基于GIS和RS的南寧市城市用地擴張時空動態特征分析

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特征分析

蘇曉潔 程秋華 楊蕓珍 龐子玥

（北部灣大學，廣西 欽州 535011）

近年來，南寧市的社會經濟得到了迅猛發展，經濟發展的同時城市范圍也在不斷擴大，城市用地不斷增多，隨之而來的是復雜的土地利用問題，如城市土地利用缺乏合理規劃，耕地銳減，建設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驗基礎上，以南寧市為研究對象，在GIS和RS技術的支持下，利用2005年－2020年十五年間的Landsat影像數據，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律進行研究和分析。研究結果表明，南寧市在發展的過程中，城市用地由快速擴張到控制擴張，且有持續擴張的趨勢。對南寧市城市用地擴張進行時空動態上的研究，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監測與土地合理規劃調控提供科學的依據。

南寧市；遙感解譯；空間分析；城市擴張

引言

城市發展依賴于土地，城市化進程在不斷加快發展的同時，人類的活動以及社會的發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城市化水平的重要標準之一，目前城市擴張已經逐漸成為土地利用變化與土地資源管理方面的研究熱點。城市發展與擴張的同時，土地缺乏合理規劃、耕地銳減、建設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系到社會經濟的發展，逐漸成為城市研究的主要領域。隨著RS和GIS技術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獲取數據速度快、精確度高，能夠實時獲取地物的信息數據；GIS有著強大的空間分析功能，可以綜合處理復雜多樣的數據，二者結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研究和規劃提供科學的依據。

《南寧市國土空間總體規劃（2021—2035）》草案指出，直至21世紀中葉，南寧市國土規劃將實現高效能治理，優化三區三線總體格局，優化城市空間結構，建設生態宜居壯鄉首府[1]。利用RS技術進行監督分類提取土地利用類型，GIS技術進行土地利用轉移矩陣得到不同地類之間的轉換信息，計算不同地類間的轉移速度，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研究。基于堅持底線思維與尊重城市發展規律的前提，在已有的基礎上更進一步探索城市擴張和土地利用變化的關系，研究社會發展與城市用地擴張之間的關系，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，為南寧市形成安全永續、富有競爭力的國土空間格局提供現實依據[2]。

1 研究區概況

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優秀試點城市之一。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，在廣西經濟社會發展和西部大開發戰略中具有十分重要的地位。南寧市下轄青秀區、興寧區、江南區、良慶區、邕寧區、西鄉塘區、武鳴區共7個行政區。本文研究的行政區主要是前6個行政區，武鳴區因近年才撤縣設區，所搜集的相關數據不夠完整具體，本文暫不予論述。

2 數據來源及技術路線

2.1 數據來源及內容

本文所使用的遙感數據均從USGS官網下載，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。社會經濟數據均從2015年－2020年的《中國城市統計年鑒》中篩選并整理成城市用地分布、人口與經濟情況表格，如表1所示。

表1 數據來源及內容

2.2 技術路線

利用ENVI對遙感影像進行監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分析（圖1）。

圖1 總體技術路線

3 結果分析

3.1 遙感影像監督分類

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”的現象，在同一個譜段中，不同的地物也可能會出現相同的譜線特征，使得在解譯的過程中容易判錯，導致分類結果不準確。因此在監督分類后，需將分類后得到的地類數據導入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2005年、2010年、2015年和2020年影像圖分類得到的土地利用數據（圖2），再經過ArcGIS進行統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年前南寧市轄區的建設用地面積增加了將近一倍的量（表3），表明南寧市城區由其他地類轉換為建設用地的量越來越多，城市用地呈現向外擴張的趨勢。

3.3 土地利用轉移矩陣

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

表4 2005年—2010年土地利用類型轉移矩陣（單位：km2）

表5 2010年—2015年土地利用類型轉移矩陣（單位：km2）

表6 2015年—2020年土地利用類型轉移矩陣（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據進行提取，并通過轉移矩陣對各地類的變化情況進行了分析。近15年以來南寧市城區各地類之間不斷相互轉移，建設用地面積增多，表明城市社會經濟發展的同時，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移變化量較多較大，體現在耕地、林地、草地的減少和建設用地的增加。

3.4 城市擴張動態分析

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

圖3 南寧市城區2005年—2020年城市用地擴張過程

3.5 城市擴張動態時間過程分析

城市擴張的動態度可以通過計算單一土地利用類型動態度來表示。它指的是在一定的時間范圍內，一種地類的總量變化情況。可以用它來代表研究區的土地利用變化的快慢，它對于研究一個區域內土地利用變化的不同性和分析今后該區域的土地利用發展趨勢具有重要的參考作用[4,5]。可通過計算建設用地的利用動態度來分析南寧市建設用地的變化速率，表達式為：

在公式（1）中，K表示南寧市5年內的建設用地動態度，Ua為首期研究區域的建設用地總量，Ub為末期的建設用地數量，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。

將土地利用數據帶入公式（1）中，得到：

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

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

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

④將各時段的建設用地利用動態度與該時段增加的建設用地面積，做成如表7所示。

表7 各監測時段建設用地擴張情況

從表7中可看出，南寧市15年來，建設用地每年的增量在不斷上升，建設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展到6.4%，說明南寧市這十年間的城市發展十分迅猛，且對于土地資源的管理程度并不是很嚴格，導致城市發展過程中建設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，既要發展經濟也要守住土地，嚴格控制城市建設用地規模，使得近5年來南寧市建設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用地占總用地類型的比重，在有效促進南寧市經濟發展的同時，堅定底線思維，尊重城市發展規律，在生態文明思想和總體國家安全觀指導下編制規劃的理念。

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來分析城市建設用地擴張的強度特征，分析南寧市城區的六個區的建設用地擴張的差異性，建設用地擴張強度指數表達式為：

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

表8 各時段南寧市城區建設用地總體擴張強度指數

表9 2005—2020年南寧市各城區建設用地擴張強度指數

2005年—2020年南寧市城區的六個區之間城市用地擴張存在著較為顯著的差異，其中擴張強度指數最大的為青秀區、江南區和良慶區，擴張強度指數分別為0.7、0.63和0.48；最低的為邕寧區，擴張強度指數僅為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和江南區的發展都離不開“整體向東，重點向南的”發展戰略，青秀區擴張速度如此之快主要得益于其區位優勢；其一，區域綜合交通樞紐南寧火車東站位于青秀區，可享受著“高鐵經濟圈”帶來的收益，地鐵一號線和三號線貫穿青秀區；同時青秀區是南寧的政治、經濟和旅游中心，帶來了更多發展機會。江南區的擴張速率為第二，江南區的交通路網發展成熟，加上地鐵二號線和四號線的開通使得江南區的交通更加便利；經開區的設立和沙井片區的開發也會帶動經濟的發展，從而帶來更多的就業機會，就業機會的增多帶來更多的人口，也帶動了江南區房地產行業的發展，同時政府也在重點推動沙井片區的安置房項目，使得很多房地產開發商在江南區尋找空間建設樓盤，房地產行業對土地的需求逐漸增加。便利的交通以及各項優勢促進了經濟的發展，經濟發展必然會加快城市化進程，使城市對基礎設施建設的要求逐漸提高，城市用地自然會擴張。

4 總結

社會經濟的發展，使得人類對土地的需求也逐漸發生變化，從而推動各地類之間相互轉換，土地利用結構得到不斷地調整，最終使得城市用地不斷增加，其他的地類相繼減少[20-22]。根據各年份統計年鑒數據計算出：南寧市城區人口密度由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年已發展到606.36 人/km2；由這些數據知，南寧市城區近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，經濟增長速度也很快；顯而易見，人口和經濟的增長跟建設用地的擴張趨勢是一致的，可知人口的增加和經濟的發展對城市用地的擴張有著推動的作用。

由南寧市2006年—2020年的城市規劃可知，在規劃期內南寧市的城區發展趨勢主要為：整體向東，重點向南發展。且由前面的分析結果可知，南寧市2005年—2020年的城市擴張方向為東部和南部，東部的青秀區和興寧區以及南部的良慶區、江南區建設用地擴張面積較大較為明顯。在“十四五”規劃中，也對南寧今后的城市發展做出了新的規劃，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之一，興寧區仍有著很大的發展空間。隨著南寧不斷地往東邊發展，交通往東延伸，興寧區逐漸形成以朝陽商貿中心為支點，沿南梧大道——昆侖大道向東北方向的發展趨勢，依托各種商貿功能區，產業集聚中心以及旅游資源等區位優勢，無疑是南寧城區發展趨勢中最具潛力的片區之一，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，南寧發展重心向南傾斜，在江南區逐漸形成了沙井、經開區等新片區，在政府的“三區一帶”發展規劃指引下，城市功能不斷完善，人口也不斷增加，南寧的城市發展處于噴發階段，未來江南區的城市用地還會不斷地向西向南擴張。西鄉塘區的城市改造與發展速度也越來越快，老城仍扮演著很重要的角色。高新區的設立促進經濟社會發展，老城區仍有著發展的潛力，城市用地也在不斷地向外擴張。依托南寧市“整體向東”的規劃，南寧市東部的青秀區已經取得了實質性的發展，形成了鳳嶺東、鳳嶺南新區等新興城區板塊，繁華的商業、豐富的旅游條件，便利的交通，青秀區的城市發展速度將會更快。邕寧區撤縣設區后，發展情況與其他五個區相比，稍微處于弱勢的地位，不過在近15年的時間里，邕寧區也進入了一個新的發展階段，隨著南寧市重點向南發展，邕寧區也迎來了新的發展機遇，城市用地也在不斷地擴張。自五象新區設立以來，良慶區整體面貌煥然一新，根據南寧市“重點開發落實五象新區”的政策指引，良慶區是今后南寧市發展的重點地區。由此建設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劃草案(2021—2035年)[Z]. 南寧: 南寧市自然資源局，2021.

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[5] 劉清，范城城，劉潤東，等. 近60年南寧市城區城市空間展遙感監測研究[J]. 廣西大學學報(自然科學版)，2019，44(6): 1573-1583.

[6] LOPEZ E, BOEEO G, MENDOZA M, et al. Predicting land-cover andland-use change in the urban fringe. A case in Morelia city[J]. Mexico Landscape and Urban Planning, 2001, 55: 271-285.

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

北部灣大學大學生創新創業訓練計劃項目（202011607137）；廣西社科基金項目“邊際分析視角下廣西城鎮化與國土空間生態修復耦合發展研究”（20CGL004）。

蘇曉潔（1999－），女，北部灣大學資源與環境學院學生，研究方向為城市擴張。

程秋華（1981－），女，北部灣大學資源與環境學院講師，碩士，從事基于3S 技術的北部灣經濟區人口、交通與經濟分布趨勢及耦合協調性研究。