基于RS和GIS分析徐州市区土地利用与城市化之间的关系

郭晋远?赵红卓?王文飞?高荣

摘 要：城市化与城乡土地利用变化之间关系密切，本文通过利用RS和GIS技术，对徐州市区2005、2010、2014年的TM遥感影像进行解译分类和数据处理，并结合回归分析，对徐州市土地利用情况与城市化率之间进行了定量分析。分析表明：在2005-2014年间，徐州市区的建设用地面积在不断扩大，主要集中在主城区的东部；耕地面积不断减少，且主要转变为建设用地；林地面积缩小，衰减速度逐渐减慢；草地的面积呈现先快速增加后略微下降的趋势。徐州市区的土地变化量的大小与城市化水平之间存在着典型的线性相关，随着城市化进程的不断推进，建设用地所占比重不断增加，增加速率在减缓。且土地利用变化、工业化、城市化之间相互促进，形成正反馈的关系。

关键词：RS；GIS；土地利用；城市化；关系；徐州市区

随着经济的发展，我国的城市化进程也在不断加速推进，在此过程中，土地利用的结构也发生了巨大的变化，各类土地之间的转换频繁，且农用地在不断减少，人地关系十分紧张，因此对于城市化过程中土地利用的研究十分必要。本文以徐州市为例，讨论2005-2014年徐州市土地利用变化的特征，探求土地利用变化与城市化的关系，揭示其内在机制，试图服务于土地利用管理部门。

一、研究区域概况

徐州，地处江苏省西北部、华北平原东南部（116°22′～118°40′E，33°43′～34°58′N），东西长约210公里，南北宽约140公里，总面积11258平方公里，约占江苏省总面积的11%。其中本文研究区域为徐州市区，包括：鼓楼区、云龙区、泉山区、铜山区和贾汪区，总面积为2904 km2。至2014年末徐州市区非农人口比重为88.3%，二三产业比重为96.7%。

二、数据来源与研究方法

1.数据来源及处理

影像数据来源：本文选取2005年，2010年，2014年3期徐州市遥感影像，影像均从地理空间数据云（www.gscloud.cn）网站上下载且分辨率同为30m。其中2005年，2010年为Landsat4-5TM影像，2014年为Landsat8 OLI影像。

社会经济数据来源：《徐州市统计年鉴（2006-2015）》。文中2005-2009年的徐州市区是包括铜山县在内的范围，所以社会经济数据在处理时用的是统计年鉴上徐州市区的数据与铜山县的数据之和。

处理方法：利用ENVI5.1软件对影像进行校正、融合、镶嵌、裁剪等预处理后，根据影像的解译能力，采用支持向量机的方法对其进行监督分类，将徐州市土地类型分为：林地、草地、耕地、建设用地、水体和裸地六类。对分类后的结果进行矢量化处理后，利用ArcGIS软件对三期影像进行统计与叠置分析，得到各类土地的占比及相邻年份的土地利用类型转移矩阵。

2.研究方法

（1） 土地利用动态度。土地资源数量变化可以用土地利用动态度来表示，本文借鉴王秀兰等学者所阐述的单一土地利用类型动态度及综合土地利用动态度方法进行研究。

①单一土地利用类型动态度。单一土地利用类型动态度表达的是某研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况，其表达式为：

（1）

式中：K 为研究时段内某一土地利用类型动态度；Ua、Ub分别为研究期初及研究期末某一种土地利用类型的数量；T 为研究时段长，当T 的时段设定为年时，K 的值就是该研究区某种土地利用类型年变化度。

②综合土地利用动态度。

某一研究样区的综合土地利用动态度可表示为：

式中：LUi为监测起始时间第i类土地利用类型面积；?LUi-j 为监测时段内第i类土地利用类型转为非i类土地利用类型面积的绝对值； T 为监测时段长度当T 的时段设定为年时，LC的值就是该研究区土地利用年变化率。

3.城市化水平。城市化是一个包括人口、经济、社会、生态、土地、文化等子系统在内的复杂系统的复杂变化过程。目前的研究一般认为城市化过程包括人口城市化、空间城市化、经济城市化、社会城市化4个层面。其中人口城市化与经济城市化对城市化的影响更大。因此，本文借鉴鲁春阳等学者的计算方法，选用非农人口占总人口的比重（X1）与非农产值占总产值的比重（X2）的综合指标来衡量城市化水平，其权重分别为0.8和0.2，并进行加权平均，得到城市化综合发展水平X。其计算公式如下：

X=0.8·X1+0.2·X2 （3）

当X?30%为初级发展阶段，30%

4.城市化水平及土地利用变化之间的相互关系。本文借鉴陈永林、谢炳庚等学者的研究方法，采用回归分析的方法来分析两者之间的关系。其公式如下：

Y=aX2+bX+c （4）

式中：Y为某土地利用类型占总面积的比例；X为城市化综合发展水平。

三、结果与分析

1.徐州市土地利用现状分析

利用ArcGIS软件进行统计分析，得到徐州市三期土地占比的数据（表1）。

由表1可看出耕地面积在三个时期所占比重最大，其次是建设用地。在2005-2014年期间，耕地面积持续减少，由2005年的59.65%下降到2014年的40.54%，削減了19.11%。建设用地占比由2005年的17.79%增长到2014年的36.40%，增幅为18.61%。林地由2005年的11.51%下降到2014年的4.62%，下降了6.89%。草地占比先增长一倍后又有小幅度下降，由2005年的7.80%先增长到2010年的15.94%，后下降到2014年的15.18%。水体占比先下降后增长，由2005年的2.44%下降到2010年的1.49%， 2014年增长到2.28%。裸地所占比率变化不大，基本处于稳定状态。

将不同年份的土地利用类型数据带入式（1）和式（2）得到两个时期土地利用动态度，具体数据见表2。其中正号表示该土地类型增加，负号表示该土地类型减少，动态度绝对值表示增加或者减小的幅度。由表2可以看出，2005-2010年，以及2010-2014年两个时期，综合土地利用动态度相差不大且值都比较大，说明在这两个时期，徐州市区的土地利用结构在不断变化，

表2 2005年—2014年徐州市区土地利用动态度/ %

土地利用类型 2005-2010年单一土地利用动态度 2005-2010年综合土地利用动态度 2010-2014年单一土地利用动态度 2010-2014年综合土地利用动态度

耕地 -2.70 3.09 -5.36 3.08

建设用地 8.24 11.23

林地 -11.11 -2.45

草地 20.89 -1.20

水体 -7.79 13.30

裸地 -2.24 9.21

各种用地类型在不断转换，经济活动比较活跃。其中耕地减少的速度在不断加快，由2005-2010年间的2.7%增至5.36%；建设用地的增加幅度在不断增大，由初期的8.24%增加至11.23%；林地的衰减速度得到遏制，由最初的11.11%衰减至2.45%；草地的变化截然相反，2005-2010年间草地是各类土地类型中动态度最大的，其增长速度为20.89%，而在2010-2014年间却呈现出略微减少的态势；水体在2005-2010年间以7.79%的速度衰减，在2010-2014年间以13.30%的速度增长；裸地，即未利用地在2005-2010年间的呈削减状态，其减少速度为2.24%，在2010-2014年间呈增长趋势，以9.21%的速度增加。

2.徐州市土地类型变化分析

结合表3与表4对各土地利用类型变化进行分析，可得到：

（1）裸地的变化：裸地的变化率是所有土地利用类型变化中最高的，2005-2010年间裸地的变化率为79.86%，2010-2014年间为82.38%。从裸地的转入情况来看，在2005-2010年期间，草地与耕地所占比重最大；2010-2014年期间草地、耕地与建设用。

（2）草地的变化：2005-2010年间，草地的转入主要来源于耕地， 2010-2014年间，草地的转入主要来自耕地和建设用地，主要转出都是耕地和建设用地。说明草地与耕地之间的互相转换比较频繁；2010-2014年间建设用地转为草地主要分布在山体景区附近，尤其是云龙湖、九里山、贾汪区和新城区大龙湖等地，主要是对景区及一些新城区的景观规划的需要，使得建设用地转为草地。

（3）耕地的变化：2005-2010年间，耕地的主要转为草地，其次为建设用地。2010-2014年间，耕地主要转为建设用地，其次为草地。而2010-2014年间，草地又主要转为建设用地。说明耕地主要转为建设用地，只是经历的时间跨度稍长。

（4）建设用地的变化：建设用地是增幅最大的，并且耕地转为建设用地数量最多，其次是林地和草地。2005-2014年间耕地转为建设用地的主要区域在铜山新区，新城区，金山桥经济开发区和贾汪区（图2）。其中徐州新城区于2004年启动建设，规划面积60平方千米，并成为徐州的政治中心，公路、地铁、高铁等基础建设大力跟进，并且招商引资等工作也在紧张进行，城市化进程快速发展，使得原本为村庄的地区变得繁荣起来，土地利用类型发生巨变；铜山县于2010年正式成为铜山区后，加速了城乡基础设施的建设，大力实施城中村改造和旧村庄改造，使得一部分耕地转为建设用地；金山桥经济开发区作为徐州市的工业园区，在城市化的进程中也不断壮大起来，新增大量工业园区，使建设用地处于快速扩张状态。贾汪区是一个历史悠久的矿区，开采强度大，使当地生态破坏严重，2002年以后，煤炭企业大都关闭，由于采矿区的恶劣环境使得矿工及当地百姓迁移，为了不让百姓背井离乡，贾汪区开始了土地整理，生态环境修复，新的基建项目应势而生。

四、土地利用变化与城市化水平的相关分析

1.土地利用变化与城市化水平的定量比较分析。考虑到城市化过程中耕地与建设用地的利用方式所受影响最大，本研究所用的土地利用类型数据为耕地与建设用地占总面积的比作分析。因只有3年的土地利用数据，因此我们参照陈永林等学者的处理方法，采用等距分布的方法进行补充，再将城市化综合发展水平与耕地和建设用地所占总面积的比的关联值制成散点图，然后进行回归分析，其结果如下：

由图3可知，耕地占比随着城市化水平的升高呈现出明显的下降趋势，并且下降的速度逐渐减慢，两者存在着典型的线性相关，相关系数R^2=0.9556，回归方程为：

Y_1=100.22X2-222.17X+160.94

式中：Y_1 为耕地占总面积比，X 为城市化总和发展水平。从回归拟合趋势线可以看出，随着城市化水平不断提高，耕地占总面积的比值将会不断减少，并且递减速率在不断减小，有逐渐平稳的趋势。

由图4 可知：建设用地占比随着城市化水平的升高而不断增加，两者在数量上呈现出明显的线性相关，相关系数R2=0.9581，回归方程：

Y2=-70.327X2+174.24X-65.041

式中：Y2为建设用地占总面积的比，X 为城市化综合发展水平。回归方程表明：随着城市化进程不断推进，建设用地所占比重将会不断增加，但是增加速率不断减小，最终将会逐渐平稳。

2.土地利用变化与城市化作用机制分析。已有的研究结果表明，与土地利用变化相关的因素有很多，包括自然条件、人为活动、社会经济发展水平，以及潜在的经济学规律等各个方面，城市化发展是城乡土地利用变化的主要原因[4， 5] 。而且研究表明工业化的发展和城市化发展关联甚密，随着工业化的发展，产业结构随之发生转变，农业人口向非农人口转变。城市的形成就是非农就業人口以及依托非农业就业相关人口不断集聚，产业逐渐升级的过程。从我国城市的发展历程可以知道，一方面，工业化的迅速推进为城市化的发展提供人口、产业、基础设施等基本条件；另一方面，城市化为工业化提供良好的空间载体。因此研究土地利用变化与城市化的作用机制，就不可避免地要讨论工业化与土地利用变化的关系。工业的发展离不开土地，工业化会使农业用地（特别是耕地）和非工业用地向工业用地的大量转移。在工业化过程中，受到经济利益的驱使，耕地被大量占用，转为建设用地。随着城市化的推进，必然会引起土地利用方式和土地利用结构发生根本性变化。

因此，土地利用变化、工业化、城市化之间存在正反馈关系。对于徐州市区来说，其作用机制是：至2014年末，徐州市区城市化率为90.0%，已经步入后期成熟阶段；徐州市城市化率为59.5%，仍处于中期加速阶段。从2005年到2008年，徐州市区的城市化水平由65.7%升至68.4%，从2009年至今由70.3%年年攀升。但作为城市的核心地区，徐州市区是城市人口、资本、消费、市场、信息等最集中的地带，对于周围的农村地区具有强大的吸引力，因此能获取更多的资源以促进自身以及周围地区的发展，以至于在城市化处于后期成熟阶段依然能够以2.4%城市化递增速率发展。在城市化进程不断推进的过程中，大量农村人口向市区转移，非农人口比例由58.3%上升为88.3%，迫使城市空间不断增大，为满足更多人口生产生活的需要，大量的耕地被不断转换成建设用地，土地利用结构发生变化，建设用地比重由17.8%增加至36.4%，耕地占比由59.7%衰减至40.5%。土地利用结构的变化必然会使土地利用朝着更加集约化的方向发展，产业结构中二三产业比重将由95.4%上升至96.7%，第一产业比重由4.6%下降至3.3%，工业化发展稳步向前推进。又因二三产业投入产出比高于第一产业，将吸收大量的农村剩余劳动力，非农人口比重将会继续下降，进一步加速城市化的发展。但是市区的土地的承载力总是有限的，人口不可能持续膨胀，因此最终城市将处于稳定阶段，正反馈机制将会停止。

五、结语

1.徐州市市区在2005-2014年间，从各类用地面积占比的情况来看：建设用地的面积在不断的加大；而耕地面积在不断减少；草地面积先迅速增加，后略微下降；林地面积一直在减少；水体面积和裸地面积都是先减后增。从各类土地面积的变化速率来看：耕地的减少速率在不断增加；建设用地的增加速率也在增大。从土地类型的转换情况来看：耕地和林地主要转为草地和建设用地，而草地又主要转为建设用地。

2.建设用地的增加主要是占用了农业用地面积，主要是耕地，耕地转为建设用地的空间分布主要集中在徐州主城区的东部和东南部，分别是新城区、铜山新区、金山桥开发区以及贾汪区。徐州主要向东部的新城区扩张，市政府也迁移到新城区，加速了徐州主城区东部的城市化，使徐州东部地区的城市集聚效应增强，导致大量的农业用地转为建设用地。可以看出土地类型的转变在空间上与城市的发展方向密切相关，在数量上与城市化的水平高低有线性相关。

3.城市化的进程越快，对周围农村地区就有强大的吸引力，农村人口转为非农人口，为了满足人口的生活需要，城市自然而然的就需要进行扩张，使得土地城市化，土地的城市化使得土地利用朝着集约化发展，又促进了城市工业化的进步，工业又为城市化的进程提供经济支持，加速城市化的发展，形成相互促进的关系，最终达到一个平衡状态。

参考文献：

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作者简介：郭晋远（1996-），男，河北邢台人，本科，研究方向：人文地理与城乡规划。

基金项目：江苏省大学生创新创业训练计划项目（编号：201610290074X）。