基于集對分析法的城市形態(tài)與城市居住用地集約利用水平研究
——以南京市江寧區(qū)為例*

李 欣，方 斌， 3，4※，殷如夢，施龍博

(1.南京師范大學地理科學學院，江蘇南京 210023； 2.南京師范大學新型城鎮(zhèn)化與土地問題研究中心，江蘇南京 210023;3.江蘇省物質(zhì)循環(huán)與污染控制重點實驗室，南京 210023；4.南京師范大學鄉(xiāng)村振興研究院，江蘇南京 210023)

0 引言

2016年，我國城市化率達到57.35%，正處在城市化加速發(fā)展的中期階段的后半段，并且在將來一段時間里，中國城市人口規(guī)模增長仍然保持較高的速度[1-2]，伴隨而來的是城市盲目擴張、土地利用效率低下、用地結構不合理等造成了用地的極大浪費[3]。開展城市用地集約利用評價研究，對城市規(guī)劃具有十分重要的參考價值，并為城市可持續(xù)發(fā)展提供有效的空間決策依據(jù)[4-5]。

“城市土地集約利用”已被眾多學者認為是協(xié)調(diào)經(jīng)濟發(fā)展與土地利用方式之間矛盾的手段[6-9]，是當下城市地理學的研究熱點[10-11]。國內(nèi)外學者已在城市用地集約利用的相關理論研究[11]、城市用地集約利用內(nèi)涵、城市用地集約利用評價指標體系構建、城市用地集約利用評價方法研究等方面進行了多尺度、多地域的綜合性與典型性研究[12-15]，取得了諸多成果，對于促進我國城鎮(zhèn)發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程具有重要的意義。而城市化進程中伴隨著城市形態(tài)的改變，城市形態(tài)是經(jīng)濟結構、社會結構、自然環(huán)境等不同條件下所體現(xiàn)出的形態(tài)特征[16]。城市形態(tài)的發(fā)展趨勢是集中亦或分散，諸如霍華德的田園城市、萊特的廣畝城市、柯布西埃的光輝城市，以及近年來興起的“緊湊城市”、“精明增長”、“新城市主義”已為城市形態(tài)研究奠定了豐富的理論基礎[17-18]，我國學者馮健、陳彥光、張童[19-24]等分別從不同角度探討了城市形態(tài)的改變對社會經(jīng)濟、生態(tài)格局、土地利用方式等方面所帶來的不同影響。研究結果表明一個形態(tài)緊湊的城市具有節(jié)能、減排等環(huán)境效能，且其土地利用混合度較高、土地利用結構更加合理。目前，城市用地集約利用的空間尺度上針對宏觀尺度(全國[25]、省域[26]、城市群[27-29])或中觀尺度(城市、開發(fā)區(qū)[30-32])較多，針對微觀尺度(城市宗地、城市功能區(qū))相對較少，且對某一類用地的集約利用研究上，也多針對工業(yè)用地、商業(yè)用地等，以居住用地為對象的研究則更為少見。根據(jù)國家《城市用地分類與規(guī)劃建設用地標準》規(guī)范的劃分，城市用地可分為若干功能區(qū)(商業(yè)功能區(qū)、工業(yè)功能區(qū)、居住功能區(qū)等)，可反映土地利用現(xiàn)狀和土地適宜性及城市發(fā)展規(guī)劃、行政區(qū)劃和明顯地物邊界等。而居住功能區(qū)則是指提供居住的各種房屋用地，以居住功能區(qū)為評價對象。一是對現(xiàn)有研究的有益補充，二是進一步細化研究尺度，揭示小尺度范圍的城市土地利用變化機理。 研究方法多選用統(tǒng)計分析法、多因素綜合評價法[33]、投入產(chǎn)出效率[34]、最小二乘法[35]、模糊綜合評價法[36]等，這些方法對樣本要求較高且主觀性偏大，而集對分析法是一種系統(tǒng)分析法，在處理數(shù)據(jù)的過程中更注重數(shù)據(jù)的相對性和模糊性，能很好地解決不確定性問題； 在多角度分析時也多關注于城市土地集約利用與城市化或社會經(jīng)濟發(fā)展耦合度等，城市形態(tài)對于城市居住用地的集約利用響應研究較為薄弱。

南京市地處中國東部、長江下游、瀕江近海，是東部沿海經(jīng)濟帶與長江經(jīng)濟帶戰(zhàn)略交匯的重要節(jié)點城市，隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的加速，城市土地集約利用水平總體上升，土地產(chǎn)出效益與土地投入水平發(fā)揮主要作用[37]。江寧區(qū)，位于南京市中南部，是南京都市區(qū)南部重要的增長極地區(qū)，長三角重要的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)基地、大學科教創(chuàng)新園區(qū)、交通物流樞紐區(qū)、城鄉(xiāng)統(tǒng)籌的高品質(zhì)都市化發(fā)展先行區(qū)。深入了解江寧區(qū)城市居住用地集約利用狀況，事關長江三角洲城市群、南京都市圈城鎮(zhèn)化的進程，同時可為全國其他地區(qū)開展相關研究提供實踐指導和典型案例。為此，文章以江寧區(qū)居住用地為研究單元，選取衛(wèi)星影像圖和土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)等，采用土地利用強度、土地利用程度、土地利用效益等指標，借助集對分析法開展江寧區(qū)居住用地集約利用評價，利用斯皮爾曼等級相關分析結合地理加權回歸分析探討城市形態(tài)與居住用地集約利用相關關系，以期對現(xiàn)有的研究進行有益的補充與拓展，為今后江蘇省城市化進程持續(xù)健康發(fā)展提供決策支持。

1 研究對象與方法

1.1 研究區(qū)概況

江寧區(qū)地勢平坦，南北地勢較高、中部地勢較低，北亞熱帶溫濕氣候區(qū)，水資源豐富。2014年江寧區(qū)地區(qū)生產(chǎn)總值達1 405.58億元，三次產(chǎn)業(yè)結構為3.78： 55.41： 40.81，全年規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)工業(yè)總產(chǎn)值2 828.90億元，全年固定資產(chǎn)投資900.10億元。常住人口為118.26萬人，占全市常住人口(821.61萬人)比重的14.40%。根據(jù)《南京市江寧區(qū)城鄉(xiāng)總體規(guī)劃(2010-2030)》，研究區(qū)城市用地總面積為8 571.13hm2，其中居住用地規(guī)模最大，占研究區(qū)總面積的35.81%(表1)。

表1 研究區(qū)城市用地結構

用地類型居住用地商業(yè)用地工業(yè)用地其他地類研究區(qū)現(xiàn)狀面積(hm2)3 069.84551.842 553.962 397.498 573.13比例(%)35.816.4429.7927.96100.00規(guī)劃面積(hm2)3 297.75746.961 981.552 546.878 573.13比例(%)38.478.7123.1129.71100.00規(guī)劃實現(xiàn)度(%)93.0973.94128.9194.11100.00 數(shù)據(jù)來源:《南京市江寧區(qū)城鄉(xiāng)總體規(guī)劃(2010-2030)》

1.2 數(shù)據(jù)來源與預處理

數(shù)據(jù)來源于南京市江寧區(qū)國土資源分局，包括：南京市江寧區(qū)衛(wèi)星影像圖(2014年)； 南京市江寧區(qū)土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)(2014年)； 南京市江寧區(qū)中心城區(qū)地籍信息數(shù)據(jù)庫(2014年)； 南京市江寧區(qū)中心城區(qū)地形圖(2014年)； 南京市江寧區(qū)地價動態(tài)監(jiān)測與基準地價更新成果(2014年)； 南京市江寧區(qū)統(tǒng)計年鑒(2014年)； 中心城區(qū)涉及街道的戶籍人口數(shù)據(jù)； 實地調(diào)查收集數(shù)據(jù)等。采用Envi4.7解譯得到土地利用現(xiàn)狀圖，繼而求得土地利用率、綠地率等，通過將外業(yè)調(diào)查和隨機抽取動態(tài)圖斑進行重復判讀分析相結合的方法評價分類精度，總體精度均達到80%以上，Kappa系數(shù)在0.7以上，滿足研究需要； 借助Excel 2016得到綜合容積率及建筑密度、人口密度、基礎設施完備度、地價實現(xiàn)水平、單位用地固定資產(chǎn)投資總額、單位用地工業(yè)總收入等。

1.3 研究方法

1.3.1 城市土地集約利用評價指標及權重確定

該文在吸取國內(nèi)外相關理論和研究方法的基礎上[4，8， 15-14， 27]，根據(jù)城市土地集約利用內(nèi)涵和江寧區(qū)城市土地利用現(xiàn)狀及特點，選取城市居住用地集約利用作為目標層，從土地利用程度系統(tǒng)、土地利用強度系統(tǒng)、土地利用效益系統(tǒng)3個方面構建準則層，選取8個指標建立了城市居住用地集約利用水平評價指標體系。(1)土地利用程度是指在一定面積的土地上，利用現(xiàn)有條件，提高土地利用率，涉及單位面積土地的承載水平和土地閑置狀況兩方面內(nèi)容，考慮到數(shù)據(jù)的可獲取性，該文選擇土地利用率、綜合容積率表示單位面積土地的承載水平，建筑密度代表土地閑置狀況。(2)土地利用強度是指在各單位面積土地上增加人力和物力等的投入，以獲得更高的收益，該文以人口密度和基礎設施完備度表征人力、物力投入水平。(3)土地利用效益包含經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益，地價實現(xiàn)水平可反映地區(qū)土地的市場價值，地價水平越高越能集聚資源要素以獲取更高的經(jīng)濟效益和社會效益，規(guī)劃實現(xiàn)度是土地利用與城市規(guī)劃符合的程度，表征城市用地的合理性，綠地率則表征生態(tài)效益。

為降低主觀判斷帶來的影響，同時又保證權重確定的合理性，綜合采用層次分析法和熵值法。用兩種方法分別計算各指標的權重值，最后取兩種結果的算數(shù)平均值作為該研究的指標權重值(表2)。

1.3.2 集對分析法

集對分析法的核心思想是先對不確定性系統(tǒng)中的有關聯(lián)的兩個集合構造集對，再對集對某特殊屬性做同一性、差異性、對立性分析，然后再用聯(lián)系度描述集對的同、異、反關系[38]。假設存在相互聯(lián)系的集合居住用地集約利用水平x和標準y。x有N項表征特性，即x=(x1，x2，…，xn)，y亦有N項特性，即y=(y1，y2，…，yn)。x和y構成集對H(x，y)。

根據(jù)評價指標體系，建立評價矩陣D=dkem×n

(1)

設某一評價方案，其某一子系統(tǒng)A下第k個評價對象的第e個評價指標為

dke(k=1， 2，…，m)，m為評價指對象數(shù)，e=1， 2，…，n，nn為評價指標數(shù)，將其看作一個集合Ake，把該指標的第p級標準看作另一集合Bp，則Ake與Bp構成集對H(Ake，Bp)。該研究中把指標分作3級，即p=3。

該研究只需判斷江寧區(qū)居住用地集約利用水平的相對高低，因而采用最優(yōu)方案U(u1，u2…ue…un)和最劣方案V(v1，v2…ve…vn)代替標準B，U中ue取指標dke中的最大值，V中ve則取指標中dke的最小值。

則第k個評價對象的第e項指標dke的ake、bke、cke為：

(3)

式(3)中，ake代表同一度;bke代表差異度;cke為對立度。

之后分別計算出第k個評價對象各子系統(tǒng)的指標隸屬標準級別:

(4)

式(4)中，we為指標e的權重；f1為樣本隸屬于1級標準的可能性，f2為樣本隸屬于2級標準的可能性，f3為樣本隸屬于3級標準的可能性，該文采用置信度準則來判斷評價樣本所屬的等級，即評價對象的居住用地集約利用狀況屬于hp對應的p級：

hp=f1+f2+f3>σ，p=1， 2， 3

(5)

式(5)中，σ為置信度，該文取0.6(一般取0.6～0.7)。

考慮到該文選用的指標和評價對象的數(shù)量，采用貼近度來代替聯(lián)系度[27-28]。貼近度可以用來衡量與最佳狀態(tài)的貼近程度，即:

(6)

評價對象的貼近度R值越高，其土地利用越接近集約水平。

1.3.3 城市形態(tài)測度

(1)緊湊度

緊湊度可以反映城市在不同發(fā)展階段空間形態(tài)的特征，緊湊度接近于1，則被認為該地區(qū)處于集約緊湊式發(fā)展階段，反之城市擴展雜亂無章。

(7)

(2)分維數(shù)

分維數(shù)可以反映城市的發(fā)展是以沿外緣擴張為主或是內(nèi)部填充式發(fā)展，分維數(shù)增大時城市發(fā)展到一定階段的必然。

(8)

式(7)中，C為緊湊度;A為居住用地面積;P為居住用地輪廓周長

1.3.4 地理加權回歸分析(GWR)

GWR 是一種改進的空間線性回歸模型，其主要優(yōu)勢在于將空間權重矩陣運用在線性回歸模型中，形象地展示空間結構分異，是最有發(fā)展?jié)摿Φ目臻g統(tǒng)計模型之一[39]，可形象地表達事物的空間異質(zhì)性。

(9)

式(9)中，yi為觀測值，ui，vi為樣點i的坐標，β0ui，vi為i點回歸常數(shù)，βkui，vi是i點上的第k個回歸參數(shù)，是地理位置的函數(shù)；p為獨立變量個數(shù)；xik為獨立變量xk在i點的值，εi是隨機誤差。

表2 綜合評價指標權重值

目標準則綜合權重指標綜合權重居住用地土地利用程度(RA)0.287 2 土地利用率0.194 2 綜合容積率0.523 9 建筑密度0.281 8 土地利用強度(RB)0.490 2 人口密度0.752 6 基礎設施完備度0.247 4 土地利用效益(RC)0.222 6 住宅地價實現(xiàn)水平0.435 4 綠地率0.304 4 規(guī)劃實現(xiàn)度0.260 2

2 結果與分析

2.1 江寧區(qū)居住用地集約利用評價指標權重計算結果

該文為降低指標選取的主觀性，保證權重確定的合理性，選取層次分析法與熵權法相結合的方法確定指標權重。借助層次分析法，設置目標層為居住用地，準則層為土地利用程度、土地利用強度、土地利用效益。熵權法按照信息論基本原理的解釋，信息是系統(tǒng)有序程度的一個度量，熵是系統(tǒng)無序程度的一個度量； 如果指標的信息熵越小，該指標提供的信息量越大，在綜合評價中所起作用理當越大，權重就應該越高[40]，取兩種指標的算數(shù)平均數(shù)作為該次評價使用的指標權重，如表2。

2.2 江寧區(qū)居住用地集約利用評價

比較研究區(qū)居住用地土地利用程度(RA)、土地利用強度(RB)、土地利用效益(RC)、土地集約利用水平(RS)(圖1、表2)，研究區(qū)居住用地的土地利用程度整體水平較好。居住用地土地集約利用水平與最優(yōu)狀態(tài)的同一度、差異度、相反度均值分別為0.547 7、0.083 3、0.368 9，貼近度平均值為0.598 1。從置信度判別的等級來看，有18個居住功能區(qū)為第1等級， 23個居住功能區(qū)為第2等級， 11個居住功能區(qū)為第3等級，平均水平為第2等級。

居住用地集約利用水平呈中心—外緣模式。位于中心的秦淮河沿岸和百家湖沿岸的居住區(qū)均較成熟，多數(shù)住宅房齡較短，在土地利用程度、土地利用強度、土地利用效益3個方面均表現(xiàn)出較高的水平，該區(qū)域土地集約利用水平高； 而外圍的上坊老鎮(zhèn)片區(qū)中的的R003地塊和老城片區(qū)的R008地塊多數(shù)房屋老、破、舊，雖然土地利用程度較高，但土地利用強度和利用效益較低； 中心往西南方向的別墅區(qū)R034、R042、R047地塊土地利用效益高，但土地利用程度和利用強度較低，由于各自區(qū)域發(fā)展過程中的偏向，土地集約利用水平總體偏低。南站片區(qū)的R028、R029地塊、九龍湖片區(qū)的R048地塊和科學園片區(qū)的R026地塊空閑地較多，各方面利用水平均較低，以致整體土地集約利用水平較差。

圖1 居住用地土地集約利用水平空間分異

表2 居住用地分片區(qū)評價均值

區(qū)域RARBRCf1(S)f2(S)f3(S)RSS均值等級上坊工業(yè)園片區(qū)0.691 30.521 70.568 10.569 80.103 80.326 40.635 42上坊老鎮(zhèn)片區(qū)0.709 90.377 20.359 60.459 4 0.101 5 0.439 1 0.511 3 3老城片區(qū)0.702 40.496 10.549 50.556 30.097 40.346 3 0.615 6 2科學園片區(qū)0.675 10.551 80.605 30.588 00.067 70.344 3 0.629 0 2南站片區(qū)0.509 90.406 20.497 70.447 70.053 80.498 5 0.480 6 3百家湖片區(qū)0.695 90.601 10.632 70.623 8 0.062 2 0.314 0 0.665 1 1九龍湖片區(qū)0.522 10.478 00.588 10.505 7 0.069 2 0.425 1 0.544 8 3將軍山片區(qū)0.621 30.435 50.627 50.521 1 0.106 9 0.372 0 0.582 4 2牛首山片區(qū)0.678 40.589 20.596 90.605 3 0.089 9 0.304 8 0.664 1 1研究區(qū)全區(qū)0.647 60.499 90.571 60.547 70.083 30.368 90.598 12

表3 居住用地形態(tài)特征

片區(qū)緊湊度分維數(shù)上坊工業(yè)園片區(qū)0.361.78上坊老鎮(zhèn)片區(qū)0.580.30老城片區(qū)0.112.80科學園片區(qū)0.293.90南站片區(qū)0.203.32百家湖片區(qū)0.173.08九龍湖片區(qū)0.213.12將軍山片區(qū)0.193.15牛首山片區(qū)0.571.66研究區(qū)全區(qū)0.072.50

2.3 江寧區(qū)居住用地形態(tài)特征分析

居住用地整體呈塊狀形態(tài)，緊湊度極小，分形維數(shù)較大，說明江寧區(qū)居住用地分布分散，存在無序蔓延的可能。緊湊度、分維數(shù)表現(xiàn)出區(qū)域差異性，以牛首山片區(qū)、上坊老鎮(zhèn)片區(qū)最為集聚，這是由于這些地區(qū)為發(fā)展歷史悠久的老城區(qū)和新興開發(fā)的別墅區(qū)，土地利用程度較高。各區(qū)的緊湊度、分維數(shù)相差較大，以“攤大餅”方式擴展明顯，在未來一段時間內(nèi)各區(qū)的居住用地發(fā)展仍將存在一定差異，擴展將主要發(fā)生在老城片區(qū)和將軍山片區(qū)等區(qū)域(表3)。

2.4 江寧區(qū)居住用地空間形態(tài)與集約利用度的關系

城市人口快速增長及土地利用空間結構顯著變化為特征的城市化進程帶來城市土地利用的空間結構或形態(tài)的演變對居住用地集約利用具有顯著影響。合理的城市形態(tài)可遏制無序蔓延，引導城市以精明增長的方式可持續(xù)發(fā)展。

(1)城市形態(tài)與集約利用度的相關性判定。為確認城市形態(tài)與集約利用度的相關關系，選取Spearman等級相關法，將江寧區(qū)居住用地集約利用水平與緊湊度、分維數(shù)分別進行相關分析，Spearman系數(shù)越大，反映出兩變量的相關性越強[23]。江寧區(qū)居住用地集約利用水平與緊湊度、分維數(shù)的斯皮爾曼相關系數(shù)分別為0.13和0.07，均顯示了微弱的正相關性，表明居住用地的形態(tài)對居住用地的集約利用水平存在一定影響，居住用地的形態(tài)越緊湊其集約利用水平越高。

(2)城市形態(tài)對居住用地集約利用水平影響的空間差異。緊湊城市亦具有高密度、功能混合等特性[41]，引入GWR模型探討居住用地形態(tài)對城市用地集約利用的空間異質(zhì)性影響，并借助ArcGIS 10.1軟件對模型計算緊湊度、分維數(shù)的回歸系數(shù)進行空間可視化[39]，以此判定緊湊度、分維數(shù)對江寧區(qū)居住用地集約利用水平的影響方向、程度的空間差異，具體見圖2。

圖2 GWR模型緊湊度、分維數(shù)的回歸系數(shù)空間分布

緊湊度的回歸系數(shù)范圍為0.189 7～0.228 1，絕對值較大且差異相對較大，表明緊湊度對于集約利用水平具有一定的影響，影響程度由北自南逐漸減弱，高值區(qū)位于將軍山片區(qū)、上坊工業(yè)園片區(qū)、牛首山片區(qū)和南站片區(qū)，低值點區(qū)域多集中分布于九龍湖片區(qū)和科學園片區(qū)。

分維數(shù)的回歸系數(shù)為0.000 2～0.000 4之間，其絕對值偏小且各地區(qū)差異小，表明分維數(shù)對于各片區(qū)的集約利用水平差異微弱。回歸系數(shù)由西自東逐漸減弱，高值區(qū)位于將軍山片區(qū)和牛首山片區(qū)，低值區(qū)域位于上坊工業(yè)園區(qū)和上坊老鎮(zhèn)片區(qū)。

由此可見，將軍山片區(qū)、牛首山片區(qū)以及百家湖片區(qū)的居住用地形態(tài)特征對于集約利用水平的影響較大，增強這些片區(qū)的用地集聚性，可一定程度提高集約利用水平，而諸如老城片區(qū)、科學園片區(qū)即使加大用地簇聚程度仍然對提升集約利用水平的影響不大，應將著力點更多地致力于區(qū)域內(nèi)部改造。

3 結論

該研究在測算城市居住用地集約利用的基礎上，以南京市江寧區(qū)為研究對象，采用層次分析法結合熵權法確定指標權重，借助集對分析法探討了居住用地集約利用度，利用Spearman等級相關分析結合GWR模型分析居住用地的形態(tài)特征與集約利用水平的關系，結果表明：(1)居住用地土地集約利用整體水平較好，貼近度RS平均值為0.5981，置信度判斷等級為2。集約利用水平存在空間差異，呈中心—外緣模式，集約利用水平由中心向外圍遞減，中心地帶的秦淮河沿岸和百家湖沿岸的集約利用水平較高。(2)研究區(qū)整體緊湊度較小、分形維數(shù)較大，用地較為分散，同時表現(xiàn)出了區(qū)域差異性，以牛首山片區(qū)、上坊老鎮(zhèn)片區(qū)最為集聚。(3)斯皮爾曼等級相關分析和地理加權回歸分析表明居住用地的用地形態(tài)對集約利用水平具有微弱影響，且影響程度和方向呈現(xiàn)空間異質(zhì)性，將軍山片區(qū)、牛首山片區(qū)以及百家湖片區(qū)的居住用地形態(tài)特征對于該地區(qū)的用地集約利用水平的影響較大，而老城片區(qū)、科學園片區(qū)則需進行內(nèi)部改造提升。

根據(jù)江寧區(qū)居住用地集約利用水平及其形態(tài)分析，結合南京都市圈發(fā)展背景和江寧區(qū)土地利用實踐，今后應重點關注： 提升南站片區(qū)、九龍湖片區(qū)和科學園片區(qū)的土地利用強度，改造區(qū)內(nèi)空閑地，通過合理引導盤活土地存量土地資源。著重調(diào)控將軍山片區(qū)、牛首山片區(qū)以及百家湖片區(qū)等區(qū)域的蔓延狀況，而老城區(qū)建筑物老舊，仍需進行合理規(guī)劃，以內(nèi)部土地利用結構調(diào)整的方式提升地區(qū)土地利用集約利用水平。

城市用地集約利用水平受土地屬性、社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境等各方面影響，對其進行定量評價是一項復雜、系統(tǒng)的工作，該文選擇的評價指標仍然偏少，因此多指標、多因素構建城市用地集約利用評價體系有待進一步補充完善，預測多情景模式下的城市用地發(fā)展狀況是未來的研究方向。