遥感技术与应用, 2022, 37(3): 739-750 doi: 10.11873/j.issn.1004-0323.2022.3.0739

遥感应用

利用长时序流域不透水面数据集探索城市增长模式——以秦淮河流域为例

王姗姗,1, 蒲英霞,1,2,3, 李升峰1, 李闰洁1, 李茂华1

1.南京大学 地理与海洋科学学院，江苏 南京 210023

2.江苏省地理信息技术重点实验室，江苏 南京 210023

3.江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，江苏 南京 210023

Exploring the Urban Growth Patterns Using Long-time Series Impervious Surface Dataset in the Qinhuai River Basin

Wang Shanshan,1, Pu Yingxia,1,2,3, Li Shengfeng1, Li Runjie1, Li Maohua1

1.School of Geography and Ocean Science，Nanjing University，Nanjing 210023，China

2.Jiangsu Provincial Key Laboratory of Geographic Information Science and Technology，Nanjing 210023，China

3.Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application，Nanjing 210023，China

通讯作者: 蒲英霞（1972-），女，山东莒县人,博士,副教授，主要从事GIS 与空间数据分析集成等方面的研究。E⁃mail:yingxiapu@nju.edu.cn

收稿日期: 2020-11-12   修回日期: 2022-03-18  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  41771029.  41771417

Received: 2020-11-12   Revised: 2022-03-18  

作者简介 About authors

王姗姗（1996-），女，安徽合肥人，硕士研究生，主要从事遥感与GIS应用、城市空间扩展研究E⁃mail:wss4399@163.com , E-mail：wss4399@163.com

摘要

南京作为秦淮河下游的中心城市，在快速城镇化进程中面临着下垫面条件急剧变化带来的生态环境效应。不透水面作为衡量区域城镇化发展状况的关键指标，搭建了城市开发与环境质量的桥梁，可为当前空间治理与统筹城乡发展提供新的研究视角。在我国海绵城市建设背景下，以南京所在的秦淮河流域为研究区，通过半自动决策树分类模型从1988~2017年9景卫星影像提取流域基础不透水面数据集，利用多重滤波器构建连续变化的不透水地表，采用扩展强度指数和景观扩展指数定量分析30 a秦淮河流域不透水面时空扩展特征与城镇增长模式，揭示流域内城市发展轨迹及其成因。研究结果初步表明：①流域城镇化进程十分迅速。不透水面占比从1988年的3.09%增至2017年的26.49%，特别是2006年以来不透水面处于快速扩展期；②流域内不同城市的不透水面扩展进程差异明显。初期集中在南京城区和江宁城区，进入21世纪后则以江宁区、溧水区和句容市为主；③“多核扩展”和“点—轴扩展”是秦淮河流域城镇形态组建和增长的主要模式。初期以城区边缘式扩张为主，后期逐渐转向填充式增长，城镇一体化水平不断提升；④流域不透水面扩展是自然环境、经济发展、交通建设和政策规划等多种因素综合导致的结果。

关键词： 不透水面 ; 城镇化 ; 景观扩展指数 ; 城市增长模式 ; 秦淮河流域

Abstract

As the central city of the lower reaches of the Qinhuai River Basin （QRB）， Nanjing has been suffering from ecocological envirnoment effects due to great changes in underlying surfaces under rapid urbanization processes. Impervious surfaces， one of the key indicator of regional urbanization， can bridge urban development and environment quality， which provide a new perspective of spatial goverance and coordination of urban and rural development. Under the sponge city concept，we extracted the impervious surfaces of multi-temporal Landsat images through the semi-automatic decision tree classification model in the QRB， China from 1988 to 2017. To extract the continuously changing impervious surfaces， we made full use of temporal， spatial and spectral characteristics through multi-filter methods to further improve the classification accuracy. We then explored the characteristics of impervious surface expansion， including the area， intensity， landscape expansion types of the QRB during the past 30 years. The results show that the QRB experienced rapid urbanization in the study period， and the impervious surface percentage increased from 3.09% in 1988 to 26.49% in 2017. Before 2006， the QRB kept extending mainly at a lower and medium speed in the urban cores of Nanjing city and built-up of Jiangning district. After that， it began to expand at a high speed， being located in the Jiangning district， Lishui District and Jurong city. The QRB was a constellation model in 1988， however， its shape of the impervious patches turned to be simpler with higher compactness based on the “multi-core expansion” around the urban core as well as the “point-axes expansion” along the main transportation lines.The impervious surface expansion in the basin showed an obvious spatial heterogeneity. Economic development， government behaviors， traffic infrastructure development and natural environmental conditions hadgreat impacts on the impervious surface expansion in the QRB. The urban-rural integration was constantly improving with higher patch infill growth.

Keywords： Impervious surface ; Urbanization ; Landscape expansion index ; Urban growth pattern ; Qinhuai River Basin

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本文引用格式

王姗姗, 蒲英霞, 李升峰, 李闰洁, 李茂华. 利用长时序流域不透水面数据集探索城市增长模式——以秦淮河流域为例. 遥感技术与应用[J], 2022, 37(3): 739-750 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2022.3.0739

Wang Shanshan, Pu Yingxia, Li Shengfeng, Li Runjie, Li Maohua. Exploring the Urban Growth Patterns Using Long-time Series Impervious Surface Dataset in the Qinhuai River Basin. Remote Sensing Technology and Application[J], 2022, 37(3): 739-750 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2022.3.0739

1 引 言

南京是江苏省省会、长三角辐射带动中西部发展的重要门户和“一带一路”倡议与长江经济带战略交汇的节点城市，其空间扩展模式具有一定的典型性和代表性［1］。改革开放以来，随着城镇化进程的快速发展，交通基础设施、住宅区和工业建设用地等人工不透水面不断增加，导致河流、湖泊等水系的调蓄和滞洪能力降低、排水体系低效等问题，南京也出现了城区内涝灾害频发现象［2-4］。为缓解上述问题，提高我国新型城镇化质量，2013年中央将“海绵城市”作为现代城市建设的发展战略之一［5］。2017年，南京被列为首批江苏省海绵城市建设试点，制定《南京市海绵城市专项规划》，依据行政边界划分管控分区，取得一定成效［5-7］。

随着“海绵城市”建设理念的不断深入，研究学者提出应选择流域作为建设管理的基本单元［8-11］。Jefferson等［12］在总结全球100个流域不透水面对城市的影响时，指出自然景观和人工地表之间的相互作用对于城市发展和河流健康至关重要；Holman-Dodds等［13］通过对美国爱荷华州中东部流域不透水地表的变化，发现城市化景观可以有效控制水文环境的负面影响；Dang等［14］以越南胡志明市子流域为例，认为不透水面增长不仅加快城市化发展，更提升洪水风险，需要改造基础设施以提高径流入渗能力；谢慧君等［15］对天津于桥水库流域不透水面的研究，指出不透水面对生态水文过程有重要影响，也可作为城市建设与开发的依据；邵振峰等［16］分析武汉内流域30 a间不透水地表变化与城市径流之间的关系，认为不透水面是城市内涝评估和水文环境监测指标之一；Li等［17］以流域视角分析中国深汕特别合作区土地利用，结合城市水系规划和土地开发模式探讨海绵城市的建设路径。总而言之，流域作为一个完整的水文地理单元，其内部不透水面的扩展不仅对上中下游各城市之间的水资源分配、水环境治理以及水安全调控等产生深远影响，而且直接关系到城市社会经济活动的发展空间。当流域不透水面占比低于10%时，对生态环境影响较小；当比例增加到10%~25%时，对环境产生显著影响；当比例大于25%时，生态环境恶化将不可逆转［18］。目前，南京城市建设为流域水文带来深刻影响，如有洪水时洪量增大、洪峰到达时间提前以及河流水质下降等［19-22］。为了深化对水文环境的认知，部分学者以秦淮河、九乡河等南京市典型流域为研究对象，结合城市空间扩展研究理论，利用景观格局指数、等扇分析等空间统计方法分析城市形态演变特征［23-24］。然而，南京所在流域有关长时序城镇扩展模式以及增长轨迹的定量研究尚有欠缺。

基于不透水面探讨城市扩展时空特征具有解释力。随着遥感和GIS技术的不断发展，特别是30 m分辨率Landsat遥感数据的免费获得，为流域不透水面长时序数据库的建立提供了极大便利［15，19，25-26］。已有研究尝试基于基础分类数据集（如全国土地覆盖数据集NLCD），综合时间、空间、光谱等多维特征信息提取连续变化的不透水地表覆盖，保证长时序数据集的时空一致性，获得更准确的城市动态扩展序列，用于城市土地利用动态变化监测［27-31］。特别地，对于连续变化的数据集，景观扩展指数（Landscape Expansion Index，LEI）能够动态描述城市增长过程，定量化景观增长程度及其类别，准确描述两个或多个时相景观格局的变化情况，在多个领域具有很高的应用价值［32］。

秦淮河流域是南京中心城市所在的典型流域，与“海绵城市”的管控分区重合度高。选取1988~2017年秦淮河流域Landsat 9景遥感影像，利用半自动决策树分类模型提取基础不透水面数据集，通过多重滤波器构建连续变化的不透水地表，分析30 a来流域不透水面扩展的时空分布特征。在此基础上，通过景观分析工具建立不透水面扩展与城市增长过程之间的联系，进一步刻画边缘式扩展、填充式扩展与飞地式扩展等不同增长模式在城市化进程中的作用，揭示细粒度城镇群发展的时空过程与演变机制。利用长时序遥感影像提取流域不透水面数据集探索城市增长模式，联系城市增长现有理论，弥补重建城市增长轨迹与机制方面的空白，为未来城市规划和区域可持续发展提供科学参考。

2 研究区与数据源

2.1　研究区

秦淮河流域位于江苏省西南部（31°34′~32°10′ N，118°39′~119°19′ E），长宽各约50 km，面积2 631 km²，是一个近方形的闭合流域。秦淮河贯穿流域全境，属于典型的江南低山丘陵地区，四面环山，中间低平，高程介于0~442 m之间。流域处于亚热带湿润季风气候区，气候湿润，四季分明，冬暖夏热，雨热同季，光照充足［20］。位于西北角的秦淮新河水文站和武定门水文站是流域的出水口。改革开放以来，南京市及周边城市经济社会发展和城镇化建设使得流域内部下垫面结构发生了大规模变化，不透水面显著增加。在行政区划上，流域包括7区1市，考虑到建邺区、雨花台区、秦淮区、玄武区和栖霞区在流域内面积占比小，却是南京市不透水地表最密集的区域，本文合并称为南京城区；其余分别以江宁区、溧水区和句容市为主划分出3个区（图1）。根据《南京市城市总体规划（2011-2020）》、《句容市城市总体规划（2017-2035）》进一步确定四区的中心城区，分别是南京城区、江宁城区、溧水城区和句容城区，面积620 km2［33-34］。

图1

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图1   研究区位置、高程、水系及城区图 审图号：GS（2019）3333

Fig.1   Location， elevation， water system and foururbanbuilt-ups of the study area


2.2　数据获取与预处理

在综合考虑数据质量、可获取性以及前人研究［19-20，23］的基础上，选用1988、1994、2001、2003、2006、2009、2011、2015、2017年9景Landsat TM/ETM+/OLI遥感影像，均来自USGS官网（https：∥www.usgs.gov/）。每景影像的空间分辨率为30 m，研究区内基本无云。Landsat-7 ETM+于2003年之后获得的遥感影像有严重的条带问题，需要进行条带修复。Landsat TM/ETM+/OLI发布的数据产品是L1T，经过辐射定标、FLAASH大气校正、波段合成、研究区裁剪后，完成对遥感影像的预处理。矢量数据主要包括秦淮河流域边界、行政边界、水系图和路网图。

2.3　不透水面长时序信息提取

综合考虑长时序数据集提取效率、结果精度与分析可持续等，选择像元尺度的不透水面连续变化数据集。秦淮河流域基础不透水面数据集采用专为南方丘陵区地物分类而设计的半自动决策树分类模型［35］。在对各类地物光谱特征进行统计分析的基础上，结合层次分类与监督分类构建半自动决策树模型，精准提取特定地物类别。首先，针对水体、植被、裸地选取最优波段指数（归一化差异水体指数、NDVI、裸土指数）；其次，结合多时相数据，利用植被物候时间差区分光谱信息相近的农田与林地（11月后，水田与旱地处于收割期，而林地落叶时间相对较晚，农业用地与林地光谱特征差异明显）；最后，通过逐步过滤林地（林木、园地、灌木地、草地等）、水体（河流、湖泊、水库等）、农业用地（灌溉农田、旱地）、裸地（在建用地、其他裸露地表），从而获得像元尺度上的不透水地表。

对于长时序遥感影像分类而言，半自动决策树模型对样本的依赖度较大，容易导致地物变化在时空上的完整性和连续性较差。为了能够更好地监测不透水面的时空动态变化，利用空间、时间和光谱信息构建多重滤波器改善前面获得的基础数据集，以保证整个时间序列上不同图像像元的属性变化具有时空一致性［28］。鉴于Landsat TM/ETM+/OLI影像的分辨率为30 m，对所有时相的初始分类结果先用最小斑块阈值（1 800~8 100 m2）进行空间滤波处理，通过总体精度和Kappa系数评估，发现阈值为3 600 m2时大多数年份（7个时相）达到最佳分类效果。其次，利用相邻年份的像元属性信息，修正像元在相邻时相中不透水面向非不透水面转换的情况［29，36］。最后，若像元在完整时间序列里出现两次非不透水面过渡为不透水面的情形，利用光谱信息计算两个转变时段内像元光谱矢量的欧氏距离，拥有最大距离（或最小光谱相似度）的转变时段将被保留，以确定理想不透水面的变化序列。据此，提取连续变化的不透水面数据集作为下一步分析的基础。

3 研究方法

3.1　扩展强度指数

扩展强度指数（Expand Intensity Index，EII）衡量不透水面的扩展程度。为保证不同时期不透水面扩展速度之间具有可比性，EII对增长速度进行了标准化处理。具体表达式如下：

EII=Ub-UaA×1Tb-a×100

其中：Ua和Ub为a、b时刻的不透水面面积；A为研究区总面积；Tb-a为a、b时刻的跨度。

根据EII值的大小，可将不透水面扩展强度分为缓慢（0~0.28）、低速（0.28~0.59）、中速（0.59~1.05）、快速（1.05~1.92）、高速（>1.92）5个等级［37］。

3.2　景观扩展指数

不透水面在地表上的扩展并不是均匀的。根据不透水面与周边区域之间的关系，定义3种景观扩展模式：填充式（infilling）、边缘式（edge-expansion）、飞地式（outlying）［32］。其中，若新增不透水面斑块被已开发区域（不透水面）高度包围，则为填充式；若新增斑块与已开发区域相交并向外扩展、或被已开发区域稀疏包围，则为边缘式；若新增斑块与已开发区域不相交、不相邻，则为飞地式。飞地扩展模式对城市核心发展足迹和开发土地的破碎化程度影响最大。实际上，不同地域的增长模式具有特殊性和复杂性，与土地利用、自然地形、生境质量的控制等均有关系［38］。从探索城市增长模式的角度来看，景观扩展指数（LEI）可用来定量判断上述3种扩展模式，原理简单、普适性高，适于揭示连续变化数据集的内在信息［39-40］。具体定义如下：

LEI=100×AOAo+Av

其中：AO是新增斑块的缓冲区与已有不透水面斑块之间的相交面积；Av是新增斑块的缓冲区与非不透水面类别的相交面积。LEI的数值范围为0~100。若LEI>50，不透水面扩展类型为填充式；若0<LEI≤50，为边缘式；若LEI=0，为飞地式。这里，为获得稳定的LEI值，缓冲区半径设为1m［32］。

上述扩展模式与城市增长理论中的重致密化（re-densification）、洋葱/树型（onion/tree）和蛙跳（leapfrog）增长之间具有对应关系［41］。其中，重致密化是指城市发展中由于用地所限，在原有城区进行更新或填充，实现更高形式的增长。洋葱/树型增长是指城市增长围绕市中心（种子）向周边地区布局新的开发用地，实现圈层式增长；由于受地形限制或在增长过程中沿着某一方向的交通可达性较好，使得城市轮廓类似于树型。蛙跳增长则指城市开发方向相对于当前城市中心是孤立的，在空间上并不联系，如开发区建设。

4 结果与分析

4.1　精度检验

分类结果精度评价采用样本点验证方式。在研究区内随机生成1 000个样本点，通过目视解译，对照每景影像的不透水面分类结果和影像实际地类之间是否一致。精度评价主要用总体精度（Overall Accuracy）和Kappa系数表征。表1是秦淮河流域1988~2017年间9个时段上的不透水面分类精度评价结果。可以看出，绝大多数年份的总体分类精度达到90%以上，Kappa系数在0.80以上，分类效果良好，达到预期水平。

表1   1988~2017年秦淮河流域不透水面分类精度评价

Table 1  Classification accuracy assessment of impervious surface in Qinhuai watershed， 1988~2017

精度评价指标年份
198819942001200320062009201120152017
总体精度0.930.910.910.930.900.890.920.920.90
Kappa系数0.860.830.820.870.800.780.840.830.79

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4.2　秦淮河流域不透水面时空分布特征

分析不同时期不透水面规模及其空间分布是辨识城镇扩展变化的基础。图2是1988~2017年秦淮河流域不透水面扩展分布图。整体上，随着时间的推移，该流域不透水面持续扩大，其分布格局和空间形态也发生了显著变化。图2（a）表明，20世纪80年代末期，不透水面在整个流域内零星分布，主要集中在南京城区和其他城镇政府所在地，包括东山街道（江宁城区）、永阳街道（溧水城区）和华阳街道（句容城区）。从形态来看，南京城区呈狭长带状连片分布，江宁城区呈双组团型，而溧水城区和句容城区则呈不规则团块状。

图2

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图2   1988~2017年秦淮河流域不透水面扩展分布图

Fig.2   Impervious surface expansion mapsin the Qinhuai River Basin， 1988~2017


到20世纪90年代，秦淮河流域不透水面并未发生大的变化，基本维持原先格局。从图2（b）可以看出，变化区域主要集中在各个城区以及江宁区禄口街道附近（南京禄口机场所在地）。该机场于1995年正式开工建设，两年后投入运营，并在机场周边陆续修建了南京机场高速、宁宣高速等重要公路，极大完善了南京交通运输体系，促进了南京都市圈的经济发展与国际交流。截至2001年，流域不透水面仍缓慢增长（图2（c）），其中城区不透水面增长48.7 km2，占流域增长的一半以上（57%）。

自21世纪初期，秦淮河流域不透水面扩展进入快速增长期，标志着城镇化建设迈入新阶段。具体而言，整个流域不透水面在2003、2006和2009年分别达到249.20 km2、328.20 km2和409.28 km2（表2），是1988年的3.12倍、4.11倍和5.12倍，每3年增长面积几乎相当于初期整个不透水面规模（79.89 km2）。2001~2009年，流域不透水面共增加207.39 km2，年均增长25.92 km2/a，是1988~2001年间年均增长（9.38 km2/a）的2.76倍。从图2（d）~图2（f）可以看出，城区不透水面扩展明显快于整个流域。2003、2006和2009年城区不透水面分别为139.33 km2、178.80 km2和221.04 km2，是1988年的3.47倍、4.46倍和5.51倍（表2）。其中，江宁城区不透水面扩展异军突起，这与2000年江宁县“撤县设区”有关。

表2   1988~2017年秦淮河流域、城区及非城区不透水面的面积和覆盖率

Table 2  Area and percentage of impervious surfaces in urban and non-urban in Qinhuai River Basin，1988~2017

年份流域城区非城区

面积

/km2

覆盖率

/%

面积

/km2

覆盖率

/%

面积

/km2

覆盖率

/%

198879.893.0440.106.4739.791.98
1994117.074.4557.679.3059.402.95
2001201.897.67106.3717.1695.524.75
2003249.209.47139.3322.47109.875.46
2006328.2012.47178.8028.84149.397.43
2009409.2815.56221.0435.65188.259.36
2011472.2017.95245.4539.59226.7511.28
2015621.0323.60290.7746.90330.2616.42
2017685.6126.06306.3649.41379.2518.86

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2010年之后，秦淮河流域不透水面扩展更为加剧，城区及其周边外围也出现了大幅增长（图2（g）~图2（i））。面积上，2011、2015和2017年流域不透水面分别达到472.20 km2、621.03 km2和685.61 km2，是1988年的5.91倍、7.77倍和8.58倍。增速上，2009~2017年间流域不透水面年均增长34.54 km2/a，超过上个时期（2001~2009年）增速。空间上，非城区不透水面增长逐渐超过城区，这意味着自2015年以来，流域城镇化发展进入相对成熟阶段。2017年流域约70%不透水面集中于南京城区和江宁区（图3），与其城镇化水平相一致。

图3

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图3   1988~2017年四区的不透水面的面积和覆盖率

Fig.3   Area and percentage of the impervious surface in four urban regions， 1988~2017


4.3　秦淮河流域不透水面扩展强度

流域不透水面在不同时段上的扩展速率并不均衡。表3为研究时段秦淮河流域及4个城区不透水面的扩展强度。大致以2006年为界，流域扩展强度指数（EII）前后发生了明显变化。2006年之前，全流域EII指数从0.24持续增长至1.02，不透水面从缓慢扩展过渡至中速扩展，城镇空间需求逐渐增大；2006年之后，流域EII指数均在1.05以上，整个流域不透水面进入快速扩展期，城镇空间变化明显。其中，南京城区不透水面扩展强度最为突出：初期，该城区不透水面扩展强度最大（1.04）；2001~2003年间，从中速扩展迅速进入高速阶段（4.43）；2003年后速度开始下降，2017年不透水面扩展强度为最低（0.55）。江宁区自2001年后进入快速扩张期并保持稳定趋势（1.32~1.68）。溧水区不透水面扩展一直相对缓慢，2011年后进入快速扩展期（1.32~1.66），自2015年以来甚至超过整个流域平均扩展强度，这与2013年溧水县“撤县设区”、2015年“撤镇设街道”有关。句容市不透水面扩展趋势在整个流域内最为缓慢，2011~2015年间呈快速发展势头，近期有所放缓，呈中速扩展态势。

表3   1988~2017年秦淮河流域及其四区的扩展强度

Table 3  EII of the impervious surface in the Qinhuai River Basin and its four urban regions，1988~2017

研究时期全流域南京城区江宁区溧水区句容市
1988~19940.241.040.310.170.09
1994~20010.472.200.580.260.22
2001~20030.914.431.320.490.21
2003~20061.023.091.630.510.31
2006~20091.052.841.590.770.34
2009~20111.222.061.630.940.78
2011~20151.441.091.681.321.27
2015~20171.240.551.651.660.67

注：缓慢（0~0.28）；低速（0.29~0.59）；中速（0.60~1.05）；快速（1.06~1.92）；高速（＞1.92）

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4.4　秦淮河流域不透水面扩展模式

不透水面扩展是城镇化进程的产物。通过计算景观扩展指数（LEI），可以获得秦淮河流域相邻时段的不透水面扩展模式（图4），从而为判别区域城镇化发展策略提供一定的借鉴。从图中可以看出，边缘式扩展是秦淮河流域不透水面增长的主要方式，这意味着流域内城镇发展遵循城市增长的一般模式，即从已有城市中心开始，向周边地区布局生产和建设用地，实现圈层式发展。由于各个城区所处的地理位置和地形地貌等条件的不同，城区发展也表现出明显的地域差异。随着时间的推移，填充式扩展在不透水面增长中稳步提升，表明城市增长逐渐从外延式向内涵式发展。飞地式扩展在整个流域出现的规模和比重都相对较低，在2003~2006年和2011~2015年两个时段较为集中，从流域中部（江宁城区附近地段）逐渐转移到流域上游（包括江宁的湖熟街道和句容的后白镇、天王镇等），说明随着城区发展趋于成熟，外围城镇也开始得到相应发展，符合预期城乡规划目标［33-34］。

图4

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图4   1988~2017年秦淮河流域不透水面景观扩展模式分布图

Fig.4   Landscape expansion pattern map of impervious surface in Qinhuai River Basin， 1988~2017


表4则进一步对秦淮河流域各个时段新增不透水面的3种扩展模式进行了统计和汇总。可以看出，在1988~1994年间，边缘式扩展比例最高（83%），飞地式扩展居中（10%），填充式扩展最低（7%）。随着时间的推移，边缘式扩展所占比例逐步下降，填充式扩展则逐渐提高，到2006~2009年间，边缘式扩展则降至最低（60%），填充式则达到最高（38%）。总体来看，边缘式扩展在3种模式中始终占据主导地位。

表4   秦淮河流域新增不透水面在不同时段上的景观扩展模式统计

Table 4  Areaand proportion of three landscapeexpansion types in Qinhuai River Basin at different periods

研究时段边缘式填充式飞地式总计

面积

/km2

比重

/%

面积

/km2

比重

/%

面积

/km2

比重

/%

面积

/km2

比重

/%

合计424.2270138.32347.168609.68100
1988~199431.09832.3973.801037.28100
1994~200165.42776.01713.461684.89100
2001~200334.94749.77212.65647.36100
2003~200657.197214.14187.701079.03100
2006~200949.126030.85381.34281.31100
2009~201140.256422.69360.15063.09100
2011~2015100.896734.472314.8610150.22100
2015~201745.326817.98273.20566.5100

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为了进一步探究秦淮河流域不透水面扩展模式的时空差异，图5分别统计了2006年前后城区及非城区3种扩展模式下新增不透水面的分布状况。

图5

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图5   1988~2017年秦淮河流域城区及非城区新增不透水面景观扩展模式面积统计

Fig.5   Landscape expansion types in urban and non-urban regions in Qinhuai River Basin， 1988~2017


南京城区和江宁区是秦淮河流域内不透水面发展最为迅速的区域。2006年之前，新增不透水面主要集中在城区，且以边缘式扩展为主，从城区中心迅速向外扩张，而非城区发展整体处于较低水平。其中，城区通过边缘式、填充式和飞地式分别新增不透水面73.36 km2、24.33 km2和8.15 km2。江宁城区中心呈洋葱式增长，同时沿着交通可达性较好的东、南方呈树型增长，在空间上成为南京城市发展的新增长极。2006年之后，不透水面扩展主要集中在非城区，以边缘式和填充式为主，分别新增117.26 km2和35.58 km2。城区内出现大量填充式不透水面斑块，这是因为随着城市化进程的加快，城区建设空间不断缩小，城市发展由外延式向内涵式转型。城区重致密化源于现有不透水面的内部变化，稀疏建筑（单户住宅）逐渐被密集的城市结构（高层建筑）所替代。随着江宁城区道路网逐步向外修建，城市空间开始以蛙跳方式蔓延，后期又以边缘式扩展继续增长，为江宁区城镇化发展提供动力（图4）。

相比之下，溧水区和句容市城镇化进程总体较为缓慢。2006年之前，溧水区主要以边缘式向外扩展，方向偏西北（图4）。城区中心呈洋葱式增长的同时，也沿着西北方向的经济开发区呈树型增长。2006年之后，溧水城区通过边缘式和填充式分别新增不透水面31.22 km2和11.45 km2，非城区通过边缘式新增不透水面12.39 km2。

句容市是长江三角洲城市群沪宁城镇发展轴上的重要节点城市，是江苏省实施沪宁开发战略的有机组成部分。2006年以前，句容城区和非城区通过边缘式扩展新增不透水面分别为10.08 km2和15.93 km2，非城区不透水面增长略快，与溧水区城镇发展策略明显不同（图5）。同时，交通体系以“四纵三横”的铁路线网、“三横一纵”的高速公路为骨架逐步完善，带动后白镇、天王镇等沿着道路增长，空间形态趋向不规则形状。截至2017年，句容市城市发展仍主要来自非城区边缘式扩展，同时伴随飞地式增长。城镇化建设速度的加快，使得句容未来有条件成为南京都市圈内宜居宜业的现代化城市。

5 扩展动力机制分析

5.1　自然禀赋

山水是城市发展的灵魂，同时也对城市空间扩展和形态增长产生制约性。秦淮河流域北部多为丘陵山脉，南部地区多为黄土岗地和圩田平原，包含了大部分核心城区。以南京城区为核心的西北区域发展容易饱和，后期发展空间较小。而南方多为未开发平原，江宁新城、溧水和句容老城区进一步向外扩张；同时，在交通基础设施建设的带动下，南京城区和江宁城区也逐渐向东部、南部扩张，与其他城区的联系越来越紧密。

5.2　经济发展与人口增长

城镇化发展的主要动力是经济发展。随着南京从早期改革深化阶段逐渐进入经济高速发展阶段，必然提升对土地利用规模的需求。分析1988~2017年秦淮河流域行政区GDP总量以及全社会固定资产投资（Total Investment in Fixed Assets，TIFA）总额变化与不透水面扩展之间的关系（图6），发现二者与南京城市发展均存在线性正相关关系，说明经济发展是城市扩展的推动因素之一。1988~2006年间，GDP以年均113%的速度增长，但总量较低，不透水面扩展强度逐渐从缓慢扩展增至中速扩展；2006~2017年间，GDP总量迅速增长6倍，全社会固定资产投资增长近5倍，不透水面保持高速扩展水平。

图6

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图6   GDP、TIFA与不透水面之间的关系

Fig.6   Relation of GDP， TIFA and impervious surface in Qinhuai River Basin


人口增长是城市扩展的基本动力，同时城镇化的高质量发展也会带来人口增长。30 a来秦淮河流域非农业人口增长显著（图7），总人口、非农业人口分别以年均1%和6%的速度稳定增长，非农业人口比重从26%逐渐增至54%，非农业人口快速增长带来的用地压力驱使城市向外扩展。同时，人民生活水平的逐步提高使得居民对住房的需求量和需求结构发生变化，直接影响了城市扩展速度和方向［42］。流域西北部在保持高需求高房价的同时，城区外围的城郊（如江宁新城）房地产开发产业逐步兴起，农业用地不断转化为商业、住宅等城市建设用地。

图7

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图7   总人口与非农业人口的变化

Fig.7   Change of total population and non-agricultural population in Qinhuai River Basin


5.3　交通基础设施

交通基础设施的修建对城市扩展具有指向性。以2017年流域交通道路（包括高铁、高速公路、国道和省道）为中心线向外扩展500 m做缓冲区，得到1988、2006和2017年路网缓冲区内的不透水面（图8）。秦淮河流域路网分布总体呈现西北密度高，东南密度低的特征。究其原因，南京市是东部沿海经济带与长江经济带战略交汇的重要节点城市。而江宁区毗邻南京市，从东西南三面环抱南京主城，是南京对外沟通的重要枢纽。秦淮河流域重要交通干线都集中在西北一侧，这一带也是国家东部地区重要的交通物流枢纽和通讯中心。不透水面在缓冲区内从1988年的57.2 km2增加到2006年的255.13 km2，2017年达到496.29 km2，占总缓冲区面积的比重由初期的4.81%增加到21.43%（2006年）直至41.69%（2017年）。不断修建的交通路网连接了各城区、新区与乡镇，促进了沿线土地开发，增强了流域连通性。

图8

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图8   1988、2006、2017年交通道路网缓冲区内的不透水面增长

Fig.8   Impervious surface growth within road network buffers in 1988，2006 and 2017


5.4　城市与区域规划

城区与区域规划的引导是秦淮河流域不透水面扩展模式变化最重要的因素。2001年南京市因城市“南延东进”战略对江宁“撤县设区”，将江宁区纳入“一城三区”城市发展战略，明确要求东山街道作为承担南京城区综合功能扩散的新市区［31］。2003年《南京都市圈规划（2002–2020）》发布，确立了南京在长江流域的中心城市地位。为了加速江宁城区“同城化”，修建了与南京城区之间的多条道路，同时伴随着南京机场高速、宁杭高速等道路修建，东山街道不断向南、向东延伸发展，带动周边的秣陵、淳化、麒麟等街道城镇化进程大幅加快，促使江宁城区中心呈现洋葱式增长，同时沿着交通可达性较好的东、南方呈树型式增长。同时，伴随着城区道路向外延伸，城市发展战略中被列为重点城镇的汤山、湖熟、禄口等迅速发展起来。

城市规划也对溧水和句容城区扩展方向具有重大影响。1993年，省政府批准建设溧水经济开发区，城区向西北方向修建多条省、县道，开发区建设逐渐主导城市发展方向［43］；2008年，溧水县通过《关于溧水经济开发区扩大范围优化管理体制的实施意见》（溧委发［2008］ 18号），开发区带动城区迅速扩张，扩大了城市建设空间范围；2013年2月，该县“撤县设区”，现有的优越区位条件和交通便利优势得以进一步凸显，区域城市化步伐加快。句容市人民政府在2007年提出“举全市之力建设开发区”，使得经济开发区成为该市项目建设首要载体和经济建设增长极［44］，城区向西北部扩展。同时，溧水和句容属于南京都市圈核心圈层，城市化发展受到显著辐射，行政级别的提升和交通设施的大规模发展，加速城市开发。

6 结 论

不透水面搭建了城市扩展与生态环境质量之间的桥梁。本文以南京市所在的秦淮河流域为研究区，收集1988~2017年9景Landsat TM/ETM+/OLI 遥感影像，利用半自动决策树分类模型提取不透水面基础数据集，并引入多重滤波器保证不透水面变化序列在时空上的完整性和连续性。研究发现秦淮河流域不透水面覆盖率显著提升，并采用扩展强度指数（EII）和景观扩展指数（LEI）对流域不透水面扩展的时空变化特征进行了定量分析。主要结论如下：

（1）秦淮河流域30 a城镇化进程发展迅速。不透水面从初期的79.89 km2（3.09%）扩展至685.61 km2 （26.49%），超过生态系统承载能力警戒线。不透水面扩展强度以2006为界大致分为两个阶段：1988~2006年间扩展强度指数较低，2006~2017年间进入并稳定在快速扩展期，30 a间扩展强度增长了5倍。

（2）秦淮河流域城镇形态组建和扩展的主要形式是“多核扩展”和“点—轴扩展”。基于地形条件，流域不透水面初期以多个中心城区为“核心”，通过洋葱式/树型增长方式迅速向外扩张。其中，南京和江宁城区因城市建设空间限制，原有城市结构逐步被改造和替代。行政规划的引导和交通路网的修建推动流域不透水面以蛙跳式蔓延，乡镇、街道等“点”通过边缘式扩展加快城镇化过程，城乡一体化水平不断提高。

（3）秦淮河流域区域层次开发水平不同。南京城区和江宁区的不透水面覆盖率超过25%，城区将优先选择填充式开发或再开发策略；溧水区和句容市的不透水面覆盖率均处于10%~25%之间，城区发展重心转移至西北方，开发指导方针除城乡建设外需兼顾生态修复。

（4）秦淮河流域不透水面扩展受到自然、社会和经济综合影响。自然条件为流域内城镇扩展提供基础条件；经济发展是城市扩展的决定性因素，其中南京都市圈的辐射效应起到重大作用；政策引导和规划了城镇扩展规模与发展方向；交通在城镇扩展方向中起到重要牵引力的作用。

定量分析流域长时序不透水面景观扩展模式可有助于提高城镇化质量，并对区域层次规划提供指导。随着秦淮河流域城镇化的快速发展，不透水面发展重心逐渐转移至上游，特别是溧水区和句容区不透水面的持续扩展，将对流域长期水文过程、洪水事件、水资源时空分布和水环境质量等产生深远影响。在新型城镇化过程中如何引入“海绵城市”的建设理念，将是下一步深入展开的工作：不透水面作为分布式水文模型的重要计算模块之一，它的扩大会直接影响到洪水模拟频率及峰值流量的增加，未来将构建不同的城镇化情景，结合数理统计方法，定量研究城镇化进程对区域暴雨洪水和长期水文过程产生的影响及规律；另一方面，随着南京“海绵城市”的建设，管控分区内不透水面也逐步转化成透水面，如何提取转变的空间范围及其面积，将对精准判断地表改造是否对地表径流和河流生态环境产生有效控制十分关键。

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