基于GIS和RS的海口市建設用地時空擴展分析

李鵬山等

摘要 以海口市建設用地作為研究對象，利用3期遙感影像數據，運用RS和GIS作為技術手段，采用擴展強度、擴展速率、分形維數、穩定性指數和重心遷移速率從建設用地數量特征、空間結構分形特征和重心遷移規律3個角度進行時空擴展分析。結果表明：①海口市建設用地面積增加了220.33 km2，年均擴展強度為0.51，年均擴展速率為21.04%；農村建設用地擴展的數量值均比市區的大；秀英區的年均擴展強度和年均擴展速率最大，龍華區的均最小，美蘭區和瓊山區介于其中。②海口市分形結構較復雜，空間穩定性先降后升；城市形態趨于簡單，穩定性增強，農村建設用地分布不集中，分形結構趨于復雜；各區的穩定性指數均小于0.1，分形結構趨于復雜。③海口市建設用地的重心整體上向西南偏移，遷移速率為205.89 m/年；城市和農村建設用地的遷移軌跡跟全市表現一致，但農村地區的遷移速率較大；龍華區和秀英區在前一時段遷移較快，美蘭區和瓊山區在后一時段遷移較快。

關鍵詞 時空擴展；建設用地；海口市；GIS/RS

中圖分類號 S127 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）03-00919-06

Abstract The research used the construction land of Haikou as an object， based on three periods of remote sensing data， RS and GIS as technical means， used the expansion intensity， expansion rate， fractal dimension， stability index and gravity migration rate to do the spatio-temporal analysis in the quantity feature， fractal spatial structure characteristics and gravity migration of construction land. The results showed that： （1） The construction land of Haikou is increased by 220.33 km2， the average annual expansion intensity is 0.51， the average annual expansion rate is 21.04%； The number of the rural construction land is larger than the number in the urban； The average annual expansion rate and expansion intensity of Xiuying District is the maximum of all districts， Longhua District is the minimum， Meilan and Qiongshan District between them. （2） The fractal structure is complex， the spatial stability decreased first and then increase， urban form tends to be simple， the stability is enhanced， the rural construction land distribution is not concentrated， the fractal structure tend to be complex； the stability index districts are less than 0.1， the fractal structure tends to be complex. （3） The center of construction land in Haikou overall migrate southwestward， the migration rate is 205.89 m/a； The migration trajectories of rural and city construction land are the same as the whole city， but rural migration rate is larger； The gravity of the Longhua and Xiuying District move faster in former period， and the gravity of Meilan and Qiongshan District move faster after a period of time.

Key words Spatio-temporal expansion； Construction land； Haikou City； GIS/RS

土地利用/覆被變化是目前研究全球變化問題的前沿和重大課題[1-4]，城市空間擴展實質上就是城市土地利用/覆被變化的過程[5-6]。隨著我國人口的增加和城市化水平的進一步加快，城市建設和發展需要大量的土地，城市擴展也日益成為大城市所面臨的主要問題[7]，城市建設用地的地域空間不斷擴展，優質農地和重要的生態環境用地向建設用地轉化[8]。城市擴展的土地利用/土地覆蓋變化過程、空間特征和社會經濟機制，正成為城市地理、土地利用等研究領域的熱點問題之一[9]。國內外學者利用遙感和GIS技術針對城市擴張和建設用地擴展進行了頗有成效的研究[10-17]。

海口市作為海南省省會城市，自1988建省以來城鎮化發展迅速，建設用地擴展十分明顯，林地和耕地大幅減少，生態環境質量日趨下降。因此，筆者在總結前人對建設用地擴展研究的基礎上，采用面向對象遙感影像提取技術獲得研究區不同時期建設用地數據，結合GIS手段運用相關方法從建設用地的數量特征、空間結構特征和重心遷移規律3個角度對海口市建設用地擴展進行分析，以期為研究區建設用地合理規劃和土地資源優化配置提供科學依據，為城市建設的可持續性發展和城鄉統籌發展提供科學指導，同時為國際旅游島建設中的土地政策提供決策支持。

1 研究區概況與數據處理

1.1 研究區概況

海口市位于110°10′～110°41′ E、19°32′～20°05′ N，地處熱帶北緣，屬于熱帶海洋性季風氣候。全年日照時間長，輻射能量大，年平均日照時數2 000 h以上，太陽輻射量約為5×105 J，年平均氣溫23.8 ℃，年平均降水量1 664 mm[18]。根據海口市2011年土地利用變更調查成果，市域土地總面積2 284.26 km2，其中耕地占總用地的30.52%，其次是園地（19.87%），林地（18.21%）和城鎮村及工礦用地（16.85%）。海域面積830 km2，海岸線長131 km，地貌絕大部分為海拔100 m以下的臺地和平原，北部為濱海平原區，中部為沿江階地區，東部、南部為臺地區，西部為熔巖臺地區。海口市共轄龍華、美蘭、瓊山和秀英4個區，至2012年末全市常住人口214.13萬，地區生產總值（GDP）完成820.58億元，三次產業結構調整為7.0∶24.6∶68.4。

1.2 數據來源

海南省自1988年建省以來，海口市作為省會城市發展出現空前的擴張，土地利用格局變化非常顯著。為此選用了海南省建省初期的TM影像數據（獲取時間維1991年10月，1988年6月數據做補充）、21世紀初期的ETM+影像數據（獲取時間為2001年10月，2001年12月數據做補充）和2010年的ALOS衛星多光譜遙感影像數據（獲取時間為2010年4月，2009年3月數據做補充）來研究海口市建設用地擴展分析。

1.3 數據處理

首先，利用研究區1∶10 000地形圖進行幾何校正；其次，進行波段選擇合成具有豐富的光譜信息、紋理信息的假彩色影像；再次，對影像數據進行鑲嵌處理，通過定義感興趣區進行裁切；最后，采用直方圖均衡化對比度拉伸對圖像進行增強處理，獲得預處理數據。

面向對象分類技術集合臨近像元為對象用來識別感興趣的光譜要素，充分利用高分辨率的全色和多光譜數據的空間，紋理與光譜信息來分割和分類的特點，以高精度的分類結果或者矢量輸出。該研究利用ENVI Zoom中Feature Extraction模塊對預處理數據進行分類。首先將影像分割成不同的小區域，然后產生目標區域即合并分割后特征相同的小區域從而生成對象，接著進行影像分類，分類時先定義要素，然后采用基于規則的分類或監督分類進行各要素訓練樣本的選取，最后得出要素的分類結果。

盡管研究區的土地利用分類精度均達到90%以上，但是，在分類過程中，仍然會出現大量破碎的小斑塊，還有一些由于數據分辨率比較低而造成的錯誤分類的斑塊，因此，需要對分類結果進行后期處理。該處理過程，主要在土地利用現狀數據的約束下利用ArcGIS9.3平臺完成。通過對小圖斑進行去除、融合和更改圖斑的屬性等一系列后期處理得到研究區各期建設用地空間分布結果，見圖1。

海口市建設用地面積從1991年的55.12 km2增長到2010年的275.45 km2，共增加了220.33 km2，1991～2001年和2001～2010年2個時段建設用地擴展的面積基本相當；1991～2010年建設用地面積年均擴展強度為0.51，年均擴展速率為21.04%。1991～2001年年均擴展強度為0.48，年均擴展速率為19.85%，在這一時期雖然擴展強度不大，但是擴展速率較快；2001～2010年年均擴展強度為1.34，年均擴展速率為7.49，在這一時期擴展強度明顯變大，但是擴展速率減小。主要原因在于海南省建省以后建設用地擴展迅速，然而由于其在整個區域所占比例較小，擴展強度在后一時期才逐漸增大；在后期因城市和土地利用合理規劃，擴展速率有所減緩。

研究區城市建設用地從1991年的36.99 km2增長到2010年的93.77 km2，共增加了56.78 km2；年均擴展強度為0.13，年均擴展速率為8.08%。1991～2001年建設用地擴展了49.56 km2，年均擴展強度為0.22，年均擴展速率為13.40%。2001～2010年建設用地擴展了7.22 km2，年均擴展強度為0.46，年均擴展速率為0.93%。農村建設用地從1991年的18.13 km2增長到2010年的181.68 km2，共增加了163.55 km2；年均擴展強度為0.38，年均擴展速率為47.48%。1991～2001年建設用地擴展了59.83 km2，年均擴展強度為0.26，年均擴展速率為33.00%。2001～2010年建設用地擴展了103.72 km2，年均擴展強度為0.88，年均擴展速率為14.78%。農村建設用地的擴展強度和擴展速率均比城市建設用地的大，其主要原因在于農村建設用地擴展面積約為城市建設用地擴展面積的2倍，并且城區土地利用方式比較集約，村鎮土地利用方式比較粗放；在區域發展中，城市建設用地分布集中并以核心區為中心逐漸向外圍擴展，然而農村建設用地分布散亂以鄉鎮為中心擴展。

龍華區建設用地面積從1991年的16.32 km2增長到2010年的48.81 km2，共增加了32.49 km2；年均擴展強度為0.08，年均擴展速率為10.48%。1991～2001年建設用地擴展了22.27 km2，年均擴展強度為0.10，年均擴展速率為13.65%。在2001～2010年建設用地擴展了10.22 km2，年均擴展強度為0.24，年均擴展速率為2.94%。美蘭區建設用地面積從1991年的16.32 km2增長到2010年的77.76 km2，共增加了61.44 km2；年均擴展強度為0.14，年均擴展速率為19.81%。1991～2001年建設用地擴展了18.60 km2，年均擴展強度為0.08，年均擴展速率為11.40%。2001～2010年建設用地擴展了42.84 km2，年均擴展強度為0.38，年均擴展速率為13.63%。瓊山區建設用地面積從1991年的10.82 km2增長到2010年的56.23 km2，共增加了45.41 km2；年均擴展強度為0.10，年均擴展速率為22.09%。1991～2001年建設用地擴展了7.61 km2，年均擴展強度為0.03，年均擴展速率為7.03%。2001～2010年建設用地擴展了37.80 km2，年均擴展強度為0.27，年均擴展速率為22.79%。秀英區建設用地面積從1991年的11.66 km2增長到2010年的92.66 km2，共增加了81.00 km2；年均擴展強度為0.19，年均擴展速率為36.56%。1991～2001年建設用地擴展了60.92 km2，年均擴展強度為0.27，年均擴展速率為52.25%。2001～2010年建設用地擴展了20.08 km2，年均擴展強度為0.45，年均擴展速率為36.56%。就4個區總體而言，秀英區建設用地年均擴展強度和年均擴展速率都最大，龍華區均最小，美蘭區和瓊山區介于之中。主要原因在于龍華區大部分的建設用地集中在海口市建成區核心區域，而秀英區作為海口市城市西拓的主要區域，近些年建設用地擴展迅速。

地的分形維數對比圖，圖3a為海口市建設用地、城市建設用地和農村建設用地的穩定性指數對比圖。海口市建設用地的分形維數在1991、2001和2010年分別為1.532 6、1.525 5和1.591 3，分形維數均略大于1.5，建設用地空間結構表現較復雜；穩定性指數在1991、2001和2010年分別為0.032 6、0.025 5和0.091 3；1991～2001年，分形維數和穩定性指數有所減少，說明海口市在成為省會城市后建設用地迅速擴張趨于不穩定；2001～2010年，分形維數和穩定性指數呈增長的趨勢，說明在這一時段隨著道路交通設施的完善和城市規劃的逐步實現，穩定性增強，但是城市郊區和鄉鎮的空間結構依然比較復雜。研究區城市建設用地在1991、2001和2010年的分形維數分別為1.485 1、1.445 5和1.397 2，穩定性指數分別為0.014 9、0.054 5和0.102 8；1991～2010年，隨著城市基礎設施的完善和城市規劃的逐步實施，分散擴展區間逐漸連接成片，城市形態開始趨于簡單，穩定性增強。研究區農村建設用地在1991、2001和2010年的分形維數分別為1.567 1、1.560 9和1.621 3，穩定性指數分別為0.067 1、0.060 9和0.121 3；農村建設用地的分形維數和穩定性指數與整個研究區走勢一致，農村地區各時期的分形維數值和穩定性指數普遍高于市區和整個研究區，這主要是因為長期以來農村缺乏合理的規劃建設，任意占用耕地進行開發建設的現象屢見不鮮；1991～2001年，隨著鄉鎮擴展和農村居民點的增加，其空間結構表現為不穩定；2001～2010年，受地方經濟調整和村鎮總體規劃的影響，對農村建設起到了一定程度的穩定作用，但是農村建設用地的擴展在整個研究區占主要部分，并且分布較為分散空間結構趨于復雜。

圖2b和圖3b分別是海口市下轄4個區的分形維數和穩定性指數對比圖。龍華區建設用地在1991、2001和2010年的分形維數分別為1.461 9、1.465 8和1.516 9，穩定性指數分別為0.038 1、0.034 2和0.016 9；1991～2010年，龍華區的分形維數持續增加，然而穩定性指數逐漸降低，說明該區的建設用地分形結構趨于復雜，空間結構不穩定；其原因在于，龍華區的建設用地在該區的比例最大，同時龍華區的建成區所占比例也最多，該區在發展過程中規劃較合理，分散擴展區已連片，村鎮的擴展導致了空間穩定性的降低。美蘭區建設用地在1991、2001和2010年的分形維數分別為1.495 8、1.497 6和1.584 9，穩定性指數分別為0.004 2、0.002 4和0.084 9；1991～2001年，分形維數接近1.5，穩定性指數很低，該區建設用地在這一時段的空間結構不穩定，2001～2010年，空間結構在擴展中變得復雜同時也趨于穩定；其原因在于，美蘭區建設用地在后一時段的擴展較快，尤其是海口羅牛山農產品加工產業園和桂林洋高校區的有序建設以及鄉鎮合理規劃，穩定性也隨著提升。瓊山區建設用地在1991、2001和2010年的分形維數分別為1.523 4、1.486 4和1.589 7，穩定性指數分別為0.023 4、0.013 6和0.089 7；1991～2001年，隨著建設用地的擴展分形維數和穩定性指數有所降低，2001～2010年，2個指數趨于升高；其原因在于，瓊山區較其他3個區發展較慢，建設用地在前一時段主要在老城區及外圍填充，結構趨于簡單，空間表現不穩定，后一時段建設用地擴展明顯，尤其在村鎮周邊，穩定性增加的同時結構趨于復雜。秀英區建設用地在1991、2001和2010年的分形維數分別為1.512 5、1.508 2和1.538 2，穩定性指數分別為0.012 5、0.008 2和0.038 2；在整個時段，秀英區的分形維數均大于1.5，分形結構一直較復雜，而穩定性指數在2001年出現先降后升的轉折；其原因在于，秀英區在整個研究區中擴展的強度和速率均最大，尤其是海口灣西海岸的開發、藥谷工業園區、港澳開發區、高新技術開發區等的建設以及村鎮建設用地的擴展，空間穩定性在前一時段快速發展后趨于不穩定，在后一時段隨著擴展速率的降低和建設用地空間擴展的規則穩定性升高。

3.3 重心遷移規律分析

建設用地空間格局與過程的分析可以有效反映在時間尺度上的空間變化動態。基于此，筆者通過分析建設用地重心在時間尺度上的變化揭示海口市建設用地的空間動態變化過程。在 ArcInfo 9.3中用Centroidlabels命令將各時期建設用地的重心標出來，并轉換成點的矢量圖層，然后將各景觀類型斑塊重心的點矢量圖層坐標轉換成大地坐標，得到各斑塊重心的經緯度坐標，根據相關公式計算出1991、2001和2008年建設用地的分布重心坐標（表3），并一步計算出各個時期的遷移速率（表4），各時期的重心遷移變化見圖4。

（1）海口市建設用地的重心整體上向西南偏移了3 912 m，遷移速率為205.89 m/年；1991～2001年，其重心向南遷移了668 m，向西遷移了4 857 m，遷移速率為490.29 m/年；2001～2010年，其重心向南遷移了3 196 m，向東遷移了4 250 m，遷移速率為590.90 m/年；由于研究區北面朝海，建設用地受自然條件限制主要是向南延伸和拓展；2001年以前，隨著隨著城市的擴張其建設用地逐漸向西擴展，尤其是西部濱海休閑娛樂度假區和經濟開發區，非建設用地資源豐富，西海岸環境優美，使得建設用地的重心西偏；2001年后，南渡江以東地區大力發展和中東部城鎮化進程的加快致使重心又往東遷移。

（2）研究區城市建設用地的重心整體上向西南偏移了1 308 m，遷移速率為68.83 m/年；農村建設用地的重心整體上向西北偏移了5 877 m，遷移速率為309.34 m/年。1991～2001年，城市建設用地的重心向南遷移了382 m，向西遷移了1 408 m，遷移速率為145.94 m/年；農村建設用地的重心向北遷移了3 936 m，向西遷移了11 752 m，遷移速率為1 239.38 m/年。2001～2010年，城市建設用地重心向南遷移了155 m，向東遷移了216 m，遷移速率為29.53 m/年；農村建設用地的重心向南遷移了1 454 m，向東遷移了6 424 m，遷移速率為731.88 m/年。城市建設用地和農村建設用地均表現出跟全市域一致的遷移軌跡，但是農村地區的遷移速率明顯較大，更加印證了農村建設用地具有更大的擴展強度和更快的擴展速率，同時反映出其空間分布的不集中性和農村土地利用的隨意性。

（3）1991～2010年就海口市4個區建設用地的重心而言，龍華區整體上向東南偏移了4 354 m，遷移速率為228.68 m/年；美蘭區整體上向東南偏移了3 092 m，遷移速率為162.72 m/年；瓊山區整體上向東南偏移了5 148 m，遷移速率為269.30 m/年；秀英區整體上向西南偏移了5 102 m，遷移速率為268.52 m/年。1991～2001年，龍華區向南遷移了3 711 m，向東遷移了43 m，遷移速率為371.17 m/年；美蘭區向北遷移了1 486 m，向西遷移了2 586 m，遷移速率為298.23 m/年；瓊山區向北遷移了5 298 m，向西遷移了2 886 m，遷移速率為603.28 m/年；秀英區向南遷移了3 922 m，向西遷移了1 666 m，遷移速率為426.12 m/年。2001～2010年，龍華區向南遷移了631 m，向東遷移了106 m，遷移速率為71.09 m/年；美蘭區向南遷移了3 205 m，向東遷移了5 155 m，遷移速率為674.50 m/年；瓊山區向南遷移了9 905 m，向東遷移了5 111 m，遷移速率為1 238.46 m/年；秀英區向南遷移了529 m，向西遷移了827 m，遷移速率為109.10 m/年。4個區中，龍華區和秀英區因其優越的條件在前一時段遷移較快，美蘭區和瓊山區在后一時段遷移較快，瓊山區各個時段的遷移速率最大。

4 結論

該研究運用GIS和RS技術，從數量特征、空間結構和重心遷移的角度對海口市建設用地擴展進行分析，主要結論如下：

（1）海口市建設用地面積增加了220.33 km2，年均擴展強度為0.51，年均擴展速率為21.04%；農村建設用地擴展的面積、年均擴展強度和年均擴展速率均比城市建設用地的大；秀英區的年均擴展強度和年均擴展速率都最大，龍華區最小，美蘭區和瓊山區居中。

（2）海口市建設用地空間結構表現較復雜，在前一時段建設用地迅速擴張趨于不穩定，在后一時段穩定性增強；城市形態趨于簡單，穩定性增強，農村建設用地分布較為分散空間結構趨于復雜；龍華區分形結構趨于復雜，空間結構不穩定，美蘭區、瓊山區和秀英區空間結構均趨于復雜，空間穩定性在2001年前后發生先降后升的轉折。

（3）海口市建設用地的重心整體上向西南偏移，遷移速率為205.89 m/年；城市建設用地和農村建設用地均表現出跟全市域一致的遷移軌跡，但是農村地區的遷移速率明顯較大；龍華區和秀英區因其優越的條件在前一時段遷移較快，美蘭區和瓊山區在后一時段遷移較快，瓊山區各個時段的遷移速率最大。

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