基于发展压力状态的土地利用动态遥感监测区域划分方法——以天津市津南区为例

曹子剑，吴学瑜，高振宇，李 宁，李 朋，孙富国

(1.天津市地籍管理中心，天津 300050;2.蓬莱市国土资源局，烟台 265600)

0 引言

随着对地观测技术的飞速发展以及观测基础数据的不断积累，遥感技术已普遍应用于大规模、多尺度、高频率的国土资源调查工作中，并在耕地保护、土地变更调查和土地执法监察等方面发挥了重要作用［1－5］。为进一步满足城市建设和土地管理的需要，自2002年起，天津市每季度自主开展一次土地利用动态遥感监测工作，监测范围由最初的环城四区、滨海新区扩展到现阶段的全市域覆盖。监测范围的扩大，必然伴随着内外业工作量的剧增，如果依旧不分重点、一味大而全地开展遥感监测工作，不仅会浪费大量的人力、物力和财力，而且会影响遥感监测的高效、现势和准确等优越性的发挥。

在监测范围全覆盖的背景下，如何因地制宜地划分不同监测区域，以便针对不同区域采用适宜的监测思路和方法，进而全面提高遥感监测的工作效率、降低工作成本，乃是当前急需解决的问题。在现阶段，关于土地利用动态遥感监测的研究主要集中在监测方法改进、算法选择、图像处理和成果应用［6－8］等方面，而对监测分区的划分则鲜有研究。鉴于此，本文以天津市津南区为例，针对当前开展土地利用动态遥感监测工作主要为控制新增建设用地、保护耕地红线的实际情况，将研究区域内农用地和未利用地作为研究划分的对象，重点探讨了基于发展压力状态的土地利用动态遥感监测区域划分的方法，并对不同区域提出了不同的监测思路和方法，以期为今后天津市乃至全国进行遥感监测区域划分、因地制宜地采取不同的遥感监测方法提供借鉴，以促进土地利用动态遥感监测工作的高效开展。

1 研究区概况

津南区为天津市环城四区之一，位于中心城区东南部，是连接市中心区和滨海新区的重要通道。该区地处沿海开放区，总面积约387.57 km2，下辖8个镇和1个街道办事处(分别为咸水沽镇、葛沽镇、小站镇、双港镇、辛庄镇、双桥河镇、八里台镇、北闸口镇和长青办事处)。近年来，随着经济的快速发展和城市化水平的不断提高，津南区土地利用状况发生了巨大的变化，土地利用的动态变化日益频繁。

2 数据源及其处理

用于本文研究的数据包括:①津南区2010年1∶2 000比例尺的土地变更调查数据(从中提取城镇、农村居民点用地及作为此次发展压力评价单元的农用地和未利用地等);②津南区2010年1∶2 000比例尺的道路交通等级图;③国土资源部下发的2011年度津南区土地利用动态遥感监测变化图斑;④津南区2011年社会经济统计年鉴(获取津南区各乡镇固定资产投资，二产、三产产值以及人口规模等数据)。利用GIS 软件统一各专题图件的空间投影坐标系，建立了多源空间矢量数据库。

3 研究方法

统筹考虑与发展压力有密切联系的自然条件、地理区位和经济发展水平等因素［5］，构建发展压力评价指标体系;将2010年津南区土地变更调查数据库中农用地和未利用地作为发展压力评价单元，利用多因素综合评价方法选取相应定量指标进行分级评价和区域划分;针对不同区域的经济发展水平和土地利用特征，提出土地利用动态遥感监测的思路和方法。

3.1 发展压力的评价

本文所说的“发展压力”［9］是指在市场经济条件下农用地和未利用地转化为建设用地可能性的大小，发展压力越大的区域，其转化为建设用地的可能性越高，反之则越低。

3.1.1 指标体系的构建

以因子的全面性、代表性及区域差异性和资料的可获得性为原则，结合已有学者关于发展压力相关研究成果和津南区的实际情况，分别从自然条件、地理区位和社会经济发展水平等因素［9］中选取与发展压力有较大关系的因素作为评价因子来构建发展压力状态评价指标体系。

自然条件为建设用地扩展的基本限制因素，主要包括地形坡度、地质条件和地下水位等因素［5］，反映评价单元的建设用地适宜性。适宜性越低的地块承载的发展压力越小。由于津南区属于平原区，地形平坦，地貌条件单一，且地基承载力相差不大，因此地形条件和地基承载力等自然环境因素对建设用地扩展不存在限制条件。

地理区位是建设用地选择的重要参考。地理区位指评价单元与交通线路、城镇或农村居民点等人文环境条件之间的相对位置关系［10］，区位条件越好，转化为建设用地的压力越大。为此，发展压力的区位影响因素主要选取“与城镇的距离”、“与居民点的距离”和“与交通道路的距离”来描述。

社会经济的发展总是伴随着城市化进程和土地资源农非转化［11－12］进行的。在一般情况下，区域经济发展越快，位于该区域的评价单元转化为建设用地的可能性越大。本文对经济发展因素的选择主要为评价单元所在乡镇的地均第二产业值、地均第三产业值、城镇化率和地均固定资产投资规模等因子来表述。地均二、三产值和固定资产投资规模越大，城镇化率越高，评价单元转化为建设用地的可能性就越大。

基于上述分析，笔者选取与最近城镇距离、与居民点距离、与主干道路距离、地均二产、地均三产、城镇化率和地均固定资产投资等7 种因子作为发展压力状态评价指标，并采用特尔斐法(Delphi method，又称专家调查法)确定各发展压力状态评价指标的权重(表1)。

表1 评价单元的发展压力状态评价指标体系Tab.1 Development pressure index system of evaluation unites

3.1.2 指标体系的量化

对于地理区位因素指标，主要利用ArcGIS 9.3 空间分析功能量算评价单元与最近城镇、居民点和主干道路的距离。各区位因素指标的量化标准见表2。

表2 地理区位条件各因素指标定量标准Tab.2 Quantitative standards of various geographical location indicators

对于社会经济因素指标，考虑到乡镇城镇化率、乡镇地均二产产值、乡镇地均三产产值及固定资产投资等评价指标在量纲、数量级和数量变化幅度上的差异，对这些指标的量化采用极值标准化的方法，得到值域为0～100 且极性一致的数值。计算公式为

式中:x'ij为标准化后某指标的值;xij为处理前某指标的值;ximax，ximin分别为处理前某指标的最大、最小值;i 表示“某指标”，j 表示“某乡镇”。但对末一级指标的标准化值不按零考虑，而是根据经验值确定。

以乡镇为单位，将各个乡镇城镇化率、乡镇地均二、三产产值及固定资产投资等评价指标标准化后的分值分别赋给各个乡镇的发展压力评价单元。

3.1.3 评价方法

采用多因素综合评价方法。假定有m个因素，每个因素又包含n个因子，则评价得分等于各因子分值综合累加之和，即

式中:Pji为所有参评因子的总分值;Wji为第j个因素第i个因子的权重;Cji为第j个因素第i个因子的分值。

在计算各评价单元综合作用分值的基础上，利用ArcGIS 9.3 中的自然分级(natural break)功能进行发展压力状态等级划分。自然分级是将所有评价单元的得分进行频数统计，以频率曲线的突变点(频率分布在空白或低值区)作为级别界限。

3.1.4 评价结果与分析

2010年津南区发展压力状态评价单元共划分为4个等级(分别以44.64，58.14，72.90 和86.40为分割阈值)，其中Ⅳ级的发展压力最大，Ⅰ级的发展压力最小。津南区评价单元发展压力状态等级的空间分布情况如图1 所示。

图1 津南区评价单元发展压力状态分级Fig.1 Development pressure classification of evaluation unites in Jinnan district

评价单元发展压力状态分级在各个乡镇的分布情况见表3。

表3 各发展压力状态等级在各乡镇的分布Tab.3 Distribution of different development pressure grades in every town

从表3 来看:

Ⅳ级压力单元共有3 645个，面积3 413.8 hm2，占评价单元总面积的16.5%，主要分布在葛沽镇、咸水沽和双港镇。葛沽镇作为滨海新区冶金工业基地和副食品供应中心之一，也是津南区的经济重镇，预期今后建设用地会有较快的增长;咸水沽镇自古商业繁盛，是津南政治经济文化中心，集中了津南大部分公共资源和各类工商产业，拥有雄厚的经济基础，作为此次津南区新城规划的重点区域，在规划期内，随着新城建设的不断完善，建设用地诉求较高，各评价单元转化为建设用地的压力较大;双港镇地处城郊结合部，是津南区的北大门，由于受中心城区经济辐射带动的影响，加之津南开发区西区坐落在该镇的产业优势，其评价单元也面临着转化为建设用地的压力。

Ⅲ级压力单元共有8 103个，面积8 236.6 hm2，占评价单元总面积的39.9%，主要分布在小站镇西部、北闸口镇东部、辛庄镇、双桥河镇、葛沽镇东部区域。小站镇位于津南区的东南部，是以食品加工和制造业为主的特色镇，其西部评价单元存在一定的转化压力;北闸口镇位于津南区中心部位，现有北闸口工业区是2003年开发区整顿后保留的开发区之一，也是镇级开发区中开发早、效益良好的开发区，随着经济结构的调整和经济的快速发展，该区域将成为以电子及综合加工业为主的现代工业城镇，对建设用地需求将进一步加大;辛庄镇和双桥河镇分别作为连接津南区城区与中心城区和滨海新区的纽带和桥梁，受双区经济辐射影响较大，其评价单元存在一定程度的转化压力。

Ⅱ级和Ⅰ级压力评价单元共有8 376个，面积9 011.7 hm2，占评价单元总面积的43.6%，主要分布在八里台镇、小站镇东部和北闸口镇西部。总体而言，该类评价单元所处区域的社会经济发展较为缓慢，人地矛盾不突出，建设用地诉求相对较低，转化为建设用地的可能性较小。

3.1.5 合理性验证

通过上述分析可以看出，评价单元的发展压力状态等级比较客观地反映了津南区各区域的经济发展水平。评价单元发展压力状态等级高的区域，正是经济发展强劲、建设用地诉求高的地区;评价单元发展压力状态等级低的区域，则是社会经济发展缓慢、人地矛盾不突出的地区。由此可见，本文所探讨的基于发展压力状态的评价指标体系与评价方法是合理的，能够客观反映津南区经济发展的实际情况。

此外，对研究区的评价单元进行发展压力状态分级评价、进而划分不同压力区域，目的就是为了诊断和识别新增建设用地“高发、易发”区域，使今后土地利用动态遥感监测工作更加有的放矢，针对性更强，避免对全部监测区域“一把抓”而重点不突出。为此，对评价单元发展压力状态分级、评价结果的合理与否，可以通过分析国土资源部年度遥感监测新增建设用地的变化图斑在各评价分级区域的分布特征、考察遥感监测变化图斑与发展压力等级分布的吻合程度来判定，若高级别的评价单元囊括绝大多数遥感监测变化图斑，而低级别的评价单元中只出现较少的遥感监测变化图斑，则能较好地验证本文提出的发展压力状态评价分级的合理性。

2011年，国土资源部下发津南区遥感监测新增建设用地变化图斑760个，面积684.1 hm2。本文将遥感监测变化图斑与发展压力评价结果进行了空间叠置分析(表4)。

表4 2011年津南区遥感监测变化图斑在评价单元发展压力状态分级中的分布Tab.4 Distribution of remote sensing monitoring polygon in development pressure grades of Jinnan district in 2011

表4 的分析结果表明:从面积来看，遥感监测变化图斑总量的32.6%和54.9%分别落在发展压力评价单元的Ⅳ级和Ⅲ级(即87.5%的变化图斑出现在56.4%的高压力级别评价区域中);从个数来看，遥感监测变化图斑总量的25.4%和52.1%分别落在评价单元的Ⅳ级和Ⅲ级(即77.5%的变化图斑出现在58.4%的高级别评价区域中)。可见，无论就变化图斑的面积还是个数而言，高压力级别评价单元基本囊括了大部分遥感监测变化图斑。此外，遥感监测变化图斑在各压力等级的分布密度均呈现出随压力级别增高、遥感监测变化图斑分布密度增大的变化趋势。由此可知，本文所划分的发展压力较大的区域，新增建设用地变化图斑出现的概率也较大，二者吻合性较好，从另一个侧面验证了本文提出的发展压力状态评价分级的合理性。

3.2 遥感监测区域划分

在上述评价单元发展压力状态分级的基础上，按照“重点优先监测发展压力大的土地，适度宽松监测发展压力小的土地”的原则，考虑到遥感监测分区划定的客观性、区域指导性和易操作性，将4 级发展压力状态区进行归并调整，得到津南区土地利用动态遥感监测的重点监测区(为原发展压力状态级别Ⅲ和Ⅳ)和一般监测区(为原发展压力状态级别Ⅰ和Ⅱ)(图2)。

图2 遥感监测分区Fig.2 Zoning of remote sensing monitoring

在上述区划的基础上，即可以“因地制宜，重点区域重点监测”为原则，针对不同监测区域设计不同的遥感监测路线和方法(表5)。

表5 各监测区遥感监测方法对比Tab.5 Comparison of remote sensing monitoring methods between different monitoring areas

4 结论与建议

1)本文构建了基于发展压力状态的土地利用动态遥感监测分区评价指标体系，计算了各评价单元的发展压力状态级别，并在此基础上将研究区域划分为重点监测区和一般监测区;根据区域经济发展水平和土地利用特征，因地制宜地提出了不同的遥感监测思路和方法，以便使今后土地利用动态遥感监测工作更加有的放矢，针对性更强，促进遥感监测工作高效开展。

2)津南区作为天津市社会经济加速发展和城镇化快速推进的区(县)之一，其经济、社会和人文等因素具有一定的代表性和参照性。与津南区相似的我国其他市(县)也可以其为参照，探索适合自身的监测分区划分方法。在市(县)级尺度上，考虑到遥感监测分区划分的连续完整性、区域指导性和易操作性，区域划分不宜太粗或过细，在发展压力分级的基础上可优先考虑划分为重点监测区和一般监测区2 类区域。

3)本文立足控制新增建设用地、保护耕地红线的实际，将研究区内农用地和未利用地单元作为研究监测区域划分的对象，重点探讨了市(县)小尺度上的遥感监测分区(块)划分方法。今后在国家、流域、省市等大尺度层面上进行遥感监测区域划分时，可考虑以乡镇、市(县)等行政区域为划分单元，采用本文所探讨的方法进行监测区域划分，并因地制宜地采取相应的遥感监测方法。

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