利用遥感影像土地监测数据的城市化土地利用变化研究——以广宁县为例

石水源，谢思梅，谢荣安

(1. 广东省地质局第八地质大队，广东 梅州 514089； 2. 武汉大学遥感信息工程学院，湖北 武汉 430079； 3. 广东省地质测绘院，广东 广州 510800)

随着经济社会的发展，我国逐步加快了城市化发展的步伐。2011年，中国城市人口首次超过农业人口，城市化成为经济社会发展的重要驱动因素。因此对2011年后城市化的土地利用变化研究有利于政府在新的发展阶段做出更好的决策。珠三角地区的经济发展迅猛，很好地推动了城市化的发展。广宁县作为距离珠三角最近的山区县，经济发展和城市化进程也取得了显著成绩，其中土地资源的合理利用很值得关注。因此，本文以2011—2017年间广宁县利用遥感影像监测城镇土地利用的变化，分析广宁县的城市化发展与土地的关系，探索山区城市化进程土地科学利用新模式。

1 研究区域与数据预处理

1.1 研究区域介绍

广宁县位于东经112°03′—112°43′，北纬22°22′—23°59′，东西宽60 km，南北长约68 km，地处广东省肇庆市中北部，是全省山区县中距离珠三角最近的县。广宁县总面积2 458.15 km2，其中山地面积占全县总面积的85.34%，也是广东省重点林区和首批林业生态县，森林覆盖率达78.3%。

1.2 数 据

本文使用的研究数据为过去几年有关部门利用高分辨率遥感影像所得的土地利用调查监测数据，选取时间为2011年、2013年、2015年和2017年。着重从土地类型的8大类(耕地、园地、林地、草地、城镇村及工矿用地、交通运输用地、水域及水利设施用地和其他用地)历年土地利用变化情况进行研究。由于获得的调查数据为矢量数据，根据研究需要，在ArcGIS中将矢量数据转为栅格数据，格网大小为10 m×10 m。

2 研究方法

2.1 城市扩张与协调性

本文采用年扩张(AI)、年扩张率(AER)和城镇土地面积比例(ULP)3个指标描述广宁县城镇扩张的程度[1]。年扩张衡量城市的扩张强度，年扩张率衡量城镇扩张速度，而城镇土地面积用来衡量城镇的扩张程度。3个指标的计算公式为

(1)

(2)

(3)

式中，Areai和Areaj分别为第i年和第j年的城镇土地面积；Areatotal为广宁县土地总面积。

为了探究广宁县城市化与人口、经济之间的协调性，本文使用城市土地-经济协调性指数(UGI)和城市土地-人口协调性指数(UPI)[2]来定性分析在城市化发展的同时，经济和人口增长是否协调。UGI是通过计算经济增长速率与城市土地扩张速率的差值来衡量城市化和经济发展之间的协调性。UPI则是衡量城市化和人口增长之间的协调性。其计算公式为

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

(4)

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

(5)

式中，UG为地区生产总值的年增长速率；UP为城市人口的年增长速率；UA为城市土地的增长速率；t1和t2分别为第一个年份和第二个年份。UA的计算公式如式(6)，UP和UG的计算方法与UA类似。

(6)

式中，At1为广宁县在t1年份的城市土地面积。经济和人口数据来源于肇庆市统计局。2011年和2013年使用非农业人口，由于2015年取消农业非农业人口划分，因此2015年后由城镇人口替代。

2.2 城镇土地来源

城镇土地的扩张通常伴随着耕地、林地等面积的减少，监测新增城镇土地来源的同时也可以获得其他地类的变化信息。首先，在ArcGIS中将相邻时相的栅格数据合并，并保留原本的属性，得到一个合并的栅格图层。然后，统计转变为城镇用地的土地类型和面积。

2.3 景观指数分析

根据不同层次，景观指数可以分为斑块水平指数、斑块类型指数和景观水平指数。研究区选取了3个斑块类型水平上的景观指数来分析城镇土地的空间景观变化：斑块密度(PD)、景观形状指数(LSI)和散布毗邻指数(IJI)。斑块密度计算的是单位面积内的斑块数量，能反映景观整体斑块的分化程度，斑块密度越大，表明在一定面积上，异质景观要素斑块数量越多，斑块规模越小，景观异质性越高。景观形状指数反映斑块形状的复杂程度，斑块形状指数越接近1，说明该斑块的形状越接近正方形或圆形，指数数值越大，说明斑块形状越复杂。IJI是描述景观空间格局最重要的指标之一。IJI对受到某种自然条件严重制约的生态系统的分布特征反映显著。IJI越小说明某斑块类型仅与少数几种其他类型相邻接，当IJI=100时说明该类型与其他所有类型完全、等量相邻。

3 结果与分析

3.1 城市扩张和协调性分析

广宁县城镇面积在2011—2017年间共增加了346.17 hm2。从图1中可以看到，城镇面积增长的速率在逐时期增加。从图2可见，2011—2013年城镇土地面积仅增加了36.29 hm2，而2013—2015年及2015—2017年城镇土地面积增长均大于100 hm2。广宁县的AI为4.24%，AER为0.69%，ULP逐年增加，平均值为3.38%。

图3为城镇扩张的变化。广宁县的城市核在全县的中部偏南，城镇土地主要集中在永青社区居委会、护国社区居委会、圣堂社区居委会中部及南部，以及五一社区居委会西北部。新增的城镇土地大多分布在原有城镇土地的四周，但也有独立的新增城镇土地，如江西村在2011—2013年出现了一片新的城镇用地，并在2013—2017年间逐渐向北扩张。

图1 广宁县城市用地面积

图2 各年份间城市用地增加面积

图3 各年份城市扩张

UGI为正时，即地区生产总值增长速率大于城市土地增长速率时，说明经济的增长并不依赖于城市土地的扩张，城市土地集约化程度高，属于良性发展。而当UGI为负时，即城市土地增长速率大于地区生产总值增长速率时，说明城市土地的扩张并没有带来相应的经济增长，可能存在土地利用不合理的现象。2011—2013年、2013—2015年和2015—2017年的UGI值分别为13.26、7.42和6.91，均为正数，这说明广宁县的城市化和经济协调发展，但UGI值呈下降趋势，其主要原因是经济增长速度相对减慢。而当UPI值为正时，即城市人口增长速率大于城市土地增长速率时，说明城市扩张并不能满足人口增长带来的生活需求，城市化相对落后；相反，则说明该城市可能存在盲目扩张的现象。广宁县3个时期的UPI值分别为-1.30、55.57和-0.44，城镇人口和非农业人口的统计口径不一致，导致2015年的城镇人口数量远远高于2013年的非农业人口，进而影响了2013—2015年的UPI值。但就另外两个时期而言，UPI值为负，这说明广宁县土地利用可能存在不合理的地方，但UPI绝对值较小，城市土地与人口发展相对协调。

3.2 城镇土地来源分析

如图4所示，超过50%的新增城镇土地面积来源于林地，其次为耕地和园地。

图4 各地类转化为城市用地的占比

2011—2013年，广宁县曾欢村东北部、荔洞村西部和江西村东南部有大片的林地转化为城镇用地。而2013—2015年，转变为城镇用地的林地主要分布在城市核的西部和东部，以及城南村北部。2015—2017年，林地转化为城镇用地主要出现在城市核南部。

3.3 景观分析

广宁县各类型用地的PD中，耕地、园地和城镇用地的数值较大，PD值均在2以上，说明广宁县的耕地、园地和城镇用地斑块多。在这3个地类中，城镇用地的面积相对较小，但斑块密度较大，主要原因为城镇用地斑块比较破碎，单位面积内的斑块数量多，斑块面积小。另外，值得注意的是林地的斑块密度在所有类型中相对较小，但林地面积占比是最大的，这说明单位面积内林地斑块虽然少，但斑块面积大，破碎度小，因此PD值小，即广宁县的林地是连接成片的。而城镇用地的PD逐年增加，这也说明了广宁县的城镇用地在增多，但并没有连成片。

而2011—2017年的LSI，除草地和水域外，其他地类的LSI值均有所上升，说明这些地类的斑块形状趋于复杂。城镇用地的LSI值接近100，斑块形状比较复杂，这也反映出城市化进程中的人为影响，人类活动或政府的规划使得城镇用地的斑块形状比自然地物复杂。

除园地外，广宁县各地类的IJI值均超过50，说明与这些地类斑块相邻的其他类型斑块比较多，反映出广宁县的景观分布比较复杂，地类较为分散。就城镇用地的IJI来说，并没有呈现出明显的趋势，在各地类IJI中属于较高，说明城镇用地的边缘连接着多种地类。图5为广宁县城镇用地的景观指数值。

图5 2011—2017年广宁县城市用地景观指数

4 结 语

综上所述，相比于2011年，广宁县2017年城市用地面积增加了4.24%，城市正在稳健地扩张。而城市土地扩张与经济、人口增长都较为协调，但仍应关注城市扩张的不协调因素。从总体来看，在城市扩张的新增土地中，高达58.62%来源于林地，而耕地转化为城镇用地的占比为22.36%，而且地类平均斑块密度较大，景观异质性较高，景观较为分散，斑块的形状也趋于复杂，反映出城市化进程中的城镇用地与人类活动及政府的规划、建设管理密切相关。因此，对于广宁县未来的城市化发展，一是必须强调利用科学的技术和方法，加强城市化土地变化监测，制定好城市规划，合理编制土地利用规划，使之更具有前瞻性、科学性。二是加强土地管理，切实履行耕地与林地的保护措施，减少林地和耕地的流失，更加注意生态环境的保护，维护好已有的良好生态环境。三是在城市规划和发展中应重视城市土地利用变化的监测与控制，全面考虑景观空间格局，提高现有城市土地利用效率。