, 白灵瑶, 王亚琴Impact analysis of port development on regional land use structure based on high resolution remote sensing data
LIJing, BAILingyao, WANGYaqin通讯作者:
收稿日期:2016-07-18
修回日期:2016-11-15
网络出版日期:2016-12-20
版权声明:2016《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部
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1 引言
港口作为重要的交通枢纽,在国民经济发展中发挥重要作用。改革开放以来,中国港口已经实现了跨越式发展[1]。近年来,国家提出的“一带一路”战略,将港口作为海上丝绸之路的重要节点[2],给港口建设带来新一轮的快速发展。但港口开发在带来巨大社会和经济效益的同时,也会对区域用地结构产生深刻影响,甚至带来一系列生态环境问题,如海岸带自然用地被大量蚕食、海洋环境受到污染或扰动等[3,4],因此港口开发对区域用地结构的影响值得引起广泛关注。利用遥感技术开展港口区域土地利用变化研究,由于研究区域较小,遥感数据源、区域土地利用分类体系和分析研究的尺度至关重要[5,6]。受高分辨率遥感数据源限制,以往的港口土地利用研究多以中低分辨率遥感数据为主,主要采用通用的林地、草地、耕地、水域、建设用地、未利用地等土地利用分类体系[7-12],如O.Enaruvbe等对尼日利亚东南部哈科特港区域土地利用变化开展了研究,将土地利用分为建筑用地、耕地、湿地、水体、林地等类型[7]。刘保晓等对天津港长时间序列土地利用时空格局进行了分析,将土地利用分为建设用地、草地、水田、水域、滩涂等[8]。这些研究可以反映出港口所在区域宏观土地利用结构变化,但由于无法将反映港口内部及区域发展特点的港口用地、工业用地、居住用地、交通用地等土地利用类型提取出来,难以支撑对港口开发造成的区域人地矛盾和内在规律的深入分析。
厦门港是中国东南沿海的主要港口和集装箱干线港,居全球第17位[13]。厦门港历史可追溯到宋代,1984年东渡新港正式投产,截止目前,港口拥有12个港区,并且多个港区还处在扩张和快速发展阶段[14]。本研究利用2004年和2014年高分辨率遥感影像,通过建立能够反映港口开发、建设及区域用地特点的土地利用遥感监测分类体系,对厦门不同类型、处于不同发展阶段的典型港区用地结构演变特征和规律进行了对比和分析,相关结论可为“一带一路”战略实施中港区用地开发建设规划、协调港城用地竞争矛盾提供决策依据。
2 研究区概况
厦门港位于海峡西岸、福建省南部厦门湾内,与台湾隔海相望。“一带一路”战略中提出支持福建建成21世纪海上丝绸之路的核心区,厦门也是重点建设的沿海城市港口之一[2]。自1980年设立厦门经济特区后,厦门港口建设首先围绕厦门岛西侧岸线展开,建设了东渡港区。20世纪90年代,在海沧投资区的促进下,九龙江口北岸的海沧港区和嵩屿港区开始建设,厦门港形成一湾两港共同发展的局面。2006年之前,厦门港拥有东渡、海沧、嵩屿、刘五店和客运港区,2006年和2010年,漳州港多个港区先后并入厦门港。本研究以厦门港东渡港区、海沧港区和嵩屿港区为研究对象,其中东渡港是一个老港,在研究时段之前主体建设已基本完成;而海沧港和嵩屿港是两个新港,研究时段正是港口大规模扩张阶段,到2014年港口主体建设才完成。在确定区域岸线的基础上,以港口海域边界向陆地4km做缓冲区作为研究区范围（图1）。研究区覆盖了东渡港所处的厦门岛的1/3,海沧港和嵩屿港区自海岸线向内延伸至大面积的自然山体,可以体现出港口用地开发对周边城市或区域土地利用结构的扰动。由于海沧港和嵩屿港均处于九龙江河口湾北岸,地理相连、功能相近,在分析时将两个港区合并。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1研究区位置及范围
-->Figure 1Location of the study area
-->
3 数据来源与研究方法
3.1 数据来源及预处理
2013年4月26日中国自主研制的“高分一号”卫星成功发射,这是高分辨率对地观测系统国家科技重大专项的首发星。“高分一号”卫星配置了2台2m分辨率全色/8m分辨率多光谱相机,4台16m分辨率多光谱宽幅相机,突破了高空间分辨率、多光谱与高时间分辨率结合的光学遥感技术、多载荷图像拼接融合技术、高精度高稳定度姿态控制技术等多项关键技术,对于推动中国卫星工程水平的提升,提高中国高分辨率数据自给率,具有重大战略意义。“高分一号”卫星的成功发射也为港口等区域小尺度土地利用结构的动态变化研究提供重要数据源,并将在新时期港口建设和土地资源配置、管理中发挥重要作用。本研究采用2014年高分一号卫星数据和2004年SPOT卫星遥感数据进行港区用地结构信息提取。通过数据处理,包括单波段提取、波段融合、投影变换、几何精校正等,形成了研究区2014年和2004年高空间分辨率的多光谱遥感影像。卫星遥感数据源基本情况见表1。
Table 1
表1
表1遥感数据源基本情况
Table 1Basic information of the remote sensing data
| 卫星数据 | 成像时间 | 原始分辨率 | 最终分辨率 |
|---|---|---|---|
| 高分一号 | 2014.01.06 | 2m（全色）,8m（多光谱） | 2m（融合） |
| SPOT | 2004.01.25 | 2.5m（全色）,10m（多光谱） | 2.5m（融合） |
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3.2 港区土地利用分类体系构建
建立一个可靠的、能够反映港口开发、建设及区域用地特点的土地利用分类系统是开展港口区域用地结构变化研究的前提和关键。土地利用研究涉及不同的时间尺度与空间尺度,尺度依赖性现象客观存在,同一区域的土地利用结构在不同分辨率遥感影像上会呈现出不同的客观变化[15]。在基于中、低分辨率的遥感影像开展的土地利用研究中,港口、临港工业、交通、居住等用地往往是被解译为单一类型图斑,无法被一一提取出来,给分析这些类型的演变带来了限制。本文参照中国多个土地利用/覆盖遥感分类系统和2007年正式颁布的《土地利用现状分类》国家标准（GB/T21010-2007）[16-18],构建了基于高分辨率卫星数据的港口区土地利用分类体系（表2）。同时鉴于港口用地、工业用地等是区域土地利用变化的核心类型,进一步对这些用地类型进行了三级类划分。
Table 2
表2
表2港口土地利用分类体系
Table 2Land use classification system in port area
| 一级类 | 二级类 | 三级类 | 划分依据 |
|---|---|---|---|
| 林地 | - | - | 指生长乔木、灌木及红树林地等林业用地 |
| 草地 | - | - | 指以生长草本植物为主,覆盖度在5%以上的各类草地 |
| 耕地 | - | - | 指种植农作物的土地 |
| 水域湿地 | 河流 | - | 陆地河流、狭长水带 |
| 湖泊 | - | 相对封闭可蓄水池 | |
| 滩涂 | - | 指海河湖边淤积成的平地 | |
| 盐田/养殖 | - | 晒盐和养殖水产品的场所 | |
| 建筑用地 | 城镇居民点 | - | 镇建制以上城镇及配套设施 |
| 农村居民点 | - | 居民以农业为主的聚落 | |
| 工业用地 | 工厂用地 | 面积规模相对小的工业用地 | |
| 工业园区 | 面积规模相对大、连片的工业用地 | ||
| 矿区 | 采矿厂及配套设施 | ||
| 旅游用地 | - | 旅游、游乐场所及配套设施 | |
| 交通用地 | 公路 | - | 道路交通运输线 |
| 铁路 | - | 货运或客运铁路用地 | |
| 港口用地 | 码头堆场 | 港口码头和露天堆放货物的平地 | |
| 在建码头 | 正在建设的码头、堆场 | ||
| 仓库 | 港区存放货物的封闭式建筑 | ||
| 锚地 | 进港航道、港池 | ||
| 航空用地 | - | 机场及附属设施 | |
| 裸露地 | 裸土 | - | 裸露土地 |
| 开发建设用地 | - | 正在开发建设的裸露地 | |
| 城市绿地 | - | - | 城市绿地、绿化带等 |
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3.3 遥感监测与分析方法
基于对象的遥感解译方法因其能很好的去除高分辨率影像中大量的噪声,提高分类精度和效率而得到广泛的应用[19,20]。本研究采用基于对象的分类方法对2014年2m分辨率的高分一号卫星数据开展遥感解译,并对分类结果进行精度验证和人工修正。同时,将2014年的土地利用分类结果与2004年SPOT影像进行套合,以图斑作为分析对象,经过特征提取、更新和变化情况判别,完成变化检测,得到研究区域2004年土地利用图。2004年、2014年研究区土地利用情况如图2所示。两个年份土地利用分类结果分别通过实地采样和和高分二号更高分辨率遥感图像采样,建立样本库和混淆矩阵进行精度检验,分类精度均达到了95%以上。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图22004年、2014年厦门港典型港口及周边区域土地利用
-->Figure 2Land use of the study area in 2004 and 2014
-->
为研究港口建设对区域土地利用结构变化的影响,采用土地利用动态度、转移矩阵等变化分析模型,深入分析港区各用地类型的变化程度、相互转化规律和成因。同时,研究注重对东渡和海沧、嵩屿港口区域用地结构演变的对比分析,通过对不同发展阶段港口土地利用变化特点的对比,总结港口开发建设对区域用地结构影响的阶段性规律。其技术流程见图3。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3技术流程
-->Figure 3Flow chart of the method
-->
4 结果及分析
4.1 2014年港口区域土地利用现状
2014年港口土地利用类型面积统计见表3。可以看出,2014年研究区占比前4位的土地利用类型是工业用地、城镇居民点、林地和港口用地,分别占港口研究区域总面积的23.85%、21.26%、14.32%和12.31%。进一步分析2014年东渡港区和海沧、嵩屿港区土地利用类型构成,发现两个区域显著不同,表现在东渡港城镇居民点占比远高于海沧和嵩屿港,但工业用地、农村居民点和耕地占比却远小于海沧和嵩屿港（图4）。两个区域土地利用类型结构的不同反映出在港口发展不同阶段,区域土地利用结构呈现出不同的特点。Table 3
表3
表32014年厦门典型港区土地利用类型（二级类）面积及比例
Table 3Areas and proportions of land use types in typical ports of Xiamen in 2014 （hm2,%）
| 地类 | 面积 | 比例 | 地类 | 面积 | 比例 |
|---|---|---|---|---|---|
| 林地 | 1 882.47 | 14.32 | 旅游用地 | 28.77 | 0.22 |
| 草地 | 19.66 | 0.15 | 公路 | 641.70 | 4.88 |
| 耕地 | 634.66 | 4.83 | 铁路 | 26.73 | 0.20 |
| 河流 | 83.30 | 0.63 | 港口用地 | 1 618.44 | 12.31 |
| 湖泊 | 405.40 | 3.08 | 航空用地 | 69.69 | 0.53 |
| 滩涂 盐田/养殖 | 108.09 151.94 | 0.82 1.16 | 裸土 | 237.73 34.87 | 1.81 0.27 |
| 开发建设用地 | |||||
| 城镇居民点 | 2 793.99 | 21.26 | 绿地 | 465.32 | 3.54 |
| 农村居民点 | 805.19 | 6.13 | 总计 | 13 142.83 | 100 |
| 工业用地 | 3 134.88 | 23.85 |
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图42014年东渡和海沧嵩屿港区土地利用结构对比
-->Figure 4Compare of land use proportion in Dongdu and Haicang,Songyu in 2014
-->
两个区域港口用地和工业用地内部结构上也有所差别,其中：在工业用地内部结构上,东渡港作为厦门港最为成熟的港区,与海沧港和嵩屿港区相比,其工业用地以工业园区的形式集中分布的特点更为突出;在港口用地内部结构上,码头堆场均是两个区域港口用地的主要类型,两者的主要区别在于在海沧和嵩屿区,仍有7.85%为在建港口用地,说明海沧港和嵩屿港还处于开发建设过程中。海沧和嵩屿港区码头堆场和锚地的比例小于东渡港,但仓库的比例高于东渡港。
4.2 2004-2014年港口区域用地结构演变
4.2.1 港口区域用地扩展分析2004-2014年,研究区域港口用地从1030.2 hm2,增长到1618.4hm2。其中,东渡港、海沧和嵩屿港口面积扩展面积分别为142.6hm2和445.6hm2。从图5可以看出,2004年两个港区均还处于开发建设中,东渡港口用地面积中23.0%为在建港口,海沧和嵩屿港口用地中43.87%为在建港口;到2014年,东渡港已完成开发,当年无在建港口用地;海沧和嵩屿港仍有64.2hm2的在建港口,说明港口建设仍处于扩张阶段。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图52004-2014年研究区港口用地类型对比
-->Figure 5The port land expansion process comparison of port land use types from 2004 to 2014
-->
4.2.2 区域用地结构变化分析
从土地利用类型数量变化上看,2004-2014年,耕地、林地、近岸海域、滩涂等类型面积大量减少,分别减少1058.9hm2、418.7hm2、361.6hm2和241.0hm2。其中,耕地、近岸海域减少主要分布在海沧、嵩屿港,林地、滩涂在两个区域减少量相差不大。工业用地、城镇居民点和港口用地大面积增加,分别增加1968.0hm2、728.7hm2和588.2hm2,其中工业用地和港口用地增加以海沧、嵩屿港为主,分别占81.0%和78.8%;58.8%的城镇居民点增加分布在东渡港区,41.2%分布在海沧、嵩屿港区。
表4是两个区域主要土地利用类型动态度和综合土地利用动态度,与土地利用类型数量变化结合,2004-2014年两个区域土地利用变化特点主要表现为：东渡港耕地和农村居民点几近消失,滩涂和近岸海域被大量占用,工业用地、港口用地和城镇居民点增加;海沧、嵩屿港港口用地扩张迅速,同时工业用地、城镇居民点用地大幅增加,滩涂和近岸海域被大量占用。2004-2014年东渡港综合土地利用动态度为1.73,海沧、嵩屿港为3.56,说明这一时间段海沧和嵩屿港口开发对区域土地利用的干扰远大于东渡港。
Table 4
表4
表42004-2014年厦门典型港区主要土地利用类型动态度
Table 4Dynamic index of main land use types from 2004 to 2014
| 地类 | 动态度 | |
|---|---|---|
| 东渡 | 海沧、嵩屿港 | |
| 林地 | -2.12 | -1.63 |
| 耕地 | -9.30 | -6.13 |
| 河流、近岸海域 | -8.17 | -8.06 |
| 滩涂 | -7.64 | -6.08 |
| 城镇居民点 | 2.19 | 27.13 |
| 农村居民点 | -4.89 | -0.53 |
| 工业用地 | 6.48 | 27.04 |
| 公路 | 2.56 | 5.48 |
| 港口用地 | 1.84 | 13.09 |
| 开发建设用地 | -10 | -9.14 |
| 综合动态度 | 1.73 | 3.56 |
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4.2.3 港区用地结构演变过程分析
深入分析研究区2004-2014年土地利用类型转移矩阵。可以得出,厦门港典型港区土地利用类型转化的主要规律表现在区域耕地、林地、滩涂、海域等用地类型向工业用地、港口用地、城镇居民点、交通用地等用地类型转换。其中耕地、林地是工业用地和城镇居民点用地扩张的主要来源,港口用地的增加则主要通过占用滩涂和海域的方式进行。
（1）耕地是减少最多的土地利用类型。10年间东渡港耕地减少58.7hm2,占2004年耕地面积的93.0%,耕地几近消失,其中44.7%转化为城镇居民点用地,32.7%转化为工业用地;海沧和嵩屿港耕地减少1000.2 hm2,占2004年耕地面积的61.3%,其中55.7%转化为工业用地、9.0%转化为城镇居民点用地。
（2）林地10年间呈减少趋势,但城市绿地有所增加。东渡港区和海沧、嵩屿港区林地分别减少190.1hm2和228.6 hm2,占2004年两个区域林地面积的21.2%和16.3%,其中转化为工业用地的比例均超过40%,转化为城镇居民点用地的比例,东渡港区为29.2%,约为海沧和嵩屿港的2倍。
（3）港口和城市发展导致区域滩涂大量萎缩,同时填海造地面积大。2004-2014年,区域建设占用滩涂面积为194.8hm2,占2004年滩涂面积的55.8%,其中77.9%被开发为港口用地和工业用地,分别占41.0%和36.9%;区域围海造地面积为305.8 hm2,其中94.0%用于港口建设。在空间上,53.1%的滩涂占用发生在东渡港区域,80.5%的填海造地发生在海沧和嵩屿港区域。
4.3 港区用地结构演变主要成因分析
港口运输是区域综合运输体系的重要组成部分,是社会经济发展的基础性、先导性产业和重要服务行业,港口运输业的发展需求不仅导致港口用地的扩展,同时还通过影响区域产业布局等经济和贸易发展,改变区域土地利用结构。结合厦门3个港口区域土地利用类型转化特征,可以得出港口运输业发展和城市化是研究区土地利用演变的主要成因,如图6所示。在两大核心驱动因素的作用下,区域土地利用变化剧烈。整体上,港口区域土地利用变化表现为港口、临港工业、城镇等用地类型增长迅速,耕地、林地、滩涂、海域等用地类型被大量占用。其中,港口运输业发展对港口用地、临港工业的增长是直接驱动力,对城镇居民点和交通用地的增长则起到间接驱动的作用;城市化进程对城镇居民点和交通用地的增长是直接驱动力,对港口用地和临港工业的变化无明显驱动。同时,港口用地和临港工业的快速增长是滩涂占用和围海造地的主因,耕地和林地的大量减少则受到两方面因素的共同影响。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图6典型港区及周边区域土地利用演变机制
-->Figure 6Mechanism of land use change in the three typical ports and their surrounding area
-->
就东渡和海沧、嵩屿三个典型港口而言,2004-2014年区域土地利用演变成因不同。其中,东渡港是以集装箱运输为主,专注于发展国际邮轮、对台客运和高端航运服务业,且位于厦门本岛,其土地利用变化受城市化和港口运输业发展两大核心驱动力的共同作用;2014年东渡港无在建港口用地,港口已发展成熟,同时城镇用地已是其所在区域主导的土地利用类型,说明其城市化过程也已基本完成。海沧和嵩屿港以集装箱干线运输为主,兼顾石油化工和煤炭等散货运输,港口运输业发展是港口及周边区域土地利用演变最主要的驱动力,表现为临港工业和港口用地是区域的主导土地利用类型,2014年仍有港口处于开发建设中,并且农村居民点面积仍大于城镇居民点面积,区域的城市化过程还远没有完成。
5 结论与讨论
基于国产高分一号卫星等高分辨率遥感数据,构建了能够反映港口区域开发及用地特点的土地利用遥感分类体系,利用该分类体系可以将中低分辨率影像上无法有效识别的港口用地、工业用地、居住用地等提取出来,从而能够详细反映港口开发给区域用地结构和生态环境带来的影响;在此基础上,通过深入分析各土地利用类型的变化程度、相互转化规律和成因,可将港口在快速扩张过程中,对区域工业化、城市化进程影响的内在规律反映出来,为港口及其所在城市的可持续发展提供决策依据。对厦门典型港区的案例研究表明,港口区域土地利用演变的共性在于,港口扩张带动区域港口用地、工业用地、城镇居住用地、交通用地等大量增加,同时导致耕地、林地、滩涂、海域等自然、半自然用地的大量减少。处于不同发展阶段的港口,区域土地利用结构演变特征也有所差异,表现为：
（1）对于已发展较为成熟的东渡港,城镇用地逐步成为区域主导的土地利用类型,港口和城市的快速发展导致区域耕地和农村居民点几近消失,港口发展、工业发展和城镇发展均对土地资源需求旺盛,因此港城用地矛盾是区域发展中需要特别关注的问题。
（2）对于处于高速扩张期的海沧和嵩屿港,其所在区域港口用地快速扩张,带动临港工业用地和交通用地等大幅增长,但区域由农村聚落向城市聚落演化的城市化过程相对滞后,与港口和工业的快速发展不相适应,易产生生态环境恶化、土地低效利用等问题,应加强港口开发对区域生态环境扰动的监测,并完善城市基础设施的建设与管理。
本文是利用高分辨率遥感数据,针对不同发展时期的港口,开展区域详细土地利用演变规律研究的有益尝试,得到的结论对其他待开发或正在开发的港口具有一定借鉴意义。国产高分一号卫星具有高分辨率和宽幅成像能力,重访周期小于4天,可为中国港口及海岸带等区域尺度土地利用变化研究提供很好的数据源。把基于高分辨率数据得到的港口区域详细土地利用数据,与区域产业、经济发展,以及人口迁移等因素结合,将有更加广阔的研究与应用前景。
The authors have declared that no competing interests exist.
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