西北典型生態脆弱區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.西安建筑科技大學建筑學院，陜西西安 710055：2.國家測繪地理信息局第一航測遙感院，陜西西安 710054)

?

西北典型生態脆弱區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.西安建筑科技大學建筑學院，陜西西安 710055：2.國家測繪地理信息局第一航測遙感院，陜西西安 710054)

以地處西北典型生態脆弱區的寧夏固原市為研究對象，以城市發展歷程中3個典型時期的高分辨率衛星影像為信息源，借助GIS和RS技術獲取其土地利用數據，從土地利用結構度、變化度、轉移度和合理度4個方面展開研究，對2003—2014年研究區土地利用動態演變過程進行定量分析。結果表明：2003—2014年固原市土地利用類型的空間穩定性不斷降低，農林與城市建設用地的優勢主導地位發生易變；在城市建設用地中，居住用地、綠地與廣場用地、公共管理和公共服務用地、道路和交通設施用地是城市主要的用地類型，也是農林用地流轉的主要方向；建設用地擴展速度過快導致擴展彈性嚴重失調，應該引起地方政府警覺。

土地利用；建設用地；合理性；西北地區

土地利用是指在一定的生產方式下，人們為了某種目的，按照土地的自然特性和社會屬性，對土地進行的開發、使用等活動[1]。土地利用結構反映各種土地利用類型在地域空間上的鑲嵌格局，這種格局與區域環境背景的各種因子密切相關，是包括人類活動干擾在內的一切過程綜合作用的結果。城市土地利用是城市結構和形態研究的重要內容[2]，其中格局和過程是土地利用變化研究的基礎,只有通對歷史變化的格局及時空特征進行分析刻畫,才能進行驅動力的有效分析,進而模擬及分析土地利用演變對生態環境的影響[3-4]。同時，研究一定時空尺度下城市土地利用變化過程，找尋其主要規律和存在的典型問題，是進行城市空間擴展研究的工作基礎，有利于為城市發展現狀提供參照。國內外學者一般應用RS和GIS手段對土地利用的動態變化進行分析。與傳統的監測手段相比，遙感數據具有實時性、高效性[5]。

當前，在各方力量和機遇的推動下，西部中小城市城鎮化進程不斷加快，城市擴展速度加劇，城市土地利用變化復雜。西部中小城市是當前國內快速城鎮化過程中特殊的地域實體[6-7]。筆者以土地利用/土地覆蓋變化相關研究較為匱乏,且地處西海固典型生態脆弱區的固原市為研究對象，利用城市發展歷程中3個典型時期的高分辨率遙感影像，通過人工交互解譯獲得固原市土地利用圖譜信息，在此基礎上利用土地利用結構變化、土地利用類型間的相互轉移變化、土地利用演變強度及土地利用變化合理程度等參數模型分析了固原市土地利用時空演變過程、規律及特征，為西部地區中小城市空間擴展研究提供案例參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況 固原市是寧夏南部區域中心城市，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濟增速較快，城鎮化率亦有所提升，但整體水平較低，城市建設用地的則快速擴展，城市空間從“單中心、團聚狀”向“多組團、外延式擴張”演變，加之“五山兩河”的獨特自然本底格局，使得固原城市空間擴展表現出“蛙跳式”的擴展趨勢。

固原市屬于西海固地區，生態本底脆弱，是我國典型的生態脆弱區，近年來地區生態環境持續惡化。隨著地方城鎮化進程的加快，城市建設對地方發展影響巨大，使得固原市土地利用正處于劇變階段。

1.2 數據來源 選用自固原設市以來城市發展歷程中3個典型時期的遙感影像為數據源(即2003和2009年0.61 m分辨率的QuickBird 4波段捆綁預備正射衛星影像，以及2014年的GF-1 2 m彩色衛星影像)，以2014年城市建成區并適度外擴的區域為研究范圍，總面積約52.68 km2。該范圍覆蓋了其他2個研究期的城市建成區，便于有效反映城市建設過程中的擴展動態。

1.3 研究方法

1.3.1 技術路線。在GIS和RS平臺的支持下，在對固原市典型時期高精度遙感影像解譯的基礎上，通過引入土地利用結構變化度、動態度和轉移度等指標，定量測算2003—2014年固原市土地利用演變特征。

1.3.2 土地利用分類。依據研究目的合理地選擇土地利用分類體系是科學研究的基礎。從土地資源管理的視角出發，依據相關技術標準[8]和實際需要，將土地利用類型劃分為11個一級類型(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、機場不在統計范圍內。

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

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

2 結果與分析

2.1 土地利用結構演變 依據各時期的遙感影像處理生成的土地利用圖，統計出3個時期11種土地利用類型的比例，列于表1。結果表明，2003—2014年固原市土地利用類型結構差異不斷拉大。尤為突出的是農林用地面積銳減，城市建設用地面積激增，后者取代前者成為基質用地類型。2003—2014年農林用地由3 554.50 hm2減少到了1 373.75 hm2，凈轉出2 180.75 hm2，年均轉出198.25 hm2。農林用地和城市用地的主導地位的易變，折射出城市快速發展階段重空間擴展、輕農林用地保護的典型弊病。

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%，增長到了研究中期的28.10%和末期的38.20%,占比最高。綠地與廣場用地(G)、公共管理和公共服務用地(A)、道路和交通設施用地(S)的增速較快，其中綠地與廣場用地占比從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 土地利用轉移矩陣 土地利用轉移矩陣能夠詳細地反映研究時段內不同地類間土地利用結構、特征和各地類空間變化的方向和轉換關系, 是土地利用變化研究經常使用的方法[9]。在地理空間系統軟件的支持下，得出2003—2009 年、2009—2014年固原市土地利用/覆蓋類型轉移矩陣(表2、3)，可以快速查看各個地類間相互轉化的關系。

表2 2003—2009年固原市土地利用轉移矩陣

表3 2009—2014年固原市土地利用轉移矩陣

(1)2003—2009年，農林用地(E2)的凈轉出率最高，向各類城市建設用地共轉出1 268.48 hm2,依次轉向綠地與廣場用地(G)、居住用地(R)、工業用地(M)、公共管理和公共服務用地(A)、道路和交通設施用地(S)、區域交通設施用地(H)、商業服務設施用地(B)、物流倉儲用地(W)和公用設施用地(U)。居住用地(R)的流轉率位居第二，向其他用地流出125.65 hm2。

(2)2009—2014年，農林用地(E2)向各類城市建設用地共轉出1 068.63 hm2,依次轉向居住用地、綠地與廣場用地、道路和交通設施用地、公共管理和公共服務用地、工業用地、商業服務設施用地、區域交通設施用地和公用設施用地。居住用地的流轉量仍居次位，共轉出152.50 hm2，這也反映了城市內部更新改造的空間發展過程。

綜上，伴隨著土地利用的劇烈演變，固原市城市空間快速擴展，而這是以農林用地的銳減為代價來實現的。

2.3 土地利用演變強度 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反映[10]。單一土地利用動態變化其數學表達式為[11]：

LC=[(Ub-Ua)/Ua]×(1/T)×100%

式中，LC為研究期內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設為研究時段長度，單位為年。

土地利用動態度測算結果列于表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，而農林用地則在2009—2014年呈加速減少趨勢。在城市人工(半人工)用地中，公共管理和公共服務用地、綠地與廣場用地、區域交通設施用地、工業用地、道路和交通設施用地2003—2009年的擴展速度顯著快于2009—2014年；居住用地、物流倉儲用地的后期擴展速度近乎前期擴展速度的2倍。商業服務設施用地在2003—2009年有所減少，2009—2014年又成倍加速擴展，表明前期城市基礎設施的投資建設力度較大，后期城市擴展以提高土地利用的經濟價值為主要目的。

2.4 城市建設用地擴展合理性分析 空間擴展彈性指數側重于從規模上反映擴展的合理程度[12]。依據遙感影像提取的固原市建成區圖譜信息并結合相關年份的《中國城市統計年鑒》中的市轄區非農人口，計算得到固原市城市空間擴展彈性指數。研究初期城市擴展彈性系數為2.054，表明在此期間城市規模已有盈余，隨后擴展進一步加速，到2007年達到8.277的超高值，城市規模已嚴重超出合理值；到2009年彈性系數降低至0.023；2014年回升至5.433。固原市城市空間擴展過程中，極端變化的擴展彈性系數值得警醒。除2009年的擴展彈性指數出現極小值之外，在其他研究年份固原市建成區的彈性指數均嚴重超出合理的城市空間擴展彈性指數[13]，這暴露出城市空間擴展過程中存在失調的問題。

3 結論

遙感獨有的宏觀性、周期性、客觀性、時空變化多層性等分析優勢被廣泛應用于土地利用監測。以固原市撤地建市以來3個典型時期的高分辨率遙感影像為基礎數據源，采用人工交互分類提取出城市土地利用圖譜信息，通過結構變化度、動態度、轉移度和合理度等的定量測算，客觀反映固原市空間擴展過程中土地利用演變的總體特征。結果表明，城市空間的快速擴展是以農林用地的銳減為代價的，農林用地在研究初期的主導地位在后期發展中被城市建設用地取代。二者主導地位的易變，折射出城市快速發展階段重空間擴展、輕農林用地保護的典型弊??；在城市各類用地中，道路和交通設施用地面積逐年穩速增加，居住用地、綠地與廣場用地、道路交通設施用地、公共管理和公共服務用地及工業用地成為城市主要用地類型；建設用地對農林用地的替代過程存在著擴展過速、擴展彈性失調的嚴重問題，應當引起重視。

[1] 肖篤寧.景觀生態學[M].北京:科學出版社，2003.

[2] 吳友章.城鎮土地利用現狀與潛力分析[J].測繪通報，2013(S1)：36-40.

[3] VERBURG P H,DE NIJS T C M,VAN ECK J R,et al.A method to analyse neighbourhood characteristics of land use patterns[J].Computers,environment and urban systems,2004,28(1):667-690.

[4] 曹敏,卞正富,沈泉飛.土地利用持續性的生態足跡評價法[J].生態經濟(學術版),2007(1)：64-67.

[5] 李鳳霞,石輝,馮曉剛，等.西安市土地利用格局動態演變及其驅動力研究[J].測繪通報，2015(12)：41-45，56.

[6] 陳曉鍵,秦川.西北地區中小城市空間擴展及其動力機制研究[J].國際城市規劃,2011，26(1)：37-40.

[7] 黃明華,李小龍,李靜.中小城市空間生長引導模型研究：以陜西澄城為例[J].城市規劃匯刊,2009，25(12)：51-57.

[8] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.城市用地分類與規劃建設用地標準:GB 50137-2011[S]．北京：中國建筑工業出版社,2011.

[9] 馬文明,李鋼,黃倩.基于遙感的平頂山市土地利用及其景觀格局變化研究[J].水土保持通報，2007,27(3)：102-106.

[10] 冷奕明,張文秀.城市化與土地利用變化研究:以成都市為例[J].西南農業學報,2006,19(2)：214-218.

[11] 高瞻,閆志剛,丁允靜.基于遙感的石家莊市土地利用及其景觀格局變化研究[J].測繪與空間地理信息,2010,33(3)：45-48.

[12] 李蘭.基于主體價值的城市空間擴展績效研究[D].西安：西安建筑科技大學，2014.

[13] 中國城市規劃設計研究院.2000年城市用地預測綜合報告[R].1989.

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：城鄉規劃與區域發展。

2016-09-14

F 301.24

A

0517-6611(2016)32-0194-03