全 文 ：上海市中心城区城市用地扩展的时空特征*
胡瀚文1 摇 魏本胜1 摇 沈兴华1 摇 李俊祥1,2**
( 1华东师范大学环境科学系, 上海 200241; 2上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室, 上海 200241)
摘摇 要摇 利用 1989、1994、2000 和 2005 年高分辨率遥感数据解译的土地利用数据,采用城市
扩展强度指数、梯度分析等方法,分析了快速城市化阶段上海市中心城区城市用地扩展的时
空特征.结果表明: 研究期间,上海城市用地扩展迅速,城市扩展呈现“摊大饼冶式的形态,城
市用地扩展存在各向异性,城市的重心向西南方向移动了 2. 62 km.城市用地扩展强度成倍增
长,扩展强度存在城乡梯度差异,城市扩展最激烈的地区位于城乡交错带,边缘型增长是上海
城市用地扩展的主要方式,但城市用地在城市中心区域呈负增长.政府政策与决策支持、快速
经济增长、社会固定资产投资总额、城市基础设施投资额、交通运输线路长度、城市非农业人
口增加是城市扩展的主要驱动力.
关键词摇 城市化摇 土地利用 /土地覆盖摇 城市扩展摇 城市扩展强度摇 驱动力
文章编号摇 1001-9332(2013)12-3439-07摇 中图分类号摇 Q149; TU984. 1摇 文献标识码摇 A
Spatiotemporal characteristics of urban land expansion in central area of Shanghai, China.
HU Han鄄wen1, WEI Ben鄄sheng1, SHEN Xing鄄hua1, LI Jun鄄xiang1,2 ( 1Deaprtment of Environmen鄄
tal Science, East China Normal University, Shanghai 200241, China; 2Shanghai Key Laboratory of
Urbanization and Eco鄄restoration, East China Normal University, Shanghai 200241, China) .
鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,24(12): 3439-3445.
Abstract: Using the high spatial resolution (2. 5 m) color鄄infrared aerial photos acquired in 1989,
1994, 2000 and 2005, this paper analyzed the spatiotemporal characteristics of rapid urban expan鄄
sion in central Shanghai with urban expansion intensity index and gradient analysis. Results showed
that urban land use in Shanghai increased rapidly in a “pancake冶 style during the study period,
and the anisotropic urban expansion moved the urban center 2. 62 km toward southwest. The urban
land use expansion intensity doubled and showed a rural鄄urban gradient. The most intensive urban
expansion zone fell in the rural鄄urban transition zone, indicating the dominance of peripheral expan鄄
sion as the primary urban expansion mode in Shanghai. However, the urban land use intensity de鄄
creased with time at the urban center. The primary driving forces of urban expansion included sup鄄
port from government policies and decision鄄making, enhanced economic activities, societal fixed as鄄
sets investment, urban infrastructure investment, extension of transportation routes, as well as in鄄
crease in urban population.
Key words: urbanization; land use / land cover; urban expansion; urban expansion intensity; driv鄄
ing force.
*国家自然科学基金项目(30770384)和教育部科学技术重点项目
(106079)资助.
**通讯作者. E鄄mail: jxli@ des. ecnu. edu. cn
2013鄄04鄄09 收稿,2013鄄09鄄21 接受.
摇 摇 2011 年,世界人口数量已逾 70 亿,其中,36 亿
居住在城市. 预测数据显示,2050 年世界人口将达
93 亿,其中,城市人口达 63 亿,且绝大多数的城市
人口增长发生在欠发达国家和地区[1],人口的增长
将引发世界范围内的快速城市化. 城市化深刻地改
变了自然景观的结构和空间格局,从而在城市、区域
乃至全球尺度上对土地利用、土地覆盖、生物多样
性、水循环系统、生物地球化学循环、乃至气候等产
生重要影响[2-3] . 城市化带来的这些问题在发展中
国家尤为严重,并且正在加剧恶化[4] . 因此,了解城
市化的空间格局是理解城市化带来一系列生态环境
问题的第一步.
改革开放 30 多年来,中国的城市化增速史无前
例,城市扩展的速度不断加快,规模不断增大,形式
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 12 月摇 第 24 卷摇 第 12 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Dec. 2013,24(12): 3439-3445
更加复杂[5] . 2010 年,中国 13. 397 亿人口中 49. 7%
居住在城市,到 2030 年将新增 3. 35 亿城市居民[6] .
由此带来的灰霾等大气污染、城市热岛、城市洪涝、
城市水污染等严重问题[7-9],以及城市迅速扩展蚕
食大量耕地引起的人地尖锐矛盾[10-11],已经成为中
国城市可持续发展的制约因素.
国内外关于城市扩展的研究主要关注城市土地
利用 /土地覆被变化及其驱动力[12-13]、城市扩展形
态和增长模式[14-15]、城市扩展对自然资源与环境、
社会环境以及全球变化的影响[2, 16-17],以及城市发
展的预测模型[18-20]等方面.且多用遥感数据结合地
理信息系统技术作为主要信息获取和空间分析手
段,如在华盛顿特区[21]、北京[14]、沈阳[22]、无锡[23]、
济南[24]、南京[25]等城市均有研究者利用遥感数据
对城市扩展及其时空动态进行监测和分析.但是,上
述研究多利用中等分辨率的遥感数据,难以捕捉城
市内部细部特征的动态.
上海作为中国第一大城市,自 1990 年浦东新区
开发以来,快速城市化使其成为我国近 20 年来城市
化最剧烈的地区之一,目前已是中国城市化水平最
高的城市,是开展城市用地时空动态研究的理想地
点,吸引了很多学者对其城市土地利用[15,26-29]、城
市形态和空间规划[30],以及城市增长模拟预测[31]
等方面开展研究.但对上海快速城市化过程中城市
用地结构和城市形态的动态变化仍缺乏足够了解,
城市用地和城市形态变化的驱动机制还有待进一步
分析.鉴于此,本研究利用高分辨率的航空遥感数据
解译的时间序列土地利用数据,探讨了上海城市用
地扩展的时空动态、城市用地扩展是否存在城乡差
异,以及上海城市用地扩展的驱动因素,以期为上海
城市化过程中城市规划、土地利用管理和相关的生
态环境保护提供决策参考,并对国内其他城市的发
展具有参考和借鉴价值.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究地区概况
上海市(30毅40忆—31毅53忆 N,120毅51忆—122毅12忆
E)土地面积 6340. 5 km2 . 2010 年,全市常驻人口
2302. 66 万,GDP 为 1. 7165 万亿元,道路长度达
16687 km[32] .发达的道路交通等基础设施进一步促
进了上海的城市化,2008 年上海已成为中国城市化
水平最高的城市[33] . 本研究区域为图 1 中 60 km伊
49. 5 km的矩形区域,覆盖整个上海中心市区,以及
嘉定、宝山、浦东、南汇、松江、闵行、青浦、奉贤等区
图 1摇 研究区域示意图
Fig. 1摇 Sketch map of the study area.
的部分地区,不含长兴岛,总面积为 2722 km2 .
1郾 2摇 数据来源
本文研究数据资料主要包括 1989、1994、2000
和 2005 年 4 个时相的上海市 1 颐 5 万彩红外航空遥
感影像经目视解释的土地利用数据,影像由上海市
城市信息中心提供,影像的航拍时间为每年的 4—5
月,空间分辨率为 2. 5 m,适合人工目视判读和解译
用地类型.土地利用类型解译参照李俊祥等[34]的土
地利用分类方法,分为工业用地、道路交通用地、公
共设施用地、居住用地、绿地、农业用地、水体和其他
类型用地 8 大类.土地利用数据精度检验,是在解译
的土地利用数据上叠加 3 km伊3 km 的网格,每个网
格中随机取样 1 个样点,2005、2000、1994 和 1989 年
4 个时相数据中分别得到 576、577、577 和 573 采样
点,并进行野外调查验证,经检验土地利用数据的精
度分别达到 93. 9% 、95. 3% 、95. 8%和 96. 3% .为便
于探讨城市用地的时空动态,把工业用地、道路交通
用地、公共设施用地、居住用地和其他类型用地归并
为城市用地类型,另外 3 种用地类型归并为非城市
用地类型.
1郾 3摇 研究方法
采用城市用地的扩展面积和扩展强度指数来描
述城市用地扩展空间差异特征. 扩展强度指数指在
指定时间内研究区域的城市土地利用扩展面积占其
土地总面积的百分比[14-15] .其计算公式为:
M=(Ub-Ua) / A伊1 / T伊100% (1)
式中:M 为城市用地扩展强度;Ua、Ub分别为研究期
初、研究期末城市用地的面积;A 为研究区域总面
积;T为研究期的时段长度(a).
为探讨城市用地的空间变化,采用象限方位分
析方法[35],以上海市人民广场为原点,将研究区域
分成 8 个象限,将不同时期的城市用地进行叠加
(图 2),统计分析不同年份城市用地在各个象限方
0443 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
位中的城市用地扩展面积与扩展强度. 为进一步探
讨上海城市用地的空间变化,采用城市用地资源分
布重心变化情况来反映城市用地重心的转移. 通过
不同时期城市重心的转移情况,可以分析城市空间
变化规律.其计算公式为[36]:
X t =移
n
i = 1
(C ti 伊 X i) /移
n
i = 1
C ti
Yt =移
n
i = 1
(C ti 伊 Yi) /移
n
i = 1
C ti (2)
式中:X t、Yt分别为第 t 年城市分布重心的经度、纬
度;C ti为第 t年第 i块矢量图的斑块面积;X i、Yi分别
为第 i块矢量图斑块几何中心经度、纬度坐标.重心
是在 ArcGIS软件下对 4 个时期的城市用地进行计
算求得.
采用梯度分析的方法探讨上海城市用地在城市
化梯度上的时空特征变化. 采用缓冲带分析
法[15,37],以市中心(人民广场)为原点,以 2. 5 km的
间距依次设置缓冲带,由里向外依次编号,共得到
16 个缓冲带.将这些缓冲带与不同时期的城镇用地
进行叠加分析,统计不同时期各个缓冲带的城市用
地面积及其扩展强度(图 2).
2摇 结果与分析
2郾 1摇 上海市城市用地扩展的时空动态
上海市城市用地面积在各个象限之间存在着很
大的差异(图 3). 1989 年,各个象限之间的城市用
地面积差异相对较小,标准偏差为 14. 49 km2 . 其
中,第 6 象限的面积最大,为 62. 74 km2,第 2 象限次
之,为 60郾 29 km2,第 8 象限最小. 8 个象限按城市用
地面积从大到小依次为:第 6>第 2>第 5>第 4>第 3>
第 1>第 7>第 8. 1994 年,各象限之间的城市用地的
标准偏差有所增加,城市用地面积从大到小依次为:
图 2摇 1989—2005 年不同象限区域城市用地扩展
Fig. 2摇 Urban sprawling in different quadrants in Shanghai be鄄
tween 1989 and 2005.
图 3摇 1989—2005 年各象限城市用地面积的变化
Fig. 3摇 Variations of urban land use in eight quadrants between
1989 and 2005.
1 ~ 16 为缓冲带编号 1-16 were the number of the buffer.
第 6>第 4>第 5>第 2>第 3>第 1>第 8>第 7. 2000 年,
各象限的城市用地面积差异较之前明显增加,各象
限之间城市用地面积的标准偏差达到 25. 01 km2,
城市用地开始呈现各向异性,各象限城市用地面积
排序变为:第 6>第 5>第 4>第 3>第 2>第 1>第 7>第
8. 2005 年,各象限城市用地面积差异达到最大,标
准偏差上升到 45. 01 km2,各象限城市用地面积排
序变为:第 5>第 6>第 4>第 3>第 2>第 1>第 7>第 8.
1989—2005 年,城市用地面积相对较小的象限是第
7、8 象限;第 2 象限的城市用地面积增量最少,仅
21. 94 km2,第 5 象限的增量最大,为 126. 02 km2,第
6 和第 4 象限的增量次之;各个方向城市用地面积
均呈加速扩大的趋势.
从各象限城市用地面积占区域总面积的百分率
(即土地城市化率)来看,第 2 象限的土地城市化率
始终保持最高,第 7、第 8 象限一直最低. 1989—
2005 年间,除第 2 象限外,所有象限的土地城市化
率均成倍增加,到 2005 年,第 1、2、3、6 象限的土地
城市化率已在 40%以上(图 4).
摇 摇 城市用地扩展强度在各个时期的空间差异十分
显著(图 5). 1989—1994 年,城市用地扩展的方向
主要发生在第 1、第 4 和第 8 象限,三者的扩展强度
均大于 0. 15%·a-1;1994—2000 年,主要发生在第
3 和第 5 象限,其扩展强度超过 0. 06%·a-1,第 1、
4、6、7 扩展强度接近;2000—2005 年,城市用地扩展
方向主要发生在第 4、5、6、7 象限,即西南方向,其
中,4、5、7 象限的扩展强度超过 0. 12%·a-1 .
在整个研究期间,第 4、第 5 象限的扩展强度均
大于 1. 5%·a-1,第 6、7、8 象限次之.城市用地扩展
144312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 胡瀚文等: 上海市中心城区城市用地扩展的时空特征摇 摇 摇 摇 摇
图 4摇 各象限城市用地面积百分率
Fig. 4 摇 Percentage of urban land use area in different quad鄄
rants.
图 5摇 各个时期不同象限城市用地扩展强度指数
Fig. 5摇 Expansion intensity of urban land use for different quad鄄
rants in different phases (%·a-1).
a) 1989—1994; b) 1994—2000; c) 2000—2005; d) 1989—2005.
下同 The same below.
的方向主要为西北、西、西南方向,东南方向的扩展
也已经启动.然而,尽管不同时期城市用地扩展存在
各向异性,但总体来看,除了东北方向因为靠近长江
和东海,空间有限,缺乏发展纵深,导致扩展强度较
低外,上海市区最终呈现出“摊大饼冶式的扩增模式
(图 5).
伴随着不同时期城市用地扩展的方向性差异,
城市用地的重心也发生变化. 1989—1994 年间,重
心向西北方向偏移了 0. 49 km,主要原因是上海中
心市区向上海西北部和北部蔓延较快. 重心在
1994—2000 年间向西南方向移动了 0. 74 km,在
2000—2005 年间继续加速向西南方向移动,移动距
离达 2. 62 km(图 6、表 1).研究期间,城市重心位置
经历了先向西北偏移,继而又加速向西南方向偏移
的过程.重心移动与上海城市用地扩展主要方向的
变化过程相吻合.
2郾 2摇 上海市城市用地扩展的城乡梯度变化
随着距离中心原点的距离增加,各时段的城市
用地扩展强度指数呈先升后降的单峰变化格局(图
7).将不同时段的最高扩展强度所处的缓冲带与城
市用地叠加分析显示,扩展强度最高的地区均位于
主城区的城乡接合部,表明城市增长主要是在原有
城区基础上的边缘型增长. 1989—1994 和 1994—
2 000年,城市扩展强度峰值区虽然位于城乡结合
表 1摇 上海城市用地重心位置
Table 1 摇 Center position of gravity of urban land use in
Shanghai
年份
Year
经度
Longitude
纬度
Latitude
地区
District
1989 121毅26忆17义 31毅13忆38义 静安区
1994 121毅26忆00义 31毅13忆44义 静安区
2000 121毅25忆34义 31毅13忆33义 长宁区
2005 121毅24忆17义 31毅12忆42义 长宁区
图 6摇 1989—2005 年城市用地重心转移图
Fig. 6摇 Shift of the center of gravity of urban land use from 1989
to 2005.
图 7摇 城市用地扩展强度沿城乡梯度的变化
Fig. 7摇 Variation of urban expansion intensity along urban鄄rural
gradient.
2443 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
表 2摇 城市用地面积与社会经济因子之间的相关系数
Table 2摇 Coefficients among urban land area and socioeco鄄
nomic factors
年份
Year
城市用
地面积
Urban
land
area
(km2)
GDP
(伊108
yuan)
固定资产
投资
Fixed
assets
investment
(伊108
yuan)
城市基础
设施投资
Urban
infrastructure
investment
(伊108
yuan)
运输线路
长度
Traffic
route
length
(km)
非农人口
比例
percent non鄄
agriculture
population
(% )
1989 338. 13 696. 54 214. 76 36. 09 3163 67郾 0
1994 507. 25 1990. 86 1123. 29 238. 16 3967 70. 1
2000 639. 34 4771. 17 1869. 67 449. 90 6335 74. 6
2005 914. 82 9154. 18 3542. 55 885. 74 8379 84. 5
R2 1 0. 98 0. 99 0. 99 0. 97 0. 98
部,但后一阶段城市用地扩展强度明显降低. 2000—
2005 年,城市扩展强度出现爆发式增长,期间的城
市边缘向外扩展了 5 km,从距离中心点 12. 5 km(第
6 缓冲带)到 30 km(第 13 缓冲带)范围内,城市扩
展强度均大于 2. 0%·a-1,扩展强度指数是前两个
时期的 2 倍以上. 自 1989—1994 年阶段起,中心城
区的扩展强度指数开始出现负值,且随着城市化的
推进,负值区域向外不断扩大.
3摇 讨摇 摇 论
上海城市用地扩展动态分析表明,总体上看,上
海市由于一直处于城市化阶段,各个方向的城市扩
展都在加速进行,但城市用地扩展具有明显的时空
异质性.造成这种差异的原因主要取决于城市所处
的自然地理环境和不同时期城市发展的社会、经济
因素.城市所处的区域自然地理环境是城市存在和
发展的物质基础[38],在一定程度上决定了城市用地
扩展的宏观格局[35] . 8 个象限中,第 2 象限的城市
用地扩展速度较慢,且土地城市化率较高,主要是由
于该象限是杨浦区、虹口区等上海市的老工业基地
所在地,城市化水平一直较高,同时由于受到濒临黄
浦江、长江和东海的地理位置限制,缺乏充足的纵深
发展空间,因此,后期发展的速度受限,城市扩展强
度降低,乃至停滞不前.其他各个方向的城市用地扩
展受多种因素的影响. 优先发展工业和改革开放的
政策因素,把上海建成为我国最大的经济中心和航
运中心,发挥上海在长江三角洲和整个长江流域地
区的经济新飞跃中的龙头作用[39]是国家政策和上
海市政府的决策.为此,国家和上海市政府在土地开
发和投资方面给予诸多优惠政策,加速了城市用地
的增长. 1984—2006 年间,上海市共建成 9 个国家
级和 30 个市级的工业开发区,累计规划面积达
657郾 18 km2[40] .其中,1989—1994 年间,7 个国家级
开发区中有 5 个(累计规划面积达 93. 51 km2)、13
个市级开发区中有 10 个(累计规划面积达 232. 14
km2)均位于第 1、4 和 8 象限. 1995—2000 年间,2 个
国家级开发区(累计规划面积为 49. 1 km2)和 6 个
市级开发区中的 5 个(规划面积合计达 67. 26 km2)
位于第 3、5、6 象限. 2000—2006 年间,共有 11 个市
级开发区建立,其中,8 个位于第 4、5、6 象限(规划
面积合计达 127. 37 km2),3 个位于第 7、8 象限(合
计 42. 9 km2). 这些开发区的建立是各个时期城市
用地扩展存在各向异性的主要原因.
城市用地面积的增长和形态的发展受多种社
会、经济因素的影响和驱动[41] . 为探讨上海市
1989—2005 年间城市用地增长的驱动因素,本文筛
选了 GDP、社会固定资产投资、城市基础设施投资
额、运输线路长度和非农业人口 5 项主要社会经济
指标,与城市用地面积进行相关分析.由图 8 可以看
出,1989—2005 年上海 GDP 增长了 12 倍,从 1989
年的 696. 54 亿元上升到 2005 年的 9154. 18 亿元;
全社会固定资产投资总额增长了 15. 5 倍,由 1989
年的 214. 76 亿元增加到 2005 年的 3542. 55 亿元.
城市用地面积与 GDP 和社会固定资产投资总额呈
高度正相关(R2分别为 0. 98 和 0. 99),表明经济发
展促进了城市用地的显著增长. 城市交通与市政基
础设施组成了城市发展的框架,为城市用地扩展奠
定了基础[28],道路交通由于增加了土地的可达性,
有利于促进人口、资源的流通和再分布,从而直接影
响城市扩展的方向和速度[29] . 1989—2005 年,上海
市的城市基础设施投资逐年增加,2005 年城市基础
设施的投资额达 885郾 74 亿元,比 1989 年增长了 23
倍.城市用地面积与城市基础设施投资额和交通运
输线路长度之间存在高度正相关(R2分别为 0. 99
和 0郾 97),表明基础设施建设对城市用地的快速增
长具有显著的促进作用. 人口发展是城市扩展的最
初动力[42-43],城市人口的增长必然导致城市居民对
住房和公共基础设施需求的增加,从而增加城市用
地的刚性需求. 1989 年上海市非农业人口 855. 84
万,占总人口的 67% ,2005 年已增加到 1148. 94 万,
占总人口的 84. 5% .非农人口百分比与城市面积存
在高度的相关性(R2 =0. 98),城市人口的增长直接
推动了城市用地面积的增长(图 8).
研究表明,城市用地扩展存在城乡梯度[14,26,35],
城市中心区域内的用地扩展强度均逸0.本研究结果
证实,上海城市用地扩展同样存在城乡梯度的时空
344312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 胡瀚文等: 上海市中心城区城市用地扩展的时空特征摇 摇 摇 摇 摇
差异,但城市中心区域的城市用地却呈现负增长.众
所周知,中国的城市化过程绝大多数均伴随着老城
区的拆迁、改造,尤其是 2000 年以后,全国范围的
“生态城市冶、“园林城市冶等运动,使城市规划和建
设中注重绿色廊道、绿地和公园等城市绿色基础设
施的建设,导致市中心范围内的城市用地呈负增长.
关于城市中心区内城市用地结构的变化,前人研究
中多利用 Landsat TM / ETM+等中等分辨率(30 m)遥
感数据,难以监测到这些细尺度的变化,而本研究由
于使用了高分辨率(2. 5 m)的遥感数据,能够准确
捕捉到这些变化,体现了高分辨率遥感数据在城市
土地利用变化监测方面的优势. 随着高分辨率遥感
数据的普及,其在城市土地利用土地覆盖变化和城
市景观格局动态研究中的应用将是今后一个主要方
向.
4摇 结摇 摇 论
1989—2005 年,上海城市用地扩展迅速,除了
东偏北方向外,其他各象限的城市用地扩展存在各
向异性,城市的重心向西南方向移动了 2. 62 km,导
致上海城市扩展呈现“摊大饼冶式的形态.城市用地
扩展强度成倍增长,扩展强度存在城乡梯度,城市扩
展最激烈的地区位于城乡交错带,边缘型增长是上
海城市用地扩展的主要方式. 用高分辨率遥感影像
不仅可以检测到城市用地的扩展,还可以精细地检
测到城市内部扩展强度的负增长变化趋势. 政府政
策与决策支持、GDP、社会固定资产投资总额、城市
基础设施投资额、交通运输线路长度、城市非农业人
口与城市用地面积之间存在高度相关性,是城市扩
展的主要驱动力.
致谢摇 感谢北卡罗来纳大学地理系宋从和教授对英文摘要
的修改.
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作者简介摇 胡瀚文,男,1988 年生,硕士研究生.主要从事景
观生态、城市生态研究. E鄄mail: hhw8833@ sina. com
责任编辑摇 杨摇 弘
544312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 胡瀚文等: 上海市中心城区城市用地扩展的时空特征摇 摇 摇 摇 摇