可識别区准确度，还对分类不明确的给予了不明确分类。

（2）网格分析。

由于研究使用的主要方法是基于绿地/建筑阴影的土地利用分类技术，而遥感数据图里的建筑阴影会受光照角度等的影响，为了矫正阴影分析质量以及减少其他无关地类阴影的干扰，我们采取150m×150m的网格进行土地利用类型的归类，通过格网内的最大地类来判断格网的土地类型，以降低阴影长短不同带来的误差。再将网格中的无关地类的数据移除，得到研究的四种地类：高层住宅楼、高层商业楼、低矮建筑、建设用地。再识别出四种地类中阴影面积最大的地类，得到2013—2017年的最大地类分布图。

（3）土地利用变化分析。

为了更精确地了解研究光谷地区土地利用变化情况，在ENVI软件里对研究区域的土地利用变化进行定量分析，制作2013—2017年的土地利用转移矩阵。

通过ArcGIS对研究区的土地利用变化进行定性分析，可以得到光谷地区2013—2017年的土地利用变化图，重点关注建设用地、高层商业以及高层住宅楼的变化。

（4）核密度分析。

对重点关注的低矮建筑和建设用地——高层住宅的土地变化深入分析。采取核密度分析的方法，判定土地利用变化最强烈的地区——即物质空间演变高频区。

3 武汉市光谷地区时空扩展的演进路径

3.1 武汉市光谷地区四种土地利用方式的扩展路径

采用基于知识的土地利用分类技术，再利用ArcGIS中的网格分析，得到了武汉市光谷地区从2013—2017年的高层住宅楼、高层商业楼、低矮建筑、建设用地四种土地利用方式的分布图。据图可以定性地分析，从2013—2017年，低矮建筑呈减少的趋势；从2013—2017年，高层商业楼具有从光谷转盘周围沿着交通要道进行扩张的特征，2015年高层商业楼大规模扩张；高层住宅楼也具有主要从光谷转盘向四周扩张的特征，另外从2014年开始部分的高层住宅楼周围配套出现了高层商业楼，2016年高层住宅楼大规模扩张；从2013—2017年，整体来说建筑用地具有从光谷东部向西部扩张的特征，且主要集中在光谷的东部地区，2015年与2017年西部开发较完善，东部出现大量建设用地。

自2009年12月光谷东湖高新区建设国家自主创新示范区获批后，中央有关部委以及湖北省、武汉市、东湖国家自主创新示范区在财税、科技金融创新、股权激励、创新创业、发展战略新兴产业等方面相继出台了50多项配套政策，大大吸引了大量的高新技术企业入住光谷地区，由此也带动了光谷地区的发展，加快了光谷地区的经济建设。工厂大量建设，因此从2013年到2017年，光谷地区的建设用地面积主要呈增加的趋势；大量企业的迁入也带来了大量的人口，促进了光谷地区商业的发展，因此高层商业楼以及高层住宅楼也呈逐年增长的趋势。

3.2 武汉市光谷地区土地利用方式的变化

在ENVI软件里对研究区域的土地利用变化进行定量分析（见表1）。表一中横坐标代表2013年各用地分类，纵坐标代表2017年各用地分类。从2013—2017年，水体总共变化了1253250m2，转变为建设用地的面积最大，为673200m2；其次是高层住宅和高层商务。不透水面总共变化了13664925m2，转变为低矮建筑的面积最大，为6707925m2；其次是建筑用地和高层住宅。低矮建筑总共变化了13508550m2，转变为建设用地的面积最大，为6338700m2；其次是绿地和不透水面。绿地总共变化了15741900m2，转变为建设用地的面积最大，为11144925m2；其次是不透水面和高层住宅。建设用地总共变化了13107600m2，转变为低矮建筑的面积最大，为5091300m2；其次是不透水面和绿地。定量地反映出了高层住宅楼、高层商业楼、低矮建筑、建设用地的变化趋势。

通过ArcGIS对研究区的土地利用变化进行定性分析，可以得到建设用地、高层商业和高层住宅的变化图（如图1）。从图1可以看出，从2013—2017年建设用地主要是在光谷地区东部的地方发生变化；高层住宅和高层商业楼都主要是在光谷地区西部发生变化，且都主要在光谷大转盘四周以及沿着珞瑜路、砺志路、鲁磨路、珞雄路、民族大道等主要交通要道发生变化。

通过定性与定量的分析可得，2013—2017年光谷地区建设用地、高层商业和高层住宅的变化相对面积较大，反映出光谷地区的变化较大的特点。

3.3 武汉市光谷地区物质空间演变高频区

采取核密度分析的方法，对低矮建筑以及建设用地转变为高层住宅楼的部分进行深入分析得出了高层住宅变化最强烈的地区——即物质空间演变高频区（如图2）。圖2颜色最深处代表从低矮建筑以及建设用地转变为高层住宅楼频率最高的地区。据图可得，高层住宅楼变化的高频区主要是分布光谷地区的西部地区，这反映出光谷地区转变过程用时较短；高层住宅楼的变化也可以进一步表现出光谷地区正处于郊区绅士化的进程中。

5 结论与讨论

本文运用基于知识的土地利用分类方法，利用ENVI以及ArcGIS分析了武汉市光谷地区的物质空间扩展以及变化趋势，结果表明：（1）从2013—2017年武汉市光谷地区的低矮建筑的用地面积整体上呈减少的趋势，建设用地、高层住宅以及高层商业楼呈逐年增加的趋势。（2）从2013年到2017年，高层商业楼从光谷转盘周围，沿着交通要道进行扩张；高层住宅楼也主要从光谷转盘向四周扩张，从2014年开始部分的高层住宅楼周围出现了高层商业楼；2013—2017年，整体来说建筑用地从东部向西部进行扩张，2015年与2017年西部开发较完善，东部出现大量建设用地。（3）从2013—2017年建设用地主要是在光谷地区西部发生了用地的转变；高层住宅和高层商业楼都主要是在光谷地区西部发生变化，且都主要在光谷大转盘四周以及沿着珞瑜路、砺志路、鲁磨路、珞雄路、民族大道等主要交通要道发生变化。

通过对光谷地区物质空间的分析发现，光谷地区正处于郊区绅士化时期，且地区变化较大且变化进程快，容易出现等住房紧张、交通压力、居民融合等社会问题，因此政府在大力进行经济的建设，发展高新技术产业的同时也要注意保障民生的建设，解决阻碍光谷地区发展的一系列社会问题。

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