城市蔓延趨勢評價方法探索
——以麗水市蓮都區為例

朱志欣

（麗水學院中國青瓷學院，浙江 麗水 323000）

麗水作為兩山理念的發源地和踐行地之一，強調高質量綠色、生態發展，近年來先后成為首批國家生態文明先行示范區、首批國家生態保護和建設示范區、全國水生態文明城市，入選首批國家氣候適應型城市建設試點。然而，蓮都區作為麗水市的中心城區，在近幾年的發展下已逐漸逼近現有的天然城市邊界，新建設區塊已呈現隔山跨江的趨勢，城郊地區出現飛地式的開發現象，間接影響周邊生態環境。由此可見麗水城市發展需要合理有序的城市空間增長，面對浙西南山區環境下有限的土地開發空間容量，推動城市蔓延土地動態變化趨勢構建和評價，將有助于精細化地制定城市生態發展規劃和提出管控土地利用的策略。

1 研究概況

蓮都區位于28°06′～28°44′N，119°32′～120°08′E，總面積約為1 495km2，作為麗水市政治文化中心，是市區內人口遷入的核心區域（圖1）。其中，紫金、巖泉、白云、萬象街道為傳統意義上的市政中心，水閣街道為麗水工業園區，構成蓮都區以北城南城為核心的中心城區功能結構；其中，北城作為政治、經濟、文化和居住的向心區，具備三面依山一面傍水的優越地理區位，是生態城市的良好載體，但也體現了未來發展上的地域空間制約。

圖1 蓮都區概況與區位

在遙感影像上本研究選取歐洲航天局（European Space Agency,ESA）影像平臺提供的SENTINEL-2 產品，其可見光波段（RGB）與近紅外波段（NIR）原始地表分辨率達到10 m，短紅外波段（SWIR1,SWIR2）原始地表分辨率達到20 m。數據選擇2017 年至2020 年低云量、植被特征清晰、產品級別為Level-1C（L1C）的遙感影像。

2 研究方法

2.1 數據處理

L1C 影像已完成正射校正和亞像元級幾何精校正，利用歐空局（ESA）官方插件SEN2COR 完成輻射定標和大氣校正，轉換為Level-2A（L2A）級數據。L2A 影像經由SNAP 軟件掩膜裁剪至僅包含蓮都區行政范圍內影像，并將短紅外波段分辨率由20 m 重采樣至10 m 完成影像融合[1]。

2.2 影像分類

影像的分類工作主要基于eCognition 軟件，同時結合ENVI，ArcGIS 完成。為了更好地完成多尺度分割，除所用波段權重外，疊加基于像元二分模型植被覆蓋度反演結果[2]和基于DEM生成的坡度數據，并在專題圖層中根據不同年份添加OpenStreetMap 平臺道路數據共同參與圖像分割。

分類類型側重討論人類活動區域擴張下產生的生態土地流失，即山水林田草湖向建設用地轉換的一系列過程和結果，因此將討論土地的自然環境屬性、人工環境屬性以及處于過渡期的土地類型，并將分類類型分為林地、農田草地、水體、建設用地以及貧瘠土地5 個類型。

分類方法采用綜合閾值法，綜合指數研究和輔助數據參數分層分次來解譯衛星影像（表1）。受衛星分辨率影響，一些地類像素不能很好地根據指數識別，如建筑陰影、采礦區以及植被溝渠的交錯地帶，針對這些地類基于初步指數和條件分類結果進行手動分割后再歸類（圖2）。

圖2 2017—2020 年蓮都區動態景觀格局

表1 參與分類指數與條件

2.3 精度驗證

通過Google Earth，Rapid Eye Ortho Tile，Planet Scope Scene 對應時間段的歷史影像切片驗證真實地類，同時結合實地調研進一步針對5 種地類分類分別生成30 個采樣點，共150 采樣點，并對分類結果進行逐年精度驗證。驗證結果顯示（表2），2017—2020 年范圍內土地分類結果綜合精度均在0.87 以上，Kappa 系數[8]高于0.84，分類結果良好，符合后續分析要求。

表2 精度驗證

3 結果與討論

3.1 土地面積變化

近年來，麗水多地開展大搬快聚工程、老舊城區整改建設、城市綠地優化整治項目，有效調整了土地利用現狀，是堅持綠色發展和踐行“兩山理念”的重要體現。基于遙感分類結果構建土地轉移矩陣，觀測各類土地的流入和流出情況，見表3～5。數據結果顯示2017—2020 年麗水市蓮都區林地面積共增加了17.28 km2，整體呈現上升趨勢，主要流入地類為貧瘠土地和草地，2017 年至2018 年、2018 年至2019 年分別增加9.4 km2，12.92 km2。2019 至2020 年則下降5.04 km2，結合圖2 觀察比較2019 至2020 年土地解譯結果，發現蓮都區南面有較多碎片化的土地變化。農田草地面積整體上有所下降，從解譯結果上看，變化較為頻繁，主要流轉為貧瘠土地和林地，其次為建設用地，結合解譯結果發現波動較大，經分析發現，這種被動主要受到大棚搭建以及植物量周期性變化影響。貧瘠土地面積有所下降，主要為回流的農田草地，這表明農田草地與貧瘠土地之間具有雙向轉移的特質，符合農田休耕和氣候影像下NDVI 的變化趨勢，其余部分轉換為林地和建設用地；建設用地面積緩慢增長，主要流入地類為貧瘠土地以及農田草地，2020 年較2017 年增長3.83 km2，符合近年來麗水城區的擴張趨勢。

表3 2017—2018 年土地轉移矩陣 單位：km2

表4 2018—2019 年土地轉移矩陣 單位：km2

表5 2019—2020 年土地轉移矩陣 單位：km2

3.2 土地負向轉移熱力圖構建

山水林田草湖的生態環境改變是一系列復雜的變化，是人類活動、氣候環境和其他綜合因素共同影響的結果。其中，林地、農田草地和水體流向貧瘠土地和建設用地可以認為是生態的負流向，城鄉建設用地規模的擴大主要表現為農田草地、林地和水體向建設用地和貧瘠土地的轉化[9]，是山水林田草湖生命一體化向人類文明建設的轉變。麗水在綠色發展的大背景下，城市擴張可以說是循序漸進的，但受到信息和交通流動影響，近年來不斷涌現出來的新建成區域，在地類上的轉變是一種完成時態。為了能更好地觀測及討論土地利用的變化趨勢，分析人類活動下的生態環境改變動向，在土地轉移矩陣數據上提取該類生態負向轉移的土地要素，并在10 m×10 m 的柵格（基于SENTINEL-2 波段地表最高分辨率）生成點要素指示土地負向變化單位，同時基于每個點要素表達100 m2面積的基礎上結合坡度數據所得斜率系數生成柵格斜面積并作為主要影響值，生成2017—2020 年動態變化的生態用地負流向熱力圖（圖3）。結合數據結果顯示：變化熱點多發生在城鎮、鄉村、道路邊緣，其中碧湖平原為高頻熱點聚集區域，聯城街道、老竹鎮以及富嶺街道為高頻熱點次聚集區域。

圖3 生態用地負流向熱力圖

3.3 蔓延評價要素

生態用地負流向熱力圖從客觀上反映了現實世界人類活動下的實際土地轉換結果。對于那些歷年來反復處于熱點區塊的用地，可以基本判定為是生態環境受人為活動影響較大或生態波動較大的區域，但并不能以此認定是城市蔓延的方向。為此，研究嘗試建立一個更加完整的城市蔓延評價方法。下面主要討論以下幾項評價要素權重數據分級的構建。

生態用地負流向分級。運用自然間斷點分級法[10]對綜合歷年生態用地負流向熱力圖進行再分類評級，并限制最低兩級參與評價。該評價等級主要指自然客觀條件下，土地受到人為活動干擾的頻繁程度，是基于現實土地利用變化生成的條件參數。

規劃用地分級。規劃數據由本地自然資源規劃局研究發布，是未來幾年城市建設的主要方向和人口流動的重要參考因素。為了更好體現規劃文件對用地穩定性的影響，分級時對新發布規劃中為新增的建設開發性質地類在原有地類分級權重上增加一級，對持續用于山水林田草等生態保留地類在分級上減少一級。關注和保障基本永久農用地不被侵占，限制自然保留地、新增農田、新增林地、新增園地、基本農田、一般農田以及水庫水面參與評價。

結合數字高程模型生成的坡度數據對坡度完成分級，根據麗水地區地貌特點按照適用度將坡度劃分為0%～8%、＞8%～15%、＞15%～25%、＞25%4 類。根據《城市用地豎向規劃規范（CJJ 83—99）》的規定，城市各類建設用地最大坡度不超過25%，應限制大于該值的坡度空間參與評價過程。

擬定5 類推動城鎮居民遷移驅動的因素，其具體表現為該類驅動要素的服務范圍，或可達性，包括但不限于工商娛支持區域、公園綠地服務空間、教育保障范圍、醫療安全距離以及年度重大建設項目的輻射影響。其中，根據驅動因素對居民聚集或服務的影響方式，將根據人們對其使用特點來討論使用歐幾里得距離或成本距離進行測算分級。結合長期經驗估算麗水人民出行習慣范圍，并根據中心城區對角距離對驅動要素類型距離大于5 km 的區域限制評價或設定低權重值。

3.4 結果與討論

結果顯示：在斑塊尺度上呈現出高度蔓延趨勢的斑塊合集主要集中在4 個區塊（圖4），其區位主要體現在中心城區東西向的邊界，并向西沿環城公路延伸至聯城街道區塊，碧湖平原北部也有分散的大量高蔓延區塊。這類蔓延斑塊現主要為居民點建設用地，包含別墅區、未來社區等中高檔小區建設用地，為吸引居民聚居，未來將會有對應的基礎配套設施開發的可能。富嶺街道西側高蔓延區塊為麗水工業科技園區向東面擴張的范圍，是外來務工人員的重要聚集地之一。中心城區顯示出大面積輕度蔓延趨勢區塊是城市對外圈老舊居民點的更新地塊，是中心城區拆建的高發區塊，符合土地利用變化情況。

圖4 蔓延趨勢（蔓延斑塊篩選）

從村鎮尺度看（圖5），當前受到高度蔓延影響的村鎮為武村村、白前村、富嶺村、大坑口村，受到中高度蔓延影響的村鎮為郎奇村、官橋村、常宅村、敏河村、林宅口村、花街村、青崗村、巖泉村和青林村。結合前述設計的評價分析方法判斷，高蔓延度村鎮代表著當前區塊正面臨大規模的土地人工變化，且其用地性質符合規劃要求，同時滿足建設基礎，預示著該區塊將成為近幾年城市蔓延的村鎮節點。中程度蔓延區往往依附于高蔓延區，通過判定是否臨近高蔓延區塊且處于城區的外延來評估是否具有蔓延趨勢，結合最新遙感影像進一步觀察當前用地建設基礎條件，并基于總體規劃對區塊功能的定性來討論聚集趨勢，根據最新的建設公文進一步討論其風險等級。村鎮土地的蔓延風險評價，有助于提前做好區域生態評估工作，預防和響應對高風險地區開發的生態破壞，構建區域生態安全屏障；完成村鎮居民點調研，設計搬遷安置方案，采取與未來建設良性融合的方式，提早制定針對村鎮內具有歷史價值的建筑、區域的保護方案；基于村鎮尺度細化、精準和有針對性的區域規劃方案，根據村鎮經濟產業特點進行資源整合，積極保護村鎮原有風貌，避免在城市化過程中被快速同化失去原有的特點。

圖5 村鎮尺度的蔓延評價

總體而言，麗水地區發展受限于地形地貌，在蔓延趨勢上呈現出一種由城區向城區四周擠壓的態勢，這種擠壓式城區蔓延受限于山體阻隔，在主城區邊界和山體邊緣處持續呈現高度的土地變化波動，這種對周邊自然用地的逐步開發過程預示著在城市擴張的背景下主城區與衛星城和工業園區的連接度將會不斷增加，新城與主城一體化趨勢也將更加明顯。部分飛地開發建設則傾向于未來將主城區與碧湖中心鎮進行關聯，但受限于碧湖平原地貌、建設基礎及目前的耕地保護政策呈現出零星高度蔓延區塊，整體上不易形成城區蔓延的重點方向、趨勢。

4 結 論

傳統蔓延指數的測度評價方法是對城市整體蔓延趨勢的評估，是一種宏觀的城市蔓延程度的量化評價手段，其局限性在于無法體現具體的蔓延趨勢和局部蔓延區塊。筆者的蔓延評價及可視化從土地利用變化的生態影響和社會經濟發展因素出發，能夠有效指示近期用地開發狀態，揭示土地蔓延的趨勢。浙西南地區城市擴張發展受到地形影響，城郊城市化的進程更加零碎和漸進，結合眾數濾波方式計算和構建蔓延評價方法，提供更加具體的蔓延區域可視化表達，在高強度土地開發利用背景下針對周邊生態脅迫展開周期性的評估，具有及時制定干預和保護政策的前瞻意義。