基于GIS和RS的南宁市城市用地扩张时空动态特征分析

苏晓洁 程秋华 杨芸珍 庞子玥

基于GIS和RS的南宁市城市用地扩张时空动态特征分析

苏晓洁 程秋华 杨芸珍 庞子玥

（北部湾大学，广西 钦州 535011）

近年来，南宁市的社会经济得到了迅猛发展，经济发展的同时城市范围也在不断扩大，城市用地不断增多，随之而来的是复杂的土地利用问题，如城市土地利用缺乏合理规划，耕地锐减，建设用地急剧扩张侵占其他类型的土地等问题。文章在已有的研究经验基础上，以南宁市为研究对象，在GIS和RS技术的支持下，利用2005年－2020年十五年间的Landsat影像数据，提取南宁市城市扩张进程中土地利用类型的变化信息，运用GIS的空间分析等功能对扩张过程以及规律进行研究和分析。研究结果表明，南宁市在发展的过程中，城市用地由快速扩张到控制扩张，且有持续扩张的趋势。对南宁市城市用地扩张进行时空动态上的研究，可综合分析不同时间和空间上南宁市城市用地的准确信息，为城市用地扩张的动态监测与土地合理规划调控提供科学的依据。

南宁市；遥感解译；空间分析；城市扩张

引言

城市发展依赖于土地，城市化进程在不断加快发展的同时，人类的活动以及社会的发展也在不断影响城市的土地利用方式。城市用地扩张逐步成为土地利用变化的最主要特征。城市用地扩张是衡量一个地区城市化水平的重要标准之一，目前城市扩张已经逐渐成为土地利用变化与土地资源管理方面的研究热点。城市发展与扩张的同时，土地缺乏合理规划、耕地锐减、建设用地急剧扩张侵占其他类型土地等问题随之而来。

城市化以及城市扩张的问题直接关系到社会经济的发展，逐渐成为城市研究的主要领域。随着RS和GIS技术逐渐兴起并趋于成熟，这一方面的研究也逐渐深入并取得了很多研究成果。RS获取数据速度快、精确度高，能够实时获取地物的信息数据；GIS有着强大的空间分析功能，可以综合处理复杂多样的数据，二者结合可以综合分析不同时空的城市用地信息，为城市用地扩张的动态研究和规划提供科学的依据。

《南宁市国土空间总体规划（2021—2035）》草案指出，直至21世纪中叶，南宁市国土规划将实现高效能治理，优化三区三线总体格局，优化城市空间结构，建设生态宜居壮乡首府[1]。利用RS技术进行监督分类提取土地利用类型，GIS技术进行土地利用转移矩阵得到不同地类之间的转换信息，计算不同地类间的转移速度，分析各地地类变化的方向，对南宁市2005年—2020年的城市用地扩张进行时空动态研究。基于坚持底线思维与尊重城市发展规律的前提，在已有的基础上更进一步探索城市扩张和土地利用变化的关系，研究社会发展与城市用地扩张之间的关系，为南宁市保护土地资源、促进土地合理利用提供理论参考依据，为南宁市形成安全永续、富有竞争力的国土空间格局提供现实依据[2]。

1 研究区概况

南宁市位于广西中部偏南，素有“中国绿城”“天下民歌眷恋的地方”之称，同时也是全国首批海绵城市建设优秀试点城市之一。南宁市处于广西七个北部湾城市群中的中间核心位置，是中国与东盟各国交流的开放城市，在广西经济社会发展和西部大开发战略中具有十分重要的地位。南宁市下辖青秀区、兴宁区、江南区、良庆区、邕宁区、西乡塘区、武鸣区共7个行政区。本文研究的行政区主要是前6个行政区，武鸣区因近年才撤县设区，所搜集的相关数据不够完整具体，本文暂不予论述。

2 数据来源及技术路线

2.1 数据来源及内容

本文所使用的遥感数据均从USGS官网下载，其中2005年－2010年使用的是Landsat5遥感影像，2015年－2020年使用的是Landsat8遥感影像，分辨率均为30 M。社会经济数据均从2015年－2020年的《中国城市统计年鉴》中筛选并整理成城市用地分布、人口与经济情况表格，如表1所示。

表1 数据来源及内容

2.2 技术路线

利用ENVI对遥感影像进行监督分类处理并提取土地利用信息，以ArcMap的空间分析功能进行城市用地变化分析与城市用地扩张动态分析（图1）。

图1 总体技术路线

3 结果分析

3.1 遥感影像监督分类

本文使用的分类方法是用肉眼按照地物特征选取样本以及图像光谱特征进行分类的。遥感影像本身就存在着“同物异谱”或“异物同谱”的现象，在同一个谱段中，不同的地物也可能会出现相同的谱线特征，使得在解译的过程中容易判错，导致分类结果不准确。因此在监督分类后，需将分类后得到的地类数据导入ArcMap中进行可视化。

图2 各研究期土地利用分布图

3.2 土地利用变化分析

根据2005年、2010年、2015年和2020年影像图分类得到的土地利用数据（图2），再经过ArcGIS进行统计分析后得到每个时期的不同地类面积和比重。

表2 各时段土地利用类型面积（单位：km2）

表3 各时段土地利用类型比重（%）

南宁市辖区的耕地、林地、草地的退减量相对较小（表2），原因是受到耕地、林地保护政策的影响，建设用地不得占用到耕地与林地保护红线。尽管如此，相比于15年前南宁市辖区的建设用地面积增加了将近一倍的量（表3），表明南宁市城区由其他地类转换为建设用地的量越来越多，城市用地呈现向外扩张的趋势。

3.3 土地利用转移矩阵

通过土地利用转移矩阵，可以清楚直观地看出不同地类之间的转换信息（表4），计算不同地类间的转移速度，可以分析出各地类变化的方向，还可根据结果得出该地类仍保持不变的面积，有多少转化为其他地类以及转化的面积等[3]。

表4 2005年—2010年土地利用类型转移矩阵（单位：km2）

表5 2010年—2015年土地利用类型转移矩阵（单位：km2）

表6 2015年—2020年土地利用类型转移矩阵（单位：km2）

以上对2005年、2010年、2015年和2020年四个研究时段的土地利用数据进行提取，并通过转移矩阵对各地类的变化情况进行了分析。近15年以来南宁市城区各地类之间不断相互转移，建设用地面积增多，表明城市社会经济发展的同时，城市用地也在逐年扩张。推论可知，南宁市这15年来城市用地扩张程度和转移变化量较多较大，体现在耕地、林地、草地的减少和建设用地的增加。

3.4 城市扩张动态分析

基于遥感影像提取出的城市用地信息，通过GIS软件对用地数据进行分析，将土地利用数据导入ArcMap中，单独提取出2005年、2010年、2015年和2020年的南宁市建设用地四个时期的分布情况，并且做出各时段的建设用地分布图和建设用地分布变化图。在图3中可以直观地看出四个研究期内南宁市城区建设用地的扩张过程，扩张方向主要有东部地区和南部地区。

图3 南宁市城区2005年—2020年城市用地扩张过程

3.5 城市扩张动态时间过程分析

城市扩张的动态度可以通过计算单一土地利用类型动态度来表示。它指的是在一定的时间范围内，一种地类的总量变化情况。可以用它来代表研究区的土地利用变化的快慢，它对于研究一个区域内土地利用变化的不同性和分析今后该区域的土地利用发展趋势具有重要的参考作用[4,5]。可通过计算建设用地的利用动态度来分析南宁市建设用地的变化速率，表达式为：

在公式（1）中，K表示南宁市5年内的建设用地动态度，Ua为首期研究区域的建设用地总量，Ub为末期的建设用地数量，本研究中研究期分为2005年～2010年、2010年～2015年和2015年～2020年，研究时段T为5年。

将土地利用数据带入公式（1）中，得到：

①2005年的建设用地面积为332.54 km2，2010年面积为375.38 km2，将数值代入公式（1）：得到研究期（2005年－2010年）的建设用地利用动态度为：

②2010年建设用地面积为375.38 km2，2015年面积为496.86 km2，将数值带入公式（1），得到研究期（2010年～2015年）的建设用地利用动态度为：

③2015年建设用地面积为496.86 km2，2020年建设用地面积为632.33 km2，将数值代入公式（1），得到研究期（2015年－2020年）的建设用地利用动态度为：

④将各时段的建设用地利用动态度与该时段增加的建设用地面积，做成如表7所示。

表7 各监测时段建设用地扩张情况

从表7中可看出，南宁市15年来，建设用地每年的增量在不断上升，建设用地总量也越来越多，从2005年的332.54 km2增长到2010年的375.38 km2，2015年增加到496.86 km2，直至2020年增加到632.33 km2。在本文的三个研究时段中，建设用地的年扩展速率呈加快再减缓的趋势，2005年－2010年的年均扩展速率为2.6%，2010年－2015年间的年均扩展速率发展到6.4%，说明南宁市这十年间的城市发展十分迅猛，且对于土地资源的管理程度并不是很严格，导致城市发展过程中建设用地过多地侵占到其他类型的土地；2015年－2020年的速率为5.4%，速度相比于上一阶段有所减缓，说明近年来南宁市政府越来越重视土地资源的管控，既要发展经济也要守住土地，严格控制城市建设用地规模，使得近5年来南宁市建设用地扩展速度相比于前一研究期有所放慢，表明南宁市政府在逐渐控制建设用地占总用地类型的比重，在有效促进南宁市经济发展的同时，坚定底线思维，尊重城市发展规律，在生态文明思想和总体国家安全观指导下编制规划的理念。

3.6 城市用地扩张的空间差异分析

在研究城市扩张的过程中，可以使用扩张强度指数来分析城市建设用地扩张的强度特征，分析南宁市城区的六个区的建设用地扩张的差异性，建设用地扩张强度指数表达式为：

在公式（5）中，U为城市发展过程中非建设用地转化为建设用地的面积，A为南宁市城区总面积，△t为5年，即用平均每年增加的建设用地面积除以南宁市城区的总面积[6]。根据前面实验得到的数据计算每个研究时段的扩张强度指数如表8所示，并详细分析各区的建设用地扩张强度指数，分析各区之间建设用地扩张强度的差异性，如表9所示。

表8 各时段南宁市城区建设用地总体扩张强度指数

表9 2005—2020年南宁市各城区建设用地扩张强度指数

2005年—2020年南宁市城区的六个区之间城市用地扩张存在着较为显著的差异，其中扩张强度指数最大的为青秀区、江南区和良庆区，扩张强度指数分别为0.7、0.63和0.48；最低的为邕宁区，扩张强度指数仅为0.21。综合多方面的因素对其原因进行了分析，首先，强度排名前二的青秀区和江南区的发展都离不开“整体向东，重点向南的”发展战略，青秀区扩张速度如此之快主要得益于其区位优势；其一，区域综合交通枢纽南宁火车东站位于青秀区，可享受着“高铁经济圈”带来的收益，地铁一号线和三号线贯穿青秀区；同时青秀区是南宁的政治、经济和旅游中心，带来了更多发展机会。江南区的扩张速率为第二，江南区的交通路网发展成熟，加上地铁二号线和四号线的开通使得江南区的交通更加便利；经开区的设立和沙井片区的开发也会带动经济的发展，从而带来更多的就业机会，就业机会的增多带来更多的人口，也带动了江南区房地产行业的发展，同时政府也在重点推动沙井片区的安置房项目，使得很多房地产开发商在江南区寻找空间建设楼盘，房地产行业对土地的需求逐渐增加。便利的交通以及各项优势促进了经济的发展，经济发展必然会加快城市化进程，使城市对基础设施建设的要求逐渐提高，城市用地自然会扩张。

4 总结

社会经济的发展，使得人类对土地的需求也逐渐发生变化，从而推动各地类之间相互转换，土地利用结构得到不断地调整，最终使得城市用地不断增加，其他的地类相继减少[20-22]。根据各年份统计年鉴数据计算出：南宁市城区人口密度由2005年的228.76人/km2，增加到2010年的407.22人/km2，2015年为433.50人/km2，直至2020年已发展到606.36 人/km2；由这些数据知，南宁市城区近15年来的人口密度不断增加，人口增加速度很快。2005年生产总值为360万元，2010年为1100万元，2015年为2300万元，到2020年为3980万元，经济增长速度也很快；显而易见，人口和经济的增长跟建设用地的扩张趋势是一致的，可知人口的增加和经济的发展对城市用地的扩张有着推动的作用。

由南宁市2006年—2020年的城市规划可知，在规划期内南宁市的城区发展趋势主要为：整体向东，重点向南发展。且由前面的分析结果可知，南宁市2005年—2020年的城市扩张方向为东部和南部，东部的青秀区和兴宁区以及南部的良庆区、江南区建设用地扩张面积较大较为明显。在“十四五”规划中，也对南宁今后的城市发展做出了新的规划，未来南宁市的城市用地还会不断地扩张，城市用地布局将会更加的合理。

作为南宁市最老的城区之一，兴宁区仍有着很大的发展空间。随着南宁不断地往东边发展，交通往东延伸，兴宁区逐渐形成以朝阳商贸中心为支点，沿南梧大道——昆仑大道向东北方向的发展趋势，依托各种商贸功能区，产业集聚中心以及旅游资源等区位优势，无疑是南宁城区发展趋势中最具潜力的片区之一，未来城市用地也会往东北方向扩张。在“提高江南，重点向南”的政策指引下，南宁发展重心向南倾斜，在江南区逐渐形成了沙井、经开区等新片区，在政府的“三区一带”发展规划指引下，城市功能不断完善，人口也不断增加，南宁的城市发展处于喷发阶段，未来江南区的城市用地还会不断地向西向南扩张。西乡塘区的城市改造与发展速度也越来越快，老城仍扮演着很重要的角色。高新区的设立促进经济社会发展，老城区仍有着发展的潜力，城市用地也在不断地向外扩张。依托南宁市“整体向东”的规划，南宁市东部的青秀区已经取得了实质性的发展，形成了凤岭东、凤岭南新区等新兴城区板块，繁华的商业、丰富的旅游条件，便利的交通，青秀区的城市发展速度将会更快。邕宁区撤县设区后，发展情况与其他五个区相比，稍微处于弱势的地位，不过在近15年的时间里，邕宁区也进入了一个新的发展阶段，随着南宁市重点向南发展，邕宁区也迎来了新的发展机遇，城市用地也在不断地扩张。自五象新区设立以来，良庆区整体面貌焕然一新，根据南宁市“重点开发落实五象新区”的政策指引，良庆区是今后南宁市发展的重点地区。由此建设用地的需求也不断增加，城市用地也会不断地向外扩张。

[1] 南宁市自然资源局. 南宁市国土空间总体规划草案(2021—2035年)[Z]. 南宁: 南宁市自然资源局，2021.

[2] 何丹，蔡建明，周璟. 天津城市用地时空扩展研究[J]. 水土保持通报，2009(3): 56-60.

[3] LPHAN H. Land use change and urbanization of Adana, Turkey[J]. Land Degradation and Development, 2004, 14: 575-586.

[4] 盛凯，毛蒋兴，刘焕原. 南宁市城市土地扩张与驱动力分析[J]. 广西师范学院学报(科学版)，2009，26(2): 59-64.

[5] 刘清，范城城，刘润东，等. 近60年南宁市城区城市空间展遥感监测研究[J]. 广西大学学报(自然科学版)，2019，44(6): 1573-1583.

[6] LOPEZ E, BOEEO G, MENDOZA M, et al. Predicting land-cover andland-use change in the urban fringe. A case in Morelia city[J]. Mexico Landscape and Urban Planning, 2001, 55: 271-285.

Analysis on the Spatial and Temporal Dynamic Characteristics of Urban Land Expansion in Nanning City Based on GIS and RS

In recent years, the social economy of Nanning city has developed rapidly. With the economic development, the scope of the city is also expanding, and the urban land is increasing, which is followed by complex land use problems, such as the lack of reasonable planning of urban land use, sharp reduction of cultivated land, rapid expansion of construction land and occupation of other types of land. Based on the existing research experience, this paper takes Nanning city as the research object, with the support of GIS and RS technology, uses the Landsat image data from 2005 to 2020 to extract the change information of land use types in the process of urban expansion in Nanning city, and uses GIS spatial analysis and other functions to study and analyze the expansion process and laws. The results show that in the process of Nanning city's development, the urban land expansion has changed from rapid expansion to controlled expansion, and there is a trend of continuous expansion. The research on the spatiotemporal dynamics of urban land expansion in Nanning city can comprehensively analyze the accurate information of urban land in Nanning city at different times and spaces, and provide scientific basis for the dynamic monitoring of urban land expansion and the rational planning and regulation of land.

Nanning city; remote sensing interpretation; spatial analysis; urban sprawl

F293.2

A

1008-1151(2022)11-0041-05

2022-09-09

北部湾大学大学生创新创业训练计划项目（202011607137）；广西社科基金项目“边际分析视角下广西城镇化与国土空间生态修复耦合发展研究”（20CGL004）。

苏晓洁（1999－），女，北部湾大学资源与环境学院学生，研究方向为城市扩张。

程秋华（1981－），女，北部湾大学资源与环境学院讲师，硕士，从事基于3S 技术的北部湾经济区人口、交通与经济分布趋势及耦合协调性研究。