西北典型生態(tài)脆弱區(qū)中小城市土地利用演變分析
——以寧夏固原市為例

任曉娟， 馬 泉

(1.西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院，陜西西安 710055：2.國(guó)家測(cè)繪地理信息局第一航測(cè)遙感院，陜西西安 710054)

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西北典型生態(tài)脆弱區(qū)中小城市土地利用演變分析
——以寧夏固原市為例

任曉娟1， 馬 泉2

(1.西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院，陜西西安 710055：2.國(guó)家測(cè)繪地理信息局第一航測(cè)遙感院，陜西西安 710054)

以地處西北典型生態(tài)脆弱區(qū)的寧夏固原市為研究對(duì)象，以城市發(fā)展歷程中3個(gè)典型時(shí)期的高分辨率衛(wèi)星影像為信息源，借助GIS和RS技術(shù)獲取其土地利用數(shù)據(jù)，從土地利用結(jié)構(gòu)度、變化度、轉(zhuǎn)移度和合理度4個(gè)方面展開研究，對(duì)2003—2014年研究區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)演變過(guò)程進(jìn)行定量分析。結(jié)果表明：2003—2014年固原市土地利用類型的空間穩(wěn)定性不斷降低，農(nóng)林與城市建設(shè)用地的優(yōu)勢(shì)主導(dǎo)地位發(fā)生易變；在城市建設(shè)用地中，居住用地、綠地與廣場(chǎng)用地、公共管理和公共服務(wù)用地、道路和交通設(shè)施用地是城市主要的用地類型，也是農(nóng)林用地流轉(zhuǎn)的主要方向；建設(shè)用地?cái)U(kuò)展速度過(guò)快導(dǎo)致擴(kuò)展彈性嚴(yán)重失調(diào)，應(yīng)該引起地方政府警覺。

土地利用；建設(shè)用地；合理性；西北地區(qū)

土地利用是指在一定的生產(chǎn)方式下，人們?yōu)榱四撤N目的，按照土地的自然特性和社會(huì)屬性，對(duì)土地進(jìn)行的開發(fā)、使用等活動(dòng)[1]。土地利用結(jié)構(gòu)反映各種土地利用類型在地域空間上的鑲嵌格局，這種格局與區(qū)域環(huán)境背景的各種因子密切相關(guān)，是包括人類活動(dòng)干擾在內(nèi)的一切過(guò)程綜合作用的結(jié)果。城市土地利用是城市結(jié)構(gòu)和形態(tài)研究的重要內(nèi)容[2]，其中格局和過(guò)程是土地利用變化研究的基礎(chǔ),只有通對(duì)歷史變化的格局及時(shí)空特征進(jìn)行分析刻畫,才能進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力的有效分析,進(jìn)而模擬及分析土地利用演變對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響[3-4]。同時(shí)，研究一定時(shí)空尺度下城市土地利用變化過(guò)程，找尋其主要規(guī)律和存在的典型問(wèn)題，是進(jìn)行城市空間擴(kuò)展研究的工作基礎(chǔ)，有利于為城市發(fā)展現(xiàn)狀提供參照。國(guó)內(nèi)外學(xué)者一般應(yīng)用RS和GIS手段對(duì)土地利用的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析。與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段相比，遙感數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性、高效性[5]。

當(dāng)前，在各方力量和機(jī)遇的推動(dòng)下，西部中小城市城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，城市擴(kuò)展速度加劇，城市土地利用變化復(fù)雜。西部中小城市是當(dāng)前國(guó)內(nèi)快速城鎮(zhèn)化過(guò)程中特殊的地域?qū)嶓w[6-7]。筆者以土地利用/土地覆蓋變化相關(guān)研究較為匱乏,且地處西海固典型生態(tài)脆弱區(qū)的固原市為研究對(duì)象，利用城市發(fā)展歷程中3個(gè)典型時(shí)期的高分辨率遙感影像，通過(guò)人工交互解譯獲得固原市土地利用圖譜信息，在此基礎(chǔ)上利用土地利用結(jié)構(gòu)變化、土地利用類型間的相互轉(zhuǎn)移變化、土地利用演變強(qiáng)度及土地利用變化合理程度等參數(shù)模型分析了固原市土地利用時(shí)空演變過(guò)程、規(guī)律及特征，為西部地區(qū)中小城市空間擴(kuò)展研究提供案例參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況 固原市是寧夏南部區(qū)域中心城市，2002年7月撤地建市，總面積約14 422.1 km2。行政改制后的固原市經(jīng)濟(jì)增速較快，城鎮(zhèn)化率亦有所提升，但整體水平較低，城市建設(shè)用地的則快速擴(kuò)展，城市空間從“單中心、團(tuán)聚狀”向“多組團(tuán)、外延式擴(kuò)張”演變，加之“五山兩河”的獨(dú)特自然本底格局，使得固原城市空間擴(kuò)展表現(xiàn)出“蛙跳式”的擴(kuò)展趨勢(shì)。

固原市屬于西海固地區(qū)，生態(tài)本底脆弱，是我國(guó)典型的生態(tài)脆弱區(qū)，近年來(lái)地區(qū)生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化。隨著地方城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城市建設(shè)對(duì)地方發(fā)展影響巨大，使得固原市土地利用正處于劇變階段。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源 選用自固原設(shè)市以來(lái)城市發(fā)展歷程中3個(gè)典型時(shí)期的遙感影像為數(shù)據(jù)源(即2003和2009年0.61 m分辨率的QuickBird 4波段捆綁預(yù)備正射衛(wèi)星影像，以及2014年的GF-1 2 m彩色衛(wèi)星影像)，以2014年城市建成區(qū)并適度外擴(kuò)的區(qū)域?yàn)檠芯糠秶偯娣e約52.68 km2。該范圍覆蓋了其他2個(gè)研究期的城市建成區(qū)，便于有效反映城市建設(shè)過(guò)程中的擴(kuò)展動(dòng)態(tài)。

1.3 研究方法

1.3.1 技術(shù)路線。在GIS和RS平臺(tái)的支持下，在對(duì)固原市典型時(shí)期高精度遙感影像解譯的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入土地利用結(jié)構(gòu)變化度、動(dòng)態(tài)度和轉(zhuǎn)移度等指標(biāo)，定量測(cè)算2003—2014年固原市土地利用演變特征。

1.3.2 土地利用分類。依據(jù)研究目的合理地選擇土地利用分類體系是科學(xué)研究的基礎(chǔ)。從土地資源管理的視角出發(fā)，依據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[8]和實(shí)際需要，將土地利用類型劃分為11個(gè)一級(jí)類型(表1)，得到固原市土地利用圖譜信息(圖1)。

表1 2003—2014年固原市土地利用面積變化

注：垃圾填埋場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)不在統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)。

Note: Landfill site, airport is not in the statistical scope.

圖1 研究區(qū)土地利用分類信息Fig.1 Classification of land use in the study area

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用結(jié)構(gòu)演變 依據(jù)各時(shí)期的遙感影像處理生成的土地利用圖，統(tǒng)計(jì)出3個(gè)時(shí)期11種土地利用類型的比例，列于表1。結(jié)果表明，2003—2014年固原市土地利用類型結(jié)構(gòu)差異不斷拉大。尤為突出的是農(nóng)林用地面積銳減，城市建設(shè)用地面積激增，后者取代前者成為基質(zhì)用地類型。2003—2014年農(nóng)林用地由3 554.50 hm2減少到了1 373.75 hm2，凈轉(zhuǎn)出2 180.75 hm2，年均轉(zhuǎn)出198.25 hm2。農(nóng)林用地和城市用地的主導(dǎo)地位的易變，折射出城市快速發(fā)展階段重空間擴(kuò)展、輕農(nóng)林用地保護(hù)的典型弊病。

在城市用地中，居住用地(R)面積從1 221.47 hm2增加到了2 012.90 hm2，從研究初期城市用地占比23.20%，增長(zhǎng)到了研究中期的28.10%和末期的38.20%,占比最高。綠地與廣場(chǎng)用地(G)、公共管理和公共服務(wù)用地(A)、道路和交通設(shè)施用地(S)的增速較快，其中綠地與廣場(chǎng)用地占比從0.5%增加到了研究中期的8.6%和末期的11.4%。這4類用地也是城市主要的用地類型。

2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能夠詳細(xì)地反映研究時(shí)段內(nèi)不同地類間土地利用結(jié)構(gòu)、特征和各地類空間變化的方向和轉(zhuǎn)換關(guān)系, 是土地利用變化研究經(jīng)常使用的方法[9]。在地理空間系統(tǒng)軟件的支持下，得出2003—2009 年、2009—2014年固原市土地利用/覆蓋類型轉(zhuǎn)移矩陣(表2、3)，可以快速查看各個(gè)地類間相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系。

表2 2003—2009年固原市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表3 2009—2014年固原市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

(1)2003—2009年，農(nóng)林用地(E2)的凈轉(zhuǎn)出率最高，向各類城市建設(shè)用地共轉(zhuǎn)出1 268.48 hm2,依次轉(zhuǎn)向綠地與廣場(chǎng)用地(G)、居住用地(R)、工業(yè)用地(M)、公共管理和公共服務(wù)用地(A)、道路和交通設(shè)施用地(S)、區(qū)域交通設(shè)施用地(H)、商業(yè)服務(wù)設(shè)施用地(B)、物流倉(cāng)儲(chǔ)用地(W)和公用設(shè)施用地(U)。居住用地(R)的流轉(zhuǎn)率位居第二，向其他用地流出125.65 hm2。

(2)2009—2014年，農(nóng)林用地(E2)向各類城市建設(shè)用地共轉(zhuǎn)出1 068.63 hm2,依次轉(zhuǎn)向居住用地、綠地與廣場(chǎng)用地、道路和交通設(shè)施用地、公共管理和公共服務(wù)用地、工業(yè)用地、商業(yè)服務(wù)設(shè)施用地、區(qū)域交通設(shè)施用地和公用設(shè)施用地。居住用地的流轉(zhuǎn)量仍居次位，共轉(zhuǎn)出152.50 hm2，這也反映了城市內(nèi)部更新改造的空間發(fā)展過(guò)程。

綜上，伴隨著土地利用的劇烈演變，固原市城市空間快速擴(kuò)展，而這是以農(nóng)林用地的銳減為代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2.3 土地利用演變強(qiáng)度 土地利用類型面積的變化是反映土地利用變化情況的重要方面，可以用土地利用變化率來(lái)反映[10]。單一土地利用動(dòng)態(tài)變化其數(shù)學(xué)表達(dá)式為[11]：

LC=[(Ub-Ua)/Ua]×(1/T)×100%

式中，LC為研究期內(nèi)某一類型土地利用變化率;Ua和Ub分別代表研究初末期某類土地的利用面積;T設(shè)為研究時(shí)段長(zhǎng)度，單位為年。

土地利用動(dòng)態(tài)度測(cè)算結(jié)果列于表1最后2列。由表1可知，2003—2009年水體的減少速度快于2009—2014年，而農(nóng)林用地則在2009—2014年呈加速減少趨勢(shì)。在城市人工(半人工)用地中，公共管理和公共服務(wù)用地、綠地與廣場(chǎng)用地、區(qū)域交通設(shè)施用地、工業(yè)用地、道路和交通設(shè)施用地2003—2009年的擴(kuò)展速度顯著快于2009—2014年；居住用地、物流倉(cāng)儲(chǔ)用地的后期擴(kuò)展速度近乎前期擴(kuò)展速度的2倍。商業(yè)服務(wù)設(shè)施用地在2003—2009年有所減少，2009—2014年又成倍加速擴(kuò)展，表明前期城市基礎(chǔ)設(shè)施的投資建設(shè)力度較大，后期城市擴(kuò)展以提高土地利用的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為主要目的。

2.4 城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)展合理性分析 空間擴(kuò)展彈性指數(shù)側(cè)重于從規(guī)模上反映擴(kuò)展的合理程度[12]。依據(jù)遙感影像提取的固原市建成區(qū)圖譜信息并結(jié)合相關(guān)年份的《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》中的市轄區(qū)非農(nóng)人口，計(jì)算得到固原市城市空間擴(kuò)展彈性指數(shù)。研究初期城市擴(kuò)展彈性系數(shù)為2.054，表明在此期間城市規(guī)模已有盈余，隨后擴(kuò)展進(jìn)一步加速，到2007年達(dá)到8.277的超高值，城市規(guī)模已嚴(yán)重超出合理值；到2009年彈性系數(shù)降低至0.023；2014年回升至5.433。固原市城市空間擴(kuò)展過(guò)程中，極端變化的擴(kuò)展彈性系數(shù)值得警醒。除2009年的擴(kuò)展彈性指數(shù)出現(xiàn)極小值之外，在其他研究年份固原市建成區(qū)的彈性指數(shù)均嚴(yán)重超出合理的城市空間擴(kuò)展彈性指數(shù)[13]，這暴露出城市空間擴(kuò)展過(guò)程中存在失調(diào)的問(wèn)題。

3 結(jié)論

遙感獨(dú)有的宏觀性、周期性、客觀性、時(shí)空變化多層性等分析優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于土地利用監(jiān)測(cè)。以固原市撤地建市以來(lái)3個(gè)典型時(shí)期的高分辨率遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，采用人工交互分類提取出城市土地利用圖譜信息，通過(guò)結(jié)構(gòu)變化度、動(dòng)態(tài)度、轉(zhuǎn)移度和合理度等的定量測(cè)算，客觀反映固原市空間擴(kuò)展過(guò)程中土地利用演變的總體特征。結(jié)果表明，城市空間的快速擴(kuò)展是以農(nóng)林用地的銳減為代價(jià)的，農(nóng)林用地在研究初期的主導(dǎo)地位在后期發(fā)展中被城市建設(shè)用地取代。二者主導(dǎo)地位的易變，折射出城市快速發(fā)展階段重空間擴(kuò)展、輕農(nóng)林用地保護(hù)的典型弊病；在城市各類用地中，道路和交通設(shè)施用地面積逐年穩(wěn)速增加，居住用地、綠地與廣場(chǎng)用地、道路交通設(shè)施用地、公共管理和公共服務(wù)用地及工業(yè)用地成為城市主要用地類型；建設(shè)用地對(duì)農(nóng)林用地的替代過(guò)程存在著擴(kuò)展過(guò)速、擴(kuò)展彈性失調(diào)的嚴(yán)重問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)引起重視。

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Analysis on Land Use Change of Small and Medium Sized Cities in Northwest Typical Ecological Fragile Region—A Case Study of Guyuan in Ningxia

REN Xiao-juan1, MA Quan2

(1. College of Architecture, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an, Shaanxi 710055;2. The First Institute of Photogrammetry and Remote Sensing, NASG, Xi’an, Shaanxi 710054)

With Guyuan, Ningxia in northwest typical ecological fragile region as example, high resolution satellite image in three typical periods as data source, using GIS and RS technology to obtain land use data, four aspects including degree of land use structure, change, transfer and reasonable degree were studied, quantitative analysis was conducted on land use dynamic change process during 2003-2014. The results showed that during 2003-2014, spatial stability of land use type continuously reduces, agriculture, forestry and city construction land dominance position is variable in Guyuan; in city construction land, residential land, green space and square land, public administration and public services, roads and traffic facilities are the main types, and also the main direction of agricultural land transfer; construction land expansion over speed lead to serious imbalance in the expansion of flexibility, which should cause alert to local development.

Land use; Land used for building; Rationality; Northwest Region

任曉娟(1985- )，女，陜西延安人，博士研究生，研究方向：城鄉(xiāng)規(guī)劃與區(qū)域發(fā)展。

2016-09-14

F 301.24

A

0517-6611(2016)32-0194-03