全 文 ：第 33卷 第 3期 生 态 科 学 33(3): 545−552
2014 年 5 月 Ecological Science May 2014

收稿日期: 2012-11-09; 修订日期: 2013-05-06
基金项目: 国家自然科学基金项目(41171404); 中央高校基础研究基金项目; 西北大学科学研究基金项目
作者简介: 荀斌(1985—), 女, 讲师, 研究方向为城市化及其环境效应, E-mail: xunbin@nwu.edu.cn
*通信作者: 于德永, 男, 教授, 研究方向为城市化及其环境效应和景观可持续性, E-mail: dyyucas@163.com

荀斌, 于德永, 王雪, 等. 深圳城市扩展模式的时空演变格局及驱动力分析[J]. 生态科学, 2014, 33(3): 545−552.
XUN Bin, YU Deyong, WANG Xue, et al. Spatio-temporal dynamics of urban growth and its driving forces in Shenzhen City[J].
Ecological Science, 2014, 33(3): 545−552.

深圳城市扩展模式的时空演变格局及驱动力分析
荀斌 1,2,3, 于德永 1,2,*, 王雪 1,2, 刘宇鹏 1,2, 郝蕊芳 1,2, 孙云 1,2
1. 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室, 北京 100875
2. 北京师范大学人与环境系统可持续性研究中心, 北京 100875
3. 西北大学城市与环境学院, 西安 710127

【摘要】 城市扩展是城市化过程最显著的特征之一, 研究不同城市扩展模式的景观格局演变规律对理解城市化过程, 揭示
城市格局演变规律和形态发展特征具有重要意义。以快速城市化典型地区——深圳市为研究区域, 通过对 1980—2010 年 6
期 Landsat 遥感影像进行解译, 将城市扩展模式识别与景观格局指数分析方法相结合, 对城市景观格局进行分析, 对比不同
区域不同扩展模式的城市扩展格局, 并探究城市增长的社会经济驱动因素。结果表明: 过去 30 年间城市用地类型转变为深圳
景观主导类型, 其空间格局破碎化程度增加, 2005 年后斑块破碎化程度下降; 两种城市增长模式中, 边缘扩展是城市增长的主
要方式; 深圳城市扩展格局动态是以国家政策为导向的经济发展、人类活动和城市规划等多重因素共同驱动作用的结果。

关键词：城市增长; 景观格局; 扩展模式; 驱动力; 深圳市
doi:10.3969/j.issn. 1008-8873.2014.03.023 中图分类号：Q149 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2014)03-545-08
Spatio-temporal dynamics of urban growth and its driving forces in Shenzhen City
XUN Bin1,2,3, YU Deyong1,2,*, WANG Xue1,2, LIU Yupeng1,2, HAO Ruifang1,2, SUN Yun1,2
1. State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
2. Center for Human-Environment System Sustainability, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
3. College of Urban and Environmental Science, Northwest University, Xi’an 710127, China
Abstract: Urbanization has been a universal and irresistible trend across the world. Quantifying urban growth pattern can provide
more details to understand urbanization processes and their ecological effects. It is also essential for governmental planners and
decision-makers to design and optimize urban landscape. In this study, combining remote sensing images and landscape metrics,
we analyze urban landscape patterns in a typical region of rapid urbanization in China-Shenzhen during the period of 1980-2010.
We quantify two urban growth forms, edge expansion and leaping growth, compare different urban growth patterns in the Special
Economic Zone (SEZ) and outside the SEZ in response to urbanization, and explore driving forces of rapid urban growth. The
results showed that the dominant semi-natural landscape was fundamentally converted into the human-induced landscape. The
fragmentation degree and shape complexity of urban area constantly increased, the urban pattern tended to combination and
aggregation after 2005. Compared with the leaping style, and the edge expansion was the primary urban growth form. The
patches of leaping style were more fragmented in size and more complex in shape than that of edge expansion. The urban
growth patterns in SEZ and outside the SEZ had obvious differences. The urban spatial pattern changed greatly attributed to a
significant growth of economy and population and urban planning which were intertwined with governmental policies.
Key words: urban growth; landscape pattern; growth forms; driving forces; Shenzhen City
546 生 态 科 学 33 卷
1 前言
当今, 城市化已成为世界范围内不可阻挡的潮
流和趋势。随着城市化进程的推进, 城市人口不断
增加, 截至 2008 年世界城市人口已达到 50%[1], 据
预测, 到 2030 年这一数字将超过 60%[2]。人类活动
极大的改变了城市地表形态和景观格局[3], 使原来
连续、均质的自然景观逐渐转变为破碎、异质的生
境斑块镶嵌体[4]。城市化已成为土地利用方式转变
的最重要的驱动因素之一[5], 从而影响和改变城市
生态系统的结构、功能和动态变化过程[6-7], 对不同
区域尺度上的生物多样性、水文循环、气候及生物
地球化学循环过程产生显著影响[8], 引发一系列严
重的生态环境问题[9]。因此, 城市扩展的景观格局动
态变化研究对理解城市化过程及其生态环境效应具
有重要意义。
近几十年, 许多学者对城市扩展和城市形态学
进行了广泛研究[10−13], Dietzel 等[13]提出假设, 认为
城市增长包含两个明显不同的过程——离散和联合,
它们在城市化过程中交替出现。离散增长又被称为
自发式增长或跳跃式增长, 联合增长又被称为边缘
扩展或蔓延式增长[12,14]。不同的学者对城市增长模
式具有不同的定义, 但含义基本相同[15]。城市形态
学和空间格局演化研究对理解城市结构和动态具有
重要意义。但由于城市生态系统的复杂性, 城市扩
展的理论和方法研究大多还停留在假设阶段[15]。空
间格局指数分析是定量研究景观格局的常用方法,
可以捕获城市景观格局动态变化的细节特征[16]。但
目前研究往往只侧重于对景观格局几何特征的简单
描述分析, 忽略了城市扩展模式与景观格局动态过
程的相互联系。研究不同城市扩展模式的景观格局
时空变化对理解城市化过程, 揭示城市格局演变规
律和形态发展特征具有重要意义。
改革开放以来, 深圳已由一个边陲小渔村发展
成为人口上千万、GDP 全国第四位的国际化城市,
它用短短 30 年的时间走完了西方国家几百年走过
的道路。在快速城市化过程中, 深圳的土地利用结
构和景观格局发生了巨大变化[17–18], 带来深刻的生
态环境影响, 如生态系统生产力降低、暴雨洪水灾
害、环境污染、城市热岛效应等[19–22]。本文应用景
观生态学和城市形态学的相关理论和方法, 基于 6
期Landsat遥感影像数据, 分析深圳城市景观格局动
态, 研究不同区域不同城市扩展模式的空间格局演
变特征, 并探究城市扩展的社会经济驱动因素, 为
城市生态系统过程研究和未来城市规划提供理论依
据和参考价值。
2 研究区概况
深圳市地处广东省东南沿海, 北与东莞市、惠
州市接壤, 南与香港新界相邻, 东临大亚湾, 西濒
珠江口伶仃洋, 地理坐标介于东经 113°45′—114°37′,
北纬 22°26′—22°51′之间, 总面积约 1952.84 km2。深
圳市属亚热带海洋性气候, 年均温度 22.40 ℃, 年
均降雨 1933.3 mm。植被为南亚热带常绿阔叶林。
深圳经济特区成立于 1980 年, 是我国最早设立
的经济特区之一。目前, 深圳共设 6 个市辖区, 即经
济特区内的罗湖区、福田区、南山区和盐田区, 特
区外的宝安区和龙岗区(图 1)。改革开放 30 年, 全市
GDP由1979年的1.96亿元增长到2010年的9510.91
亿元, 常住人口由 1979 年的 31.41 万增加至 2010 年
的 1035.79 万[23]。伴随着快速城市化过程, 深圳土地
利用方式和景观格局发生巨大变化, 影响原有城市
生态系统的结构和功能, 城市发展面临日益严重的
生态环境问题。特别是在城市化进程的不同阶段,
由于社会经济等多方面因素差异, 特区内外城市扩
展的空间格局显著不同。因此, 选取深圳市作为研
究区域, 对比研究经济特区内外城市用地扩展的时
空格局动态具有一定的代表意义。

图 1 研究区位置
Fig. 1 Location of study area
3 期 荀斌, 等. 深圳城市扩展模式的时空演变格局及驱动力分析 547
3 研究方法
3.1 数据来源与处理
本研究选用美国陆地卫星(Landsat)遥感数据,
共选取了 1980、1988、1994、2000、2005 及 2010
年同一或相近季相的 6 期无云遥感图像, 其中 1980
年为 MSS 数据(分辨率 79 m), 1988、1994、2005 及
2010 年为 TM 数据(分辨率 30 m), 2000 年为 ETM+
数据(分辨率 30 m)。此外, 收集 1960—1970 年代
1:50000 地形图和 2001 年 1:100000 行政区图用于地
理配准和研究区提取; 收集1983和1997年1:200000
土地利用专题图、1999 年 1:8000—1:24000 航片、
2003 年 IKNOS 影像(分辨率 2.5 m)以及野外调查的
实测数据作为土地分类的辅助信息。
本研究首先利用深圳市地形图(1:50000)对不同
时相的遥感图像进行几何配准, 共选取均匀分布的
地面控制点(GCPs)近 400 个, 并记录各点的土地利
用信息, 配准的误差均小于半个像元。以 1: 100000
深圳市地图作为标准图件, 提取研究区域。利用非监
督分类方法, 根据遥感影像的第 3 和第 4 波段计算得
出植被指数 NDVI, 将地物分为非植被覆盖用地、植
被覆盖用地以及水域三大类, 然后采用监督分类的
最大似然法分别对子类进行划分。本文将深圳市土地
利用类型分为 6 类: 城市用地、农田、园地、林地、水
体和未利用地(图 2)。分类的总体精度分别为 83%、
84%、86%、87%、89%和 90%, Kappa 系数分别为
0.7653、0.8028、0.8267、0.8335、0.8597 和 0.8756。

图 2 深圳市土地利用分类图(1980—2010 年)
Fig. 2 Classification of land use thematic maps in Shenzhen (1980-2010)
3.2 城市扩展模式
城市扩展模式大体可分为两种类型: 跳跃式增
长和边缘扩展。跳跃式增长是在原有城市斑块的周
围出现新的独立的城市斑块, 是一种离散型的增长
方式; 边缘扩展是在原有城市斑块的基础上以邻接
连续的方式向外扩展, 是一种连续型的增长方式。
识别两类城市扩展模式的一种简单方法是判断新增
斑块与原斑块是否存在公共边, 如果存在公共边则
为边缘扩展, 反之则为跳跃式增长。为进一步识别
城市不同扩展模式下斑块的空间格局特征, 将新增
斑块密度(GPD)定义为:
GPD /N S=
将新增斑块平均面积(GMPS)定义为:
GMPS /S N=
式中, S 为新增斑块面积, N 为新增斑块的个数。本文
用 GPDedge和 GPDleap分别表示边缘扩展和跳跃式增
长的城市斑块密度, GMPSedge和 GMPSleap 分别表示
边缘扩展和跳跃式增长的平均斑块面积。当 GPD 值
548 生 态 科 学 33 卷
较低, GMPS 值较高时, 新增城市斑块呈聚集增长;
反之, 新增斑块的破碎化程度和分散程度较高。此
外, 选用斑块周长面积比(PAR)表征两种模式新增
斑块的形状复杂程度。
3.3 景观格局指数
景观格局指数是指能够高度浓缩景观格局信息,
反映景观结构组成和空间配置特征的定量指标。本
研究选取斑块密度、最大斑块指数、斑块形状指数、
平均最近距离 4 个具有明确生态学含义的景观指数
定量研究城市空间格局, 并利用美国俄勒冈州立大
学森林科学系开发的软件 FRAGSTATS 3.3 计算各
指数[24]。
4 结果与分析
4.1 深圳城市扩展总体特征
由表 1可知, 过去 30年深圳经历了快速城市化过
程, 城市用地面积迅速增加, 1980 年仅有 12.25 km2,
2010 年达到 747.88 km2(占全市总面积 37.59%), 是
1980 年的近 60 倍。其中, 1980—1988 年增长幅度最
大, 高达 1294.04%, 之后增幅逐渐减小。1980—2000
年期间, 城市用地的斑块密度呈缓慢增长, 2005 年迅
速增长达到峰值 6.47 个·km−2, 2010 年下降到 2.76
个·km−2。1980—2010 年, 城市最大斑块面积比例呈
上升趋势, 斑块形状指数持续增加, 斑块之间的平
均最近距离不断下降。结果表明, 过去 30 年城市斑
块破碎化程度增加, 城市用地逐渐成为主导景观类
型, 斑块形状趋于复杂, 聚集程度不断提高, 2005 年
后城市用地破碎化程度下降, 斑块呈现合并、连片
增长。
4.2 不同扩展模式的城市用地时空分布格局
由表 2 和图 3 可知, 1980—2010 年深圳城市用
地增长模式以边缘扩展为主, 5 个时期边缘扩展的
城市用地面积占新增城市用地总面积的 77%以上,
是跳跃式增长的 3—12 倍之多。30 年间边缘扩展面积
呈上升趋势, 1980—1988年边缘扩展面积为124.77 km2,
占新增城市用地面积的 77.58%, 2005—2010 年这一
面积已增加至 224.23 km2, 占新增总面积的 92.4%。与
之相反, 跳跃式增长的城市用地面积持续下降(2000—
2005 年略有增加), 面积比例由第一个时期的 22.42%
下降到末期的 7.6%。城市化进程初期, 深圳以林地、
耕地等自然、半自然景观为主, 城市扩展的潜在空
间较大, 因此跳跃式增长的城市用地相对较多(与
后几个时期相比)。随着城市化进程的推进, 大量农
业用地和生态用地被城市用地侵占, 到 2005 年除
去基本生态控制线(《深圳市基本生态控制线管理
规定(2005)》)以内的生态用地, 深圳城市扩展可利用的

表 1 深圳市城市斑块面积及景观格局指数计算结果(1980—2010)
Tab. 1 Results of urban patch area and landscape metrics in Shenzhen (1980-2010)
年份 面积/km2 斑块密度/(个·km−2) 最大斑块指数 斑块形状指数 平均最近距离/m
1980 12.25 0.56 0.03 40.13 334.38
1988 170.77 1.45 2.38 66.42 171.69
1994 374.22 3.22 11.39 93.04 111.38
2000 563.98 2.97 24.02 92.69 107.73
2005 666.26 6.47 23.22 121.17 87.12
2010 747.88 2.76 32.50 122.99 99.67

表 2 两种扩展模式新增城市用地的面积(1980—2010)
Tab. 2 Area of newly-grown urban land in two growth forms
(1980-2010)
时期 跳跃式增长/km2 边缘扩展/km2
1980-1988 36.05 124.77
1988-1994 41.85 178.06
1994-2000 27.34 214.41
2000-2005 28.75 184.61
2005-2010 18.45 224.23
土地资源已十分有限, 此时新增城市用地几乎全部
为边缘扩展类型。
深圳经济特区内和特区外, 城市扩展的空间格
局动态呈现显著差异(图3和图4a)。1980—1988年, 经
济特区内新增城市用地面积分布相对集中, 城市扩展
主要是从原有的城市中心向外侵占和蚕食城市周边
的耕地和林地; 经济特区外, 城市扩展主要分布在深
圳各镇中心, 其他区域呈现零星散落分布。1988—
3 期 荀斌, 等. 深圳城市扩展模式的时空演变格局及驱动力分析 549

图 3 不同扩展模式城市用地的空间分布
Fig. 3 Spatial distribution of urban areas in different growth forms

图 4 不同城市增长模式的空间格局指数(1980—2010)
Fig. 4 Spatial pattern metrics in different urban growth forms (1980-2010)
1994 年, 在特区外城市用地在原有建成区基础上继
续向外扩展, 将各镇中心连接起来, 基本形成以特
区为中心, 向西、中、东延伸的带状组团式城市结
构骨架。前两个时期城市用地分布格局与大规模的
道路建设密切相关。1994 年以后, 特区内可利用的
土地资源基本达到饱和, 80%以上新增城市用地分
布在特区以外。深圳经济特区内, 城市增长以边缘扩
展方式为主, 不同时期边缘扩展面积是跳跃式增长
的 5—10 倍不等。过去 30 年间, 两种扩展方式的新
增城市面积均呈下降趋势, 城市边缘扩展面积和跳
550 生 态 科 学 33 卷
跃式增长面积分别由 1980—1988 年间的 41.6%和
4.4%下降到 2005—2010 年间 14.83%和 0.9%。经
济特区外 , 城市边缘扩展占据主导地位 , 其面积
比例持续增加, 2005—2010 年间这一比例已高达
77.57%, 而跳跃式增长面积比例相对较小 , 总体
上呈下降趋势。
由图 4b和 d可知, 过去 30年间, 在全市范围内,
跳跃式增长的城市斑块密度(GPDleap)远高于边缘扩
展的斑块密度(GPDedge), 前者是后者的数十倍之多,
而跳跃式增长的斑块平均面积(GMPSleap)远低于边
缘扩展(GMPSedge)。1980—2005 年间, 两种扩展方式
的斑块增长密度均呈上升趋势, 特别是 2000—2005
年特区内跳跃式增长的斑块密度高达 571.17
个·km−2, 2005—2010 年间两种扩展方式的斑块增长
密度开始下降(特区内 GPDleap 略有上升)。两种扩展
方式的平均斑块面积则与斑块密度呈现大体相反的
变化趋势, 先下降后略有上升, 特别是 1980—1994
年, 经济特区内边缘扩展的平均斑块面积显著下降,
由 1.29 km2 下降到 0.19 km2, 降幅达 84.59%。对比
经济特区内和特区外, 1980—2000 年特区内两种扩
展方式的斑块密度均低于特区外, 2000 年以后特区
内的斑块密度超过特区外。1980—2000 年特区内两
种扩展方式的平均斑块面积均高于特区外, 2000 年
后特区内外的这一指数基本持平。结果表明, 与边
缘扩展方式相比, 跳跃式增长的斑块破碎程度较
高。1980—2000 年, 特区外两种扩展方式的破碎化
程度均高于特区内, 2000—2010 年特区内新增斑块
的破碎化程度超过特区外。过去 30 年, 特区内外跳
跃式增长的斑块形状指数均高于边缘扩展, 表明跳
跃式增长的斑块形状较为复杂(图 4c)。1988—2010
年特区内边缘扩展的斑块形状复杂程度高于特区外,
而跳跃式增长的形状指数在特区内外差别不大。
4.3 城市扩展的驱动力分析
城市景观格局演变具有极其复杂的驱动机制,
自然因素和人为因素均可对其产生影响, 但人为活
动无疑占据更为重要的地位[25]。深圳的快速城市扩
展与经济发展、人口增长、国家政策和城市规划战
略密切相关。由图 5 可知, 深圳建成区面积与全市
GDP、固定资产投资额和人口数量高度相关, 相关
系数分别为 0.939、0.965 和 0.987。经济特区建立
初期(20 世纪 80 年代), 特区内的深圳镇、蛇口和沙
头角作为政府先行开发的地区被列入规划范围, 在
此基础上又将经济特区从东到西划分 5 个组团, 包
括盐田和沙头角、罗湖和上埗、福田、沙河、南头,
这时深圳的工业用地主要集中在特区内, 以组团形
式发展, 特区外以农业用地为主。20 世纪 80 年代末
到 90 年代初深圳规划区域进一步扩大到全市范围。
由于政府的政策扶持和税收优惠, 吸引大量国内外
投资, 个体经济快速发展, 特别是在“三来一补”政
策的推动下, 外来务工人员不断增加, 特区外厂房、
商铺、住宅等建设用地大量新建, 开发区建设兴起,
特区外各镇中心迅速发展, 城郊用地破碎化程度增
加。90 年代中后期, 随着大规模交通路网的建设, 工
业布局逐渐向外扩展, 城镇中心和各开发区连为一
体。1997 年《深圳城市总体规划(1996—2010)》正
式确定城市总体布局以特区为中心, 向北沿交通干
线形成西、中、东三条城镇发展轴, 特区内“带状组
团式结构”进一步完善, 特区外进入快速城市化发展
时期, 但由于可开发利用的土地资源有限, 城市扩
展主要以边缘扩展方式为主。由此可见, 国家政策
驱动下的经济增长和城市规划是深圳城市增长方式
和空间格局演变的根本原因。

图 5 深圳市城镇用地面积与 GDP、固定资产投资额 (a)和
人口 (b)的相关关系(1980—2010)
Fig. 5 Correlation of urban area with GDP and fixed inve-
stments (a), and with total population (b) in Shenzhen (1980-
2010)
3 期 荀斌, 等. 深圳城市扩展模式的时空演变格局及驱动力分析 551
5 结论与讨论
本研究基于 6 期 Landsat 遥感影像, 通过城市扩
展模式识别和景观格局指数分析, 对不同增长方式
的深圳城市用地时空格局动态进行定量研究, 结果
表明该方法有效可行, 不仅可以实现不同扩展模式
城市景观格局的可视化和空间化度量, 还可对城市
扩展的社会经济驱动因素进行探讨分析。研究结果
不仅为探索城市格局演变规律和城市形态特征提供
直接的理论依据, 也是研究城市生态系统格局过程
相互关系和城市化生态环境效应的重要环节, 还对
城市景观格局的科学规划具有参考价值。研究主要
结论如下:
(1) 过去 30 年间深圳土地利用结构发生巨大变
化, 城市用地面积迅速增加, 空间格局总体特征表
现为城市景观破碎化程度增加, 形状趋于复杂化,
景观团聚程度增加, 2005 年后斑块逐渐合并, 呈连
片分布。城市面积扩展和格局演变不仅改变原有城
市空间布局结构, 还会阻碍城市生态系统的物流、
能流等重要生态过程, 降低生态系统服务功能, 威
胁城市的可持续发展[26]。因此, 在城市扩展格局分
析的基础上, 研究城市化对重要生态过程的影响是
今后研究的方向之一, 这对于理解城市生态系统特
征, 降低和规避城市化引发的生态环境风险具有重
要意义。
(2) 深圳城市用地的扩展类型以边缘扩展为主,
占新增城市总面积的 77%以上, 随着城市化进程的
推进, 这一比例逐渐上升, 表明深圳城市土地利用
的集约化程度增加。与边缘扩展类型相比, 跳跃式增
长的城市斑块破碎化程度和形状复杂程度更高。不同
时期特区内外的城市扩展格局差异显著 , 1980—
2000 年, 特区外两种扩展方式的破碎化程度均高于
特区内, 2000 年以后特区内新增斑块的破碎化程度
超过特区外。1988—2010 年特区内边缘扩展的斑块
形状复杂程度高于特区外, 而跳跃式增长的形状指
数在特区内外差别不大。深圳全市及特区内外不同扩
展格局的差异与深圳经济社会发展水平的不均衡程
度关系密切, 因此可以将城市扩展格局指数作为一
种定量指标纳入城市化发展水平评价体系中, 为政
府部门合理设计和科学制定城市规划方案提供决策
支持。
(3) 本文还对城市扩展驱动因素进行了相应研
究, 结果表明深圳城市扩展与其社会经济发展水平
和人口数量密切相关, 深圳景观空间格局的动态变
化是在特殊历史背景下, 以国家政策为导向的经济
发展、人类活动和城市规划等多重因素共同作用的
结果。因此, 在城市发展过程中, 应该优先控制造成
城市无序扩展的社会经济因素, 科学制定城市发展
规划, 加强政府对于规划执行的管控能力, 促进城
市合理有序发展。此外, 目前对于景观格局变化的
驱动力分析还只停留在定性分析和简单的定量分析
阶段, 各驱动因素之间相互作用机制还有待于进一
步深入研究。
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