基于高分辨率影像數據分析的城市土地利用效率研究

宋欣

摘要：本文以嘉峪關市為例，通過遙感技術手段制作全域高分辨率衛星影像，通過內業對比分析精準監測該市2010年、2019年度城市內部閑置土地現狀和城市建設用地擴張邊界范圍，利用土地利用結構分析和DEA模型分析，綜合評價該市的城市土地利用效率。結果表明：該市在2010-2019年間土地利用效率保持持續增長態勢;城市的盲目擴張導致閑置土地大量增加，一定程度制約城市土地利用效率提升。建議加強規劃引導、制定完善導向政策、盤活閑置用地、完善項目監管措施是該市在未來一定時期的土地利用的主要方向的建議。

關鍵字：土地利用效率;閑置土地;城市擴張;土地利用結構;DEA模型

中圖分類號：F293.2;S127

1 引言

隨著我國社會經濟的快速發展，城鎮化與工業化持續推進，各項產業扶持力度加大，農村人口大量涌進城市，建設用地的擴張規模呈現極速增長，現階段土地有效供應仍是我國經濟增長的主要支撐。在城市發展過程中因各種原因在土地利用方面出現了較多的問題，包括閑置用地數量快速增長且處置困難，新增建設用地亂占亂用優質耕地等。

根據自然資源部（原國土資源部）2012年施行的《閑置土地處置辦法》中關于閑置土地定義，是指土地使用人在合法取得土地使用權后，在有償使用合同或劃撥決定書規定的動工開發日期滿1年，未經政府部門批準同意，超過限期未開發利用的建設用地。閑置土地形成原因錯綜復雜，主要是規劃不合理、供需矛盾凸顯、政府批后監管不力、土地管理體現出現漏洞等因素。各地開發區、新區的集中涌現，土地供給量遠大于社會發展所需的需求量;政府盲目招商引資、增加財政收入等行為，出讓過低、過高于市場價的土地，出現土地使用人圈地囤地、企業經營不善無力開發等土地閑置現象;土地審批部門在土地審批階段對土地申請人信息掌控不足、批后監管跟蹤不到位，造成土地閑置。近幾年國家出臺了一些關于閑置土地的處置意見及措施，但各地處置效果并不理想，并逐年持續增長。

城市建設用地增加，必然導致城市邊界持續擴張，其特征主要在人口密集、交通發達、水資源豐富地區進行開發，這些地區往往地勢平坦、土壤肥沃，造成新增建設用地占用大量的優質耕地，威脅我國糧食安全。

鑒于上述土地利用問題，本文選嘉峪關市市區為研究區，利用遙感影像數據摸清城區土地利用整體情況，在空間上、時間上進行土地利用分析，研究其在近十年間的城市土地利用效率，并提出合理化發展建議。

2研究區及數據源

2.1 研究區概述

嘉峪關市位于甘肅省河西走廊西段，面積2935km²，人口24萬，東臨酒泉市肅州區，西連酒泉市玉門市，南至祁連山，北至黑山，是“絲綢之路”的重要交通要道。1958年依托酒泉鋼鐵公司興建，是一座美麗的新興工業旅游城市，鋼鐵工業和旅游業是其重要的支柱產業，人均GDP一直位于甘肅省前列。

近年來由于我國產業結構調整，房地產等傳統行業萎縮，鋼鐵產能過剩，酒泉鋼鐵公司業績下降明顯，造成該市經濟增長速度減慢。隨著高鐵、高速公路等交通基礎設施快速發展，其旅游業發展速度較快，產值比重逐年增加，加之傳統鋼鐵行業尋機轉型，取得了一定成效，延緩了經濟下行趨勢。

2.2 數據來源

本次研究項目共收集嘉峪關市2010年、2012年、2017年、2019年四期遙感影像數據，其中2010年、2012年遙感影像數據為這兩期年度土地利用變更調查項目衛星影像數據，可以直接使用;2017年、2019年遙感影像數據為作者自行收集，需進行數據預處理。

嘉峪關市2010年、2012年遙感數據來源于我國“遙感2號”衛星影像數據，覆蓋整個行政轄區，該影像數據僅包含全色波段，時相為2010年、2012年8月-10月，空間分辨率為2.5m，影像云覆蓋率低于為5%;2017年、2019年度遙感數據來源于我國近幾年發射的GF-2衛星影像數據，覆蓋整個行政轄區，該影像數據包含全色波段和多光譜波段，時相為2017年、2019年9月-12月，空間分辨率為1m，影像云覆蓋率低于為5%。

3 數據處理及信息提取

3.1數據處理

為滿足2010-2019年度四期遙感數據對比分析需求，將收集到的2019年GF-2衛星遙感影像進行預處理，以2010年遙感影像作為平面控制，分辨率30米DEM數據作為高程控制，利用影像處理軟件將GF-2全色波段影像進行正射糾正;糾正后的全色波段影像作為參考，配準多光譜影像;然后將糾正后的全色波段和配準好的多光譜波段影像進行融合處理，增強影像識別精度。將多幅融合后的單景影像進行鑲嵌，形成覆蓋嘉峪關市整個行政轄區的 “一張圖”。

3.2 信息提取

利用ARCGIS數據處理軟件，依據制作完成的遙感影像紋理進行內業判讀，劃定城市擴張邊界、勾繪閑置用地圖斑。

劃定2010、2019年度嘉峪關市城市邊界。嚴格按建成區劃定城區范圍，并內部不允許出現“空洞”;緊靠建成區的公路、公園可劃入城區范圍，新建開發區路網內土地可劃入城區。

提取2012年、2019年度城區閑置用地圖斑。將城區內的空閑地、荒草地（除公園內的草地）、臨時堆放、推（堆、填）土區等地塊勾繪成圖斑，作為城市內部的未建成區。因缺乏研究區閑置土地的有償使用合同或劃撥決定書，無法了解土地的具體動工日期，本文暫定2年內未動工開發的土地即為閑置土地。2010年至2012年間、2017年至2019年間未動工開發的未非建成地塊確定為閑置土地圖斑，。

4城市土地利用現狀

4.1閑置土地現狀

經過提取圖斑數據統計，2012年、2019年度閑置土地圖斑總面積分別為14676.5畝、15741畝，新增閑置土地1064.5畝，占2012年閑置土地面積的7.2%。

（1）以2012年閑置土地圖斑為底數，兩期閑置土地圖斑層疊加分析后， 8年間仍未開發的閑置土地圖斑為36個，面積為5534.3畝，占2012年閑置土地總面積的37.7%，見表1。

通過影像判讀和實地調查，并參考土地不動產相關資料，確定8年間未開發的、消化的閑置土地用地類型，其中未開發的工業用地34塊、教育用地1塊、住宅用地1塊。嘉峪關市是一個新興工業城市，工業用地在閑置土地的數量、面積都占絕大數比例，占未開發閑置土地總面積的88%，基本為酒泉鋼鐵公司的使用土地。部分閑置土地未按照批準土地整體開發，且開發后用地類型與前期批準用地類型略有差異，對消化的閑置土地圖斑進分割合并處理，圖斑數量進行了重算，確定總圖斑數量為67個、總面積為9142.2畝，涉及工業用地25塊、道路用地12塊、商業服務業用地7塊、公園與綠地用地7塊、公共服務設施用地5塊、住宅用地4塊、教育用地2塊、特殊用地2塊、倉儲用地2塊、農業用地1塊，見表2。

（2）疊加對照2017年、2019年兩期遙感影像開展內業信息提取，獲得2019年度新增閑置土地圖斑。除去2012-2019年存量閑置土地面積，2019年新增閑置土地面積為10206.7畝，占總面積的64.8%，其主要分布在嘉峪關市市區東部新城區，城區路網已建成，多為路網內未供閑置土地。

表3中“待開發”用地類型是指使用用途不明確的閑置土地，主要集中在嘉峪關市南部新城區，根據城市規劃顯示，區域以住宅、科教文衛、娛樂、商業用地為主;工業用地仍是該市閑置土地的主要批準用地類型，集中在北部工業開發區，毗鄰酒泉鋼鐵公司廠區;公園與綠地、住宅、教育用地主要集中在城區中部、南部。

4.2?城市邊界擴張現狀

2010-2019年嘉峪關市城市范圍持續擴張，建設用地空間范圍也逐年增加如圖3所示，2010年、2019年城區面積分別為111422.04畝、149037.09畝，增加了37615.05畝，擴張了33.8%。

利ARCGIS軟件將2010年、2019年城區范圍疊加分析，獲得2010-2019年城區擴張范圍，再套合2010年土地利用變更調查數據庫，確定城市新增建設用地占用非建設用地面積，見表4。

非建設用地包括農用地和未利用地，農用地主要為耕地、林地、草地等用地類型;未利用地主要為裸土地、沙地等用地類型，在影像紋理上辨別就是城區周邊泛黃的、植被稀少土地，俗稱戈壁灘，具體分布見圖4。

將2010-2019年城市擴張占用非建設用地圖斑制作成調查底圖，開展實地調查，確定范圍內圖斑用地類型、范圍的變化情況，經過半月時間的實地勘查與內業整理，獲得相應圖斑的變化情況，如表5所示。

“待開發”土地類型面積占比為29.99%，土地空置面積較大，主要原因是近些年該市持續向東擴張，新城區基礎設施建設速度較快，路網已基本成型，大量未開發土地待供。

5 城市土地利用效率分析

城市土地利用效率是指在城市發展的不同時期，將有限的土地合理化、最大化利用滿足城市發展需要，對城市的政治、經濟和社會發揮重要的作用。本文以土地利用結構和土地利用投入產出效益的分析，綜合評價土地利用效率。

5.1?土地利用結構分析

從我國現階段城市發展規律來看，較多城市呈現邊界盲目無序的擴張、內部閑置土地持續增長等現象，是城市科學合理發展面臨的重要問題，結合嘉峪關市2012-2019年閑置土地增長率、處置率和城市擴張率，綜合評價嘉峪關市土地利用效率。

根據文中土地利用現狀分析結果，2012-2019年嘉峪關市閑置土地增長率為7.2%，閑置土地處置率為62.3%，城市擴張率為33.8%。從數據統計結果發現，閑置土地增長率明顯低于處置率、城市擴張率，約為處置率的1/9，城市擴張率的1/5，城市土地利用效率較高。

從表2、表3中閑置土地面積占比列統計發現，工業用地在閑置土地面積占比、消化面積占比中均最重，分別為57.6%、60.2%，占閑置土地面積的一半以上，工業仍是該市經濟發展的主要動力，合理利用工業用地決定著土地利用效率。該市近年經濟發展呈現多元化趨勢，旅游業產值比重逐年遞增，公園與綠地建設力度加大，在閑置土地消化面積占比中增長明顯，占12%，在2019年閑置土地總面積占比中也較低，僅為1%。隨著該市向城區南部、東部快速發展，基礎設施建設方面投入較多，新建城區路網已經成型，導致路網內部產生大量土地閑置，面積為7529.4畝，占2019年新增閑置土地面積的73.8%，不以項目依托的城市擴張，必然影響城市土地利用效率。

從表4可以看出，嘉峪關市城市新增建設用地基本上是占用城區周邊的未利用地，很少部分占用農用地，僅為擴張面積的4%，對農用地依賴度處于極低水平。表5中農用地變更為建設用地各地類面積占比近似，工業用地占比較大，是住宅用地的兩倍;未利用地變更為建設用地各地類面積占比中，工業用地面積占比是33.63%，遠高于其他地類，隨著酒泉鋼鐵公司的業務擴展、產業轉型及依靠其生存的中小型附屬加工企業增多，工業用地一直是嘉峪關市城區擴長的主要用地類型。近年嘉峪關市努力打造旅游城市，大力支持旅游文化產業，促進經濟多元化發展，城區內公園、綠地及人工湖建設較多，加之新城區建設，公園與綠地、道路用地面積占比較大。

“待開發”土地類型在閑置土地和城市擴張面積中占比一直較高，均約占兩類土地總面積的1/3，主要是新城區路網已形成，內部空閑土地無項目依托，導致大量土地閑置。

5.2 DEA模型分析

影響城市土地利用效率主要因素有土地及其承載的自然、資本、勞動力等要素，要素投入、產出的經濟、社會效益決定城市土地利用效率的高低。本文土地利用效率評價采用DEA模型，評價指標體系參考郭施宏的土地利用效率評價指標見表6。

經過多種算法比較，SE-DEA模型對于城市土地利用效率高低區分明顯，且能夠決定單元效率值的高低程度，主要通過對城市土地投入、產出的經濟、社會效益進行分析，確定土地利用效率。模型表達式為：

其中，X、Y分別表示投入、產出量;θ（1<θ≤1）表示決策單元的有效值;ε為非阿基米德無窮小量，∑λ≥1表示投入產出效益遞增，∑λ≤1表示投入產出效益遞減，∑λ=1表示投入產出效益不變;S⁺和S^-為松弛變量，表示增加、減少的投入量;s.t.為限制性條件。

參考2012年、2019年《嘉峪關市發展年鑒》數據，利用DEAP2.1軟件對2012年、2019年嘉峪關市建設用地利用效率進行分析，計算出2012年、2019年嘉峪關市城市土地利用效率為0.606、0.739。從分析結果可以看出，2012年至2019年嘉峪關市的土地利用效率處于增長趨勢，且高于2012、2016年全國城市群土地利用效率均值0.584、0.718，數據來源于曾鵬等中國城市群土地利用結構與效率研究。

6結論

本文通過對2019年獲取的GF-2衛星影像進行數據預處理，制作嘉峪關市全域的高分辨率影像數據;參考已有的高分辨率影像及年度變更調查數據，內業對比提取城市土地利用現狀信息，并進行了外業核實;結合制作完成的城市土地利用現狀數據，開展土地利用結構與DEA模型分析，綜合評價該市城市土地利用效率，得出以下結論：

（1）從土地利用結構看，嘉峪關市用地特征較為顯著。閑置土地消化方面，工業用地面積占比最大，公園與綠地、道路用地、住宅用地、公共管理與服務用地、商業服務業用地次之，教育用地、倉儲用地最小。城市擴張用地方面，隨著城市快速發展與產業結構調整，公園與綠地、道路用地、商業服務業用地面積占比逐年提高，工業用地面積占比有所下降，但仍是主要用地類型。

（2）嘉峪關市土地利用效率呈逐年提高趨勢，但閑置土地總量仍持續增長。根據DEA模型分析結果，2012年至2019年土地利用效率逐年增速明顯，說明土地投入產出獲得的經濟、社會效益較好。2019年新增閑置土地面積與兩期閑置土地消化面積進行對比分析后，2019年新增閑置土地面積略有增加，主要集中在城市新建開發區內部，在城市土地利用集約節約方面還有待提高。

（3）土地利用以規劃為指導，以項目為依托。城市用地供應要與城市經濟、社會發展相匹配，編制科學的、合理的城市發展規劃，指導并控制城市擴張規模。優化產業布局，加強重大生產力建設，精準把控項目落地，將產業做大做實，推行城市土地減量化和集約化發展，極大減少城市閑置土地總量。

（4）新增建設用地占用農用地面積較少，僅為2010-2019年城市擴張面積的4%，很大程度保障了該市糧食產量，對區域糧食安全格局影響較小，保持并促進地區經濟可持續發展。

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