城市蔓延趋势评价方法探索——以丽水市莲都区为例

朱志欣

（丽水学院中国青瓷学院，浙江 丽水 323000）

丽水作为两山理念的发源地和践行地之一，强调高质量绿色、生态发展，近年来先后成为首批国家生态文明先行示范区、首批国家生态保护和建设示范区、全国水生态文明城市，入选首批国家气候适应型城市建设试点。然而，莲都区作为丽水市的中心城区，在近几年的发展下已逐渐逼近现有的天然城市边界，新建设区块已呈现隔山跨江的趋势，城郊地区出现飞地式的开发现象，间接影响周边生态环境。由此可见丽水城市发展需要合理有序的城市空间增长，面对浙西南山区环境下有限的土地开发空间容量，推动城市蔓延土地动态变化趋势构建和评价，将有助于精细化地制定城市生态发展规划和提出管控土地利用的策略。

1 研究概况

莲都区位于28°06′～28°44′N，119°32′～120°08′E，总面积约为1 495km2，作为丽水市政治文化中心，是市区内人口迁入的核心区域（图1）。其中，紫金、岩泉、白云、万象街道为传统意义上的市政中心，水阁街道为丽水工业园区，构成莲都区以北城南城为核心的中心城区功能结构；其中，北城作为政治、经济、文化和居住的向心区，具备三面依山一面傍水的优越地理区位，是生态城市的良好载体，但也体现了未来发展上的地域空间制约。

图1 莲都区概况与区位

在遥感影像上本研究选取欧洲航天局（European Space Agency,ESA）影像平台提供的SENTINEL-2 产品，其可见光波段（RGB）与近红外波段（NIR）原始地表分辨率达到10 m，短红外波段（SWIR1,SWIR2）原始地表分辨率达到20 m。数据选择2017 年至2020 年低云量、植被特征清晰、产品级别为Level-1C（L1C）的遥感影像。

2 研究方法

2.1 数据处理

L1C 影像已完成正射校正和亚像元级几何精校正，利用欧空局（ESA）官方插件SEN2COR 完成辐射定标和大气校正，转换为Level-2A（L2A）级数据。L2A 影像经由SNAP 软件掩膜裁剪至仅包含莲都区行政范围内影像，并将短红外波段分辨率由20 m 重采样至10 m 完成影像融合[1]。

2.2 影像分类

影像的分类工作主要基于eCognition 软件，同时结合ENVI，ArcGIS 完成。为了更好地完成多尺度分割，除所用波段权重外，叠加基于像元二分模型植被覆盖度反演结果[2]和基于DEM生成的坡度数据，并在专题图层中根据不同年份添加OpenStreetMap 平台道路数据共同参与图像分割。

分类类型侧重讨论人类活动区域扩张下产生的生态土地流失，即山水林田草湖向建设用地转换的一系列过程和结果，因此将讨论土地的自然环境属性、人工环境属性以及处于过渡期的土地类型，并将分类类型分为林地、农田草地、水体、建设用地以及贫瘠土地5 个类型。

分类方法采用综合阈值法，综合指数研究和辅助数据参数分层分次来解译卫星影像（表1）。受卫星分辨率影响，一些地类像素不能很好地根据指数识别，如建筑阴影、采矿区以及植被沟渠的交错地带，针对这些地类基于初步指数和条件分类结果进行手动分割后再归类（图2）。

图2 2017—2020 年莲都区动态景观格局

表1 参与分类指数与条件

2.3 精度验证

通过Google Earth，Rapid Eye Ortho Tile，Planet Scope Scene 对应时间段的历史影像切片验证真实地类，同时结合实地调研进一步针对5 种地类分类分别生成30 个采样点，共150 采样点，并对分类结果进行逐年精度验证。验证结果显示（表2），2017—2020 年范围内土地分类结果综合精度均在0.87 以上，Kappa 系数[8]高于0.84，分类结果良好，符合后续分析要求。

表2 精度验证

3 结果与讨论

3.1 土地面积变化

近年来，丽水多地开展大搬快聚工程、老旧城区整改建设、城市绿地优化整治项目，有效调整了土地利用现状，是坚持绿色发展和践行“两山理念”的重要体现。基于遥感分类结果构建土地转移矩阵，观测各类土地的流入和流出情况，见表3～5。数据结果显示2017—2020 年丽水市莲都区林地面积共增加了17.28 km2，整体呈现上升趋势，主要流入地类为贫瘠土地和草地，2017 年至2018 年、2018 年至2019 年分别增加9.4 km2，12.92 km2。2019 至2020 年则下降5.04 km2，结合图2 观察比较2019 至2020 年土地解译结果，发现莲都区南面有较多碎片化的土地变化。农田草地面积整体上有所下降，从解译结果上看，变化较为频繁，主要流转为贫瘠土地和林地，其次为建设用地，结合解译结果发现波动较大，经分析发现，这种被动主要受到大棚搭建以及植物量周期性变化影响。贫瘠土地面积有所下降，主要为回流的农田草地，这表明农田草地与贫瘠土地之间具有双向转移的特质，符合农田休耕和气候影像下NDVI 的变化趋势，其余部分转换为林地和建设用地；建设用地面积缓慢增长，主要流入地类为贫瘠土地以及农田草地，2020 年较2017 年增长3.83 km2，符合近年来丽水城区的扩张趋势。

表3 2017—2018 年土地转移矩阵 单位：km2

表4 2018—2019 年土地转移矩阵 单位：km2

表5 2019—2020 年土地转移矩阵 单位：km2

3.2 土地负向转移热力图构建

山水林田草湖的生态环境改变是一系列复杂的变化，是人类活动、气候环境和其他综合因素共同影响的结果。其中，林地、农田草地和水体流向贫瘠土地和建设用地可以认为是生态的负流向，城乡建设用地规模的扩大主要表现为农田草地、林地和水体向建设用地和贫瘠土地的转化[9]，是山水林田草湖生命一体化向人类文明建设的转变。丽水在绿色发展的大背景下，城市扩张可以说是循序渐进的，但受到信息和交通流动影响，近年来不断涌现出来的新建成区域，在地类上的转变是一种完成时态。为了能更好地观测及讨论土地利用的变化趋势，分析人类活动下的生态环境改变动向，在土地转移矩阵数据上提取该类生态负向转移的土地要素，并在10 m×10 m 的栅格（基于SENTINEL-2 波段地表最高分辨率）生成点要素指示土地负向变化单位，同时基于每个点要素表达100 m2面积的基础上结合坡度数据所得斜率系数生成栅格斜面积并作为主要影响值，生成2017—2020 年动态变化的生态用地负流向热力图（图3）。结合数据结果显示：变化热点多发生在城镇、乡村、道路边缘，其中碧湖平原为高频热点聚集区域，联城街道、老竹镇以及富岭街道为高频热点次聚集区域。

图3 生态用地负流向热力图

3.3 蔓延评价要素

生态用地负流向热力图从客观上反映了现实世界人类活动下的实际土地转换结果。对于那些历年来反复处于热点区块的用地，可以基本判定为是生态环境受人为活动影响较大或生态波动较大的区域，但并不能以此认定是城市蔓延的方向。为此，研究尝试建立一个更加完整的城市蔓延评价方法。下面主要讨论以下几项评价要素权重数据分级的构建。

生态用地负流向分级。运用自然间断点分级法[10]对综合历年生态用地负流向热力图进行再分类评级，并限制最低两级参与评价。该评价等级主要指自然客观条件下，土地受到人为活动干扰的频繁程度，是基于现实土地利用变化生成的条件参数。

规划用地分级。规划数据由本地自然资源规划局研究发布，是未来几年城市建设的主要方向和人口流动的重要参考因素。为了更好体现规划文件对用地稳定性的影响，分级时对新发布规划中为新增的建设开发性质地类在原有地类分级权重上增加一级，对持续用于山水林田草等生态保留地类在分级上减少一级。关注和保障基本永久农用地不被侵占，限制自然保留地、新增农田、新增林地、新增园地、基本农田、一般农田以及水库水面参与评价。

结合数字高程模型生成的坡度数据对坡度完成分级，根据丽水地区地貌特点按照适用度将坡度划分为0%～8%、＞8%～15%、＞15%～25%、＞25%4 类。根据《城市用地竖向规划规范（CJJ 83—99）》的规定，城市各类建设用地最大坡度不超过25%，应限制大于该值的坡度空间参与评价过程。

拟定5 类推动城镇居民迁移驱动的因素，其具体表现为该类驱动要素的服务范围，或可达性，包括但不限于工商娱支持区域、公园绿地服务空间、教育保障范围、医疗安全距离以及年度重大建设项目的辐射影响。其中，根据驱动因素对居民聚集或服务的影响方式，将根据人们对其使用特点来讨论使用欧几里得距离或成本距离进行测算分级。结合长期经验估算丽水人民出行习惯范围，并根据中心城区对角距离对驱动要素类型距离大于5 km 的区域限制评价或设定低权重值。

3.4 结果与讨论

结果显示：在斑块尺度上呈现出高度蔓延趋势的斑块合集主要集中在4 个区块（图4），其区位主要体现在中心城区东西向的边界，并向西沿环城公路延伸至联城街道区块，碧湖平原北部也有分散的大量高蔓延区块。这类蔓延斑块现主要为居民点建设用地，包含别墅区、未来社区等中高档小区建设用地，为吸引居民聚居，未来将会有对应的基础配套设施开发的可能。富岭街道西侧高蔓延区块为丽水工业科技园区向东面扩张的范围，是外来务工人员的重要聚集地之一。中心城区显示出大面积轻度蔓延趋势区块是城市对外圈老旧居民点的更新地块，是中心城区拆建的高发区块，符合土地利用变化情况。

图4 蔓延趋势（蔓延斑块筛选）

从村镇尺度看（图5），当前受到高度蔓延影响的村镇为武村村、白前村、富岭村、大坑口村，受到中高度蔓延影响的村镇为郎奇村、官桥村、常宅村、敏河村、林宅口村、花街村、青岗村、岩泉村和青林村。结合前述设计的评价分析方法判断，高蔓延度村镇代表着当前区块正面临大规模的土地人工变化，且其用地性质符合规划要求，同时满足建设基础，预示着该区块将成为近几年城市蔓延的村镇节点。中程度蔓延区往往依附于高蔓延区，通过判定是否临近高蔓延区块且处于城区的外延来评估是否具有蔓延趋势，结合最新遥感影像进一步观察当前用地建设基础条件，并基于总体规划对区块功能的定性来讨论聚集趋势，根据最新的建设公文进一步讨论其风险等级。村镇土地的蔓延风险评价，有助于提前做好区域生态评估工作，预防和响应对高风险地区开发的生态破坏，构建区域生态安全屏障；完成村镇居民点调研，设计搬迁安置方案，采取与未来建设良性融合的方式，提早制定针对村镇内具有历史价值的建筑、区域的保护方案；基于村镇尺度细化、精准和有针对性的区域规划方案，根据村镇经济产业特点进行资源整合，积极保护村镇原有风貌，避免在城市化过程中被快速同化失去原有的特点。

图5 村镇尺度的蔓延评价

总体而言，丽水地区发展受限于地形地貌，在蔓延趋势上呈现出一种由城区向城区四周挤压的态势，这种挤压式城区蔓延受限于山体阻隔，在主城区边界和山体边缘处持续呈现高度的土地变化波动，这种对周边自然用地的逐步开发过程预示着在城市扩张的背景下主城区与卫星城和工业园区的连接度将会不断增加，新城与主城一体化趋势也将更加明显。部分飞地开发建设则倾向于未来将主城区与碧湖中心镇进行关联，但受限于碧湖平原地貌、建设基础及目前的耕地保护政策呈现出零星高度蔓延区块，整体上不易形成城区蔓延的重点方向、趋势。

4 结 论

传统蔓延指数的测度评价方法是对城市整体蔓延趋势的评估，是一种宏观的城市蔓延程度的量化评价手段，其局限性在于无法体现具体的蔓延趋势和局部蔓延区块。笔者的蔓延评价及可视化从土地利用变化的生态影响和社会经济发展因素出发，能够有效指示近期用地开发状态，揭示土地蔓延的趋势。浙西南地区城市扩张发展受到地形影响，城郊城市化的进程更加零碎和渐进，结合众数滤波方式计算和构建蔓延评价方法，提供更加具体的蔓延区域可视化表达，在高强度土地开发利用背景下针对周边生态胁迫展开周期性的评估，具有及时制定干预和保护政策的前瞻意义。