基于高分辨率影像數(shù)據(jù)分析的城市土地利用效率研究

宋欣

摘要：本文以嘉峪關(guān)市為例，通過遙感技術(shù)手段制作全域高分辨率衛(wèi)星影像，通過內(nèi)業(yè)對(duì)比分析精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)該市2010年、2019年度城市內(nèi)部閑置土地現(xiàn)狀和城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張邊界范圍，利用土地利用結(jié)構(gòu)分析和DEA模型分析，綜合評(píng)價(jià)該市的城市土地利用效率。結(jié)果表明：該市在2010-2019年間土地利用效率保持持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì);城市的盲目擴(kuò)張導(dǎo)致閑置土地大量增加，一定程度制約城市土地利用效率提升。建議加強(qiáng)規(guī)劃引導(dǎo)、制定完善導(dǎo)向政策、盤活閑置用地、完善項(xiàng)目監(jiān)管措施是該市在未來一定時(shí)期的土地利用的主要方向的建議。

關(guān)鍵字：土地利用效率;閑置土地;城市擴(kuò)張;土地利用結(jié)構(gòu);DEA模型

中圖分類號(hào)：F293.2;S127

1 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化與工業(yè)化持續(xù)推進(jìn)，各項(xiàng)產(chǎn)業(yè)扶持力度加大，農(nóng)村人口大量涌進(jìn)城市，建設(shè)用地的擴(kuò)張規(guī)模呈現(xiàn)極速增長(zhǎng)，現(xiàn)階段土地有效供應(yīng)仍是我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的主要支撐。在城市發(fā)展過程中因各種原因在土地利用方面出現(xiàn)了較多的問題，包括閑置用地?cái)?shù)量快速增長(zhǎng)且處置困難，新增建設(shè)用地亂占亂用優(yōu)質(zhì)耕地等。

根據(jù)自然資源部（原國(guó)土資源部）2012年施行的《閑置土地處置辦法》中關(guān)于閑置土地定義，是指土地使用人在合法取得土地使用權(quán)后，在有償使用合同或劃撥決定書規(guī)定的動(dòng)工開發(fā)日期滿1年，未經(jīng)政府部門批準(zhǔn)同意，超過限期未開發(fā)利用的建設(shè)用地。閑置土地形成原因錯(cuò)綜復(fù)雜，主要是規(guī)劃不合理、供需矛盾凸顯、政府批后監(jiān)管不力、土地管理體現(xiàn)出現(xiàn)漏洞等因素。各地開發(fā)區(qū)、新區(qū)的集中涌現(xiàn)，土地供給量遠(yuǎn)大于社會(huì)發(fā)展所需的需求量;政府盲目招商引資、增加財(cái)政收入等行為，出讓過低、過高于市場(chǎng)價(jià)的土地，出現(xiàn)土地使用人圈地囤地、企業(yè)經(jīng)營(yíng)不善無力開發(fā)等土地閑置現(xiàn)象;土地審批部門在土地審批階段對(duì)土地申請(qǐng)人信息掌控不足、批后監(jiān)管跟蹤不到位，造成土地閑置。近幾年國(guó)家出臺(tái)了一些關(guān)于閑置土地的處置意見及措施，但各地處置效果并不理想，并逐年持續(xù)增長(zhǎng)。

城市建設(shè)用地增加，必然導(dǎo)致城市邊界持續(xù)擴(kuò)張，其特征主要在人口密集、交通發(fā)達(dá)、水資源豐富地區(qū)進(jìn)行開發(fā)，這些地區(qū)往往地勢(shì)平坦、土壤肥沃，造成新增建設(shè)用地占用大量的優(yōu)質(zhì)耕地，威脅我國(guó)糧食安全。

鑒于上述土地利用問題，本文選嘉峪關(guān)市市區(qū)為研究區(qū)，利用遙感影像數(shù)據(jù)摸清城區(qū)土地利用整體情況，在空間上、時(shí)間上進(jìn)行土地利用分析，研究其在近十年間的城市土地利用效率，并提出合理化發(fā)展建議。

2研究區(qū)及數(shù)據(jù)源

2.1 研究區(qū)概述

嘉峪關(guān)市位于甘肅省河西走廊西段，面積2935km²，人口24萬，東臨酒泉市肅州區(qū)，西連酒泉市玉門市，南至祁連山，北至黑山，是“絲綢之路”的重要交通要道。1958年依托酒泉鋼鐵公司興建，是一座美麗的新興工業(yè)旅游城市，鋼鐵工業(yè)和旅游業(yè)是其重要的支柱產(chǎn)業(yè)，人均GDP一直位于甘肅省前列。

近年來由于我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，房地產(chǎn)等傳統(tǒng)行業(yè)萎縮，鋼鐵產(chǎn)能過剩，酒泉鋼鐵公司業(yè)績(jī)下降明顯，造成該市經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度減慢。隨著高鐵、高速公路等交通基礎(chǔ)設(shè)施快速發(fā)展，其旅游業(yè)發(fā)展速度較快，產(chǎn)值比重逐年增加，加之傳統(tǒng)鋼鐵行業(yè)尋機(jī)轉(zhuǎn)型，取得了一定成效，延緩了經(jīng)濟(jì)下行趨勢(shì)。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本次研究項(xiàng)目共收集嘉峪關(guān)市2010年、2012年、2017年、2019年四期遙感影像數(shù)據(jù)，其中2010年、2012年遙感影像數(shù)據(jù)為這兩期年度土地利用變更調(diào)查項(xiàng)目衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，可以直接使用;2017年、2019年遙感影像數(shù)據(jù)為作者自行收集，需進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

嘉峪關(guān)市2010年、2012年遙感數(shù)據(jù)來源于我國(guó)“遙感2號(hào)”衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，覆蓋整個(gè)行政轄區(qū)，該影像數(shù)據(jù)僅包含全色波段，時(shí)相為2010年、2012年8月-10月，空間分辨率為2.5m，影像云覆蓋率低于為5%;2017年、2019年度遙感數(shù)據(jù)來源于我國(guó)近幾年發(fā)射的GF-2衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，覆蓋整個(gè)行政轄區(qū)，該影像數(shù)據(jù)包含全色波段和多光譜波段，時(shí)相為2017年、2019年9月-12月，空間分辨率為1m，影像云覆蓋率低于為5%。

3 數(shù)據(jù)處理及信息提取

3.1數(shù)據(jù)處理

為滿足2010-2019年度四期遙感數(shù)據(jù)對(duì)比分析需求，將收集到的2019年GF-2衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行預(yù)處理，以2010年遙感影像作為平面控制，分辨率30米DEM數(shù)據(jù)作為高程控制，利用影像處理軟件將GF-2全色波段影像進(jìn)行正射糾正;糾正后的全色波段影像作為參考，配準(zhǔn)多光譜影像;然后將糾正后的全色波段和配準(zhǔn)好的多光譜波段影像進(jìn)行融合處理，增強(qiáng)影像識(shí)別精度。將多幅融合后的單景影像進(jìn)行鑲嵌，形成覆蓋嘉峪關(guān)市整個(gè)行政轄區(qū)的 “一張圖”。

3.2 信息提取

利用ARCGIS數(shù)據(jù)處理軟件，依據(jù)制作完成的遙感影像紋理進(jìn)行內(nèi)業(yè)判讀，劃定城市擴(kuò)張邊界、勾繪閑置用地圖斑。

劃定2010、2019年度嘉峪關(guān)市城市邊界。嚴(yán)格按建成區(qū)劃定城區(qū)范圍，并內(nèi)部不允許出現(xiàn)“空洞”;緊靠建成區(qū)的公路、公園可劃入城區(qū)范圍，新建開發(fā)區(qū)路網(wǎng)內(nèi)土地可劃入城區(qū)。

提取2012年、2019年度城區(qū)閑置用地圖斑。將城區(qū)內(nèi)的空閑地、荒草地（除公園內(nèi)的草地）、臨時(shí)堆放、推（堆、填）土區(qū)等地塊勾繪成圖斑，作為城市內(nèi)部的未建成區(qū)。因缺乏研究區(qū)閑置土地的有償使用合同或劃撥決定書，無法了解土地的具體動(dòng)工日期，本文暫定2年內(nèi)未動(dòng)工開發(fā)的土地即為閑置土地。2010年至2012年間、2017年至2019年間未動(dòng)工開發(fā)的未非建成地塊確定為閑置土地圖斑，。

4城市土地利用現(xiàn)狀

4.1閑置土地現(xiàn)狀

經(jīng)過提取圖斑數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年、2019年度閑置土地圖斑總面積分別為14676.5畝、15741畝，新增閑置土地1064.5畝，占2012年閑置土地面積的7.2%。

（1）以2012年閑置土地圖斑為底數(shù)，兩期閑置土地圖斑層疊加分析后， 8年間仍未開發(fā)的閑置土地圖斑為36個(gè)，面積為5534.3畝，占2012年閑置土地總面積的37.7%，見表1。

通過影像判讀和實(shí)地調(diào)查，并參考土地不動(dòng)產(chǎn)相關(guān)資料，確定8年間未開發(fā)的、消化的閑置土地用地類型，其中未開發(fā)的工業(yè)用地34塊、教育用地1塊、住宅用地1塊。嘉峪關(guān)市是一個(gè)新興工業(yè)城市，工業(yè)用地在閑置土地的數(shù)量、面積都占絕大數(shù)比例，占未開發(fā)閑置土地總面積的88%，基本為酒泉鋼鐵公司的使用土地。部分閑置土地未按照批準(zhǔn)土地整體開發(fā)，且開發(fā)后用地類型與前期批準(zhǔn)用地類型略有差異，對(duì)消化的閑置土地圖斑進(jìn)分割合并處理，圖斑數(shù)量進(jìn)行了重算，確定總圖斑數(shù)量為67個(gè)、總面積為9142.2畝，涉及工業(yè)用地25塊、道路用地12塊、商業(yè)服務(wù)業(yè)用地7塊、公園與綠地用地7塊、公共服務(wù)設(shè)施用地5塊、住宅用地4塊、教育用地2塊、特殊用地2塊、倉(cāng)儲(chǔ)用地2塊、農(nóng)業(yè)用地1塊，見表2。

（2）疊加對(duì)照2017年、2019年兩期遙感影像開展內(nèi)業(yè)信息提取，獲得2019年度新增閑置土地圖斑。除去2012-2019年存量閑置土地面積，2019年新增閑置土地面積為10206.7畝，占總面積的64.8%，其主要分布在嘉峪關(guān)市市區(qū)東部新城區(qū)，城區(qū)路網(wǎng)已建成，多為路網(wǎng)內(nèi)未供閑置土地。

表3中“待開發(fā)”用地類型是指使用用途不明確的閑置土地，主要集中在嘉峪關(guān)市南部新城區(qū)，根據(jù)城市規(guī)劃顯示，區(qū)域以住宅、科教文衛(wèi)、娛樂、商業(yè)用地為主;工業(yè)用地仍是該市閑置土地的主要批準(zhǔn)用地類型，集中在北部工業(yè)開發(fā)區(qū)，毗鄰酒泉鋼鐵公司廠區(qū);公園與綠地、住宅、教育用地主要集中在城區(qū)中部、南部。

4.2?城市邊界擴(kuò)張現(xiàn)狀

2010-2019年嘉峪關(guān)市城市范圍持續(xù)擴(kuò)張，建設(shè)用地空間范圍也逐年增加如圖3所示，2010年、2019年城區(qū)面積分別為111422.04畝、149037.09畝，增加了37615.05畝，擴(kuò)張了33.8%。

利ARCGIS軟件將2010年、2019年城區(qū)范圍疊加分析，獲得2010-2019年城區(qū)擴(kuò)張范圍，再套合2010年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)，確定城市新增建設(shè)用地占用非建設(shè)用地面積，見表4。

非建設(shè)用地包括農(nóng)用地和未利用地，農(nóng)用地主要為耕地、林地、草地等用地類型;未利用地主要為裸土地、沙地等用地類型，在影像紋理上辨別就是城區(qū)周邊泛黃的、植被稀少土地，俗稱戈壁灘，具體分布見圖4。

將2010-2019年城市擴(kuò)張占用非建設(shè)用地圖斑制作成調(diào)查底圖，開展實(shí)地調(diào)查，確定范圍內(nèi)圖斑用地類型、范圍的變化情況，經(jīng)過半月時(shí)間的實(shí)地勘查與內(nèi)業(yè)整理，獲得相應(yīng)圖斑的變化情況，如表5所示。

“待開發(fā)”土地類型面積占比為29.99%，土地空置面積較大，主要原因是近些年該市持續(xù)向東擴(kuò)張，新城區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度較快，路網(wǎng)已基本成型，大量未開發(fā)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發(fā)展的不同時(shí)期，將有限的土地合理化、最大化利用滿足城市發(fā)展需要，對(duì)城市的政治、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)揮重要的作用。本文以土地利用結(jié)構(gòu)和土地利用投入產(chǎn)出效益的分析，綜合評(píng)價(jià)土地利用效率。

5.1?土地利用結(jié)構(gòu)分析

從我國(guó)現(xiàn)階段城市發(fā)展規(guī)律來看，較多城市呈現(xiàn)邊界盲目無序的擴(kuò)張、內(nèi)部閑置土地持續(xù)增長(zhǎng)等現(xiàn)象，是城市科學(xué)合理發(fā)展面臨的重要問題，結(jié)合嘉峪關(guān)市2012-2019年閑置土地增長(zhǎng)率、處置率和城市擴(kuò)張率，綜合評(píng)價(jià)嘉峪關(guān)市土地利用效率。

根據(jù)文中土地利用現(xiàn)狀分析結(jié)果，2012-2019年嘉峪關(guān)市閑置土地增長(zhǎng)率為7.2%，閑置土地處置率為62.3%，城市擴(kuò)張率為33.8%。從數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，閑置土地增長(zhǎng)率明顯低于處置率、城市擴(kuò)張率，約為處置率的1/9，城市擴(kuò)張率的1/5，城市土地利用效率較高。

從表2、表3中閑置土地面積占比列統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，工業(yè)用地在閑置土地面積占比、消化面積占比中均最重，分別為57.6%、60.2%，占閑置土地面積的一半以上，工業(yè)仍是該市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，合理利用工業(yè)用地決定著土地利用效率。該市近年經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈現(xiàn)多元化趨勢(shì)，旅游業(yè)產(chǎn)值比重逐年遞增，公園與綠地建設(shè)力度加大，在閑置土地消化面積占比中增長(zhǎng)明顯，占12%，在2019年閑置土地總面積占比中也較低，僅為1%。隨著該市向城區(qū)南部、東部快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面投入較多，新建城區(qū)路網(wǎng)已經(jīng)成型，導(dǎo)致路網(wǎng)內(nèi)部產(chǎn)生大量土地閑置，面積為7529.4畝，占2019年新增閑置土地面積的73.8%，不以項(xiàng)目依托的城市擴(kuò)張，必然影響城市土地利用效率。

從表4可以看出，嘉峪關(guān)市城市新增建設(shè)用地基本上是占用城區(qū)周邊的未利用地，很少部分占用農(nóng)用地，僅為擴(kuò)張面積的4%，對(duì)農(nóng)用地依賴度處于極低水平。表5中農(nóng)用地變更為建設(shè)用地各地類面積占比近似，工業(yè)用地占比較大，是住宅用地的兩倍;未利用地變更為建設(shè)用地各地類面積占比中，工業(yè)用地面積占比是33.63%，遠(yuǎn)高于其他地類，隨著酒泉鋼鐵公司的業(yè)務(wù)擴(kuò)展、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型及依靠其生存的中小型附屬加工企業(yè)增多，工業(yè)用地一直是嘉峪關(guān)市城區(qū)擴(kuò)長(zhǎng)的主要用地類型。近年嘉峪關(guān)市努力打造旅游城市，大力支持旅游文化產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)多元化發(fā)展，城區(qū)內(nèi)公園、綠地及人工湖建設(shè)較多，加之新城區(qū)建設(shè)，公園與綠地、道路用地面積占比較大。

“待開發(fā)”土地類型在閑置土地和城市擴(kuò)張面積中占比一直較高，均約占兩類土地總面積的1/3，主要是新城區(qū)路網(wǎng)已形成，內(nèi)部空閑土地?zé)o項(xiàng)目依托，導(dǎo)致大量土地閑置。

5.2 DEA模型分析

影響城市土地利用效率主要因素有土地及其承載的自然、資本、勞動(dòng)力等要素，要素投入、產(chǎn)出的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益決定城市土地利用效率的高低。本文土地利用效率評(píng)價(jià)采用DEA模型，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系參考郭施宏的土地利用效率評(píng)價(jià)指標(biāo)見表6。

經(jīng)過多種算法比較，SE-DEA模型對(duì)于城市土地利用效率高低區(qū)分明顯，且能夠決定單元效率值的高低程度，主要通過對(duì)城市土地投入、產(chǎn)出的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益進(jìn)行分析，確定土地利用效率。模型表達(dá)式為：

其中，X、Y分別表示投入、產(chǎn)出量;θ（1<θ≤1）表示決策單元的有效值;ε為非阿基米德無窮小量，∑λ≥1表示投入產(chǎn)出效益遞增，∑λ≤1表示投入產(chǎn)出效益遞減，∑λ=1表示投入產(chǎn)出效益不變;S⁺和S^-為松弛變量，表示增加、減少的投入量;s.t.為限制性條件。

參考2012年、2019年《嘉峪關(guān)市發(fā)展年鑒》數(shù)據(jù)，利用DEAP2.1軟件對(duì)2012年、2019年嘉峪關(guān)市建設(shè)用地利用效率進(jìn)行分析，計(jì)算出2012年、2019年嘉峪關(guān)市城市土地利用效率為0.606、0.739。從分析結(jié)果可以看出，2012年至2019年嘉峪關(guān)市的土地利用效率處于增長(zhǎng)趨勢(shì)，且高于2012、2016年全國(guó)城市群土地利用效率均值0.584、0.718，數(shù)據(jù)來源于曾鵬等中國(guó)城市群土地利用結(jié)構(gòu)與效率研究。

6結(jié)論

本文通過對(duì)2019年獲取的GF-2衛(wèi)星影像進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，制作嘉峪關(guān)市全域的高分辨率影像數(shù)據(jù);參考已有的高分辨率影像及年度變更調(diào)查數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)對(duì)比提取城市土地利用現(xiàn)狀信息，并進(jìn)行了外業(yè)核實(shí);結(jié)合制作完成的城市土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，開展土地利用結(jié)構(gòu)與DEA模型分析，綜合評(píng)價(jià)該市城市土地利用效率，得出以下結(jié)論：

（1）從土地利用結(jié)構(gòu)看，嘉峪關(guān)市用地特征較為顯著。閑置土地消化方面，工業(yè)用地面積占比最大，公園與綠地、道路用地、住宅用地、公共管理與服務(wù)用地、商業(yè)服務(wù)業(yè)用地次之，教育用地、倉(cāng)儲(chǔ)用地最小。城市擴(kuò)張用地方面，隨著城市快速發(fā)展與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，公園與綠地、道路用地、商業(yè)服務(wù)業(yè)用地面積占比逐年提高，工業(yè)用地面積占比有所下降，但仍是主要用地類型。

（2）嘉峪關(guān)市土地利用效率呈逐年提高趨勢(shì)，但閑置土地總量仍持續(xù)增長(zhǎng)。根據(jù)DEA模型分析結(jié)果，2012年至2019年土地利用效率逐年增速明顯，說明土地投入產(chǎn)出獲得的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益較好。2019年新增閑置土地面積與兩期閑置土地消化面積進(jìn)行對(duì)比分析后，2019年新增閑置土地面積略有增加，主要集中在城市新建開發(fā)區(qū)內(nèi)部，在城市土地利用集約節(jié)約方面還有待提高。

（3）土地利用以規(guī)劃為指導(dǎo)，以項(xiàng)目為依托。城市用地供應(yīng)要與城市經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展相匹配，編制科學(xué)的、合理的城市發(fā)展規(guī)劃，指導(dǎo)并控制城市擴(kuò)張規(guī)模。優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，加強(qiáng)重大生產(chǎn)力建設(shè)，精準(zhǔn)把控項(xiàng)目落地，將產(chǎn)業(yè)做大做實(shí)，推行城市土地減量化和集約化發(fā)展，極大減少城市閑置土地總量。

（4）新增建設(shè)用地占用農(nóng)用地面積較少，僅為2010-2019年城市擴(kuò)張面積的4%，很大程度保障了該市糧食產(chǎn)量，對(duì)區(qū)域糧食安全格局影響較小，保持并促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

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