基于遙感影像的鄭州市土地資源承載力評價研究-第1篇

1、 基于遙感影像的鄭州市土地資源承載力評價研究 賈亦斌 王晗Summary：以河南省鄭州市為例，借助遙感技術(shù)，通過對鄭州市2004、2009、2013年的Landsat TM遙感影像處理，獲取相關(guān)土地利用數(shù)據(jù)，并充分考慮人口一資源一環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，建立鄭州市土地承載力評價體系，采用層次分析法、客觀賦權(quán)法和多因素加權(quán)求和法，對鄭州土地資源承載力進(jìn)行評價。結(jié)果表明，2004-2013年，鄭州市土地資源承載力逐年提高;2009-2013年，由于鄭州市人口增長過快，土地資源的使用和人口資源配置不均，土地使用強(qiáng)度較低;2004-2013年，鄭州市的土地利用結(jié)構(gòu)趨于優(yōu)化，土地利用效率明顯升高;鄭州市2013

2、年的土地資源承載力水平接近于理想狀態(tài)，說明在該時期鄭州市土地資源承載力相對較好，但對于土地利用可持續(xù)發(fā)展方面，仍有待改善。Key：遙感影像;土地資源承載力;鄭州市：P237;F301：A：0439-8114（ 2020） 08-0025-05D01：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.08.005中國土地資源豐富，但是人口基數(shù)大，人均占有量少，土地利用效率低下1。土地資源承載力一般是指一定地區(qū)的土地所能持續(xù)承載的人口限度，土地承載力的研究主要是為了解決人類生產(chǎn)生活及社會發(fā)展與擁有的土地資源之間存在的問題2。自20世紀(jì)70年代以來，中國在國際人口、資源、環(huán)境

3、和經(jīng)濟(jì)發(fā)展等問題日益突出的背景下，開展了不同尺度的土地資源承載力研究3。中國在對土地承載力的研究上起步雖晚，卻也有一定的成效，陳傳美等4基于對鄭州市的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)辨別和診斷，以及建立土地承載力的動力學(xué)模型，為改善鄭州市人口與土地間的問題提出建議;孟旭光等5對中國土地承載力研究過程中存在的不足和缺陷進(jìn)行了分析，建議中國構(gòu)建適合自身土地承載力研究的綜合評價指標(biāo)體系，在深入土地承載力評價研究的同時改變對地區(qū)耕地承載力評價的觀念;石憶邵等6對城市綜合承載力的相關(guān)方面進(jìn)行探討，指出對于城市承載力臨界值的確定有一定的客觀因素。隨著遙感技術(shù)的興起和發(fā)展以及ICBP、IHDP的推廣作用7，為學(xué)者們在進(jìn)行有關(guān)研究時

4、提供了技術(shù)支持和數(shù)據(jù)源，基于遙感的學(xué)術(shù)研究進(jìn)入到一個快速發(fā)展階段，也為土地資源承載力的研究提供了很大幫助，同時注入了活力。據(jù)第二次河南省土地調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，到2009年12月31日全省人均占有耕地面積為0.082hm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全國水平，而且鄭州市多地耕地后備資源將近枯竭，土地資源供給的稀缺性與社會需求的增長性之間的矛盾日益突出8。在奉行可持續(xù)發(fā)展理念的當(dāng)下，應(yīng)重視提高鄭州市的土地資源承載能力，著眼于鄭州市的土地資源承載力研究，對推動其經(jīng)濟(jì)以及生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。本研究通過遙感技術(shù)獲得評價所需要的鄭州市土地利用數(shù)據(jù)，采用構(gòu)建指標(biāo)體系的方法，并對其指標(biāo)賦權(quán)，再利用均方差法求得鄭州市

5、土地資源承載力，對所得結(jié)果進(jìn)行分析和評價，為鄭州市建設(shè)生態(tài)城市，調(diào)整規(guī)劃用地開發(fā)利用方向，加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展，切實(shí)保護(hù)耕地提供參考。1 研究區(qū)概況鄭州市位于華北平原南部河南省中部偏北，東與開封市相接，西與洛陽市相臨，南與許昌市、平頂山市交界，北與新鄉(xiāng)市、焦作市隔黃河而相望。鄭州市總面積7 446 km2，2015年底常住人口為956.9萬人，生產(chǎn)總值為7 315.2億元，人均CDP為77 217元。鄭州市是集中國高速公路、鐵路、航空、通訊于一身的綜合交通樞紐。由于鄭州市城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進(jìn)程的加快，土地資源與社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展間的矛盾變得更加突出。2 研究方法2.1 土地利用信息提取2.1.1數(shù)據(jù)源 在

6、對土地利用信息提取時，采用的數(shù)據(jù)源主要是2004、2009和2013年鄭州市Land-sat TM圖，通過預(yù)處理以及監(jiān)督分類等方法對影像進(jìn)行操作，從而獲得所需要的鄭州市土地利用信息。TM數(shù)據(jù)是由7個波段組成的，空間分辨率為30rri9。輔助數(shù)據(jù)源是鄭州市行政邊界矢量圖、DEM數(shù)據(jù)和相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)及年鑒等10。2.1.2 遙感影像解譯與信息數(shù)據(jù)提取 由于獲得的遙感影像超過研究區(qū)域的范圍，應(yīng)用ArcGIS軟件和鄭州市行政邊界圖對3年遙感影像圖進(jìn)行剪裁，依據(jù)土地利用現(xiàn)狀分類（ GB/T21010-2017）中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，同時將鄭州市的具體地類特征情況作為參考，并結(jié)合所采用的遙感影像分辨率以及其他相關(guān)研

7、究11，將鄭州市土地利用分為耕地、林地、建設(shè)用地、水域、未利用地5種用地類型。本研究采用監(jiān)督分類的方法，先在預(yù)先處理好的遙感影像基礎(chǔ)上，根據(jù)所定義的用地類型進(jìn)行分類樣本的選擇。在樣本選擇時，要注意區(qū)分地類，并且在選取時遵循分散原則，通過對樣本間的可分離性計算判斷樣本是否合格，從而提高分類結(jié)果。根據(jù)樣本的精度需求，分類器選擇最大似然（ Maximum Likelihood）12，然后選擇支持向量機(jī)分類的方法進(jìn)行分類，同時可以對影像進(jìn)行分類后處理得到分類結(jié)果（圖1）。通過選擇感興趣區(qū)以獲得混淆矩陣的方式對分類結(jié)果進(jìn)行精度驗證，由所得的混淆矩陣，可以得到表1中的精度評價指標(biāo)系數(shù)13。研究認(rèn)為，Kap

8、pa系數(shù)在0.60-0.80時表示分類質(zhì)量很好，在0.80-1.00時表示分類質(zhì)量極好14，因此，本研究中的分類質(zhì)量相對較好。通過對監(jiān)督分類后的3年分類圖像解譯，得到鄭州市土地利用現(xiàn)狀結(jié)果（圖1），然后利用ArcGIS工具對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總計算，得到所需要的鄭州市土地利用數(shù)據(jù)（表2）。2.2 土地資源承載力評價方法2.2.1 評價指標(biāo)體系建立與標(biāo)準(zhǔn)值的確定評價指標(biāo)體系的建立需要遵循一定的原則，從而使指標(biāo)更加有意義，本研究選用的原則為：全面性、系統(tǒng)性;典型性和簡明性;可用性和實(shí)際性;動態(tài)、靜態(tài)結(jié)合評價。評價指標(biāo)的選取需要在滿足指標(biāo)體系的原則下進(jìn)行，同時再對所選的指標(biāo)做進(jìn)一步篩選。土地承載力水平受

9、多方面因素的影響，本研究主要從土地使用強(qiáng)度、土地利用效率和土地利用結(jié)構(gòu)布局3個層次對鄭州市的土地資源承載力進(jìn)行評價和研究9，在指標(biāo)體系已建立的原則下，共選取11項指標(biāo)。評價指標(biāo)數(shù)據(jù)主要來源于通過對鄭州市2004、2009及2013年遙感影像分類解譯而獲得的土地利用數(shù)據(jù)、鄭州統(tǒng)計年鑒河南省統(tǒng)計年鑒以及鄭州市國土資源局、水務(wù)局等機(jī)構(gòu)的其他相關(guān)公報和資料，并借用Excel對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和運(yùn)算。評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值依據(jù)國際有關(guān)土地利用標(biāo)準(zhǔn)與土地資源承載力標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合考慮，個別指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值結(jié)合鄭州市土地資源的詳細(xì)情況進(jìn)行校正10，從而最終得到鄭州市土地承載力評價指標(biāo)體系（表3）。2.2.2 指標(biāo)的無量綱化

10、土地承載力評價受到諸多方面的影響，并且指標(biāo)選取較多，每項指標(biāo)的計量單位不同導(dǎo)致評價結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差，所以在對各項指標(biāo)評價之前，要進(jìn)行無量綱化處理15。指標(biāo)一般分為三類：效益型、成本型和適度型指標(biāo)16。鄭州市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展總量數(shù)據(jù)來自2004、2009、2013年的鄭州統(tǒng)計年鑒，通過對數(shù)據(jù)過濾和計算得到所需的指標(biāo)值，指標(biāo)無量綱化的公式如下。1）效益型指標(biāo)：各指標(biāo)根據(jù)指標(biāo)類型的不同，通過公式（1） -（3）計算，從而獲得量化值。2.2.3 土地資源承載力評價計算通過對主觀賦權(quán)和客觀賦權(quán)法在使用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)方面的比較總結(jié)，采用均方差方法來確定總體評價中各因素權(quán)重系數(shù)17.18。均方差方法的基本

11、路線是：3 研究區(qū)土地資源承載力評價3.1 土地使用強(qiáng)度評價土地資源使用強(qiáng)度指的是單位用地面積投資強(qiáng)度19。根據(jù)所選取的指標(biāo)和已得到的鄭州市耕地和建設(shè)用地面積（表2）及2004、2009及2013年鄭州市統(tǒng)計年鑒中的人口總數(shù)（708.2、752.1、919.1萬人）和鄭州市總面積744 620 hm2，通過對公式進(jìn)行運(yùn)算，可得到鄭州市2004、2009、2013年土地使用強(qiáng)度值。2004年鄭州市土地使用強(qiáng)度為0.412 4，2009年為0.420 7，2013年為0.355 0。2004-2009年，土地使用強(qiáng)度呈上升趨勢，這說明鄭州市此期間土地資源的使用與人口資源分配比例較好，土地使用方式在

12、逐漸變得合理。但2009-2013年，鄭州市的土地使用強(qiáng)度有較低的下降趨勢，主要是由于這一時期人口處于快速持續(xù)增長階段，由752.1萬人迅速增至919.1萬人，人地矛盾突出。雖然在此期間，基于土地資源的有限性對鄭州市的土地利用進(jìn)行了調(diào)整，農(nóng)用耕地與建設(shè)用地等的規(guī)模發(fā)生了較為明顯的變化。但盡管如此，因為鄭州市人口基數(shù)過大，人口增長過快，規(guī)劃改善成效甚微，人均耕地、人均建設(shè)用地依舊低于目標(biāo)值，鄭州市土地與人口間的協(xié)調(diào)發(fā)展仍然存在較為明顯的不平衡性，耕地后備資源匱乏，與所選取的3個指標(biāo)相結(jié)合來看，鄭州市的土地使用強(qiáng)度總體上來說相對較差。3.2 土地利用效率評價土地利用效率是指在土地資源使用過程中土地

13、使用資本最低時可以產(chǎn)生的最大收益。通過對土地利用效率的評價與分析，對鄭州市的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展有一定的了解和認(rèn)識10。根據(jù)鄭州市統(tǒng)計年鑒的數(shù)據(jù)（表4），通過公式計算2004、2009和2013年鄭州市的土地利用效率。鄭州的土地利用效率在2004年為0.583 0、2009年為0.970 3、2013年為0.971 6，土地利用效率呈上升趨勢，表明鄭州市的土地資源逐漸得到了合理有效的管理和利用。2004年鄭州市的土地利用效率較低，土地利用效率的各項指標(biāo)除了地均生產(chǎn)總值（25.233萬元/hrri2）比標(biāo)準(zhǔn)值（17.5萬元/hrri2）高外，其他的指標(biāo)狀態(tài)相差較為明顯，說明2004年鄭州市的土地資源并沒

14、有得到相對高效的利用，當(dāng)時全國處在繁榮發(fā)展的初始階段，受資金、人才、技術(shù)等的制約，鄭州市經(jīng)濟(jì)并不發(fā)達(dá)，工業(yè)發(fā)展較為落后，人們生活消費(fèi)水平較低。隨著國家政策的出臺以及河南省相關(guān)土地利用政策的提出，鄭州市土地利用效率2004-2009年取得了很大的提升，土地利用效率趨于良好。隨著社會的快速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的不斷增長，鄭州市土地的生產(chǎn)力基本可以滿足社會需求，由2004年的17.941萬元/hm2到2009年的44.432萬元/hni2，再到2013年的88.288萬元/hn12，土地生產(chǎn)總值明顯提高，工業(yè)發(fā)展迅速，人民生活水平日益提高。但是，鄭州市糧食及作物總產(chǎn)量2004-2013年期間卻一直不高，200

15、4年糧食單產(chǎn)為4 211.872 kg/hm2，2013年糧食單產(chǎn)4 631.005 kg/hm2，糧食單產(chǎn)值均低于標(biāo)準(zhǔn)值（8 700 kg/hm2），阻礙了鄭州市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。3.3 土地利用結(jié)構(gòu)和布局評價土地利用結(jié)構(gòu)和布局可以直接反映某一時期的土地利用狀況，并可基于其對國民、區(qū)域及企業(yè)經(jīng)濟(jì)各部門的作用水平、經(jīng)濟(jì)效益和潛在能力進(jìn)行分析，還包括開發(fā)的可能性20。由鄭州市建設(shè)用地面積、未利用地面積（表2），還有從鄭州統(tǒng)計年鑒中搜集整理到的農(nóng)用地面積和由鄭州市水資源公報中獲得的水資源占有量數(shù)據(jù)，通過對公式進(jìn)行計算，最終可得到鄭州市2004、2009、2013年土地利用結(jié)構(gòu)和布局計算結(jié)果（表5）。由表

16、5可知，鄭州市2004年土地利用結(jié)構(gòu)和布局評分為0.330 4、2009年為0.327 6、2013年為0.600 7。2004、2009、2013年鄭州市土地利用結(jié)構(gòu)和布局方面正處于不斷優(yōu)化改善的狀態(tài)，每年都有一定的改觀。隨著城市的擴(kuò)張以及城市化進(jìn)程的加快推進(jìn)，鄭州市的土地利用率2004-2013年明顯提升。但是，由于受鄭州地理環(huán)境等其他因素影響，鄭州市東、西北部以及城區(qū)開發(fā)程度較高，其西部、南部多山地林地，開發(fā)程度較低，總體的結(jié)構(gòu)處于中等開發(fā)程度，與標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)布局相比較，還有很大的發(fā)展空間。3.4 土地承載力計算與評價對鄭州市土地使用強(qiáng)度、土地利用效率及土地利用結(jié)構(gòu)和布局的數(shù)據(jù)通過公式（4

17、）（7）對其賦權(quán)和計算，得到鄭州市的土地承載力結(jié)果。鄭州市2004年土地承載力為0.473 2，2009年為0.689 0，2013年為0.778 3，呈逐年上升的狀態(tài)。2004-2009年提升速度較快，土地利用效率呈逐年上升趨勢。鄭州市2004-2013年，工業(yè)發(fā)展迅速，經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展;土地使用強(qiáng)度及土地利用結(jié)構(gòu)與理想狀態(tài)還有一定差距，表明鄭州市在土地利用上還有一定的優(yōu)化和發(fā)展空間。4 小結(jié)以河南省鄭州市為例，借助遙感技術(shù)，深入分析了鄭州市的土地利用現(xiàn)狀，并結(jié)合城市土地資源的實(shí)際情況，建立鄭州市土地資源承載力評價指標(biāo)體系，從而對鄭州市土地資源承載力問題進(jìn)行研究。2004、2009、2013年鄭

18、州市各類用地中明顯增加的為建設(shè)用地，耕地、林地、水域等用地變化幅度較小。從遙感影像中提取耕地、建設(shè)用地、水域、林地等的占有量，為后期對鄭州市的土地資源承載力分析評價提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。結(jié)合鄭州市地理特征和土地利用方式，選取適合鄭州市土地承載力評價的11個指標(biāo)，建立相關(guān)指標(biāo)體系，采用均方差法計算鄭州市土地資源承載力，并由此評價指標(biāo)體系研究的結(jié)果得出，鄭州市土地資源承載力的研究須將人口、資源、建筑、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等方面結(jié)合起來，才能衡量鄭州市土地資源的整體承載能力。鄭州市土地資源承載力最高評價值為2013年的0.778 3。近年來，鄭州市在經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面保持較為均衡且快速增長，使得鄭州市的土地資源承載力

19、狀態(tài)良好。評價最低的是2004年，為0.4732。主要是因為在這個時期，鄭州市改革開放和現(xiàn)代化還沒有進(jìn)入到相對成熟的階段，還有待進(jìn)一步改善。在土地使用、土地利用結(jié)構(gòu)和布局等方面與目標(biāo)值仍有存在很大差距，此時鄭州市土地承載力處于相對較弱的狀態(tài)。2004-2013年，鄭州市土地資源承載力總體上呈逐年上升的過程，有較為明顯的進(jìn)步;土地利用效率及土地利用結(jié)構(gòu)和布局的上升幅度也略有提升，顯示出鄭州市在土地資源利用上的可持續(xù)性在此期間有所提升，但土地使用強(qiáng)度有下滑的趨勢，表明鄭州市在此期間對土地進(jìn)行分配使用時，忽視了人口與土地矛盾的關(guān)系。隨著人地矛盾的突出，要想提高區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展能力，必不可少的要提高土

20、地資源承載力，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。Reference：1黃順婷，楊木壯.國土資源承載力評價研究現(xiàn)狀及其展望J.廣東土地科學(xué)，2叭4，13（4）：41-48.2封志明.土地承載力研究的過去、現(xiàn)在與未來J.中國土地科學(xué)，1994（3）：1-9.3封志明，楊艷昭，張晶.中國基于人糧關(guān)系的土地資源承載力研究：從分縣到全國J.自然資源學(xué)報，2008，23（5）：865-875.4陳傳美，鄭垂勇，馬彩霞.鄭州市土地承載力系統(tǒng)動力學(xué)研究J河海大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1999，27（1）：56-59.5孟旭光，呂賓，安翠娟.應(yīng)重視和加強(qiáng)土地承載力評價研究J中國國土資源經(jīng)濟(jì)，2006（2）：38-40.6石憶邵，尹昌應(yīng)，王賀封，等.城市綜合承載力的研究進(jìn)展及展望J.地理研究，2013，32（1）：133-145.7胡焱.城市土地資源可持續(xù)承載力的評價與實(shí)證研究D.重慶：重慶大學(xué)，2007。8孫鈺，李新剛.基于空間回歸分析的城市土地綜合承載力研究以環(huán)渤海地區(qū)城市群為例J.地域研究與開發(fā)，2013，32（5）：128-132.