1. 引言
土地是人类赖以生存最重要的资源，是人类社会经济发展和创造文明的载体，人类发展的历史就是不断对土地加以开发利用和改造的历史[1]。自改革开发以来，我国各城市城镇化进程的大大加速，人口数增长迅猛，经济发展得到大幅度提升，人地关系发生了显著变化的同时，也引发了环境恶化、土地资源紧张等一系列环境难题。在这种大环境下，区域经济的发展与土地利用研究受到各界的关注与重视，不少研究数据都表示，土地利用结构的变化与区域经济紧密相关，二者相辅相成，相互牵制。
我国对土地利用变化的研究起步相对较晚但已日渐成熟。我国土地经济学家周诚、毕宝德创立了土地经济学体系，并就土地利用与区域经济发展进行了深入探究与阐述分析[2]。张超正等利用最小二乘模型和空间误差模型等识别了长江中游地区土地利用变化的社会经济驱动因素[3]。古海玲等利用卫星遥感数据与社会调查数据，分析了舟山群岛各土地利用类型与各区域经济指标之间的相关性，优选敏感因子，构建了区域经济发展模型[4]。管子隆等选取土地利用变化利用相对变化率、净变化速度等指标分析了西咸新区成立前后的土地利用变化特征并研究了其与社会经济发展的关系[5]。和伟康利用多时相遥感影像、土地利用现状调查、统计年鉴等多源数据，解析了共同演化视角下江苏省城镇化与产业结构演变特征及交互关系[6]。
沈阳市作为辽宁省的省会城市，是东北重要经济、交通中心与老工业基地，随着改革开放以来，城市扩展迅速，经济发展速度更是有目共睹，利用RS与GIS技术对沈阳市土地利用与区域经济进行研究，探究沈阳市土地利用结构变化特征与动力机制，探讨其与区域经济的关系，对合理调节沈阳市土地利用方式与促进沈阳市社会经济可持续发展有着重要意义。
2. 材料与方法
2.1. 研究区概况
沈阳市为辽宁省省会城市，地处在122˚25'~123˚48'E、41˚11'~43˚02'N (图1)。于辽宁省中部，含9区、1县级市、3县，占地面积12980平方公里，地形以平原为主，山地、丘陵集中于东南部。沈阳市作为东北地区最大的中心城市，截止2020年，常住人口已达762.2万人，其中市人口约620万人。国内经济生产总值达6571.6亿元，其中第一产业303亿元、第二产业2160亿元、第三产业4107.6亿元，以第三产业为主导产业类型，城市居民人均收入达4.7万元，是东北地区经济发展中心。
Figure 1. Schematic location of the study area
图1. 研究区位置示意图
2.2. 数据来源
本文采用多光谱波段空间分辨率为30 m的沈阳市2000年、2010年landsat4-5 TM影像、2020年landsat8 OLI影像为数据源，来源于地理空间数据云平台。统计数据来源于辽宁省多年统计年鉴。
2.3. 研究方法
2.3.1. 图像预处理
本文下载采用的Landsat8数据已完成相关几何校正，消除了几何畸变，故直接利用ENVI5.3软件对遥感影像进行辐射定标与大气校正操作，接着对校正后的数据影像进行图像波段融合操作，以获得15m的高分辨率遥感影像。最后利用Arcgis通过沈阳市行政区划线对其进行图像裁剪操作，得到所需要的沈阳市的遥感影像文件。
2.3.2. 监督分类
利用监督分类，可选择具有代表性的实验区，进行计算建立判别函数达到自动识别，其能够充分利用已有的经验知识，反复检验样本数据，大大提高分类精度，减少误差[7]。本文利用该方法，利用ENVI中最大似然分类法进行土地分类操作。将研究区土地类型分为农业用地、水域、建设用地以及未利用地四类。
3. 沈阳市建成区空间扩展与区域经济发展的分析
3.1. 沈阳市建成区空间扩张分析
沈阳市20年间城市扩张显著(图2)。2000年沈阳市城镇面积为217平方千米、2010年城镇面积为399平方千米，2000年至2010年10年间增长182平方千米，以每年18.2平方千米的速率进行扩张。2020年城镇面积达到567平方千米，2010年至2020年10年间增长了168平方千米，以每年16.8平方千米的速率进行扩张，城镇化速率不断加快。
Figure 2. Expansion of the urban fringe of Shenyang over the past 20 years
图2. 沈阳市近20年间城市边缘扩张图
3.2. 沈阳市建成区空间扩展与区域经济发展的关系
经济发展是城市用地规模扩展的动力和重要物质保障[8]，是影响土地利用的最为活跃的重要驱动力。社会经济作为衡量城市扩张的重要指标之一，从根本上影响着城市规模的扩张，城镇规模的不断增长又是经济发展的最直接表现。近20年沈阳市生产总值大大增加，2000年沈阳市GDP值为1116亿元，2020年上涨至6570亿元，前十年增长3901亿元，平均每年增长390.1亿元，后十年增加1553亿元，平均每年增长155亿元，统共增加了4454亿元，可见沈阳市的经济速度之迅猛，而城市区域的扩展便是经济高速增长的重要体现。
人是生产力的首要因素，人口数量、结构、移动与城市地域扩展的关系相当密切[8]。城市用地是人类居住、活动的地点，人口增加必然导致城市用地规模的变化，人口的发展是近20年来城市建设用地扩展的最直接影响因素。对2000年、2010年、2020年市区人口数据的采集分析，沈阳市近20年城市化进程大大加快，经济、教育等优势吸引了大量外来人员迁入，而随着人口增长，人们对城市职能的需求也就越大，导致住宅、医疗等配置设施紧张，城市功能越趋近完善，从而导致沈阳市建成区土地面积也随之逐步增长。伴随着沈阳市市区人口的平稳增长，城市用地面积随之同向增长，表明人口的变化与城市地域用地具有正向关系，即人口的增长会致使城市用地的扩张，但表现上并不显著。
4. 沈阳市土地利用结构变化与区域经济驱动力分析
4.1. 沈阳市土地利用结构变化
对2000、2020年土地利用的矢量数据文件进行空间叠加操作，对叠加后的属性表进行计算几何操作，可得到各种土地类型之间转化的面积，将属性表导出至Excel建立沈阳市2000~2020年土地利用类型转移矩阵。据表1可知，2000~2020年间，沈阳市的土地利用类型转化主要发生在农田与建设用地之间，共有883平方千米的农田转变成建设用地，土地利用转换面积最大。
Table 1. Transfer matrix of land use types, 2000~2020 (Unit: km2)
表1. 2000~2020年土地利用类型转移矩阵(单位：km2)
求项：面积 |
2000年名称 |
|
|
|
|
2020年名称 |
建设用地 |
农业用地 |
水域 |
未利用地 |
总计 |
建设用地 |
1078 |
883 |
7 |
9 |
1976 |
农业用地 |
321 |
9507 |
118 |
98 |
10,043 |
水域 |
7 |
168 |
236 |
52 |
464 |
未利用地 |
4 |
122 |
209 |
47 |
382 |
总计 |
1410 |
10,681 |
569 |
206 |
12,865 |
通过观察沈阳市3年土地利用变化表以及转移矩阵(表2)可以看出：2000~2020年沈阳市土地利用结构变化的总趋势为：建设用地和未利用地逐渐增加，农业用地、水域面积相对下降。建设用地增长面积最多，总增加了566平方千米，由1410平方千米达到1976平方千米。农田的面积明显下降且变化迅速，统共降低了637平方千米。
Table 2. Changes in land use in Shenyang, 2000~2010~2020 (Unit: km2)
表2. 2000年~2010年~2020年沈阳市土地利用变化表(单位：km2)
年份 |
2000年 |
2010年 |
2020年 |
变化面积2000~2010 |
变化面积2010~2020 |
变化总面积 |
建设用地 |
1410 |
1701 |
1976 |
291 |
275 |
566 |
水域 |
569 |
638 |
464 |
69 |
−174 |
−105 |
农业用地 |
10,680 |
10,379 |
10,043 |
−301 |
−336 |
−637 |
未利用地 |
206 |
147 |
382 |
−59 |
235 |
176 |
合计 |
12,865 |
12,865 |
12,865 |
- |
- |
- |
4.2. 沈阳市土地利用结构变化的区域经济驱动力
4.2.1. 经济增长
Figure 3. Shenyang’s GDP over 20 years
图3. 沈阳市20年间国内生产总值走势图
经济增长是影响土地利用最为活跃的重要驱动因子，它通过制约土地资源的重新分配从而决定土地利用的结构、变化的方向的同时，区域内土地利用结构的变化又不断牵制着该地区经济的发展。沈阳市近20年沈阳市生产总值大大增加(图3)，2000年到2020年上涨至5454亿元，前十年增长3901亿元，增长率为77%，后十年增加1553亿元，增长率为23%，人均国内生产总值达到7.29万元。随着沈阳市区域经济的不断发展，加速了土地资源开发，到2010年沈阳市土地利用率达到92.75%，2020年土地利用率达到94.5%，使土地利用面积大大增加。沈阳市土地利用结构中农业面积的减少与建筑用地的不断增高，三产业结构比例的调整中第一产业比例下降，第二、第三产业比例的升高与之对应。
4.2.2. 产业结构的调整
产业结构的总体布局一定程度上与土地利用结构相适应。2000年到2020年20年间，从沈阳市经济总值来看(表3)，沈阳市市内的GDP从1116亿元增加到2020年的6570亿元。从沈阳市的产业结构看，2000年第一、第二、第三产业的比值是6.4:44.3:49.3，2010年为1.8:55.1:43.1，2020年沈阳市三产业比为4.6:32.9:62.5。可见第三产业比重不断增大，且始终占比巨大，在沈阳市产业结构中占主要地位。
2010年沈阳市第一、二、三产业的比重为6.4%、44.3%、49.3% (图4)。2010年产业比重为1.8%、55.1%、43.1%。2020年产业比重为4.6%、32.9%、62.5%。第一产业先降后升，但变化幅度较小，占比不大；第二产业先升后降，由2010年55.1%下降至32.9%；第三产业自43.1%到2020年上升了19.2%，沈阳市第三产业已然成为产业结构中的最主要产业，产业结构转变为三二一型。与之相对应的沈阳市农业用地自2000年10680 km2到2020年10043 km2，总面积下降637 km2；而建筑用地自2000年1410 km2到2020年1976 km2，总面积增长566 km2，总体趋势呈现为农田面积下降，建设用地持续增加。
Table 3. Changes in the industrial structure of Shenyang
表3. 沈阳市产业结构变化情况表
|
沈阳市国内生产总值(亿元) |
第一产业 |
第二产业 |
第三产业 |
产业结构比值 |
2000年 |
1116 |
71 |
494.9 |
550.2 |
6.4:44.3:49.3 |
2010年 |
5017 |
232.4 |
2542.4 |
2242.2 |
1.8:55.1:43.1 |
2020年 |
6570 |
303.6 |
2160.4 |
4107.6 |
4.6:32.9:62.5 |
Figure 4. Histogram of industrial structure in Shenyang
图4. 沈阳市产业结构直方图
4.2.3. 人口发展
人口的增加致使居住设施与面积的紧张，从而扩大城市用地的规模，与此同时降低农业用地的面积，开发未利用地，从而致使土地利用结构发生改变。通过表4显示：沈阳市2000年人口720.4万人，2010年810.6万人，2020年上涨至907.3万人，而农业用地中耕地的面积却逐年下降，于2000年941.8千公顷，下降到2020年882.7千公顷，减少59.1千公顷，人口的增加造成了农业用地的压力，使农田的整体面积不断转化成其他城镇建设类型。建筑用地的增加由2000年140.9千公顷，上升至2020年197.6千公顷，增加了56.4千公顷，人口增加使得城市居住面积的需求增大。伴随着沈阳市市区人口的平稳增长，耕地面积下降，而城市用地面积随之同向增长，表明人口的变化与农业用地呈负相关，而与城市地域用地具有正向关系，即人口的增长会致使土地利用结构的变化。
Table 4. Land use area, population and GDP of Shenyang City
表4. 沈阳市土地利用面积、人口、GDP情况表
|
建设用地面积(千公顷) |
总人口(万人) |
沈阳市GDP(亿元) |
耕地面积(千公顷) |
2000年 |
140.9 |
720.4 |
1116 |
941.8 |
2010年 |
173.3 |
810.6 |
5017 |
901.2 |
2020年 |
197.6 |
907.3 |
6570 |
882.7 |
增长/减少值2000~2010 |
32.8 |
90.2 |
3901 |
40.6 |
增长/减少值2000~2020 |
56.7 |
176.9 |
5454 |
59.1 |
增长/减少率2000~2010 |
18.90% |
11.20% |
77.70% |
4.30% |
增长/减少率2000~2020 |
28.60% |
19.40% |
83% |
6.20% |
5. 结论
本文以沈阳市作为研究区，利用GIS与RS技术相结合，使用沈阳市2000、2010年landsat4-5 TM影像、2020年landsat8 OLI数据影像为基础，处理得到土地利用转移矩阵、沈阳市建成区面积变化图等相关数据，结合相关区域经济统计资料，探究土地利用与区域经济的相互关系，分析结果表明：
(1) 沈阳市城镇化速度加快，沈阳市2000~2020年间建成区面积变化速度前10年为18.2 km2，后10年为16.8 km2，城市面积扩展迅速。
(2) 沈阳市土地利用变化总趋势：沈阳市农业用地面积与比重下降明显，城市建筑用地面积逐渐增加，以农业用地向建筑用地转化最为显著。
(3) 经济增长、产业结构调整与人口的增长等相关区域经济因子是沈阳市城市扩展与土地利用结构变化的重要影响因素，土地利用也制约着其区域经济的发展。