改革开放以来，中国在取得快速发展的同时，也面临着建设用地过度扩张和生态环境遭受破坏等问题^{[1, 2]}，利用遥感、GIS技术对城市扩张过程进行研究，有助于揭示城市空间形态的演变特征和规律，为城市可持续发展提供科学依据。在已有的城市扩张研究中，主要选取卫星影像等中低分辨率影像为研究数据^[3-5]，利用高分辨率航空影像研究的较少；研究内容主要以建设用地为整体，对城市扩展的整体特征、扩展模式与模型预测等进行研究^{[6, 7]}，对建设用地主要功能用地的内部形态演变特征研究深度不够；研究对象主要选取大中比例尺的区域，比如经济发达的珠江三角洲、长江三角洲^{[8, 9]}，或是北京、上海、长沙等城市发展的典型区域^{[8, 10-12]}，针对中小城市或城市的某个辖区进行研究的较少。

自2002年佛山市行政区划调整后，禅城区由原来的78 km²调整为154 km²，近年来通过举办省运会、开展城市升级改造，使禅城区城市面貌发生了显著变化。利用高分辨率航空影像，采用人工目视解译方法，研究禅城区空间形态演变特征及驱动因素，对政府决策和城市可持续发展具有重要意义。

1 研究区概况与数据来源

禅城区地处东经113°00′ 41″ ~113°05′ 40″，北纬22°35′ 01″ ~23°02′ 24″，是佛山市人民政府驻地，佛山市政治、金融、文化、交通和信息中心，行政区面积154.09 km²，辖祖庙街道、石湾镇街道、张槎街道、南庄镇共3个街道和1个镇。近年来禅城区发展迅速，2018年禅城区GDP总量为1 855.06亿元，常住人口118.40万人。

本文研究区数据为2006年、2012年、2014年、2017年航空影像数据，分辨率为0.5 m，数据格式为JPG格式。辅助资料为历年土地利用现状数据、行政界线。借助ENVI与ArcGIS软件，采用目视解译方法，将禅城区4期影像数据提取为居住用地、工业用地、服务设施用地、绿地与广场、道路用地和非建设用地。

2 城市空间扩展分析方法 2.1 扩展强度和扩展速度

利用扩展强度指数和扩展速度指数分析城市建设用地扩展的强度和速度。其计算公式为：

1）扩展强度指数。

$ I_{u e}=\frac{\left(U_{n+i}-U_i\right)}{U_i} \times \frac{1}{T} \times 100 \% $

(1)

式中，I_ue为城市扩展强度指数；U_n+1为n+i时刻的建设用地面积；U_i为i时刻的建设用地面积；T为时间间隔。

2）扩展速度指数。

$ M_{u e}=\frac{\Delta U_{i j}}{\Delta T_{i j}} $

(2)

式中，M_ue为城市扩展速度指数；ΔU_ij为i时刻到j时刻建设用地面积变化量；ΔT_ij为i时刻到j时刻的时间跨度。

2.2 扩展形态指数

本文采用紧凑度指数、分形维度指数、BoyceClark形状指数分析城市外部形态的演变特征。

1）紧凑度指数。

$ B_{\mathrm{CI}}=2 \sqrt{\pi U} / P $

(3)

式中，B_CI为城市紧凑度指数；U为建设用地面积；P为城市轮廓周长。紧凑度越高，说明城市形状越紧凑；反之，城市形态紧凑性越差。

2）分形维度指数。

$ S_t=2 \ln \left(P_t / 4\right) / \ln A_t $

(4)

式中，S_t为t时期城市斑块的分形维数指数；P_t为t时期城市斑块的周长；A_t为t时期城市斑块的面积。分形维度变大，说明城市以向外扩展为主；其值变小，说明城市以内部填充为主；其值不变，说明城市进入相对稳定的发展阶段。

3）Boyce-Clark形状指数。

$ S_{B C}=\sum\limits_{i=1}^n\left|\frac{r_i}{\sum\limits_{i=1}^n r_i} \times 100-\frac{100}{n}\right| $

(5)

式中，S_BC为Boyce-Clark形状指数；r_i为从图形的优势点到图形周界的半径长度；n为具有相等角度差的辐射半径数量。形状指数是将城市形状与标准形状进行比较，得出一个相对指数，根据相对指数确定城市的平面轮廓形状。

2.3 等扇形分析法

以建设用地的重心为中心，把城市分为2n（n=1，2，3，…，n）个夹角和面积相等的扇形区域，并与各时期建设用地矢量数据进行空间叠加，判断各时期各扇区用地扩展强度。本文以22.50°为间隔，将禅城区分为16个夹角和面积相等的扇区，与不同时期建设用地矢量数据进行叠置分析，如图 1所示，统计各年份、各扇区建设用地面积和用地增量，判断城市的扩展方向。

2.4 Kernel核密度分析法

获取主要功能用地地块的质心并生成点集数据，根据地块面积进行Kernel核密度分析，再采用自然断裂（nature break）分类法，将城市主要功能用地的集聚程度分为3类：低密度区、中密度区、高密度区，生成各时期各功能用地面积密度栅格图，根据栅格图显示的用地密度变化揭示主要功能用地的空间形态演变特征。

3 城市空间扩展与演变特征 3.1 扩展强度特征

从表 1可知，2006年禅城区建设用地面积为99.32 km²，占城市总面积的64.46%；2012年建设用地面积为103.19 km²，占总面积的66.97%；2014年建设用地面积为108.98 km²，占总面积的70.72%；2017年建设面积为111.82 km²，占总面积的72.57%。总体来看，禅城区城镇化水平高，土地开发强度大。

根据各时期扩展强度指数和扩展速度指数，将禅城区城市扩展分为3个阶段。

1）2006—2012年缓慢扩展期，这一时期是行政区划调整后城市发展的第一阶段，城市扩展强度指数为0.65%，扩展速度指数为0.64km²/a，相对另外两个时期，这一时期的扩展强度和扩展速度最低，是扩展的相对缓慢期。

2）2012—2014年高速扩展期，这一时期城市扩展强度和扩展速度分别是前一时期的4.32和4.53倍。2010年后，佛山市开始打造国家制造业创新中心，走“世界科技+佛山智造+全球市场”的创新之路，不仅出现了像祖庙商业文化中心、鄱阳奇槎商务圈等扩建、改造项目，还出现了像南庄陶瓷商务会展中心、禅西新兴产业基地、绿岛湖片区等新型的产业基地和智慧综合体，各类功能用地在这一时期都迅速发展起来。

3）2014—2017年稳定扩展期，这一时期城市扩展强度指数为0.87%，扩展速度为0.95 km²/a，建设用地总数在提高，但扩展强度和扩展速度下降，禅城区进入相对稳定发展阶段。

3.2 扩展方向特征

由图 2可以看出，禅城区2006—2017年主要往西、西北方向扩展，但各时期仍然存在一定的差异：① 2006—2012年，城市主要集中在W-NWW和SSSE方向上扩展，西和东南方向是这一时期城市的扩展翼。② 2012—2014年，数据波动范围最大，离散程度也最高，表明这一时期城市空间扩展最为剧烈，W-NWW-NW是城市空间扩展的方向翼，西和西北部方向空间扩展明显。③2014—2017年，城市继续往NWW方向扩展，西北方向扩展明显。

3.3 外部形态演变特征

禅城区扩展形态指数计算结果如图 3所示。2006—2017年期间，城市紧凑度指数从0.34增加至0.39，处于平缓上升趋势，表明城市越来越紧凑；分形维数从1.35降至1.33，微量下调，表明城市形状进入相对稳定的发展阶段，城市扩张主要以内部填充为主；形状指数从42.67降至30.74，变化明显，城市在扩展过程中内部斑块逐渐被填充、聚集，城市形状越来越趋于矩形。基于以上结果可看出，禅城区城市发展主要是以内部填充为主，城市斑块越来越紧凑，土地集约利用程度越来越高。

3.4 内部形态演变特征

2006—2017年，居住用地、工业用地和服务设施用地变化较大，如图 4所示，在城市发展过程中具有较大差异的行为特征，对城市形态演变起到了不同程度的影响。

1）居住用地空间分异特征。2006年，禅城区居住用地高密度区主要位于祖庙和石湾镇街道的老城区，其他区域呈散状布局，未出现明显的空间集聚现象；2006—2012年，居住用地在原高密度区域向外扩大，一是向祖庙商业文化区东方向扩展，二是随着鄱阳奇槎商务圈的建成，石湾镇街道的居住用地向东南方向高密度扩展。2012—2014年，居住用地一方面以城市综合发展主轴线为中心继续向外扩展，另一方面，由于旧城改造升级等原因，张槎有部分工业用地转换成了居住用地，同时，受禅西新城中心发展规划的影响，南庄镇东北方向的居住用地也有所增加，郊区化趋势初步显现。2014—2017年，禅城区城市空间形态基本稳定，祖庙、石湾镇、张槎街道填充式扩展，南庄镇由于绿岛湖片区的开发建设，季华路以北方向居住用地持续增加，出现居住的郊区化现象，居住用地在空间上的均衡性加强。

2）工业用地空间分异特征。2006年，工业用地主要集中在张槎街道，石湾镇街道和南庄镇工业用地分布相对分散。2006—2012年，工业用地的增长点主要是分布在张槎街道和南庄镇。作为工业大镇的张槎街道，工业用地在大江村、上朗村等片区有高密度扩展；南庄镇在这一时期第二产业得到快速发展，工业用地在各片区中有高密度扩张。2012— 2014年，工业用地面积开始递减，主要是张槎、石湾镇街道旧工业厂房通过拆除、整治或复垦复绿，转换成了居住用地或未建设用地，另一方面由于新型工业园区的建设，工业用地在在张槎智慧新城片区和二桥北沿线片区、南庄镇禅西新兴产业片区等有中密度扩展。2014—2017年，工业用地拆除力度持续加大，工业用地面积持续减少，同时在南庄镇与张槎街道接壤处，出现新的工业用地增长点。

3）服务设施用地空间分异特征。2006年，服务设施用地高密度区位于城市重要节点，具有明显的集聚特征。2006—2012年，服务设施用地变化不大，但由于建设用地的扩张，服务设施用地密度有所降低。2012—2014年，祖庙商业文化中心、石湾镇高校区的服务设施用地有所增加；同时，随着西部工业区和禅西新城中心的建设，该区域的配套服务设施用地也有所增加。2014—2017年，服务设施用地扩展明显。随着前一时期新增居住用地和工业用地的建设完成，这一时期的服务设施用地扩展迅速，且扩展点与居住用地和工业用地在前一时期和这一时期的增长点基本一致。

3.5 城市扩张影响因素分析

禅城区作为土地高度开发的区域，政府调控是城市发展的主要驱动力，其中，“三旧”改造、规划协调、交通引导对城市扩展的影响尤为显著。

1）“三旧”改造。佛山市的高速发展带来了城市用地的不断扩张，而城市内的一些旧村居、厂房却存在土地利用粗放、低效无序、城市基础设施落后等问题，在此背景下，佛山市政府于2007年出台了《关于加快推进旧城镇旧厂房旧村居改造的决定》和3个相关配套文件，禅城区开始进入土地资源整合阶段；2011年初，佛山市政府印发了《关于通过“三旧”改造促进工业提升发展的若干意见》，禅城区紧接着也印发了相应的实施细则和工作方案，自此禅城区进入“三旧”改造的高潮阶段，改造模式从过去零打碎敲转变为推进连片项目改造，这与各类用地的实际发展趋势相一致。

2）规划协调。城市规划是协调城市功能布局的有效措施，也是政府调控社会、经济和环境等资源合理配置的重要手段之一。为适应2002年行政区划调整后城市发展建设的需要，佛山市编制了《佛山市城市总体规划（2005—2020）》，到2010年城市发展规划是“多级、网络化、组团式”的空间发展结构，目的是加强各区之间的联系，构建广佛都市区的基本架构，因此，2006—2010年，城市扩张是分散式的。为适应新形势下城市的建设与发展，佛山市编制了《佛山市城市总体规划（2011—2020年）》，目标是将佛山市打造成制造业创新城市，因此2010—2017年，禅城区一方面向新型工业、智慧社区发展，另一方面，通过产业转型，将旧厂房、旧村庄进行拆除、整治，释放城市发展空间。

3）交通引导。交通是城市的基本骨架，是城市空间扩展的主要内在适应性因素，对城市空间结构的优化和城市空间扩展具有巨大的影响。2010年广佛地铁1号线各段线路的陆续开通，强化了禅城区与南海区和广州市的交通联系，使得城市向东方向有一定的扩张；同时，随着“八横、七纵”快速路网的完善，禅城西部的主干道两侧开始出现产业集聚区，城市出现郊区化发展。

4 结束语

本文利用禅城区2006年、2012年、2014年和2017年高分辨率航空影像，结合政府调控相关因素，对禅城区城市空间扩展形态及其驱动机制进行分析，得出以下结论。

1）2006—2017年，禅城区经历了缓慢-高速-稳定3个发展阶段，扩展方向由“南、西”方向向“西、西北”方向，再向“西偏北”方向发展；扩展模式由分散式扩张逐渐转变为填充式扩展。

2）2006—2017年，居住用地和服务设施用地平稳增长，工业用地先增加后减少，城市由单一功能的“生产型”逐渐向多功能的“综合型”转变。

3）禅城区2017年建设用地比例已超过70%，土地开发强度远超世界高密度发展国家和地区，在经济高速发展和新增建设用地日渐短缺的矛盾下，禅城区通过“三旧”改造、规划协调、交通引导等措施引导城市可持续发展，提高城市竞争力，优化城市内部空间结构。