行政區(qū)劃調(diào)整對城市土地利用變化的影響研究
——以濟(jì)南市為例

崔 健，林琪凱，張智璇

（山東建筑大學(xué)測繪地理信息學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

土地利用是人類經(jīng)濟(jì)社會活動作用于資源和自然環(huán)境的綜合反映[1]，及時獲取城市尺度內(nèi)不同時期的土地利用狀況，有助于更深入地了解人類活動與大自然之間的關(guān)系及相互作用，準(zhǔn)確分析城市尺度的土地利用變化信息，有利于政府部門準(zhǔn)確掌握并及時協(xié)調(diào)城市建設(shè)與生態(tài)建設(shè)之間的關(guān)系，為城市規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供參考[2]。

近年來，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)不斷發(fā)展，遙感已成為提取土地利用信息和進(jìn)行變化監(jiān)測的重要手段[3]。由于遙感影像空間分辨率不斷提高和波段信息不斷豐富，遙感影像分類方法也不斷發(fā)展[4]，其中面向?qū)ο蟮碾S機(jī)森林分類方法分類精度及數(shù)據(jù)處理效率較高，被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用在基于影像的土地利用分類的相關(guān)研究中[5-6]。Landsat衛(wèi)星影像具備較長的時間覆蓋范圍和較高的空間分辨率[7]，其中Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)具有容易獲取、色彩信息豐富的特點，在土地利用信息快速提取方面具有一定優(yōu)勢[8]，被廣泛應(yīng)用于土地利用相關(guān)的研究中[9-11]。

濟(jì)南市作為山東省的省會城市，其經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城鎮(zhèn)化水平較高，土地利用變化較快。由于濟(jì)南市與萊蕪市地理位置相連，經(jīng)濟(jì)聯(lián)系密切，人員往來頻繁，融合發(fā)展效果良好，2019年1月國務(wù)院正式批復(fù)同意山東省調(diào)整濟(jì)南市、萊蕪市行政區(qū)劃，在此前濟(jì)萊協(xié)作區(qū)建設(shè)的基礎(chǔ)上，正式將地級萊蕪市所轄區(qū)域劃歸為濟(jì)南市管轄，設(shè)立濟(jì)南市萊蕪區(qū)及鋼城區(qū)。至此，濟(jì)南市區(qū)域面積、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以及土地利用格局等方面都發(fā)生了巨大變化。以往針對濟(jì)南市土地利用相關(guān)的研究主要集中在局部區(qū)域，如東部老工業(yè)區(qū)[12]、長清區(qū)[13]、南部山區(qū)[14]，對濟(jì)南市整體的研究也多集中在2010年之前[15-17]，即使已有2010年以后關(guān)于濟(jì)南市整體的研究[18-20]，但其研究區(qū)域仍是行政區(qū)劃調(diào)整前的范圍。對行政區(qū)劃調(diào)整后的濟(jì)南市土地利用時空變化特征的研究少有涉及。

本研究基于2013年、2018年、2021年Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)，采用面向?qū)ο蟮碾S機(jī)森林方法進(jìn)行研究區(qū)土地利用信息提取，得到2013—2021年三期行政區(qū)劃調(diào)整前后的土地利用數(shù)據(jù)，從土地利用結(jié)構(gòu)和土地利用程度兩個方面，分別探究原濟(jì)南市行政區(qū)劃范圍（以下簡稱原濟(jì)南市）和原萊蕪市行政區(qū)劃范圍（以下簡稱原萊蕪市）的土地利用變化時空特征，探討行政區(qū)劃調(diào)整對兩個區(qū)域土地利用變化的影響，以期為區(qū)劃調(diào)整后的濟(jì)南市國土空間規(guī)劃及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

濟(jì)南市地處山東省的中部，行政區(qū)劃調(diào)整后包括十區(qū)兩縣，其中萊蕪區(qū)與鋼城區(qū)前身為原萊蕪市。2020年濟(jì)南市國民生產(chǎn)總值為10 140.91億元，同比增長4.9%，正式跨入“萬億俱樂部”，在第七次人口普查中，常住人口達(dá)到920.2萬。本文的研究區(qū)域見圖1。

1.2 數(shù)據(jù)來源

Landsat 8 OLI遙感影像數(shù)據(jù)來源于USGS官網(wǎng)（https://earthexplorer.usgs.gov/），用于土地利用分類，影像參數(shù)見表1。行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來源于天地圖山東，用于遙感影像及土地利用數(shù)據(jù)的裁剪。本文參照《中華人民共和國土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 21010-2017），結(jié)合濟(jì)南市土地利用實際狀況，將影像數(shù)據(jù)分類為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地以及未利用地六種土地利用類型，其中林地、草地和水域三種地類下文統(tǒng)稱為生態(tài)用地。

表1 研究區(qū)Landsat8 OLI數(shù)據(jù)參數(shù)

2 研究方法

2.1 面向?qū)ο蟮碾S機(jī)森林分類

面向?qū)ο蠓诸惥C合考慮影像的紋理特征、幾何形狀和空間關(guān)系等因素，廣泛應(yīng)用于遙感影像的土地利用分類[21]。隨機(jī)森林是目前面向?qū)ο蠓诸惙椒ㄖ蟹诸惥容^高、處理數(shù)據(jù)速度較快的分類器，該分類器是一種基于決策樹算法的分類器，與傳統(tǒng)的決策樹算法相比，該方法建立了由若干個互不相關(guān)的決策樹而組成的森林，利用多棵樹對樣本進(jìn)行訓(xùn)練并預(yù)測，所得結(jié)果最多的類為最終分類結(jié)果。被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于土地利用分類和影像提取等相關(guān)研究中[22-23]。因此，本研究選取面向?qū)ο蟮碾S機(jī)森林方法對濟(jì)南市Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用分類。

2.2 土地利用變化動態(tài)度

土地利用變化動態(tài)度可以反應(yīng)某一地類在研究周期內(nèi)的變化幅度，某一地類的土地利用變化動態(tài)度絕對值越大，說明該地類在研究時間段內(nèi)變化越劇烈，其表達(dá)式為：

式中，K為某一地類在指定時間段內(nèi)的土地利用變化動態(tài)度；Ua為開始年份某一地類的面積；Ub為結(jié)束年份某一地類的面積；T為研究周期長度。

2.3 土地利用程度

土地利用程度主要用來表達(dá)研究區(qū)內(nèi)人類利用開發(fā)土地的程度，其原理是以研究區(qū)土地利用狀況為基礎(chǔ)，對不同地類進(jìn)行分級賦值，綜合計算該地區(qū)的土地利用程度指數(shù)。土地利用程度指數(shù)越高，說明對土地綜合開發(fā)的程度越高。土地利用程度計算公式如下：

式中，La為土地利用程度綜合指數(shù)；Ai表示第i級的土地利用程度分級指數(shù)；Ci為第i級土地利用類型面積所占總面積的百分比。本文根據(jù)研究區(qū)實際狀況及所選分類體系，并參考前人的研究成果[24]，得到行政區(qū)劃調(diào)整后濟(jì)南市土地利用程度的分級賦值表，見表2。

表2 土地利用程度分級賦值表

2.4 格網(wǎng)分析法

格網(wǎng)分析法是一種基于空間坐標(biāo)系統(tǒng)將研究區(qū)分為格網(wǎng)狀虛擬區(qū)域，進(jìn)而描述、分析虛擬區(qū)域地理現(xiàn)象的方法，該方法能夠有效地表達(dá)地理現(xiàn)象的空間格局特征[25]。為了更好地從空間維度進(jìn)行土地利用程度分析，本文引入格網(wǎng)分析法，將研究區(qū)分為3 km×3 km的格網(wǎng)，分別計算每個格網(wǎng)的土地利用程度。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化分析

本文采用面向?qū)ο蟮碾S機(jī)森林方法對2013年、2018年和2021年原濟(jì)南市l(wèi)andsat 8 OLI數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用分類，分類結(jié)果見圖2。從圖中可以看出，各類土地利用類型的分布未發(fā)生明顯變化，原濟(jì)南市的耕地和建設(shè)用地占主要地位，耕地主要分布在北部平原地區(qū)，在西南方向的平陰縣也占較大面積，林地和草地主要分布在南部山區(qū)，建設(shè)用地集中分布在中心城區(qū)，研究區(qū)內(nèi)水域主要包括黃河、小清河、鵲山水庫等。未利用地主要包括沙地和裸露巖石，零星分布在東南和西南部的山區(qū)。

圖2 原濟(jì)南市不同時期土地利用狀況圖

原濟(jì)南市土地利用結(jié)構(gòu)及變化情況見表3。通過對2013年、2018年兩期數(shù)據(jù)對比分析，原濟(jì)南市建設(shè)用地增加318.42平方千米，動態(tài)度達(dá)到0.04。林地減少288.90平方千米，動態(tài)度達(dá)到-0.07，草地增加297.50平方千米，動態(tài)度達(dá)到0.07，雖然林地及草地變化量和動態(tài)度都維持在高水平，但從地類轉(zhuǎn)移情況來看，兩者大多是相互轉(zhuǎn)換，水域面積幾乎沒有變化，林地、草地、水域三類生態(tài)用地面積在總量上基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，兩期數(shù)據(jù)中三類生態(tài)用地面積占比分別為22.16%和22.25%。通過2018年、2021年兩期數(shù)據(jù)對比分析，行政區(qū)劃調(diào)整后原濟(jì)南市耕地與建設(shè)用地變化不大，整體略有上升，耕地面積占比上升1.48%，建設(shè)用地面積占比上升0.45%，二者的變化動態(tài)度都是0.01。說明三年間研究區(qū)耕地保護(hù)較好，永久基本農(nóng)田特殊保護(hù)制度成效初顯。此外，建設(shè)用地的增長速度放緩，說明濟(jì)南市在注重發(fā)展速度的同時，也更加注重城市發(fā)展質(zhì)量。

表3 原濟(jì)南市土地利用結(jié)構(gòu)及變化

同理方法，我們對2013年、2018年和2021年原萊蕪市l(wèi)andsat 8 OLI數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用分類，分類結(jié)果見圖3。從圖中可以看出，原萊蕪市各類土地利用類型的分布發(fā)生明顯變化，耕地主要分布在中部平原，林地和草地主要分布在北部和東部山區(qū)，建設(shè)用地集中分布在中心城區(qū)，研究區(qū)內(nèi)水域主要包括雪野湖、牟汶河、大冶水庫等。未利用地主要包括沙地和裸露巖石，零星分布在東部和北部山區(qū)。

圖3 原萊蕪市不同時期土地利用狀況圖

原萊蕪市土地利用結(jié)構(gòu)及變化情況見表4。通過對2013年、2018年兩期數(shù)據(jù)對比分析，原萊蕪市建設(shè)用地面積增長較快，建設(shè)用地面積增長83.12平方千米，主要是沿著主城區(qū)向東南方向擴(kuò)張。耕地面積保持穩(wěn)定略有增長，耕地面積增長72.63平方千米，動態(tài)度達(dá)到0.01。通過2018年、2021年兩期數(shù)據(jù)對比分析，行政區(qū)劃調(diào)整后原萊蕪市建設(shè)用地面積快速提高，三年間增加了176.74平方千米，動態(tài)度達(dá)到0.15，說明區(qū)劃調(diào)整對原萊蕪市經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展有極大促進(jìn)作用，城市建設(shè)實現(xiàn)突破性發(fā)展。三類生態(tài)用地面積略有增加，生態(tài)用地占比從22.71%增長到23.79%，表明城市快速發(fā)展并未以破壞環(huán)境為代價。

表4 原萊蕪市土地利用結(jié)構(gòu)及變化

區(qū)劃調(diào)整前后新濟(jì)南市各種土地利用類型的面積統(tǒng)計見圖4。從圖中可以看出，2021年原濟(jì)南區(qū)域內(nèi)耕地面積較2018年略有增加，原萊蕪市耕地面積有所減少，這是因濟(jì)南市平原農(nóng)業(yè)與萊蕪市山地農(nóng)業(yè)相互補充影響所致，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)了資源重新配置，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有所調(diào)整。原濟(jì)南市建設(shè)用地面積增長速度放緩，原萊蕪市建設(shè)用地面積呈快速增長的趨勢，其原因主要是區(qū)劃調(diào)整后，濟(jì)南市政府大力扶持萊蕪區(qū)與鋼城區(qū)的發(fā)展，特別是頒布了《濟(jì)南市萊蕪市行政區(qū)劃調(diào)整對支持萊蕪區(qū)鋼城區(qū)駐地發(fā)展的工作方案》，其中明確要求優(yōu)先支持“兩區(qū)”城市建設(shè)，促進(jìn)了建設(shè)用地面積的快速擴(kuò)張。通過數(shù)據(jù)分析可以看出，區(qū)劃調(diào)整對濟(jì)南市的土地利用類型變化起到了積極的作用，特別是2021年萊蕪區(qū)與鋼城區(qū)各地類面積占比已經(jīng)接近濟(jì)南市平均水平，說明區(qū)劃調(diào)整后不僅緩解了濟(jì)南市的用地壓力，使國土空間布局趨于合理，更重要的是進(jìn)一步拉動了兩個區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，給城市注入新的活力和動能。

圖4 新濟(jì)南市土地利用面積統(tǒng)計圖

3.2 土地利用程度變化分析

為了更好地從空間維度進(jìn)行土地利用程度分析，本文采用格網(wǎng)分析法，將研究區(qū)分為3 km×3 km的格網(wǎng)，并通過公式（2）計算每個格網(wǎng)的土地利用程度，進(jìn)而采用自然斷點法，將每個格網(wǎng)分為低、較低、中、較高和高5個土地利用程度等級。

原濟(jì)南市三期數(shù)據(jù)的土地利用程度等級空間分布情況見圖5，從圖中可以看出，南部山區(qū)范圍內(nèi)土地利用程度相對穩(wěn)定，土地利用程度始終較低；中部建成區(qū)土地利用程度始終保持較高水平，這是由于該區(qū)域建設(shè)用地占比較大，致使土地利用程度較高；北部平原地區(qū)多為耕地，土地利用程度始終處于中等水平。

圖5 原濟(jì)南市土地利用程度等級分布圖

不同時期各等級格網(wǎng)個數(shù)、占比及變化情況見表5，在行政區(qū)劃調(diào)整前（2013—2018年），低土地利用程度地區(qū)總體數(shù)量減少，中、高土地利用程度地區(qū)數(shù)量擴(kuò)大。其中，有15.99%的格網(wǎng)土地利用程度略有降低。有25.17%的格網(wǎng)土地利用程度提高，主要分布在主城區(qū)北部和東部，各縣市區(qū)城區(qū)周圍土地利用程度也有較大提高，說明近年來主城區(qū)向東發(fā)展，各縣市建成區(qū)面積也不斷擴(kuò)大。行政區(qū)劃調(diào)整后（2018—2021年），13.33%的格網(wǎng)土地利用程度等級降低，20.83%的格網(wǎng)土地利用程度升高。主城區(qū)周邊縣市區(qū)土地利用程度增加明顯，說明濟(jì)南市在建設(shè)“大強(qiáng)美富通”國際化大都市的進(jìn)程中，更加注重均衡發(fā)展，中心城區(qū)的快速發(fā)展，有效帶動了其他地區(qū)的發(fā)展。

表5 原濟(jì)南市土地利用程度變化統(tǒng)計表

原萊蕪市三期數(shù)據(jù)的土地利用程度格網(wǎng)空間分布情況見圖6，從圖中可以看出，北部山區(qū)土地利用程度相對穩(wěn)定，土地利用程度始終較低；中部城區(qū)土地利用程度始終保持較高水平，這是由于該區(qū)域建設(shè)用地占比較大，致使土地利用程度較高；中部平原建成區(qū)周圍多為耕地，土地利用程度始終處于中等水平。

圖6 原萊蕪市土地利用程度等級分布圖

不同時期各等級格網(wǎng)個數(shù)、占比及變化情況見表6，原萊蕪市在行政區(qū)劃調(diào)整前（2013—2018年），有4.36%的格網(wǎng)土地利用程度等級降低，分布較為零散，城市綠化水平提高、植樹造林是其變化的主要原因。有32.55%的格網(wǎng)土地利用程度等級提高，主要分布在城區(qū)周圍及部分山地。行政區(qū)劃調(diào)整后（2018—2021年），5.37%的格網(wǎng)土地利用程度等級降低，零星分布在山區(qū)。25.17%的格網(wǎng)土地利用程度升高，主要分布在城區(qū)周圍，尤其城區(qū)西北方向分布較多，說明萊蕪市范圍內(nèi)城市建設(shè)繼續(xù)推進(jìn)，靠近濟(jì)南的地區(qū)發(fā)展速度更快。

表6 原萊蕪市土地利用程度變化統(tǒng)計表

通過濟(jì)南市和萊蕪市土地利用等級格網(wǎng)所占比例及變化可以發(fā)現(xiàn)，在行政區(qū)劃調(diào)整前，原濟(jì)南市較高土地利用程度與高土地利用程度格網(wǎng)個數(shù)占比分別比原萊蕪市多13.57%和3.04%。行政區(qū)劃調(diào)整后，原濟(jì)南市和萊蕪市在土地利用程度方面的差距逐漸縮小，到2021年兩地較高土地利用程度格網(wǎng)占比差距縮小到11.2%，高土地利用程度格網(wǎng)占比幾乎持平，表明行政區(qū)劃調(diào)整帶動了原萊蕪市的快速發(fā)展。從格網(wǎng)變化空間分布來看，行政區(qū)劃調(diào)整后濟(jì)南市黃河沿岸及部分生態(tài)用地周圍土地利用程度降低，城市建成區(qū)周圍土地利用程度升高表明行政區(qū)劃調(diào)整后，新濟(jì)南市重點生態(tài)功能區(qū)、農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)區(qū)和城市化發(fā)展區(qū)的主體功能分區(qū)更加明確，國土空間布局更加合理。

4 結(jié)論和討論

4.1 結(jié)論

本文以行政區(qū)劃調(diào)整后的濟(jì)南市為研究對象，利用面向?qū)ο蟮碾S機(jī)森林分類方法對研究區(qū)Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用分類，從土地利用結(jié)構(gòu)與土地利用程度兩方面對比分析行政區(qū)劃調(diào)整前后原濟(jì)南市和原萊蕪市土地利用時空變化特征，探討行政區(qū)劃調(diào)整對城市土地利用變化的影響。得出以下主要結(jié)論，（1）原濟(jì)南市城市發(fā)展質(zhì)量顯著提高。行政區(qū)劃調(diào)整后三年間，濟(jì)南市耕地面積保持穩(wěn)定，且略有增長，建設(shè)用地擴(kuò)張速度放緩（動態(tài)度從0.1下降到0.4），重點區(qū)域的主體功能區(qū)定位更加明確，多種用地類型分布更加均勻。（2）原萊蕪市城市發(fā)展取得長足進(jìn)步。行政區(qū)劃調(diào)整后三年間，該區(qū)域建設(shè)用地增加（176.74平方千米），25.17%的格網(wǎng)土地利用程度等級提高，城市發(fā)展速度較快，生態(tài)用地面積略有增加（24.09平方千米）。綜上所述，此次行政區(qū)劃調(diào)整不僅是兩地各種土地利用類型面積總量上的累加，更是在帶動萊蕪市快速發(fā)展的同時，緩解了濟(jì)南市用地壓力，優(yōu)化了濟(jì)南市整體土地利用格局和國土空間布局。

4.2 討論

本文利用2013年、2018年、2021年三期土地利用數(shù)據(jù)綜合討論了行政區(qū)劃調(diào)整對土地利用變化的影響情況。通過研究分析，行政區(qū)劃調(diào)整不僅能更好地發(fā)揮各區(qū)域自身優(yōu)勢，促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展，更重要的是可以實現(xiàn)資源重新配置，優(yōu)化土地利用格局。因此區(qū)劃調(diào)整后的濟(jì)南市應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)交流合作，發(fā)揮區(qū)位優(yōu)勢和省會政策優(yōu)勢，促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展，在提升自身城市首位度的同時，可以很好地帶動濟(jì)南都市圈的發(fā)展，擴(kuò)大自身在全省的影響力。