基于遙感數據的縣域土地利用模擬及經濟效益評價
——以河北省巨鹿縣為例

文 | 劉澤琴 米夢凡 楊秀峰 趙子輝 解春苓

1. 北華航天工業學院經濟管理學院 2. 北華航天工業學院遙感信息工程學院 3. 河北省航天遙感信息處理與應用協同創新中心

一、前言

在黨的組織結構和國家政權結構中，縣一級處在承上啟下的關鍵環節，是發展經濟、保障民生、維護穩定的重要基礎。縣域經濟帶有城鎮經濟和農村經濟相結合的典型特征，在城鎮化發展進程中的土地資源合理利用是具有重要研究價值的關鍵問題之一。如何利用遙感、GIS等現代技術手段，對縣域土地資源進行定性分析、精準施策、科學管理，提升土地利用的效益，是縣、鄉政府等決策部門亟待思考的問題。

在區域經濟研究中引入空間地理信息變量是近年來獲得迅速發展的經濟地理學的一個熱門研究領域。作為經濟學與遙感學、地理學相互融合的一門新興學科，經濟地理學在產業經濟和區域經濟研究領域受到了越來越高的重視，其中土地利用與覆被變化（LUCC）屬于熱點領域。這類包括空間變量的模型主要特點是采用遙感信息作為數據來源，并且利用計算機技術和GIS，分析LUCC的空間顯性分布特征和格局構成，同時重視對影響空間差異性的自然、人類活動等驅動因子的分析。目前廣泛采用的分析模型在原理構造上大都源于地理元胞自動機（CA）。CLUE-S是源于CA原理的一種比較成熟的模型形式。區域經濟研究的另一個熱點領域是土地利用的效益評價，涉及生態（環境）效益、經濟效益和社會效益等方面。

空間地理信息分布及格局演化方面的技術方法目前已取得較大進展，空間地理模型分析早已有之，但是將其研究結果應用于地方政府治理和民間應用的案例不多，應用于較小區域開展經濟分析的研究數量更少，尤其是針對縣域這類國民經濟基本單元的實證研究比較鮮見。縣域經濟所處的地位及其結構具有重要研究價值，本文力圖在此方面做出探索。

二、研究區、數據及研究方法

1. 研究區概況

巨鹿縣位于河北省中南部，邢臺市中部，地處太行山東麓，華北平原的邊緣，古黃河、漳河沖積平原上，地勢平坦。地理位置為37°N和115°E，四周與邢臺市7個縣交界，縣域面積631km。該縣總人口42萬，下轄6個鎮，4個鄉，縣城駐地巨鹿鎮。巨鹿縣交通便捷，公路總里程逾1400km，邢衡高速貫穿全境，國家二級公路（省道）南郝線、邢德線橫穿東西，定魏線縱貫南北。當地農業發展具有特色，是中國金銀花道地藥材之鄉、中國枸杞產業基地、中國串枝紅杏之鄉，中草藥材和園林水果種植兩項產值在農業總產值中占比近1/4。面對土地資源以耕地為主、城鎮化帶來的建設用地擴張、新興的二、三產業發展對土地需求增加等土地利用的多重矛盾，如何實現土地節約、集約利用，提升土地利用的經濟效益，是當地政府亟需破解的難題。

2. 數據

本文基礎數據由衛星遙感信息和經濟社會發展統計資料兩部分組成。

遙感數據用于提取土地利用現狀和交通數據，根據研究目標選擇了2010、2014和2018年三期遙感影像，其中2010年遙感數據來源于谷歌影像，數據精度7.36m；2014年和2018年遙感影像來源于高分一號衛星，數據精度2m。影像時間均選取當年7-8月份，數據質量好。土地利用分類處理采用ArcGIS軟件通過人工解譯進行矢量化，土地利用類型包括七種，分別為耕地、林地、城鎮建設用地、農村居民點、水域、工礦企業用地和其他用地（主要是交通設施和未利用地）（表1）。圖1為150m×150m尺度的三期土地利用情況。縣域內交通設施包括省道、縣道、鄉村道路三類道路（線狀地理信息）（2014年10月邢衡高速公路邢臺段通車，鑒于本文所涉時間范圍自2010年開始，因此未將該高速公路和巨鹿縣高速站口作為交通因素納入研究范圍），以及縣客運總站（點狀地理信息）。利用歐式距離法計算縣域內各位置至各交通設施的距離。

表1 土地利用類型及代碼

圖1 巨鹿縣2010年、2014年、2018年土地利用狀況

經濟社會發展數據來源于2011-2018年《河北經濟年鑒》《邢臺統計年鑒》和《巨鹿統計月報》，涉及國民經濟核算、農村經濟、工業等部分，所有指標均采用現價（當年價）口徑。在對2022年交通因素的變化推導中，參考了《巨鹿縣城鄉總體規劃（2013-2030）》，《巨鹿縣國民經濟與社會發展第十三個五年規劃綱要》，以及巨鹿縣近年《政府工作報告》。

3. 研究方法

（1）土地利用變化模型CLUE-S

CLUE-S模型是由CLUE模型演化而來的，更加適于開展較小區域的研究。對于CLUE-S模型的擬合效果檢驗多采用Kappa系數，一般認為該系數值≥0.75時，表示模型擬合效果較好。

（2）經濟效益評價模型

土地利用經濟效益評價主要利用研究區經濟社會發展統計數據，如地區生產總值及其構成、主要產業產值等，結合各種土地利用類型的用地量數據進行簡單匯總。

三、結果與分析

1. 2010-2018年巨鹿縣土地利用模擬

（1）Logistic回歸分析結果

CLUE-S模型中，柵格大小一般應在100～500m之間，結合研究區的規模和經濟特征，本文采用150m×150m的柵格進行分析。采用SPSS 22中的Binary Logistic回歸模型研究2010-2014年間交通因素對土地利用類型的驅動關系，分析得到回歸系數。就結果來看，僅有農村居民點的模擬效果欠佳，其他用地類型的ROC曲線下面積均超過0.6。因此Logistic回歸效果基本可以滿足當前研究需要，可將其作為CLUE-S模型分析的位置布局參數。

（2）地類間轉換規則設置

針對巨鹿縣2022年的土地利用情況模擬預測，本文擬作三種不同的假設情境設定，分別為：“自然發展”情境，即假設當地繼續保持以往的發展方式，不對土地利用施加人為干預；“耕地保護”情境，即假設當地的耕地總量保持不變，并令已有耕地向其他用地類型轉換的難度加大，以保持和充分發揮巨鹿縣在特色農產品種植業方面的優勢；“水域保護”情境，即假設當地水域面積保持不變，并令已有耕地向其他用地類型轉換的難度加大，以適應巨鹿縣“千湖之縣”發展思路的需要。

土地利用轉移彈性用于表示某種用地類型轉換為其他用地類型的難易程度，取值為0～1，其中0表示可轉換為任意其他地類，1表示不允許轉換為其他地類，該值越大表明轉換成其他用地類型的難度越高。針對這三種假設情境，結合各種用地類型自身的特征，分別設置七種地類的土地利用轉移彈性。土地利用轉移矩陣用于表示某種用地類型轉換為其他用地類型的可能性，取值為0或1，其中0表示不可轉換，1表示可以轉換。

（3）基于CLUE-S的2018年土地利用空間模擬

為了檢驗上述參數設置的合理性，本文以2018年巨鹿縣遙感影像解譯得到的150m×150m尺度的土地利用情況為目標時期的土地利用需求，見圖1（c），2014年的相應數據作為基期，通過線性插值法確定中間年份各種地類的用地量，采用CLUE-S模擬“自然發展”情境下2018年的土地利用情況（鑒于巨鹿縣當地未設有自然保護區或其他明確限制開發區域，因此本文在研究中未設置空間政策與約束條件），得到模擬正確的柵格數為25544個，與2018年150m×150m尺度下總柵格數28019個相比，得到Kappa系數為91.17%，表明CLUE-S模型模擬效果好，以上參數設置合理，可以將其代入2018-2022年分析周期進行2022年土地利用情況的預測。

2. 不同假設情境下2022年巨鹿縣土地利用預測

（1）2022年巨鹿縣土地利用需求預測

對土地利用需求的預測可以采用簡單趨勢外推法，也可以采用形式更為復雜的經濟模型進行分析。本文重點關注了在縣域經濟發展中貢獻顯著、同時用地數量變化較大的第二產業發展情況，以第二產業增加值作為其發展水平的測算指標。接下來本文采用巨鹿縣第二產業增加值（X）和工礦企業用地面積（Y）進行趨勢擬合的方式預測2022年該土地利用類型的土地需求量。此外，在“耕地保護”情境下假設耕地面積保持與2018年相同，在“水域保護”情境下假設水域面積保持與2018年相同。在保持土地總量不變的前提下，其他用地類型的土地需求量繼續延續原有趨勢并作適當調整。

（2）2022年巨鹿縣土地利用預測

采用交通因素驅動下土地利用類型的Logistic回歸系數和土地利用轉移矩陣，根據三種假設情境，分別采用不同的土地利用轉移彈性結合土地利用需求量，以2018年土地利用狀況為基礎，運行CLUE-S模型得到不同情境下的2022年巨鹿縣土地利用預測，見圖2。

（3）土地利用預測結果對比分析

圖2 巨鹿縣2022年土地利用預測

根據不同假設情境開展的2022年巨鹿縣土地利用預測結果顯示，在以下兩個方面存在比較顯著的差異。

土地利用結構的數量差異。縱觀2010年以來的土地利用變化，可以發現耕地數量變化的絕對值最大，對林地、工礦企業用地等用地量的增加貢獻最顯著。而在土地需求預測中，本文對工礦企業用地基于經濟模型做出了數量規定，相當于設置了較具剛性的土地需求條件。由于“耕地保護”情境假設耕地數量維持在2018年現狀水平，直接導致的結果是林地無法有效增加，因此圖2(b)顯示的結果與圖1(c)差異最小。在“水域保護”情境下的情況類似，不過由于水域面積在土地總量中占比很小（2018年為5.85%），對其施加的數量限制條件影響較小，因此該情境與“自然發展”情境的土地利用需求相似度較高。

土地利用格局的空間差異。“自然發展”和“水域保護”兩種情境與2018年土地利用現狀的差異最為顯著，共同的變化特征有兩個：要求將目前縣城北部和東部周邊尤其是東北方向的一些耕地轉為林地，形成縣城以南和以北兩個林木富集區域；要求在目前縣城西北部和東北部部分地區安排工礦企業用地擴大，形成連片規模發展。此外，三種假設情境都要求將西部的西郭城鎮靠近與臨縣交界區（臨近省道S324邢德線）、蘇家營鄉與臨縣交界區和官亭鎮臨近省道S327南郝線部分區域的農村居民點轉為工礦企業用地，充分發揮交通設施助力企業發展的作用。

3. 巨鹿縣土地利用經濟效益評價

考慮到各種土地利用類型與國民經濟產業的對應性，以及縣域統計資料的可得性，本文選取（狹義）農業產值作為耕地的產出指標，林業產值、第三產業增加值、農林牧漁服務業產值、漁業產值和規模以上工業總產值分別作為林地、城鎮建設用地、農村居民點、水域和工礦建設用地的產出指標。所有指標均采用現價（當年價）口徑統計數據。根據2010-2018年統計資料和相應地類的用地量，計算得到各地類的單位面積經濟效益值，根據2010-2018年各地類單位面積經濟效益值，通過趨勢外推法得到2022年各指標預測值。以預測的2022年單位面積經濟效益值分別結合三種假設情境下的各地類用地量，可以計算得到不同情境下的經濟效益總量預測值（表2）。

表2 土地利用經濟效益總量 單位：萬元

由表2顯示的三種不同假設情境下巨鹿縣土地利用經濟效益總量來看，“自然發展”情境的經濟效益顯著高于其他兩種情境，這與該情境下單位面積經濟效益值最高的工礦企業用地比其他二者多有密切關系。其他兩種假設情境之間的經濟效益總量差異不顯著，雖然兩種情境下的各地類用地量存在差別，但是結合各種地類的單位面積經濟效益值之后綜合來看，經濟效果上是相當的。如果僅從經濟效益總量的角度出發考慮，當地首先應當考慮選擇“自然發展”模式，但是如果補充更多的生態效益和社會效益資料，則綜合評價的結果可能會發生變化。

四、巨鹿縣土地利用及產業發展策略啟示

采用交通設施作為驅動因素，運用CLUE-S模型對2022年巨鹿縣土地利用情況進行模擬預測，對比2018年當地土地利用現狀發現，工礦企業用地擴大和林地增加是預測中出現的主要特征，并且工礦企業的用地指向與當地城鄉總體規劃中指出的未來中長期發展思路是一致的，但是用地類型的布點更加具體，體現了科學性和應用性的結合。

研究發現，在“自然發展”和“水域保護”兩種假設情境下，應在目前縣城東北方向成規模地建設林地，這與2010-2018年間巨鹿縣林地面積顯著增加有關，也與模型的驅動因素、限制條件等有關。這一發展方向與當地建設“華北地區最綠最美平原縣”的發展目標一致，也提示了林地建設的布局方向。但是就當前林業產值較低的現狀來看，圍繞林業資源開發休閑旅游等第三產業是可以考慮的發展策略。

“耕地保護”和“水域保護”兩種假設情境下，經濟效益總量與“自然發展”情境存在一定差距，這固然與評價模型選擇的經濟指標有關，但是也表明將種植業、漁業等囿于以往的第一產業部門是不夠的，應該充分挖掘相應自然資源、經濟資源的潛力，將第一產業與工業、更重要地是與第三產業充分融合，將巨鹿縣道地中藥材產地的優勢、河湖坑塘密集的優勢充分發揮出來，走出一條特色農業發展之路。

五、結論

采用空間地理信息尤其是衛星遙感信息與經濟效益分析模型相結合的方法，對縣域土地利用及其效益開展模擬和評價，這一思路具有可行性。這種研究方法突破了以往大量經濟分析中僅僅依靠經濟社會統計信息作為數據源的思路，將空間地理信息引入分析框架，可以充分發揮此類信息實時性、翔實性、動態性等優勢，不僅實現了基礎數據的豐富性，更有利于提升經濟分析的質量。

在本文所述新的研究框架下，模型分析所提供的結果更加豐富。根據不同的假設情境，可以模擬未來土地利用的多種格局，并且以圖形的形式呈現出來，結果的直觀性更好，比以往常用的經濟研究方法提供的結果更易于理解。結合經濟效益分析之后，各種不同假設情境下的經濟效益及其所對應的產業發展策略更加明晰，政策指導性更強。

根據本文所采用研究方法所提供的研究結果，對于地方政府調整土地利用格局、制定地方經濟社會發展規劃、調整產業發展政策等均具有良好的參考價值。此類分析的結果明確、直觀、指向性強，易于轉化為具體的政策措施，且研究所耗費的時間、經濟成本均較低，可以提高政府治理效率。