基于遙感數(shù)據(jù)的縣域土地利用模擬及經(jīng)濟效益評價
——以河北省巨鹿縣為例

文 | 劉澤琴 米夢凡 楊秀峰 趙子輝 解春苓

1. 北華航天工業(yè)學(xué)院經(jīng)濟管理學(xué)院 2. 北華航天工業(yè)學(xué)院遙感信息工程學(xué)院 3. 河北省航天遙感信息處理與應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新中心

一、前言

在黨的組織結(jié)構(gòu)和國家政權(quán)結(jié)構(gòu)中，縣一級處在承上啟下的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是發(fā)展經(jīng)濟、保障民生、維護穩(wěn)定的重要基礎(chǔ)。縣域經(jīng)濟帶有城鎮(zhèn)經(jīng)濟和農(nóng)村經(jīng)濟相結(jié)合的典型特征，在城鎮(zhèn)化發(fā)展進程中的土地資源合理利用是具有重要研究價值的關(guān)鍵問題之一。如何利用遙感、GIS等現(xiàn)代技術(shù)手段，對縣域土地資源進行定性分析、精準(zhǔn)施策、科學(xué)管理，提升土地利用的效益，是縣、鄉(xiāng)政府等決策部門亟待思考的問題。

在區(qū)域經(jīng)濟研究中引入空間地理信息變量是近年來獲得迅速發(fā)展的經(jīng)濟地理學(xué)的一個熱門研究領(lǐng)域。作為經(jīng)濟學(xué)與遙感學(xué)、地理學(xué)相互融合的一門新興學(xué)科，經(jīng)濟地理學(xué)在產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟和區(qū)域經(jīng)濟研究領(lǐng)域受到了越來越高的重視，其中土地利用與覆被變化（LUCC）屬于熱點領(lǐng)域。這類包括空間變量的模型主要特點是采用遙感信息作為數(shù)據(jù)來源，并且利用計算機技術(shù)和GIS，分析LUCC的空間顯性分布特征和格局構(gòu)成，同時重視對影響空間差異性的自然、人類活動等驅(qū)動因子的分析。目前廣泛采用的分析模型在原理構(gòu)造上大都源于地理元胞自動機（CA）。CLUE-S是源于CA原理的一種比較成熟的模型形式。區(qū)域經(jīng)濟研究的另一個熱點領(lǐng)域是土地利用的效益評價，涉及生態(tài)（環(huán)境）效益、經(jīng)濟效益和社會效益等方面。

空間地理信息分布及格局演化方面的技術(shù)方法目前已取得較大進展，空間地理模型分析早已有之，但是將其研究結(jié)果應(yīng)用于地方政府治理和民間應(yīng)用的案例不多，應(yīng)用于較小區(qū)域開展經(jīng)濟分析的研究數(shù)量更少，尤其是針對縣域這類國民經(jīng)濟基本單元的實證研究比較鮮見?？h域經(jīng)濟所處的地位及其結(jié)構(gòu)具有重要研究價值，本文力圖在此方面做出探索。

二、研究區(qū)、數(shù)據(jù)及研究方法

1. 研究區(qū)概況

巨鹿縣位于河北省中南部，邢臺市中部，地處太行山東麓，華北平原的邊緣，古黃河、漳河沖積平原上，地勢平坦。地理位置為37°N和115°E，四周與邢臺市7個縣交界，縣域面積631km。該縣總?cè)丝?2萬，下轄6個鎮(zhèn)，4個鄉(xiāng)，縣城駐地巨鹿鎮(zhèn)。巨鹿縣交通便捷，公路總里程逾1400km，邢衡高速貫穿全境，國家二級公路（省道）南郝線、邢德線橫穿東西，定魏線縱貫?zāi)媳?。?dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展具有特色，是中國金銀花道地藥材之鄉(xiāng)、中國枸杞產(chǎn)業(yè)基地、中國串枝紅杏之鄉(xiāng)，中草藥材和園林水果種植兩項產(chǎn)值在農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值中占比近1/4。面對土地資源以耕地為主、城鎮(zhèn)化帶來的建設(shè)用地擴張、新興的二、三產(chǎn)業(yè)發(fā)展對土地需求增加等土地利用的多重矛盾，如何實現(xiàn)土地節(jié)約、集約利用，提升土地利用的經(jīng)濟效益，是當(dāng)?shù)卣叫杵平獾碾y題。

2. 數(shù)據(jù)

本文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)由衛(wèi)星遙感信息和經(jīng)濟社會發(fā)展統(tǒng)計資料兩部分組成。

遙感數(shù)據(jù)用于提取土地利用現(xiàn)狀和交通數(shù)據(jù)，根據(jù)研究目標(biāo)選擇了2010、2014和2018年三期遙感影像，其中2010年遙感數(shù)據(jù)來源于谷歌影像，數(shù)據(jù)精度7.36m；2014年和2018年遙感影像來源于高分一號衛(wèi)星，數(shù)據(jù)精度2m。影像時間均選取當(dāng)年7-8月份，數(shù)據(jù)質(zhì)量好。土地利用分類處理采用ArcGIS軟件通過人工解譯進行矢量化，土地利用類型包括七種，分別為耕地、林地、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村居民點、水域、工礦企業(yè)用地和其他用地（主要是交通設(shè)施和未利用地）（表1）。圖1為150m×150m尺度的三期土地利用情況?？h域內(nèi)交通設(shè)施包括省道、縣道、鄉(xiāng)村道路三類道路（線狀地理信息）（2014年10月邢衡高速公路邢臺段通車，鑒于本文所涉時間范圍自2010年開始，因此未將該高速公路和巨鹿縣高速站口作為交通因素納入研究范圍），以及縣客運總站（點狀地理信息）。利用歐式距離法計算縣域內(nèi)各位置至各交通設(shè)施的距離。

表1 土地利用類型及代碼

圖1 巨鹿縣2010年、2014年、2018年土地利用狀況

經(jīng)濟社會發(fā)展數(shù)據(jù)來源于2011-2018年《河北經(jīng)濟年鑒》《邢臺統(tǒng)計年鑒》和《巨鹿統(tǒng)計月報》，涉及國民經(jīng)濟核算、農(nóng)村經(jīng)濟、工業(yè)等部分，所有指標(biāo)均采用現(xiàn)價（當(dāng)年價）口徑。在對2022年交通因素的變化推導(dǎo)中，參考了《巨鹿縣城鄉(xiāng)總體規(guī)劃（2013-2030）》，《巨鹿縣國民經(jīng)濟與社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》，以及巨鹿縣近年《政府工作報告》。

3. 研究方法

（1）土地利用變化模型CLUE-S

CLUE-S模型是由CLUE模型演化而來的，更加適于開展較小區(qū)域的研究。對于CLUE-S模型的擬合效果檢驗多采用Kappa系數(shù)，一般認(rèn)為該系數(shù)值≥0.75時，表示模型擬合效果較好。

（2）經(jīng)濟效益評價模型

土地利用經(jīng)濟效益評價主要利用研究區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如地區(qū)生產(chǎn)總值及其構(gòu)成、主要產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值等，結(jié)合各種土地利用類型的用地量數(shù)據(jù)進行簡單匯總。

三、結(jié)果與分析

1. 2010-2018年巨鹿縣土地利用模擬

（1）Logistic回歸分析結(jié)果

CLUE-S模型中，柵格大小一般應(yīng)在100～500m之間，結(jié)合研究區(qū)的規(guī)模和經(jīng)濟特征，本文采用150m×150m的柵格進行分析。采用SPSS 22中的Binary Logistic回歸模型研究2010-2014年間交通因素對土地利用類型的驅(qū)動關(guān)系，分析得到回歸系數(shù)。就結(jié)果來看，僅有農(nóng)村居民點的模擬效果欠佳，其他用地類型的ROC曲線下面積均超過0.6。因此Logistic回歸效果基本可以滿足當(dāng)前研究需要，可將其作為CLUE-S模型分析的位置布局參數(shù)。

（2）地類間轉(zhuǎn)換規(guī)則設(shè)置

針對巨鹿縣2022年的土地利用情況模擬預(yù)測，本文擬作三種不同的假設(shè)情境設(shè)定，分別為：“自然發(fā)展”情境，即假設(shè)當(dāng)?shù)乩^續(xù)保持以往的發(fā)展方式，不對土地利用施加人為干預(yù)；“耕地保護”情境，即假設(shè)當(dāng)?shù)氐母乜偭勘３植蛔儯⒘钜延懈叵蚱渌玫仡愋娃D(zhuǎn)換的難度加大，以保持和充分發(fā)揮巨鹿縣在特色農(nóng)產(chǎn)品種植業(yè)方面的優(yōu)勢；“水域保護”情境，即假設(shè)當(dāng)?shù)厮蛎娣e保持不變，并令已有耕地向其他用地類型轉(zhuǎn)換的難度加大，以適應(yīng)巨鹿縣“千湖之縣”發(fā)展思路的需要。

土地利用轉(zhuǎn)移彈性用于表示某種用地類型轉(zhuǎn)換為其他用地類型的難易程度，取值為0～1，其中0表示可轉(zhuǎn)換為任意其他地類，1表示不允許轉(zhuǎn)換為其他地類，該值越大表明轉(zhuǎn)換成其他用地類型的難度越高。針對這三種假設(shè)情境，結(jié)合各種用地類型自身的特征，分別設(shè)置七種地類的土地利用轉(zhuǎn)移彈性。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣用于表示某種用地類型轉(zhuǎn)換為其他用地類型的可能性，取值為0或1，其中0表示不可轉(zhuǎn)換，1表示可以轉(zhuǎn)換。

（3）基于CLUE-S的2018年土地利用空間模擬

為了檢驗上述參數(shù)設(shè)置的合理性，本文以2018年巨鹿縣遙感影像解譯得到的150m×150m尺度的土地利用情況為目標(biāo)時期的土地利用需求，見圖1（c），2014年的相應(yīng)數(shù)據(jù)作為基期，通過線性插值法確定中間年份各種地類的用地量，采用CLUE-S模擬“自然發(fā)展”情境下2018年的土地利用情況（鑒于巨鹿縣當(dāng)?shù)匚丛O(shè)有自然保護區(qū)或其他明確限制開發(fā)區(qū)域，因此本文在研究中未設(shè)置空間政策與約束條件），得到模擬正確的柵格數(shù)為25544個，與2018年150m×150m尺度下總柵格數(shù)28019個相比，得到Kappa系數(shù)為91.17%，表明CLUE-S模型模擬效果好，以上參數(shù)設(shè)置合理，可以將其代入2018-2022年分析周期進行2022年土地利用情況的預(yù)測。

2. 不同假設(shè)情境下2022年巨鹿縣土地利用預(yù)測

（1）2022年巨鹿縣土地利用需求預(yù)測

對土地利用需求的預(yù)測可以采用簡單趨勢外推法，也可以采用形式更為復(fù)雜的經(jīng)濟模型進行分析。本文重點關(guān)注了在縣域經(jīng)濟發(fā)展中貢獻顯著、同時用地數(shù)量變化較大的第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，以第二產(chǎn)業(yè)增加值作為其發(fā)展水平的測算指標(biāo)。接下來本文采用巨鹿縣第二產(chǎn)業(yè)增加值（X）和工礦企業(yè)用地面積（Y）進行趨勢擬合的方式預(yù)測2022年該土地利用類型的土地需求量。此外，在“耕地保護”情境下假設(shè)耕地面積保持與2018年相同，在“水域保護”情境下假設(shè)水域面積保持與2018年相同。在保持土地總量不變的前提下，其他用地類型的土地需求量繼續(xù)延續(xù)原有趨勢并作適當(dāng)調(diào)整。

（2）2022年巨鹿縣土地利用預(yù)測

采用交通因素驅(qū)動下土地利用類型的Logistic回歸系數(shù)和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，根據(jù)三種假設(shè)情境，分別采用不同的土地利用轉(zhuǎn)移彈性結(jié)合土地利用需求量，以2018年土地利用狀況為基礎(chǔ)，運行CLUE-S模型得到不同情境下的2022年巨鹿縣土地利用預(yù)測，見圖2。

（3）土地利用預(yù)測結(jié)果對比分析

圖2 巨鹿縣2022年土地利用預(yù)測

根據(jù)不同假設(shè)情境開展的2022年巨鹿縣土地利用預(yù)測結(jié)果顯示，在以下兩個方面存在比較顯著的差異。

土地利用結(jié)構(gòu)的數(shù)量差異?？v觀2010年以來的土地利用變化，可以發(fā)現(xiàn)耕地數(shù)量變化的絕對值最大，對林地、工礦企業(yè)用地等用地量的增加貢獻最顯著。而在土地需求預(yù)測中，本文對工礦企業(yè)用地基于經(jīng)濟模型做出了數(shù)量規(guī)定，相當(dāng)于設(shè)置了較具剛性的土地需求條件。由于“耕地保護”情境假設(shè)耕地數(shù)量維持在2018年現(xiàn)狀水平，直接導(dǎo)致的結(jié)果是林地?zé)o法有效增加，因此圖2(b)顯示的結(jié)果與圖1(c)差異最小。在“水域保護”情境下的情況類似，不過由于水域面積在土地總量中占比很?。?018年為5.85%），對其施加的數(shù)量限制條件影響較小，因此該情境與“自然發(fā)展”情境的土地利用需求相似度較高。

土地利用格局的空間差異。“自然發(fā)展”和“水域保護”兩種情境與2018年土地利用現(xiàn)狀的差異最為顯著，共同的變化特征有兩個：要求將目前縣城北部和東部周邊尤其是東北方向的一些耕地轉(zhuǎn)為林地，形成縣城以南和以北兩個林木富集區(qū)域；要求在目前縣城西北部和東北部部分地區(qū)安排工礦企業(yè)用地擴大，形成連片規(guī)模發(fā)展。此外，三種假設(shè)情境都要求將西部的西郭城鎮(zhèn)靠近與臨縣交界區(qū)（臨近省道S324邢德線）、蘇家營鄉(xiāng)與臨縣交界區(qū)和官亭鎮(zhèn)臨近省道S327南郝線部分區(qū)域的農(nóng)村居民點轉(zhuǎn)為工礦企業(yè)用地，充分發(fā)揮交通設(shè)施助力企業(yè)發(fā)展的作用。

3. 巨鹿縣土地利用經(jīng)濟效益評價

考慮到各種土地利用類型與國民經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)的對應(yīng)性，以及縣域統(tǒng)計資料的可得性，本文選?。íM義）農(nóng)業(yè)產(chǎn)值作為耕地的產(chǎn)出指標(biāo)，林業(yè)產(chǎn)值、第三產(chǎn)業(yè)增加值、農(nóng)林牧漁服務(wù)業(yè)產(chǎn)值、漁業(yè)產(chǎn)值和規(guī)模以上工業(yè)總產(chǎn)值分別作為林地、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村居民點、水域和工礦建設(shè)用地的產(chǎn)出指標(biāo)。所有指標(biāo)均采用現(xiàn)價（當(dāng)年價）口徑統(tǒng)計數(shù)據(jù)。根據(jù)2010-2018年統(tǒng)計資料和相應(yīng)地類的用地量，計算得到各地類的單位面積經(jīng)濟效益值，根據(jù)2010-2018年各地類單位面積經(jīng)濟效益值，通過趨勢外推法得到2022年各指標(biāo)預(yù)測值。以預(yù)測的2022年單位面積經(jīng)濟效益值分別結(jié)合三種假設(shè)情境下的各地類用地量，可以計算得到不同情境下的經(jīng)濟效益總量預(yù)測值（表2）。

表2 土地利用經(jīng)濟效益總量 單位：萬元

由表2顯示的三種不同假設(shè)情境下巨鹿縣土地利用經(jīng)濟效益總量來看，“自然發(fā)展”情境的經(jīng)濟效益顯著高于其他兩種情境，這與該情境下單位面積經(jīng)濟效益值最高的工礦企業(yè)用地比其他二者多有密切關(guān)系。其他兩種假設(shè)情境之間的經(jīng)濟效益總量差異不顯著，雖然兩種情境下的各地類用地量存在差別，但是結(jié)合各種地類的單位面積經(jīng)濟效益值之后綜合來看，經(jīng)濟效果上是相當(dāng)?shù)?。如果僅從經(jīng)濟效益總量的角度出發(fā)考慮，當(dāng)?shù)厥紫葢?yīng)當(dāng)考慮選擇“自然發(fā)展”模式，但是如果補充更多的生態(tài)效益和社會效益資料，則綜合評價的結(jié)果可能會發(fā)生變化。

四、巨鹿縣土地利用及產(chǎn)業(yè)發(fā)展策略啟示

采用交通設(shè)施作為驅(qū)動因素，運用CLUE-S模型對2022年巨鹿縣土地利用情況進行模擬預(yù)測，對比2018年當(dāng)?shù)赝恋乩矛F(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，工礦企業(yè)用地擴大和林地增加是預(yù)測中出現(xiàn)的主要特征，并且工礦企業(yè)的用地指向與當(dāng)?shù)爻青l(xiāng)總體規(guī)劃中指出的未來中長期發(fā)展思路是一致的，但是用地類型的布點更加具體，體現(xiàn)了科學(xué)性和應(yīng)用性的結(jié)合。

研究發(fā)現(xiàn)，在“自然發(fā)展”和“水域保護”兩種假設(shè)情境下，應(yīng)在目前縣城東北方向成規(guī)模地建設(shè)林地，這與2010-2018年間巨鹿縣林地面積顯著增加有關(guān)，也與模型的驅(qū)動因素、限制條件等有關(guān)。這一發(fā)展方向與當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)“華北地區(qū)最綠最美平原縣”的發(fā)展目標(biāo)一致，也提示了林地建設(shè)的布局方向。但是就當(dāng)前林業(yè)產(chǎn)值較低的現(xiàn)狀來看，圍繞林業(yè)資源開發(fā)休閑旅游等第三產(chǎn)業(yè)是可以考慮的發(fā)展策略。

“耕地保護”和“水域保護”兩種假設(shè)情境下，經(jīng)濟效益總量與“自然發(fā)展”情境存在一定差距，這固然與評價模型選擇的經(jīng)濟指標(biāo)有關(guān)，但是也表明將種植業(yè)、漁業(yè)等囿于以往的第一產(chǎn)業(yè)部門是不夠的，應(yīng)該充分挖掘相應(yīng)自然資源、經(jīng)濟資源的潛力，將第一產(chǎn)業(yè)與工業(yè)、更重要地是與第三產(chǎn)業(yè)充分融合，將巨鹿縣道地中藥材產(chǎn)地的優(yōu)勢、河湖坑塘密集的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，走出一條特色農(nóng)業(yè)發(fā)展之路。

五、結(jié)論

采用空間地理信息尤其是衛(wèi)星遙感信息與經(jīng)濟效益分析模型相結(jié)合的方法，對縣域土地利用及其效益開展模擬和評價，這一思路具有可行性。這種研究方法突破了以往大量經(jīng)濟分析中僅僅依靠經(jīng)濟社會統(tǒng)計信息作為數(shù)據(jù)源的思路，將空間地理信息引入分析框架，可以充分發(fā)揮此類信息實時性、翔實性、動態(tài)性等優(yōu)勢，不僅實現(xiàn)了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的豐富性，更有利于提升經(jīng)濟分析的質(zhì)量。

在本文所述新的研究框架下，模型分析所提供的結(jié)果更加豐富。根據(jù)不同的假設(shè)情境，可以模擬未來土地利用的多種格局，并且以圖形的形式呈現(xiàn)出來，結(jié)果的直觀性更好，比以往常用的經(jīng)濟研究方法提供的結(jié)果更易于理解。結(jié)合經(jīng)濟效益分析之后，各種不同假設(shè)情境下的經(jīng)濟效益及其所對應(yīng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展策略更加明晰，政策指導(dǎo)性更強。

根據(jù)本文所采用研究方法所提供的研究結(jié)果，對于地方政府調(diào)整土地利用格局、制定地方經(jīng)濟社會發(fā)展規(guī)劃、調(diào)整產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策等均具有良好的參考價值。此類分析的結(jié)果明確、直觀、指向性強，易于轉(zhuǎn)化為具體的政策措施，且研究所耗費的時間、經(jīng)濟成本均較低，可以提高政府治理效率。