基于高分辨率影像数据分析的城市土地利用效率研究

宋欣

摘要：本文以嘉峪关市为例，通过遥感技术手段制作全域高分辨率卫星影像，通过内业对比分析精准监测该市2010年、2019年度城市内部闲置土地现状和城市建设用地扩张边界范围，利用土地利用结构分析和DEA模型分析，综合评价该市的城市土地利用效率。结果表明：该市在2010-2019年间土地利用效率保持持续增长态势;城市的盲目扩张导致闲置土地大量增加，一定程度制约城市土地利用效率提升。建议加强规划引导、制定完善导向政策、盘活闲置用地、完善项目监管措施是该市在未来一定时期的土地利用的主要方向的建议。

关键字：土地利用效率;闲置土地;城市扩张;土地利用结构;DEA模型

中图分类号：F293.2;S127

1 引言

随着我国社会经济的快速发展，城镇化与工业化持续推进，各项产业扶持力度加大，农村人口大量涌进城市，建设用地的扩张规模呈现极速增长，现阶段土地有效供应仍是我国经济增长的主要支撑。在城市发展过程中因各种原因在土地利用方面出现了较多的问题，包括闲置用地数量快速增长且处置困难，新增建设用地乱占乱用优质耕地等。

根据自然资源部（原国土资源部）2012年施行的《闲置土地处置办法》中关于闲置土地定义，是指土地使用人在合法取得土地使用权后，在有偿使用合同或划拨决定书规定的动工开发日期满1年，未经政府部门批准同意，超过限期未开发利用的建设用地。闲置土地形成原因错综复杂，主要是规划不合理、供需矛盾凸显、政府批后监管不力、土地管理体现出现漏洞等因素。各地开发区、新区的集中涌现，土地供给量远大于社会发展所需的需求量;政府盲目招商引资、增加财政收入等行为，出让过低、过高于市场价的土地，出现土地使用人圈地囤地、企业经营不善无力开发等土地闲置现象;土地审批部门在土地审批阶段对土地申请人信息掌控不足、批后监管跟踪不到位，造成土地闲置。近几年国家出台了一些关于闲置土地的处置意见及措施，但各地处置效果并不理想，并逐年持续增长。

城市建设用地增加，必然导致城市边界持续扩张，其特征主要在人口密集、交通发达、水资源丰富地区进行开发，这些地区往往地势平坦、土壤肥沃，造成新增建設用地占用大量的优质耕地，威胁我国粮食安全。

鉴于上述土地利用问题，本文选嘉峪关市市区为研究区，利用遥感影像数据摸清城区土地利用整体情况，在空间上、时间上进行土地利用分析，研究其在近十年间的城市土地利用效率，并提出合理化发展建议。

2研究区及数据源

2.1 研究区概述

嘉峪关市位于甘肃省河西走廊西段，面积2935km²，人口24万，东临酒泉市肃州区，西连酒泉市玉门市，南至祁连山，北至黑山，是“丝绸之路”的重要交通要道。1958年依托酒泉钢铁公司兴建，是一座美丽的新兴工业旅游城市，钢铁工业和旅游业是其重要的支柱产业，人均GDP一直位于甘肃省前列。

近年来由于我国产业结构调整，房地产等传统行业萎缩，钢铁产能过剩，酒泉钢铁公司业绩下降明显，造成该市经济增长速度减慢。随着高铁、高速公路等交通基础设施快速发展，其旅游业发展速度较快，产值比重逐年增加，加之传统钢铁行业寻机转型，取得了一定成效，延缓了经济下行趋势。

2.2 数据来源

本次研究项目共收集嘉峪关市2010年、2012年、2017年、2019年四期遥感影像数据，其中2010年、2012年遥感影像数据为这两期年度土地利用变更调查项目卫星影像数据，可以直接使用;2017年、2019年遥感影像数据为作者自行收集，需进行数据预处理。

嘉峪关市2010年、2012年遥感数据来源于我国“遥感2号”卫星影像数据，覆盖整个行政辖区，该影像数据仅包含全色波段，时相为2010年、2012年8月-10月，空间分辨率为2.5m，影像云覆盖率低于为5%;2017年、2019年度遥感数据来源于我国近几年发射的GF-2卫星影像数据，覆盖整个行政辖区，该影像数据包含全色波段和多光谱波段，时相为2017年、2019年9月-12月，空间分辨率为1m，影像云覆盖率低于为5%。

3 数据处理及信息提取

3.1数据处理

为满足2010-2019年度四期遥感数据对比分析需求，将收集到的2019年GF-2卫星遥感影像进行预处理，以2010年遥感影像作为平面控制，分辨率30米DEM数据作为高程控制，利用影像处理软件将GF-2全色波段影像进行正射纠正;纠正后的全色波段影像作为参考，配准多光谱影像;然后将纠正后的全色波段和配准好的多光谱波段影像进行融合处理，增强影像识别精度。将多幅融合后的单景影像进行镶嵌，形成覆盖嘉峪关市整个行政辖区的 “一张图”。

3.2 信息提取

利用ARCGIS数据处理软件，依据制作完成的遥感影像纹理进行内业判读，划定城市扩张边界、勾绘闲置用地图斑。

划定2010、2019年度嘉峪关市城市边界。严格按建成区划定城区范围，并内部不允许出现“空洞”;紧靠建成区的公路、公园可划入城区范围，新建开发区路网内土地可划入城区。

提取2012年、2019年度城区闲置用地图斑。将城区内的空闲地、荒草地（除公园内的草地）、临时堆放、推（堆、填）土区等地块勾绘成图斑，作为城市内部的未建成区。因缺乏研究区闲置土地的有偿使用合同或划拨决定书，无法了解土地的具体动工日期，本文暂定2年内未动工开发的土地即为闲置土地。2010年至2012年间、2017年至2019年间未动工开发的未非建成地块确定为闲置土地图斑，。

4城市土地利用现状

4.1闲置土地现状

经过提取图斑数据统计，2012年、2019年度闲置土地图斑总面积分别为14676.5亩、15741亩，新增闲置土地1064.5亩，占2012年闲置土地面积的7.2%。

（1）以2012年闲置土地图斑为底数，两期闲置土地图斑層叠加分析后， 8年间仍未开发的闲置土地图斑为36个，面积为5534.3亩，占2012年闲置土地总面积的37.7%，见表1。

通过影像判读和实地调查，并参考土地不动产相关资料，确定8年间未开发的、消化的闲置土地用地类型，其中未开发的工业用地34块、教育用地1块、住宅用地1块。嘉峪关市是一个新兴工业城市，工业用地在闲置土地的数量、面积都占绝大数比例，占未开发闲置土地总面积的88%，基本为酒泉钢铁公司的使用土地。部分闲置土地未按照批准土地整体开发，且开发后用地类型与前期批准用地类型略有差异，对消化的闲置土地图斑进分割合并处理，图斑数量进行了重算，确定总图斑数量为67个、总面积为9142.2亩，涉及工业用地25块、道路用地12块、商业服务业用地7块、公园与绿地用地7块、公共服务设施用地5块、住宅用地4块、教育用地2块、特殊用地2块、仓储用地2块、农业用地1块，见表2。

（2）叠加对照2017年、2019年两期遥感影像开展内业信息提取，获得2019年度新增闲置土地图斑。除去2012-2019年存量闲置土地面积，2019年新增闲置土地面积为10206.7亩，占总面积的64.8%，其主要分布在嘉峪关市市区东部新城区，城区路网已建成，多为路网内未供闲置土地。

表3中“待开发”用地类型是指使用用途不明确的闲置土地，主要集中在嘉峪关市南部新城区，根据城市规划显示，区域以住宅、科教文卫、娱乐、商业用地为主;工业用地仍是该市闲置土地的主要批准用地类型，集中在北部工业开发区，毗邻酒泉钢铁公司厂区;公园与绿地、住宅、教育用地主要集中在城区中部、南部。

4.2 城市边界扩张现状

2010-2019年嘉峪关市城市范围持续扩张，建设用地空间范围也逐年增加如图3所示，2010年、2019年城区面积分别为111422.04亩、149037.09亩，增加了37615.05亩，扩张了33.8%。

利ARCGIS软件将2010年、2019年城区范围叠加分析，获得2010-2019年城区扩张范围，再套合2010年土地利用变更调查数据库，确定城市新增建设用地占用非建设用地面积，见表4。

非建设用地包括农用地和未利用地，农用地主要为耕地、林地、草地等用地类型;未利用地主要为裸土地、沙地等用地类型，在影像纹理上辨别就是城区周边泛黄的、植被稀少土地，俗称戈壁滩，具体分布见图4。

将2010-2019年城市扩张占用非建设用地图斑制作成调查底图，开展实地调查，确定范围内图斑用地类型、范围的变化情况，经过半月时间的实地勘查与内业整理，获得相应图斑的变化情况，如表5所示。

“待开发”土地类型面积占比为29.99%，土地空置面积较大，主要原因是近些年该市持续向东扩张，新城区基础设施建设速度较快，路网已基本成型，大量未开发土地待供。

5 城市土地利用效率分析

城市土地利用效率是指在城市发展的不同时期，将有限的土地合理化、最大化利用满足城市发展需要，对城市的政治、经济和社会发挥重要的作用。本文以土地利用结构和土地利用投入产出效益的分析，综合评价土地利用效率。

5.1 土地利用结构分析

从我国现阶段城市发展规律来看，较多城市呈现边界盲目无序的扩张、内部闲置土地持续增长等现象，是城市科学合理发展面临的重要问题，结合嘉峪关市2012-2019年闲置土地增长率、处置率和城市扩张率，综合评价嘉峪关市土地利用效率。

根据文中土地利用现状分析结果，2012-2019年嘉峪关市闲置土地增长率为7.2%，闲置土地处置率为62.3%，城市扩张率为33.8%。从数据统计结果发现，闲置土地增长率明显低于处置率、城市扩张率，约为处置率的1/9，城市扩张率的1/5，城市土地利用效率较高。

从表2、表3中闲置土地面积占比列统计发现，工业用地在闲置土地面积占比、消化面积占比中均最重，分别为57.6%、60.2%，占闲置土地面积的一半以上，工业仍是该市经济发展的主要动力，合理利用工业用地决定着土地利用效率。该市近年经济发展呈现多元化趋势，旅游业产值比重逐年递增，公园与绿地建设力度加大，在闲置土地消化面积占比中增长明显，占12%，在2019年闲置土地总面积占比中也较低，仅为1%。随着该市向城区南部、东部快速发展，基础设施建设方面投入较多，新建城区路网已经成型，导致路网内部产生大量土地闲置，面积为7529.4亩，占2019年新增闲置土地面积的73.8%，不以项目依托的城市扩张，必然影响城市土地利用效率。

从表4可以看出，嘉峪关市城市新增建设用地基本上是占用城区周边的未利用地，很少部分占用农用地，仅为扩张面积的4%，对农用地依赖度处于极低水平。表5中农用地变更为建设用地各地类面积占比近似，工业用地占比较大，是住宅用地的两倍;未利用地变更为建设用地各地类面积占比中，工业用地面积占比是33.63%，远高于其他地类，随着酒泉钢铁公司的业务扩展、产业转型及依靠其生存的中小型附属加工企业增多，工业用地一直是嘉峪关市城区扩长的主要用地类型。近年嘉峪关市努力打造旅游城市，大力支持旅游文化产业，促进经济多元化发展，城区内公园、绿地及人工湖建设较多，加之新城区建设，公园与绿地、道路用地面积占比较大。

“待开发”土地类型在闲置土地和城市扩张面积中占比一直较高，均约占两类土地总面积的1/3，主要是新城区路网已形成，内部空闲土地无项目依托，导致大量土地闲置。

5.2 DEA模型分析

影响城市土地利用效率主要因素有土地及其承载的自然、资本、劳动力等要素，要素投入、产出的经济、社会效益决定城市土地利用效率的高低。本文土地利用效率评价采用DEA模型，评价指标体系参考郭施宏的土地利用效率评价指标见表6。

经过多种算法比较，SE-DEA模型对于城市土地利用效率高低區分明显，且能够决定单元效率值的高低程度，主要通过对城市土地投入、产出的经济、社会效益进行分析，确定土地利用效率。模型表达式为：

其中，X、Y分别表示投入、产出量;θ（1<θ≤1）表示决策单元的有效值;ε为非阿基米德无穷小量，∑λ≥1表示投入产出效益递增，∑λ≤1表示投入产出效益递减，∑λ=1表示投入产出效益不变;S⁺和S^-为松弛变量，表示增加、减少的投入量;s.t.为限制性条件。

参考2012年、2019年《嘉峪关市发展年鉴》数据，利用DEAP2.1软件对2012年、2019年嘉峪关市建设用地利用效率进行分析，计算出2012年、2019年嘉峪关市城市土地利用效率为0.606、0.739。从分析结果可以看出，2012年至2019年嘉峪关市的土地利用效率处于增长趋势，且高于2012、2016年全国城市群土地利用效率均值0.584、0.718，数据来源于曾鹏等中国城市群土地利用结构与效率研究。

6结论

本文通过对2019年获取的GF-2卫星影像进行数据预处理，制作嘉峪关市全域的高分辨率影像数据;参考已有的高分辨率影像及年度变更调查数据，内业对比提取城市土地利用现状信息，并进行了外业核实;结合制作完成的城市土地利用现状数据，开展土地利用结构与DEA模型分析，综合评价该市城市土地利用效率，得出以下结论：

（1）从土地利用结构看，嘉峪关市用地特征较为显著。闲置土地消化方面，工业用地面积占比最大，公园与绿地、道路用地、住宅用地、公共管理与服务用地、商业服务业用地次之，教育用地、仓储用地最小。城市扩张用地方面，随着城市快速发展与产业结构调整，公园与绿地、道路用地、商业服务业用地面积占比逐年提高，工业用地面积占比有所下降，但仍是主要用地类型。

（2）嘉峪关市土地利用效率呈逐年提高趋势，但闲置土地总量仍持续增长。根据DEA模型分析结果，2012年至2019年土地利用效率逐年增速明显，说明土地投入产出获得的经济、社会效益较好。2019年新增闲置土地面积与两期闲置土地消化面积进行对比分析后，2019年新增闲置土地面积略有增加，主要集中在城市新建开发区内部，在城市土地利用集约节约方面还有待提高。

（3）土地利用以规划为指导，以项目为依托。城市用地供应要与城市经济、社会发展相匹配，编制科学的、合理的城市发展规划，指导并控制城市扩张规模。优化产业布局，加强重大生产力建设，精准把控项目落地，将产业做大做实，推行城市土地减量化和集约化发展，极大减少城市闲置土地总量。

（4）新增建设用地占用农用地面积较少，仅为2010-2019年城市扩张面积的4%，很大程度保障了该市粮食产量，对区域粮食安全格局影响较小，保持并促进地区经济可持续发展。

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