基于遙感影像的鄭州市土地資源承載力評價研究

賈亦斌 王晗

摘要：以河南省鄭州市為例，借助遙感技術，通過對鄭州市2004、2009、2013年的Landsat TM遙感影像處理，獲取相關土地利用數據，并充分考慮人口一資源一環境的協調發展，建立鄭州市土地承載力評價體系，采用層次分析法、客觀賦權法和多因素加權求和法，對鄭州土地資源承載力進行評價。結果表明，2004-2013年，鄭州市土地資源承載力逐年提高;2009-2013年，由于鄭州市人口增長過快，土地資源的使用和人口資源配置不均，土地使用強度較低;2004-2013年，鄭州市的土地利用結構趨于優化，土地利用效率明顯升高;鄭州市2013年的土地資源承載力水平接近于理想狀態，說明在該時期鄭州市土地資源承載力相對較好，但對于土地利用可持續發展方面，仍有待改善。

關鍵詞：遙感影像;土地資源承載力;鄭州市

中圖分類號：P237;F301

文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（ 2020） 08-0025-05

D01：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.08.005

中國土地資源豐富，但是人口基數大，人均占有量少，土地利用效率低下[1]。土地資源承載力一般是指一定地區的土地所能持續承載的人口限度，土地承載力的研究主要是為了解決人類生產生活及社會發展與擁有的土地資源之間存在的問題[2]。自20世紀70年代以來，中國在國際人口、資源、環境和經濟發展等問題日益突出的背景下，開展了不同尺度的土地資源承載力研究[3]。中國在對土地承載力的研究上起步雖晚，卻也有一定的成效，陳傳美等[4]基于對鄭州市的農業系統辨別和診斷，以及建立土地承載力的動力學模型，為改善鄭州市人口與土地間的問題提出建議;孟旭光等[5]對中國土地承載力研究過程中存在的不足和缺陷進行了分析，建議中國構建適合自身土地承載力研究的綜合評價指標體系，在深入土地承載力評價研究的同時改變對地區耕地承載力評價的觀念;石憶邵等[6]對城市綜合承載力的相關方面進行探討，指出對于城市承載力臨界值的確定有一定的客觀因素。隨著遙感技術的興起和發展以及ICBP、IHDP的推廣作用[7]，為學者們在進行有關研究時提供了技術支持和數據源，基于遙感的學術研究進入到一個快速發展階段，也為土地資源承載力的研究提供了很大幫助，同時注入了活力。

據第二次河南省土地調查數據結果顯示，到2009年12月31日全省人均占有耕地面積為0.082hm2，遠遠低于全國水平，而且鄭州市多地耕地后備資源將近枯竭，土地資源供給的稀缺性與社會需求的增長性之間的矛盾日益突出[8]。在奉行可持續發展理念的當下，應重視提高鄭州市的土地資源承載能力，著眼于鄭州市的土地資源承載力研究，對推動其經濟以及生態的可持續發展具有深遠的意義。本研究通過遙感技術獲得評價所需要的鄭州市土地利用數據，采用構建指標體系的方法，并對其指標賦權，再利用均方差法求得鄭州市土地資源承載力，對所得結果進行分析和評價，為鄭州市建設生態城市，調整規劃用地開發利用方向，加快經濟發展，切實保護耕地提供參考。

1 研究區概況

鄭州市位于華北平原南部河南省中部偏北，東與開封市相接，西與洛陽市相臨，南與許昌市、平頂山市交界，北與新鄉市、焦作市隔黃河而相望。鄭州市總面積7 446 km2，2015年底常住人口為956.9萬人，生產總值為7 315.2億元，人均CDP為77 217元。鄭州市是集中國高速公路、鐵路、航空、通訊于一身的綜合交通樞紐。由于鄭州市城鎮化、工業化進程的加快，土地資源與社會經濟可持續發展間的矛盾變得更加突出。

2 研究方法

2.1 土地利用信息提取

2.1.1數據源 在對土地利用信息提取時，采用的數據源主要是2004、2009和2013年鄭州市Land-sat TM圖，通過預處理以及監督分類等方法對影像進行操作，從而獲得所需要的鄭州市土地利用信息。TM數據是由7個波段組成的，空間分辨率為30rri[9]。輔助數據源是鄭州市行政邊界矢量圖、DEM數據和相關統計數據及年鑒等[10]。

2.1.2 遙感影像解譯與信息數據提取 由于獲得的遙感影像超過研究區域的范圍，應用ArcGIS軟件和鄭州市行政邊界圖對3年遙感影像圖進行剪裁，依據《土地利用現狀分類（ GB/T21010-2017）》中的相關標準，同時將鄭州市的具體地類特征情況作為參考，并結合所采用的遙感影像分辨率以及其他相關研究[11]，將鄭州市土地利用分為耕地、林地、建設用地、水域、未利用地5種用地類型。本研究采用監督分類的方法，先在預先處理好的遙感影像基礎上，根據所定義的用地類型進行分類樣本的選擇。在樣本選擇時，要注意區分地類，并且在選取時遵循分散原則，通過對樣本間的可分離性計算判斷樣本是否合格，從而提高分類結果。根據樣本的精度需求，分類器選擇最大似然（ Maximum Likelihood）[12]，然后選擇支持向量機分類的方法進行分類，同時可以對影像進行分類后處理得到分類結果（圖1）。

通過選擇感興趣區以獲得混淆矩陣的方式對分類結果進行精度驗證，由所得的混淆矩陣，可以得到表1中的精度評價指標系數[13]。研究認為，Kappa系數在0.60-0.80時表示分類質量很好，在0.80-1.00時表示分類質量極好[14]，因此，本研究中的分類質量相對較好。

通過對監督分類后的3年分類圖像解譯，得到鄭州市土地利用現狀結果（圖1），然后利用ArcGIS工具對所得數據進行匯總計算，得到所需要的鄭州市土地利用數據（表2）。

2.2 土地資源承載力評價方法

2.2.1 評價指標體系建立與標準值的確定評價指標體系的建立需要遵循一定的原則，從而使指標更加有意義，本研究選用的原則為：①全面性、系統性;②典型性和簡明性;③可用性和實際性;④動態、靜態結合評價。評價指標的選取需要在滿足指標體系的原則下進行，同時再對所選的指標做進一步篩選。土地承載力水平受多方面因素的影響，本研究主要從土地使用強度、土地利用效率和土地利用結構布局3個層次對鄭州市的土地資源承載力進行評價和研究[9]，在指標體系已建立的原則下，共選取11項指標。

評價指標數據主要來源于通過對鄭州市2004、2009及2013年遙感影像分類解譯而獲得的土地利用數據、《鄭州統計年鑒》《河南省統計年鑒》以及鄭州市國土資源局、水務局等機構的其他相關公報和資料，并借用Excel對所得數據進行整理和運算。

評價指標標準值依據國際有關土地利用標準與土地資源承載力標準進行綜合考慮，個別指標的標準值結合鄭州市土地資源的詳細情況進行校正[10]，從而最終得到鄭州市土地承載力評價指標體系（表3）。

2.2.2 指標的無量綱化土地承載力評價受到諸多方面的影響，并且指標選取較多，每項指標的計量單位不同導致評價結果產生一定的誤差，所以在對各項指標評價之前，要進行無量綱化處理[15]。指標一般分為三類：效益型、成本型和適度型指標[16]。鄭州市國民經濟和社會發展總量數據來自2004、2009、2013年的《鄭州統計年鑒》，通過對數據過濾和計算得到所需的指標值，指標無量綱化的公式如下。

1）效益型指標：

各指標根據指標類型的不同，通過公式（1） -（3）計算，從而獲得量化值。

2.2.3 土地資源承載力評價計算通過對主觀賦權和客觀賦權法在使用范圍和優缺點方面的比較總結，采用均方差方法來確定總體評價中各因素權重系數[17.18]。均方差方法的基本路線是：

3 研究區土地資源承載力評價

3.1 土地使用強度評價

土地資源使用強度指的是單位用地面積投資強度[19]。根據所選取的指標和已得到的鄭州市耕地和建設用地面積（表2）及2004、2009及2013年《鄭州市統計年鑒》中的人口總數（708.2、752.1、919.1萬人）和鄭州市總面積744 620 hm2，通過對公式進行運算，可得到鄭州市2004、2009、2013年土地使用強度值。

2004年鄭州市土地使用強度為0.412 4，2009年為0.420 7，2013年為0.355 0。2004-2009年，土地使用強度呈上升趨勢，這說明鄭州市此期間土地資源的使用與人口資源分配比例較好，土地使用方式在逐漸變得合理。但2009-2013年，鄭州市的土地使用強度有較低的下降趨勢，主要是由于這一時期人口處于快速持續增長階段，由752.1萬人迅速增至919.1萬人，人地矛盾突出。雖然在此期間，基于土地資源的有限性對鄭州市的土地利用進行了調整，農用耕地與建設用地等的規模發生了較為明顯的變化。但盡管如此，因為鄭州市人口基數過大，人口增長過快，規劃改善成效甚微，人均耕地、人均建設用地依舊低于目標值，鄭州市土地與人口間的協調發展仍然存在較為明顯的不平衡性，耕地后備資源匱乏，與所選取的3個指標相結合來看，鄭州市的土地使用強度總體上來說相對較差。

3.2 土地利用效率評價

土地利用效率是指在土地資源使用過程中土地使用資本最低時可以產生的最大收益。通過對土地利用效率的評價與分析，對鄭州市的社會經濟發展有一定的了解和認識[10]。根據《鄭州市統計年鑒》的數據（表4），通過公式計算2004、2009和2013年鄭州市的土地利用效率。

鄭州的土地利用效率在2004年為0.583 0、2009年為0.970 3、2013年為0.971 6，土地利用效率呈上升趨勢，表明鄭州市的土地資源逐漸得到了合理有效的管理和利用。2004年鄭州市的土地利用效率較低，土地利用效率的各項指標除了地均生產總值（25.233萬元/hrri2）比標準值（17.5萬元/hrri2）高外，其他的指標狀態相差較為明顯，說明2004年鄭州市的土地資源并沒有得到相對高效的利用，當時全國處在繁榮發展的初始階段，受資金、人才、技術等的制約，鄭州市經濟并不發達，工業發展較為落后，人們生活消費水平較低。隨著國家政策的出臺以及河南省相關土地利用政策的提出，鄭州市土地利用效率2004-2009年取得了很大的提升，土地利用效率趨于良好。隨著社會的快速發展和經濟的不斷增長，鄭州市土地的生產力基本可以滿足社會需求，由2004年的17.941萬元/hm2到2009年的44.432萬元/hni2，再到2013年的88.288萬元/hn12，土地生產總值明顯提高，工業發展迅速，人民生活水平日益提高。但是，鄭州市糧食及作物總產量2004-2013年期間卻一直不高，2004年糧食單產為4 211.872 kg/hm2，2013年糧食單產4 631.005 kg/hm2，糧食單產值均低于標準值（8 700 kg/hm2），阻礙了鄭州市的經濟發展。

3.3 土地利用結構和布局評價

土地利用結構和布局可以直接反映某一時期的土地利用狀況，并可基于其對國民、區域及企業經濟各部門的作用水平、經濟效益和潛在能力進行分析，還包括開發的可能性[20]。由鄭州市建設用地面積、未利用地面積（表2），還有從《鄭州統計年鑒》中搜集整理到的農用地面積和由鄭州市水資源公報中獲得的水資源占有量數據，通過對公式進行計算，最終可得到鄭州市2004、2009、2013年土地利用結構和布局計算結果（表5）。

由表5可知，鄭州市2004年土地利用結構和布局評分為0.330 4、2009年為0.327 6、2013年為0.600 7。2004、2009、2013年鄭州市土地利用結構和布局方面正處于不斷優化改善的狀態，每年都有一定的改觀。隨著城市的擴張以及城市化進程的加快推進，鄭州市的土地利用率2004-2013年明顯提升。但是，由于受鄭州地理環境等其他因素影響，鄭州市東、西北部以及城區開發程度較高，其西部、南部多山地林地，開發程度較低，總體的結構處于中等開發程度，與標準的結構布局相比較，還有很大的發展空間。

3.4 土地承載力計算與評價

對鄭州市土地使用強度、土地利用效率及土地利用結構和布局的數據通過公式（4）～（7）對其賦權和計算，得到鄭州市的土地承載力結果。鄭州市2004年土地承載力為0.473 2，2009年為0.689 0，2013年為0.778 3，呈逐年上升的狀態。2004-2009年提升速度較快，土地利用效率呈逐年上升趨勢。鄭州市2004-2013年，工業發展迅速，經濟蓬勃發展;土地使用強度及土地利用結構與理想狀態還有一定差距，表明鄭州市在土地利用上還有一定的優化和發展空間。

4 小結

以河南省鄭州市為例，借助遙感技術，深入分析了鄭州市的土地利用現狀，并結合城市土地資源的實際情況，建立鄭州市土地資源承載力評價指標體系，從而對鄭州市土地資源承載力問題進行研究。2004、2009、2013年鄭州市各類用地中明顯增加的為建設用地，耕地、林地、水域等用地變化幅度較小。從遙感影像中提取耕地、建設用地、水域、林地等的占有量，為后期對鄭州市的土地資源承載力分析評價提供一定的數據基礎。

結合鄭州市地理特征和土地利用方式，選取適合鄭州市土地承載力評價的11個指標，建立相關指標體系，采用均方差法計算鄭州市土地資源承載力，并由此評價指標體系研究的結果得出，鄭州市土地資源承載力的研究須將人口、資源、建筑、經濟、環境等方面結合起來，才能衡量鄭州市土地資源的整體承載能力。鄭州市土地資源承載力最高評價值為2013年的0.778 3。近年來，鄭州市在經濟發展方面保持較為均衡且快速增長，使得鄭州市的土地資源承載力狀態良好。評價最低的是2004年，為0.4732。主要是因為在這個時期，鄭州市改革開放和現代化還沒有進入到相對成熟的階段，還有待進一步改善。在土地使用、土地利用結構和布局等方面與目標值仍有存在很大差距，此時鄭州市土地承載力處于相對較弱的狀態。2004-2013年，鄭州市土地資源承載力總體上呈逐年上升的過程，有較為明顯的進步;土地利用效率及土地利用結構和布局的上升幅度也略有提升，顯示出鄭州市在土地資源利用上的可持續性在此期間有所提升，但土地使用強度有下滑的趨勢，表明鄭州市在此期間對土地進行分配使用時，忽視了人口與土地矛盾的關系。隨著人地矛盾的突出，要想提高區域的可持續發展能力，必不可少的要提高土地資源承載力，從而實現可持續發展。

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作者簡介：賈亦斌（1995-），女，河南平頂山人，在讀碩士研究生，研究方向為土地資源管理，（電話）18537519201（電子信箱）181314110002@hhu.edu.cn。