利用遙感影像土地監(jiān)測數(shù)據(jù)的城市化土地利用變化研究
——以廣寧縣為例

石水源，謝思梅，謝榮安

(1. 廣東省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊，廣東 梅州 514089； 2. 武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079； 3. 廣東省地質(zhì)測繪院，廣東 廣州 510800)

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，我國逐步加快了城市化發(fā)展的步伐。2011年，中國城市人口首次超過農(nóng)業(yè)人口，城市化成為經(jīng)濟社會發(fā)展的重要驅(qū)動因素。因此對2011年后城市化的土地利用變化研究有利于政府在新的發(fā)展階段做出更好的決策。珠三角地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展迅猛，很好地推動了城市化的發(fā)展。廣寧縣作為距離珠三角最近的山區(qū)縣，經(jīng)濟發(fā)展和城市化進程也取得了顯著成績，其中土地資源的合理利用很值得關(guān)注。因此，本文以2011—2017年間廣寧縣利用遙感影像監(jiān)測城鎮(zhèn)土地利用的變化，分析廣寧縣的城市化發(fā)展與土地的關(guān)系，探索山區(qū)城市化進程土地科學(xué)利用新模式。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 研究區(qū)域介紹

廣寧縣位于東經(jīng)112°03′—112°43′，北緯22°22′—23°59′，東西寬60 km，南北長約68 km，地處廣東省肇慶市中北部，是全省山區(qū)縣中距離珠三角最近的縣。廣寧縣總面積2 458.15 km2，其中山地面積占全縣總面積的85.34%，也是廣東省重點林區(qū)和首批林業(yè)生態(tài)縣，森林覆蓋率達78.3%。

1.2 數(shù) 據(jù)

本文使用的研究數(shù)據(jù)為過去幾年有關(guān)部門利用高分辨率遙感影像所得的土地利用調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取時間為2011年、2013年、2015年和2017年。著重從土地類型的8大類(耕地、園地、林地、草地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運輸用地、水域及水利設(shè)施用地和其他用地)歷年土地利用變化情況進行研究。由于獲得的調(diào)查數(shù)據(jù)為矢量數(shù)據(jù)，根據(jù)研究需要，在ArcGIS中將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為柵格數(shù)據(jù)，格網(wǎng)大小為10 m×10 m。

2 研究方法

2.1 城市擴張與協(xié)調(diào)性

本文采用年擴張(AI)、年擴張率(AER)和城鎮(zhèn)土地面積比例(ULP)3個指標描述廣寧縣城鎮(zhèn)擴張的程度[1]。年擴張衡量城市的擴張強度，年擴張率衡量城鎮(zhèn)擴張速度，而城鎮(zhèn)土地面積用來衡量城鎮(zhèn)的擴張程度。3個指標的計算公式為

(1)

(2)

(3)

式中，Areai和Areaj分別為第i年和第j年的城鎮(zhèn)土地面積；Areatotal為廣寧縣土地總面積。

為了探究廣寧縣城市化與人口、經(jīng)濟之間的協(xié)調(diào)性，本文使用城市土地-經(jīng)濟協(xié)調(diào)性指數(shù)(UGI)和城市土地-人口協(xié)調(diào)性指數(shù)(UPI)[2]來定性分析在城市化發(fā)展的同時，經(jīng)濟和人口增長是否協(xié)調(diào)。UGI是通過計算經(jīng)濟增長速率與城市土地擴張速率的差值來衡量城市化和經(jīng)濟發(fā)展之間的協(xié)調(diào)性。UPI則是衡量城市化和人口增長之間的協(xié)調(diào)性。其計算公式為

UGI(t1,t2)=UG(t1,t2)-UA(t1,t2)

(4)

UPI(t1,t2)=UP(t1,t2)-UA(t1,t2)

(5)

式中，UG為地區(qū)生產(chǎn)總值的年增長速率；UP為城市人口的年增長速率；UA為城市土地的增長速率；t1和t2分別為第一個年份和第二個年份。UA的計算公式如式(6)，UP和UG的計算方法與UA類似。

(6)

式中，At1為廣寧縣在t1年份的城市土地面積。經(jīng)濟和人口數(shù)據(jù)來源于肇慶市統(tǒng)計局。2011年和2013年使用非農(nóng)業(yè)人口，由于2015年取消農(nóng)業(yè)非農(nóng)業(yè)人口劃分，因此2015年后由城鎮(zhèn)人口替代。

2.2 城鎮(zhèn)土地來源

城鎮(zhèn)土地的擴張通常伴隨著耕地、林地等面積的減少，監(jiān)測新增城鎮(zhèn)土地來源的同時也可以獲得其他地類的變化信息。首先，在ArcGIS中將相鄰時相的柵格數(shù)據(jù)合并，并保留原本的屬性，得到一個合并的柵格圖層。然后，統(tǒng)計轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)用地的土地類型和面積。

2.3 景觀指數(shù)分析

根據(jù)不同層次，景觀指數(shù)可以分為斑塊水平指數(shù)、斑塊類型指數(shù)和景觀水平指數(shù)。研究區(qū)選取了3個斑塊類型水平上的景觀指數(shù)來分析城鎮(zhèn)土地的空間景觀變化：斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(shù)(LSI)和散布毗鄰指數(shù)(IJI)。斑塊密度計算的是單位面積內(nèi)的斑塊數(shù)量，能反映景觀整體斑塊的分化程度，斑塊密度越大，表明在一定面積上，異質(zhì)景觀要素斑塊數(shù)量越多，斑塊規(guī)模越小，景觀異質(zhì)性越高。景觀形狀指數(shù)反映斑塊形狀的復(fù)雜程度，斑塊形狀指數(shù)越接近1，說明該斑塊的形狀越接近正方形或圓形，指數(shù)數(shù)值越大，說明斑塊形狀越復(fù)雜。IJI是描述景觀空間格局最重要的指標之一。IJI對受到某種自然條件嚴重制約的生態(tài)系統(tǒng)的分布特征反映顯著。IJI越小說明某斑塊類型僅與少數(shù)幾種其他類型相鄰接，當(dāng)IJI=100時說明該類型與其他所有類型完全、等量相鄰。

3 結(jié)果與分析

3.1 城市擴張和協(xié)調(diào)性分析

廣寧縣城鎮(zhèn)面積在2011—2017年間共增加了346.17 hm2。從圖1中可以看到，城鎮(zhèn)面積增長的速率在逐時期增加。從圖2可見，2011—2013年城鎮(zhèn)土地面積僅增加了36.29 hm2，而2013—2015年及2015—2017年城鎮(zhèn)土地面積增長均大于100 hm2。廣寧縣的AI為4.24%，AER為0.69%，ULP逐年增加，平均值為3.38%。

圖3為城鎮(zhèn)擴張的變化。廣寧縣的城市核在全縣的中部偏南，城鎮(zhèn)土地主要集中在永青社區(qū)居委會、護國社區(qū)居委會、圣堂社區(qū)居委會中部及南部，以及五一社區(qū)居委會西北部。新增的城鎮(zhèn)土地大多分布在原有城鎮(zhèn)土地的四周，但也有獨立的新增城鎮(zhèn)土地，如江西村在2011—2013年出現(xiàn)了一片新的城鎮(zhèn)用地，并在2013—2017年間逐漸向北擴張。

圖1 廣寧縣城市用地面積

圖2 各年份間城市用地增加面積

圖3 各年份城市擴張

UGI為正時，即地區(qū)生產(chǎn)總值增長速率大于城市土地增長速率時，說明經(jīng)濟的增長并不依賴于城市土地的擴張，城市土地集約化程度高，屬于良性發(fā)展。而當(dāng)UGI為負時，即城市土地增長速率大于地區(qū)生產(chǎn)總值增長速率時，說明城市土地的擴張并沒有帶來相應(yīng)的經(jīng)濟增長，可能存在土地利用不合理的現(xiàn)象。2011—2013年、2013—2015年和2015—2017年的UGI值分別為13.26、7.42和6.91，均為正數(shù)，這說明廣寧縣的城市化和經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展，但UGI值呈下降趨勢，其主要原因是經(jīng)濟增長速度相對減慢。而當(dāng)UPI值為正時，即城市人口增長速率大于城市土地增長速率時，說明城市擴張并不能滿足人口增長帶來的生活需求，城市化相對落后；相反，則說明該城市可能存在盲目擴張的現(xiàn)象。廣寧縣3個時期的UPI值分別為-1.30、55.57和-0.44，城鎮(zhèn)人口和非農(nóng)業(yè)人口的統(tǒng)計口徑不一致，導(dǎo)致2015年的城鎮(zhèn)人口數(shù)量遠遠高于2013年的非農(nóng)業(yè)人口，進而影響了2013—2015年的UPI值。但就另外兩個時期而言，UPI值為負，這說明廣寧縣土地利用可能存在不合理的地方，但UPI絕對值較小，城市土地與人口發(fā)展相對協(xié)調(diào)。

3.2 城鎮(zhèn)土地來源分析

如圖4所示，超過50%的新增城鎮(zhèn)土地面積來源于林地，其次為耕地和園地。

圖4 各地類轉(zhuǎn)化為城市用地的占比

2011—2013年，廣寧縣曾歡村東北部、荔洞村西部和江西村東南部有大片的林地轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)用地。而2013—2015年，轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)用地的林地主要分布在城市核的西部和東部，以及城南村北部。2015—2017年，林地轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)用地主要出現(xiàn)在城市核南部。

3.3 景觀分析

廣寧縣各類型用地的PD中，耕地、園地和城鎮(zhèn)用地的數(shù)值較大，PD值均在2以上，說明廣寧縣的耕地、園地和城鎮(zhèn)用地斑塊多。在這3個地類中，城鎮(zhèn)用地的面積相對較小，但斑塊密度較大，主要原因為城鎮(zhèn)用地斑塊比較破碎，單位面積內(nèi)的斑塊數(shù)量多，斑塊面積小。另外，值得注意的是林地的斑塊密度在所有類型中相對較小，但林地面積占比是最大的，這說明單位面積內(nèi)林地斑塊雖然少，但斑塊面積大，破碎度小，因此PD值小，即廣寧縣的林地是連接成片的。而城鎮(zhèn)用地的PD逐年增加，這也說明了廣寧縣的城鎮(zhèn)用地在增多，但并沒有連成片。

而2011—2017年的LSI，除草地和水域外，其他地類的LSI值均有所上升，說明這些地類的斑塊形狀趨于復(fù)雜。城鎮(zhèn)用地的LSI值接近100，斑塊形狀比較復(fù)雜，這也反映出城市化進程中的人為影響，人類活動或政府的規(guī)劃使得城鎮(zhèn)用地的斑塊形狀比自然地物復(fù)雜。

除園地外，廣寧縣各地類的IJI值均超過50，說明與這些地類斑塊相鄰的其他類型斑塊比較多，反映出廣寧縣的景觀分布比較復(fù)雜，地類較為分散。就城鎮(zhèn)用地的IJI來說，并沒有呈現(xiàn)出明顯的趨勢，在各地類IJI中屬于較高，說明城鎮(zhèn)用地的邊緣連接著多種地類。圖5為廣寧縣城鎮(zhèn)用地的景觀指數(shù)值。

圖5 2011—2017年廣寧縣城市用地景觀指數(shù)

4 結(jié) 語

綜上所述，相比于2011年，廣寧縣2017年城市用地面積增加了4.24%，城市正在穩(wěn)健地擴張。而城市土地擴張與經(jīng)濟、人口增長都較為協(xié)調(diào)，但仍應(yīng)關(guān)注城市擴張的不協(xié)調(diào)因素。從總體來看，在城市擴張的新增土地中，高達58.62%來源于林地，而耕地轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)用地的占比為22.36%，而且地類平均斑塊密度較大，景觀異質(zhì)性較高，景觀較為分散，斑塊的形狀也趨于復(fù)雜，反映出城市化進程中的城鎮(zhèn)用地與人類活動及政府的規(guī)劃、建設(shè)管理密切相關(guān)。因此，對于廣寧縣未來的城市化發(fā)展，一是必須強調(diào)利用科學(xué)的技術(shù)和方法，加強城市化土地變化監(jiān)測，制定好城市規(guī)劃，合理編制土地利用規(guī)劃，使之更具有前瞻性、科學(xué)性。二是加強土地管理，切實履行耕地與林地的保護措施，減少林地和耕地的流失，更加注意生態(tài)環(huán)境的保護，維護好已有的良好生態(tài)環(huán)境。三是在城市規(guī)劃和發(fā)展中應(yīng)重視城市土地利用變化的監(jiān)測與控制，全面考慮景觀空間格局，提高現(xiàn)有城市土地利用效率。