基于遥感影像的郑州市土地资源承载力评价研究

2020-07-14贾亦斌王晗

湖北农业科学 2020年8期

贾亦斌王晗

摘要：以河南省郑州市为例，借助遥感技术，通过对郑州市2004、2009、2013年的Landsat TM遥感影像处理，获取相关土地利用数据，并充分考虑人口一资源一环境的协调发展，建立郑州市土地承载力评价体系，采用层次分析法、客观赋权法和多因素加权求和法，对郑州土地资源承载力进行评价。结果表明，2004-2013年，郑州市土地资源承载力逐年提高;2009-2013年，由于郑州市人口增长过快，土地资源的使用和人口资源配置不均，土地使用强度较低;2004-2013年，郑州市的土地利用结构趋于优化，土地利用效率明显升高;郑州市2013年的土地资源承载力水平接近于理想状态，说明在该时期郑州市土地资源承载力相对较好，但对于土地利用可持续发展方面，仍有待改善。

关键词：遥感影像;土地资源承载力;郑州市

中图分类号：P237;F301

文献标识码：A

文章编号：0439-8114（ 2020） 08-0025-05

D01：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.08.005

中国土地资源丰富，但是人口基数大，人均占有量少，土地利用效率低下[1]。土地资源承载力一般是指一定地区的土地所能持续承载的人口限度，土地承载力的研究主要是为了解决人类生产生活及社会发展与拥有的土地资源之间存在的问题[2]。自20世纪70年代以来，中国在国际人口、资源、环境和经济发展等问题日益突出的背景下，开展了不同尺度的土地资源承载力研究[3]。中国在对土地承载力的研究上起步虽晚，却也有一定的成效，陈传美等[4]基于对郑州市的农业系统辨别和诊断，以及建立土地承载力的动力学模型，为改善郑州市人口与土地间的问题提出建议;孟旭光等[5]对中国土地承载力研究过程中存在的不足和缺陷进行了分析，建议中国构建适合自身土地承载力研究的综合评价指标体系，在深入土地承载力评价研究的同时改变对地区耕地承载力评价的观念;石忆邵等[6]对城市综合承载力的相关方面进行探讨，指出对于城市承载力临界值的确定有一定的客观因素。随着遥感技术的兴起和发展以及ICBP、IHDP的推广作用[7]，为学者们在进行有关研究时提供了技术支持和数据源，基于遥感的学术研究进入到一个快速发展阶段，也为土地资源承载力的研究提供了很大帮助，同时注入了活力。

据第二次河南省土地调查数据结果显示，到2009年12月31日全省人均占有耕地面积为0.082hm2，远远低于全国水平，而且郑州市多地耕地后备资源将近枯竭，土地资源供给的稀缺性与社会需求的增长性之间的矛盾日益突出[8]。在奉行可持续发展理念的当下，应重视提高郑州市的土地资源承载能力，着眼于郑州市的土地资源承载力研究，对推动其经济以及生态的可持续发展具有深远的意义。本研究通过遥感技术获得评价所需要的郑州市土地利用数据，采用构建指标体系的方法，并对其指标赋权，再利用均方差法求得郑州市土地资源承载力，对所得结果进行分析和评价，为郑州市建设生态城市，调整规划用地开发利用方向，加快经济发展，切实保护耕地提供参考。

1 研究区概况

郑州市位于华北平原南部河南省中部偏北，东与开封市相接，西与洛阳市相临，南与许昌市、平顶山市交界，北与新乡市、焦作市隔黄河而相望。郑州市总面积7 446 km2，2015年底常住人口为956.9万人，生产总值为7 315.2亿元，人均CDP为77 217元。郑州市是集中国高速公路、铁路、航空、通讯于一身的综合交通枢纽。由于郑州市城镇化、工业化进程的加快，土地资源与社会经济可持续发展间的矛盾变得更加突出。

2 研究方法

2.1 土地利用信息提取

2.1.1数据源在对土地利用信息提取時，采用的数据源主要是2004、2009和2013年郑州市Land-sat TM图，通过预处理以及监督分类等方法对影像进行操作，从而获得所需要的郑州市土地利用信息。TM数据是由7个波段组成的，空间分辨率为30rri[9]。辅助数据源是郑州市行政边界矢量图、DEM数据和相关统计数据及年鉴等[10]。

2.1.2 遥感影像解译与信息数据提取由于获得的遥感影像超过研究区域的范围，应用ArcGIS软件和郑州市行政边界图对3年遥感影像图进行剪裁，依据《土地利用现状分类（ GB/T21010-2017）》中的相关标准，同时将郑州市的具体地类特征情况作为参考，并结合所采用的遥感影像分辨率以及其他相关研究[11]，将郑州市土地利用分为耕地、林地、建设用地、水域、未利用地5种用地类型。本研究采用监督分类的方法，先在预先处理好的遥感影像基础上，根据所定义的用地类型进行分类样本的选择。在样本选择时，要注意区分地类，并且在选取时遵循分散原则，通过对样本间的可分离性计算判断样本是否合格，从而提高分类结果。根据样本的精度需求，分类器选择最大似然（ Maximum Likelihood）[12]，然后选择支持向量机分类的方法进行分类，同时可以对影像进行分类后处理得到分类结果（图1）。

通过选择感兴趣区以获得混淆矩阵的方式对分类结果进行精度验证，由所得的混淆矩阵，可以得到表1中的精度评价指标系数[13]。研究认为，Kappa系数在0.60-0.80时表示分类质量很好，在0.80-1.00时表示分类质量极好[14]，因此，本研究中的分类质量相对较好。

通过对监督分类后的3年分类图像解译，得到郑州市土地利用现状结果（图1），然后利用ArcGIS工具对所得数据进行汇总计算，得到所需要的郑州市土地利用数据（表2）。

2.2 土地资源承载力评价方法

2.2.1 评价指标体系建立与标准值的确定评价指标体系的建立需要遵循一定的原则，从而使指标更加有意义，本研究选用的原则为：①全面性、系统性;②典型性和简明性;③可用性和实际性;④动态、静态结合评价。评价指标的选取需要在满足指标体系的原则下进行，同时再对所选的指标做进一步筛选。土地承载力水平受多方面因素的影响，本研究主要从土地使用强度、土地利用效率和土地利用结构布局3个层次对郑州市的土地资源承载力进行评价和研究[9]，在指标体系已建立的原则下，共选取11项指标。

评价指标数据主要来源于通过对郑州市2004、2009及2013年遥感影像分类解译而获得的土地利用数据、《郑州统计年鉴》《河南省统计年鉴》以及郑州市国土资源局、水务局等机构的其他相关公报和资料，并借用Excel对所得数据进行整理和运算。

评价指标标准值依据国际有关土地利用标准与土地资源承载力标准进行综合考虑，个别指标的标准值结合郑州市土地资源的详细情况进行校正[10]，从而最终得到郑州市土地承载力评价指标体系（表3）。

2.2.2 指标的无量纲化土地承载力评价受到诸多方面的影响，并且指标选取较多，每项指标的计量单位不同导致评价结果产生一定的误差，所以在对各项指标评价之前，要进行无量纲化处理[15]。指标一般分为三类：效益型、成本型和适度型指标[16]。郑州市国民经济和社会发展总量数据来自2004、2009、2013年的《郑州统计年鉴》，通过对数据过滤和计算得到所需的指标值，指标无量纲化的公式如下。

1）效益型指标：

各指标根据指标类型的不同，通过公式（1） -（3）计算，从而获得量化值。

2.2.3 土地资源承载力评价计算通过对主观赋权和客观赋权法在使用范围和优缺点方面的比较总结，采用均方差方法来确定总体评价中各因素权重系数[17.18]。均方差方法的基本路线是：

3 研究区土地资源承载力评价

3.1 土地使用强度评价

土地资源使用强度指的是单位用地面积投资强度[19]。根据所选取的指标和已得到的郑州市耕地和建设用地面积（表2）及2004、2009及2013年《郑州市统计年鉴》中的人口总数（708.2、752.1、919.1万人）和郑州市总面积744 620 hm2，通过对公式进行运算，可得到郑州市2004、2009、2013年土地使用强度值。

2004年郑州市土地使用强度为0.412 4，2009年为0.420 7，2013年为0.355 0。2004-2009年，土地使用强度呈上升趋势，这说明郑州市此期间土地资源的使用与人口资源分配比例较好，土地使用方式在逐渐变得合理。但2009-2013年，郑州市的土地使用强度有较低的下降趋势，主要是由于这一时期人口处于快速持续增长阶段，由752.1万人迅速增至919.1万人，人地矛盾突出。虽然在此期间，基于土地资源的有限性对郑州市的土地利用进行了调整，农用耕地与建设用地等的规模发生了较为明显的变化。但尽管如此，因为郑州市人口基数过大，人口增长过快，规划改善成效甚微，人均耕地、人均建设用地依旧低于目标值，郑州市土地与人口间的协调发展仍然存在较为明显的不平衡性，耕地后备资源匮乏，与所选取的3个指标相结合来看，郑州市的土地使用强度总体上来说相对较差。

3.2 土地利用效率评价

土地利用效率是指在土地资源使用过程中土地使用资本最低时可以产生的最大收益。通过对土地利用效率的评价与分析，对郑州市的社会经济发展有一定的了解和认识[10]。根据《郑州市统计年鉴》的数据（表4），通过公式计算2004、2009和2013年郑州市的土地利用效率。

郑州的土地利用效率在2004年为0.583 0、2009年为0.970 3、2013年为0.971 6，土地利用效率呈上升趋势，表明郑州市的土地资源逐渐得到了合理有效的管理和利用。2004年郑州市的土地利用效率较低，土地利用效率的各项指标除了地均生产总值（25.233万元/hrri2）比标准值（17.5万元/hrri2）高外，其他的指标状态相差较为明显，说明2004年郑州市的土地资源并没有得到相对高效的利用，当时全国处在繁荣发展的初始阶段，受资金、人才、技术等的制约，郑州市经济并不发达，工业发展较为落后，人们生活消费水平较低。随着国家政策的出台以及河南省相關土地利用政策的提出，郑州市土地利用效率2004-2009年取得了很大的提升，土地利用效率趋于良好。随着社会的快速发展和经济的不断增长，郑州市土地的生产力基本可以满足社会需求，由2004年的17.941万元/hm2到2009年的44.432万元/hni2，再到2013年的88.288万元/hn12，土地生产总值明显提高，工业发展迅速，人民生活水平日益提高。但是，郑州市粮食及作物总产量2004-2013年期间却一直不高，2004年粮食单产为4 211.872 kg/hm2，2013年粮食单产4 631.005 kg/hm2，粮食单产值均低于标准值（8 700 kg/hm2），阻碍了郑州市的经济发展。

3.3 土地利用结构和布局评价

土地利用结构和布局可以直接反映某一时期的土地利用状况，并可基于其对国民、区域及企业经济各部门的作用水平、经济效益和潜在能力进行分析，还包括开发的可能性[20]。由郑州市建设用地面积、未利用地面积（表2），还有从《郑州统计年鉴》中搜集整理到的农用地面积和由郑州市水资源公报中获得的水资源占有量数据，通过对公式进行计算，最终可得到郑州市2004、2009、2013年土地利用结构和布局计算结果（表5）。

由表5可知，郑州市2004年土地利用结构和布局评分为0.330 4、2009年为0.327 6、2013年为0.600 7。2004、2009、2013年郑州市土地利用结构和布局方面正处于不断优化改善的状态，每年都有一定的改观。随着城市的扩张以及城市化进程的加快推进，郑州市的土地利用率2004-2013年明显提升。但是，由于受郑州地理环境等其他因素影响，郑州市东、西北部以及城区开发程度较高，其西部、南部多山地林地，开发程度较低，总体的结构处于中等开发程度，与标准的结构布局相比较，还有很大的发展空间。

3.4 土地承载力计算与评价

对郑州市土地使用强度、土地利用效率及土地利用结构和布局的数据通过公式（4）～（7）对其赋权和计算，得到郑州市的土地承载力结果。郑州市2004年土地承载力为0.473 2，2009年为0.689 0，2013年为0.778 3，呈逐年上升的状态。2004-2009年提升速度较快，土地利用效率呈逐年上升趋势。郑州市2004-2013年，工业发展迅速，经济蓬勃发展;土地使用强度及土地利用结构与理想状态还有一定差距，表明郑州市在土地利用上还有一定的优化和发展空间。

4 小结

以河南省郑州市为例，借助遥感技术，深入分析了郑州市的土地利用现状，并结合城市土地资源的实际情况，建立郑州市土地资源承载力评价指标体系，从而对郑州市土地资源承载力问题进行研究。2004、2009、2013年郑州市各类用地中明显增加的为建设用地，耕地、林地、水域等用地变化幅度较小。从遥感影像中提取耕地、建设用地、水域、林地等的占有量，为后期对郑州市的土地资源承载力分析评价提供一定的数据基础。

结合郑州市地理特征和土地利用方式，选取适合郑州市土地承载力评价的11个指标，建立相关指标体系，采用均方差法计算郑州市土地资源承载力，并由此评价指标体系研究的结果得出，郑州市土地资源承载力的研究须将人口、资源、建筑、经济、环境等方面结合起来，才能衡量郑州市土地资源的整体承载能力。郑州市土地资源承载力最高评价值为2013年的0.778 3。近年来，郑州市在经济发展方面保持较为均衡且快速增长，使得郑州市的土地资源承载力状态良好。评价最低的是2004年，为0.4732。主要是因为在这个时期，郑州市改革开放和现代化还没有进入到相对成熟的阶段，还有待进一步改善。在土地使用、土地利用结构和布局等方面与目标值仍有存在很大差距，此时郑州市土地承载力处于相对较弱的状态。2004-2013年，郑州市土地资源承载力总体上呈逐年上升的过程，有较为明显的进步;土地利用效率及土地利用结构和布局的上升幅度也略有提升，显示出郑州市在土地资源利用上的可持续性在此期间有所提升，但土地使用强度有下滑的趋势，表明郑州市在此期间对土地进行分配使用时，忽视了人口与土地矛盾的关系。随着人地矛盾的突出，要想提高区域的可持续发展能力，必不可少的要提高土地资源承载力，从而实现可持续发展。

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