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地理学报 >

2024 , Vol. 79 >Issue 5: 1286 - 1302

DOI: https://doi.org/10.11821/dlxb202405012

土地利用与生态系统

1843—2020年上海城市扩张时空过程及机理分析

  • 李爽 ,
  • 张晓虹
展开
  • 复旦大学历史地理研究中心，上海 200433

李爽(1992-), 女, 陕西渭南人, 副研究员, 主要从事历史GIS研究。E-mail:

收稿日期: 2023-04-22

  修回日期: 2024-03-18

  网络出版日期: 2024-05-31

基金资助

国家自然科学基金项目(42001184)

上海市哲学社会科学规划青年课题(2020ECK004)

复旦大学人文社科青年融合创新团队项目(近代上海HGIS创新团队)

收起

Spatio-temporal process and mechanism analysis of Shanghai's urban expansion in 1843-2020

  • LI Shuang ,
  • ZHANG Xiaohong
Expand
  • Center for Historical Geographical Studies, Fudan University, Shanghai 200433, China

Received date: 2023-04-22

  Revised date: 2024-03-18

  Online published: 2024-05-31

Supported by

National Natural Science Foundation of China(42001184)

Young Project of Shanghai Philosophy and Social Sciences Planning(2020ECK004)

Humanities and Social Sciences Youth Integrated Innovation Team of Fudan University, Innovation team of Modern Shanghai HGIS

Fold

摘要

上海作为中国近现代城市化最为显著的城市之一，自1843年开埠以来城市格局与空间范围变化巨大，重建并分析其扩张过程，对于深刻理解上海乃至中国城市化进程具有重要意义。本文通过收集1843—2020年上海城市旧地图、中华民国（1912—1949年）地形图、解密卫星影像、遥感数据等多源多精度城市空间数据，分别提取城市建成区信息，重建了开埠以来建成区时间序列，研究了上海开埠以来的城市扩张时空过程及机理。结果表明：① 1843—2020年上海建成区面积增长了约1453倍，扩张速率、扩张强度发生了剧烈变化；② 紧凑度随着时间推进不断下降，分形维数则随着时间变化呈现出了一定的周期；③ 建成区重心位置呈现出先向北后向南发展的趋势，其中最主要的扩张方向为西南及南偏西；④ 优越的自然位置奠定了上海被选为开埠城市发展的先决条件，社会变迁及政策驱动作为最根本的驱动力决定着城市在不同阶段发展的最主要方向，产业经济发展、人口迁移、交通发展等多因素也在复合影响着这一时空过程。本文廓清了上海自开埠以来的城市扩张过程及机理，为更深刻理解城市变迁、人地关系演变提供历史知识与科学支撑；同时，中华民国地形图、解密影像等覆盖范围广、制作精度高的历史资料，可作为百年尺度研究的历史基础数据，对更长时序研究具有重要的启发意义。

关键词： 城市扩张; 上海; 历史地理; 长时间序列; 古旧地图

本文引用格式

李爽 , 张晓虹 . 1843—2020年上海城市扩张时空过程及机理分析[J]. 地理学报, 2024 , 79(5) : 1286 -1302 . DOI: 10.11821/dlxb202405012

Abstract

Shanghai is one of the most significantly urbanized cities in modern China, and its urban spatial pattern and urban area have changed dramatically since its opening up (1843-2020). Reconstructing and analyzing the expansion process of Shanghai has great importance toward attaining a deeper understanding of China's urbanization. This study collected multi-source and multi-precision urban spatial data such as old urban maps, topographic maps of the Republic of China (1912-1949), declassified images from the U.S. military (KeyHole), and remote sensing data (Landsat), and reconstructed a long time series of urban built-up areas, and finally examined the evolution process and driving forces of the spatial structure of Shanghai. The results show that: (1) Since 1843, the area of urban built-up areas increased tremendously, with a total expansion of about 1453 times, and the expansion rate and expansion intensity also changed drastically. (2) The overall change trend of compactness is decreasing, and the fractal dimension shows a certain cycle. (3) The center of gravity of the built-up area in different periods showed a trend of developing first to the north and then to the south, and the most important direction of expansion was southwest and west by south. (4) The urban change was complicated by multiple driving factors: the natural location established the prerequisite for the development of Shanghai as a port city; as the most fundamental driving force, social change and policy determined the main direction of urban development at different stages; the spatial agglomeration of industry and trade is the direct cause of the formation and expansion of cities; population migration also injected new impetus into the urbanization; transportation, as an urban infrastructure, has been used to strengthen the connection between the city's external and internal regions. This study clarifies the processes and mechanisms of urban expansion in Shanghai and provides historical knowledge and scientific support for a deeper understanding of urban change and the evolution of the human-land relationship. Moreover, the ways in which a set of general data with a wide coverage and high resolution can be used for the study of the spatial and temporal processes of urban expansion on a centennial scale are discussed, which is quite instructive for understanding the pre-remote sensing era and developing longer time series.

Key words： urban expansion; Shanghai; historical geography; long time series; old maps

1 引言

承载人类聚居和经济文化政治活动的城市及城市体系，从古至今以不同的速度演绎着各自兴衰历史，并伴随着复杂的地域空间演变。其中，城市建成区作为人类活动高度聚集的区域，是判断城市化发展水平的重要依据[1-2]。城市建成区从具有历史文脉的城市区域出发，向乡村腹地持续蔓延，城乡之间的空间形态及空间范围在不断演变[3-4]。因此，复原从古至今的、长时间序列的城市建成区扩张过程，从更长的时空视角分析城市扩张的特征与规律，对于探寻城市历史文脉、廓清城市建成区发展历程、深刻理解城市化进程及人地关系都具有重要意义[5]。
在城市发展的不同时期，会不断留下记录城市空间的各种资料，如历史时期的文献档案、古旧地图、历史照片，以及伴随摄影测量与遥感技术的发展而涌现的早期航拍影像、遥感影像等[6-7]。这些资料对于复原城市空间格局、监测城市化进程具有重要意义。然而，当研究时限横跨数十年甚至上百年时，对长时序视角下的多源数据集成研究就成为必不可少的研究方法。但这一研究对资料搜集及处理的要求较高，故目前相关研究成果较少，加之不同阶段研究的资料、理论及方法多分散于不同学科，特别是历史时期科学数据的规模化挖掘与规范化处理不够完善，进而导致与现代数据及理论方法的对接不够充分。下面分别就历史时期、现当代时期以及更长时序的研究展开讨论。① 历史时期的城市空间扩张研究：主要集中在城市史、历史地理学等学科（多以1949年为断限），核心思路是以时间为主线，依托于历史文献、古旧地图等资料中所蕴含的地理信息对城市形态进行数理及空间层面的复原，进而梳理出城市发展脉络。例如，侯仁之提出了历史地图溯源法，李孝聪进一步探讨了如何基于史料、地图与实地考察，在现代城镇中复原中国古代城镇外部形态的方法[8]；何凡能等[9]根据清代史志、前人研究以及现代土地概查统计资料，对清代城镇用地面积进行了估算与比较；成一农[10]对清代各省府、县级城市城墙进行了数理统计，并对城市规模进行了探讨；万智巍等[11]基于1∶5万地形图测算了中华民国（1912—1949年）时期江西省城市用地及城市化水平；何凡能等[12]进一步对历史土地利用研究分析，认为现有研究多集中在耕地重建上，对城市土地利用研究不足，且方法不够前沿。显然，对城市建成区的历史研究存在与现代地理研究方法结合不够紧密的问题，但也随着GIS等方法在历史地理等学科的推广应用甚至形成历史GIS这一集聚技术性、时间性、空间性的研究分支，对城市空间扩张的传统研究正从描述性向空间化、定量化发生转变，为数据的量化、管理、空间分析提供了可能[13]。② 现当代时期的城市空间扩张研究：主要集中在遥感与GIS、城市地理等学科中，大量学者依托快速、大尺度的遥感技术，不断探索更高效、准确的城镇提取方法[14]。在众多遥感数据中，Landsat系列卫星影像由于具有长时间序列（最早发射于1972年）、全球覆盖等特性，成为城市扩张研究中最重要的遥感数据，并研发了系列地表覆盖产品[15]；由于夜间灯光与人类活动存在较高相关性，夜光遥感数据逐渐成为城市扩张监测、人口等社会经济参数估算的重要依据[16]。但遗憾的是遥感数据只能进行50 a来的建成区重建。③ 更长时序的研究：需要突破时间限制、打破学科壁垒，多源资料的融合则是重要基础。在这一层面，一些学者做出了尝试：陈述彭[17]曾在遥感影像基础上利用历史航拍图进行将时间上溯至20世纪40年代，对多个城市进行了城建面积时空分析；Chen[18]利用特定年份的地图与遥感，研究1904—2015年台湾地区土地利用/覆被变化；Xie[19]、蒋宇超[20]曾结合史料、古地图与遥感影像，进行了江苏/长三角200 a、600 a的城市复原；尹昌应等[21]利用古旧地图与遥感影像对上海晚清以来的建成区边界扩张进行了研究；杨仕琪等[22]结合历史图件，刻画了1916—2020年北京城市扩展过程，并试图探讨了与区域气候演化之间的关系；Romano等[23]从地图与遥感数据解译了意大利中部地区50 a的地表演变；Nickayin等[24]结合地形图与数字正射影像开展了古罗马的长时序景观变迁（1949—2016年）；Uhl等[25]利用GHSL（1975—2014年）的建成区数据与扫描的古旧地图，估算了美国、英国、巴西等6个区域的城市在20世纪初期的城市范围。上述研究在更长时序上做了重要探索，但对于古旧地图、历史航拍资料的搜集与挖掘相对较少，在多源数据的充分集成利用、时间序列的精细化构建等方面可以更为完善。
鉴于此，本文将选择中国近现代城市化最为显著的城市之一——上海作为研究区，开展百年尺度的研究。上海自1843年开埠以来城市格局与空间范围变化巨大，重建并分析扩张过程，对于深刻理解中国城市化进程具有重要意义[26]。因此，本文将着力综合上海1843年开埠至2020年的长时序城市空间资料，融合多学科理论与方法，通过统一的时空框架体系，构建时间跨度上更完善的建成区时间序列。本文的研究目标在于，一方面复原上海城市空间发展的演变历程，厘清城市发展过程中的历史文脉，剖析百年时空过程中的演变机理；另一方面梳理出一套历史地理科学数据，构建历史资料的空间化体系，如中华民国时期广泛测绘的大比例尺地形图、始于20世纪60年代的美国解密锁眼卫星资料，对历史时期的量化研究以及更长时间序列的精细化构建具有重要的参考价值。

2 研究区概况

上海位于中国长江入海口、南北海岸线的中心，拥有优越的地理位置与便利的交通条件（30.7°N~31.9°N, 120.9°E~122.2°E）。地势平坦，平均海拔2.19 m，属于亚热地季风气候，全市平均气温17.9 °C，降水1474.5 mm[27]。截至2022年末，上海市常住人口达2475.89万人，地区生产总值为44652.80亿元[28]。第七次全国人口普查数据显示，上海城镇人口2220.94万人，占总人口数量的89.3%，城镇人口比重位列全国之首[29]。上海的城镇化过程历经了复杂的社会经济变迁与地表环境演变。自1843年开埠以来，上海从一个江南城镇迅速发展成为“十里洋场”，一跃成为中国最大的城市（图1）。到20世纪初期，傲居远东第一大城市、东亚第一大港的地位，借助特殊的时势背景，成为中国对接世界的重要窗口。在1978年改革开放、浦东开发开放、长三角一体化、五大新城等重要举措以及全球化浪潮中，城镇化比例进一步提升，成为国务院批复确定的中国国际经济、金融、贸易、航运、科创中心以及历史文化名城，其发展历程是中国近现代快速城镇化的重要缩影，是地理学、城市规划、历史学等多个学界竞相研究的热点。
图1 上海老县城与租界

注：a图来自嘉庆《上海县志》；c图为1937年上海外滩，下载自Virtual Shanghai Project (https://www.virtualshanghai.net/)。

Fig. 1 Old Shanghai county and concessions

3 数据来源及研究方法

3.1 数据来源

3.1.1 近代地图资料

（1）近代城市地图。19世纪以来西方列强纷纷在中国开辟口岸、划定租界。在进行租界勘定、建设规划之时，首先需开展大量实地测量与绘图工作，因此诞生了一批详细、精确的城市地图，为历史时期的城市空间复原提供了可能性。通过检索美国国会图书馆等线上资源，本文搜集上海开埠以来古旧地图百余幅，并辅以《上海租界志》《上海城市规划志》等资料进行更精确考订，最终遴选不同时期的11幅用以构建时间序列。上述部分地图虽未标明实际比例尺，但均为城市内部地图，可达到街区尺度甚至建筑尺度。
（2）中华民国测绘地形图。中华民国时期，地图测绘机构虽因时局动荡而多次更迭，但测绘始终是政府最重要任务之一。北洋政府、中华民国国民政府先后制定了全国性的测量计划，分别以省为单位，按旧图廓或新图廓分幅测绘了若干大比例尺地形图（以1∶5万比例尺地形图为例，旧图廓为36 cm×46 cm的矩形分幅，新图廓为15′×10′的经纬度分幅），并据最终统计1∶5万比例尺地图完成了计划的77.2%[30]。具体测绘时，采用了三角测量、碎部测量、地图投影、制图综合等近现代科学技术，整体精度较高，辅以现代遥感和实测数据的校正可用来中华民国时期研究[31]。
日本科学书院、中国台湾汉珍数位图书股份有限公司先后将收藏的中华民国地形图公开出版，分别为《中国五万分之一地图集成》（共8册，4088幅地图）及《民国时期五万分一中国地图集》（分河北、河南、山东、山西、陕甘5个区域，共17册，1945幅地图），其中日本科学书院地图集中涵盖了上海区域[32⇓⇓⇓⇓-37]。

3.1.2 遥感影像数据

（1）解密锁眼卫星影像。20世纪90年代起美国多次公开解密军用侦察卫星“锁眼”（Key Hole, KH）系列卫星的历史影像数据。该数据最早时间为1960年，具备记录时间早、数据精度高、覆盖范围广的特点，可直接用于pre-Landsat时期的相关研究。本文从美国地质调查局网站获取了1965年的上海地区影像，空间分辨率为2.74 m×2.74 m。
（2）Landsat遥感影像。从地理空间数据云网站下载1980年、1990年、2000年、2010年、2020年共5个时相的Landsat数据，分辨率为30 m×30 m（1980年数据的分辨率经重采样至30 m×30 m），用以城市建成区的识别与分析。
综上，综合集成上海开埠以来的地图、遥感影像等各类资料（表1、图2），为尽可能精细地复原、分析这一长时段的扩张过程奠定了坚实的数据基础。值得一提的是，中华民国测绘地形图、美军解密锁眼卫星数据等历史时期数据，覆盖全国若干省份，因此可作为省级或更大区域尺度构建精细时间序列研究的一手资料，具有极高的研究价值。
表1 上海1843年开埠以来城市扩张研究选用的数据源

Tab. 1 The data collected for studying the urban expansion of Shanghai since its opening up in 1843

年份/时间 数据名称 年份/时间 数据名称
1814 上海县城图(嘉庆年间) 1937 上海市区域现状图
1855 Ground plan of the foreign settlement at Shanghai: North of the Yang Kang Pang Canal 1944 City of Shanghai, China and surrounding region based map
1862 City and environs of Shanghai 1954 Shanghai and vicinity
1873 清国上海全图 1965.8.23 CORONA KH-4
1884 上海县城厢租界全图 1980.7.29 Landsat 3 MSS
1902 Chang-hai et environs 1990.8.14 Landsat 5 TM
1910 实测上海城厢租界图 2000.6.6 Landsat 5 TM
1918 江苏陆军测量局测绘上海地形图（比例尺1∶5万, 民国测绘地形图） 2010.4.23 Landsat 7 ETM+
1927 Eastern China. Shanghai 2020.8.16 Landsat 8 OLI
图2 多源多学科数据的长时序集成

注：a图为1814年上海县城图（嘉庆年间），来自嘉庆《上海县志》，b图为1855年洋泾浜北外国人居留地土地规划图，下载自Virtual Shanghai Project (https://www.virtualshanghai.net/)；c图为1918年上海地形图，由江苏陆军测量局测绘，来自《中国五万分之一地图集成》；d图为1965年上海局部解密锁眼卫星影，下载自美国地质勘探局网站（https://earthexplorer.usgs.gov/）；e图为上海地区Landsat遥感影像，下载自美国地质勘探局网站。

Fig. 2 Integration of long time series of multi-source and multi-disciplinary data

3.2 研究方法

3.2.1 城市建成区提取

城市建成区是指城市行政区内实际已成片开发建设、市政公用设施和公共设施基本具备的地区，包括连片城市建设用地及内部的绿地、水体等[38-39]。因涉及历史时期不同精度的地图以及现代的遥感影像，根据建成区的定义，充分考虑到不同数据的绘制特点与绘制精度，分别依据不同的方法来提取城市建成区，进而形成一套针对多源多精度时空资料统一提取城市建成区的方法（图3）。
图3 从多源空间资料中提取不同时期城市建成区信息

Fig. 3 Extract urban built-up area information in different periods from multi-source spatial data

（1）针对历史时期的地图资料，需要对非实测地图（或精度过低的地图）与实测地图分别展开讨论。非实测地图或早期精度过低的地图中空间信息不能直接使用，需要根据若干特征点或历史地理位置语义在现代地图定位，辅以史料进行空间校正，在现代电子地图上进行重新组织，形成新的历史地理要素。例如，图2中的嘉庆年间《上海县城图》是典型的传统舆图，没有经过实地测量，但图上清晰标明了老城厢的各个城门、主要路网及河网，根据古今对应关系，可对老城厢进行复原。近代实测地图，如中华民国大比例尺军事地形图、航测地形图等资料，需要经精确配准后可与现代电子地图匹配，进行不同地物要素的数字化，还可通过构建建成区的图像特征样本，进行建成区的识别与提取。
（2）针对遥感影像，单波段的锁眼卫星影像需要通过进行同名点配准、图幅拼接、行政区划裁剪，最后对地物开展识别；对于Landsat数据，则是先对其进行多波段融合、几何校正、行政区划裁剪。之后通过不同地物的特征样本来识别地物类别，提取城市的不透水面，配合人工目视解译来补充修正城市绿地、水体的用地信息，最终得到城市建成区。在生成数据集后，再结合土地利用现状资料来检验精度，得到各时序单元的城市用地信息。试验选择了全球不透水面年度动态数据集[40]作为样本，采用简单随机抽样方法，在上海域内生成共4000个参考点，建立混淆矩阵进而评估提取精度，最终得到总体精度为85.2%。
以上，即可将多源城市空间资料中所提取的城市建成区信息进行综合，构建混合数据支持下的时间序列，得到上海开埠以来的城市建成区扩张时间序列。

3.2.2 城市扩张分析

为进一步分析上海开埠以来城市扩张的演变特征，本文引入定量、空间形态测度指数，研究城市扩张水平及空间形态变化。
（1）城市扩张速率：单位时间内城市建成区面积变化情况，具体计算公式为：
V = S e n d - S s t a r t t e n d - t s t a r t × 100 %
式中：V研究区域内城市建成区面积的变化速率；tend和tstart为某一时期的起始和末尾时间；Sstart和Send为在tstart、tend时间相应的城市建成区面积。
（2）城市扩张强度：单位时间内城市建成区面积增长的幅度，来反映一个城市发展的快慢和城镇化水平，具体计算公式为：
I = S e n d - S s t a r t S s t a r t ( t e n d - t s t a r t ) × 100 %
式中：I为研究区域内城市扩张强度；tend和tstart为某一时期的起始和末尾时间；Sstart和Send为在tstart、tend时间相应的城市建成区面积。
（3）紧凑度：描述城市边界形状的空间紧凑程度，其计算公式为：
B C I = 2 π S i / P i
式中：BCI为紧凑度指数；Pi、Si分别为不同时期城市建成区区域的周长和面积。BCI越大，说明城市形状越紧凑。
（4）分形维数：用于描述城市边界形状的复杂程度，计算公式为：
F = 2 l n P i / 4 / l n S i
式中：F为分形维数；Pi、Si分别为不同时期城市建成区区域的周长和面积。F∈[1,2]，数值越大，其边界形状越复杂。
（5）重心转移：对比分析不同时期内城市建成区区域的重心位置分布、重心转移方向以及转移距离，揭示城市空间动态变化过程、城市扩展规律，具体计算公式为：
X t = ∑ i = 1 n S t i × X i / ∑ i = 1 n S t i Y t = ∑ i = 1 n S t i × Y i / ∑ i = 1 n S t i
式中：Xt、Yt分别为t时间城市建成区区域的重心坐标，Xi、Yi分别为第i个建成区区域重心的坐标，Sti为t时间第i个建成区区域的面积。
（6）扇形分析：可以直接比较和分析不同方向上城市扩展差异。在使用扇形分析方法时，将老城厢的重心位置（31.224°N, 121.487°E）设置为原点，东西方向为横轴，南北方向为纵轴，按照方位将城市建成区等分为夹角相等的16个象限（以北偏东11°15′为起点）；统计每个方向象限的城市建成区面积，得到上海不同时期扩张面积雷达图。

4 结果分析

4.1 扩张过程演变

上海在经历了百年来的城市化过程之后，城市建成区面积迅猛增长，扩张速率、扩张强度等表征城市扩张的数值以及相应的空间形态均发生了极大变化（图4）。
图4 1843—2020年上海城市建成区时间序列

Fig. 4 Time series of urban built-up areas in Shanghai in 1843-2020

首先，最直观的变化便是面积数值的增长（图5a），从1843年开埠至2020年共增长了约1453倍。开埠之前，上海县的城墙内部面积仅约2 km2（按照今中华路、人民路所围区域测算面积为1.98 km2）。开埠后，各国开始划定租界，英领事首次划定了0.55 km2的范围作为租界；1910年租界总面积达到28.64 km2，是城墙内面积的近15倍；之后相对平缓，直至1965年，建成区面积有了明显的增长，达到306.23 km2，这与1958年行政辖区的扩大有直接关系；1980—1990年建成区面积从728.92 km2扩展至1044.69 km2，扩张比例为43.32%；1990—2000年面积扩张至1450.19 km2，扩张比例为38.82%；2000—2010年面积扩张至2349.63 km2，扩张比例为62.02%；2010—2020年面积扩张至2879.88 km2，扩张比例为22.57%。
图5 上海城市建成区的扩张数值变化及重心迁移分析

Fig. 5 The area, expansion rate and expansion intensity of urban built-up area in Shanghai

其次，面积的增长带来了扩张速率与扩张强度的剧烈变化。根据公式（1）~（2）计算扩张速率及扩张强度，可知扩张速率总体趋势是不断增加，扩张强度则存在明显几个峰值（图5b）。在开埠之前，县城的建成区范围未见大的变动；开埠后，虽面积数值迅猛增长，但总体扩张速率始终在5 km2/a以内，直到1980—1990年的扩张速率为31.57 km2/a，相较于1965—1980年的34.85 km2/a略有下降；2010—2020年的扩张速率53.02 km2/a，相较于2000—2010年的89.94 km2/a有明显下降，这主要是由节约和集约利用土地、严格控制新增建设用地、加大存量用地挖潜力度等控制城市规模的相关规划政策决定的。扩张强度则是在开埠后不断增长，直到1910年前后出现第一个峰值，这主要是由租界的扩张导致的（租界最后一次扩张为1914年）；之后略有波动，尤其是抗日战争时期有所停滞；在1980年前后又出现了第二个峰值，主要是与行政辖区扩张、1978年改革开放等政策带来的积极影响有关。
之后，根据公式（3）~（4）计算紧凑度及分形维数（图5c），可分析城市建成区整体扩张的模式及空间形态变化。紧凑度的整体变化趋势是随着时间推进不断下降，这一变化与不同时期的开发模式直接相关：早期的城市扩张多为现有区域向外逐渐蔓延，区域内部的空心指数不高；而近年来的浦东开放开发等新区建设，一方面迅速加大了蔓延程度，另一方面也具有飞地扩张；但在2000—2010年、2010—2020年均有所回升，这与高质量发展战略下重新重视了填充式扩张有关。分形维数则随着时间变化，呈现了一定的周期：在开埠以后，分形维数不断上升，说明这一阶段的不断开发导致城市边界形状越来越复杂；之后有所下降，数值也相对稳定；直到1965—1980年又有了显著上升，说明城市边界变为复杂；近年来，分形维数逐渐稳定且略有下降，说明城市边界状态趋于稳定，但仍有一定闲置土地，城市空间利用可以进一步充分。
最后，通过计算不同时期建成区的重心位置，可分析重心迁移情况（图5d）。不同时期的重心点位置均分布在黄浦江以西，仅有个别时段（1910年、1918年、1965年）的重心在苏州河以北，且位置变化呈现出先向北后向南转变的趋势。通过迁移距离及方向的计算，可知重心迁移距离整体呈现出随时间变化而不断增大的趋势，即早期的迁移距离远小于后期的迁移距离，其中最终2020年城市建成区的重心位置相较于开埠前的老城厢重心位置，迁移距离共计为7.285 km，方向则为南偏西44.2°。
在重心迁移分析的基础上，进一步结合象限方位分析，可得知各个方向的具体扩张面积（图6）。上海开埠以来在16个方向的平均扩张面积为179.75 km2，其中最主要的扩张方向为西南及南偏西，扩张面积分别达到295.43 km2、279.07 km2，但在不同时段存在显著差异，分时段分析如下：1843—1912年西北为主要扩张方向，扩张面积共达到6.23 km2，这是由租界的扩张引起的，如英租界在县城以北、以西，美租界在苏州河以北，法租界主要在县城以西；1912—1949年东北方向出现了显著扩张，扩张面积共达到5.46 km2；1949—1980年这一时段的主要扩张方向为西北、西南、西偏南，扩张面积分别为73.09 km2、70.29 km2、67.28 km2；1980—1990年主要扩张方向为西偏南及南偏西，扩张面积分别为44.89 km2、40.57 km2；1990—2000年主要扩张方向为西南及北偏西，扩张面积分别为50.21 km2、46.31 km2；2000—2010年主要扩张方向为西南及西，扩张面积分别为100.69 km2、91.02 km2；2010—2020年主要扩张方向为东偏南及东南，扩张面积分别为89.42 km2、78.08 km2。
图6 上海城市建成区扩张雷达图

Fig. 6 Radar map of urban built-up area expansion in Shanghai

4.2 影响因素分析

城市的发展是一个生生不息、连续不断的历史进程。在这一时空过程中，影响城市扩张的因素是多元的，包括自然条件、政治、经济、人口、交通等不同方面。自然要素的影响是基础而长期的，奠定了上海发展的先决条件，人文因素则是其变化强度及方向的重要影响因子。当研究时段较长时，扩张过程的驱动因子尤为复杂。

4.2.1 自然因素

开埠作为上海近现代城市发展的最大转折点已得到共识，而被西方列强选为中国首批开埠城市，首要被考虑的因素便是其优越的自然位置、便利的通航条件以及适宜的居住环境。上海位于太平洋西岸，亚洲大陆东沿，长江三角洲前缘河口和杭州湾之间，中国南北海岸线的中心点，地理位置优越。上海作为“黄金水道”长江的入海口，可以通过长江航线十分方便地通往内陆区域，具有广阔的经济腹地。黄浦江是长江支流，贯穿上海市内，与苏州河等河流构建起市内水上交通，还可连接淀山湖、太湖地带。因此早在明代，上海便有“江海之通津，东南之壮县”的美誉。此外，上海全境为冲积平原，陆域面积6340.50 km2，平均海拔高度为4 m左右，地势平坦。上海所属岛屿随着泥沙冲击、填海造陆，面积有了较大程度的增长。气候方面，上海属亚热带季风气候，日照充分，雨量充沛。总体来看，上海地势平坦，襟江带海，具有市镇密集的江南腹地及长江沿线腹地，十分适宜海内外贸易往来，同时气候温和湿润，适宜居住，这些因素是大城市形成的先决自然条件。

4.2.2 人文因素

（1）社会变迁及政策驱动作为最根本的驱动力决定着城市阶段性发展的最主要方向：自然条件带来的影响是基础而长期的，但或被动或主动的社会变迁及重大政策，作为最根本的驱动力，决定着上海城市阶段性发展的最主要方向。下面以划定租界、新市中心建设、行政区域调整、浦东开发开放以及国家关于城镇发展的重大战略等重要社会变迁或政策作为节点进行剖析。租界划定导致的迅猛扩张（图7a）：上海于元代（1292年）设县，明代（1553年）筑城垣。上海的老城厢在明清时期都是城市的中心区域。1843年上海正式开埠，成为国内外的通商口岸。1845年上海道台与英国领事商定《土地章程》，在县城以北、黄浦江畔成立英租界。1848年美国传教士在苏州河以北虹口地区占据了一大片土地，建筑房屋，与上海道台交涉后成立美租界。1849年上海道台与法国领事签订协议，法租界成立。1863年英、美租界合并，成为公共租界。公共租界经两次扩张，面积达10.1 km2，法租界经3次扩张，面积达22.3 km2，租界面积总和达到原城墙内面积的16.24倍，主要扩张形式为蔓延式扩张，扩张方向为西北，扩张强度在1910年前后出现峰值。租界的迅猛扩张及带来的工商业、金融业、交通运输业的发展，使得上海一跃成为中国最大的城市。新上海市中心的飞地式发展：1927年中华民国国民政府成立。上海因其重要的政治、经济、文化地位，决定在租界以外地区设上海特别市，并建立新市中心区，以与租界抗衡。1929年7月上海特别市政府正式通过了《大上海计划》，拟在江湾五角场地区设新市中心区，与租界区域形成三方四国的格局，形成飞地式扩张，主要扩张方向为东北，重心进一步北移。《大上海计划》在空间格局层面也直接影响了杨浦区乃至整个上海市区的城市结构和空间布局。辖域扩大与行政区划调整：上海的建市始于1927年上海特别市的成立，并划入上海县全境和宝山、松江、青浦、南汇的部分地区。1945年抗日战争胜利后，又将南汇、奉贤、川沙、嘉定、宝山、崇明县复归江苏省。1949年上海解放，成为中央直辖市，辖20个市区和10个郊区，辖域面积为617.99 km2。1958年中央为满足上海市农副产品的需要，先后批准将江苏省的嘉定、宝山、上海、川沙、青浦、南汇、松江、奉贤、金山和崇明等10个县划归上海市，辖域面积扩大至6340.5 km2，建成区面积有强烈的变化，城市边界变为复杂，紧凑度大幅下降。这次调整是上海历史上规模最大的一次行政区划调整，极大地拓展了上海的发展空间，对上海现今的城市格局也产生了深远影响（图7b）[41]。浦东开发开放与国际大都市建设：1990年国家正式批准开发开放浦东，并于1992年设立浦东新区。在浦东开发的带动之下，上海真正实现了跨江而治，进入高速发展时期，城市基础设施建设、城市面貌发生了巨大改变，以“四个中心”建设为核心的城市职能逐渐明确，为上海国际大都市的腾飞奠定了基础。在城市空间迅速蔓延过程中，建成区面积迅猛增长，扩张速率持续增长，分形维数则略有下降。“上海2035”等规划中进一步明确了优化土地使用结构，将全市建设用地控制在陆域面积的46.8%以下。国家关于城镇发展的重大战略：“十一五”规划《纲要》提出，要以特大城市为依托，把城市群作为推进城镇化的主体形态，形成新的经济增长极。中国共产党“二十大”报告要求“以城市群、都市圈为依托构建大中小城市协调发展格局”。长三角一体化历经多次深化，在2016年《长江三角洲城市群发展规划》中正式上升为国家战略。其中，上海作为龙头城市，率先开展跨省城镇圈统筹及协同合作，上海郊区与邻沪的同城效应也进一步释放，并在空间上表现为郊区建设的不断增强。
图7 上海租界扩张及1958年行政区划范围扩大示意图

Fig. 7 The expansion of Shanghai concession and expansion of the scope of administrative divisions in 1958

（2）产业经济的空间集聚是城市形成与扩张的直接原因。城市化通常伴随着产业与贸易的发展，而产业与贸易的空间集聚是城市形成与扩张的直接原因。虽然在1843年被迫开埠之前，上海已发展成为中国近海航运贸易的重要节点城市之一，但开埠事件使得上海被纳入到全球经济体系中，城市功能也逐渐由主要面向国内转向海外市场。对外贸易的日益繁荣极大促进了上海本土工商业的发展，如租界内开设了大批洋行等金融贸易机构，同时一批外资工厂也陆续出现，包括船舶工业、印刷业、纺织工业、食品加工业等多个行业以及水电等公用事业领域。除了外资工业，以上海江南制造总局和上海机器织布局为主要代表的洋务工业也在上海异军突起。此时，上海已逐渐成为以航运功能为基础，外贸、金融、工业为一体的多功能经济中心。考虑到交通运输等因素，这些工厂多集中在黄浦江、苏州河沿岸一带，这是上海在外力驱动下城市建成区最开始扩张的区域，也是早期产业发展的雏形。目前上海仍在“一江一河”滨水地区仍留存若干工业遗产。1949年之后随着国际上冷战格局和国内政治制度的变化，上海的城市职能定位发生了重要转型。上海由于技术、资本的雄厚积淀，作为全国最重要的工业城市，逐步建立了国营经济的领导地位，向对内生产服务的城市功能转变，为全国输送了大量专业技术力量。改革开放以来，尤其是1990年浦东开发开放以来，上海的产业结构与工业布局进行了战略性调整，加快了第三产业恢复、支柱产业调整、重视技术改造及创新的步伐，城市开始大幅度东扩。目前上海正全面推进数字化转型、长三角世界级城市群建设等多项重要举措，城市功能不断拓展，产业结构不断优化，在向着成为具有世界影响力的科技创新、金融、商贸等多功能中心以及社会主义现代化国际大都市等多个目标迈进。总体来看，产业经济的空间集聚不仅推动了城市的工业化和经济多样化，还吸引了大量人口和资本涌入上海。城市的发展和扩张与产业的集聚相辅相成，共同推动了上海的现代化进程。
（3）人口迁徙为城市化注入新的发展动力。社会变迁与政策会影响人口迁移的阶段性趋势，而人口的迁徙与聚集为城市化注入新的发展动力，带来新的劳动力，刺激城市基础建设的新需求，促进文化交流和多样性，进一步促进城市的扩张（图8a）。关于1949年之前上海的人口，邹依仁在《旧上海人口变迁的研究》一书中进行过时间维度的梳理，成为相关研究的主要参考[42]；沈汝生在《中国都市之分布》一文中对全国的大都市人口进行了调研，得到上海是唯一一个人口超过200万人（1933—1936年）的大城市这一结论[43]。具体来看，1843年开埠之前，上海县城的人口规模为20余万人。在租界初辟时期，相关贸易人员陆续来到租界。英租界（后公共租界）、法租界自1965年起，分别由工部局、公董局每隔5年开展一次人口调查，形成了一套近代上海人口统计的重要史料。1853年小刀会起义，大批本地居民首次涌入租界避难，英美租界的华人人口在一年内激增至2万人以上，打破了“华洋分居”的人口分布模式。后随着多次战乱，租界作为一块特殊的安全岛屿，人口在战乱时迅猛增加。1860年5月太平天国运动直攻上海，租界人口增加到30万，1862年更是达到50万。1937年“八一三”淞沪会战、日本的全面侵华，使得人口进一步剧增，两租界人口从165万人增加至243万人，共激增了78万余人。之后，1946—1949年第三次国内革命战争时期，上海地区人口从1945年的330万人增加到1949年初的540万人。1949年上海全市人口约计502.92万人。关于上海的人口，七次全国人口普查结果显示，上海的人口分别为620.44万人（1953年）、1081.65万（1964年）、1185.97万（1982年）、1334.19万（1990年）、1640.77万（2000年）、2301.92万（2010年）、2487.09万（2020年）。其中，1953—1964年的人口增幅，与1958年的行政区划扩张调整及生育高峰有着直接关系；1964—1982年由于“计划生育”“上山下乡”等原因人口增长缓慢；1982—2010年人口加快了增长速度；2010—2020年因特大城市存量发展等导向，人口增长速度有所放缓，迈向了人口高质量发展阶段。总体来看，上海人口变化的趋势与建成区扩张趋势基本一致，1949年前上海的人口数逐步稳定增加并呈现逐渐加快的趋势，1949年后存在缓慢期，后随着开放政策外来人口恢复了高增长趋势而迅速上升，近年来有所放缓，与建成区从增量扩张向存量优化转变相一致。
图8 1852—2020年上海人口数量统计图及港口分布图

Fig. 8 Population statistics and distribution of ports in Shanghai in 1852-2020

（4）交通运输作为城市基础设施加强城市对外及内部之间的联系。上海发达的交通网络是城市化过程中重要的基础设施建设，促进资源要素在更大的空间范围实现优化配置，增强对外及城市内部之间的经济联系。上海因港而兴，历史时期，青龙镇港便是重要的贸易港口。1843年开埠后，外商在黄浦江沿岸建立码头，并与国际化大都市陆续通航，上海港口的吞吐量迅猛增加，在1853年进出口货值便超越广州，成为中国第一大外贸港口。随后，长江沿岸重要港口也陆续开埠，上海因位于长江口，便成为重要的中转地。孙中山先生曾在《建国方略·实业计划》中提出“设世界港与上海”这一构想。在中华民国时期，上海一度成为远东最大的港口城市和航运中心。1949年后上海不断改进、建造新的港口，目前拥有洋山港、外高桥、宝山等多个大型新港，航运能力突飞猛进（图8b）。在铁路、公路、民航等领域，上海也是起步最早的城市之一，取得了重要成就。1909年沪宁、沪杭铁路先后建成；1912年全国最早的短途汽车运输行开设；1921年、1922年虹桥机场、龙华机场先后建成。交通干线和交通枢纽的建设受城镇化政策支持，同时也对城镇化方向有直接的引导作用。此外，上海作为典型江南市镇，河道密布，为了现代交通及城市空间的发展，老城厢、租界区域进行了一定程度的“填浜筑路”，即将传统河道改建为新式马路。直到今天主城区的道路仍有极大程度的继承。遗憾的是，在战争时期，交通运输领域受到了停滞甚至重创。1949年后上海陆续对相关企业进行社会主义改造，并根据对内生产服务的职能要求，开辟一批国内航运、铁路等路线。1978年改革开放以来，交通基础设施建设不断加快，经营模式也向市场化转变。20世纪90年代浦东开发开放后，上海市政府加大建设力度，推动了跨江大桥建设及浦东国际机场、外高桥码头、洋山港等多项重要港口的建设。目前，上海市仍在进一步完善公路、铁路、机场、港口等枢纽型、功能性、网络化基础设施，加强城市路网和轨道交通建设，发挥综合交通枢纽功能，形成以公共交通为主体，各种交通方式相结合的多层次、多类型的城市综合交通体系。总体来看，上海的交通运输基础设施的发展，极大地促进了城市内部各区域之间的联系，也加强了与外部地区及国际社会的沟通。这些交通发展举措有助于促进经济增长、贸易繁荣、人员流动和文化交流。

5 结论与讨论

5.1 结论

本文以长时序多粒度数据为突破口，充分梳理了上海开埠以来的近代地图、中华民国实测地形图、解密遥感影像等稀见资料，并引入历史GIS等理论，在统一的时空框架下，结合现代遥感数据分别提取建成区信息，开展了长时序的城市扩张过程监测及机理分析研究。主要结论如下：
（1）上海自1843年开埠以来，城市建成区的面积变化巨大，扩张了约1453倍。扩张速率总体在不断增加，扩张强度则在1910年前后、1980年前后出现了明显的峰值。
（2）紧凑度的整体变化趋势是随着时间推进不断下降，这一变化与不同时期的开发模式直接相关，尤其是近年来对于城市规模的控制有所加强。分形维数则随着时间变化，呈现了一定的周期：开埠以来不断上升，后有所下降逐渐趋于稳定，到1980年附近又有显著上升，近年来则又有缓慢下降的趋势。
（3）不同时期的上海城市建成区重心位置均分布在黄浦江以西，呈现出先向北后向南发展的趋势，且重心迁移距离随时间变化而不断增大。其中，最主要的扩张方向为西南及南偏西，扩张面积分别达到295.43 km2、279.07 km2，但不同时期的主要扩张方向及面积因影响因素不同而存在显著差异。
（4）当研究时段横跨数百年时，作用驱动力尤为复杂。经过研究分析可知，优越的自然位置奠定了上海被选为开埠城市的先决条件，人文因素则是变化强度及方向的重要影响因子。其中，百年来的社会变迁及政策驱动作为最根本的驱动力决定着城市在当下阶段发展的最主要方向，产业与贸易的空间集聚是城市形成与扩张的直接原因，人口迁移为城市化注入新的发展动力，交通运输则作为城市基础设施加强城市对外及内部之间的联系。

5.2 讨论

本文的研究结论及研究中所采用的数据、方法，对于上海区域地理、历史GIS数据及方法、新时期国土空间规划等研究领域有参考价值和借鉴意义。
首先，对于上海区域地理研究有扎实的历史贡献。上海是近现代中国城市扩张最为显著的城市之一，其城市扩张过程堪称中国城市化进程的缩影。蒋宇超等[20]虽曾结合多源历史地图资料和遥感影像数据对晚清以来上海建成区边界扩张过程与特征开展研究，但其对城市边界定义为，“考虑到上海卫星城建设的规模，将城市边界定义为与中心城区连片的建成区边界”。这一定义在空间上完备性有待提升，特别是在改革开放之后的快速城镇化阶段中，郊区的城镇化是无法忽视的，因此本文也考虑了非中心城区的情况。在近代城市地图的选取过程中，本文也尽可能选择实测而非规划地图，以免出现规划与实测不一致的问题。因此，本文挖掘了上海的历史地理资料，综合了上海开埠至今的历史地理知识，多维度分析了这一时空演变过程及背后的机理。
其次，对复原历史时期乃至构建长时序时空过程所需的历史空间科学数据与方法具有极强的参考价值。由于历史GIS等相关资料及研究本身的发展，长时序时空过程研究得到了部分学者的重视，然而仍存在现有研究数据的挖掘不够充分、时间序列的构建不够精细等问题。充分搜集多学科、长时段、多粒度时空数据，尤其是中华民国大比例尺地形图、历史航拍影像等覆盖范围广、稀见的历史资料，并基于统一的时空框架体系与信息提取方法，与现代遥感数据形成了更长时序的时间序列，为近现代城市扩张等长时序时空过程研究提供了一套跨学科视野下的科学数据与方法，具有显著的可推广性。最终可为现代地理学研究时段的上溯，尤其是在现代遥感技术与数据出现之前这一历史时期的研究，提供坚实的历史知识和数据依据。
最后，符合新时期国土空间规划中加强历史文化保护传承的目标要求。现阶段，城市发展由大规模的增量扩张转向存量更新为主，历史街区则是延续城市文脉最为重要的区域，传承地方生活与情感记忆。因此，新时期中国国土空间规划战略的重要任务之一是加强历史文化保护传承，从而解决快速城市化过程中城市扩张带来的历史建筑保护不足、历史文脉延续不足等城市问题具有重要意义。一方面，古旧地图、历史影像对于划定保护历史文化街区和历史建筑的紫线有直接作用；另一方面，应从历史地理长时序时空演变的视角，深刻理解城市变迁的历史知识与时代背景，强化对历史街区的整体保护，完善不同阶段历史文化街区、历史建筑、工业遗产等的保护层次和体系。

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