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摘要 以地处西北典型生态脆弱区的宁夏固原市为研究对象，以城市发展历程中3个典型时期的高分辨率卫星影像为信息源，借助GIS和RS技术获取其土地利用数据，从土地利用结构度、变化度、转移度和合理度4个方面展开研究，对2003—2014年研究区土地利用动态演变过程进行定量分析。结果表明：2003—2014年固原市土地利用类型的空间稳定性不断降低，农林与城市建设用地的优势主导地位发生易变；在城市建设用地中，居住用地、绿地与广场用地、公共管理和公共服务用地、道路和交通设施用地是城市主要的用地类型，也是农林用地流转的主要方向；建设用地扩展速度过快导致扩展弹性严重失调，应该引起地方政府警觉。
关键词 土地利用；建设用地；合理性；西北地区
中图分类号 F301.24 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2016）32-0194-03
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）
Abstract 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.
Key words Land use； Land used for building； Rationality； Northwest Region
土地利用是指在一定的生产方式下，人们为了某种目的，按照土地的自然特性和社会属性，对土地进行的开发、使用等活动[1]。土地利用结构反映各种土地利用类型在地域空间上的镶嵌格局，这种格局与区域环境背景的各种因子密切相关，是包括人类活动干扰在内的一切过程综合作用的结果。城市土地利用是城市结构和形态研究的重要内容[2]，其中格局和过程是土地利用变化研究的基础，只有通对历史变化的格局及时空特征进行分析刻画，才能进行驱动力的有效分析，进而模拟及分析土地利用演變对生态环境的影响[3-4]。同时，研究一定时空尺度下城市土地利用变化过程，找寻其主要规律和存在的典型问题，是进行城市空间扩展研究的工作基礎，有利于为城市发展现状提供参照。国内外学者一般应用RS和GIS手段对土地利用的动态变化进行分析。与传统的监测手段相比，遥感数据具有实时性、高效性[5]。
当前，在各方力量和机遇的推动下，西部中小城市城镇化进程不断加快，城市扩展速度加剧，城市土地利用变化复杂。西部中小城市是当前国内快速城镇化过程中特殊的地域实体[6-7]。笔者以土地利用/土地覆盖变化相关研究较为匮乏，且地处西海固典型生态脆弱区的固原市为研究对象，利用城市发展历程中3个典型时期的高分辨率遥感影像，通过人工交互解译获得固原市土地利用图谱信息，在此基础上利用土地利用结构变化、土地利用类型间的相互转移变化、土地利用演变强度及土地利用变化合理程度等参数模型分析了固原市土地利用时空演变过程、规律及特征，为西部地区中小城市空间扩展研究提供案例参考。
1 数据来源与研究方法 1.1 研究区概况
固原市是宁夏南部区域中心城市，2002年7月撤地建市，总面积约14 422.1 km2。行政改制后的固原市经济增速较快，城镇化率亦有所提升，但整体水平较低，城市建设用地的则快速扩展，城市空间从“单中心、团聚状”向“多组团、外延式扩张”演变，加之“五山两河”的独特自然本底格局，使得固原城市空间扩展表现出“蛙跳式”的扩展趋势。
固原市属于西海固地区，生态本底脆弱，是我国典型的生态脆弱区，近年来地区生态环境持续恶化。随着地方城镇化进程的加快，城市建设对地方发展影响巨大，使得固原市土地利用正处于剧变阶段。
1.2 数据来源 选用自固原设市以来城市发展历程中3个典型时期的遥感影像为数据源（即2003和2009年0.61 m分辨率的QuickBird 4波段捆绑预备正射卫星影像，以及2014年的GF-1 2 m彩色卫星影像），以2014年城市建成区并适度外扩的区域为研究范围，总面积约52.68 km2。该范围覆盖了其他2个研究期的城市建成区，便于有效反映城市建设过程中的扩展动态。
1.3 研究方法
1.3.1 技术路线。在GIS和RS平台的支持下，在对固原市典型时期高精度遥感影像解译的基础上，通过引入土地利用结构变化度、动态度和转移度等指标，定量测算2003—2014年固原市土地利用演变特征。
1.3.2 土地利用分类。
依据研究目的合理地选择土地利用分类体系是科学研究的基础。从土地资源管理的视角出发，依据相关技术标准[8]和实际需要，将土地利用类型划分为11个一级类型（表1），得到固原市土地利用图谱信息（图1）。
2 结果与分析
2.1 土地利用结构演变
依据各时期的遥感影像处理生成的土地利用图，统计出3个时期11种土地利用类型的比例，列于表1。结果表明，2003—2014年固原市土地利用类型结构差异不断拉大。尤为突出的是农林用地面积锐减，城市建设用地面积激增，后者取代前者成为基质用地类型。2003—2014年农林用地由3 554.50 hm2减少到了1 373.75 hm2，净转出2 180.75 hm2，年均转出198.25 hm2。农林用地和城市用地的主导地位的易变，折射出城市快速发展阶段重空间扩展、轻农林用地保护的典型弊病。
在城市用地中，居住用地（R）面积从1 221.47 hm2增加到了2 012.90 hm2，从研究初期城市用地占比23.20%，增长到了研究中期的28.10%和末期的38.20%，占比最高。绿地与广场用地（G）、公共管理和公共服务用地（A）、道路和交通设施用地（S）的增速较快，其中绿地与广场用地占比从0.5%增加到了研究中期的8.6%和末期的11.4%。这4类用地也是城市主要的用地类型。
2.2 土地利用转移矩阵
土地利用转移矩阵能够详细地反映研究时段内不同地类间土地利用结构、特征和各地类空间变化的方向和转换关系， 是土地利用变化研究经常使用的方法[9]。在地理空间系统软件的支持下，得出2003—2009 年、2009—2014年固原市土地利用/覆盖类型转移矩阵（表2、3），可以快速查看各个地类间相互转化的关系。
（1）2003—2009年，农林用地（E2）的净转出率最高，向各类城市建设用地共转出1 268.48 hm2，依次转向绿地与广场用地（G）、居住用地（R）、工业用地（M）、公共管理和公共服务用地（A）、道路和交通设施用地（S）、区域交通设施用地（H）、商业服务设施用地（B）、物流仓储用地（W）和公用设施用地（U）。居住用地（R）的流转率位居第二，向其他用地流出125.65 hm2。
（2）2009—2014年，农林用地（E2）向各类城市建设用地共转出1 068.63 hm2，依次转向居住用地、绿地与广场用地、道路和交通设施用地、公共管理和公共服务用地、工业用地、商业服务设施用地、区域交通设施用地和公用设施用地。居住用地的流转量仍居次位，共转出152.50 hm2，这也反映了城市内部更新改造的空间发展过程。
综上，伴随着土地利用的剧烈演变，固原市城市空间快速扩展，而这是以农林用地的锐减为代价来实现的。
2.3 土地利用演变强度
土地利用类型面积的变化是反映土地利用变化情况的重要方面，可以用土地利用变化率来反映[10]。单一土地利用动态变化其数学表达式为[11]：
LC=[（Ub-Ua）/Ua]×（1/T）×100%
式中，LC为研究期内某一类型土地利用变化率；Ua和Ub分别代表研究初末期某类土地的利用面积；T设为研究时段长度，单位为年。
土地利用动态度测算结果列于表1最后2列。由表1可知，2003—2009年水体的减少速度快于2009—2014年，而农林用地则在2009—2014年呈加速减少趋势。在城市人工（半人工）用地中，公共管理和公共服务用地、绿地与广场用地、区域交通设施用地、工业用地、道路和交通设施用地2003—2009年的扩展速度显著快于2009—2014年；居住用地、物流仓儲用地的后期扩展速度近乎前期扩展速度的2倍。商业服务设施用地在2003—2009年有所减少，2009—2014年又成倍加速扩展，表明前期城市基础设施的投资建设力度较大，后期城市扩展以提高土地利用的经济价值为主要目的。
2.4 城市建设用地扩展合理性分析
空间扩展弹性指数侧重于从规模上反映扩展的合理程度[12]。依据遥感影像提取的固原市建成区图谱信息并结合相关年份的《中国城市统计年鉴》中的市辖区非农人口，计算得到固原市城市空间扩展弹性指数。研究初期城市扩展弹性系数为2.054，表明在此期间城市规模已有盈余，随后扩展进一步加速，到2007年达到8.277的超高值，城市规模已严重超出合理值；到2009年弹性系数降低至0.023；2014年回升至5.433。固原市城市空间扩展过程中，极端变化的扩展弹性系数值得警醒。除2009年的扩展弹性指数出现极小值之外，在其他研究年份固原市建成区的弹性指数均严重超出合理的城市空间扩展弹性指数[13]，这暴露出城市空间扩展过程中存在失调的问题。 3 结论
遥感独有的宏观性、周期性、客观性、时空变化多层性等分析优势被广泛应用于土地利用监测。以固原市撤地建市以来3个典型时期的高分辨率遥感影像为基础数据源，采用人工交互分类提取出城市土地利用图谱信息，通过结构变化度、动态度、转移度和合理度等的定量测算，客观反映固原市空间扩展过程中土地利用演变的总体特征。结果表明，城市空间的快速扩展是以农林用地的锐减为代价的，农林用地在研究初期的主导地位在后期发展中被城市建设用地取代。二者主导地位的易变，折射出城市快速发展阶段重空间扩展、轻农林用地保护的典型弊病；在城市各类用地中，道路和交通设施用地面积逐年稳速增加，居住用地、绿地与广场用地、道路交通设施用地、公共管理和公共服务用地及工业用地成为城市主要用地类型；建设用地对农林用地的替代过程存在着扩展过速、扩展弹性失调的严重问题，应当引起重视。
参考文献
[1]肖笃宁.景观生态学[M].北京：科学出版社，2003.
[2] 吴友章.城镇土地利用现状与潜力分析[J].测绘通报，2013（S1）：36-40.
[3] VERBURG P H，DE NIJS T C M，VAN ECK J R，et al.A method to analyse neighbourhood characteristics of land use patterns[J].Computers，environment and urban systems，2004，28（1）：667-690.
[4] 曹敏，卞正富，沈泉飞.土地利用持续性的生态足迹评价法[J].生态经济（学术版），2007（1）：64-67.
[5] 李凤霞，石辉，冯晓刚，等.西安市土地利用格局动态演变及其驱动力研究[J].测绘通报，2015（12）：41-45，56.
[6] 陈晓键，秦川.西北地区中小城市空间扩展及其动力机制研究[J].国际城市规划，2011，26（1）：37-40.
[7] 黄明华，李小龙，李静.中小城市空间生长引导模型研究：以陕西澄城为例[J].城市规划汇刊，2009，25（12）：51-57.
[8] 中华人民共和国住房和城乡建设部.城市用地分类与规划建设用地标准：GB 50137-2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.
[9] 马文明，李钢，黄倩.基于遥感的平顶山市土地利用及其景观格局变化研究[J].水土保持通报，2007，27（3）：102-106.
[10] 冷奕明，张文秀.城市化與土地利用变化研究：以成都市为例[J].西南农业学报，2006，19（2）：214-218.
[11] 高瞻，闫志刚，丁允静.基于遥感的石家庄市土地利用及其景观格局变化研究[J].测绘与空间地理信息，2010，33（3）：45-48.
[12] 李兰.基于主体价值的城市空间扩展绩效研究[D].西安：西安建筑科技大学，2014.
[13] 中国城市规划设计研究院.2000年城市用地预测综合报告[R].1989.
关键词 土地利用；建设用地；合理性；西北地区
中图分类号 F301.24 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2016）32-0194-03
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）
Abstract 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.
Key words Land use； Land used for building； Rationality； Northwest Region
土地利用是指在一定的生产方式下，人们为了某种目的，按照土地的自然特性和社会属性，对土地进行的开发、使用等活动[1]。土地利用结构反映各种土地利用类型在地域空间上的镶嵌格局，这种格局与区域环境背景的各种因子密切相关，是包括人类活动干扰在内的一切过程综合作用的结果。城市土地利用是城市结构和形态研究的重要内容[2]，其中格局和过程是土地利用变化研究的基础，只有通对历史变化的格局及时空特征进行分析刻画，才能进行驱动力的有效分析，进而模拟及分析土地利用演變对生态环境的影响[3-4]。同时，研究一定时空尺度下城市土地利用变化过程，找寻其主要规律和存在的典型问题，是进行城市空间扩展研究的工作基礎，有利于为城市发展现状提供参照。国内外学者一般应用RS和GIS手段对土地利用的动态变化进行分析。与传统的监测手段相比，遥感数据具有实时性、高效性[5]。
当前，在各方力量和机遇的推动下，西部中小城市城镇化进程不断加快，城市扩展速度加剧，城市土地利用变化复杂。西部中小城市是当前国内快速城镇化过程中特殊的地域实体[6-7]。笔者以土地利用/土地覆盖变化相关研究较为匮乏，且地处西海固典型生态脆弱区的固原市为研究对象，利用城市发展历程中3个典型时期的高分辨率遥感影像，通过人工交互解译获得固原市土地利用图谱信息，在此基础上利用土地利用结构变化、土地利用类型间的相互转移变化、土地利用演变强度及土地利用变化合理程度等参数模型分析了固原市土地利用时空演变过程、规律及特征，为西部地区中小城市空间扩展研究提供案例参考。
1 数据来源与研究方法 1.1 研究区概况
固原市是宁夏南部区域中心城市，2002年7月撤地建市，总面积约14 422.1 km2。行政改制后的固原市经济增速较快，城镇化率亦有所提升，但整体水平较低，城市建设用地的则快速扩展，城市空间从“单中心、团聚状”向“多组团、外延式扩张”演变，加之“五山两河”的独特自然本底格局，使得固原城市空间扩展表现出“蛙跳式”的扩展趋势。
固原市属于西海固地区，生态本底脆弱，是我国典型的生态脆弱区，近年来地区生态环境持续恶化。随着地方城镇化进程的加快，城市建设对地方发展影响巨大，使得固原市土地利用正处于剧变阶段。
1.2 数据来源 选用自固原设市以来城市发展历程中3个典型时期的遥感影像为数据源（即2003和2009年0.61 m分辨率的QuickBird 4波段捆绑预备正射卫星影像，以及2014年的GF-1 2 m彩色卫星影像），以2014年城市建成区并适度外扩的区域为研究范围，总面积约52.68 km2。该范围覆盖了其他2个研究期的城市建成区，便于有效反映城市建设过程中的扩展动态。
1.3 研究方法
1.3.1 技术路线。在GIS和RS平台的支持下，在对固原市典型时期高精度遥感影像解译的基础上，通过引入土地利用结构变化度、动态度和转移度等指标，定量测算2003—2014年固原市土地利用演变特征。
1.3.2 土地利用分类。
依据研究目的合理地选择土地利用分类体系是科学研究的基础。从土地资源管理的视角出发，依据相关技术标准[8]和实际需要，将土地利用类型划分为11个一级类型（表1），得到固原市土地利用图谱信息（图1）。
2 结果与分析
2.1 土地利用结构演变
依据各时期的遥感影像处理生成的土地利用图，统计出3个时期11种土地利用类型的比例，列于表1。结果表明，2003—2014年固原市土地利用类型结构差异不断拉大。尤为突出的是农林用地面积锐减，城市建设用地面积激增，后者取代前者成为基质用地类型。2003—2014年农林用地由3 554.50 hm2减少到了1 373.75 hm2，净转出2 180.75 hm2，年均转出198.25 hm2。农林用地和城市用地的主导地位的易变，折射出城市快速发展阶段重空间扩展、轻农林用地保护的典型弊病。
在城市用地中，居住用地（R）面积从1 221.47 hm2增加到了2 012.90 hm2，从研究初期城市用地占比23.20%，增长到了研究中期的28.10%和末期的38.20%，占比最高。绿地与广场用地（G）、公共管理和公共服务用地（A）、道路和交通设施用地（S）的增速较快，其中绿地与广场用地占比从0.5%增加到了研究中期的8.6%和末期的11.4%。这4类用地也是城市主要的用地类型。
2.2 土地利用转移矩阵
土地利用转移矩阵能够详细地反映研究时段内不同地类间土地利用结构、特征和各地类空间变化的方向和转换关系， 是土地利用变化研究经常使用的方法[9]。在地理空间系统软件的支持下，得出2003—2009 年、2009—2014年固原市土地利用/覆盖类型转移矩阵（表2、3），可以快速查看各个地类间相互转化的关系。
（1）2003—2009年，农林用地（E2）的净转出率最高，向各类城市建设用地共转出1 268.48 hm2，依次转向绿地与广场用地（G）、居住用地（R）、工业用地（M）、公共管理和公共服务用地（A）、道路和交通设施用地（S）、区域交通设施用地（H）、商业服务设施用地（B）、物流仓储用地（W）和公用设施用地（U）。居住用地（R）的流转率位居第二，向其他用地流出125.65 hm2。
（2）2009—2014年，农林用地（E2）向各类城市建设用地共转出1 068.63 hm2，依次转向居住用地、绿地与广场用地、道路和交通设施用地、公共管理和公共服务用地、工业用地、商业服务设施用地、区域交通设施用地和公用设施用地。居住用地的流转量仍居次位，共转出152.50 hm2，这也反映了城市内部更新改造的空间发展过程。
综上，伴随着土地利用的剧烈演变，固原市城市空间快速扩展，而这是以农林用地的锐减为代价来实现的。
2.3 土地利用演变强度
土地利用类型面积的变化是反映土地利用变化情况的重要方面，可以用土地利用变化率来反映[10]。单一土地利用动态变化其数学表达式为[11]：
LC=[（Ub-Ua）/Ua]×（1/T）×100%
式中，LC为研究期内某一类型土地利用变化率；Ua和Ub分别代表研究初末期某类土地的利用面积；T设为研究时段长度，单位为年。
土地利用动态度测算结果列于表1最后2列。由表1可知，2003—2009年水体的减少速度快于2009—2014年，而农林用地则在2009—2014年呈加速减少趋势。在城市人工（半人工）用地中，公共管理和公共服务用地、绿地与广场用地、区域交通设施用地、工业用地、道路和交通设施用地2003—2009年的扩展速度显著快于2009—2014年；居住用地、物流仓儲用地的后期扩展速度近乎前期扩展速度的2倍。商业服务设施用地在2003—2009年有所减少，2009—2014年又成倍加速扩展，表明前期城市基础设施的投资建设力度较大，后期城市扩展以提高土地利用的经济价值为主要目的。
2.4 城市建设用地扩展合理性分析
空间扩展弹性指数侧重于从规模上反映扩展的合理程度[12]。依据遥感影像提取的固原市建成区图谱信息并结合相关年份的《中国城市统计年鉴》中的市辖区非农人口，计算得到固原市城市空间扩展弹性指数。研究初期城市扩展弹性系数为2.054，表明在此期间城市规模已有盈余，随后扩展进一步加速，到2007年达到8.277的超高值，城市规模已严重超出合理值；到2009年弹性系数降低至0.023；2014年回升至5.433。固原市城市空间扩展过程中，极端变化的扩展弹性系数值得警醒。除2009年的扩展弹性指数出现极小值之外，在其他研究年份固原市建成区的弹性指数均严重超出合理的城市空间扩展弹性指数[13]，这暴露出城市空间扩展过程中存在失调的问题。 3 结论
遥感独有的宏观性、周期性、客观性、时空变化多层性等分析优势被广泛应用于土地利用监测。以固原市撤地建市以来3个典型时期的高分辨率遥感影像为基础数据源，采用人工交互分类提取出城市土地利用图谱信息，通过结构变化度、动态度、转移度和合理度等的定量测算，客观反映固原市空间扩展过程中土地利用演变的总体特征。结果表明，城市空间的快速扩展是以农林用地的锐减为代价的，农林用地在研究初期的主导地位在后期发展中被城市建设用地取代。二者主导地位的易变，折射出城市快速发展阶段重空间扩展、轻农林用地保护的典型弊病；在城市各类用地中，道路和交通设施用地面积逐年稳速增加，居住用地、绿地与广场用地、道路交通设施用地、公共管理和公共服务用地及工业用地成为城市主要用地类型；建设用地对农林用地的替代过程存在着扩展过速、扩展弹性失调的严重问题，应当引起重视。
参考文献
[1]肖笃宁.景观生态学[M].北京：科学出版社，2003.
[2] 吴友章.城镇土地利用现状与潜力分析[J].测绘通报，2013（S1）：36-40.
[3] VERBURG P H，DE NIJS T C M，VAN ECK J R，et al.A method to analyse neighbourhood characteristics of land use patterns[J].Computers，environment and urban systems，2004，28（1）：667-690.
[4] 曹敏，卞正富，沈泉飞.土地利用持续性的生态足迹评价法[J].生态经济（学术版），2007（1）：64-67.
[5] 李凤霞，石辉，冯晓刚，等.西安市土地利用格局动态演变及其驱动力研究[J].测绘通报，2015（12）：41-45，56.
[6] 陈晓键，秦川.西北地区中小城市空间扩展及其动力机制研究[J].国际城市规划，2011，26（1）：37-40.
[7] 黄明华，李小龙，李静.中小城市空间生长引导模型研究：以陕西澄城为例[J].城市规划汇刊，2009，25（12）：51-57.
[8] 中华人民共和国住房和城乡建设部.城市用地分类与规划建设用地标准：GB 50137-2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.
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[10] 冷奕明，张文秀.城市化與土地利用变化研究：以成都市为例[J].西南农业学报，2006，19（2）：214-218.
[11] 高瞻，闫志刚，丁允静.基于遥感的石家庄市土地利用及其景观格局变化研究[J].测绘与空间地理信息，2010，33（3）：45-48.
[12] 李兰.基于主体价值的城市空间扩展绩效研究[D].西安：西安建筑科技大学，2014.
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