廣東省土地覆蓋變化及主要城市擴(kuò)張分析*

高照忠，魏海霞，喻懷義，吳春華

(廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510510)

0 引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展、人口的不斷增長和科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)步，人們的物質(zhì)需求和精神需求越來越高。為了滿足自身的需求，人們持續(xù)不斷地對土地使用性質(zhì)進(jìn)行改變，致使土地利用范圍不斷擴(kuò)大、土地利用強(qiáng)度不斷加深，使得土地資源遭到巨大破壞，并且對氣候變化產(chǎn)生不可估量的影響，直接或間接地出現(xiàn)各種極端天氣，造成了全球氣候的顯著變化[1-3]。土地利用/覆蓋變化已經(jīng)被公認(rèn)為是導(dǎo)致全球環(huán)境變化的兩大主要因素之一，在全球的可持續(xù)發(fā)展研究領(lǐng)域，占有相當(dāng)重要的地位[4-5]。全球目前有一半以上的人口居住在城市中，預(yù)計(jì)到 2050 年將達(dá)到 67.2%[6]。隨著城市人口的快速增長，人類活動(dòng)強(qiáng)度也加大，城市擴(kuò)張和城市空間特征的變化是最直接的結(jié)果[7-9]。

建國以來，廣東省土地資源開發(fā)利用經(jīng)歷了計(jì)劃經(jīng)濟(jì)與市場經(jīng)濟(jì)兩大發(fā)展歷程，土地資源狀況發(fā)生了巨大的變化，用地結(jié)構(gòu)也日益復(fù)雜[10]。廣東省是我國改革開放的前沿陣地，多年來經(jīng)濟(jì)總量位居全國第一。在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，資源環(huán)境特別是土地資源制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的問題尤為突出[11]，協(xié)調(diào)好兩者的關(guān)系有利于更好地實(shí)現(xiàn)自然資源永續(xù)利用。

目前對于廣東省全省的土地覆蓋研究還較少，現(xiàn)有的研究主要集中在研究土地覆蓋變化與碳排放[12-13]、生態(tài)環(huán)境變化[14]、城市土地集約管理[15]等方面。本文將基于3S技術(shù)，研究廣東省多年來土地覆蓋的情況，并按照市級(jí)行政區(qū)劃來研究各個(gè)城市多年來的發(fā)展方式及變化規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

廣東，簡稱“粵”，中華人民共和國省級(jí)行政區(qū)，省會(huì)廣州。因古地名為廣信之東，故名“廣東”。位于南嶺以南，南海之濱，與香港、澳門、廣西、湖南、江西及福建接壤，與海南隔海相望，下轄21個(gè)地級(jí)市[16]。

廣東省屬于歐亞大陸東岸熱帶和南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫在 20℃以上。這一帶自古氣候炎熱，霜雪量較少。廣東是全國降水量充沛的地區(qū)之一。降雨多集中于 4-9 月的雨季。年平均雨日114-187 d。年平均降水量1 340～2 310 mm，其中大多數(shù)地區(qū)年平均降水量在 1 500～2 000 mm之間[17]。

全境位于北緯20°13′～25°31′ 和 東 經(jīng) 109°39′～117°19′ 之間。自1989年起 ，廣東省的國內(nèi)生產(chǎn)總值就持續(xù)位居全國第一位，成為中國第一經(jīng)濟(jì)大省[18]。2017年末，廣東省總面積為17.97萬km2，人口密度為621人/ km2，GDP為 89 705.23 億元，位居全國第一[19]。

2 數(shù)據(jù)獲取與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取

本文使用到的遙感影像數(shù)據(jù)為Landsat影像數(shù)據(jù)，研究所使用的遙感影像均可以從地理空間數(shù)據(jù)云免費(fèi)獲取(http://www.gscloud.cn)。由于數(shù)據(jù)量較大，只展示2020年遙感影像的具體信息，具體如表1所示。本文所使用的遙感影像處理軟件為ENVI5.3，進(jìn)行分類后處理、面積統(tǒng)計(jì)的軟件為ArcGIS10.6。

表1 遙感影像信息表

2.2 土地覆蓋

土地覆蓋是自然營造物和人工建筑物所覆蓋的地表諸要素的綜合體，包括地表植被、土壤、湖泊、沼澤濕地及各種建筑物(如道路等)，具有特定的時(shí)間和空間屬性，其形態(tài)和狀態(tài)可在多種時(shí)空尺度上變化[20-21]。

本次進(jìn)行土地覆蓋分類的工作均基于ENVI5.3平臺(tái)完成。首先需要對同一年份的遙感影像進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理包括輻射定標(biāo)和大氣校正這兩項(xiàng)工作；然后對同一年份的多幅影像進(jìn)行鑲嵌，最后使用廣東省的邊界范圍文件進(jìn)行裁剪即可得到廣東省遙感影像。本次研究將廣東省的土地覆蓋分為6大類：林地、草地、水體、耕地、居住及建設(shè)用地、裸地。結(jié)合Google Earth影像以及波段組合的方法，勾畫每一類用地的圖斑，在保證樣本與樣本之間的分離度在1.8以上后，采用支持向量機(jī)(Support Vector Machine，簡稱SVM)的監(jiān)督分類法進(jìn)行分類。得到分類結(jié)果后，需要對分類結(jié)果進(jìn)行基于混淆矩陣的精度驗(yàn)證，將精度過低的年份重新進(jìn)行分類，最終得到較高精度的廣東省土地覆蓋數(shù)據(jù)，將分類結(jié)果導(dǎo)入ArcGIS中，進(jìn)行區(qū)域面積統(tǒng)計(jì)，可得廣東省各類土地覆蓋的數(shù)據(jù)及各個(gè)地級(jí)市的土地覆蓋數(shù)據(jù)。

2.3 城市擴(kuò)張?jiān)u價(jià)指標(biāo)

在得到廣東省土地覆蓋數(shù)據(jù)后，需要從行政區(qū)劃的尺度來研究城市與城市之間擴(kuò)張的不同特點(diǎn)及規(guī)律。

本次研究選取廣東省主要城市進(jìn)行城市擴(kuò)張分析，主要運(yùn)用到擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)[22-23]、擴(kuò)展速度[24]這兩個(gè)指標(biāo)，公式為：

(1)

(2)

式中：UER為擴(kuò)張速率指數(shù)，此指數(shù)描述城市擴(kuò)張的速率，數(shù)值越大代表城市擴(kuò)張速率越快。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地覆蓋變化

對于分類的結(jié)果需要先采用基于混淆矩陣的精度評(píng)價(jià)對各個(gè)年份的分類結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。在保證分類精度的Kappa系數(shù)在0.8以上、總體精度大于85%的情況下，分類的結(jié)果才具有參考價(jià)值。本研究對于分類結(jié)果的精度驗(yàn)證，如表2所示。

表2 精度驗(yàn)證表

廣東省2000年、2010年、2020年共三期的土地覆蓋面積，如表3所示。

表3 土地覆蓋面積統(tǒng)計(jì)表

廣東省土地覆蓋圖，如圖1所示。

圖1 廣東省土地覆蓋圖Fig.1 Land cover map of Guangdong Province in 2000，2010 and 2020

從占地類型的百分比來看，廣東省主要的土地覆蓋類型為林地與耕地，二者占比之和在2000年、2010年和2020年這三個(gè)年份內(nèi)分別為82.07%、81.63%、77.83%；林地長期占比超過50%，耕地占比從2000年的27.08%降至2020年的23.87%；草地、水體與裸地的占比長期較為穩(wěn)定，合計(jì)占比穩(wěn)定在14%左右；居住及建設(shè)用地變化較大，從2000年的4.02%增長到2020年的8.66%。

從面積變化來看，2020年的居住及建設(shè)用地的面積為2000年的215%，總體面積翻了一倍之多；而耕地面積則持續(xù)減少，2020年的耕地面積較2000年減少5 704.76 km2；林地、草地、水體與裸地的面積多年來變化較小，整體波動(dòng)幅度不大。

根據(jù)廣東省土地覆蓋結(jié)果可以計(jì)算廣東省20年內(nèi)的土地覆蓋變化情況，如表4所示。

表4 廣東省土地覆蓋變化統(tǒng)計(jì)表

對比2020年與2000年的廣東省土地覆蓋分類結(jié)果，只有水體與居住及建設(shè)用地是增長的，其余的面積均減少。耕地減少的面積最大，為5 704.76 km2，其次分別為林地減少了1 845.55 km2、草地減少了1 234.04 km2、裸地減少了15.15 km2。

3.2 各地級(jí)市土地覆蓋變化情況

利用得到的土地覆蓋數(shù)據(jù)，結(jié)合廣東省地級(jí)市行政區(qū)劃邊界文件，基于ArcGIS10.6軟件平臺(tái)進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)，最終得到如圖2所示的各地級(jí)市土地覆蓋柱狀圖。

圖2 廣東各類型土地面積變化Fig.2 Changes for various types of land cover in Guangdong

從圖2可以得出，2020年居住及建設(shè)用地面積最大為廣州市，其次為佛山、東莞、惠州、深圳，面積分別為1 881.75 km2、1 443.44 km2、1 224.26 km2、1 054.48 km2、967.10 km2；按增長的面積大小排序?yàn)閺V州、佛山、惠州、東莞、湛江，增加的面積分別為1 108.69 km2、864.22 km2、581.68 km2、554.27 km2。

城市擴(kuò)張占用的地類主要為林地、耕地，廣東省所有地級(jí)市耕地與林地面積均為減少，耕地減少按面積由大到小排序?yàn)檎拷?、廣州、惠州、東莞，減少的面積分別為751.32 km2、614.78 km2、419.86 km2、383.08 km2；林地減少按面積由大到小排序?yàn)榍暹h(yuǎn)、廣州、江門、茂名，面積分別為341.29 km2、332.12 km2、294.42 km2、207.52 km2。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，廣東省的經(jīng)濟(jì)貿(mào)易得到了飛速發(fā)展，城市擴(kuò)張是必然的現(xiàn)象，但是除了珠三角的城市城區(qū)擴(kuò)張較為快速，其余城市擴(kuò)張速度顯著低于珠三角區(qū)域的城市；同期珠三角區(qū)域的城市林地、耕地、草地面積減少較多，生態(tài)環(huán)境也遭受了一定的破壞。在廣東省飛速的城市化進(jìn)程中，協(xié)調(diào)好珠三角及其他區(qū)域城市之間的發(fā)展平衡是一個(gè)亟需解決的問題。

3.3 主要城市空間擴(kuò)展情況

由于廣東省經(jīng)濟(jì)發(fā)展差異較大，本次研究選取了發(fā)展較快的廣州、佛山、深圳、東莞和惠州，及發(fā)展相對較慢的云浮、梅州、潮州、河源和汕尾進(jìn)行對比。通過對比這些城市的發(fā)展差異，以期找到廣東省城市發(fā)展的特性。廣東省典型城市土地覆蓋變化統(tǒng)計(jì)，如圖5所示。

從表5可以清晰地看出，位于珠三角區(qū)域的5座城市擴(kuò)張強(qiáng)度和擴(kuò)張速率始終維持在較高的水平，而位于粵東粵西的其他5座城市的擴(kuò)張強(qiáng)度與擴(kuò)張速率在2000-2010年間甚至出現(xiàn)負(fù)值。 廣東省的居住及建設(shè)用地主要集中在珠三角區(qū)域，2000年、2010年、2020年的珠三角區(qū)域的居住及建設(shè)用地占廣東省總居住及建設(shè)用地的59.54%、63.39%、59.48%。珠三角以外的城市多年來的主城區(qū)并未有顯著的擴(kuò)張，但是其下轄的縣城卻始終在發(fā)展。這些城市既沒有良好的自然資源，也無充足的勞動(dòng)力，更無政策的傾斜，人口流向珠三角區(qū)域，導(dǎo)致城市建設(shè)發(fā)展一度停滯。

表5 廣東省典型城市土地覆蓋變化統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

本文采用Landsat遙感影像研究了廣東省的土地覆蓋情況以及主要城市的擴(kuò)張情況，得出以下結(jié)論：

1)廣東省土地覆蓋面積最大、占比最大的為林地，2000年、2010年和2020年的面積分別為97 978.54 km2、97 814.55 km2、96 132.99 km2，占比長期維持54%左右；耕地為面積第二大的土地覆蓋類型，面積逐年減少，從2000年的48 244.43 km2降低至2020年的42 539.67 km2，占比從2000年的27.08%降低至2020年的23.87%；居住及建設(shè)用地是多年來變化最大的地類，從2000年的4.02%增長到2020年的8.66%，面積增大了8 274.43 km2；其余地類的面積總體都為減少，但是減少幅度并不大，且長期的總占比較為穩(wěn)定；

2) 2000-2020年間，廣東省的各類土地覆蓋類型均發(fā)生了較大的變化。居住及建設(shè)用地和水體的面積增加，而其余各類用地類型均減少，按照減少的面積由大到小依次排序?yàn)楦?、林地、草地、水體、裸地；年變化率最高的地類為居住及建設(shè)用地，達(dá)到了413.72 km2/a，耕地年變化率是減少的地類中最高的，達(dá)到了-285.24 km2/a；

3)廣東省不同區(qū)域的城市發(fā)展規(guī)模和發(fā)展規(guī)律不盡相同，各地級(jí)市的發(fā)展具有明顯的區(qū)域差異。珠三角區(qū)域的城市擴(kuò)張強(qiáng)度與擴(kuò)張速率遠(yuǎn)超其他區(qū)域城市；粵東區(qū)域的城市在2000-2010年期間，城市擴(kuò)張強(qiáng)度與擴(kuò)張速率為負(fù)值，城市發(fā)展建設(shè)陷入停滯。而珠三角區(qū)域的城市城建基礎(chǔ)較好，發(fā)展起步早，發(fā)展速度高，城市化水平較高。在2010-2020年期間，珠三角區(qū)域外的城市規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，擴(kuò)張速率與擴(kuò)張面積較以往不斷攀升。

本研究采用了遙感影像分析了廣東省2000-2020年的土地覆蓋變化情況，并分析了主要城市的擴(kuò)張情況，采用公式、指標(biāo)來量化發(fā)展進(jìn)程，對比了不同區(qū)域的廣東省地級(jí)市的發(fā)展情況，對于更好地協(xié)調(diào)廣東省的發(fā)展提供了科學(xué)數(shù)據(jù)的支撐。然而本研究仍然有以下不足：

1)由于廣東省面積較大且整體較為狹長，在搜集遙感影像的過程中，具有許多不可控的因素，未能充分考慮時(shí)間、云量的因素，導(dǎo)致研究不夠嚴(yán)謹(jǐn)；

2) 本研究雖然針對了各地級(jí)市進(jìn)行了面積統(tǒng)計(jì)及擴(kuò)張情況分析，但是受制于工作量及篇幅，未能詳盡分析各地級(jí)市的發(fā)展情況，僅選取了10座城市作為典型，后續(xù)將對廣東省所有城市進(jìn)行研究分析；

3) 本研究未能結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)，如：社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、政策支持等，未能充分引入外部指標(biāo)進(jìn)行考量，導(dǎo)致未能研究其驅(qū)動(dòng)機(jī)制，后續(xù)將針對廣東省的城市擴(kuò)張情況進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力研究，以期為決策者和其他學(xué)者提供更為詳盡的科學(xué)依據(jù)。