蘇曉潔 程秋華 楊蕓珍 龐子玥

基于GIS和RS的南寧市城市用地擴張時空動態(tài)特征分析

蘇曉潔 程秋華 楊蕓珍 龐子玥

（北部灣大學(xué)，廣西 欽州 535011）

近年來，南寧市的社會經(jīng)濟得到了迅猛發(fā)展，經(jīng)濟發(fā)展的同時城市范圍也在不斷擴大，城市用地不斷增多，隨之而來的是復(fù)雜的土地利用問題，如城市土地利用缺乏合理規(guī)劃，耕地銳減，建設(shè)用地急劇擴張侵占其他類型的土地等問題。文章在已有的研究經(jīng)驗基礎(chǔ)上，以南寧市為研究對象，在GIS和RS技術(shù)的支持下，利用2005年－2020年十五年間的Landsat影像數(shù)據(jù)，提取南寧市城市擴張進程中土地利用類型的變化信息，運用GIS的空間分析等功能對擴張過程以及規(guī)律進行研究和分析。研究結(jié)果表明，南寧市在發(fā)展的過程中，城市用地由快速擴張到控制擴張，且有持續(xù)擴張的趨勢。對南寧市城市用地擴張進行時空動態(tài)上的研究，可綜合分析不同時間和空間上南寧市城市用地的準確信息，為城市用地擴張的動態(tài)監(jiān)測與土地合理規(guī)劃調(diào)控提供科學(xué)的依據(jù)。

南寧市；遙感解譯；空間分析；城市擴張

引言

城市發(fā)展依賴于土地，城市化進程在不斷加快發(fā)展的同時，人類的活動以及社會的發(fā)展也在不斷影響城市的土地利用方式。城市用地擴張逐步成為土地利用變化的最主要特征。城市用地擴張是衡量一個地區(qū)城市化水平的重要標準之一，目前城市擴張已經(jīng)逐漸成為土地利用變化與土地資源管理方面的研究熱點。城市發(fā)展與擴張的同時，土地缺乏合理規(guī)劃、耕地銳減、建設(shè)用地急劇擴張侵占其他類型土地等問題隨之而來。

城市化以及城市擴張的問題直接關(guān)系到社會經(jīng)濟的發(fā)展，逐漸成為城市研究的主要領(lǐng)域。隨著RS和GIS技術(shù)逐漸興起并趨于成熟，這一方面的研究也逐漸深入并取得了很多研究成果。RS獲取數(shù)據(jù)速度快、精確度高，能夠?qū)崟r獲取地物的信息數(shù)據(jù)；GIS有著強大的空間分析功能，可以綜合處理復(fù)雜多樣的數(shù)據(jù)，二者結(jié)合可以綜合分析不同時空的城市用地信息，為城市用地擴張的動態(tài)研究和規(guī)劃提供科學(xué)的依據(jù)。

《南寧市國土空間總體規(guī)劃（2021—2035）》草案指出，直至21世紀中葉，南寧市國土規(guī)劃將實現(xiàn)高效能治理，優(yōu)化三區(qū)三線總體格局，優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu)，建設(shè)生態(tài)宜居壯鄉(xiāng)首府[1]。利用RS技術(shù)進行監(jiān)督分類提取土地利用類型，GIS技術(shù)進行土地利用轉(zhuǎn)移矩陣得到不同地類之間的轉(zhuǎn)換信息，計算不同地類間的轉(zhuǎn)移速度，分析各地地類變化的方向，對南寧市2005年—2020年的城市用地擴張進行時空動態(tài)研究?；趫猿值拙€思維與尊重城市發(fā)展規(guī)律的前提，在已有的基礎(chǔ)上更進一步探索城市擴張和土地利用變化的關(guān)系，研究社會發(fā)展與城市用地擴張之間的關(guān)系，為南寧市保護土地資源、促進土地合理利用提供理論參考依據(jù)，為南寧市形成安全永續(xù)、富有競爭力的國土空間格局提供現(xiàn)實依據(jù)[2]。

1 研究區(qū)概況

南寧市位于廣西中部偏南，素有“中國綠城”“天下民歌眷戀的地方”之稱，同時也是全國首批海綿城市建設(shè)優(yōu)秀試點城市之一。南寧市處于廣西七個北部灣城市群中的中間核心位置，是中國與東盟各國交流的開放城市，在廣西經(jīng)濟社會發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略中具有十分重要的地位。南寧市下轄青秀區(qū)、興寧區(qū)、江南區(qū)、良慶區(qū)、邕寧區(qū)、西鄉(xiāng)塘區(qū)、武鳴區(qū)共7個行政區(qū)。本文研究的行政區(qū)主要是前6個行政區(qū)，武鳴區(qū)因近年才撤縣設(shè)區(qū)，所搜集的相關(guān)數(shù)據(jù)不夠完整具體，本文暫不予論述。

2 數(shù)據(jù)來源及技術(shù)路線

2.1 數(shù)據(jù)來源及內(nèi)容

本文所使用的遙感數(shù)據(jù)均從USGS官網(wǎng)下載，其中2005年－2010年使用的是Landsat5遙感影像，2015年－2020年使用的是Landsat8遙感影像，分辨率均為30 M。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)均從2015年－2020年的《中國城市統(tǒng)計年鑒》中篩選并整理成城市用地分布、人口與經(jīng)濟情況表格，如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)來源及內(nèi)容

2.2 技術(shù)路線

利用ENVI對遙感影像進行監(jiān)督分類處理并提取土地利用信息，以ArcMap的空間分析功能進行城市用地變化分析與城市用地擴張動態(tài)分析（圖1）。

圖1 總體技術(shù)路線

3 結(jié)果分析

3.1 遙感影像監(jiān)督分類

本文使用的分類方法是用肉眼按照地物特征選取樣本以及圖像光譜特征進行分類的。遙感影像本身就存在著“同物異譜”或“異物同譜”的現(xiàn)象，在同一個譜段中，不同的地物也可能會出現(xiàn)相同的譜線特征，使得在解譯的過程中容易判錯，導(dǎo)致分類結(jié)果不準確。因此在監(jiān)督分類后，需將分類后得到的地類數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcMap中進行可視化。

圖2 各研究期土地利用分布圖

3.2 土地利用變化分析

根據(jù)2005年、2010年、2015年和2020年影像圖分類得到的土地利用數(shù)據(jù)（圖2），再經(jīng)過ArcGIS進行統(tǒng)計分析后得到每個時期的不同地類面積和比重。

表2 各時段土地利用類型面積（單位：km2）

表3 各時段土地利用類型比重（%）

南寧市轄區(qū)的耕地、林地、草地的退減量相對較小（表2），原因是受到耕地、林地保護政策的影響，建設(shè)用地不得占用到耕地與林地保護紅線。盡管如此，相比于15年前南寧市轄區(qū)的建設(shè)用地面積增加了將近一倍的量（表3），表明南寧市城區(qū)由其他地類轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地的量越來越多，城市用地呈現(xiàn)向外擴張的趨勢。

3.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

通過土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，可以清楚直觀地看出不同地類之間的轉(zhuǎn)換信息（表4），計算不同地類間的轉(zhuǎn)移速度，可以分析出各地類變化的方向，還可根據(jù)結(jié)果得出該地類仍保持不變的面積，有多少轉(zhuǎn)化為其他地類以及轉(zhuǎn)化的面積等[3]。

表4 2005年—2010年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣（單位：km2）

表5 2010年—2015年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣（單位：km2）

表6 2015年—2020年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣（單位：km2）

以上對2005年、2010年、2015年和2020年四個研究時段的土地利用數(shù)據(jù)進行提取，并通過轉(zhuǎn)移矩陣對各地類的變化情況進行了分析。近15年以來南寧市城區(qū)各地類之間不斷相互轉(zhuǎn)移，建設(shè)用地面積增多，表明城市社會經(jīng)濟發(fā)展的同時，城市用地也在逐年擴張。推論可知，南寧市這15年來城市用地擴張程度和轉(zhuǎn)移變化量較多較大，體現(xiàn)在耕地、林地、草地的減少和建設(shè)用地的增加。

3.4 城市擴張動態(tài)分析

基于遙感影像提取出的城市用地信息，通過GIS軟件對用地數(shù)據(jù)進行分析，將土地利用數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcMap中，單獨提取出2005年、2010年、2015年和2020年的南寧市建設(shè)用地四個時期的分布情況，并且做出各時段的建設(shè)用地分布圖和建設(shè)用地分布變化圖。在圖3中可以直觀地看出四個研究期內(nèi)南寧市城區(qū)建設(shè)用地的擴張過程，擴張方向主要有東部地區(qū)和南部地區(qū)。

圖3 南寧市城區(qū)2005年—2020年城市用地擴張過程

3.5 城市擴張動態(tài)時間過程分析

城市擴張的動態(tài)度可以通過計算單一土地利用類型動態(tài)度來表示。它指的是在一定的時間范圍內(nèi)，一種地類的總量變化情況?？梢杂盟鼇泶硌芯繀^(qū)的土地利用變化的快慢，它對于研究一個區(qū)域內(nèi)土地利用變化的不同性和分析今后該區(qū)域的土地利用發(fā)展趨勢具有重要的參考作用[4,5]?？赏ㄟ^計算建設(shè)用地的利用動態(tài)度來分析南寧市建設(shè)用地的變化速率，表達式為：

在公式（1）中，K表示南寧市5年內(nèi)的建設(shè)用地動態(tài)度，Ua為首期研究區(qū)域的建設(shè)用地總量，Ub為末期的建設(shè)用地數(shù)量，本研究中研究期分為2005年～2010年、2010年～2015年和2015年～2020年，研究時段T為5年。

將土地利用數(shù)據(jù)帶入公式（1）中，得到：

①2005年的建設(shè)用地面積為332.54 km2，2010年面積為375.38 km2，將數(shù)值代入公式（1）：得到研究期（2005年－2010年）的建設(shè)用地利用動態(tài)度為：

②2010年建設(shè)用地面積為375.38 km2，2015年面積為496.86 km2，將數(shù)值帶入公式（1），得到研究期（2010年～2015年）的建設(shè)用地利用動態(tài)度為：

③2015年建設(shè)用地面積為496.86 km2，2020年建設(shè)用地面積為632.33 km2，將數(shù)值代入公式（1），得到研究期（2015年－2020年）的建設(shè)用地利用動態(tài)度為：

④將各時段的建設(shè)用地利用動態(tài)度與該時段增加的建設(shè)用地面積，做成如表7所示。

表7 各監(jiān)測時段建設(shè)用地擴張情況

從表7中可看出，南寧市15年來，建設(shè)用地每年的增量在不斷上升，建設(shè)用地總量也越來越多，從2005年的332.54 km2增長到2010年的375.38 km2，2015年增加到496.86 km2，直至2020年增加到632.33 km2。在本文的三個研究時段中，建設(shè)用地的年擴展速率呈加快再減緩的趨勢，2005年－2010年的年均擴展速率為2.6%，2010年－2015年間的年均擴展速率發(fā)展到6.4%，說明南寧市這十年間的城市發(fā)展十分迅猛，且對于土地資源的管理程度并不是很嚴格，導(dǎo)致城市發(fā)展過程中建設(shè)用地過多地侵占到其他類型的土地；2015年－2020年的速率為5.4%，速度相比于上一階段有所減緩，說明近年來南寧市政府越來越重視土地資源的管控，既要發(fā)展經(jīng)濟也要守住土地，嚴格控制城市建設(shè)用地規(guī)模，使得近5年來南寧市建設(shè)用地擴展速度相比于前一研究期有所放慢，表明南寧市政府在逐漸控制建設(shè)用地占總用地類型的比重，在有效促進南寧市經(jīng)濟發(fā)展的同時，堅定底線思維，尊重城市發(fā)展規(guī)律，在生態(tài)文明思想和總體國家安全觀指導(dǎo)下編制規(guī)劃的理念。

3.6 城市用地擴張的空間差異分析

在研究城市擴張的過程中，可以使用擴張強度指數(shù)來分析城市建設(shè)用地擴張的強度特征，分析南寧市城區(qū)的六個區(qū)的建設(shè)用地擴張的差異性，建設(shè)用地擴張強度指數(shù)表達式為：

在公式（5）中，U為城市發(fā)展過程中非建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的面積，A為南寧市城區(qū)總面積，△t為5年，即用平均每年增加的建設(shè)用地面積除以南寧市城區(qū)的總面積[6]。根據(jù)前面實驗得到的數(shù)據(jù)計算每個研究時段的擴張強度指數(shù)如表8所示，并詳細分析各區(qū)的建設(shè)用地擴張強度指數(shù)，分析各區(qū)之間建設(shè)用地擴張強度的差異性，如表9所示。

表8 各時段南寧市城區(qū)建設(shè)用地總體擴張強度指數(shù)

表9 2005—2020年南寧市各城區(qū)建設(shè)用地擴張強度指數(shù)

2005年—2020年南寧市城區(qū)的六個區(qū)之間城市用地擴張存在著較為顯著的差異，其中擴張強度指數(shù)最大的為青秀區(qū)、江南區(qū)和良慶區(qū)，擴張強度指數(shù)分別為0.7、0.63和0.48；最低的為邕寧區(qū)，擴張強度指數(shù)僅為0.21。綜合多方面的因素對其原因進行了分析，首先，強度排名前二的青秀區(qū)和江南區(qū)的發(fā)展都離不開“整體向東，重點向南的”發(fā)展戰(zhàn)略，青秀區(qū)擴張速度如此之快主要得益于其區(qū)位優(yōu)勢；其一，區(qū)域綜合交通樞紐南寧火車東站位于青秀區(qū)，可享受著“高鐵經(jīng)濟圈”帶來的收益，地鐵一號線和三號線貫穿青秀區(qū)；同時青秀區(qū)是南寧的政治、經(jīng)濟和旅游中心，帶來了更多發(fā)展機會。江南區(qū)的擴張速率為第二，江南區(qū)的交通路網(wǎng)發(fā)展成熟，加上地鐵二號線和四號線的開通使得江南區(qū)的交通更加便利；經(jīng)開區(qū)的設(shè)立和沙井片區(qū)的開發(fā)也會帶動經(jīng)濟的發(fā)展，從而帶來更多的就業(yè)機會，就業(yè)機會的增多帶來更多的人口，也帶動了江南區(qū)房地產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展，同時政府也在重點推動沙井片區(qū)的安置房項目，使得很多房地產(chǎn)開發(fā)商在江南區(qū)尋找空間建設(shè)樓盤，房地產(chǎn)行業(yè)對土地的需求逐漸增加。便利的交通以及各項優(yōu)勢促進了經(jīng)濟的發(fā)展，經(jīng)濟發(fā)展必然會加快城市化進程，使城市對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的要求逐漸提高，城市用地自然會擴張。

4 總結(jié)

社會經(jīng)濟的發(fā)展，使得人類對土地的需求也逐漸發(fā)生變化，從而推動各地類之間相互轉(zhuǎn)換，土地利用結(jié)構(gòu)得到不斷地調(diào)整，最終使得城市用地不斷增加，其他的地類相繼減少[20-22]。根據(jù)各年份統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)計算出：南寧市城區(qū)人口密度由2005年的228.76人/km2，增加到2010年的407.22人/km2，2015年為433.50人/km2，直至2020年已發(fā)展到606.36 人/km2；由這些數(shù)據(jù)知，南寧市城區(qū)近15年來的人口密度不斷增加，人口增加速度很快。2005年生產(chǎn)總值為360萬元，2010年為1100萬元，2015年為2300萬元，到2020年為3980萬元，經(jīng)濟增長速度也很快；顯而易見，人口和經(jīng)濟的增長跟建設(shè)用地的擴張趨勢是一致的，可知人口的增加和經(jīng)濟的發(fā)展對城市用地的擴張有著推動的作用。

由南寧市2006年—2020年的城市規(guī)劃可知，在規(guī)劃期內(nèi)南寧市的城區(qū)發(fā)展趨勢主要為：整體向東，重點向南發(fā)展。且由前面的分析結(jié)果可知，南寧市2005年—2020年的城市擴張方向為東部和南部，東部的青秀區(qū)和興寧區(qū)以及南部的良慶區(qū)、江南區(qū)建設(shè)用地擴張面積較大較為明顯。在“十四五”規(guī)劃中，也對南寧今后的城市發(fā)展做出了新的規(guī)劃，未來南寧市的城市用地還會不斷地擴張，城市用地布局將會更加的合理。

作為南寧市最老的城區(qū)之一，興寧區(qū)仍有著很大的發(fā)展空間。隨著南寧不斷地往東邊發(fā)展，交通往東延伸，興寧區(qū)逐漸形成以朝陽商貿(mào)中心為支點，沿南梧大道——昆侖大道向東北方向的發(fā)展趨勢，依托各種商貿(mào)功能區(qū)，產(chǎn)業(yè)集聚中心以及旅游資源等區(qū)位優(yōu)勢，無疑是南寧城區(qū)發(fā)展趨勢中最具潛力的片區(qū)之一，未來城市用地也會往東北方向擴張。在“提高江南，重點向南”的政策指引下，南寧發(fā)展重心向南傾斜，在江南區(qū)逐漸形成了沙井、經(jīng)開區(qū)等新片區(qū)，在政府的“三區(qū)一帶”發(fā)展規(guī)劃指引下，城市功能不斷完善，人口也不斷增加，南寧的城市發(fā)展處于噴發(fā)階段，未來江南區(qū)的城市用地還會不斷地向西向南擴張。西鄉(xiāng)塘區(qū)的城市改造與發(fā)展速度也越來越快，老城仍扮演著很重要的角色。高新區(qū)的設(shè)立促進經(jīng)濟社會發(fā)展，老城區(qū)仍有著發(fā)展的潛力，城市用地也在不斷地向外擴張。依托南寧市“整體向東”的規(guī)劃，南寧市東部的青秀區(qū)已經(jīng)取得了實質(zhì)性的發(fā)展，形成了鳳嶺東、鳳嶺南新區(qū)等新興城區(qū)板塊，繁華的商業(yè)、豐富的旅游條件，便利的交通，青秀區(qū)的城市發(fā)展速度將會更快。邕寧區(qū)撤縣設(shè)區(qū)后，發(fā)展情況與其他五個區(qū)相比，稍微處于弱勢的地位，不過在近15年的時間里，邕寧區(qū)也進入了一個新的發(fā)展階段，隨著南寧市重點向南發(fā)展，邕寧區(qū)也迎來了新的發(fā)展機遇，城市用地也在不斷地擴張。自五象新區(qū)設(shè)立以來，良慶區(qū)整體面貌煥然一新，根據(jù)南寧市“重點開發(fā)落實五象新區(qū)”的政策指引，良慶區(qū)是今后南寧市發(fā)展的重點地區(qū)。由此建設(shè)用地的需求也不斷增加，城市用地也會不斷地向外擴張。

[1] 南寧市自然資源局. 南寧市國土空間總體規(guī)劃草案(2021—2035年)[Z]. 南寧: 南寧市自然資源局，2021.

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Analysis on the Spatial and Temporal Dynamic Characteristics of Urban Land Expansion in Nanning City Based on GIS and RS

In recent years, the social economy of Nanning city has developed rapidly. With the economic development, the scope of the city is also expanding, and the urban land is increasing, which is followed by complex land use problems, such as the lack of reasonable planning of urban land use, sharp reduction of cultivated land, rapid expansion of construction land and occupation of other types of land. Based on the existing research experience, this paper takes Nanning city as the research object, with the support of GIS and RS technology, uses the Landsat image data from 2005 to 2020 to extract the change information of land use types in the process of urban expansion in Nanning city, and uses GIS spatial analysis and other functions to study and analyze the expansion process and laws. The results show that in the process of Nanning city's development, the urban land expansion has changed from rapid expansion to controlled expansion, and there is a trend of continuous expansion. The research on the spatiotemporal dynamics of urban land expansion in Nanning city can comprehensively analyze the accurate information of urban land in Nanning city at different times and spaces, and provide scientific basis for the dynamic monitoring of urban land expansion and the rational planning and regulation of land.

Nanning city; remote sensing interpretation; spatial analysis; urban sprawl

F293.2

A

1008-1151(2022)11-0041-05

2022-09-09

北部灣大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（202011607137）；廣西社科基金項目“邊際分析視角下廣西城鎮(zhèn)化與國土空間生態(tài)修復(fù)耦合發(fā)展研究”（20CGL004）。

蘇曉潔（1999－），女，北部灣大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院學(xué)生，研究方向為城市擴張。

程秋華（1981－），女，北部灣大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院講師，碩士，從事基于3S 技術(shù)的北部灣經(jīng)濟區(qū)人口、交通與經(jīng)濟分布趨勢及耦合協(xié)調(diào)性研究。