东南亚港口城市土地利用变化分析

谷雨，闫敏，李通，张丽

(1.山东农业大学，山东 泰安 271018；2.中国科学院空天信息创新研究院 数字地球重点实验室，北京100094；3.海南省地球观测重点实验室，海南 三亚 572000；4.北京电子工程总体研究所，北京 100039)

0 引言

海岸带是指海洋与陆地交汇地带，包括以海岸线为基线向陆地侧延伸的滨海陆地与向海洋侧延伸的近岸海域，是人类赖以生存的重要资源区域[1]。据统计，全球一半以上的人口生活在沿海约60 km的范围内[2]。同时，海岸带区域又是生态脆弱区域，复杂生态组分和大规模经济建设，使其生态环境在敏感度、稳定性和抗干扰能力上都表现出了明显的脆弱性。由开发建设和生态保护的复杂博弈引发的海岸带生态问题已成为全球可持续发展研究和联合国可持续发展关注的热点[3-5]。

港口是海岸带区域经济发展的重要支柱，港口发展与其所依托的港口城市有着十分密切的关系，它不仅推动了城市经济的增长，还能带动工业、文化产业、基础设施等城市功能的发展[6]。东南亚地区的港口城市因发展较晚，缺乏有序管理与科学规划，因此,港口城市的土地利用变化具有无序扩张和发展不平衡的特点。受到海岸带地形、海岸线状况、近海环境等因素的限制，港口城市与内陆城市的发展模式有所区别，主要表现在港口城市空间扩张与海岸带的生态环境相互制约的过程上。海岸带区域土地资源稀缺，港城扩张过程中不合理的开发利用引起了海岸带侵蚀[7]、湿地退化[8]、近海水污染[9]等问题，亟需得到合理规划。

土地利用/覆被变化反映了土地利用的空间格局和各覆被类型之间的空间结构关系[10]，了解区域生态系统服务功能的整体状况，针对不同区域实施生态系统服务功能保护具有十分重要的意义[11]。港口城市地理位置特殊，位于海洋生态系统与陆地生态系统的交接处，具有独特的海岸带生态系统与土地利用分类体系[12]。现有研究多集中于城市土地利用/覆被变化及驱动力[13]、城市扩张形态和模式[14]、城市扩张模拟预测等。对于城市扩张的生态影响研究，多集中于城市植被变化[15]、热岛效应[16]、大气污染[17]等。在港口城市扩张生态环境效应研究方面，大多学者依然沿用内陆城市的研究方法，对于海岸带区域独特的湿地生态类型在港口城市扩张过程中的影响关注较少，有必要进行深入的挖掘。

本文利用1990—2015年共25年间4个时期的卫星时序数据，对东南亚区域的曼谷、雅加达、海防市3座港口城市的土地利用现状变化进行监测，分析城市化过程，研究其土地利用变化特征和变化规律。通过对东南亚重点港口城市土地利用变化以及生态影响进行差异分析及共性总结，分析城市发展对沿线自然资源保护与利用的影响，有助于推动海岸带地区自然资源的合理开发、高效利用、有效保护等工作，为沿线国家生态环境安全和可持续发展提供数据服务和科学决策支持。

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

本文从东南亚地区挑选了人口数量在100万以上的3个港口城市作为研究对象，包括2个首都城市曼谷、雅加达和一个直辖市海防市。东南亚地区气候温和，农业发达，是世界上粮食作物与热带经济作物重要的生产国与出口国[18]。东南亚海岸带区域的港口城市环境宜人，丰富的自然资源为城市发展提供了得天独厚的优势。

近20多年来，随着海岸带经济的高速发展，农业作物和经济作物大量出口的需求，促使了港口的建设与发展，港城扩张是近几十年东南亚和南亚城市发展最显著的特征之一，具有城市化起步晚、城市首位度畸高、发展不平衡等特点。曼谷是泰国首都，中南半岛最大的城市。20世纪50年代，曼谷城市化逐渐兴起，1990年以后，曼谷城市的扩张与发展进入了黄金时期[19]。曼谷城市容纳了泰国一半以上的城市人口，并在持续增加，截止到2015 年，曼谷城市人口达到927万人，相比于1990年增长了约57%[20-21]。雅加达，是印度尼西亚首都和最大城市，同时也是东南亚第一大城市，位于爪哇岛西北海岸，人口约1 000万[22]。在周边城镇包围下的大雅加达地区，居住超3 000万人，是世界第二大都市圈，也是印度尼西亚的经济中心。雅加达早于15世纪已是重要商港，今仍有多处大型综合市场和专业商场[23]。海防是越南的第三大城市，人口约190万。海防市是越南北方的直辖市，规模仅次于河内市和胡志明市，同时拥有越南北方最大的港口。

1.2 研究数据

研究采用Landsat卫星数据，包括Landsat-5 TM、Landsat-7 ETM+和Landsat-8 OLI影像(http：//glovis.usgs.gov)，主要用于提取港口城市的土地利用类型。共收集了1990—2015年4期相对高质量的(无云或低云覆盖率)影像，运用ENVI软件中相应模块对影像进行了几何和地形校正、辐射校正和大气校正。由于Landsat-7影像数据条带丢失，选择了基于局部直方图匹配算法的Landsat-7 ETM+影像条带修复ENVI补丁，对影像进行了修复。具体数据如表1所示。

表1 港口城市Landsat卫星影像信息表

辅助数据主要包括城市行政界线数据。城市行政界线数据来自于GADM 网站(www.gadm.org)。本文中研究区的范围以市级行政区划为基准进行参考。为研究需要，港口城市土地利用分类结果范围在城市行政边界的基础上增加了近海海域范围。

2 研究方法

本文基于地类光谱特征及纹理特征等，利用基于CART算法的决策树分类与人工干预后处理相结合的方法，开展了东南亚区域3个港口城市1990、2000、2010和2015年的遥感影像土地利用分类。分类体系参照联合国粮食及农业组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations,FAO)的土地利用分类系统[24]，并根据海岸带城市的特点以及本文对港口城市扩张生态影响分析的需求，将一级类型湿地分为红树林和养殖塘2个二级类型，形成本文的土地利用类型分类系统：农田、森林、草地、建设用地、水体、红树林、养殖塘和裸地。CART决策树分类的特征选择上综合了光谱特征、纹理特征以及植被、水体和建筑指数等多种特征，以提高遥感分类的精度。光谱特征采用了可见光、近红外和短波红外的特定波段。纹理特征是提取遥感图像主题信息过程中的重要因素，本文使用灰度共生矩阵来生成纹理特征[25]。

根据Landsat影像不同的波段组合按照均匀选样的原则，每个时期土地利用类型总共选取800个左右的训练样本。精度检验采用基于天地图的高分辨率遥感影像和逐点验证的方法进行。在分类结果范围内，每一时期随机选取若干样本区，计算分类混淆矩阵和 Kappa 系数，对土地利用结果进行精度检验，最后经过人工目视解译对局部进行修改以提高精度。

采用分类结果比较法对土地利用变化进行时序分析。运用ArcGIS软件，对1990、2000、2010和2015年4期分类结果进行空间分析和统计计算，得到各类型的面积和构成。对土地利用图进行空间叠加运算，得到不同时期之间的土地利用类型的转移矩阵，通过对分类结果的比较，确定变化区域和变化类型，进而分析土地利用变化过程。最后，采用单一土地利用类型转移分析方法，分析建设用地与水体、红树林、养殖塘3种土地利用类型的单向变化情况，探讨建设用地的变化方向。

3 结果与分析

3.1 港口城市扩张特征分布

曼谷、雅加达和海防市在1990、2000、2010、2015年4个时期的土地利用分类结果如图1所示，3个城市的总体分类精度都在85%以上，分类Kappa系数都在0.8以上，达到了研究要求(表2)。为了分析25年间港口城市扩张的特征及规律，本文以建设用地为着手点，以层层推进的方式探讨1990—2015年曼谷、雅加达和海防市城市土地利用演变。

表2 曼谷、雅加达和海防市土地利用分类精度验证表(1990、2000、2010和2015年)

图1 曼谷、雅加达和海防市1990—2015年土地利用分布图

从图1可以看出，3座港口城市在这25年间建设用地扩张明显，具有显著的共性和异性特点。3个城市的异性特点主要表现在扩张方式的不同，曼谷的城市建设用地比较集中，是典型的“摊大饼”式扩张，而城市周边的土地利用类型主要以农田为主；雅加达城市建设用地密度较高，城区扩展逐渐将周围的城镇合并，是典型的“大都会”城市发展模式，城市周围土地利用类型主要以森林为主；海防市城市建设用地范围相对较小且分散，以地形为依托呈现出“卫星城”的扩张模式，城市范围分散变化明显，沿海湿地土地利用类型面积较大。由于地理位置的不同，城市化起步的快慢，3个不同国家的港口城市建设用地扩张方式各不相同。

3个城市的土地利用结构变化上存在共性特点。通过定量分析，3个区域各土地利用类型变化趋势如图2所示。

图2 1990—2015年曼谷、雅加达和海防市各土地利用类型面积变化

1)土地利用类型之间存在明显的结构调整，主要表现为建设用地的增加以及农田和森林等生态用地类型的减少。从1990—2015年，曼谷建设用地面积由435.9 km2上升到1 189.1 km2，增加了21.2%；而同期农田则显著减少，面积从2 177.4 km2下降到了1 413.4 km2，所占比例从67.3%下降到了41.3%。1990—2015年，雅加达建设用地面积由524.9 km2上升到1 892.7 km2，增幅为18.3%；而同期森林则显著减少，面积从3 965.3 km2下降到了2 997.2 km2，所占比例从56.5%下降到了40.8%。1990—2015年，海防市建设用地面积由21.4 km2上升到346.2 km2，增加了13.2%；而同期农田则有所减少，面积从875.5 km2下降到了634.9 km2，所占比例从36.6%下降到了25.8%。

2)城市建设用地持续增加，城市化过程明显。曼谷从1990年到2015年建设用地面积增加753.1 km2，增长了1.7倍；雅加达从1990年到2015年建设用地面积增加了1 367.7 km2，增长了2.6倍；海防市从1990年到2015年建设用地面积增加了324.9 km2，增长了15倍。随着海岸带区域经济的发展和港口的快速兴建，起步较晚的港口城市具有很大的发展空间与潜力。

海岸带具有天然的湿地生态系统，红树林是比较珍贵的湿地类型，能够有效地防止水土流失，而养殖塘多分布在海岸带沿线及河口附近，也能产生较高的经济价值，养殖塘扩张会占用红树林湿地范围。曼谷在1990—2010年间监测不到红树林类型，2015年红树林面积增加了23 km2，这与泰国从2009年开始的“红树林再生项目”有关，而养殖塘面积总体呈减少趋势。雅加达红树林面积大量减少，1990—2010年从46.2 km2减少到8.4 km2，减少了81.9%，养殖塘面积基本不变。海防市在1990—2015年间红树林面积变化波动比较大，3个时期分别呈增—减—增的变化趋势，缺乏合理规划，养殖塘面积总体呈增长趋势，1990—2015年增长了82.5%。

3.2 土地利用时空变化分析

通过对研究区土地利用结果进行叠加运算得到不同时期之间的土地利用转移矩阵，以桑基图的形式展示，图3～图5分别为曼谷、雅加达和海防市土地利用类型转移的桑基图，它可以直观地表达各类土地利用之间相互转换的关系与数据。在城市化进程的影响下，港口城市土地利用变化的主要特点是农田或森林转变为建设用地，但是3座城市的土地利用变化特点各不相同。

图3 曼谷土地利用类型变化转移桑基图

图4 雅加达土地利用类型变化转移桑基图

图5 海防市土地利用类型变化转移桑基图

曼谷土地利用变化的特点为建设用地对农田类型的占用。1990—2000年，城市建设用地面积净增加435.9 km2，占该时期建设用地总增长的60.7%，农田转移到建设用地的面积为224.8 km2，占总增长的31.3%；2000—2010年，农田转移到建设用地的面积为431.2 km2，占建设用地增长面积的46.4%，这表明2010年曼谷城市建设用地面积有将近一半来自于农田土地类型；2010—2015年，农田转移到建设用地的面积占比有明显下降，只有18.2%，这时建设用地面积已经达到了1 189.1 km2，基本与农田面积持平。另外，农田向森林转移的土地面积一直保持增长的趋势，1990—2000年、2000—2010年、2010—2015年分别占森林总增长的29%、40.1%和43.9%。2015年，由农田转移过来的裸地面积为36.9 km2，破坏农田变为裸地，为各项建设提供土地，加快城市化。

雅加达土地利用变化的特征与曼谷有所不同。由于雅加达城市周围森林覆盖率高，森林与农田、森林与建设用地之间的转换相对明显。1990—2000年，森林转移到建设用地和农田的面积是363.7 km2和287.3 km2，占各自总增长的32.1%和39.8%；红树林和养殖塘转移到建设用地的面积分别为11.3 km2和23.6 km2，占各自总面积的24.5%和11.6%。2000—2010年，农田向建设用地和森林转移的面积有所增加，占农田总转出的22.4%和36.9%；森林转移到建设用地的面积为565.1 km2，比上一时期增长了35.6%。2010—2015年，雅加达土地利用变化相对稳定，主要表现为森林向建设用地和农田的转移，转移到建设用地的面积为550.2 km2，基本与上一时期持平。

海防市城市建设用地扩张迅猛，土地利用变化情况较为复杂。其中，农田、建设用地、水体、红树林、养殖塘和裸地都有不同程度的转移与变化。1990—2000年，农田转移到建设用地的面积是137.2 km2，占建设用地总转入的71.3%，具有绝对的主导地位。农田向养殖塘和裸地分别转移了93.8 km2和38.2 km2，占各自总转入的33.7%和32.8%，这说明海防市城市发展初期主要以侵占农田土地利用类型为主。另外，水体和红树林转移到养殖塘的面积分别为75.3 km2和13.1 km2，这也是2000年养殖塘面积激增的原因。2000—2010年，农田转移到建设用地的面积为109 km2，仍然是建设用地转入的主要来源，水体向养殖塘转移的面积下降到了22.7 km2，而养殖塘向农田、建设用地和水体分别转入了46.1 km2、12.9 km2和32.7 km2；裸地向农田和森林转入了37.8 km2和33.4 km2。2010—2015年，农田和裸地向建设用地转移了136.5 km2和20.4 km2，继续为城市扩张提供土地来源，水体和养殖塘转移到农田的面积分别为41 km2和50.6 km2，弥补了农田向建设用地的流失。

3.3 港口城市扩张对湿地用地的影响分析

港口城市扩张对生态用地的侵占不仅体现在农田和森林类型上，港口城市特有的红树林和养殖塘等湿地生态类型是内陆城市没有的，对于湿地生态及近海水环境的破坏值得深入探讨。本研究从建设用地向海扩张为方向，分析港口城市扩张过程中近海水面、红树林、养殖塘的变化。

曼谷港属于河港，且1990—2010年无红树林类型，本研究将雅加达和海防市2个海港城市的建设用地向海扩张方向进行变化分析。将建设用地矢量范围叠加在1990年Landsat遥感影像上，得到了港口城市建设用地向海扩张区位分布图。图6、图7展示了雅加达和海防市1990—2015年围填海造陆以及对沿岸湿地类型侵占的空间变化。

图6 1990—2015年雅加达建设用地向海扩张区位分布图(底图为雅加达1990年Landsat遥感影像)

图7 1990—2015年海防市建设用地向海扩张区位分布图(底图为海防市1990年Landsat遥感影像)

从图6中可以看出，雅加达在2010—2015年间围填海现象明显，东西海岸均有大面积的填海造陆范围。从图7中可以看出，海防市围填海方式与雅加达有所不同，建设用地在侵占红树林和养殖塘等湿地类型的基础上向外扩张围填海范围，其对生态环境的破坏较为严重。

为了获得建设用地向海扩张的具体方向和变化数量，采用单一土地利用类型的转移来分析建设用地与水体、红树林、养殖塘3种土地利用类型的变化，探讨建设用地的变化方向和数量(图8)，其中，转入面积表示3种地类向建设用地的转变，转出面积表示建设用地向3种地类的转变。

图8 雅加达和海防市各时期建设用地生态侵占类型及面积对比图

雅加达在1990—2000年间建设用地侵占红树林的面积为11.3 km2，随着沿岸红树林面积的急剧减少，后面2个时期占用面积有所下降，分别为2.6 km2和0.5 km2，雅加达城市扩张对红树林生态湿地的破坏比较严重。建设用地对养殖塘湿地的侵占也很明显，1990—2000年，侵占面积达到了23.6 km2，随后2个时期虽有所下降，但也是主要被侵占的类型。2010—2015年，建设用地向海扩展的面积为5.6 km2，是上一时期的2倍左右，说明雅加达存在大范围的围填海现象。

海防市在1990—2000年间建设用地侵占的地类主要是水体和养殖塘，面积分别为7.8 km2和5.1 km2，占总转入面积的58.5%和37.9%，红树林仅占3.6%。2000—2010年，水体和养殖塘仍然是建设用地的主要占用地类，但是侵占养殖塘的比例有所上升并超过了水体，达到了67.8%。2010—2015年，水体和养殖塘向建设用地转入的面积为6.1 km2和12.5 km2，分别占比30.7%和62.8%。海防市建设用地向海扩张的方向主要为近海水体和养殖塘，填海造陆活动最剧烈的时期在1990—2000年，对养殖塘侵占最严重的时期发生在2000—2010年。

围填海是港口城市比较普遍的造陆活动，但是向海扩张时如果没有合理的规划设计，势必会影响到当地的生态环境。合理规划建设用地扩张方向是未来港口城市实现可持续发展的重中之重。

4 结束语

本文以1990、2000、2010和2015年曼谷、雅加达和海防市Landsat遥感影像获取的土地利用分类结果为基础，总结了近25年来3座城市土地利用变化及建设用地扩张的时空特征。发现东南亚港口城市建设用地扩张明显，1990—2015年，曼谷建设用地面积增长了1.7倍，雅加达建设用地面积增长了2.6倍，海防市建设用地面积增长了15倍。3座港口城市建设用地扩张具有显著的共性和异性特点。曼谷的土地利用变化方向主要为建设用地向农田的侵占，2000—2010年，农田转移到建设用地的比例高达46.4%；雅加达土地利用变化方向主要为建设用地向森林的侵占；海防市土地利用变化的主要方向也是建设用地向农田的侵占。

雅加达和海防市建设用地向海扩张范围变化明显，同时建设用地侵占红树林和养殖塘生态湿地土地利用类型也是向海扩张的主要方式，尤其是对养殖塘地类的侵占比较明显。快速的城市化对港口城市的生态系统将造成不可挽回的破坏，围填海引起的海岸线变化，势必会带来海岸带侵蚀、湿地退化等问题。基于遥感手段监测城市发展状况，关注城市扩张过程中存在的问题，对合理规划建设用地扩张方向及实现港口城市可持续发展具有十分积极的研究意义。