基于“三生空間”的滇中城市群土地利用空間結(jié)構(gòu)多尺度分析

陳仙春, 趙俊三, 陳國平

(1.昆明理工大學 國土資源工程學院, 昆明 650093; 2.昆明冶金高等?？茖W校 測繪學院, 昆明 650033)

近年來，隨著城市化進程不斷加快,人地矛盾越來越突出，人們對國土空間優(yōu)化研究的需求變得更加迫切。目前，基于“三生空間”的優(yōu)化研究不斷涌現(xiàn)：楊可清等[1]以長江三角洲地區(qū)的“三生空間”土地利用主導功能分類為基礎，采用定量分析的方法，對該區(qū)域的土地利用轉(zhuǎn)型、時空格局和生態(tài)環(huán)境效應進行分析，得出生態(tài)環(huán)境變化與三生用地占比之間的關系；柳冬青等[2]以流域為基礎，從“三生空間”視角，構(gòu)建了生產(chǎn)、生活適宜且生態(tài)重要的三生空間功能評價體系，揭示了甘肅白龍流域的三生空間功能格局分布及其研究時段的變化特征；劉繼來等[3]人以三生空間的內(nèi)涵與理論為基礎，對土地利用功能與類型之間的辯證關系進行分析，構(gòu)建了以主體功能為導向的三生空間分類與評價體系，揭示了研究時段中國“三生空間”的分布格局及其時空變化特征；黨麗娟等[4]通過對土地利用類型進行功能歸類，提出復合型的三生空間功能劃分方案，并從定量和結(jié)構(gòu)圖示兩個方面揭示研究區(qū)的三生空間功能變化及空間分異特征；張紅旗等[5]以三生功能為基礎，通過先分區(qū)再分類的方法，得出各功能類型的分布范圍及各類型占國土面積的比例；李廣東等[6]從土地功能、生態(tài)系統(tǒng)服務和景觀功能綜合的視角，以縱橫比對比的方法確定主導功能類型，構(gòu)建了城市生態(tài)—生產(chǎn)—生活空間功能分類體系；朱媛媛等[7]運用GIS，RS和數(shù)理統(tǒng)計等現(xiàn)代技術方法，定量劃定“三生”的空間范圍；于辰等[8]基于土地整治與“三生空間”功能重構(gòu)的關系，對農(nóng)村“三生空間”的演化機制進行分析，并對土地整治模式進行新的劃分，提出全面反映二者關系的指標體系。以往的研究大多是基于三生空間分類的基礎上進行單一尺度的定量或定性的研究，且研究區(qū)多以平原地區(qū)為主，地形較為單一，針對西南地區(qū)以城市群為基礎進行多尺度國土空間功能結(jié)構(gòu)差異的研究涉及較少。基于此，本文以云南省第二次全國土地利用調(diào)查分類數(shù)據(jù)為基礎進行重新歸類，得到以主體功能為導向的拓展“三生空間”土地利用功能劃分方案。以此劃分方案為基礎，通過不同的計量模型和GIS空間分析的方法對滇中城市群的“三生空間”功能結(jié)構(gòu)特征進行多尺度分析。這對優(yōu)化滇中城市群國土空間功能具有重要意義。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

滇中城市群位于云南省中東部，東北比鄰昭通、六盤水、威寧、水城和興義市，西連大理州，西南接臨滄、西雙版納，北接攀枝花，東南靠文山和紅河州。以昆明市為核心，半徑約150～200 km，包括昆明市、曲靖市、玉溪市和楚雄彝族自治州4個州市，共42個縣(市、區(qū))，國土面積為93 477.43 km2，占全省國土面積的24.4%。滇中城市群地處云貴高原中部，山地較多，海拔在327～4 017 m，相對高差3 690 m，平均海拔約1 848 m，最高海拔位于會澤大海梁子牯牛寨，最低海拔位于小河底河與元江干流交匯處，屬于低緯度高原山地季風氣候，由于高原面保存較完整，地勢起伏和緩；湖盆壩子多，壩區(qū)土壤肥沃，并有湖泊河流灌溉之利，氣候溫和濕潤，“四季如春”，是最適宜人類居住的區(qū)域之一。

滇中城市群區(qū)域是國家重點培育的19個城市群之一，是云南省經(jīng)濟社會最發(fā)達、資源稟賦和基礎條件最優(yōu)越、區(qū)位優(yōu)勢最顯著的區(qū)域。隨著國家“一帶一路”重大戰(zhàn)略的實施，其面向南亞東南亞開放的區(qū)位優(yōu)勢進一步凸顯，迎來了快速發(fā)展的戰(zhàn)略機遇期，對我國的對外開放和區(qū)域協(xié)作發(fā)展具有重要意義。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本文以云南省第二次全國土地調(diào)查縮編數(shù)據(jù)(2009年)二級分類結(jié)果作為研究的基礎數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)為研究區(qū)的縣級數(shù)據(jù)。根據(jù)行政區(qū)劃圖，判別出每個州市所包含的縣區(qū)，再利用ArcGIS 10.2.2對縣級數(shù)據(jù)進行合并處理，得到研究區(qū)域的各市級數(shù)據(jù)。然后在原基礎數(shù)據(jù)分類的基礎上，根據(jù)土地利用功能采用ArcGIS 10.2.2對各市、縣(區(qū))原始地類進行重新歸類，最終得到9項三生空間二級分類結(jié)果。

2 研究方法

2.1 國土“三生空間”分類

三生空間分類以國土空間的多功能性為基礎，將土地的主體功能作為劃分依據(jù)，對國土空間進行劃分[9]。本研究以土地利用的多功能性為依據(jù)，借鑒張紅旗[7]、程婷[10]、楊清可[1]、黨麗娟[4]、白如山[11]等擬定的“三生空間”功能分類方案，以突出主體功能為分類的目標，建立滇中城市群國土“三生空間”分類與云南省第二次全國土地調(diào)查分類土地利用現(xiàn)狀銜接關系(表1)。

表1 滇中城市群三生空間分類與土地利用現(xiàn)狀分類銜接

2.2 “三生空間”功能結(jié)構(gòu)計量方法

(1) “三生空間”功能多樣化指數(shù)。采用吉布斯—馬丁(Gibbs—Martin)的多樣化指數(shù)(GM)來衡量滇中城市各功能類型的齊全程度及多樣化狀況。其表達式為[12]：

(1)

式中：GM為“三生空間”功能多樣化指數(shù)；fi為第i種空間功能類型的面積；n為三生空間二級分類的功能數(shù)目。GM的取值范圍為[0,1]，GM值越高表示該區(qū)域的“三生空間”功能多樣化程度越高。其中：0表示該區(qū)域僅有一種功能類型，1表示各功能類型在該區(qū)域內(nèi)均勻分布。

(2) “三生空間”功能集中化指數(shù)。采用集中化指數(shù)來定量描述研究區(qū)三生空間功能類型的集中化程度。指數(shù)越大，表明各功能類型集中化程度越高，反之則越低。其表達式為[13]：

I=(Ai-R)/(M-R)

(2)

式中：I為“三生空間”集中化指數(shù)；Ai為第i個區(qū)域各功能類型的累計百分比之和；M為集中分布于某一功能時的累計百分比之和；R是高一層次區(qū)域(滇中城市群或各州市)各功能類型的累計百分比之和，是衡量集中化程度高低的基準。

(3) “三生空間”功能信息熵?！叭臻g”功能信息熵可以綜合反映某一區(qū)域在一定時段內(nèi)各功能類型的變化情況[14]。反映各功能結(jié)構(gòu)的有序程度，其中有序程度與熵值的大小呈反比，熵越大，有序度越低；反之，有序度越高[15]。其表達式為：

(3)

式中：H為“三生空間”功能信息熵；S為某一區(qū)域各功能類型的總面積；Si為第i類功能類型的面積；n為三生空間功能類型總數(shù)。

(4) “三生空間”功能優(yōu)勢度指數(shù)。優(yōu)勢度指數(shù)是對研究區(qū)各功能類型分配程度的度量，是決定研究區(qū)功能類型多樣化的一個參數(shù)，優(yōu)勢度指數(shù)與多樣化指數(shù)呈反比，優(yōu)勢度指數(shù)越高，多樣性越低。其表達式為[16]：

Hmax=lnn

(4)

式中：D為“三生空間”功能集中化指數(shù)；S為某一區(qū)域各功能類型的總面積；Si為第i類功能類型的面積；n為三生空間功能類型總數(shù)。

(5) “三生空間”功能區(qū)位指數(shù)。區(qū)位指數(shù)用來反應研究區(qū)各功能類型相對于其高層次區(qū)域的相對聚集程度。其表達式為[17]：

Qi=(fi/∑fi)/(Fi/∑Fi)

(5)

式中：Qi是“三生空間”功能區(qū)位指數(shù)；fi是區(qū)域內(nèi)第i種功能類型的面積；∑fi是區(qū)域內(nèi)各功能類型的面積之和；Fi是高一層次區(qū)域(滇中城市或各州市)第i種功能類型的面積；∑Fi是高一層次區(qū)域各功能類型面積之和。若Qi<1，則其不具備區(qū)位意義，反之，若Qi≥1 ，則該功能類型具有區(qū)位意義。

3 結(jié)果與分析

3.1 基于市域尺度的“三生空間”功能的分析

根據(jù)以上計量方法對滇中城市群市域的“三生空間”功能結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀(表2)計算相應的指標，計算結(jié)果見表3。

結(jié)合已有的研究方法[12,18-19]和滇中城市群的“三生空間”分布特征將研究區(qū)劃的多樣化指數(shù)、集中化指數(shù)、信息熵及優(yōu)勢度指數(shù)劃分為低、中低、中高、高4個類型。利用ArcGIS 10.2.2軟件空間分析中的自然斷裂點聚類法得到滇中城市群市域“三生空間”功能結(jié)構(gòu)的格局分布圖(圖1)。

表2 2009年滇中城市群各州(市)空間功能結(jié)構(gòu) %

表3 滇中城市群市域“三生空間”功能多樣化指數(shù)、集中指數(shù)、信息熵及優(yōu)勢度指數(shù)分析

通過表3和圖1可以得出：(1) 從表3和圖1A可以看出，滇中城市群的“三生空間”功能結(jié)構(gòu)多樣化分布呈現(xiàn)出中、東部高，西部低的格局，其中昆明市的多樣化程度最高，高于0.6，說明昆明市的功能類型比較齊全，這與昆明作為云南省省會城市，經(jīng)濟較為發(fā)達，各功能類型比較齊全相一致。楚雄州的多樣化指數(shù)最低，通過各功能結(jié)構(gòu)的細分可以看出楚雄州以林地偏多，占了總面積的66.89，這說明楚雄州的生態(tài)環(huán)境較好，但土地利用空間功能結(jié)構(gòu)不如其他州協(xié)調(diào)。(2) 從表3和圖1B可以發(fā)現(xiàn)，滇中城市群的“三生空間”功能格局集中化程度整體較低且相差不大，主要是因為4個地區(qū)均主要以林地生態(tài)空間、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間和其他生態(tài)空間為主，功能類型較為單一。(3) 從表3和圖1C可以看出，滇中城市群的“三生空間”功能結(jié)構(gòu)信息熵分布呈現(xiàn)出中、東部高，西部低的現(xiàn)狀，其中昆明最高，楚雄最低。說明“三生空間”功能越齊全的區(qū)域，各功能結(jié)構(gòu)有序程度越低。(4) 從表3和圖1D可以看出，研究區(qū)整體優(yōu)勢度較高，均大于0.85以上，且呈現(xiàn)出中間低兩邊高的空間分布格局，其中楚雄州的優(yōu)勢最為明顯。(5) 通過區(qū)位指數(shù)計算公式(5)，得到滇中城市群的市域“三生空間”功能區(qū)位指數(shù)見表4。

圖1 滇中城市群市域“三生空間”格局分布表4 滇中城市群市域“三生空間”功能區(qū)位指數(shù)

州市林地生態(tài)空間牧草生態(tài)空間水域生態(tài)空間其他生態(tài)空間農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間工礦生產(chǎn)空間城鎮(zhèn)生活空間農(nóng)村生活空間其他生活空間昆明市0.88421.11451.61081.10701.06552.11212.56831.15731.8591曲靖市0.83332.36030.58441.07461.32390.92380.67201.22460.8617玉溪市1.10210.09001.65690.71170.89920.96070.70640.80830.8681楚雄州1.20100.01290.62640.99670.67590.27770.33030.75680.5760

由表4可以看出，滇中城市群的市域“三生空間”功能區(qū)位特征不太顯著。其中林地生態(tài)空間在楚雄市和玉溪市的區(qū)位指數(shù)大于1，具有區(qū)位意義；牧草生態(tài)空間在昆明市和曲靖市的區(qū)位指數(shù)大于1，在這兩個地區(qū)具有區(qū)位意義；水域生態(tài)空間在昆明市和玉溪市的區(qū)位指數(shù)大于1，具有區(qū)位意義，且區(qū)位特征明顯，原因是這兩個地區(qū)分別有滇池和撫仙湖；剩余的其他功能空間類型只在昆明市和曲靖市的區(qū)位指數(shù)大于1，具有區(qū)位意義，結(jié)果與這兩個地區(qū)經(jīng)濟較為發(fā)達，人口密度較高相一致。

3.2 基于縣域尺度的“三生空間”功能的分析

采用與市域“三生空間”功能結(jié)構(gòu)相同的研究方法，計算得到滇中城市群各區(qū)縣的“三生空間”功能指數(shù)見表5，通過ArcGIS 10.2.2的自然斷裂點聚類法得到基于縣域的滇中城市群“三生空間”功能格局分布圖(圖2)。

表5 滇中城市群縣域“三生空間”功能多樣化指數(shù)、集中指數(shù)、信息熵及優(yōu)勢度指數(shù)分析

圖2 滇中城市群縣域“三生空間”功能格局分布

通過表5和圖2可得出：(1) 基于縣域研究區(qū)的“三生空間”多樣化指數(shù)呈現(xiàn)出中間高兩邊低和東邊高于西邊的趨勢，其中，高多樣化主要存在于昆明市主城區(qū)和羅平、澄江等10個縣區(qū)，中高多樣化偏多，共15個縣區(qū)，超過三分之一，而中低多樣化和低多樣化主要位于研究區(qū)西邊的楚雄和玉溪?？h域多樣化分布總體與市域多樣化呈現(xiàn)出一致性。(2) 基于縣域研究區(qū)的“三生空間”集中度呈現(xiàn)出以昆明為中心，兩邊均勻分布的趨勢，其中高集中區(qū)位于昆明主城區(qū)，東西兩邊中高、中低、低多樣化程度相近。這與基于市域的集中度存在一定的差異。(3) 基于縣域研究區(qū)的“三生空間”信息熵與多樣化呈現(xiàn)出一致性，中間高兩邊低，其中以中低信息熵居多，共18個縣區(qū)，主要位于曲靖和玉溪兩個州市，而高信息熵僅位于昆明市的主城區(qū)，說明滇中城市的“三生空間”功能有序性整體偏高。(4) 基于縣域研究區(qū)的“三生空間”的優(yōu)勢度水平較高，從優(yōu)勢度指數(shù)來看，大部分縣區(qū)的優(yōu)勢度指數(shù)大于1，最高為峨山縣，達到1.415 0，最低的是官渡區(qū)，為0.429 2?？傮w來看昆明市的優(yōu)勢水平最低，這與市優(yōu)勢水平相似。(5) 通過區(qū)位指數(shù)計算公式(5) ，得到滇中城市群的縣域“三生空間”功能區(qū)位指數(shù)見表6。

表6 滇中城市群縣域“三生空間”功能區(qū)位指數(shù)

由表6可以看出，林地生態(tài)空間在安寧縣、楚雄市、易門縣等17個縣的區(qū)位指數(shù)大于1，說明在這些區(qū)域具有區(qū)位意義；牧草生態(tài)空間只存在部分縣區(qū)，其中只有澄江縣、尋甸縣等5個縣(區(qū))區(qū)位指數(shù)大于1，具有區(qū)位意義；水域生態(tài)空間在澄江、江川、西山等15個縣(區(qū))的區(qū)位指數(shù)大于1，且于澄江、江川、西山最為突出，這與行政區(qū)范圍內(nèi)有澄江和滇池相關，這與市域區(qū)位分析相一致；其他生態(tài)空間在易門縣、元江縣等12地區(qū)區(qū)位指數(shù)大于1，具有區(qū)位意義；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間在呈貢區(qū)、澄江縣等18個地區(qū)的區(qū)位指數(shù)大于1，具有區(qū)位意義；工礦生產(chǎn)空間在官渡區(qū)、西山區(qū)等19個地區(qū)具有區(qū)位意義，其中于昆明市4個主城區(qū)最為突出，這與這些地區(qū)的工業(yè)發(fā)展相一致；城鎮(zhèn)生活空間在盤龍區(qū)、五華區(qū)等12地區(qū)區(qū)位指數(shù)大于1，具有區(qū)位意義，與這些地區(qū)的城鎮(zhèn)化率較高相一致；農(nóng)村生活空間在呈貢、澄江等22個地區(qū)區(qū)位指數(shù)大于1，具有區(qū)位意義，占據(jù)了研究區(qū)一半多；其他生活空間在官渡區(qū)、五華區(qū)等17個地區(qū)的區(qū)位指數(shù)大于1，具有區(qū)位意義。從上分析可以發(fā)現(xiàn)，林地生態(tài)空間、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間、工礦生產(chǎn)空間、農(nóng)村生活空間在各地分布較為均勻，聚集程度較高，區(qū)位意義比較顯著。

4 結(jié) 論

(1) 通過市域尺度的計量分析發(fā)現(xiàn)，滇中城市的“三生空間”功能結(jié)構(gòu)多樣化和信息熵空間分布呈中、東部高西部低的現(xiàn)狀；集中化程度空間分布整體較低且相差不大；優(yōu)勢度整體較高，且呈現(xiàn)出中間低兩邊高的空間分布格局；各州市區(qū)位特征不顯著。

(2) 基于縣域尺度的計量分析發(fā)現(xiàn)，滇中城市的“三生空間”功能結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出多樣化和信息熵空間分布東部高西部低的現(xiàn)狀，其中，高多樣化與高信息化主要分布在昆明市主城區(qū)，集中化程度除昆明市主城區(qū)外其他各地分布趨近；優(yōu)勢度成中間低兩邊高的分布，其中以昆明市主城區(qū)的優(yōu)勢度最低；林地生態(tài)空間、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間、工礦生產(chǎn)空間、農(nóng)村生活空間各縣(區(qū))的區(qū)位意義較為顯著。

(3) 從市域到縣域的多尺度分析，可以得到滇中城市群從整體到局部的“三生空間”空能結(jié)構(gòu)分布信息?；谑杏虺叨?，對滇中城市群的“三生空間”功能特征有一個縱觀的了解；基于縣域尺度，又能對滇中城市群不同州市的內(nèi)部“三生空間”功能特征進行詳細分析，基于不同的尺度，具有不同的優(yōu)勢。通過市域尺度，能夠反映滇中城市群市域之間“三生空間”功能類型分布差異，但在市域內(nèi)部“三生空間”功能結(jié)構(gòu)被均衡化，無法分析市域內(nèi)部“三生空間”功能結(jié)構(gòu)差異；通過縣域尺度，市域內(nèi)部“三生空間”功能的均勻分布被打破，反映了滇中城市群縣域之間的“三生空間”功能類型分布差異。

(4) 通過不同尺度的分析對比，揭示各尺度間“三生空間”功能分布格局的相互關系，實現(xiàn)各尺度間的良性約束和優(yōu)化配置，為城市群的國土空間功能優(yōu)化提供一些必要的依據(jù)。

(5) 基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)的限制，縣域內(nèi)部的“三生空間”功能只能被均衡化，無法對其內(nèi)部的功能分布特征進行深入分析。未來的研究可以從鄉(xiāng)(鎮(zhèn))級或村級尺度對滇中城市群進行更深入的分析。