大城市邊緣物質空間擴展格局及其趨勢研究

高青 劉思宇 程曉宇 李芷傲

摘 要：針對大城市邊緣物質空間的演化研究，以武漢市光谷地區為例，運用基于知識的土地利用分類方法，利用ENVI與ArcGIS分析了武漢市光谷地區的物質空間，結果表明：（1）從2013—2017年武漢市光谷地區的低矮建筑的用地面積整體上呈減少的趨勢，建設用地、高層住宅以及高層商業樓呈逐年增加的趨勢。（2）從2013—2017年，高層商業樓從光谷轉盤周圍，沿著交通要道進行擴張；高層住宅樓也主要從光谷轉盤向四周擴張，從2014年開始部分的高層住宅樓周圍出現了高層商業樓；2013—2017年，整體來說建筑用地從東部向西部進行擴張，2015年與2017年西部開發較完善，東部出現大量建設用地。（3）從2013—2017年建設用地主要是在光谷地區西部發生了用地的轉變；高層住宅和高層商業樓都主要是在光谷地區西部發生變化，且都主要在光谷大轉盤四周以及沿著珞瑜路、礪志路、魯磨路、珞雄路、民族大道等主要交通要道發生變化。反映出光谷地區變化較大且變化進程快的特點。

關鍵詞：武漢市光谷地區 物質空間擴展 土地利用變化

中圖分類號：F12 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（a）-0198-04

城市作為人類社會經濟發展的重要載體，是人類活動最集中、受人類活動影響最強烈的區域。而城市空間形態，是城市社會、經濟、政治、文化、歷史及地理綜合作用的結果，并以其特有的方式記錄著城市自身發展的脈絡[1]。中國改革開放以來，城市建設經歷劇烈的變化，隨著城市數量、人口、用地的增加，以及城市規模的擴大等引發的城市問題引起關注[2]。另一方面，在以經濟增長為導向的城市發展模式刺激下，盲目城市擴張席卷全國，由此引發的耕地流失、交通擁堵、地價暴漲等社會亂局凸顯[3]。因此通過研究城市空間形態，理解其演變歷程，有助于我們更好的理解認識城市擴張過程及格局，從而益于降低擴張亂局的惡化的風險。而位于武漢市東湖新技術開發區的光谷經歷了大量的人口遷入、大量投資引入、建成區快速擴張的快速城市化的過程，物質空間的擴張與社會空間演化同時發生并且持續相互作用，具有典型的代表意義，亟待進行深入的時空研究。

1 研究背景及意義

就國內外城市空間擴展的背景來看，第二次世界大戰后，西方國家經濟迅速恢復，人口大量增加，原有的城市設施已滿足不了新的發展要求，致使一些大城市中心區的人口和工業紛紛遷向市郊區，而且遷出城外的大多為中產階級和高收入階層，從而導致原來的中心區“衰落”——稅收下降、房屋和設施失修、就業崗位減少、社會治安和生活環境趨于惡化等等現象[4]。在此情況下，外城卻迅速擴張，迎來了快速發展的時期。而西方學者Ronnie Donaldsona等人在此背景下發現城市空間規劃方面存在著過于專業化、與其他部門規劃隔離等問題[5]。我國在建國及改革開放以來則注重舊城改造，例如增添一些最基本的市政設施，以解決居民的衛生、安全、合理分居等最基本的生活問題[6]。交通方面限于拓寬打通少數道路。而市中心地段由于人口密集，建筑密度較高，一般改造時都無力問津[7-8]。因此，城市建設的形態出現外圍建筑新、質量好、層數高，而中心區則普遍較為陳舊、建筑質量差，呈現出與城市正常發展規律相違背的反常狀態?，F在也進入外城擴張內城衰弱時期[9]。國內學者孟丹等人對京津冀都市圈城鄉建設用地空間擴張特征分析得出京津冀都市圈城鎮用地呈現顯著的“圈層式”擴張模式，城鎮用地擴張主要集中在中心城區外圍及高速公路沿線的結果[10]；焦利民等人對武漢的研究發現城市擴張在數量、格局及強度方面與綠地破碎化格局顯著關聯[11]。

通過對比國內外研究綜述可以看出，當前國內外城市在物質空間上的變化趨勢大致相同，但城市物質空間演進及發展路徑存在不同，制度環境的差異是造成這一現象的根本原因[12]。傳統的城市空間分析主要關注平面空間的土地利用變化，如建設用地的擴張和耕地減少等問題，而忽視了城市的三維空間變化，本研究物質空間重構，由平面擴張轉變為更科學立體擴張探索。并且之前傳統的經濟社會空間研究多基于行政單元，具有一定程度上的限制，不能真實的反映某些城市社會空間結構。并且，本研究試圖通過遙感影像確定城市物質空間的改變，劃分出城市物質空間變化的“高頻區”，物質空間變化的高頻區的出現一定意味著社會空間經過快速、激烈的演化過程，以此選定區域并對“高頻區”內的居民進行深入的訪談和社會調研，深入社會經濟層面，更有針對性的獲取數據，貼合真實的城市社會空間結構。使用基于知識的土地利用分類技術，應用ENVI軟件處理遙感圖像，通過對物質空間的變化來判斷社會空間演化特別是紳士化發生的區域。定性與定量、動態與靜態相結合，更科學，成本更低并且精確度高。此外，當前相關領域對中西部城市的城市更新與擴張研究涉及較少，我們選取武漢光谷地區為研究對象，可以有效填補這一地區的研究空白，推動國內城市物質空間更新研究、豐富相關成果。并對于找出武漢市物質空間變化與社會空間變化的普遍聯系，引導相關部門在城市規劃管理上的科學決策，提高規劃部門對城市規劃中人與地的規劃意識，促進城市人地關系的協調發展，提升居民生活幸福水平等都有實踐意義。

2 數據處理與研究方法

2.1 數據來源與數據處理

本研究選取的是來自地理空間數據云的2013—2017年的landsat8 OLI遙感圖像，使用ENVI軟件進行數據融合、圖像裁剪與用地分類，將用地類型分為高層住宅樓、高層商業樓、低矮建筑、綠地、建設用地、不透水面、水體、不可識別八類。在此基礎上，利用網格分析法在ArcGIS中對已進行用地分類處理后的武漢光谷地區2013—2017年遙感圖像進行比較分析，并利用ENVI和ArcGIS做出土地利用變化圖表，發現物質空間更新明顯，大面積的土地出現建筑高度增長。根據變化情況，對2013—2017年的數據進行核密度分析，進而得到武漢市光谷地區從2013—2017年物質空間變化的高頻區，了解武漢光谷地區物質空間演變趨勢。

相較于2013年，2017年武漢市光谷地區物質空間發生明顯轉變：（1）低層住宅減少，高層住宅增加；（2）東南部部分綠地、建設用地轉化為高層住宅；（3）裸露土地減少；（4）東部、南部開發力度大，逐漸由開發程度較低的低住、空地轉換成高層商住用地。從2013—2017年，高層商業樓從光谷轉盤周圍，沿著交通要道進行擴張，2015年高層商業樓大規模擴張；高層住宅樓也主要從光谷轉盤向四周擴張，從2014年開始部分的高層住宅樓周圍出現了高層商業樓，2016年高層商業樓大規模擴張；2013—2017年，整體來說建筑用地從東部向西部擴張，2015年與2017年西部開發較完善，東部出現大量建設用地。

從2013—2017年建設用地主要是在光谷地區西部以及除光谷轉盤以外的地方發生變化；高層住宅和高層商業樓都主要是在光谷地區西部發生變化，且都主要在光谷大轉盤四周以及沿著珞瑜路、礪志路、魯磨路、珞雄路、民族大道等發生變化。后期調研與數據趨勢吻合，因此，可以判斷對武漢光谷地區物質空間演變的研究是比較符合實際的。

2.2 研究方法

（1）遙感圖像解譯與分析。

本研究首先采用基于知識的土地利用監督分類方法，運用Envi技術，區分出高層住宅、高層商務區、低矮建筑群等。對遙感影像進行了圖像融合處理，裁剪出本項目研究范圍——武漢光谷地區區域，后進行對遙感圖像的用地類型分類處理。根據不同功能建筑物周圍環境和物理構造的差異，將用地類型分為高層住宅樓、高層商業樓、低矮建筑、綠地、建設用地、不透水面、水體、不可識別八類。每種地類選取100～200個特征樣本。在具體操作過程中，綠化易區分，一般存在于水面附近和大面積的山體附近。高層住宅樓和宅前路、小區內道路平行、相鄰分布在區域內，陰影可見并覆蓋在綠色植被區上。高層商業樓一般沿交通線分布，陰影可見并覆蓋在不透水面上；低矮建筑在影像上為模糊片狀，無清晰陰影，一般為城中村或老社區街道；水面易識別，易選取，在選取過程中注意避免游船。同時，為提高可識別區準確度，還對分類不明確的給予了不明確分類。

（2）網格分析。

由于研究使用的主要方法是基于綠地/建筑陰影的土地利用分類技術，而遙感數據圖里的建筑陰影會受光照角度等的影響，為了矯正陰影分析質量以及減少其他無關地類陰影的干擾，我們采取150m×150m的網格進行土地利用類型的歸類，通過格網內的最大地類來判斷格網的土地類型，以降低陰影長短不同帶來的誤差。再將網格中的無關地類的數據移除，得到研究的四種地類：高層住宅樓、高層商業樓、低矮建筑、建設用地。再識別出四種地類中陰影面積最大的地類，得到2013—2017年的最大地類分布圖。

（3）土地利用變化分析。

為了更精確地了解研究光谷地區土地利用變化情況，在ENVI軟件里對研究區域的土地利用變化進行定量分析，制作2013—2017年的土地利用轉移矩陣。

通過ArcGIS對研究區的土地利用變化進行定性分析，可以得到光谷地區2013—2017年的土地利用變化圖，重點關注建設用地、高層商業以及高層住宅樓的變化。

（4）核密度分析。

對重點關注的低矮建筑和建設用地——高層住宅的土地變化深入分析。采取核密度分析的方法，判定土地利用變化最強烈的地區——即物質空間演變高頻區。

3 武漢市光谷地區時空擴展的演進路徑

3.1 武漢市光谷地區四種土地利用方式的擴展路徑

采用基于知識的土地利用分類技術，再利用ArcGIS中的網格分析，得到了武漢市光谷地區從2013—2017年的高層住宅樓、高層商業樓、低矮建筑、建設用地四種土地利用方式的分布圖。據圖可以定性地分析，從2013—2017年，低矮建筑呈減少的趨勢；從2013—2017年，高層商業樓具有從光谷轉盤周圍沿著交通要道進行擴張的特征，2015年高層商業樓大規模擴張；高層住宅樓也具有主要從光谷轉盤向四周擴張的特征，另外從2014年開始部分的高層住宅樓周圍配套出現了高層商業樓，2016年高層住宅樓大規模擴張；從2013—2017年，整體來說建筑用地具有從光谷東部向西部擴張的特征，且主要集中在光谷的東部地區，2015年與2017年西部開發較完善，東部出現大量建設用地。

自2009年12月光谷東湖高新區建設國家自主創新示范區獲批后，中央有關部委以及湖北省、武漢市、東湖國家自主創新示范區在財稅、科技金融創新、股權激勵、創新創業、發展戰略新興產業等方面相繼出臺了50多項配套政策，大大吸引了大量的高新技術企業入住光谷地區，由此也帶動了光谷地區的發展，加快了光谷地區的經濟建設。工廠大量建設，因此從2013年到2017年，光谷地區的建設用地面積主要呈增加的趨勢；大量企業的遷入也帶來了大量的人口，促進了光谷地區商業的發展，因此高層商業樓以及高層住宅樓也呈逐年增長的趨勢。

3.2 武漢市光谷地區土地利用方式的變化

在ENVI軟件里對研究區域的土地利用變化進行定量分析（見表1）。表一中橫坐標代表2013年各用地分類，縱坐標代表2017年各用地分類。從2013—2017年，水體總共變化了1253250m2，轉變為建設用地的面積最大，為673200m2；其次是高層住宅和高層商務。不透水面總共變化了13664925m2，轉變為低矮建筑的面積最大，為6707925m2；其次是建筑用地和高層住宅。低矮建筑總共變化了13508550m2，轉變為建設用地的面積最大，為6338700m2；其次是綠地和不透水面。綠地總共變化了15741900m2，轉變為建設用地的面積最大，為11144925m2；其次是不透水面和高層住宅。建設用地總共變化了13107600m2，轉變為低矮建筑的面積最大，為5091300m2；其次是不透水面和綠地。定量地反映出了高層住宅樓、高層商業樓、低矮建筑、建設用地的變化趨勢。

通過ArcGIS對研究區的土地利用變化進行定性分析，可以得到建設用地、高層商業和高層住宅的變化圖（如圖1）。從圖1可以看出，從2013—2017年建設用地主要是在光谷地區東部的地方發生變化；高層住宅和高層商業樓都主要是在光谷地區西部發生變化，且都主要在光谷大轉盤四周以及沿著珞瑜路、礪志路、魯磨路、珞雄路、民族大道等主要交通要道發生變化。

通過定性與定量的分析可得，2013—2017年光谷地區建設用地、高層商業和高層住宅的變化相對面積較大，反映出光谷地區的變化較大的特點。

3.3 武漢市光谷地區物質空間演變高頻區

采取核密度分析的方法，對低矮建筑以及建設用地轉變為高層住宅樓的部分進行深入分析得出了高層住宅變化最強烈的地區——即物質空間演變高頻區（如圖2）。圖2顏色最深處代表從低矮建筑以及建設用地轉變為高層住宅樓頻率最高的地區。據圖可得，高層住宅樓變化的高頻區主要是分布光谷地區的西部地區，這反映出光谷地區轉變過程用時較短；高層住宅樓的變化也可以進一步表現出光谷地區正處于郊區紳士化的進程中。

5 結論與討論

本文運用基于知識的土地利用分類方法，利用ENVI以及ArcGIS分析了武漢市光谷地區的物質空間擴展以及變化趨勢，結果表明：（1）從2013—2017年武漢市光谷地區的低矮建筑的用地面積整體上呈減少的趨勢，建設用地、高層住宅以及高層商業樓呈逐年增加的趨勢。（2）從2013年到2017年，高層商業樓從光谷轉盤周圍，沿著交通要道進行擴張；高層住宅樓也主要從光谷轉盤向四周擴張，從2014年開始部分的高層住宅樓周圍出現了高層商業樓；2013—2017年，整體來說建筑用地從東部向西部進行擴張，2015年與2017年西部開發較完善，東部出現大量建設用地。（3）從2013—2017年建設用地主要是在光谷地區西部發生了用地的轉變；高層住宅和高層商業樓都主要是在光谷地區西部發生變化，且都主要在光谷大轉盤四周以及沿著珞瑜路、礪志路、魯磨路、珞雄路、民族大道等主要交通要道發生變化。

通過對光谷地區物質空間的分析發現，光谷地區正處于郊區紳士化時期，且地區變化較大且變化進程快，容易出現等住房緊張、交通壓力、居民融合等社會問題，因此政府在大力進行經濟的建設，發展高新技術產業的同時也要注意保障民生的建設，解決阻礙光谷地區發展的一系列社會問題。

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