广东省土地覆盖变化及主要城市扩张分析*

高照忠，魏海霞，喻怀义，吴春华

(广东工贸职业技术学院，广东 广州 510510)

0 引言

随着社会的快速发展、人口的不断增长和科学技术的日益进步，人们的物质需求和精神需求越来越高。为了满足自身的需求，人们持续不断地对土地使用性质进行改变，致使土地利用范围不断扩大、土地利用强度不断加深，使得土地资源遭到巨大破坏，并且对气候变化产生不可估量的影响，直接或间接地出现各种极端天气，造成了全球气候的显著变化[1-3]。土地利用/覆盖变化已经被公认为是导致全球环境变化的两大主要因素之一，在全球的可持续发展研究领域，占有相当重要的地位[4-5]。全球目前有一半以上的人口居住在城市中，预计到 2050 年将达到 67.2%[6]。随着城市人口的快速增长，人类活动强度也加大，城市扩张和城市空间特征的变化是最直接的结果[7-9]。

建国以来，广东省土地资源开发利用经历了计划经济与市场经济两大发展历程，土地资源状况发生了巨大的变化，用地结构也日益复杂[10]。广东省是我国改革开放的前沿阵地，多年来经济总量位居全国第一。在经济快速发展的同时，资源环境特别是土地资源制约经济发展的问题尤为突出[11]，协调好两者的关系有利于更好地实现自然资源永续利用。

目前对于广东省全省的土地覆盖研究还较少，现有的研究主要集中在研究土地覆盖变化与碳排放[12-13]、生态环境变化[14]、城市土地集约管理[15]等方面。本文将基于3S技术，研究广东省多年来土地覆盖的情况，并按照市级行政区划来研究各个城市多年来的发展方式及变化规律。

1 研究区概况

广东，简称“粤”，中华人民共和国省级行政区，省会广州。因古地名为广信之东，故名“广东”。位于南岭以南，南海之滨，与香港、澳门、广西、湖南、江西及福建接壤，与海南隔海相望，下辖21个地级市[16]。

广东省属于欧亚大陆东岸热带和南亚热带季风气候区，年平均气温在 20℃以上。这一带自古气候炎热，霜雪量较少。广东是全国降水量充沛的地区之一。降雨多集中于 4-9 月的雨季。年平均雨日114-187 d。年平均降水量1 340～2 310 mm，其中大多数地区年平均降水量在 1 500～2 000 mm之间[17]。

全境位于北纬20°13′～25°31′ 和 东 经 109°39′～117°19′ 之间。自1989年起 ，广东省的国内生产总值就持续位居全国第一位，成为中国第一经济大省[18]。2017年末，广东省总面积为17.97万km2，人口密度为621人/ km2，GDP为 89 705.23 亿元，位居全国第一[19]。

2 数据获取与研究方法

2.1 数据获取

本文使用到的遥感影像数据为Landsat影像数据，研究所使用的遥感影像均可以从地理空间数据云免费获取(http://www.gscloud.cn)。由于数据量较大，只展示2020年遥感影像的具体信息，具体如表1所示。本文所使用的遥感影像处理软件为ENVI5.3，进行分类后处理、面积统计的软件为ArcGIS10.6。

表1 遥感影像信息表

2.2 土地覆盖

土地覆盖是自然营造物和人工建筑物所覆盖的地表诸要素的综合体，包括地表植被、土壤、湖泊、沼泽湿地及各种建筑物(如道路等)，具有特定的时间和空间属性，其形态和状态可在多种时空尺度上变化[20-21]。

本次进行土地覆盖分类的工作均基于ENVI5.3平台完成。首先需要对同一年份的遥感影像进行预处理，预处理包括辐射定标和大气校正这两项工作；然后对同一年份的多幅影像进行镶嵌，最后使用广东省的边界范围文件进行裁剪即可得到广东省遥感影像。本次研究将广东省的土地覆盖分为6大类：林地、草地、水体、耕地、居住及建设用地、裸地。结合Google Earth影像以及波段组合的方法，勾画每一类用地的图斑，在保证样本与样本之间的分离度在1.8以上后，采用支持向量机(Support Vector Machine，简称SVM)的监督分类法进行分类。得到分类结果后，需要对分类结果进行基于混淆矩阵的精度验证，将精度过低的年份重新进行分类，最终得到较高精度的广东省土地覆盖数据，将分类结果导入ArcGIS中，进行区域面积统计，可得广东省各类土地覆盖的数据及各个地级市的土地覆盖数据。

2.3 城市扩张评价指标

在得到广东省土地覆盖数据后，需要从行政区划的尺度来研究城市与城市之间扩张的不同特点及规律。

本次研究选取广东省主要城市进行城市扩张分析，主要运用到扩展强度指数[22-23]、扩展速度[24]这两个指标，公式为：

(1)

(2)

式中：UER为扩张速率指数，此指数描述城市扩张的速率，数值越大代表城市扩张速率越快。

3 结果与分析

3.1 土地覆盖变化

对于分类的结果需要先采用基于混淆矩阵的精度评价对各个年份的分类结果进行精度评价。在保证分类精度的Kappa系数在0.8以上、总体精度大于85%的情况下，分类的结果才具有参考价值。本研究对于分类结果的精度验证，如表2所示。

表2 精度验证表

广东省2000年、2010年、2020年共三期的土地覆盖面积，如表3所示。

表3 土地覆盖面积统计表

广东省土地覆盖图，如图1所示。

图1 广东省土地覆盖图Fig.1 Land cover map of Guangdong Province in 2000，2010 and 2020

从占地类型的百分比来看，广东省主要的土地覆盖类型为林地与耕地，二者占比之和在2000年、2010年和2020年这三个年份内分别为82.07%、81.63%、77.83%；林地长期占比超过50%，耕地占比从2000年的27.08%降至2020年的23.87%；草地、水体与裸地的占比长期较为稳定，合计占比稳定在14%左右；居住及建设用地变化较大，从2000年的4.02%增长到2020年的8.66%。

从面积变化来看，2020年的居住及建设用地的面积为2000年的215%，总体面积翻了一倍之多；而耕地面积则持续减少，2020年的耕地面积较2000年减少5 704.76 km2；林地、草地、水体与裸地的面积多年来变化较小，整体波动幅度不大。

根据广东省土地覆盖结果可以计算广东省20年内的土地覆盖变化情况，如表4所示。

表4 广东省土地覆盖变化统计表

对比2020年与2000年的广东省土地覆盖分类结果，只有水体与居住及建设用地是增长的，其余的面积均减少。耕地减少的面积最大，为5 704.76 km2，其次分别为林地减少了1 845.55 km2、草地减少了1 234.04 km2、裸地减少了15.15 km2。

3.2 各地级市土地覆盖变化情况

利用得到的土地覆盖数据，结合广东省地级市行政区划边界文件，基于ArcGIS10.6软件平台进行面积统计，最终得到如图2所示的各地级市土地覆盖柱状图。

图2 广东各类型土地面积变化Fig.2 Changes for various types of land cover in Guangdong

从图2可以得出，2020年居住及建设用地面积最大为广州市，其次为佛山、东莞、惠州、深圳，面积分别为1 881.75 km2、1 443.44 km2、1 224.26 km2、1 054.48 km2、967.10 km2；按增长的面积大小排序为广州、佛山、惠州、东莞、湛江，增加的面积分别为1 108.69 km2、864.22 km2、581.68 km2、554.27 km2。

城市扩张占用的地类主要为林地、耕地，广东省所有地级市耕地与林地面积均为减少，耕地减少按面积由大到小排序为湛江、广州、惠州、东莞，减少的面积分别为751.32 km2、614.78 km2、419.86 km2、383.08 km2；林地减少按面积由大到小排序为清远、广州、江门、茂名，面积分别为341.29 km2、332.12 km2、294.42 km2、207.52 km2。

进入21世纪以来，广东省的经济贸易得到了飞速发展，城市扩张是必然的现象，但是除了珠三角的城市城区扩张较为快速，其余城市扩张速度显著低于珠三角区域的城市；同期珠三角区域的城市林地、耕地、草地面积减少较多，生态环境也遭受了一定的破坏。在广东省飞速的城市化进程中，协调好珠三角及其他区域城市之间的发展平衡是一个亟需解决的问题。

3.3 主要城市空间扩展情况

由于广东省经济发展差异较大，本次研究选取了发展较快的广州、佛山、深圳、东莞和惠州，及发展相对较慢的云浮、梅州、潮州、河源和汕尾进行对比。通过对比这些城市的发展差异，以期找到广东省城市发展的特性。广东省典型城市土地覆盖变化统计，如图5所示。

从表5可以清晰地看出，位于珠三角区域的5座城市扩张强度和扩张速率始终维持在较高的水平，而位于粤东粤西的其他5座城市的扩张强度与扩张速率在2000-2010年间甚至出现负值。 广东省的居住及建设用地主要集中在珠三角区域，2000年、2010年、2020年的珠三角区域的居住及建设用地占广东省总居住及建设用地的59.54%、63.39%、59.48%。珠三角以外的城市多年来的主城区并未有显著的扩张，但是其下辖的县城却始终在发展。这些城市既没有良好的自然资源，也无充足的劳动力，更无政策的倾斜，人口流向珠三角区域，导致城市建设发展一度停滞。

表5 广东省典型城市土地覆盖变化统计表

4 结论

本文采用Landsat遥感影像研究了广东省的土地覆盖情况以及主要城市的扩张情况，得出以下结论：

1)广东省土地覆盖面积最大、占比最大的为林地，2000年、2010年和2020年的面积分别为97 978.54 km2、97 814.55 km2、96 132.99 km2，占比长期维持54%左右；耕地为面积第二大的土地覆盖类型，面积逐年减少，从2000年的48 244.43 km2降低至2020年的42 539.67 km2，占比从2000年的27.08%降低至2020年的23.87%；居住及建设用地是多年来变化最大的地类，从2000年的4.02%增长到2020年的8.66%，面积增大了8 274.43 km2；其余地类的面积总体都为减少，但是减少幅度并不大，且长期的总占比较为稳定；

2) 2000-2020年间，广东省的各类土地覆盖类型均发生了较大的变化。居住及建设用地和水体的面积增加，而其余各类用地类型均减少，按照减少的面积由大到小依次排序为耕地、林地、草地、水体、裸地；年变化率最高的地类为居住及建设用地，达到了413.72 km2/a，耕地年变化率是减少的地类中最高的，达到了-285.24 km2/a；

3)广东省不同区域的城市发展规模和发展规律不尽相同，各地级市的发展具有明显的区域差异。珠三角区域的城市扩张强度与扩张速率远超其他区域城市；粤东区域的城市在2000-2010年期间，城市扩张强度与扩张速率为负值，城市发展建设陷入停滞。而珠三角区域的城市城建基础较好，发展起步早，发展速度高，城市化水平较高。在2010-2020年期间，珠三角区域外的城市规模持续扩大，扩张速率与扩张面积较以往不断攀升。

本研究采用了遥感影像分析了广东省2000-2020年的土地覆盖变化情况，并分析了主要城市的扩张情况，采用公式、指标来量化发展进程，对比了不同区域的广东省地级市的发展情况，对于更好地协调广东省的发展提供了科学数据的支撑。然而本研究仍然有以下不足：

1)由于广东省面积较大且整体较为狭长，在搜集遥感影像的过程中，具有许多不可控的因素，未能充分考虑时间、云量的因素，导致研究不够严谨；

2) 本研究虽然针对了各地级市进行了面积统计及扩张情况分析，但是受制于工作量及篇幅，未能详尽分析各地级市的发展情况，仅选取了10座城市作为典型，后续将对广东省所有城市进行研究分析；

3) 本研究未能结合相关数据，如：社会经济数据、气象数据、政策支持等，未能充分引入外部指标进行考量，导致未能研究其驱动机制，后续将针对广东省的城市扩张情况进行驱动力研究，以期为决策者和其他学者提供更为详尽的科学依据。