利用遙感影像土地監測數據的城市化土地利用變化研究
——以廣寧縣為例

石水源，謝思梅，謝榮安

(1. 廣東省地質局第八地質大隊，廣東 梅州 514089； 2. 武漢大學遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079； 3. 廣東省地質測繪院，廣東 廣州 510800)

隨著經濟社會的發展，我國逐步加快了城市化發展的步伐。2011年，中國城市人口首次超過農業人口，城市化成為經濟社會發展的重要驅動因素。因此對2011年后城市化的土地利用變化研究有利于政府在新的發展階段做出更好的決策。珠三角地區的經濟發展迅猛，很好地推動了城市化的發展。廣寧縣作為距離珠三角最近的山區縣，經濟發展和城市化進程也取得了顯著成績，其中土地資源的合理利用很值得關注。因此，本文以2011—2017年間廣寧縣利用遙感影像監測城鎮土地利用的變化，分析廣寧縣的城市化發展與土地的關系，探索山區城市化進程土地科學利用新模式。

1 研究區域與數據預處理

1.1 研究區域介紹

廣寧縣位于東經112°03′—112°43′，北緯22°22′—23°59′，東西寬60 km，南北長約68 km，地處廣東省肇慶市中北部，是全省山區縣中距離珠三角最近的縣。廣寧縣總面積2 458.15 km2，其中山地面積占全縣總面積的85.34%，也是廣東省重點林區和首批林業生態縣，森林覆蓋率達78.3%。

1.2 數 據

本文使用的研究數據為過去幾年有關部門利用高分辨率遙感影像所得的土地利用調查監測數據，選取時間為2011年、2013年、2015年和2017年。著重從土地類型的8大類(耕地、園地、林地、草地、城鎮村及工礦用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地和其他用地)歷年土地利用變化情況進行研究。由于獲得的調查數據為矢量數據，根據研究需要，在ArcGIS中將矢量數據轉為柵格數據，格網大小為10 m×10 m。

2 研究方法

2.1 城市擴張與協調性

本文采用年擴張(AI)、年擴張率(AER)和城鎮土地面積比例(ULP)3個指標描述廣寧縣城鎮擴張的程度[1]。年擴張衡量城市的擴張強度，年擴張率衡量城鎮擴張速度，而城鎮土地面積用來衡量城鎮的擴張程度。3個指標的計算公式為

(1)

(2)

(3)

式中，Areai和Areaj分別為第i年和第j年的城鎮土地面積；Areatotal為廣寧縣土地總面積。

為了探究廣寧縣城市化與人口、經濟之間的協調性，本文使用城市土地-經濟協調性指數(UGI)和城市土地-人口協調性指數(UPI)[2]來定性分析在城市化發展的同時，經濟和人口增長是否協調。UGI是通過計算經濟增長速率與城市土地擴張速率的差值來衡量城市化和經濟發展之間的協調性。UPI則是衡量城市化和人口增長之間的協調性。其計算公式為

UGI(t1,t2)=UG(t1,t2)-UA(t1,t2)

(4)

UPI(t1,t2)=UP(t1,t2)-UA(t1,t2)

(5)

式中，UG為地區生產總值的年增長速率；UP為城市人口的年增長速率；UA為城市土地的增長速率；t1和t2分別為第一個年份和第二個年份。UA的計算公式如式(6)，UP和UG的計算方法與UA類似。

(6)

式中，At1為廣寧縣在t1年份的城市土地面積。經濟和人口數據來源于肇慶市統計局。2011年和2013年使用非農業人口，由于2015年取消農業非農業人口劃分，因此2015年后由城鎮人口替代。

2.2 城鎮土地來源

城鎮土地的擴張通常伴隨著耕地、林地等面積的減少，監測新增城鎮土地來源的同時也可以獲得其他地類的變化信息。首先，在ArcGIS中將相鄰時相的柵格數據合并，并保留原本的屬性，得到一個合并的柵格圖層。然后，統計轉變為城鎮用地的土地類型和面積。

2.3 景觀指數分析

根據不同層次，景觀指數可以分為斑塊水平指數、斑塊類型指數和景觀水平指數。研究區選取了3個斑塊類型水平上的景觀指數來分析城鎮土地的空間景觀變化：斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(LSI)和散布毗鄰指數(IJI)。斑塊密度計算的是單位面積內的斑塊數量，能反映景觀整體斑塊的分化程度，斑塊密度越大，表明在一定面積上，異質景觀要素斑塊數量越多，斑塊規模越小，景觀異質性越高。景觀形狀指數反映斑塊形狀的復雜程度，斑塊形狀指數越接近1，說明該斑塊的形狀越接近正方形或圓形，指數數值越大，說明斑塊形狀越復雜。IJI是描述景觀空間格局最重要的指標之一。IJI對受到某種自然條件嚴重制約的生態系統的分布特征反映顯著。IJI越小說明某斑塊類型僅與少數幾種其他類型相鄰接，當IJI=100時說明該類型與其他所有類型完全、等量相鄰。

3 結果與分析

3.1 城市擴張和協調性分析

廣寧縣城鎮面積在2011—2017年間共增加了346.17 hm2。從圖1中可以看到，城鎮面積增長的速率在逐時期增加。從圖2可見，2011—2013年城鎮土地面積僅增加了36.29 hm2，而2013—2015年及2015—2017年城鎮土地面積增長均大于100 hm2。廣寧縣的AI為4.24%，AER為0.69%，ULP逐年增加，平均值為3.38%。

圖3為城鎮擴張的變化。廣寧縣的城市核在全縣的中部偏南，城鎮土地主要集中在永青社區居委會、護國社區居委會、圣堂社區居委會中部及南部，以及五一社區居委會西北部。新增的城鎮土地大多分布在原有城鎮土地的四周，但也有獨立的新增城鎮土地，如江西村在2011—2013年出現了一片新的城鎮用地，并在2013—2017年間逐漸向北擴張。

圖1 廣寧縣城市用地面積

圖2 各年份間城市用地增加面積

圖3 各年份城市擴張

UGI為正時，即地區生產總值增長速率大于城市土地增長速率時，說明經濟的增長并不依賴于城市土地的擴張，城市土地集約化程度高，屬于良性發展。而當UGI為負時，即城市土地增長速率大于地區生產總值增長速率時，說明城市土地的擴張并沒有帶來相應的經濟增長，可能存在土地利用不合理的現象。2011—2013年、2013—2015年和2015—2017年的UGI值分別為13.26、7.42和6.91，均為正數，這說明廣寧縣的城市化和經濟協調發展，但UGI值呈下降趨勢，其主要原因是經濟增長速度相對減慢。而當UPI值為正時，即城市人口增長速率大于城市土地增長速率時，說明城市擴張并不能滿足人口增長帶來的生活需求，城市化相對落后；相反，則說明該城市可能存在盲目擴張的現象。廣寧縣3個時期的UPI值分別為-1.30、55.57和-0.44，城鎮人口和非農業人口的統計口徑不一致，導致2015年的城鎮人口數量遠遠高于2013年的非農業人口，進而影響了2013—2015年的UPI值。但就另外兩個時期而言，UPI值為負，這說明廣寧縣土地利用可能存在不合理的地方，但UPI絕對值較小，城市土地與人口發展相對協調。

3.2 城鎮土地來源分析

如圖4所示，超過50%的新增城鎮土地面積來源于林地，其次為耕地和園地。

圖4 各地類轉化為城市用地的占比

2011—2013年，廣寧縣曾歡村東北部、荔洞村西部和江西村東南部有大片的林地轉化為城鎮用地。而2013—2015年，轉變為城鎮用地的林地主要分布在城市核的西部和東部，以及城南村北部。2015—2017年，林地轉化為城鎮用地主要出現在城市核南部。

3.3 景觀分析

廣寧縣各類型用地的PD中，耕地、園地和城鎮用地的數值較大，PD值均在2以上，說明廣寧縣的耕地、園地和城鎮用地斑塊多。在這3個地類中，城鎮用地的面積相對較小，但斑塊密度較大，主要原因為城鎮用地斑塊比較破碎，單位面積內的斑塊數量多，斑塊面積小。另外，值得注意的是林地的斑塊密度在所有類型中相對較小，但林地面積占比是最大的，這說明單位面積內林地斑塊雖然少，但斑塊面積大，破碎度小，因此PD值小，即廣寧縣的林地是連接成片的。而城鎮用地的PD逐年增加，這也說明了廣寧縣的城鎮用地在增多，但并沒有連成片。

而2011—2017年的LSI，除草地和水域外，其他地類的LSI值均有所上升，說明這些地類的斑塊形狀趨于復雜。城鎮用地的LSI值接近100，斑塊形狀比較復雜，這也反映出城市化進程中的人為影響，人類活動或政府的規劃使得城鎮用地的斑塊形狀比自然地物復雜。

除園地外，廣寧縣各地類的IJI值均超過50，說明與這些地類斑塊相鄰的其他類型斑塊比較多，反映出廣寧縣的景觀分布比較復雜，地類較為分散。就城鎮用地的IJI來說，并沒有呈現出明顯的趨勢，在各地類IJI中屬于較高，說明城鎮用地的邊緣連接著多種地類。圖5為廣寧縣城鎮用地的景觀指數值。

圖5 2011—2017年廣寧縣城市用地景觀指數

4 結 語

綜上所述，相比于2011年，廣寧縣2017年城市用地面積增加了4.24%，城市正在穩健地擴張。而城市土地擴張與經濟、人口增長都較為協調，但仍應關注城市擴張的不協調因素。從總體來看，在城市擴張的新增土地中，高達58.62%來源于林地，而耕地轉化為城鎮用地的占比為22.36%，而且地類平均斑塊密度較大，景觀異質性較高，景觀較為分散，斑塊的形狀也趨于復雜，反映出城市化進程中的城鎮用地與人類活動及政府的規劃、建設管理密切相關。因此，對于廣寧縣未來的城市化發展，一是必須強調利用科學的技術和方法，加強城市化土地變化監測，制定好城市規劃，合理編制土地利用規劃，使之更具有前瞻性、科學性。二是加強土地管理，切實履行耕地與林地的保護措施，減少林地和耕地的流失，更加注意生態環境的保護，維護好已有的良好生態環境。三是在城市規劃和發展中應重視城市土地利用變化的監測與控制，全面考慮景觀空間格局，提高現有城市土地利用效率。