基于RS和GIS分析徐州市區(qū)土地利用與城市化之間的關(guān)系

郭晉遠(yuǎn)?趙紅卓?王文飛?高榮

摘 要：城市化與城鄉(xiāng)土地利用變化之間關(guān)系密切，本文通過利用RS和GIS技術(shù)，對(duì)徐州市區(qū)2005、2010、2014年的TM遙感影像進(jìn)行解譯分類和數(shù)據(jù)處理，并結(jié)合回歸分析，對(duì)徐州市土地利用情況與城市化率之間進(jìn)行了定量分析。分析表明：在2005-2014年間，徐州市區(qū)的建設(shè)用地面積在不斷擴(kuò)大，主要集中在主城區(qū)的東部；耕地面積不斷減少，且主要轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地；林地面積縮小，衰減速度逐漸減慢；草地的面積呈現(xiàn)先快速增加后略微下降的趨勢。徐州市區(qū)的土地變化量的大小與城市化水平之間存在著典型的線性相關(guān)，隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，建設(shè)用地所占比重不斷增加，增加速率在減緩。且土地利用變化、工業(yè)化、城市化之間相互促進(jìn)，形成正反饋的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：RS；GIS；土地利用；城市化；關(guān)系；徐州市區(qū)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國的城市化進(jìn)程也在不斷加速推進(jìn)，在此過程中，土地利用的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了巨大的變化，各類土地之間的轉(zhuǎn)換頻繁，且農(nóng)用地在不斷減少，人地關(guān)系十分緊張，因此對(duì)于城市化過程中土地利用的研究十分必要。本文以徐州市為例，討論2005-2014年徐州市土地利用變化的特征，探求土地利用變化與城市化的關(guān)系，揭示其內(nèi)在機(jī)制，試圖服務(wù)于土地利用管理部門。

一、研究區(qū)域概況

徐州，地處江蘇省西北部、華北平原東南部（116°22′～118°40′E，33°43′～34°58′N），東西長約210公里，南北寬約140公里，總面積11258平方公里，約占江蘇省總面積的11%。其中本文研究區(qū)域?yàn)樾熘菔袇^(qū)，包括：鼓樓區(qū)、云龍區(qū)、泉山區(qū)、銅山區(qū)和賈汪區(qū)，總面積為2904 km2。至2014年末徐州市區(qū)非農(nóng)人口比重為88.3%，二三產(chǎn)業(yè)比重為96.7%。

二、數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.數(shù)據(jù)來源及處理

影像數(shù)據(jù)來源：本文選取2005年，2010年，2014年3期徐州市遙感影像，影像均從地理空間數(shù)據(jù)云（www.gscloud.cn）網(wǎng)站上下載且分辨率同為30m。其中2005年，2010年為Landsat4-5TM影像，2014年為Landsat8 OLI影像。

社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源：《徐州市統(tǒng)計(jì)年鑒（2006-2015）》。文中2005-2009年的徐州市區(qū)是包括銅山縣在內(nèi)的范圍，所以社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)在處理時(shí)用的是統(tǒng)計(jì)年鑒上徐州市區(qū)的數(shù)據(jù)與銅山縣的數(shù)據(jù)之和。

處理方法：利用ENVI5.1軟件對(duì)影像進(jìn)行校正、融合、鑲嵌、裁剪等預(yù)處理后，根據(jù)影像的解譯能力，采用支持向量機(jī)的方法對(duì)其進(jìn)行監(jiān)督分類，將徐州市土地類型分為：林地、草地、耕地、建設(shè)用地、水體和裸地六類。對(duì)分類后的結(jié)果進(jìn)行矢量化處理后，利用ArcGIS軟件對(duì)三期影像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與疊置分析，得到各類土地的占比及相鄰年份的土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣。

2.研究方法

（1） 土地利用動(dòng)態(tài)度。土地資源數(shù)量變化可以用土地利用動(dòng)態(tài)度來表示，本文借鑒王秀蘭等學(xué)者所闡述的單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度及綜合土地利用動(dòng)態(tài)度方法進(jìn)行研究。

①單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度。單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度表達(dá)的是某研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，其表達(dá)式為：

（1）

式中：K 為研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub分別為研究期初及研究期末某一種土地利用類型的數(shù)量；T 為研究時(shí)段長，當(dāng)T 的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，K 的值就是該研究區(qū)某種土地利用類型年變化度。

②綜合土地利用動(dòng)態(tài)度。

某一研究樣區(qū)的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度可表示為：

式中：LUi為監(jiān)測起始時(shí)間第i類土地利用類型面積；?LUi-j 為監(jiān)測時(shí)段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為非i類土地利用類型面積的絕對(duì)值； T 為監(jiān)測時(shí)段長度當(dāng)T 的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，LC的值就是該研究區(qū)土地利用年變化率。

3.城市化水平。城市化是一個(gè)包括人口、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)、土地、文化等子系統(tǒng)在內(nèi)的復(fù)雜系統(tǒng)的復(fù)雜變化過程。目前的研究一般認(rèn)為城市化過程包括人口城市化、空間城市化、經(jīng)濟(jì)城市化、社會(huì)城市化4個(gè)層面。其中人口城市化與經(jīng)濟(jì)城市化對(duì)城市化的影響更大。因此，本文借鑒魯春陽等學(xué)者的計(jì)算方法，選用非農(nóng)人口占總?cè)丝诘谋戎兀╔1）與非農(nóng)產(chǎn)值占總產(chǎn)值的比重（X2）的綜合指標(biāo)來衡量城市化水平，其權(quán)重分別為0.8和0.2，并進(jìn)行加權(quán)平均，得到城市化綜合發(fā)展水平X。其計(jì)算公式如下：

X=0.8·X1+0.2·X2 （3）

當(dāng)X?30%為初級(jí)發(fā)展階段，30%

4.城市化水平及土地利用變化之間的相互關(guān)系。本文借鑒陳永林、謝炳庚等學(xué)者的研究方法，采用回歸分析的方法來分析兩者之間的關(guān)系。其公式如下：

Y=aX2+bX+c （4）

式中：Y為某土地利用類型占總面積的比例；X為城市化綜合發(fā)展水平。

三、結(jié)果與分析

1.徐州市土地利用現(xiàn)狀分析

利用ArcGIS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到徐州市三期土地占比的數(shù)據(jù)（表1）。

由表1可看出耕地面積在三個(gè)時(shí)期所占比重最大，其次是建設(shè)用地。在2005-2014年期間，耕地面積持續(xù)減少，由2005年的59.65%下降到2014年的40.54%，削減了19.11%。建設(shè)用地占比由2005年的17.79%增長到2014年的36.40%，增幅為18.61%。林地由2005年的11.51%下降到2014年的4.62%，下降了6.89%。草地占比先增長一倍后又有小幅度下降，由2005年的7.80%先增長到2010年的15.94%，后下降到2014年的15.18%。水體占比先下降后增長，由2005年的2.44%下降到2010年的1.49%， 2014年增長到2.28%。裸地所占比率變化不大，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

將不同年份的土地利用類型數(shù)據(jù)帶入式（1）和式（2）得到兩個(gè)時(shí)期土地利用動(dòng)態(tài)度，具體數(shù)據(jù)見表2。其中正號(hào)表示該土地類型增加，負(fù)號(hào)表示該土地類型減少，動(dòng)態(tài)度絕對(duì)值表示增加或者減小的幅度。由表2可以看出，2005-2010年，以及2010-2014年兩個(gè)時(shí)期，綜合土地利用動(dòng)態(tài)度相差不大且值都比較大，說明在這兩個(gè)時(shí)期，徐州市區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)在不斷變化，

表2 2005年—2014年徐州市區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)度/ %

土地利用類型 2005-2010年單一土地利用動(dòng)態(tài)度 2005-2010年綜合土地利用動(dòng)態(tài)度 2010-2014年單一土地利用動(dòng)態(tài)度 2010-2014年綜合土地利用動(dòng)態(tài)度

耕地 -2.70 3.09 -5.36 3.08

建設(shè)用地 8.24 11.23

林地 -11.11 -2.45

草地 20.89 -1.20

水體 -7.79 13.30

裸地 -2.24 9.21

各種用地類型在不斷轉(zhuǎn)換，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)比較活躍。其中耕地減少的速度在不斷加快，由2005-2010年間的2.7%增至5.36%；建設(shè)用地的增加幅度在不斷增大，由初期的8.24%增加至11.23%；林地的衰減速度得到遏制，由最初的11.11%衰減至2.45%；草地的變化截然相反，2005-2010年間草地是各類土地類型中動(dòng)態(tài)度最大的，其增長速度為20.89%，而在2010-2014年間卻呈現(xiàn)出略微減少的態(tài)勢；水體在2005-2010年間以7.79%的速度衰減，在2010-2014年間以13.30%的速度增長；裸地，即未利用地在2005-2010年間的呈削減狀態(tài)，其減少速度為2.24%，在2010-2014年間呈增長趨勢，以9.21%的速度增加。

2.徐州市土地類型變化分析

結(jié)合表3與表4對(duì)各土地利用類型變化進(jìn)行分析，可得到：

（1）裸地的變化：裸地的變化率是所有土地利用類型變化中最高的，2005-2010年間裸地的變化率為79.86%，2010-2014年間為82.38%。從裸地的轉(zhuǎn)入情況來看，在2005-2010年期間，草地與耕地所占比重最大；2010-2014年期間草地、耕地與建設(shè)用。

（2）草地的變化：2005-2010年間，草地的轉(zhuǎn)入主要來源于耕地， 2010-2014年間，草地的轉(zhuǎn)入主要來自耕地和建設(shè)用地，主要轉(zhuǎn)出都是耕地和建設(shè)用地。說明草地與耕地之間的互相轉(zhuǎn)換比較頻繁；2010-2014年間建設(shè)用地轉(zhuǎn)為草地主要分布在山體景區(qū)附近，尤其是云龍湖、九里山、賈汪區(qū)和新城區(qū)大龍湖等地，主要是對(duì)景區(qū)及一些新城區(qū)的景觀規(guī)劃的需要，使得建設(shè)用地轉(zhuǎn)為草地。

（3）耕地的變化：2005-2010年間，耕地的主要轉(zhuǎn)為草地，其次為建設(shè)用地。2010-2014年間，耕地主要轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，其次為草地。而2010-2014年間，草地又主要轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。說明耕地主要轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，只是經(jīng)歷的時(shí)間跨度稍長。

（4）建設(shè)用地的變化：建設(shè)用地是增幅最大的，并且耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地?cái)?shù)量最多，其次是林地和草地。2005-2014年間耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的主要區(qū)域在銅山新區(qū)，新城區(qū)，金山橋經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)和賈汪區(qū)（圖2）。其中徐州新城區(qū)于2004年啟動(dòng)建設(shè)，規(guī)劃面積60平方千米，并成為徐州的政治中心，公路、地鐵、高鐵等基礎(chǔ)建設(shè)大力跟進(jìn)，并且招商引資等工作也在緊張進(jìn)行，城市化進(jìn)程快速發(fā)展，使得原本為村莊的地區(qū)變得繁榮起來，土地利用類型發(fā)生巨變；銅山縣于2010年正式成為銅山區(qū)后，加速了城鄉(xiāng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，大力實(shí)施城中村改造和舊村莊改造，使得一部分耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地；金山橋經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)作為徐州市的工業(yè)園區(qū)，在城市化的進(jìn)程中也不斷壯大起來，新增大量工業(yè)園區(qū)，使建設(shè)用地處于快速擴(kuò)張狀態(tài)。賈汪區(qū)是一個(gè)歷史悠久的礦區(qū)，開采強(qiáng)度大，使當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)破壞嚴(yán)重，2002年以后，煤炭企業(yè)大都關(guān)閉，由于采礦區(qū)的惡劣環(huán)境使得礦工及當(dāng)?shù)匕傩者w移，為了不讓百姓背井離鄉(xiāng)，賈汪區(qū)開始了土地整理，生態(tài)環(huán)境修復(fù)，新的基建項(xiàng)目應(yīng)勢而生。

四、土地利用變化與城市化水平的相關(guān)分析

1.土地利用變化與城市化水平的定量比較分析?？紤]到城市化過程中耕地與建設(shè)用地的利用方式所受影響最大，本研究所用的土地利用類型數(shù)據(jù)為耕地與建設(shè)用地占總面積的比作分析。因只有3年的土地利用數(shù)據(jù)，因此我們參照陳永林等學(xué)者的處理方法，采用等距分布的方法進(jìn)行補(bǔ)充，再將城市化綜合發(fā)展水平與耕地和建設(shè)用地所占總面積的比的關(guān)聯(lián)值制成散點(diǎn)圖，然后進(jìn)行回歸分析，其結(jié)果如下：

由圖3可知，耕地占比隨著城市化水平的升高呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，并且下降的速度逐漸減慢，兩者存在著典型的線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R^2=0.9556，回歸方程為：

Y_1=100.22X2-222.17X+160.94

式中：Y_1 為耕地占總面積比，X 為城市化總和發(fā)展水平。從回歸擬合趨勢線可以看出，隨著城市化水平不斷提高，耕地占總面積的比值將會(huì)不斷減少，并且遞減速率在不斷減小，有逐漸平穩(wěn)的趨勢。

由圖4 可知：建設(shè)用地占比隨著城市化水平的升高而不斷增加，兩者在數(shù)量上呈現(xiàn)出明顯的線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2=0.9581，回歸方程：

Y2=-70.327X2+174.24X-65.041

式中：Y2為建設(shè)用地占總面積的比，X 為城市化綜合發(fā)展水平?；貧w方程表明：隨著城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，建設(shè)用地所占比重將會(huì)不斷增加，但是增加速率不斷減小，最終將會(huì)逐漸平穩(wěn)。

2.土地利用變化與城市化作用機(jī)制分析。已有的研究結(jié)果表明，與土地利用變化相關(guān)的因素有很多，包括自然條件、人為活動(dòng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，以及潛在的經(jīng)濟(jì)學(xué)規(guī)律等各個(gè)方面，城市化發(fā)展是城鄉(xiāng)土地利用變化的主要原因[4， 5] 。而且研究表明工業(yè)化的發(fā)展和城市化發(fā)展關(guān)聯(lián)甚密，隨著工業(yè)化的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)隨之發(fā)生轉(zhuǎn)變，農(nóng)業(yè)人口向非農(nóng)人口轉(zhuǎn)變。城市的形成就是非農(nóng)就業(yè)人口以及依托非農(nóng)業(yè)就業(yè)相關(guān)人口不斷集聚，產(chǎn)業(yè)逐漸升級(jí)的過程。從我國城市的發(fā)展歷程可以知道，一方面，工業(yè)化的迅速推進(jìn)為城市化的發(fā)展提供人口、產(chǎn)業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施等基本條件；另一方面，城市化為工業(yè)化提供良好的空間載體。因此研究土地利用變化與城市化的作用機(jī)制，就不可避免地要討論工業(yè)化與土地利用變化的關(guān)系。工業(yè)的發(fā)展離不開土地，工業(yè)化會(huì)使農(nóng)業(yè)用地（特別是耕地）和非工業(yè)用地向工業(yè)用地的大量轉(zhuǎn)移。在工業(yè)化過程中，受到經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使，耕地被大量占用，轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。隨著城市化的推進(jìn)，必然會(huì)引起土地利用方式和土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性變化。

因此，土地利用變化、工業(yè)化、城市化之間存在正反饋關(guān)系。對(duì)于徐州市區(qū)來說，其作用機(jī)制是：至2014年末，徐州市區(qū)城市化率為90.0%，已經(jīng)步入后期成熟階段；徐州市城市化率為59.5%，仍處于中期加速階段。從2005年到2008年，徐州市區(qū)的城市化水平由65.7%升至68.4%，從2009年至今由70.3%年年攀升。但作為城市的核心地區(qū)，徐州市區(qū)是城市人口、資本、消費(fèi)、市場、信息等最集中的地帶，對(duì)于周圍的農(nóng)村地區(qū)具有強(qiáng)大的吸引力，因此能獲取更多的資源以促進(jìn)自身以及周圍地區(qū)的發(fā)展，以至于在城市化處于后期成熟階段依然能夠以2.4%城市化遞增速率發(fā)展。在城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)的過程中，大量農(nóng)村人口向市區(qū)轉(zhuǎn)移，非農(nóng)人口比例由58.3%上升為88.3%，迫使城市空間不斷增大，為滿足更多人口生產(chǎn)生活的需要，大量的耕地被不斷轉(zhuǎn)換成建設(shè)用地，土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，建設(shè)用地比重由17.8%增加至36.4%，耕地占比由59.7%衰減至40.5%。土地利用結(jié)構(gòu)的變化必然會(huì)使土地利用朝著更加集約化的方向發(fā)展，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中二三產(chǎn)業(yè)比重將由95.4%上升至96.7%，第一產(chǎn)業(yè)比重由4.6%下降至3.3%，工業(yè)化發(fā)展穩(wěn)步向前推進(jìn)。又因二三產(chǎn)業(yè)投入產(chǎn)出比高于第一產(chǎn)業(yè)，將吸收大量的農(nóng)村剩余勞動(dòng)力，非農(nóng)人口比重將會(huì)繼續(xù)下降，進(jìn)一步加速城市化的發(fā)展。但是市區(qū)的土地的承載力總是有限的，人口不可能持續(xù)膨脹，因此最終城市將處于穩(wěn)定階段，正反饋機(jī)制將會(huì)停止。

五、結(jié)語

1.徐州市市區(qū)在2005-2014年間，從各類用地面積占比的情況來看：建設(shè)用地的面積在不斷的加大；而耕地面積在不斷減少；草地面積先迅速增加，后略微下降；林地面積一直在減少；水體面積和裸地面積都是先減后增。從各類土地面積的變化速率來看：耕地的減少速率在不斷增加；建設(shè)用地的增加速率也在增大。從土地類型的轉(zhuǎn)換情況來看：耕地和林地主要轉(zhuǎn)為草地和建設(shè)用地，而草地又主要轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。

2.建設(shè)用地的增加主要是占用了農(nóng)業(yè)用地面積，主要是耕地，耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的空間分布主要集中在徐州主城區(qū)的東部和東南部，分別是新城區(qū)、銅山新區(qū)、金山橋開發(fā)區(qū)以及賈汪區(qū)。徐州主要向東部的新城區(qū)擴(kuò)張，市政府也遷移到新城區(qū)，加速了徐州主城區(qū)東部的城市化，使徐州東部地區(qū)的城市集聚效應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致大量的農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地?？梢钥闯鐾恋仡愋偷霓D(zhuǎn)變?cè)诳臻g上與城市的發(fā)展方向密切相關(guān)，在數(shù)量上與城市化的水平高低有線性相關(guān)。

3.城市化的進(jìn)程越快，對(duì)周圍農(nóng)村地區(qū)就有強(qiáng)大的吸引力，農(nóng)村人口轉(zhuǎn)為非農(nóng)人口，為了滿足人口的生活需要，城市自然而然的就需要進(jìn)行擴(kuò)張，使得土地城市化，土地的城市化使得土地利用朝著集約化發(fā)展，又促進(jìn)了城市工業(yè)化的進(jìn)步，工業(yè)又為城市化的進(jìn)程提供經(jīng)濟(jì)支持，加速城市化的發(fā)展，形成相互促進(jìn)的關(guān)系，最終達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)。

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作者簡介：郭晉遠(yuǎn)（1996-），男，河北邢臺(tái)人，本科，研究方向：人文地理與城鄉(xiāng)規(guī)劃。

基金項(xiàng)目：江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：201610290074X）。