唐常春^,, 李亚平长沙理工大学 建筑学院,长沙 410076

Geo-information Tupu process of land use/cover change in polycentric urban agglomeration: A case study of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration

TANG Changchun^,, LI YapingSchool of Architecture, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410076, China

收稿日期:2020-03-16修回日期:2020-07-9网络出版日期:2020-11-20

基金资助:

国家自然科学基金项目.41471109

Received:2020-03-16Revised:2020-07-9Online:2020-11-20
作者简介 About authors
唐常春（1976-）,男,湖南衡南人,博士,教授,硕士生导师,研究方向为城市群一体化与国土空间规划。E-mail: tangchangchun@163.com




摘要
多中心城市群具有交通网络发达、功能联系密切、空间多维复合等特征,其土地利用/覆被变化（LUCC）是一个相当复杂的过程。采用地学信息图谱方法,探索城市群LUCC数量结构与时空格局一体化耦合机理,研究用地变化与区域发展互动关系,有助于深入揭示多中心城市群土地利用时空演变规律,为同类城市群的国土空间规划和健康发展提供参考。本文以典型案例长株潭城市群为例,构建1995—2015年四个时期地学信息图谱,并耦合重心转移模型,在总体量化分析基础上,重点从城际与城乡视角深入解析城市群土地利用时空变化特征和一体化发展态势。研究结果表明：① 土地利用总体动态加速演变。四期建设用地扩张年动态度分别为1.06、4.10、2.21和7.39,转移强度动态增加,耕地和林地呈加速减少态势。② 城际与城乡地类图谱转移呈现多维演变。图谱“15（耕地→建设用地）、25（林地→建设用地）、45（水域→建设用地）”重心由株洲城区（Ⅰ 期）向长沙城区（Ⅱ 期和Ⅲ 期）再向湘潭城区（Ⅳ期）迁移,经历“相对均衡-长沙加速崛起-有机均衡”和“城市加速集聚-城乡相对均衡”演变过程。③ 近年来,城际转移强度差异缩小,转移结构分异增加,区域主体功能逐步凸显。同时,外围区县加速发展,城乡一体化水平明显提升。④ 城市群土地利用涨落势图谱与经济社会一体化发展高度耦合,同时耕地保护与高质量发展有待加强。
关键词： 多中心城市群;土地利用/覆被变化;地学信息图谱;一体化;长株潭城市群

Abstract
Polycentric urban agglomerations are characterized by developed transportation networks, close functional connections and spatial multi-dimensional composition, and their land use/cover change (LUCC) is a complex process. By applying geo-information Tupu method to explore the coupling mechanism between LUCC quantity structure and spatiotemporal pattern as well as to examine the interactive relationship between land use change and regional development, this study will help us reveal the rules of spatiotemporal evolution of LUCC in polycentric urban agglomerations, and provide reference for the territorial spatial planning and sustainable development of similar urban agglomerations. In this paper, we take Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration as an example, build the LUCC geo-information Tupu of four periods (1995-2000, 2000-2005, 2005-2010 and 2010-2015) from 1995 to 2015 and couple the gravity center transfer model. Then we analyze the spatiotemporal characteristics and integrated development trend of LUCC in urban agglomerations from the perspective of inter-city and urban-rural areas and based on overall quantities analysis. The results show that: (1) The overall dynamics of LUCC were accelerating. The annual dynamics of construction land expansion in four periods was 1.06, 4.10, 2.21 and 7.39, respectively, and the transfer intensity increased dynamically, while the cultivated land and forest land showed an accelerated decrease trend. (2) The Tupu of inter-city and urban-rural land transition presented a multi-dimensional evolution. The gravity center of Tupu "15, 25 and 45" firstly transferred from Zhuzhou urban area (Ⅰ period) to Changsha urban area (Ⅱ and Ⅲ periods), and then to Xiangtan urban area (Ⅳ period). The evolutionary process experienced a process of "relative equilibrium - Changsha accelerating rise - organic equilibrium" and "accelerated agglomeration of the city - relative equilibrium of urban and rural areas". (3) In recent years, the inter-city transfer intensity difference is reduced and the transfer structure difference is increased, and main function of the region is gradually highlighted. At the same time, the development of peripheral areas accelerated, and the level of urban-rural integration improved significantly. (4) The fluctuation Tupu of land use is highly coupled with the economic and social integration development; meanwhile, the cultivated land protection and high-equality development of urban agglomeration needs to be strengthened.
Keywords：polycentric urban agglomeration;land use/cover change;geo-information Tupu;integration;Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration


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本文引用格式
唐常春, 李亚平. 多中心城市群土地利用/覆被变化地学信息图谱研究——以长株潭城市群为例. 地理研究[J], 2020, 39(11): 2626-2641 doi:10.11821/dlyj020200207
TANG Changchun, LI Yaping. Geo-information Tupu process of land use/cover change in polycentric urban agglomeration: A case study of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration. Geographical Research[J], 2020, 39(11): 2626-2641 doi:10.11821/dlyj020200207

1 引言

土地利用/覆被变化（LUCC）是全球环境变化与可持续发展研究的核心课题^[1,2,3]。随着研究不断深入,关注点扩展到不同尺度LUCC的空间格局和过程模拟^[4,5]、经济社会驱动机制分析^[6,7]以及生态环境效应^[8]等诸多方面。Shawky等分析模拟阿曼Nizwa城市土地利用/覆被变化过程^[9],Wang等测度解析黄河流域土地利用/覆被变化空间格局^[10],李孝永等研究京津冀城市群土地利用空间格局变化趋势^[11],Lee等探讨台北都市圈社会经济代谢与土地利用变化空间动态影响^[12]。相关研究采用土地利用转型模型、Dyna-CLUE模型、CA-Markov模型和地理空间技术等多种分析方法,有助于从整体上把握不同尺度区域土地利用/覆被变化的空间结构特性与演变趋势。在此基础上进一步开展精确定位和定量化的时空分析,揭示LUCC思维形象与空间区位信息^[13],并与经济社会发展机制进行耦合研究^[14],可从微观上更深入和精准地揭示区域土地利用/覆被的时空动态演变过程^[15]。

地学信息图谱是以实现区域可持续发展为最终目标的一种时空复合分析方法^[16,17],可将土地利用/覆被变化的多维时空信息以图谱单元的形式动态化可视化^[18],具有定量表现多时空条件下“空间格局”与“时序特征”的复合特点^[19]。由于同时考虑并细分了各种土地利用类型的空间转移及变化情况,相较于传统的统计分析及静态表达方法,弥补了非空间属性数据在地理位置上的变化,能更准确和精细地刻画各类用地时空动态演化过程,在分析土地利用方面具有明显优势^[20]。目前已有诸多****运用该方法开展研究并取得初步成果,大多为构建单一的转移图谱和涨落势图谱进行空间分析^[21],较少将地学信息图谱与其他模型耦合开展数据挖掘与分析。同时,研究对象主要集中在流域尺度^[13]或省市区域尺度^[22,23],基于城际和城乡复合视角对中国城市化主要载体——城市群的深入研究亟待加强。

城市群是一种自然与人文深度交织、高度一体化的城市群体^[24],其形成发育过程是一个各城市之间由竞争变为竞合的漫长自然过程^[24,25],由于土地利用/覆被变化中包含多个城镇与多种利益主体,城际间与城乡间差异明显,因此是土地利用时空变化研究“富矿”。20世纪90年代以来,长株潭城市群成为中国区域一体化发展和两型社会建设的重要试验场,是多中心城市群的典型代表^[26,27],经济社会快速发展,土地利用/覆被变化较为显著。本文在新型城镇化和城市群高质量一体化发展形势下,采用地理时空变化图谱,对长株潭土地利用时空演变进行深层次挖掘和研究,旨在深入揭示多中心城市群用地时空变化过程和一体化发展规律,为国内同类城市群的国土空间规划和健康发展提供参考,促进生态文明建设。

2 研究区域与数据方法

2.1 研究区概况

长株潭城市群是长江经济带重要组成部分,位于长江流域中游和湖南省中东部,为湘中丘陵与洞庭湖冲积平原过渡地带,土地总面积为28056.58 km2（图1）。长株潭城市群包括长沙、株洲和湘潭3个地级市,呈“品”字形分布,下辖11个市区、4个县级市、8个县,共23个县级行政单元,是湖南省经济最发达地区,2016年地区生产总值为13715.15万元,占全省的43.47%,常住人口1449.93万,三市城镇化率均高于60%。早在20世纪90年代中期,长株潭一体化规划和建设就开始得到实质性推进。2005年《长株潭城市群区域规划》成为中国内地首个城市群区域规划正式颁布实施,2007年长株潭城市群获批为全国资源节约型和环境友好型社会（简称“两型社会”）建设综合配套改革试验区,城市群经济社会发展与一体化进程不断加速,对区域内土地利用/覆被时空变化产生重要影响。

图1

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图1长株潭城市群区位与概况

Fig. 1Location and overview of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration

2.2 数据来源与处理

主要包括：① 行政边界数据,采用2013年长株潭城市群及各乡镇街道矢量边界图。② 社会经济发展数据,主要来自湖南省1996年、2001年、2006年、2011年与2016年统计年鉴。③ 土地利用数据,主要采用1995年、2000年、2005年、2010年和2015年长株潭土地利用分布数据,来源于中国科学院资源环境科学数据中心,空间分辨率为30 m×30 m。通过采用中国土地利用/土地覆被遥感监测数据分类系统^[28],参照《土地利用现状分类（GB/T21010-2007）》并结合研究区实际情况,将土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6类,编码分别设置为1、2、3、4、5、6,建立城市群土地利用空间数据库。

2.3 研究方法与技术流程

主要包括：① 在多中心城市群理论分析和数据处理基础上,进行LUCC总体量化模型分析,包括动态度模型和转移矩阵分析。② 结合长株潭城市群实际情况,确定研究空间单元和时序单元,通过代码融合构建LUCC地学信息图谱模型,耦合重心迁移模型,构建图谱转移—重心模型。③ 重点从城际、城乡视角开展转移图谱与涨落势图谱及其动态差异分析,系统揭示多中心城市群LUCC时空格局一体化特征及与经济社会发展耦合态势。

2.3.1 总体量化模型分析 首先采用土地利用动态度模型,测度研究区不同时间段内土地利用类型的数量变化速率,分析土地利用动态变化,真实反映土地利用类型变化剧烈程度,预测未来土地利用变化趋势^[29]。在此基础上,采用转移矩阵,全面反映和描述1995—2015年各类用地之间的变化方向、数量特征和转入-转出平衡关系。土地利用动态度模型公式为：

（1）K=Ub-UaUa×1T×100%
式中：K为某一土地利用类型动态度;U_a和U_b分别表示研究期初和研究期末某一土地利用类型的面积;T为研究时段长度。当T以年为单位时,K为土地利用年变化率。

2.3.2 地学信息图谱-重心模型构建与分析 地学信息图谱是在地学分析基础上建立土地利用图谱模型,是一种可将空间、过程与属性等特征结合的研究模型,不仅包含土地利用状况的空间差异性信息,还涵盖土地利用变化等地理过程的时序变化特征,能将时空变化研究复合为一体^[22]。其概念模型为设反映空间差异和时序变化过程的状态变量为p（p₁,p₂,p₃,…,p_n）,则集合p是空间r与时间t的函数,表达式为：

（2）p=f(r,t)
式中：p代表土地利用特征：①实现空间描述：当t不变时,构建p随r变化函数关系。②实现过程描述：当r不变时,构建p随t变化函数关系。上述两种函数结合,即形成土地利用信息图谱概念模型,实现土地空间、属性与过程的复合研究。

（1）图谱模型构建。

① 确定模型基本单元。结合研究区特征和遥感解译数据可获取性,空间上采用规则网格栅格数据,栅格大小为30 m×30 m;时间单元上选取5个年份的数据,划分1995—2000年（Ⅰ期）、2000—2005年（Ⅱ期）、2005—2010年（Ⅲ期）、2010—2015年（Ⅳ期）四个时段。

② 生成土地利用转移图谱。综合运用地图代数运算与图谱代码融合的空间分析方法^[22],合成空间-属性-过程一体化图谱单元,生成长株潭城市群四个时段的土地利用转移图谱,剔除个数少于1000的图谱单元,得到主要转移图谱单元类型。计算主要地类的转移比率,即某种地类转移占所有地类转移的比例,以反映LUCC图谱数量变化特征,计算公式为：

（3）Pij=Sij∑in∑jnSij×100%
式中：P_ij表示土地利用类型转移比率;S_ij为初期第i种土地利用类型转移为末期第j种土地利用类型的图谱单元面积（i≠j）;n为土地利用类型个数。

③ 构建主要地类涨落势及强度图谱。根据分类原则,采用重分类空间分析方法,将其他所有用地类型转入该类型的面积归为该土地利用类型的新增面积,即涨势图谱;而该类型转出的所有面积归为该类型缩减面积,即落势图谱。在此基础上,为深入掌握长株潭城市群微观尺度土地利用类型转移特征,以乡镇街道为单元,运用ArcGIS自然断裂点分级方法,构建四个时段主要用地涨落势强度（增减面积占所在镇街面积比例）图谱。

（2）重心模型分析。“重心”在地理学中表示区域内某要素的空间平衡点,重心模型可提供要素空间平衡点坐标,重心的移动可客观反映区域要素发展的空间集聚及其位移规律^[30]。基于重心模型原理,对城市群四个时段主要转移图谱的重心分布直观可视化,反应其空间分布均衡点与聚集度,分析地类转移类型的时空特征。构建城市群内主要转移图谱的重心迁移图谱,以时段来设定追踪的时间值,通过新建四个时段的属性字段值,将重心迁移变化情况可视化。

（3）城际图谱与城乡图谱分析。基于多中心城市群本质内涵和空间结构,考虑到长株潭城市群发育阶段特征以及按行政区划存在大量乡村地区等实际情况,为从多维视角和不同尺度把握城市群LUCC时空格局及其一体化动态演变过程,论文重点从城际和城乡视角,对转移—重心图谱和涨落势图谱进行深入分析。考虑到城市群范围尺度与主要研究时段,为便于城乡研究,本文在2013年行政区划基础上,以区县（含县级市）为单元,将长沙市雨花、岳麓、天心、芙蓉和开福,株洲市天元、石峰、芦淞和荷塘,湘潭市雨湖和岳塘共11个区划为城市区域（中心城市）,将浏阳、宁乡、望城等12个外围区县（市）划为乡村区域。

（4）LUCC与经济社会发展耦合研究。主要采用地均GDP和人均GDP两个指标,通过测算相对系数（某分析单元值与全部分析单元平均值的比值）,分析1995年、2000年、2005年、2010年和2015年五个时期的各市（区）经济社会发展差距与一体化水平;通过测算四个时段地均GDP和人均GDP增速,分析各市（区）经济社会发展动态变化的差异及影响。进而将各市（区）新增用地涨势强度与综合发展差距缩减程度进行比较对照分析,探讨城市群LUCC与经济社会发展的一体化耦合态势。

3 研究结果

3.1 土地利用变化总体特征

长株潭城市群研究期内耕地和林地比重较高但持续降低,建设用地比重快速提升,其他用地比重变化不显著（图2a）。1995—2015年20年间建设用地和水域总体分别增加578.21 km2和25.86 km2,耕地和林地总体分别减少339.77 km2和259.74 km2,草地和未利用地变化不明显,分别减少4.07 km2和0.49 km2（图2a）。总体来看,建设用地增长最显著,且呈持续扩张态势,年动态度由Ⅰ期的1.06上升至Ⅱ期的4.10,Ⅲ期虽然回调为2.21,Ⅳ期又快速上升至7.39。水域面积不断增加,年动态度由Ⅰ期的0.27下降至Ⅱ期的0.10和Ⅲ期的0.07,Ⅳ期上升至0.56。耕地和林地面积缩减最明显,呈加速减少态势,年动态度分别由-0.03和-0.03上升为-0.48和-0.14（图2b）。草地小幅增长后转为缩减。未利用地Ⅰ期小幅增长后三个时期持续减少（图2a）。

图2

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图2长株潭城市群各类用地变化分析

Fig. 2Analysis of various land use changes in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration

3.2 各类用地转移总体特征

1995—2015年长株潭耕地和林地转出较多,其中耕地转出350.80 km2,主要是转为建设用地,占83.53%,转为林地和水域分别占9.37%和7.02%。林地转出302.81 km2,转为建设用地的占90.11%,转为水域和耕地的占4.33%和2.24%。转入方面,建设用地转入达579.26 km2,主要来源于耕地和林地,分别占50.58%和47.10%,水域占1.98%。耕地、林地和水域分别转入11.03 km2、43.07 km2和38.62 km2,分别主要来源于林地、耕地和耕地（表1）。从转移强度看,耕地、林地、建设用地转移最活跃,其他用地转移不显著。从转移方向看,耕地和林地转出远大于转入,建设用地则相反。另外,水域转出小于转入,草地和未利用地转出转入基本平衡。表明长株潭城市群工业化和城市化加速发展,经济社会活动日益活跃。

Tab. 1
表1
表11995—2015年长株潭城市群土地利用转移矩阵
Tab. 1Transfer matrix of land use in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration during 1995 and 2015 ( km2,%)

1995年	2015年						转出 合计
	耕地	林地	草地	水域	建设用地	未利用地
耕地	—	32.88 (9.37, 76.34)	0.04 (0.01, 0.53)	24.64 (7.02, 63.80)	293.01 (83.53, 50.58)	0.23 (0.07, 38.64)	350.80
林地	9.90 (3.27, 89.81)	—	6.79 (2.24, 87.67)	13.10 (4.33, 33.92)	272.85 (90.11, 47.10)	0.17 (0.05, 27.88)	302.81
草地	0.53 (4.49, 4.81)	9.21 (78.01, 21.38)	—	0.14 (1.14, 0.35)	1.93 (16.35, 0.33)	0.00 (0, 0)	11.81
水域	0.59 (4.60, 5.32)	0.52 (4.05, 1.20)	0.00 (0, 0)	—	11.46 (89.80, 1.98)	0.20 (1.56, 33.48)	12.77
建设用地	0.01 (0.60, 0.06)	0.46 (44.02, 1.07)	0.00 (0, 0)	0.58 (55.37, 1.50)	—	0.00 (0, 0)	1.02
未利用地	0.00 (0, 0)	0.00 (0.33, 0.01)	0.91 (84.22, 11.79)	0.17 (15.45, 0.43)	0.00 (0, 0)	—	1.08
转入合计	11.03	43.07	7.74	38.62	579.26	0.59	680.31

注：括号()里的数据左边为转出比重,右边为转入比重。

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3.3 城际与城乡土地利用转移图谱特征

耦合地学信息图谱模型与重心模型,合成长株潭城市群Ⅰ~Ⅳ期主要用地转移图谱重心分布图和重心迁移图,重点从城际与城乡视角对主要转移图谱单元进行比较分析。

3.3.1 转移图谱动态变化特征 主要表现为：① 转移类型：Ⅰ~Ⅳ期地类转移图谱总面积分别为59.21、152.08、97.34和383.94 km2,主要图谱单元分别有6、7、7和10类,转移类型渐趋多样化和均衡化。② 转移比率：各期转移图谱均以林地和耕地转为建设用地最为显著,其中,Ⅰ期和Ⅱ期转移比率最高的为图谱“25”,而Ⅲ期和Ⅳ期是图谱“15”。同时,Ⅳ期图谱“12”“14”“24”转移比率合计达12%,其成因除了该阶段农业结构加速调整,苗木种植用地和养殖水面持续快速扩张外,还与岳麓区梅溪湖、长沙县松雅湖等“退田（垸）还湖”城市湿地建设有重要关系（图3d）。③ 重心分布：Ⅰ期图谱“25”重心分布在长沙南部,其他图谱重心主要在株洲北部（图3a）。Ⅱ期图谱“15”“25”“45”重心位于长沙南部,其他重心大多在株洲北部（图3b）。Ⅲ期图谱“45”重心明显北移,图谱“15”“25”重心位于长潭边界,其他重心在株洲北、中和南部（图3c）。Ⅳ期图谱“15”“25”“45”重心位于湘潭东北部,图谱“35”重心在湘潭南部,其他图谱重心在株洲北部和中部（图3d）。表明长株潭工业化和城市化空间布局不断变迁,株洲市农业结构调整最为显著,同时城市群LUCC与经济社会发展布局经历了“集中-分散-再集中”空间演变过程（表2、图3）。

Tab. 2
表2
表2长株潭城市群主要用地转移图谱动态分析
Tab. 2Analysis of major land use transition Tupu units at different periods (km2,%)

转移图谱单元 编码与名称	Ⅰ期1995—2000年			Ⅱ期2000—2005年			Ⅲ期2005—2010年			Ⅳ期2010—2015年
	转移 面积	转移 比率		转移 面积	转移 比率		转移 面积	转移 比率		转移 面积	转移 比率
12耕地→林地	0.96	1.62		6.56	4.31		1.91	1.96		26.20	6.82
14耕地→水域	8.31	14.04		5.69	3.74		2.69	2.77		9.20	2.40
15耕地→建设用地	15.44	26.08		61.88	40.69		43.74	44.93		171.27	44.61
21林地→耕地	9.24	15.61		—	—		—	—		3.38	0.88
23林地→草地	6.05	10.22		—	—		0.92	0.95		—	—
24林地→水域	—	—		1.66	1.09		—	—		10.68	2.78
25林地→建设用地	16.69	28.19		67.56	44.42		41.89	43.04		147.94	38.53
32草地→林地	—	—		—	—		1.69	1.73		6.34	1.65
35草地→建设用地	—	—		—	—		—	—		1.20	0.31
45水域→建设用地	—	—		4.52	2.97		2.24	2.30		5.31	1.38
52建设用地→林地	—	—		—	—		—	—		1.36	0.35
63未利用地→草地	—	—		0.91	0.60		—	—		—	—
合计	56.69	95.74		148.78	97.83		95.09	97.68		382.88	99.72

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图3

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图3长株潭城市群主要用地转移图谱重心分布

注：图中的转移图谱单元编码与名称见表2。
Fig. 3The gravity center distribution of main land use transition Tupu in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration



3.3.2 城际土地利用转移图谱差异 不同时期长株潭三市转移图谱的规模、强度、结构和空间分布等均存在明显的差异。① 规模与强度：Ⅰ期转移图谱总面积和强度（占市域面积比例）株洲市最大,其次是长沙市,Ⅱ期和Ⅲ期转移强度均为长沙市最大,其次为湘潭市和株洲市,Ⅳ期以湘潭市最大,株洲市最低。表明三市地类转移加速幅度是湘潭>长沙>株洲,转移强度城际差异缩小。② 结构：三市“耕地、林地→建设用地”图谱转移比率分别由Ⅰ期的65.83%、41.78%、61.17%上升至Ⅳ期的91.23%、62.94%、95.87%,增幅是湘潭市>长沙市>株洲市,长沙和湘潭以建设用地扩张占绝对主导,株洲其他地类转移比重较高,主要与三市城乡结构和自然地理条件差异有关,转移结构城际分异增加。③ 空间分布：长沙市建设用地转入图谱呈现“中心城区-中心城区+组团-大十字”空间演变路径,株洲和湘潭该图谱则主要集中在市域的西北部和东北部,长株潭三市相向一体化发展态势显著。株洲市其他图谱主要分布在市域中南部,长沙和湘潭则较为分散。④ 重心迁移：最主要图谱“15”和“25”的重心基本上呈现“东南-西北-西南”迁移路径,表明一体化初期长株潭三市经济开发相对均衡,之后长沙加速崛起,近年来城市群发展又趋于相对均衡的演变过程（表3、图4）。

Tab. 3
表3
表3长株潭三市土地利用转移图谱比较分析
Tab. 3Comparative analysis of land use transition Tupu in Changsha, Zhuzhou and Xiangtan (km², %)

时段	区域	各类用地转移			耕地→建设用地				林地→建设用地
		转移 总面积	占区域 面积比例		转移 面积	转移 比率	占区域 面积比例		转移 面积	转移 比率	占区域 面积比例
1995—2000年	长沙市	26.44	0.22		6.64	25.10	0.06		10.77	40.73	0.09
	株洲市	27.45	0.24		6.68	24.32	0.06		4.79	17.46	0.04
	湘潭市	5.32	0.11		2.13	39.99	0.04		1.13	21.18	0.02
2000—2005年	长沙市	100.83	0.85		48.09	47.69	0.41		40.71	40.38	0.34
	株洲市	32.74	0.29		10.85	33.12	0.10		12.65	38.64	0.11
	湘潭市	18.51	0.37		8.63	46.63	0.17		8.52	46.03	0.17
2005—2010年	长沙市	66.52	0.56		33.13	49.80	0.28		29.53	44.40	0.25
	株洲市	20.84	0.19		6.68	32.07	0.06		7.70	36.97	0.07
	湘潭市	9.99	0.20		3.93	39.38	0.08		4.65	46.59	0.09
2010—2015年	长沙市	182.15	1.54		96.08	52.75	0.81		70.09	38.48	0.59
	株洲市	122.77	1.09		36.61	29.82	0.33		40.66	33.12	0.36
	湘潭市	79.02	1.58		38.57	48.81	0.77		37.19	47.06	0.74

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图4

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图4长株潭城市群主要土地利用转移图谱重心迁移分布

Fig. 4The gravity center transfer of main land use transition Tupu in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration



3.3.3 城乡土地利用转移图谱差异 长株潭城乡地类转移差异亦较为显著。① 强度演变。城乡用地转移强度差距经历了快速扩大和逐步回落的过程,Ⅰ~Ⅳ期分别为4.25、6.69、5.46和5.03倍,其中“耕地、林地→建设用地”Ⅰ~Ⅳ期分别为6.13、7.55、6.00和6.57倍。② 比率变化。城市“耕地→建设用地”转移比率呈上升趋势,“林地→建设用地”先上升后下降,乡村“耕地、林地→建设用地”转移比率均先上升后下降。生态文明建设语境下,城乡建设侵占林地的势头得到控制,但城市占用耕地势头仍有增加。③ 结构差异。城乡“耕地、林地→建设用地”Ⅰ~Ⅳ期转移面积比值为63.71%、75.16%、58.56%和65%,建设用地开发经历“城市集聚-城乡相对均衡”演变过程,近年来周边区县加速发展,城乡一体化水平明显提升（表4）。

Tab. 4
表4
表4长株潭城乡土地利用转移图谱比较分析
Tab. 4Comparative analysis of land use transition Tupu between urban areas and rural areas ( km², %)

时段	区域	各类用地转移			耕地→建设用地				林地→建设用地
		转移 总面积	占区域 面积比例		转移 面积	转移 比率	占区域 面积比例		转移 面积	转移 比率	占区域 面积比例
Ⅰ期 1995—2000年	城市	17.17	0.68		5.58	32.52	0.22		6.92	40.32	0.27
	乡村	42.04	0.16		9.86	23.45	0.04		9.76	23.23	0.04
Ⅱ期 2000—2005年	城市	61.15	2.41		29.33	47.96	1.16		26.21	42.85	1.03
	乡村	90.93	0.36		32.55	35.80	0.13		41.35	45.48	0.16
Ⅲ期 2005—2010年	城市	35.85	1.42		17.17	47.89	0.68		16.09	44.88	0.64
	乡村	66.37	0.26		28.75	43.31	0.11		28.05	42.26	0.11
Ⅳ期 2010—2015年	城市	141.19	5.58		75.14	53.22	2.97		56.32	39.89	2.22
	乡村	282.42	1.11		102.83	36.41	0.40		99.41	35.20	0.39

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3.4 城际与城乡土地利用涨落势图谱特征及耦合分析

3.4.1 土地利用涨落势图谱特征 为深入掌握长株潭城市群微观尺度土地利用类型转移特征,以乡镇街道为单元,构建四个时段主要用地涨落势强度（增减面积占所在镇街面积比例）图谱（图5）,其总体特征主要表现为：① 强度与结构变化。Ⅰ~Ⅳ期涨势图谱面积和强度呈现曲折上升,新增用地强度分别为0.21%、0.54%、0.35%和1.37%,其中新增建设用地强度为0.12%、0.48%、0.31%和1.16%,2010年后长株潭城市群建设用地迅猛扩张。同时,新增建设用地转移比率为55.51%、88.48%、90.47%和84.84%,显著上升后有所下降（图5A）。缩减用地主要是耕地和林地,Ⅰ~Ⅳ期二者缩减规模和强度演变态势与建设用地基本一致,但转移比率变化各异,耕地转移比率逐步上升,分别为41.74%、48.93%、49.66%和53.83%（图5B）,林地则逐步下降,分别为54.23%、45.79%、44.81%和42.20%（图5C）。② 空间分布变化。Ⅰ~Ⅳ期新增建设用地热点区域范围不断扩大,呈现“分散-集中-有机集聚”空间演变路径（图5A）,缩减耕地热点区域的集中度逐步趋于提升（图5B）,缩减林地热点区域呈现“分散-集中-分散”空间演变特征（图5C）。同时,长株潭三市邻近区域（绿心除外）成为用地变化的热点区域。

图5

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图51995—2015年长株潭城市群主要用地涨落势强度图谱分布

Fig. 5Rising and falling Tupu of main land use in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration during 1995 and 2015



长株潭城际间涨落势不断发生演变。① 强度变化。涨势图谱强度呈阶段性差异,Ⅰ期三市新增用地强度不高且差异较小,新增建设用地强度和占比是长沙>株洲>湘潭;Ⅱ期长沙新增用地强度率先快速上升,其次是湘潭,三市差距迅速拉大;Ⅲ期三市新增用地强度均有明显回落,但城际差距依然显著;Ⅳ期城市群新增用地强度再次迅猛上升,但城际差距显著缩小。Ⅱ~Ⅳ期湘潭新增建设用地强度上升最为显著,株洲新增其他用地占比较高。② 空间变迁：Ⅰ期涨落势图谱单元较为零散,Ⅱ期长沙中心城区和湘潭东北部涨势强度上升,Ⅲ期和Ⅳ期涨落势强度高值区不断扩展,呈现三市相向发展态势,三市交界处强度显著增加,长株潭空间一体化态势愈发明显。同时,长沙东西向轴线、株洲-醴陵轴线、芙蓉大道沿线区域强度明显上升,区域发展战略与交通基础设施效应显现（表5,见2636页）。

Tab. 5
表5
表5长株潭三市土地利用涨势图谱动态比较分析
Tab. 5Comparative analysis of land use rising Tupu in Changsha, Zhuzhou and Xiangtan (%)

时序 单元	城市 名称	新增用地 强度	新增 用地占比	新增建设用地 转移比率	新增建设 用地强度	新增建设 用地占比	新增其他 用地占比
Ⅰ期 1995—2000年	长沙市	0.22	44.66	68.33	0.15	54.98	31.79
	株洲市	0.24	46.35	41.79	0.10	34.90	60.65
	湘潭市	0.11	8.99	62.53	0.07	10.12	7.57
	合计	0.21	100.00	55.51	0.12	100.00	100.00
Ⅱ期 2000—2005年	长沙市	0.85	66.30	91.73	0.78	68.73	47.61
	株洲市	0.29	21.53	75.49	0.22	18.37	45.81
	湘潭市	0.37	12.17	93.77	0.35	12.90	6.59
	合计	0.54	100.00	88.48	0.48	100.00	100.00
Ⅲ期 2005—2010年	长沙市	0.56	68.33	95.93	0.54	72.46	29.14
	株洲市	0.19	21.41	72.78	0.13	17.22	61.12
	湘潭市	0.20	10.26	90.95	0.18	10.32	10.04
	合计	0.35	100.00	90.47	0.31	100.00	100.00
Ⅳ期 2010—2015年	长沙市	1.54	47.44	93.59	1.44	52.34	20.04
	株洲市	1.09	31.98	63.68	0.70	24.00	76.59
	湘潭市	1.58	20.58	97.52	1.54	23.66	3.37
	合计	1.37	100.00	84.84	1.16	100.00	100.00

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长株潭城乡区域涨落势呈现多维演变特征：① 总体变化。城乡新增建设用地强度比值由Ⅰ期的6.75倍增至Ⅱ期的8.31倍,Ⅲ期回落至6.71倍,Ⅳ期扩大为7.24倍。城乡新增建设用地占比亦呈现类似增减动态变化,表明长株潭城乡用地发展同时存在均衡性和充分性两个维度的问题,但就发展趋势而言,城乡差距将逐步缩小。② 分区变化。重点比较Ⅰ期与Ⅳ期两个时段,长株潭三市城区和三市乡村新增建设用地占比变化依次为：-2.14、-7.12、10.23、-0.50、-3.78、3.31个百分点,湘潭市城区和乡村建设用地增速最快,而新增其他用地占比有所上升的为株洲市城区和乡村。同时,新增建设用地强度分别增加4.72、3.33、7.23、0.99、0.37、0.61个百分点,湘潭市城区、长沙市城区和乡村的增幅较为明显（表6）。

Tab. 6
表6
表6长株潭城乡土地利用涨势图谱动态比较分析
Tab. 6Comparative analysis of land use rising Tupu between urban areas and rural areas (%)

时序 单元	城市 名称	新增 用地强度	新增 用地占比	新增建设 用地转移比率	新增建设 用地强度	新增建设 用地占比	新增其他 用地占比
Ⅰ期 1995—2000年	城市	0.69	29.00	77.12	0.54	40.29	14.91
	乡村	0.16	71.00	46.68	0.08	59.71	85.09
Ⅱ期 2000—2005年	城市	2.47	40.21	97.31	2.41	44.22	9.40
	乡村	0.36	59.79	82.54	0.29	55.78	90.60
Ⅲ期 2005—2010年	城市	1.45	36.82	97.59	1.41	39.73	9.30
	乡村	0.24	63.18	86.31	0.21	60.27	90.70
Ⅳ期 2010—2015年	城市	5.71	36.77	95.20	5.43	41.26	11.65
	乡村	0.95	63.23	78.81	0.75	58.74	88.35

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3.4.2 土地利用扩张与经济社会发展耦合分析 土地利用变化是经济社会发展的空间投影,经济社会发展越快,建设用地扩张越显著。从城际视角分析,Ⅰ期和Ⅱ期长株潭三市地均和人均GDP增长倍数持续增加且差异明显,整体为长沙市>株洲市>湘潭市（图6a和图6b）,地均和人均GDP水平（相对系数）差距快速扩大（图6c和图7d）。Ⅲ期增长倍数有显著增加,三市分异缩窄,但水平差距仍持续扩大。Ⅳ期增长倍数明显回落,三市分异较小,且湘潭增长倍数超过长沙与株洲,城市之间水平差距明显缩小（图6a和6b）。在此同时,长株潭建设用地涨势强度经历“上升-回落-再上升”但三市差距“先不断扩大后显著缩小”的演变进程,湘潭强度上升最为显著。表明建设用地扩张差距与综合发展差距演变态势高度一致,长株潭由非均衡向有机均衡发展,同时城市群高质量发展有待加强。

图6

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图61995—2015年长株潭三市地均GDP和人均GDP差异演变

注：相对系数为相对三市平均值的比值。
Fig. 6Differential evolution of average GDP and per capita GDP in Changsha, Zhuzhou and Xiangtan during 1995-2015

图7

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图71995—2015年长株潭城乡地均GDP和人均GDP差异演变

注：相对系数为相对三市平均值的比值。
Fig. 7Differential evolution of average GDP and per capita GDP between urban areas and rural areas during 1995-2015



长株潭城乡各区域地均GDP增长呈现“快速、较均衡-高速、非均衡-快速、较均衡”的演变态势,城乡地均产出水平总体差距先扩大后缩小（图7a）。人均GDP方面,Ⅰ~Ⅱ期城乡增速差异不大,Ⅲ~Ⅳ期乡村（县域）增速普遍高于城区,城乡发展均衡度持续快速提升（图7b）,人均GDP相对系数总体差距由1995年的4.0倍缩小至2015年的1.86倍（图7d）;分区系数层面,长沙市城区先上升后减小,株洲城区持续降低,湘潭城区先降后升,长沙乡村持续快速上升,株洲和湘潭乡村有所上升（图7c和图7d）。在此同时,湘潭市城区、长沙市城区和乡村建设用地扩张较为明显,城乡用地扩张与经济社会发展演变格局基本契合,呈现加速一体化态势。

4 结论与讨论

4.1 结论

地学信息图谱能更为准确和精细刻画多中心城市群用地时空演化过程,本文基于“一体化”视角和“总体-空间交互”维度,构建连续4个时段的长株潭土地利用图谱,耦合重心模型揭示阐释城市群土地利用/覆被变化过程、态势及内在规律。研究表明：

（1）1995—2015年,长株潭城市群耕地和林地比重持续降低,建设用地比重快速提升,最活跃转移图谱“15耕地→建设用地”和“25林地→建设用地”的重心基本呈现“东南-西北-西南”迁移路径,长株潭三市土地开发经历了“相对均衡-长沙加速崛起-有机均衡”演变过程。近年来,三市转移强度差异缩小,转移结构分异增加,区域主体功能逐步凸显,国土空间开发格局趋于清晰。

（2）长株潭城乡用地转移强度差距经历“快速扩大-逐步回落”过程,建设用地开发经历“城市集聚-城乡相对均衡”过程,近年来外围区县加速发展,城乡一体化水平明显提升。生态文明建设语境下,城乡建设侵占林地势头得到控制,但城市占用耕地持续增加。

（3）长株潭建设用地涨势强度经历“上升-回落-再上升”但三市差距“先不断扩大后显著缩小”的演变进程,湘潭市强度上升最为显著,湘潭市城区、长沙市城区和乡村建设用地扩张较为明显。城市群用地扩张与经济社会发展格局演变态势高度一致和契合,由非均衡向有机均衡发展转变,呈现加速一体化态势,同时城市群高质量发展有待加强。

4.2 讨论

长株潭城市群是中西部“发展中”城市群的典型代表,建设用地需求旺盛,土地利用/覆被持续快速演变,应遵循土地利用时空演变规律,按照生态文明建设要求,大力推进自主创新,提升发展层级和节约集约用地水平,同时加快用地存量挖潜和有机更新。应科学研制国土空间规划,积极探索集中与组团耦合的网络式空间布局模式,促进城市群精明增长。基于“用地-经济社会”耦合分析,未来城市群仍需进一步加强城际协同和城乡统筹发展,特别是加强株洲与长沙的联动发展,密切外围特别是远郊乡村（县域）与中心城市的经济社会联系,进而促进城市群全面有机均衡成长,加快和深化高质量一体化发展进程。本文在研究方法、视角和图谱可视化等方面进行了创新性探索,但所采取的用地数据类型较为单一,对夜间灯光等新数据的运用不够,随着数据来源与类型多样化发展,未来应加强多源数据的整合运用。同时由于研究区范围较大,后续研究应加强对城市群核心区的重点剖析,深化多中心城市群用地扩张与经济社会发展的耦合分析,以更深入揭示土地利用/覆被演变规律。

致谢：

真诚感谢匿名评审专家在论文评审中所付出的时间和精力,评审专家对本文研究的时间尺度、结果展示与分析等方面的修改意见,使本文获益匪浅。

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[25] 方创琳, 王振波, 马海涛. 中国城市群形成发育规律的理论认知与地理学贡献
地理学报, 2018,73(4):651-665.
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[ Fang Chuanglin, Wang Zhenbo, Ma Haitao. The theoretical cognition of the development law of China′s urban agglomeration and academic contribution
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[26] 周国华, 陈炉, 唐承丽, 等. 长株潭城市群研究进展与展望
经济地理, 2018,38(6):52-61.
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[ Zhou Guohua, Chen Lu, Tang Chengli, et al. Research progress and prospects on Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration
Economic Geography, 2018,38(6):52-61.]
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[27] 唐常春, 樊杰, 陈东, 等. 行政边界区域土地利用与空间发展模式研究: 以长株潭结合部为例
人文地理, 2013,28(2):98-103.
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[ Tang Changchun, Fan Jie, Chen Dong, et al. Research on the pattern of land use and space development of administrative boundary region: A case study of Chang-zhu-tan Fringe
Human Geography, 2013,28(2):98-10.]
[本文引用: 1]

[28] Liu J Y, Liu M L, Deng X Z, et al. The land use and land cover change database and its relative studies in China
Journal of Geographical Sciences, 2002,12(3):275-282.
DOI:10.1007/BF02837545URL [本文引用: 1]
In the mid-1990s, we established the national operative dynamic information serving systems on natural resources and environment. During building the land-use/land-cover change (LUCC) database for the mid-1990s, 520 scenes of remotely sensed images of Landsat Thematic Mapper (TM) were interpreted into land-use/land-cover categories at scale of 1:100,000 under overall digital software environment after being geo-referenced and ortho-rectified. The vector map of land-use/land-cover in China at the scale of 1:100,000 was recently converted into a 1-km raster database that captures all of the high-resolution land-use information by calculating area percentage for each kind of land use category within every cell. Being designed as an operative dynamic information serving system, monitoring the change in land-use/land-cover at national level was executed. We have completed the updating of LUCC database by comparing the TM data in the mid-1990s with new data sources received during 1999–2000 and 1989–1990. The LUCC database has supported greatly the national LUCC research program in China and some relative studies are incompletely reviewed in this paper.]]>

[29] Zhang X C, Pan Q, Zhao Y. Research on spatial calculating analysis model of land use change
Journal of Geographical Sciences, 2004,14(3):104-110.
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[30] 王海军, 张彬, 刘耀林, 等. 基于重心-GTWR模型的京津冀城市群城镇扩展格局与驱动力多维解析
地理学报, 2018,73(6):1076-1092.
DOI:10.11821/dlxb201806007URL [本文引用: 1]
城镇用地扩展格局及驱动力研究对城市群发展规划与决策具有重要意义。以京津冀地区为例,基于城镇用地扩展强度指数、城镇用地扩展差异指数、分形维数、土地城镇化率和重心转移模型,多维解析了城市群城镇用地扩展格局特征,并耦合重心转移模型和时空地理加权回归（GTWR）模型构建重心-GTWR模型,在对空间格局进行长时间序列多维度指标分析的基础上,运用该模型依序对其特征进行驱动力解读,进而总结凝练京津冀区域发展的主导模式与城市核心驱动力。主要结论为：① 1990-2015年,京津冀城市群城镇用地扩展强度呈现“下降—上升—下降”的趋势,高峰时期在2005-2010年,在2005年之前高速发展城市集中在北京、天津、保定和廊坊,2005年之后集中在邢台和邯郸;② 城市群城镇用地重心虽呈现出发散态势,但城市之间的局部相互作用力逐渐增强,城镇用地扩展驱动力表现出空间溢出特征;③ 京津冀城市群空间发展模式由以北京和天津为中心的双核发展模式向多核发展模式转变,并出现北部资源运输核心、中部经济发展核心和南部投资发展核心三大功能核心组团,城市群趋向于多核功能协同发展模式;④ 重心-GTWR模型结合了时空非平稳性和城市空间相互作用,将城市群城镇用地扩展作为一个时空变化系统进行分析,经验证,该模型在城镇用地扩展格局驱动力分析研究中具有可行性。
[ Wang Haijun, Zhang Bin, Liu Yaolin, et al. Multi-dimensional analysis of urban expansion patterns and their driving forces based on the center of gravity-GTWR model: A case study of the Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration
Acta Geographica Sinica, 2018,73(6):1076-1092.]
[本文引用: 1]