基于RS和GIS分析徐州市區土地利用與城市化之間的關系

郭晉遠?趙紅卓?王文飛?高榮

摘 要：城市化與城鄉土地利用變化之間關系密切，本文通過利用RS和GIS技術，對徐州市區2005、2010、2014年的TM遙感影像進行解譯分類和數據處理，并結合回歸分析，對徐州市土地利用情況與城市化率之間進行了定量分析。分析表明：在2005-2014年間，徐州市區的建設用地面積在不斷擴大，主要集中在主城區的東部；耕地面積不斷減少，且主要轉變為建設用地；林地面積縮小，衰減速度逐漸減慢；草地的面積呈現先快速增加后略微下降的趨勢。徐州市區的土地變化量的大小與城市化水平之間存在著典型的線性相關，隨著城市化進程的不斷推進，建設用地所占比重不斷增加，增加速率在減緩。且土地利用變化、工業化、城市化之間相互促進，形成正反饋的關系。

關鍵詞：RS；GIS；土地利用；城市化；關系；徐州市區

隨著經濟的發展，我國的城市化進程也在不斷加速推進，在此過程中，土地利用的結構也發生了巨大的變化，各類土地之間的轉換頻繁，且農用地在不斷減少，人地關系十分緊張，因此對于城市化過程中土地利用的研究十分必要。本文以徐州市為例，討論2005-2014年徐州市土地利用變化的特征，探求土地利用變化與城市化的關系，揭示其內在機制，試圖服務于土地利用管理部門。

一、研究區域概況

徐州，地處江蘇省西北部、華北平原東南部（116°22′～118°40′E，33°43′～34°58′N），東西長約210公里，南北寬約140公里，總面積11258平方公里，約占江蘇省總面積的11%。其中本文研究區域為徐州市區，包括：鼓樓區、云龍區、泉山區、銅山區和賈汪區，總面積為2904 km2。至2014年末徐州市區非農人口比重為88.3%，二三產業比重為96.7%。

二、數據來源與研究方法

1.數據來源及處理

影像數據來源：本文選取2005年，2010年，2014年3期徐州市遙感影像，影像均從地理空間數據云（www.gscloud.cn）網站上下載且分辨率同為30m。其中2005年，2010年為Landsat4-5TM影像，2014年為Landsat8 OLI影像。

社會經濟數據來源：《徐州市統計年鑒（2006-2015）》。文中2005-2009年的徐州市區是包括銅山縣在內的范圍，所以社會經濟數據在處理時用的是統計年鑒上徐州市區的數據與銅山縣的數據之和。

處理方法：利用ENVI5.1軟件對影像進行校正、融合、鑲嵌、裁剪等預處理后，根據影像的解譯能力，采用支持向量機的方法對其進行監督分類，將徐州市土地類型分為：林地、草地、耕地、建設用地、水體和裸地六類。對分類后的結果進行矢量化處理后，利用ArcGIS軟件對三期影像進行統計與疊置分析，得到各類土地的占比及相鄰年份的土地利用類型轉移矩陣。

2.研究方法

（1） 土地利用動態度。土地資源數量變化可以用土地利用動態度來表示，本文借鑒王秀蘭等學者所闡述的單一土地利用類型動態度及綜合土地利用動態度方法進行研究。

①單一土地利用類型動態度。單一土地利用類型動態度表達的是某研究區一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況，其表達式為：

（1）

式中：K 為研究時段內某一土地利用類型動態度；Ua、Ub分別為研究期初及研究期末某一種土地利用類型的數量；T 為研究時段長，當T 的時段設定為年時，K 的值就是該研究區某種土地利用類型年變化度。

②綜合土地利用動態度。

某一研究樣區的綜合土地利用動態度可表示為：

式中：LUi為監測起始時間第i類土地利用類型面積；?LUi-j 為監測時段內第i類土地利用類型轉為非i類土地利用類型面積的絕對值； T 為監測時段長度當T 的時段設定為年時，LC的值就是該研究區土地利用年變化率。

3.城市化水平。城市化是一個包括人口、經濟、社會、生態、土地、文化等子系統在內的復雜系統的復雜變化過程。目前的研究一般認為城市化過程包括人口城市化、空間城市化、經濟城市化、社會城市化4個層面。其中人口城市化與經濟城市化對城市化的影響更大。因此，本文借鑒魯春陽等學者的計算方法，選用非農人口占總人口的比重（X1）與非農產值占總產值的比重（X2）的綜合指標來衡量城市化水平，其權重分別為0.8和0.2，并進行加權平均，得到城市化綜合發展水平X。其計算公式如下：

X=0.8·X1+0.2·X2 （3）

當X?30%為初級發展階段，30%

4.城市化水平及土地利用變化之間的相互關系。本文借鑒陳永林、謝炳庚等學者的研究方法，采用回歸分析的方法來分析兩者之間的關系。其公式如下：

Y=aX2+bX+c （4）

式中：Y為某土地利用類型占總面積的比例；X為城市化綜合發展水平。

三、結果與分析

1.徐州市土地利用現狀分析

利用ArcGIS軟件進行統計分析，得到徐州市三期土地占比的數據（表1）。

由表1可看出耕地面積在三個時期所占比重最大，其次是建設用地。在2005-2014年期間，耕地面積持續減少，由2005年的59.65%下降到2014年的40.54%，削減了19.11%。建設用地占比由2005年的17.79%增長到2014年的36.40%，增幅為18.61%。林地由2005年的11.51%下降到2014年的4.62%，下降了6.89%。草地占比先增長一倍后又有小幅度下降，由2005年的7.80%先增長到2010年的15.94%，后下降到2014年的15.18%。水體占比先下降后增長，由2005年的2.44%下降到2010年的1.49%， 2014年增長到2.28%。裸地所占比率變化不大，基本處于穩定狀態。

將不同年份的土地利用類型數據帶入式（1）和式（2）得到兩個時期土地利用動態度，具體數據見表2。其中正號表示該土地類型增加，負號表示該土地類型減少，動態度絕對值表示增加或者減小的幅度。由表2可以看出，2005-2010年，以及2010-2014年兩個時期，綜合土地利用動態度相差不大且值都比較大，說明在這兩個時期，徐州市區的土地利用結構在不斷變化，

表2 2005年—2014年徐州市區土地利用動態度/ %

土地利用類型 2005-2010年單一土地利用動態度 2005-2010年綜合土地利用動態度 2010-2014年單一土地利用動態度 2010-2014年綜合土地利用動態度

耕地 -2.70 3.09 -5.36 3.08

建設用地 8.24 11.23

林地 -11.11 -2.45

草地 20.89 -1.20

水體 -7.79 13.30

裸地 -2.24 9.21

各種用地類型在不斷轉換，經濟活動比較活躍。其中耕地減少的速度在不斷加快，由2005-2010年間的2.7%增至5.36%；建設用地的增加幅度在不斷增大，由初期的8.24%增加至11.23%；林地的衰減速度得到遏制，由最初的11.11%衰減至2.45%；草地的變化截然相反，2005-2010年間草地是各類土地類型中動態度最大的，其增長速度為20.89%，而在2010-2014年間卻呈現出略微減少的態勢；水體在2005-2010年間以7.79%的速度衰減，在2010-2014年間以13.30%的速度增長；裸地，即未利用地在2005-2010年間的呈削減狀態，其減少速度為2.24%，在2010-2014年間呈增長趨勢，以9.21%的速度增加。

2.徐州市土地類型變化分析

結合表3與表4對各土地利用類型變化進行分析，可得到：

（1）裸地的變化：裸地的變化率是所有土地利用類型變化中最高的，2005-2010年間裸地的變化率為79.86%，2010-2014年間為82.38%。從裸地的轉入情況來看，在2005-2010年期間，草地與耕地所占比重最大；2010-2014年期間草地、耕地與建設用。

（2）草地的變化：2005-2010年間，草地的轉入主要來源于耕地， 2010-2014年間，草地的轉入主要來自耕地和建設用地，主要轉出都是耕地和建設用地。說明草地與耕地之間的互相轉換比較頻繁；2010-2014年間建設用地轉為草地主要分布在山體景區附近，尤其是云龍湖、九里山、賈汪區和新城區大龍湖等地，主要是對景區及一些新城區的景觀規劃的需要，使得建設用地轉為草地。

（3）耕地的變化：2005-2010年間，耕地的主要轉為草地，其次為建設用地。2010-2014年間，耕地主要轉為建設用地，其次為草地。而2010-2014年間，草地又主要轉為建設用地。說明耕地主要轉為建設用地，只是經歷的時間跨度稍長。

（4）建設用地的變化：建設用地是增幅最大的，并且耕地轉為建設用地數量最多，其次是林地和草地。2005-2014年間耕地轉為建設用地的主要區域在銅山新區，新城區，金山橋經濟開發區和賈汪區（圖2）。其中徐州新城區于2004年啟動建設，規劃面積60平方千米，并成為徐州的政治中心，公路、地鐵、高鐵等基礎建設大力跟進，并且招商引資等工作也在緊張進行，城市化進程快速發展，使得原本為村莊的地區變得繁榮起來，土地利用類型發生巨變；銅山縣于2010年正式成為銅山區后，加速了城鄉基礎設施的建設，大力實施城中村改造和舊村莊改造，使得一部分耕地轉為建設用地；金山橋經濟開發區作為徐州市的工業園區，在城市化的進程中也不斷壯大起來，新增大量工業園區，使建設用地處于快速擴張狀態。賈汪區是一個歷史悠久的礦區，開采強度大，使當地生態破壞嚴重，2002年以后，煤炭企業大都關閉，由于采礦區的惡劣環境使得礦工及當地百姓遷移，為了不讓百姓背井離鄉，賈汪區開始了土地整理，生態環境修復，新的基建項目應勢而生。

四、土地利用變化與城市化水平的相關分析

1.土地利用變化與城市化水平的定量比較分析。考慮到城市化過程中耕地與建設用地的利用方式所受影響最大，本研究所用的土地利用類型數據為耕地與建設用地占總面積的比作分析。因只有3年的土地利用數據，因此我們參照陳永林等學者的處理方法，采用等距分布的方法進行補充，再將城市化綜合發展水平與耕地和建設用地所占總面積的比的關聯值制成散點圖，然后進行回歸分析，其結果如下：

由圖3可知，耕地占比隨著城市化水平的升高呈現出明顯的下降趨勢，并且下降的速度逐漸減慢，兩者存在著典型的線性相關，相關系數R^2=0.9556，回歸方程為：

Y_1=100.22X2-222.17X+160.94

式中：Y_1 為耕地占總面積比，X 為城市化總和發展水平。從回歸擬合趨勢線可以看出，隨著城市化水平不斷提高，耕地占總面積的比值將會不斷減少，并且遞減速率在不斷減小，有逐漸平穩的趨勢。

由圖4 可知：建設用地占比隨著城市化水平的升高而不斷增加，兩者在數量上呈現出明顯的線性相關，相關系數R2=0.9581，回歸方程：

Y2=-70.327X2+174.24X-65.041

式中：Y2為建設用地占總面積的比，X 為城市化綜合發展水平。回歸方程表明：隨著城市化進程不斷推進，建設用地所占比重將會不斷增加，但是增加速率不斷減小，最終將會逐漸平穩。

2.土地利用變化與城市化作用機制分析。已有的研究結果表明，與土地利用變化相關的因素有很多，包括自然條件、人為活動、社會經濟發展水平，以及潛在的經濟學規律等各個方面，城市化發展是城鄉土地利用變化的主要原因[4， 5] 。而且研究表明工業化的發展和城市化發展關聯甚密，隨著工業化的發展，產業結構隨之發生轉變，農業人口向非農人口轉變。城市的形成就是非農就業人口以及依托非農業就業相關人口不斷集聚，產業逐漸升級的過程。從我國城市的發展歷程可以知道，一方面，工業化的迅速推進為城市化的發展提供人口、產業、基礎設施等基本條件；另一方面，城市化為工業化提供良好的空間載體。因此研究土地利用變化與城市化的作用機制，就不可避免地要討論工業化與土地利用變化的關系。工業的發展離不開土地，工業化會使農業用地（特別是耕地）和非工業用地向工業用地的大量轉移。在工業化過程中，受到經濟利益的驅使，耕地被大量占用，轉為建設用地。隨著城市化的推進，必然會引起土地利用方式和土地利用結構發生根本性變化。

因此，土地利用變化、工業化、城市化之間存在正反饋關系。對于徐州市區來說，其作用機制是：至2014年末，徐州市區城市化率為90.0%，已經步入后期成熟階段；徐州市城市化率為59.5%，仍處于中期加速階段。從2005年到2008年，徐州市區的城市化水平由65.7%升至68.4%，從2009年至今由70.3%年年攀升。但作為城市的核心地區，徐州市區是城市人口、資本、消費、市場、信息等最集中的地帶，對于周圍的農村地區具有強大的吸引力，因此能獲取更多的資源以促進自身以及周圍地區的發展，以至于在城市化處于后期成熟階段依然能夠以2.4%城市化遞增速率發展。在城市化進程不斷推進的過程中，大量農村人口向市區轉移，非農人口比例由58.3%上升為88.3%，迫使城市空間不斷增大，為滿足更多人口生產生活的需要，大量的耕地被不斷轉換成建設用地，土地利用結構發生變化，建設用地比重由17.8%增加至36.4%，耕地占比由59.7%衰減至40.5%。土地利用結構的變化必然會使土地利用朝著更加集約化的方向發展，產業結構中二三產業比重將由95.4%上升至96.7%，第一產業比重由4.6%下降至3.3%，工業化發展穩步向前推進。又因二三產業投入產出比高于第一產業，將吸收大量的農村剩余勞動力，非農人口比重將會繼續下降，進一步加速城市化的發展。但是市區的土地的承載力總是有限的，人口不可能持續膨脹，因此最終城市將處于穩定階段，正反饋機制將會停止。

五、結語

1.徐州市市區在2005-2014年間，從各類用地面積占比的情況來看：建設用地的面積在不斷的加大；而耕地面積在不斷減少；草地面積先迅速增加，后略微下降；林地面積一直在減少；水體面積和裸地面積都是先減后增。從各類土地面積的變化速率來看：耕地的減少速率在不斷增加；建設用地的增加速率也在增大。從土地類型的轉換情況來看：耕地和林地主要轉為草地和建設用地，而草地又主要轉為建設用地。

2.建設用地的增加主要是占用了農業用地面積，主要是耕地，耕地轉為建設用地的空間分布主要集中在徐州主城區的東部和東南部，分別是新城區、銅山新區、金山橋開發區以及賈汪區。徐州主要向東部的新城區擴張，市政府也遷移到新城區，加速了徐州主城區東部的城市化，使徐州東部地區的城市集聚效應增強，導致大量的農業用地轉為建設用地。可以看出土地類型的轉變在空間上與城市的發展方向密切相關，在數量上與城市化的水平高低有線性相關。

3.城市化的進程越快，對周圍農村地區就有強大的吸引力，農村人口轉為非農人口，為了滿足人口的生活需要，城市自然而然的就需要進行擴張，使得土地城市化，土地的城市化使得土地利用朝著集約化發展，又促進了城市工業化的進步，工業又為城市化的進程提供經濟支持，加速城市化的發展，形成相互促進的關系，最終達到一個平衡狀態。

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作者簡介：郭晉遠（1996-），男，河北邢臺人，本科，研究方向：人文地理與城鄉規劃。

基金項目：江蘇省大學生創新創業訓練計劃項目（編號：201610290074X）。