西北典型生態(tài)脆弱區(qū)中小城市土地利用演變分析
——以寧夏固原市為例

任曉娟， 馬 泉

(1.西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院，陜西西安 710055：2.國家測繪地理信息局第一航測遙感院，陜西西安 710054)

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西北典型生態(tài)脆弱區(qū)中小城市土地利用演變分析
——以寧夏固原市為例

任曉娟1， 馬 泉2

(1.西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院，陜西西安 710055：2.國家測繪地理信息局第一航測遙感院，陜西西安 710054)

以地處西北典型生態(tài)脆弱區(qū)的寧夏固原市為研究對象，以城市發(fā)展歷程中3個典型時期的高分辨率衛(wèi)星影像為信息源，借助GIS和RS技術(shù)獲取其土地利用數(shù)據(jù)，從土地利用結(jié)構(gòu)度、變化度、轉(zhuǎn)移度和合理度4個方面展開研究，對2003—2014年研究區(qū)土地利用動態(tài)演變過程進行定量分析。結(jié)果表明：2003—2014年固原市土地利用類型的空間穩(wěn)定性不斷降低，農(nóng)林與城市建設(shè)用地的優(yōu)勢主導(dǎo)地位發(fā)生易變；在城市建設(shè)用地中，居住用地、綠地與廣場用地、公共管理和公共服務(wù)用地、道路和交通設(shè)施用地是城市主要的用地類型，也是農(nóng)林用地流轉(zhuǎn)的主要方向；建設(shè)用地擴展速度過快導(dǎo)致擴展彈性嚴重失調(diào)，應(yīng)該引起地方政府警覺。

土地利用；建設(shè)用地；合理性；西北地區(qū)

土地利用是指在一定的生產(chǎn)方式下，人們?yōu)榱四撤N目的，按照土地的自然特性和社會屬性，對土地進行的開發(fā)、使用等活動[1]。土地利用結(jié)構(gòu)反映各種土地利用類型在地域空間上的鑲嵌格局，這種格局與區(qū)域環(huán)境背景的各種因子密切相關(guān)，是包括人類活動干擾在內(nèi)的一切過程綜合作用的結(jié)果。城市土地利用是城市結(jié)構(gòu)和形態(tài)研究的重要內(nèi)容[2]，其中格局和過程是土地利用變化研究的基礎(chǔ),只有通對歷史變化的格局及時空特征進行分析刻畫,才能進行驅(qū)動力的有效分析,進而模擬及分析土地利用演變對生態(tài)環(huán)境的影響[3-4]。同時，研究一定時空尺度下城市土地利用變化過程，找尋其主要規(guī)律和存在的典型問題，是進行城市空間擴展研究的工作基礎(chǔ)，有利于為城市發(fā)展現(xiàn)狀提供參照。國內(nèi)外學(xué)者一般應(yīng)用RS和GIS手段對土地利用的動態(tài)變化進行分析。與傳統(tǒng)的監(jiān)測手段相比，遙感數(shù)據(jù)具有實時性、高效性[5]。

當前，在各方力量和機遇的推動下，西部中小城市城鎮(zhèn)化進程不斷加快，城市擴展速度加劇，城市土地利用變化復(fù)雜。西部中小城市是當前國內(nèi)快速城鎮(zhèn)化過程中特殊的地域?qū)嶓w[6-7]。筆者以土地利用/土地覆蓋變化相關(guān)研究較為匱乏,且地處西海固典型生態(tài)脆弱區(qū)的固原市為研究對象，利用城市發(fā)展歷程中3個典型時期的高分辨率遙感影像，通過人工交互解譯獲得固原市土地利用圖譜信息，在此基礎(chǔ)上利用土地利用結(jié)構(gòu)變化、土地利用類型間的相互轉(zhuǎn)移變化、土地利用演變強度及土地利用變化合理程度等參數(shù)模型分析了固原市土地利用時空演變過程、規(guī)律及特征，為西部地區(qū)中小城市空間擴展研究提供案例參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況 固原市是寧夏南部區(qū)域中心城市，2002年7月撤地建市，總面積約14 422.1 km2。行政改制后的固原市經(jīng)濟增速較快，城鎮(zhèn)化率亦有所提升，但整體水平較低，城市建設(shè)用地的則快速擴展，城市空間從“單中心、團聚狀”向“多組團、外延式擴張”演變，加之“五山兩河”的獨特自然本底格局，使得固原城市空間擴展表現(xiàn)出“蛙跳式”的擴展趨勢。

固原市屬于西海固地區(qū)，生態(tài)本底脆弱，是我國典型的生態(tài)脆弱區(qū)，近年來地區(qū)生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化。隨著地方城鎮(zhèn)化進程的加快，城市建設(shè)對地方發(fā)展影響巨大，使得固原市土地利用正處于劇變階段。

1.2 數(shù)據(jù)來源 選用自固原設(shè)市以來城市發(fā)展歷程中3個典型時期的遙感影像為數(shù)據(jù)源(即2003和2009年0.61 m分辨率的QuickBird 4波段捆綁預(yù)備正射衛(wèi)星影像，以及2014年的GF-1 2 m彩色衛(wèi)星影像)，以2014年城市建成區(qū)并適度外擴的區(qū)域為研究范圍，總面積約52.68 km2。該范圍覆蓋了其他2個研究期的城市建成區(qū)，便于有效反映城市建設(shè)過程中的擴展動態(tài)。

1.3 研究方法

1.3.1 技術(shù)路線。在GIS和RS平臺的支持下，在對固原市典型時期高精度遙感影像解譯的基礎(chǔ)上，通過引入土地利用結(jié)構(gòu)變化度、動態(tài)度和轉(zhuǎn)移度等指標，定量測算2003—2014年固原市土地利用演變特征。

1.3.2 土地利用分類。依據(jù)研究目的合理地選擇土地利用分類體系是科學(xué)研究的基礎(chǔ)。從土地資源管理的視角出發(fā)，依據(jù)相關(guān)技術(shù)標準[8]和實際需要，將土地利用類型劃分為11個一級類型(表1)，得到固原市土地利用圖譜信息(圖1)。

表1 2003—2014年固原市土地利用面積變化

注：垃圾填埋場、機場不在統(tǒng)計范圍內(nèi)。

Note: Landfill site, airport is not in the statistical scope.

圖1 研究區(qū)土地利用分類信息Fig.1 Classification of land use in the study area

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用結(jié)構(gòu)演變 依據(jù)各時期的遙感影像處理生成的土地利用圖，統(tǒng)計出3個時期11種土地利用類型的比例，列于表1。結(jié)果表明，2003—2014年固原市土地利用類型結(jié)構(gòu)差異不斷拉大。尤為突出的是農(nóng)林用地面積銳減，城市建設(shè)用地面積激增，后者取代前者成為基質(zhì)用地類型。2003—2014年農(nóng)林用地由3 554.50 hm2減少到了1 373.75 hm2，凈轉(zhuǎn)出2 180.75 hm2，年均轉(zhuǎn)出198.25 hm2。農(nóng)林用地和城市用地的主導(dǎo)地位的易變，折射出城市快速發(fā)展階段重空間擴展、輕農(nóng)林用地保護的典型弊病。

在城市用地中，居住用地(R)面積從1 221.47 hm2增加到了2 012.90 hm2，從研究初期城市用地占比23.20%，增長到了研究中期的28.10%和末期的38.20%,占比最高。綠地與廣場用地(G)、公共管理和公共服務(wù)用地(A)、道路和交通設(shè)施用地(S)的增速較快，其中綠地與廣場用地占比從0.5%增加到了研究中期的8.6%和末期的11.4%。這4類用地也是城市主要的用地類型。

2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能夠詳細地反映研究時段內(nèi)不同地類間土地利用結(jié)構(gòu)、特征和各地類空間變化的方向和轉(zhuǎn)換關(guān)系, 是土地利用變化研究經(jīng)常使用的方法[9]。在地理空間系統(tǒng)軟件的支持下，得出2003—2009 年、2009—2014年固原市土地利用/覆蓋類型轉(zhuǎn)移矩陣(表2、3)，可以快速查看各個地類間相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系。

表2 2003—2009年固原市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表3 2009—2014年固原市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

(1)2003—2009年，農(nóng)林用地(E2)的凈轉(zhuǎn)出率最高，向各類城市建設(shè)用地共轉(zhuǎn)出1 268.48 hm2,依次轉(zhuǎn)向綠地與廣場用地(G)、居住用地(R)、工業(yè)用地(M)、公共管理和公共服務(wù)用地(A)、道路和交通設(shè)施用地(S)、區(qū)域交通設(shè)施用地(H)、商業(yè)服務(wù)設(shè)施用地(B)、物流倉儲用地(W)和公用設(shè)施用地(U)。居住用地(R)的流轉(zhuǎn)率位居第二，向其他用地流出125.65 hm2。

(2)2009—2014年，農(nóng)林用地(E2)向各類城市建設(shè)用地共轉(zhuǎn)出1 068.63 hm2,依次轉(zhuǎn)向居住用地、綠地與廣場用地、道路和交通設(shè)施用地、公共管理和公共服務(wù)用地、工業(yè)用地、商業(yè)服務(wù)設(shè)施用地、區(qū)域交通設(shè)施用地和公用設(shè)施用地。居住用地的流轉(zhuǎn)量仍居次位，共轉(zhuǎn)出152.50 hm2，這也反映了城市內(nèi)部更新改造的空間發(fā)展過程。

綜上，伴隨著土地利用的劇烈演變，固原市城市空間快速擴展，而這是以農(nóng)林用地的銳減為代價來實現(xiàn)的。

2.3 土地利用演變強度 土地利用類型面積的變化是反映土地利用變化情況的重要方面，可以用土地利用變化率來反映[10]。單一土地利用動態(tài)變化其數(shù)學(xué)表達式為[11]：

LC=[(Ub-Ua)/Ua]×(1/T)×100%

式中，LC為研究期內(nèi)某一類型土地利用變化率;Ua和Ub分別代表研究初末期某類土地的利用面積;T設(shè)為研究時段長度，單位為年。

土地利用動態(tài)度測算結(jié)果列于表1最后2列。由表1可知，2003—2009年水體的減少速度快于2009—2014年，而農(nóng)林用地則在2009—2014年呈加速減少趨勢。在城市人工(半人工)用地中，公共管理和公共服務(wù)用地、綠地與廣場用地、區(qū)域交通設(shè)施用地、工業(yè)用地、道路和交通設(shè)施用地2003—2009年的擴展速度顯著快于2009—2014年；居住用地、物流倉儲用地的后期擴展速度近乎前期擴展速度的2倍。商業(yè)服務(wù)設(shè)施用地在2003—2009年有所減少，2009—2014年又成倍加速擴展，表明前期城市基礎(chǔ)設(shè)施的投資建設(shè)力度較大，后期城市擴展以提高土地利用的經(jīng)濟價值為主要目的。

2.4 城市建設(shè)用地擴展合理性分析 空間擴展彈性指數(shù)側(cè)重于從規(guī)模上反映擴展的合理程度[12]。依據(jù)遙感影像提取的固原市建成區(qū)圖譜信息并結(jié)合相關(guān)年份的《中國城市統(tǒng)計年鑒》中的市轄區(qū)非農(nóng)人口，計算得到固原市城市空間擴展彈性指數(shù)。研究初期城市擴展彈性系數(shù)為2.054，表明在此期間城市規(guī)模已有盈余，隨后擴展進一步加速，到2007年達到8.277的超高值，城市規(guī)模已嚴重超出合理值；到2009年彈性系數(shù)降低至0.023；2014年回升至5.433。固原市城市空間擴展過程中，極端變化的擴展彈性系數(shù)值得警醒。除2009年的擴展彈性指數(shù)出現(xiàn)極小值之外，在其他研究年份固原市建成區(qū)的彈性指數(shù)均嚴重超出合理的城市空間擴展彈性指數(shù)[13]，這暴露出城市空間擴展過程中存在失調(diào)的問題。

3 結(jié)論

遙感獨有的宏觀性、周期性、客觀性、時空變化多層性等分析優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于土地利用監(jiān)測。以固原市撤地建市以來3個典型時期的高分辨率遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，采用人工交互分類提取出城市土地利用圖譜信息，通過結(jié)構(gòu)變化度、動態(tài)度、轉(zhuǎn)移度和合理度等的定量測算，客觀反映固原市空間擴展過程中土地利用演變的總體特征。結(jié)果表明，城市空間的快速擴展是以農(nóng)林用地的銳減為代價的，農(nóng)林用地在研究初期的主導(dǎo)地位在后期發(fā)展中被城市建設(shè)用地取代。二者主導(dǎo)地位的易變，折射出城市快速發(fā)展階段重空間擴展、輕農(nóng)林用地保護的典型弊??；在城市各類用地中，道路和交通設(shè)施用地面積逐年穩(wěn)速增加，居住用地、綠地與廣場用地、道路交通設(shè)施用地、公共管理和公共服務(wù)用地及工業(yè)用地成為城市主要用地類型；建設(shè)用地對農(nóng)林用地的替代過程存在著擴展過速、擴展彈性失調(diào)的嚴重問題，應(yīng)當引起重視。

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Analysis on Land Use Change of Small and Medium Sized Cities in Northwest Typical Ecological Fragile Region—A Case Study of Guyuan in Ningxia

REN Xiao-juan1, MA Quan2

(1. College of Architecture, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an, Shaanxi 710055;2. The First Institute of Photogrammetry and Remote Sensing, NASG, Xi’an, Shaanxi 710054)

With Guyuan, Ningxia in northwest typical ecological fragile region as example, high resolution satellite image in three typical periods as data source, using GIS and RS technology to obtain land use data, four aspects including degree of land use structure, change, transfer and reasonable degree were studied, quantitative analysis was conducted on land use dynamic change process during 2003-2014. The results showed that during 2003-2014, spatial stability of land use type continuously reduces, agriculture, forestry and city construction land dominance position is variable in Guyuan; in city construction land, residential land, green space and square land, public administration and public services, roads and traffic facilities are the main types, and also the main direction of agricultural land transfer; construction land expansion over speed lead to serious imbalance in the expansion of flexibility, which should cause alert to local development.

Land use; Land used for building; Rationality; Northwest Region

任曉娟(1985- )，女，陜西延安人，博士研究生，研究方向：城鄉(xiāng)規(guī)劃與區(qū)域發(fā)展。

2016-09-14

F 301.24

A

0517-6611(2016)32-0194-03