基于發展壓力狀態的土地利用動態遙感監測區域劃分方法——以天津市津南區為例

曹子劍，吳學瑜，高振宇，李 寧，李 朋，孫富國

(1.天津市地籍管理中心，天津 300050;2.蓬萊市國土資源局，煙臺 265600)

0 引言

隨著對地觀測技術的飛速發展以及觀測基礎數據的不斷積累，遙感技術已普遍應用于大規模、多尺度、高頻率的國土資源調查工作中，并在耕地保護、土地變更調查和土地執法監察等方面發揮了重要作用［1－5］。為進一步滿足城市建設和土地管理的需要，自2002年起，天津市每季度自主開展一次土地利用動態遙感監測工作，監測范圍由最初的環城四區、濱海新區擴展到現階段的全市域覆蓋。監測范圍的擴大，必然伴隨著內外業工作量的劇增，如果依舊不分重點、一味大而全地開展遙感監測工作，不僅會浪費大量的人力、物力和財力，而且會影響遙感監測的高效、現勢和準確等優越性的發揮。

在監測范圍全覆蓋的背景下，如何因地制宜地劃分不同監測區域，以便針對不同區域采用適宜的監測思路和方法，進而全面提高遙感監測的工作效率、降低工作成本，乃是當前急需解決的問題。在現階段，關于土地利用動態遙感監測的研究主要集中在監測方法改進、算法選擇、圖像處理和成果應用［6－8］等方面，而對監測分區的劃分則鮮有研究。鑒于此，本文以天津市津南區為例，針對當前開展土地利用動態遙感監測工作主要為控制新增建設用地、保護耕地紅線的實際情況，將研究區域內農用地和未利用地作為研究劃分的對象，重點探討了基于發展壓力狀態的土地利用動態遙感監測區域劃分的方法，并對不同區域提出了不同的監測思路和方法，以期為今后天津市乃至全國進行遙感監測區域劃分、因地制宜地采取不同的遙感監測方法提供借鑒，以促進土地利用動態遙感監測工作的高效開展。

1 研究區概況

津南區為天津市環城四區之一，位于中心城區東南部，是連接市中心區和濱海新區的重要通道。該區地處沿海開放區，總面積約387.57 km2，下轄8個鎮和1個街道辦事處(分別為咸水沽鎮、葛沽鎮、小站鎮、雙港鎮、辛莊鎮、雙橋河鎮、八里臺鎮、北閘口鎮和長青辦事處)。近年來，隨著經濟的快速發展和城市化水平的不斷提高，津南區土地利用狀況發生了巨大的變化，土地利用的動態變化日益頻繁。

2 數據源及其處理

用于本文研究的數據包括:①津南區2010年1∶2 000比例尺的土地變更調查數據(從中提取城鎮、農村居民點用地及作為此次發展壓力評價單元的農用地和未利用地等);②津南區2010年1∶2 000比例尺的道路交通等級圖;③國土資源部下發的2011年度津南區土地利用動態遙感監測變化圖斑;④津南區2011年社會經濟統計年鑒(獲取津南區各鄉鎮固定資產投資，二產、三產產值以及人口規模等數據)。利用GIS 軟件統一各專題圖件的空間投影坐標系，建立了多源空間矢量數據庫。

3 研究方法

統籌考慮與發展壓力有密切聯系的自然條件、地理區位和經濟發展水平等因素［5］，構建發展壓力評價指標體系;將2010年津南區土地變更調查數據庫中農用地和未利用地作為發展壓力評價單元，利用多因素綜合評價方法選取相應定量指標進行分級評價和區域劃分;針對不同區域的經濟發展水平和土地利用特征，提出土地利用動態遙感監測的思路和方法。

3.1 發展壓力的評價

本文所說的“發展壓力”［9］是指在市場經濟條件下農用地和未利用地轉化為建設用地可能性的大小，發展壓力越大的區域，其轉化為建設用地的可能性越高，反之則越低。

3.1.1 指標體系的構建

以因子的全面性、代表性及區域差異性和資料的可獲得性為原則，結合已有學者關于發展壓力相關研究成果和津南區的實際情況，分別從自然條件、地理區位和社會經濟發展水平等因素［9］中選取與發展壓力有較大關系的因素作為評價因子來構建發展壓力狀態評價指標體系。

自然條件為建設用地擴展的基本限制因素，主要包括地形坡度、地質條件和地下水位等因素［5］，反映評價單元的建設用地適宜性。適宜性越低的地塊承載的發展壓力越小。由于津南區屬于平原區，地形平坦，地貌條件單一，且地基承載力相差不大，因此地形條件和地基承載力等自然環境因素對建設用地擴展不存在限制條件。

地理區位是建設用地選擇的重要參考。地理區位指評價單元與交通線路、城鎮或農村居民點等人文環境條件之間的相對位置關系［10］，區位條件越好，轉化為建設用地的壓力越大。為此，發展壓力的區位影響因素主要選取“與城鎮的距離”、“與居民點的距離”和“與交通道路的距離”來描述。

社會經濟的發展總是伴隨著城市化進程和土地資源農非轉化［11－12］進行的。在一般情況下，區域經濟發展越快，位于該區域的評價單元轉化為建設用地的可能性越大。本文對經濟發展因素的選擇主要為評價單元所在鄉鎮的地均第二產業值、地均第三產業值、城鎮化率和地均固定資產投資規模等因子來表述。地均二、三產值和固定資產投資規模越大，城鎮化率越高，評價單元轉化為建設用地的可能性就越大。

基于上述分析，筆者選取與最近城鎮距離、與居民點距離、與主干道路距離、地均二產、地均三產、城鎮化率和地均固定資產投資等7 種因子作為發展壓力狀態評價指標，并采用特爾斐法(Delphi method，又稱專家調查法)確定各發展壓力狀態評價指標的權重(表1)。

表1 評價單元的發展壓力狀態評價指標體系Tab.1 Development pressure index system of evaluation unites

3.1.2 指標體系的量化

對于地理區位因素指標，主要利用ArcGIS 9.3 空間分析功能量算評價單元與最近城鎮、居民點和主干道路的距離。各區位因素指標的量化標準見表2。

表2 地理區位條件各因素指標定量標準Tab.2 Quantitative standards of various geographical location indicators

對于社會經濟因素指標，考慮到鄉鎮城鎮化率、鄉鎮地均二產產值、鄉鎮地均三產產值及固定資產投資等評價指標在量綱、數量級和數量變化幅度上的差異，對這些指標的量化采用極值標準化的方法，得到值域為0～100 且極性一致的數值。計算公式為

式中:x'ij為標準化后某指標的值;xij為處理前某指標的值;ximax，ximin分別為處理前某指標的最大、最小值;i 表示“某指標”，j 表示“某鄉鎮”。但對末一級指標的標準化值不按零考慮，而是根據經驗值確定。

以鄉鎮為單位，將各個鄉鎮城鎮化率、鄉鎮地均二、三產產值及固定資產投資等評價指標標準化后的分值分別賦給各個鄉鎮的發展壓力評價單元。

3.1.3 評價方法

采用多因素綜合評價方法。假定有m個因素，每個因素又包含n個因子，則評價得分等于各因子分值綜合累加之和，即

式中:Pji為所有參評因子的總分值;Wji為第j個因素第i個因子的權重;Cji為第j個因素第i個因子的分值。

在計算各評價單元綜合作用分值的基礎上，利用ArcGIS 9.3 中的自然分級(natural break)功能進行發展壓力狀態等級劃分。自然分級是將所有評價單元的得分進行頻數統計，以頻率曲線的突變點(頻率分布在空白或低值區)作為級別界限。

3.1.4 評價結果與分析

2010年津南區發展壓力狀態評價單元共劃分為4個等級(分別以44.64，58.14，72.90 和86.40為分割閾值)，其中Ⅳ級的發展壓力最大，Ⅰ級的發展壓力最小。津南區評價單元發展壓力狀態等級的空間分布情況如圖1 所示。

圖1 津南區評價單元發展壓力狀態分級Fig.1 Development pressure classification of evaluation unites in Jinnan district

評價單元發展壓力狀態分級在各個鄉鎮的分布情況見表3。

表3 各發展壓力狀態等級在各鄉鎮的分布Tab.3 Distribution of different development pressure grades in every town

從表3 來看:

Ⅳ級壓力單元共有3 645個，面積3 413.8 hm2，占評價單元總面積的16.5%，主要分布在葛沽鎮、咸水沽和雙港鎮。葛沽鎮作為濱海新區冶金工業基地和副食品供應中心之一，也是津南區的經濟重鎮，預期今后建設用地會有較快的增長;咸水沽鎮自古商業繁盛，是津南政治經濟文化中心，集中了津南大部分公共資源和各類工商產業，擁有雄厚的經濟基礎，作為此次津南區新城規劃的重點區域，在規劃期內，隨著新城建設的不斷完善，建設用地訴求較高，各評價單元轉化為建設用地的壓力較大;雙港鎮地處城郊結合部，是津南區的北大門，由于受中心城區經濟輻射帶動的影響，加之津南開發區西區坐落在該鎮的產業優勢，其評價單元也面臨著轉化為建設用地的壓力。

Ⅲ級壓力單元共有8 103個，面積8 236.6 hm2，占評價單元總面積的39.9%，主要分布在小站鎮西部、北閘口鎮東部、辛莊鎮、雙橋河鎮、葛沽鎮東部區域。小站鎮位于津南區的東南部，是以食品加工和制造業為主的特色鎮，其西部評價單元存在一定的轉化壓力;北閘口鎮位于津南區中心部位，現有北閘口工業區是2003年開發區整頓后保留的開發區之一，也是鎮級開發區中開發早、效益良好的開發區，隨著經濟結構的調整和經濟的快速發展，該區域將成為以電子及綜合加工業為主的現代工業城鎮，對建設用地需求將進一步加大;辛莊鎮和雙橋河鎮分別作為連接津南區城區與中心城區和濱海新區的紐帶和橋梁，受雙區經濟輻射影響較大，其評價單元存在一定程度的轉化壓力。

Ⅱ級和Ⅰ級壓力評價單元共有8 376個，面積9 011.7 hm2，占評價單元總面積的43.6%，主要分布在八里臺鎮、小站鎮東部和北閘口鎮西部。總體而言，該類評價單元所處區域的社會經濟發展較為緩慢，人地矛盾不突出，建設用地訴求相對較低，轉化為建設用地的可能性較小。

3.1.5 合理性驗證

通過上述分析可以看出，評價單元的發展壓力狀態等級比較客觀地反映了津南區各區域的經濟發展水平。評價單元發展壓力狀態等級高的區域，正是經濟發展強勁、建設用地訴求高的地區;評價單元發展壓力狀態等級低的區域，則是社會經濟發展緩慢、人地矛盾不突出的地區。由此可見，本文所探討的基于發展壓力狀態的評價指標體系與評價方法是合理的，能夠客觀反映津南區經濟發展的實際情況。

此外，對研究區的評價單元進行發展壓力狀態分級評價、進而劃分不同壓力區域，目的就是為了診斷和識別新增建設用地“高發、易發”區域，使今后土地利用動態遙感監測工作更加有的放矢，針對性更強，避免對全部監測區域“一把抓”而重點不突出。為此，對評價單元發展壓力狀態分級、評價結果的合理與否，可以通過分析國土資源部年度遙感監測新增建設用地的變化圖斑在各評價分級區域的分布特征、考察遙感監測變化圖斑與發展壓力等級分布的吻合程度來判定，若高級別的評價單元囊括絕大多數遙感監測變化圖斑，而低級別的評價單元中只出現較少的遙感監測變化圖斑，則能較好地驗證本文提出的發展壓力狀態評價分級的合理性。

2011年，國土資源部下發津南區遙感監測新增建設用地變化圖斑760個，面積684.1 hm2。本文將遙感監測變化圖斑與發展壓力評價結果進行了空間疊置分析(表4)。

表4 2011年津南區遙感監測變化圖斑在評價單元發展壓力狀態分級中的分布Tab.4 Distribution of remote sensing monitoring polygon in development pressure grades of Jinnan district in 2011

表4 的分析結果表明:從面積來看，遙感監測變化圖斑總量的32.6%和54.9%分別落在發展壓力評價單元的Ⅳ級和Ⅲ級(即87.5%的變化圖斑出現在56.4%的高壓力級別評價區域中);從個數來看，遙感監測變化圖斑總量的25.4%和52.1%分別落在評價單元的Ⅳ級和Ⅲ級(即77.5%的變化圖斑出現在58.4%的高級別評價區域中)。可見，無論就變化圖斑的面積還是個數而言，高壓力級別評價單元基本囊括了大部分遙感監測變化圖斑。此外，遙感監測變化圖斑在各壓力等級的分布密度均呈現出隨壓力級別增高、遙感監測變化圖斑分布密度增大的變化趨勢。由此可知，本文所劃分的發展壓力較大的區域，新增建設用地變化圖斑出現的概率也較大，二者吻合性較好，從另一個側面驗證了本文提出的發展壓力狀態評價分級的合理性。

3.2 遙感監測區域劃分

在上述評價單元發展壓力狀態分級的基礎上，按照“重點優先監測發展壓力大的土地，適度寬松監測發展壓力小的土地”的原則，考慮到遙感監測分區劃定的客觀性、區域指導性和易操作性，將4 級發展壓力狀態區進行歸并調整，得到津南區土地利用動態遙感監測的重點監測區(為原發展壓力狀態級別Ⅲ和Ⅳ)和一般監測區(為原發展壓力狀態級別Ⅰ和Ⅱ)(圖2)。

圖2 遙感監測分區Fig.2 Zoning of remote sensing monitoring

在上述區劃的基礎上，即可以“因地制宜，重點區域重點監測”為原則，針對不同監測區域設計不同的遙感監測路線和方法(表5)。

表5 各監測區遙感監測方法對比Tab.5 Comparison of remote sensing monitoring methods between different monitoring areas

4 結論與建議

1)本文構建了基于發展壓力狀態的土地利用動態遙感監測分區評價指標體系，計算了各評價單元的發展壓力狀態級別，并在此基礎上將研究區域劃分為重點監測區和一般監測區;根據區域經濟發展水平和土地利用特征，因地制宜地提出了不同的遙感監測思路和方法，以便使今后土地利用動態遙感監測工作更加有的放矢，針對性更強，促進遙感監測工作高效開展。

2)津南區作為天津市社會經濟加速發展和城鎮化快速推進的區(縣)之一，其經濟、社會和人文等因素具有一定的代表性和參照性。與津南區相似的我國其他市(縣)也可以其為參照，探索適合自身的監測分區劃分方法。在市(縣)級尺度上，考慮到遙感監測分區劃分的連續完整性、區域指導性和易操作性，區域劃分不宜太粗或過細，在發展壓力分級的基礎上可優先考慮劃分為重點監測區和一般監測區2 類區域。

3)本文立足控制新增建設用地、保護耕地紅線的實際，將研究區內農用地和未利用地單元作為研究監測區域劃分的對象，重點探討了市(縣)小尺度上的遙感監測分區(塊)劃分方法。今后在國家、流域、省市等大尺度層面上進行遙感監測區域劃分時，可考慮以鄉鎮、市(縣)等行政區域為劃分單元，采用本文所探討的方法進行監測區域劃分，并因地制宜地采取相應的遙感監測方法。

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