近30年杭州市城市化进程中土地利用变化

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杨杨帆, 金平斌, 朱鑫宇. 近30年杭州市城市化进程中土地利用变化[J]. 浙江大学学报(工学版), 2017, 51(7): 1462-1474.
dx.doi.org/10.3785/j.issn.1008-973X.2017.07.026

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YANG Yang-fan, JIN Ping-bin, ZHU Xin-yu. Change of land use in process of urbanization in Hangzhou during past 30 years[J]. Journal of Zhejiang University(Engineering Science), 2017, 51(7): 1462-1474.
dx.doi.org/10.3785/j.issn.1008-973X.2017.07.026

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基金项目

教育部人文社科研究规划基金资助项目（12YJAZH042）；浙江省自然科学基金资助项目（Y15G030020）

作者简介

杨杨帆(1990—), 男, 博士生, 从事区域经济与城市地理的研究.
orcid/org/0000-0002-7405-869X.
Email: windwalker@zju.edu.cn

通信联系人

金平斌, 男, 教授.
orcid/org/0000-0001-9395-2809.
Email: chshs@zju.edu.cn

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收稿日期：2016-06-16

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近30年杭州市城市化进程中土地利用变化

杨杨帆 , 金平斌 , 朱鑫宇

浙江大学地球科学学院, 浙江杭州 310058

收稿日期：2016-06-16

基金项目：教育部人文社科研究规划基金资助项目（12YJAZH042）；浙江省自然科学基金资助项目（Y15G030020）

作者简介：杨杨帆(1990—), 男, 博士生, 从事区域经济与城市地理的研究.
orcid/org/0000-0002-7405-869X.
Email: windwalker@zju.edu.cn

通信联系人：金平斌, 男, 教授.
orcid/org/0000-0001-9395-2809.
Email: chshs@zju.edu.cn

摘要: 基于1985~2015年的杭州市遥感卫星影像数据，使用ArcGIS和ENVI提取土地利用类型信息.使用土地利用类型面积比例、土地利用动态度、土地利用转移矩阵以及耕建系数，对杭州市的土地利用情况进行定量分析.结果表明：1）建设用地逐年递增，耕地逐年递减，水体和林地波动较小.2）建设用地总量和转变程度逐年递增，主要来源是耕地；耕地总量和转变程度逐年递减，主要来源为林地和建设用地；林地和水体的主要转变来源和去向都是耕地.3）八区土地城市化进程存在时序差异，耕建系数可以较好地反映土地城市化进程.4）上城区、下城区和拱墅区处于均衡阶段，江干区、滨江区和西湖区处于趋稳阶段，萧山区和余杭区处于转变阶段.

关键词: 城市化土地利用变化监督分类土地城市化耕建系数

Change of land use in process of urbanization in Hangzhou during past 30 years

YANG Yang-fan , JIN Ping-bin , ZHU Xin-yu

College of Earth Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China

Abstract: The information of land use type was extracted with the help of ArcGIS and ENVI software based on the remote sensing satellite image data of Hangzhou city in 1985-2015. Ratio of land use type, land use dynamic degree, land use transfer matrix and cultivated-construction land coefficient were used for quantitative determination of land use in Hangzhou city. 1) The construction land progressively increases year by year, while the cultivated land decreases, and the water body and forest land are less volatile.2) Construction land and its transition degree increase, main source is cultivated land. Cultivated land and its transition degree decrease, main source is forest land and construction land. The main source and direction of forest land and water body are construction land. 3) The process of land urbanization in eight districts has a time-series distinction, which can be well reflected by the cultivated-construction land coefficient. 4) Shangcheng, Xiacheng and Gongshu District are in the equilibrium stage. Jianggan, Binjiang and Xihu District are in the stabilization stage. Xiaoshan and Yuhang District are in the transition stage.

Key words: urbanization land use change supervised classification land urbanization cultivated-construction land coefficient

城市化在物理空间上的表现是强烈的土地利用变化.城市化及其协同效应带动了城乡地域土地供需状况、土地利用空间结构、功能结构、权属关系等全方位的土地属性变化.可以说, 城市化成为许多发展中国家土地利用变化最直接的驱动力^[1].中国自改革开放至今的30余年间, 城市化进程在不同地域、不同要素和不同时间段上存在显著差异.陈明星等^[2]从人口、经济、土地、社会4个方面对1981~2006年的中国城市化进行综合测度之后发现, 土地城市化进程在改革开放前期和后期的增速差异最显著, 自1996年以来土地城市化飞速发展, 成为城市化综合水平升高的主要载体和表现形式.研究城市化进程中的土地利用问题对于科学指导中国城市化建设、协调人多地少的矛盾具有重要意义.

目前, 城市化与土地利用的研究主要集中在城市化与土地资源配置的相关研究、城市化对土地利用空间格局的影响、土地利用变化的城市化驱动力这3个方面^[1].在城市化对土地利用的空间格局影响的研究上, 学者们的研究主要集中在土地利用变化最剧烈的城乡结合部以及城市边缘区^[3-4].如岳文泽等^[5]分析了杭州市城市扩张的空间模式.在研究的技术手段上, 越来越多的学者开始综合应用“3S”技术进行城市空间的研究^[6-12].徐丽华等^[13]通过遥感影像监督分类, 对杭州市较短时期内近15年的综合土地利用变化状况进行研究.陈永林等^[14]利用长沙市遥感影像，研究土地利用变化.总体而言, 城市化与土地利用的研究从时间上来看, 缺少几十年大跨度的研究；从空间上来看, 较多关注城市边缘区, 缺少对中心和外围相互关系的研究；从研究对象上来看, 缺少对单一城市不同区域的比较研究.

杭州是长江三角洲世界级城市群的南翼中心城市.改革开放30多年来, 伴随着城市化的快速推进, 杭州市土地利用情况发生着深刻的变化.杭州市辖八区具有鲜明的“圈层式”分布特征, 即居于核心的“上城区“、“下城区”和“拱墅区”；中层的“西湖区”、“滨江区”和“江干区”以及外围的“萧山区”和“余杭区”.本文通过研究杭州的土地利用变化情况, 从30年的时间尺度上, 还原了改革开放以来的杭州市城市化进程.通过市辖八区土地利用情况的比较研究, 分析处于不同圈层的8个区城市化进程中土地利用的不同发展阶段、各个阶段的特征；结合行政区划改革、城市规划思路转变等外因, 研究各区土地利用变化的过程, 揭示了改革开放以来, 中国大城市的城市化进程和土地利用变化的密切联系.

1 数据与方法 1.1 数据来源

选取浙江省杭州市所辖八区为研究对象, 包含上城区、下城区、拱墅区、西湖区、滨江区、江干区、萧山区以及余杭区, 总面积为3 068 km².以5年为间隔, 等间距选择1985年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年作为研究时点, 并选取相应年份的杭州市夏、秋季Landsat-TM影像，如表 1所示.其中, 1985和2005年影像不符合云量要求, 分别改用1984年8月4日和2006年8月1日的影像作为代替；选取夏、秋季影像的原因是夏、秋季植被最茂盛, 植被与建筑的识别度较高.本文先对杭州市区的历年Landsat-TM影像图进行辐射定标, 然后进行大气校正和几何校正, 再通过ArcGIS10.0软件, 用杭州市行政区划的矢量图裁剪遥感影像.利用ENVI4.8软件中的支持向量机分类方法, 对影像进行监督分类.通过混淆矩阵对分类精度进行评价, 总体精度达到99.702%, Kappa系数为0.993, 分类结果达到该研究的需求.

表 1 数据来源信息表 Table 1 Data source information

在对土地利用的研究上, 学者们常将国标(土地利用现状分类GB/T 21010-2007) 规定的12大类土地利用类型, 按照研究方法的不同以及实际问题对分类精度的要求进行归并^[15-17].本文把土地利用类型和土地覆盖分为4大类, 分别是水体、建设用地、林地、耕地.本文研究的对象是杭州市区的土地利用和土地覆盖变化和城市社会经济变化, 主要涉及到城市发展、建设用地和耕地的面积变化等.考虑到实际研究的需要, 把面积不大、影响较小、在功能性质上接近的一些土地合并到4大类型里面.具体如表 2所示.

表 2 土地利用分类表 Table 2 Land use classification

将分类后的土地利用类型图导入ArcGIS进行矢量化处理, 运用空间统计分析得到不同时间段各区土地利用地图, 结果如图 1所示.计算各类用地类型百分比及土地利用转移矩阵.

图 1 杭州市近30年遥感影像分类图 Fig. 1 Classification of remote sensing image of Hangzhou City in recent 30 years

1.2 研究方法 1.2.1 土地利用动态度

土地利用动态度是指某研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况.应用土地利用动态度分析土地利用类型的动态变化, 可以真实地反映区域土地利用/覆盖中土地利用类型的变化剧烈程度.土地利用动态度是正数, 表示该类土地面积增加, 反之则表示面积减少.土地利用动态度的绝对值越大, 表明该类土地利用类型的变化越剧烈, 表达式为

$ K = \frac{{{U_{\rm{b}}}-{U_{\rm{a}}}}}{{{U_{\rm{a}}}}} \times \frac{1}{T} \times 100\% . $

(1)

式中：K为研究时段内某一土地利用类型的动态度；U_a、U_b分别为研究期初及研究期末某一种土地利用类型的数量；T为研究时段长, 当T的时段设定为年时, K为该研究区某种土地利用类型的年变化率.

1.2.2 耕建系数

杭州市八区各阶段的土地利用情况呈现出不同的特征。这种空间分异在王伟武等^[18]的研究中已经有所体现。为了更加详细地分析各区发展的差异, 需要对杭州市八区进行阶段划分.以往的土地城市化指标只能测算特定时间节点上的土地城市化程度^[19].本文提出的耕建系数可以用单一指数反映整个研究期内耕地面积与建设用地面积的相对变化情况.耕建系数本身呈单调递减趋势.耕建系数越大, 表示土地城市化程度越低；耕建系数越小, 表示土地城市化程度越高.在实际研究中, 可以忽略林地以及水体这两个地类的年际变化, 只研究在城市化进程中转变最剧烈的耕地和建设用地这两类土地的变化情况.

$ C = \frac{{\sum\nolimits_{t = 1}^n {\left( {{P_{{\rm{g}}t}}-{P_{{\rm{j}}t}}} \right)} }}{n}. $

(2)

式中：C为耕建系数(cultivated-construction land coefficient), 即耕地与建设用地百分比差值的平均值；P_gt为t时刻耕地的百分比；P_jt为t时刻建设用地的百分比；n为统计的年份节点数, 以5年为1个间隔, 当计算30年期末耕建系数时, n=7.

1.3 数据分析与处理 1.3.1 土地利用转移矩阵分析

土地利用转移矩阵来源于系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述^[20].通过描述各种土地类型之间的变化情况, 土地利用转移矩阵可以反映各类型土地之间的转换量及土地变化的剧烈程度, 结构如表 3所示.表中, S为面积.类型变化(class changes)表示特定研究时段内某一类型土地由其他类型土地转变过来的面积总和.图像差分(image difference)表示初始图像和后期图像每类土地的面积差别.正数代表了这类土地类型数量增加的量, 负数代表这类土地类型数量减少的量.土地利用转移矩阵较好地揭示了各个时期的土地转变状况.每个时期建设用地的图像差分为正数, 表示建设用地总量一直在增加.每5年的耕地图像差分为负数, 表示耕地一直处于减少状态.

表 3 杭州市近30年土地利用转移矩阵 Table 3 Transfer matrix of land use in Hangzhou City in recent 30 years

年份	地类	水体		建设用地		耕地		林地		类型变化		图像差分
年份	地类	S/km²	P/%	S/km²	P/%	S/km²	P/%	S/km²	P/%	S/km²	P/%	S/km²	P/%
1985~1990	水体	142.45	77.27	15.47	8.39	23.11	12.54	3.33	1.81	41.91	22.73	41.33	22.42
	建设	6.89	3.04	115.91	51.19	99.73	44.04	3.90	1.72	110.53	48.81	9.49	4.19
	耕地	72.32	3.20	101.52	4.49	1 923.41	85.00	165.71	7.32	339.55	15.00	-76.15	-3.37
	林地	4.03	0.63	3.02	0.47	140.56	21.90	494.20	77.00	147.61	23.00	25.33	3.95
1990~1995	水体	161.22	71.40	7.59	3.36	44.91	19.89	12.07	5.35	64.57	28.60	19.21	8.51
	建设	26.37	11.18	138.59	58.74	63.55	26.94	7.42	3.15	97.34	41.26	51.83	21.97
	耕地	50.23	2.30	134.91	6.17	1 734.12	79.30	267.55	12.23	452.69	20.70	-219.61	-10.04
	林地	7.18	1.08	6.67	1.00	124.62	18.68	528.64	79.24	138.47	20.76	148.57	22.27
1995~2000	水体	138.16	56.49	19.50	7.97	81.46	33.31	5.46	2.23	106.42	43.51	-87.27	-35.68
	建设	4.82	1.68	198.40	68.96	76.87	26.72	7.61	2.65	89.30	31.04	217.65	75.65
	耕地	12.09	0.61	271.36	13.80	1 427.32	72.58	255.74	13.00	539.19	27.42	-224.51	-11.42
	林地	2.24	0.27	16.09	1.97	156.35	19.19	640.15	78.56	174.68	21.44	94.13	11.55
2000~2005	水体	135.67	88.62	10.15	6.63	7.22	4.72	0.06	0.04	17.43	11.38	99.60	65.06
	建设	8.58	1.70	393.82	78.06	101.23	20.06	0.89	0.18	110.70	21.94	339.13	67.22
	耕地	102.64	5.91	393.94	22.69	1 187.83	68.41	52.02	3.00	548.60	31.59	-158.78	-9.14
	林地	5.81	0.64	45.74	5.07	281.37	31.20	568.81	63.08	332.92	36.92	-279.95	-31.05
2005~2010	水体	179.61	70.99	32.60	12.89	39.05	15.44	1.73	0.68	73.38	29.01	-21.40	-8.46
	建设	19.86	2.36	601.08	71.28	215.18	25.52	7.13	0.85	242.17	28.72	107.04	12.69
	耕地	30.96	1.96	311.49	19.74	1 092.12	69.22	143.24	9.08	458.69	29.07	-138.29	-8.76
	林地	1.16	0.19	5.12	0.82	93.17	14.98	522.42	84.01	99.45	15.99	52.65	8.47
2010~2015	水体	191.13	80.92	16.73	7.08	23.25	9.84	5.09	2.15	45.07	19.08	52.47	22.21
	建设	41.42	4.35	728.65	76.48	175.61	18.43	7.05	0.74	224.08	23.52	124.28	13.04
	耕地	53.48	3.70	323.13	22.37	900.07	62.32	167.60	11.60	544.21	37.68	-192.21	-13.31
	林地	2.64	0.39	8.50	1.25	153.14	22.51	515.99	75.85	164.28	24.15	15.46	2.27

表 3 杭州市近30年土地利用转移矩阵 Table 3 Transfer matrix of land use in Hangzhou City in recent 30 years

对4大类型土地的类型变化和图像差分, 按年份进行分析，结果如图 2所示.图中，G_cla为类型变化百分比，D_ima为图像差分百分比，T为年份.研究发现, 1985~1990年以及1990~1995年除耕地以外的类型变化数值基本保持稳定.图像差分的绝对值, 除水体外, 都有小幅增长, 其中耕地增长较快.1995~2005年之间4类土地的类型变化数值明显出现较大的波动, 1995~2005年图像差分数到达顶峰, 4类土地图像差分的绝对值都高于其他阶段.2005~2015年的各类型土地利用变化较小.结合图 1的曲线特征, 考虑到下文分析的需要, 将土地利用变化划分为3个阶段.1985~1995为第1阶段.该阶段各类型土地开始加速转化.1995~2005为第2阶段, 类型变化以及图像差分数值上升到高位.之后的2005~2015为第3阶段, 特点是类型变化及图像差分数开始回落.

图 2 类型变化图和图像差分变化图 Fig. 2 Change chart of class changes and image difference

利用式(1) 计算各时段4类土地的动态变化度以及30年跨度的分区土地利用动态变化度, 结果如表 4、5所示.

表 4 杭州市近30年土地利用动态变化度表 Table 4 Dynamic degree of land use in Hangzhou City in recent 30 years

表 5 杭州市分区土地利用动态变化度表 Table 5 Zoning land use dynamic change degree of Hangzhou city

1.3.2 耕地-建设用地变化模式分析

为了了解杭州市八区各阶段的土地利用情况, 分析各区发展的差异, 需要对杭州市八区进行阶段划分.为了研究结果的简单化, 可以忽略林地以及水体这两个地类的年际变化, 只研究耕地和建设用地两类土地的变化情况.根据式(2), 计算各区的耕建系数C, 结果如图 3所示.

图 3 杭州市分区耕建系数图 Fig. 3 Zoning map of cultivated-construction land coefficient of Hangzhou City

耕建系数计算公式可以进行如下变形：

$ C = \frac{{\sum\nolimits_{t = 1}^n {\left( {{P_{{\rm{g}}t}}-{P_{{\rm{j}}t}}} \right)} }}{n} = \frac{{\sum\nolimits_{t = 1}^n {{P_{{\rm{g}}t}}}-\sum\nolimits_{t = 1}^n {{P_{{\rm{j}}t}}} }}{n}. $

(3)

耕建系数是耕地百分比变化曲线与建设用地百分比变化曲线差值的多年平均值, 即耕地曲线与横坐标轴包围的面积与建设用地曲线与横坐标轴包围的面积差值的平均值.提取杭州市八区的耕地和建设用地数据, 以年份为时间轴, 绘制耕地和建设用地百分比的变化图, 结果如图 4所示.图中，C_a~C_i分别为八区耕建系数.

图 4 杭州市八区耕地和建设用地百分比变化图 Fig. 4 Percentage change of cultivated and construction land in eight districts of Hangzhou city

通过对比杭州市八区的用地类型曲线及对应的耕建系数, 归纳出耕地和建设用地变化模式图, 结果如图 5所示.将由耕地和建设用地变化所反映的土地城市化过程分为4个发展阶段.具体划分以及各阶段特点如表 6所示.

图 5 耕地和建设用地变化模式图 Fig. 5 Pattern of changes in cultivated land andconstruction land

表 6 土地城市化发展阶段特征表 Table 6 Stage of land urbanization

图 5中, t₀-t₁阶段中, 耕地和建设用地比例大致保持均衡, 且耕地百分比大于建设用地百分比, 该阶段的耕建系数为正数且保持均衡, 称为“初始阶段”.t₁-t₂为“转变阶段”, 表现为建设用地曲线加速上升, 耕地曲线加速下降, 耕建系数的下降速度加快.t₂时刻的耕地与建设用地面积比例相等.在此之后, 即t₂-t₃阶段为“趋稳阶段”.该阶段的建设用地占比开始超过耕地, 且差值增大, 耕建系数在t₂时刻达到转折点(此时耕建系数曲线斜率的绝对值最大), 之后开始减速下降.t₃以后称为“均衡阶段”.建设用地和耕地比例再次趋于稳定, 耕建系数继续减速下降, 并在t₄时刻之后变为负数.

2 结果与讨论 2.1 分类土地利用时空变化

随着城市化的推进, 城市及周边地区的土地利用类型迅速转变.杭州市有超过3 000 km²的市域面积, 各区域自然环境条件、社会经济条件以及开发时序的差异巨大, 本身的土地利用类型随着城市化过程的不断推进呈现出不同的特征.对于杭州市1985~2015年的土地利用情况, 按照水体、林地、建设用地、耕地4大类进行划分, 统计各类土地面积以及百分比, 结果如表 7所示.表中，F为八区土地利用百分比，Z为土地利用总量，D为不同年份杭州整个区域四大类型土地占总面积的百分比.可以发现, 建设用地呈现逐年上升的趋势, 耕地面积逐年递减, 水体和林地面积的波动较小.

表 7 杭州市八区土地利用百分比统计表 Table 7 Percentage of land use in eight districts of Hangzhou City

年份	类型	F/%								Z/km²	D/%
年份	类型	余杭区	萧山区	滨江区	西湖区	拱墅区	上城区	下城区	江干区	Z/km²	D/%
1985	水体	1.65	7.27	17.77	5.35	1.89	19.06	1.41	12.38	179.99	5.46
	林地	24.78	15.55	4.01	33.06	5.43	9.89	0.21	3.06	634.70	19.26
	建设	4.80	5.40	7.16	6.39	27.14	50.13	46.77	10.99	225.82	6.85
	耕地	68.76	71.78	71.07	55.20	65.54	20.92	51.60	73.57	2 255.15	68.43
1990	水体	4.16	7.16	16.97	7.84	2.68	19.74	2.54	14.19	221.51	6.72
	林地	26.92	14.97	4.40	32.85	10.76	14.55	0.45	4.36	660.49	20.04
	建设	3.86	5.77	11.09	7.98	29.80	53.61	53.27	12.67	235.26	7.14
	耕地	65.06	72.10	67.54	51.33	56.76	12.11	43.74	68.78	2 178.72	66.10
1995	水体	4.22	7.79	16.68	8.65	5.52	21.23	6.62	16.04	240.36	7.29
	林地	38.37	13.86	3.06	40.17	12.92	13.15	1.78	3.40	808.22	24.52
	建设	5.74	6.32	15.83	11.12	34.28	52.06	52.66	15.38	287.07	8.71
	耕地	51.68	72.03	64.43	40.06	47.28	13.55	38.94	65.18	1 960.02	59.47
2000	水体	1.54	5.75	17.46	4.89	1.76	15.97	1.03	11.26	153.11	4.65
	林地	36.52	21.63	8.81	39.84	12.91	13.99	1.55	7.51	901.79	27.36
	建设	8.05	15.24	25.40	16.08	45.21	57.49	70.47	31.00	504.57	15.31
	耕地	53.89	57.38	48.34	39.20	40.12	12.55	26.95	50.23	1 736.47	52.69
2005	水体	3.67	10.11	18.46	7.95	2.56	15.29	1.97	12.34	252.99	7.63
	林地	24.32	15.72	3.18	29.85	7.24	11.36	0.02	0.96	621.89	18.75
	建设	16.05	27.14	45.48	23.74	59.36	56.41	81.65	52.36	863.15	26.03
	耕地	55.95	47.03	32.87	38.46	30.83	16.94	16.37	34.34	1 577.83	47.58
2010	水体	3.00	7.88	18.03	6.22	2.27	15.67	1.38	11.35	205.00	6.22
	林地	25.52	15.01	2.99	32.75	3.22	11.82	0.04	0.84	629.14	19.09
	建设	17.72	28.88	39.45	19.63	56.41	44.60	70.43	52.10	876.11	26.58
	耕地	53.76	48.23	39.54	41.40	38.11	27.91	28.15	35.70	1 585.72	48.11
2015	水体	4.65	11.13	19.18	8.09	4.85	17.53	5.14	13.51	283.62	8.61
	林地	24.84	19.03	5.45	33.63	9.64	14.83	1.48	3.60	690.77	20.96
	建设	24.62	34.77	48.04	28.04	59.94	47.20	71.58	51.28	1 074.71	32.61
	耕地	45.89	35.07	27.33	30.25	25.57	20.44	21.80	31.61	1 246.51	37.82

表 7 杭州市八区土地利用百分比统计表 Table 7 Percentage of land use in eight districts of Hangzhou City

2.1.1 建设用地的时空变化

建设用地的土地利用动态变化度一直为正数, 表明建设用地一直在增加.建设用地从1985年的225.82 km², 增长到2015年的1 074.71 km², 年均增长率达到5.34%.建设用地所占比例由6.85%增长到32.61%.建设用地的综合土地利用动态度一直在增大, 说明建设用地的转变剧烈程度逐年增加.

1985~1995年, 建设用地转变的主要来源是耕地, 期间有236.43 km²的耕地转化为建设用地, 占所有建设用地转变来源的87.8%.将历年遥感影像(见图 1)进行比对分析可以发现, 1985年建设用地集中分布在上城区和下城区, 萧山区存在小规模建设用地集聚区, 但分布较零散.建设用地在空间上主要集聚分布在上城区和下城区, 城市呈现出典型的单中心发展模式.1990年, 建设用地沿着铁路、公路以及运河等交通干线, 呈放射状分布(见图 6).余杭、临平等地开始出现小规模建设用地集聚区.滨江区、西湖区和拱墅区的建设用地占比均有超过3%的增长.1995年, 老城区中心的建设用地面积持续扩大, 城北拱墅区的建设用地沿交通干线和支线继续扩展(见图 6), 城市向各方向的扩张呈现出不均衡的态势, 空间上比较符合霍伊特扇形发展模式^[5].

图 6 杭州市建设用地变化特征图 Fig. 6 Change characteristic of construction land in Hangzhou City

1995~2005年是城市发展的关键阶段.这一阶段前5年, 建设用地动态变化度达到了15.13%, 后5年为13.44%, 远大于其他阶段.可见, 1995~2005年间的城市建设用地变化极剧烈.1995~2005年有超过665 km²的耕地转化为建设用地, 贡献率达到87.9%.这一阶段伴随着杭州市行政区划的调整, 萧山区、余杭区并入杭州市区, 为城市建设提供了大量近郊耕地, 这些耕地在该期间快速转化为建设用地.2000年相较于1995年, 建设用地占比上升了6.6%.萧山区、滨江区、拱墅区、下城区以及江干区的建设用地大幅增加, 占比增长超过9%.2000~2005年, 建设用地急剧扩张, 建设用地占所有土地面积的比例从15.31%增长到26.03%, 面积从504.57 km²增长到863.15 km², 年均增长超过2个百分点.在空间上, 中心城区建设用地趋于饱和, 外围城市次中心快速扩张, 部分地区开始和主中心接触融合, 城市多中心发展格局变得愈发明显.2000年, 城市外围逐渐形成清晰可见的集聚区, 萧山、下沙、临平等地尤为明显, 杭州市初步显露出多中心发展的模式.2005年之后, 建设用地的扩张速度下降, 但总体依旧保持在较高的速度继续增长.

2005~2015年, 有634.63 km²的耕地转化为建设用地, 贡献率达到91.0%.2010年相较于2005年, 各类用地类型的变化较小, 萧山区和余杭区建设用地面积继续保持增长, 远郊的耕地大量转化为建设用地, 用地碎片化严重(见图 6).2015年, 城市建设用地面积达到1 074.71 km², 占比为32.61%.滨江区、拱墅区、上城区、下城区、江干区建设用地面积百分比均超过45%, 其中下城区达到了71.58%.萧山区、余杭区和西湖区耕地持续减少, 建设用地激增.城市次中心的快速扩张使得各个城市次中心之间的耕地以及城市次中心和主中心之间的耕地, 因为受到周围多个方向的辐射影响而加速转化为建设用地.几个中心之间开始出现城市连绵区.

综合分析了杭州市建设用地的时空变化之后, 笔者认为杭州市土地利用结构模式经历了最初的单中心模式, 1995年左右处于霍伊特扇形发展模式；2000年之后渐渐过度到哈里斯、厄尔曼的多中心模式.未来各中心之间的土地将继续转化为建设用地, 城市面积进一步扩大.

2.1.2 耕地的时空变化

耕地包括旱地、未灌溉水田、菜地、其他农作物田地和一些特殊草地.耕地自1985年以来, 一直处于递减的状态, 耕地总量从1985年的2 255.15 km²下降到2015年的1 246.51 km², 年均减少33.62 km².由于城市扩张, 越来越多的耕地转化成建设用地, 空间上被交通线路和聚落逐渐分割, 从大面积连片的大斑块, 切割分裂成破碎的小斑块, 城郊地区的耕地破碎度持续增大.

与建设用地相反, 耕地的单一土地动态变化率一直为负数, 耕地面积逐年减少.自1985年开始的每一个5年阶段, 耕地的综合土地利用变化度呈递减的趋势, 说明耕地的转变剧烈程度逐渐变小.从耕地的来源上来说, 1985~1995年, 1995~2005年以及2005~2015年的主要来源、数量及贡献率分别为林地、265.18 km²、53.4%；林地、437.72 km²、62.1%；建设用地、390.79 km²、55.9%(2005~2015年由林地转化而来的耕地数量为246.31 km²).同期耕地转化为林地的数量分别为433.26 km²、307.76 km²、310.84 km².通过对数据的分析可知, 1995~2005年耕地转化为林地的数量大于林地转化为耕地的数量, 2005~2015年发生了逆转.结合杭州市的实际情况可知, 萧山和余杭在2000年并入城区之后, 所储藏的大量林地开始加速转变为耕地.最近10年, 杭州市提出旅游西进的城市发展定位, 重点保护建设环城游憩带, 并在西湖区、余杭区以及萧山区实行退耕还林的生态保育政策, 使得林地向耕地转化的趋势得以逆转.

2.1.3 林地的时空变化

在林地的转移变化上, 1985~1995年, 1995~2005年以及2005~2015年分别有265.18 km²、437.72 km²以及246.31 km²的林地转变为耕地, 占同期转变土地利用类型的林地数量的99.2%、86.2%以及93.4%.可见, 近30年以来, 林地的主要转变去向为耕地.林地经历了从1985年到2000年的增长期之后, 面积开始衰减；在1995~2005年这一阶段, 林地向其他类型土地的转变比较剧烈.尤其在2000~2005年, 林地的单一土地利用动态度以及综合土地利用动态度均达到历史最高峰.2000~2005年是杭州城市化高速发展的阶段, 建设用地总量在这一阶段的增长速度是最快的, 建设用地曲线的斜率最大.与之相对应的是这段时间内林地被破坏, 所占面积百分比下降.2005年之后, 林地面积开始回升.各阶段林地的主要转变来源都是耕地.

2.1.4 水体的时空变化

水体面积的变化较平稳, 从1985年至1995年一直保持增长.在2000年后开始下跌, 之后又保持平稳增长.水体的单一土地利用动态度有正有负, 水体与其他类型土地之间的转变随着发展阶段的不同呈现出不同的特征.总体来看, 水体的转变主要来源是耕地.近30年来, 从耕地转变而来的水体面积总和为321.72 km², 远大于其他两类土地.水体的主要转变去向是耕地.1985~2015年, 水体转变为耕地的面积总和为219.00 km², 大于其他两类土地转变为耕地的面积.这表明耕地与水体之间存在着双向流转.通过对比各个时期的土地利用情况可以发现, 天然水体的变化极少, 可见杭州市较重视天然水体的保护, 对天然水体的改造程度较小.

2.2 分区土地利用发展阶段

参照耕地和建设用地变化模式图(见图 5), 综合考虑杭州市八区的耕地曲线、建设用地曲线形态以及耕建系数, 将各区划分出具有不同特征的发展阶段，如表 8所示.

表 8 杭州市八区土地利用特征表 Table 8 Characteristics of land use in eight districts of Hangzhou City

序号	区名	土地利用特征	影响因素	发展阶段	耕建系数	耕地曲线(G) 建设用地曲线(J)
1	余杭区	1985~1994年行政区划调整, 临近市中心地区建设用地快速扩张. 1994年撤市设区, 土地利用类型开始快速转变.	行政区划调整生态保护政策	1985~1995初始阶段 1995~2015转变阶段	0.45
2	萧山区	1995~2000年, 萧山机场建设, 分散的建设用地开始相互连接. 2001年撤市设区, 远郊耕地碎片化, 沿海滩涂转化为建设用地.	行政区划调整基础设施建设	1985~1995初始阶段 1995~2015转变阶段	0.40
3	西湖区	1995年前后建设用地沿主要交通线扩张. 西溪湿地核心区水体保护较好, 边缘区大量转化为建设用地.	生态保护政策	1985~2005转变阶段 2005~2015趋稳阶段	0.26
4	滨江区	1996年滨江独立设区, 产业园建设促进土地在短短10年间大量转化为建设用地.	产业园区发展	1985~2005转变阶段 2005~2015趋稳阶段	0.23
5	江干区	1995~2005年, 城市开始进行新 CBD建设以及下沙经济技术开发区建设.2008年后进行了九堡客运中心以及火车东站的建设.这些重要基础设施建设促进了相应城市次中心的土地快速转化.	产业园区发展基础设施建设	1985~2005转变阶段 2005~2015趋稳阶段	0.19
6	拱墅区	老城区之一, 1986~2000年变化较大, 之后进入趋稳阶段.2015年开始进入均衡阶段.	-	1985~2000转变阶段 2000~2015趋稳阶段 2015年开始进入均衡阶段	-0.01
7	下城区	1985~2005年处于趋稳阶段, 2005 年之后处于均衡阶段, 土地利用类型保持稳定.	-	1985~2005趋稳阶段 2005~2015均衡阶段	-0.31
8	上城区	1985年之前已经基本完成建设, 近 30年土地利用保持均衡稳定.	-	1985年已经处于均衡阶段	-0.34

表 8 杭州市八区土地利用特征表 Table 8 Characteristics of land use in eight districts of Hangzhou City

2.2.1 余杭区、萧山区处于转变阶段

余杭区和萧山区从曲线形态上看, 耕地曲线一直处于建设用地曲线上方(见图 4).1985~1995年, 耕地曲线和建设用地曲线基本平行, 1995年之后两曲线呈接近趋势, 符合图 5的t₀-t₂发展阶段, 即两区1985~1995年处于土地利用变化的初始阶段, 1995~2015年处于转变阶段.2015年余杭区耕地与建设用地百分比的差值达到21.27%, 可见余杭区处于转变阶段的中期.2015年的萧山区, 耕地面积占比下降到35.07%, 建设用地面积占比上升到34.77%, 整体处于转变阶段末期.余杭区拥有八区最大的耕建系数, C_b=0.45；萧山区C_c=0.40.两区的耕建系数均大于杭州平均值C_a.

从历史沿革来看, 余杭区自1961年4月恢复县建制, 定名余杭县.之后1961年留下划归西湖区, 1985年西行乡并入三墩镇, 1992年双桥乡并入三墩镇, 直到1994年余杭撤县设市.余杭区的发展一直受到杭州城市发展的影响, 尤其是杭州城市扩张使得靠近杭州的乡镇快速城市化, 土地利用情况因此出现剧烈变化.1995年之后, 情况尤为明显.1996年, 三墩镇、蒋村划归西湖区, 拉开了余杭区近郊土地快速城市化的序幕.至2001年2月, 余杭撤市设区, 正式并入杭州.在行政力量的推动下, 近郊集体土地大量转变为国有土地, 进而开发为建设用地, 满足了城市化对土地的大量需求.萧山区和余杭区同属杭州近郊, 拥有数量巨大的未开发土地.萧山区的地势较余杭区更平坦, 自1966年起的围垦为萧山区提供了将近四分之一的陆域面积.历史上, 萧山的城市化建设一直受制于钱塘江对交通的阻隔, 难以承接杭州市区扩张的需求.1996年, 以萧山市西兴、长河、浦沿3镇为基础成立杭州市滨江区, 钱塘江南岸如火如荼地展开了建设.与此同时, 1997年西兴大桥建成通车, 2004年复兴大桥通车.城市发展思路的转变以及交通条件的改善极大带动了萧山区的开发建设.1995~2000年, 从地图上可以明显看到原先分散的建设用地开始相互连接, 空间形态上从块状迅速变成面状.尤其是北干街道、新街镇、靖江街道、瓜沥镇等地区, 耕地转变为建设用地最明显.2000年, 萧山机场建成运营, 带动了周边靖江、南阳、坎山街道的建设.2001年, 萧山撤市设区.随着杭州市新版城市规划(2001~2020年)明确提出要建成“一主三副六组团”的空间格局, 在沿江开发、跨江发展的新思路带动下, 萧山区城市建设进一步提速, 萧山区与滨江区之间的耕地持续减少.大江东新区大量的滩涂、水田以及耕地开始转化为建设用地.伴随着耕地日益碎片化, 大面积连片出现的建设用地成为普遍的景观.可以预计, 萧山区近期的建设用地面积占比将超过耕地面积, 进入土地利用的转变阶段.

从总体上来看, 余杭区和萧山区近30年的土地利用处于初始阶段和转变阶段, 目前正处于转变阶段末期.

2.2.2 西湖区、滨江区和江干区处于趋稳阶段

西湖区、滨江区和江干区这3个区地处杭州市西部和南部, 相较于余杭、萧山, 这3个区在地理位置上更靠近城市中心, 因而在城市化进程中较早得到开发.这3个区的耕地曲线在1985~2005年这20年间总体快速下降, 对应的建设用地曲线快速上升, 表明这3个区在1985~2005年间处于转变阶段.其中滨江区和江干区在2005年, 建设用地占比均超过耕地.2005年之后, 耕地曲线和建设用地曲线斜率绝对值变小, 3区进入土地利用的趋稳阶段.从耕建系数上来看, C_d=0.26, C_e=0.23, C_f=0.19, 均为正值而且小于C_a.在未来一段时间内, 西湖区、滨江区和江干区的耕建系数将继续减小.

在杭州市快速城市化的过程中, 西湖区、滨江区以及江干区的土地利用类型发生着深刻的变化.随着城市中心可利用土地日益耗尽, 拥有较多储备用地的西湖区及江干区自然而然地成为城市扩张的主要方向.从遥感影像分类图(见图 1)以及建设用地变化特征图(见图 6)上可以看出, 西湖区自1995年以来, 建设用地主要在蒋村、三墩以及沿天目山路一带密集出现.西溪湿地附近地区由于生态保护措施, 继续维持着水体或耕地的用地性质, 但临近西溪湿地的耕地持续转变为建设用地.至2005年, 西溪湿地已经基本被建设用地包围, 成为名副其实的“城市湿地公园”.滨江区自1996年独立设区以来, 引入大量高新技术企业, 并配套建设了众多居民小区.到了2005年, 滨江区建设用地占比超过了耕地.江干区在1995~2005年这10年间土地利用类型的变化更剧烈.由于杭州市城市未来的中心将从武林广场转移到钱江新城一带, 在江干区钱江新城周边21 km²地区内兴起了声势浩大的“造城”运动.同时, 1993年设立的杭州下沙经济技术开发区经过十几年的发展, 逐渐形成城市次中心, 在空间上开始与九堡、火车东站等三级中心相连接.在城市扩张和重大基础设施建设以及新城建设的带动下, 江干区的建设用地面积百分比从1995年的15.38%, 直线上升到2005年的52.36%, 年均增长3.7%, 增速冠绝八区.

总而言之, 西湖区、滨江区和江干区的土地利用情况在1985~2005年经历了转变阶段, 从2005年起至今处于趋稳阶段.

2.2.3 拱墅区、下城区和上城区处于均衡阶段

拱墅区、下城区和上城区是杭州市最靠近武林广场老城市中心, 且具有最悠久的城市建设历史的市辖区.尤其是上城区和下城区, 建国以来一直是杭州市建设用地最密集的地区.这3个区的建设用地曲线和耕地曲线具有一定的相似性, 即30年来基本保持稳定.拱墅区建设用地曲线和耕地曲线出现交叉状, 为典型的转变阶段和趋稳阶段的曲线图形, 其中2000年即为拱墅区的t₂时点(建设用地占比超过耕地, 由转变阶段开始进入趋稳阶段).到2015年, C_g小于零, 说明拱墅区已经进入均衡阶段.下城区的耕地和建设用地曲线形态在1985年已经临近t₂时点.1985~2005年, 下城区的耕地占比继续下降, 建设用地占比上升.2005年之后, 两线明显趋于平行, 下城区土地利用进入均衡阶段.上城区作为杭州市历史最悠久的老城区, 自1985年以来, 建设用地面积和耕地面积基本保持稳定, 即上城区近30年来土地利用一直处于均衡阶段, 各类用地占比较稳定.这3个区的耕建系数C_g、C_h、C_i均小于零, 这证明了3区目前都处于均衡阶段.

通过对杭州市八区进行30年时间跨度的分析可以发现, 随着城市化进程的不断推进, 耕地百分比和建设用地百分比将经历一个快速变化的过程, 并最终保持稳定.这是城市化过程中土地利用变化的普遍规律.杭州市八区的土地城市化过程在时序上存在一定的先后, 通过对八区的发展阶段分析认为, 开发时序从早到晚依次为上城区、下城区、拱墅区、江干区、滨江区、西湖区、萧山区和余杭区.这个顺序是耕建系数的倒序, 可见耕建系数可以较好地反映土地城市化进程.从空间上来看, 越接近市中心的上城区、下城区和拱墅区, 土地城市化进行地越早.这3个区基本已经达到城市化过程中土地利用的均衡阶段.居于城市中心和外围之间的江干区、滨江区和西湖区由于承接了中心区的城市化进程, 在前20年经历了转变阶段, 目前正处于趋稳阶段.位于城市外围的萧山区和余杭区正处于快速城市化的过程中, 耕地和建设用地的变化极剧烈, 城市边缘区的土地快速转化, 郊区化趋势比较明显.

3 结论

(1) 基于ArcGIS和ENVI, 对杭州市1985~2015这30年的遥感影像数据进行分析。按照水体、林地、建设用地、耕地4大类进行分类, 得到7个时间节点的土地利用分类图.通过分析发现, 近30年来, 杭州市建设用地面积呈现逐年上升的趋势, 耕地面积逐年递减, 水体和林地面积波动较小.在空间上, 中心城区建设用地趋于饱和, 外围城市次中心快速扩张, 远郊的耕地大量转化为建设用地, 用地碎片化明显.

(2) 土地利用转移矩阵的分析结果显示, 杭州市建设用地一直增加, 转变剧烈程度逐年增加.1995~2005年是城市发展的关键时期, 建设用地转变最剧烈.2005年之后, 建设用地的扩张速度下降, 但总体保持了较高的增长速度.建设用地空间扩张的过程展示了杭州的城市土地利用结构模式经历了单中心——霍伊特扇形模式, 并向着哈里斯、厄尔曼的多中心模式发展.建设用地增量的主要来源是耕地.耕地面积逐年减少, 转变剧烈程度逐渐变小.在耕地的来源上, 1985~2005年为林地, 之后为建设用地.林地的主要转变方向为耕地, 1995~2005年是林地转变最剧烈的时期.水体的主要转变来源和转变去向都是耕地.天然水体的变化极少, 灌溉水田、滩涂的变化较大.

(3) 通过对杭州市八区土地城市化的发展阶段进行分析, 绘制出耕地和建设用地变化模式图；根据耕地和建设用地曲线形态, 划分出初始阶段、转变阶段、趋稳阶段和均衡阶段4个发展阶段.八区的土地城市化时序从早到晚依次为上城区、下城区、拱墅区、江干区、滨江区、西湖区、萧山区和余杭区.该顺序是耕建系数的倒序.该研究提出的耕地和建设用地变化模式以及耕建系数, 可以用来分析城市内部不同区域间, 城市化进程中土地利用的发展过程.

(4) 在城市空间上, 位于老城区的上城区、下城区和拱墅区的土地城市化进程最早开展并已处于均衡阶段.位于城市中心和外围之间的江干区、滨江区和西湖区, 由于承接了中心区的城市化进程, 在前20年经历了转变阶段, 目前处于趋稳阶段.外围的萧山区和余杭区正在经历快速城市化, 目前处于转变阶段.

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