城市蔓延趨勢評價方法探索
——以麗水市蓮都區(qū)為例

朱志欣

（麗水學(xué)院中國青瓷學(xué)院，浙江 麗水 323000）

麗水作為兩山理念的發(fā)源地和踐行地之一，強(qiáng)調(diào)高質(zhì)量綠色、生態(tài)發(fā)展，近年來先后成為首批國家生態(tài)文明先行示范區(qū)、首批國家生態(tài)保護(hù)和建設(shè)示范區(qū)、全國水生態(tài)文明城市，入選首批國家氣候適應(yīng)型城市建設(shè)試點。然而，蓮都區(qū)作為麗水市的中心城區(qū)，在近幾年的發(fā)展下已逐漸逼近現(xiàn)有的天然城市邊界，新建設(shè)區(qū)塊已呈現(xiàn)隔山跨江的趨勢，城郊地區(qū)出現(xiàn)飛地式的開發(fā)現(xiàn)象，間接影響周邊生態(tài)環(huán)境。由此可見麗水城市發(fā)展需要合理有序的城市空間增長，面對浙西南山區(qū)環(huán)境下有限的土地開發(fā)空間容量，推動城市蔓延土地動態(tài)變化趨勢構(gòu)建和評價，將有助于精細(xì)化地制定城市生態(tài)發(fā)展規(guī)劃和提出管控土地利用的策略。

1 研究概況

蓮都區(qū)位于28°06′～28°44′N，119°32′～120°08′E，總面積約為1 495km2，作為麗水市政治文化中心，是市區(qū)內(nèi)人口遷入的核心區(qū)域（圖1）。其中，紫金、巖泉、白云、萬象街道為傳統(tǒng)意義上的市政中心，水閣街道為麗水工業(yè)園區(qū)，構(gòu)成蓮都區(qū)以北城南城為核心的中心城區(qū)功能結(jié)構(gòu)；其中，北城作為政治、經(jīng)濟(jì)、文化和居住的向心區(qū)，具備三面依山一面傍水的優(yōu)越地理區(qū)位，是生態(tài)城市的良好載體，但也體現(xiàn)了未來發(fā)展上的地域空間制約。

圖1 蓮都區(qū)概況與區(qū)位

在遙感影像上本研究選取歐洲航天局（European Space Agency,ESA）影像平臺提供的SENTINEL-2 產(chǎn)品，其可見光波段（RGB）與近紅外波段（NIR）原始地表分辨率達(dá)到10 m，短紅外波段（SWIR1,SWIR2）原始地表分辨率達(dá)到20 m。數(shù)據(jù)選擇2017 年至2020 年低云量、植被特征清晰、產(chǎn)品級別為Level-1C（L1C）的遙感影像。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理

L1C 影像已完成正射校正和亞像元級幾何精校正，利用歐空局（ESA）官方插件SEN2COR 完成輻射定標(biāo)和大氣校正，轉(zhuǎn)換為Level-2A（L2A）級數(shù)據(jù)。L2A 影像經(jīng)由SNAP 軟件掩膜裁剪至僅包含蓮都區(qū)行政范圍內(nèi)影像，并將短紅外波段分辨率由20 m 重采樣至10 m 完成影像融合[1]。

2.2 影像分類

影像的分類工作主要基于eCognition 軟件，同時結(jié)合ENVI，ArcGIS 完成。為了更好地完成多尺度分割，除所用波段權(quán)重外，疊加基于像元二分模型植被覆蓋度反演結(jié)果[2]和基于DEM生成的坡度數(shù)據(jù)，并在專題圖層中根據(jù)不同年份添加OpenStreetMap 平臺道路數(shù)據(jù)共同參與圖像分割。

分類類型側(cè)重討論人類活動區(qū)域擴(kuò)張下產(chǎn)生的生態(tài)土地流失，即山水林田草湖向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換的一系列過程和結(jié)果，因此將討論土地的自然環(huán)境屬性、人工環(huán)境屬性以及處于過渡期的土地類型，并將分類類型分為林地、農(nóng)田草地、水體、建設(shè)用地以及貧瘠土地5 個類型。

分類方法采用綜合閾值法，綜合指數(shù)研究和輔助數(shù)據(jù)參數(shù)分層分次來解譯衛(wèi)星影像（表1）。受衛(wèi)星分辨率影響，一些地類像素不能很好地根據(jù)指數(shù)識別，如建筑陰影、采礦區(qū)以及植被溝渠的交錯地帶，針對這些地類基于初步指數(shù)和條件分類結(jié)果進(jìn)行手動分割后再歸類（圖2）。

圖2 2017—2020 年蓮都區(qū)動態(tài)景觀格局

表1 參與分類指數(shù)與條件

2.3 精度驗證

通過Google Earth，Rapid Eye Ortho Tile，Planet Scope Scene 對應(yīng)時間段的歷史影像切片驗證真實地類，同時結(jié)合實地調(diào)研進(jìn)一步針對5 種地類分類分別生成30 個采樣點，共150 采樣點，并對分類結(jié)果進(jìn)行逐年精度驗證。驗證結(jié)果顯示（表2），2017—2020 年范圍內(nèi)土地分類結(jié)果綜合精度均在0.87 以上，Kappa 系數(shù)[8]高于0.84，分類結(jié)果良好，符合后續(xù)分析要求。

表2 精度驗證

3 結(jié)果與討論

3.1 土地面積變化

近年來，麗水多地開展大搬快聚工程、老舊城區(qū)整改建設(shè)、城市綠地優(yōu)化整治項目，有效調(diào)整了土地利用現(xiàn)狀，是堅持綠色發(fā)展和踐行“兩山理念”的重要體現(xiàn)。基于遙感分類結(jié)果構(gòu)建土地轉(zhuǎn)移矩陣，觀測各類土地的流入和流出情況，見表3～5。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示2017—2020 年麗水市蓮都區(qū)林地面積共增加了17.28 km2，整體呈現(xiàn)上升趨勢，主要流入地類為貧瘠土地和草地，2017 年至2018 年、2018 年至2019 年分別增加9.4 km2，12.92 km2。2019 至2020 年則下降5.04 km2，結(jié)合圖2 觀察比較2019 至2020 年土地解譯結(jié)果，發(fā)現(xiàn)蓮都區(qū)南面有較多碎片化的土地變化。農(nóng)田草地面積整體上有所下降，從解譯結(jié)果上看，變化較為頻繁，主要流轉(zhuǎn)為貧瘠土地和林地，其次為建設(shè)用地，結(jié)合解譯結(jié)果發(fā)現(xiàn)波動較大，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，這種被動主要受到大棚搭建以及植物量周期性變化影響。貧瘠土地面積有所下降，主要為回流的農(nóng)田草地，這表明農(nóng)田草地與貧瘠土地之間具有雙向轉(zhuǎn)移的特質(zhì)，符合農(nóng)田休耕和氣候影像下NDVI 的變化趨勢，其余部分轉(zhuǎn)換為林地和建設(shè)用地；建設(shè)用地面積緩慢增長，主要流入地類為貧瘠土地以及農(nóng)田草地，2020 年較2017 年增長3.83 km2，符合近年來麗水城區(qū)的擴(kuò)張趨勢。

表3 2017—2018 年土地轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2

表4 2018—2019 年土地轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2

表5 2019—2020 年土地轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2

3.2 土地負(fù)向轉(zhuǎn)移熱力圖構(gòu)建

山水林田草湖的生態(tài)環(huán)境改變是一系列復(fù)雜的變化，是人類活動、氣候環(huán)境和其他綜合因素共同影響的結(jié)果。其中，林地、農(nóng)田草地和水體流向貧瘠土地和建設(shè)用地可以認(rèn)為是生態(tài)的負(fù)流向，城鄉(xiāng)建設(shè)用地規(guī)模的擴(kuò)大主要表現(xiàn)為農(nóng)田草地、林地和水體向建設(shè)用地和貧瘠土地的轉(zhuǎn)化[9]，是山水林田草湖生命一體化向人類文明建設(shè)的轉(zhuǎn)變。麗水在綠色發(fā)展的大背景下，城市擴(kuò)張可以說是循序漸進(jìn)的，但受到信息和交通流動影響，近年來不斷涌現(xiàn)出來的新建成區(qū)域，在地類上的轉(zhuǎn)變是一種完成時態(tài)。為了能更好地觀測及討論土地利用的變化趨勢，分析人類活動下的生態(tài)環(huán)境改變動向，在土地轉(zhuǎn)移矩陣數(shù)據(jù)上提取該類生態(tài)負(fù)向轉(zhuǎn)移的土地要素，并在10 m×10 m 的柵格（基于SENTINEL-2 波段地表最高分辨率）生成點要素指示土地負(fù)向變化單位，同時基于每個點要素表達(dá)100 m2面積的基礎(chǔ)上結(jié)合坡度數(shù)據(jù)所得斜率系數(shù)生成柵格斜面積并作為主要影響值，生成2017—2020 年動態(tài)變化的生態(tài)用地負(fù)流向熱力圖（圖3）。結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)果顯示：變化熱點多發(fā)生在城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村、道路邊緣，其中碧湖平原為高頻熱點聚集區(qū)域，聯(lián)城街道、老竹鎮(zhèn)以及富嶺街道為高頻熱點次聚集區(qū)域。

圖3 生態(tài)用地負(fù)流向熱力圖

3.3 蔓延評價要素

生態(tài)用地負(fù)流向熱力圖從客觀上反映了現(xiàn)實世界人類活動下的實際土地轉(zhuǎn)換結(jié)果。對于那些歷年來反復(fù)處于熱點區(qū)塊的用地，可以基本判定為是生態(tài)環(huán)境受人為活動影響較大或生態(tài)波動較大的區(qū)域，但并不能以此認(rèn)定是城市蔓延的方向。為此，研究嘗試建立一個更加完整的城市蔓延評價方法。下面主要討論以下幾項評價要素權(quán)重數(shù)據(jù)分級的構(gòu)建。

生態(tài)用地負(fù)流向分級。運用自然間斷點分級法[10]對綜合歷年生態(tài)用地負(fù)流向熱力圖進(jìn)行再分類評級，并限制最低兩級參與評價。該評價等級主要指自然客觀條件下，土地受到人為活動干擾的頻繁程度，是基于現(xiàn)實土地利用變化生成的條件參數(shù)。

規(guī)劃用地分級。規(guī)劃數(shù)據(jù)由本地自然資源規(guī)劃局研究發(fā)布，是未來幾年城市建設(shè)的主要方向和人口流動的重要參考因素。為了更好體現(xiàn)規(guī)劃文件對用地穩(wěn)定性的影響，分級時對新發(fā)布規(guī)劃中為新增的建設(shè)開發(fā)性質(zhì)地類在原有地類分級權(quán)重上增加一級，對持續(xù)用于山水林田草等生態(tài)保留地類在分級上減少一級。關(guān)注和保障基本永久農(nóng)用地不被侵占，限制自然保留地、新增農(nóng)田、新增林地、新增園地、基本農(nóng)田、一般農(nóng)田以及水庫水面參與評價。

結(jié)合數(shù)字高程模型生成的坡度數(shù)據(jù)對坡度完成分級，根據(jù)麗水地區(qū)地貌特點按照適用度將坡度劃分為0%～8%、＞8%～15%、＞15%～25%、＞25%4 類。根據(jù)《城市用地豎向規(guī)劃規(guī)范（CJJ 83—99）》的規(guī)定，城市各類建設(shè)用地最大坡度不超過25%，應(yīng)限制大于該值的坡度空間參與評價過程。

擬定5 類推動城鎮(zhèn)居民遷移驅(qū)動的因素，其具體表現(xiàn)為該類驅(qū)動要素的服務(wù)范圍，或可達(dá)性，包括但不限于工商娛支持區(qū)域、公園綠地服務(wù)空間、教育保障范圍、醫(yī)療安全距離以及年度重大建設(shè)項目的輻射影響。其中，根據(jù)驅(qū)動因素對居民聚集或服務(wù)的影響方式，將根據(jù)人們對其使用特點來討論使用歐幾里得距離或成本距離進(jìn)行測算分級。結(jié)合長期經(jīng)驗估算麗水人民出行習(xí)慣范圍，并根據(jù)中心城區(qū)對角距離對驅(qū)動要素類型距離大于5 km 的區(qū)域限制評價或設(shè)定低權(quán)重值。

3.4 結(jié)果與討論

結(jié)果顯示：在斑塊尺度上呈現(xiàn)出高度蔓延趨勢的斑塊合集主要集中在4 個區(qū)塊（圖4），其區(qū)位主要體現(xiàn)在中心城區(qū)東西向的邊界，并向西沿環(huán)城公路延伸至聯(lián)城街道區(qū)塊，碧湖平原北部也有分散的大量高蔓延區(qū)塊。這類蔓延斑塊現(xiàn)主要為居民點建設(shè)用地，包含別墅區(qū)、未來社區(qū)等中高檔小區(qū)建設(shè)用地，為吸引居民聚居，未來將會有對應(yīng)的基礎(chǔ)配套設(shè)施開發(fā)的可能。富嶺街道西側(cè)高蔓延區(qū)塊為麗水工業(yè)科技園區(qū)向東面擴(kuò)張的范圍，是外來務(wù)工人員的重要聚集地之一。中心城區(qū)顯示出大面積輕度蔓延趨勢區(qū)塊是城市對外圈老舊居民點的更新地塊，是中心城區(qū)拆建的高發(fā)區(qū)塊，符合土地利用變化情況。

圖4 蔓延趨勢（蔓延斑塊篩選）

從村鎮(zhèn)尺度看（圖5），當(dāng)前受到高度蔓延影響的村鎮(zhèn)為武村村、白前村、富嶺村、大坑口村，受到中高度蔓延影響的村鎮(zhèn)為郎奇村、官橋村、常宅村、敏河村、林宅口村、花街村、青崗村、巖泉村和青林村。結(jié)合前述設(shè)計的評價分析方法判斷，高蔓延度村鎮(zhèn)代表著當(dāng)前區(qū)塊正面臨大規(guī)模的土地人工變化，且其用地性質(zhì)符合規(guī)劃要求，同時滿足建設(shè)基礎(chǔ)，預(yù)示著該區(qū)塊將成為近幾年城市蔓延的村鎮(zhèn)節(jié)點。中程度蔓延區(qū)往往依附于高蔓延區(qū)，通過判定是否臨近高蔓延區(qū)塊且處于城區(qū)的外延來評估是否具有蔓延趨勢，結(jié)合最新遙感影像進(jìn)一步觀察當(dāng)前用地建設(shè)基礎(chǔ)條件，并基于總體規(guī)劃對區(qū)塊功能的定性來討論聚集趨勢，根據(jù)最新的建設(shè)公文進(jìn)一步討論其風(fēng)險等級。村鎮(zhèn)土地的蔓延風(fēng)險評價，有助于提前做好區(qū)域生態(tài)評估工作，預(yù)防和響應(yīng)對高風(fēng)險地區(qū)開發(fā)的生態(tài)破壞，構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全屏障；完成村鎮(zhèn)居民點調(diào)研，設(shè)計搬遷安置方案，采取與未來建設(shè)良性融合的方式，提早制定針對村鎮(zhèn)內(nèi)具有歷史價值的建筑、區(qū)域的保護(hù)方案；基于村鎮(zhèn)尺度細(xì)化、精準(zhǔn)和有針對性的區(qū)域規(guī)劃方案，根據(jù)村鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)特點進(jìn)行資源整合，積極保護(hù)村鎮(zhèn)原有風(fēng)貌，避免在城市化過程中被快速同化失去原有的特點。

圖5 村鎮(zhèn)尺度的蔓延評價

總體而言，麗水地區(qū)發(fā)展受限于地形地貌，在蔓延趨勢上呈現(xiàn)出一種由城區(qū)向城區(qū)四周擠壓的態(tài)勢，這種擠壓式城區(qū)蔓延受限于山體阻隔，在主城區(qū)邊界和山體邊緣處持續(xù)呈現(xiàn)高度的土地變化波動，這種對周邊自然用地的逐步開發(fā)過程預(yù)示著在城市擴(kuò)張的背景下主城區(qū)與衛(wèi)星城和工業(yè)園區(qū)的連接度將會不斷增加，新城與主城一體化趨勢也將更加明顯。部分飛地開發(fā)建設(shè)則傾向于未來將主城區(qū)與碧湖中心鎮(zhèn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，但受限于碧湖平原地貌、建設(shè)基礎(chǔ)及目前的耕地保護(hù)政策呈現(xiàn)出零星高度蔓延區(qū)塊，整體上不易形成城區(qū)蔓延的重點方向、趨勢。

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)蔓延指數(shù)的測度評價方法是對城市整體蔓延趨勢的評估，是一種宏觀的城市蔓延程度的量化評價手段，其局限性在于無法體現(xiàn)具體的蔓延趨勢和局部蔓延區(qū)塊。筆者的蔓延評價及可視化從土地利用變化的生態(tài)影響和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素出發(fā)，能夠有效指示近期用地開發(fā)狀態(tài)，揭示土地蔓延的趨勢。浙西南地區(qū)城市擴(kuò)張發(fā)展受到地形影響，城郊城市化的進(jìn)程更加零碎和漸進(jìn)，結(jié)合眾數(shù)濾波方式計算和構(gòu)建蔓延評價方法，提供更加具體的蔓延區(qū)域可視化表達(dá)，在高強(qiáng)度土地開發(fā)利用背景下針對周邊生態(tài)脅迫展開周期性的評估，具有及時制定干預(yù)和保護(hù)政策的前瞻意義。