基于ESDA的廣東省城鎮(zhèn)建設(shè)用地空間分布模式分析

王楓，李燦

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 公共管理學(xué)院，廣州510642）

近年來，隨著建設(shè)用地蔓延式分布態(tài)勢愈發(fā)嚴(yán)重，土地對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的“瓶頸”制約，已成為普遍的難題。為此，中國積極實施了“三舊”改造、推行土地集約利用等舉措，取得了積極的進(jìn)步，但城鎮(zhèn)建設(shè)用地演變具有自身發(fā)展規(guī)律，在“三舊”改造過程中，如何依據(jù)城鎮(zhèn)建設(shè)用地演變特點制訂并落實城市規(guī)劃，客觀上需要對城鎮(zhèn)建設(shè)用地的空間分布模式進(jìn)行細(xì)致研究。諸多學(xué)者對建設(shè)用地空間分布進(jìn)行了有益的探討，取得了不少進(jìn)展。其中，梁進(jìn)社［1］通過建立建設(shè)用地分布的定量關(guān)系，揭示了建設(shè)用地增長的動力學(xué)基礎(chǔ)；陳曉軍等［2］選擇北京市房山區(qū)平原地區(qū)作為分析樣區(qū)，在GIS技術(shù)的支持下對建設(shè)用地的空間分布格局進(jìn)行了定量化測度研究；談明洪等［3］以2005年北京中心區(qū)周圍50km范圍內(nèi)的建設(shè)用地數(shù)字化圖件為基礎(chǔ)，由內(nèi)而外，建立5個寬度為10km的緩沖帶，分析了北京周圍建設(shè)用地空間分布格局，并從自然、歷史和經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度對此格局作出了詮釋；呂江等［4］利用vcm研究方法和距離衰減趨勢研究方法對安?？h建設(shè)用地空間分布格局進(jìn)行了研究。隨著研究成果的不斷涌現(xiàn)，為轉(zhuǎn)型期城鎮(zhèn)建設(shè)用地的空間布局優(yōu)化提供了良好基礎(chǔ)。

根據(jù)地理學(xué)第一定律，空間事物之間是普遍聯(lián)系的，且空間上接近的事物聯(lián)系更緊密［5］。城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布也不例外，然而現(xiàn)有研究成果在探討建設(shè)用地空間分布時多囿于統(tǒng)計分析和GIS空間圖示表達(dá)，缺乏空間視角，忽視了地理位置因素，難以深入揭示建設(shè)用地分布的空間機(jī)制。ESDA（Exploratory Spatial Data Analysis，探索性空間數(shù)據(jù)分析）可以通過對事物或現(xiàn)象空間分布格局的描述與可視化，發(fā)現(xiàn)空間集聚和空間異常，揭示研究對象之間的空間相互作用機(jī)制［6］，已廣泛應(yīng)用于社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的空間分布模式分析［7－9］，但用于城鎮(zhèn)建設(shè)用地空間分布的研究尚不多見［10］。另外，縣域單元是中國行政建制中的重要組成部分，在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中擔(dān)當(dāng)著承上啟下的功能，開展針對縣域單元的研究，有助于較為準(zhǔn)確地把握社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和土地利用的空間分布狀況［11］，但目前以縣域單元為對象開展研究的案例還比較少見。廣東是中國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、最具市場活力和投資吸引力的地區(qū)之一，近年來城市空間的擴(kuò)展十分迅速，加強(qiáng)對城鎮(zhèn)建設(shè)用地空間分布模式的研究，對未來如何遵循城鎮(zhèn)建設(shè)用地空間演變規(guī)律，促進(jìn)城鎮(zhèn)建設(shè)用地合理布局，具有十分重要的現(xiàn)實意義。鑒于上述分析，本文在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，以縣域為基本地域單元，借助GIS技術(shù)，運用空間自相關(guān)分析方法、四分位法等多種方法，對廣東省城鎮(zhèn)建設(shè)用地的空間分布模式進(jìn)行分析。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 指標(biāo)界定及數(shù)據(jù)來源

參考借鑒已有的研究成果［10］，文中所研究的城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度（Urban Construction Land Density，簡稱UCLD）是指某個行政區(qū)域內(nèi)城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積占土地總面積的比重。其中所研究的城鎮(zhèn)建設(shè)用地是指國土資源部2001年下發(fā)的《全國土地分類（過渡期間適用）》標(biāo)準(zhǔn)中城市用地、建制鎮(zhèn)用地和獨立工礦用地三類用地的集合。城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度是分析城鎮(zhèn)建設(shè)用地空間分布模式的重要指標(biāo)。

研究區(qū)廣東省地處中國大陸最南部，位于20°09′—25°31′N，109°45′—117°20′E。全省下轄廣州、深圳、珠海、汕頭、佛山、韶關(guān)、河源、梅州、惠州、汕尾、東莞、中山、江門、陽江、湛江、茂名、肇慶、清遠(yuǎn)、潮州、揭陽和云浮21個地級市，共有123個縣域行政單元。本研究以縣域為研究單元，鑒于同一地級市內(nèi)不同市轄區(qū)在地理區(qū)位、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r等方面的諸多相似性，將同一地級市的所有市轄區(qū)合并為一個研究單元。其中，深圳、珠海、佛山、東莞和中山由于特殊的經(jīng)濟(jì)和行政原因（如東莞和中山不設(shè)市轄區(qū)，地級市直轄鎮(zhèn)街），均作為獨立研究單元。據(jù)此統(tǒng)計全省共計88個研究單元。另外，由于廣東省沿海島嶼眾多，采用二進(jìn)制鄰接規(guī)則構(gòu)建空間權(quán)重矩陣時會出現(xiàn)“孤島”現(xiàn)象。解決此問題的辦法有兩種：一是人為定義相鄰；二是將島嶼排除在研究范圍之外［12］。本研究采用第二種方法，將汕頭的南澳縣排除在研究范圍之外，最終確定的研究單元為87個。圖形數(shù)據(jù)選用廣東省現(xiàn)行行政區(qū)矢量數(shù)據(jù)（以縣為單位并調(diào)整為87個研究單元），用地數(shù)據(jù)來源于1996—2008年廣東省土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

空間自相關(guān)是探索性空間數(shù)據(jù)分析研究中的一個重要方法，可以用來發(fā)現(xiàn)空間的異質(zhì)性和空間集聚，而城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布不僅僅具有空間位置特性，同時也具有空間異質(zhì)性與空間集聚的特征，因而空間自相關(guān)分析方法很適合用于分析城鎮(zhèn)建設(shè)用地的空間分布特征。空間自相關(guān)包括全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)兩大類。

1.2.1 全局空間自相關(guān) 全局空間自相關(guān)用于探測某種地理現(xiàn)象或某一屬性值在整個研究區(qū)域的空間分布模式，判斷此現(xiàn)象或?qū)傩灾翟诳臻g上是否有聚集特性存在。計算全局空間自相關(guān)最常用的指數(shù)是Moran′s I，其計算公式為［13］：

式中：n——研究對象的數(shù)目；xi——觀測值；ˉx——xi的平均值；——空間連接矩陣（可以根據(jù)鄰接標(biāo)準(zhǔn)或距離標(biāo)準(zhǔn)來確定）。Moran′s I可分別采用隨機(jī)分布和近似正態(tài)分布兩種假設(shè)進(jìn)行驗證。在給定顯著性水平時，若 Moran′s I顯著為正，則表示空間上有聚集分布的現(xiàn)象。值越趨近于1，集聚趨勢越強(qiáng)。反之，若Moran′s I顯著為負(fù)，則表明空間上呈現(xiàn)空間分散格局。值越趨近于－1，分散傾向越強(qiáng)。僅當(dāng) Moran′s I接近期望值－1／（n－1）時，觀測值之間才相互獨立，在空間上呈現(xiàn)隨機(jī)分布。

1.2.2 局部空間自相關(guān) 局部空間自相關(guān)用于反映整個大區(qū)域中，一個局部小區(qū)域單元上的某種地理現(xiàn)象或某一屬性值與相鄰局部小區(qū)域單元上同一現(xiàn)象或?qū)傩灾档南嚓P(guān)程度［13］，識別空間集聚和空間孤立［5］，探測空間異質(zhì)等。用于評價局部空間自相關(guān)性的最常用指數(shù)主要是Local Moran′s I，其計算公式為［6］：

式中：n，xi，，S2，wij含義與公式（1）一致。Local Moran′s I的檢驗，可采取條件隨機(jī)方法獲得偽顯著水平P值，并采用Bonferroni標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷。在給定顯著性水平下，若Ii顯著大于0，表明存在正的局部空間自相關(guān)，相似的值發(fā)生集聚；若Ii顯著小于0，表明存在負(fù)的局部空間自相關(guān)，不相似的值發(fā)生集聚。

2 結(jié)果與分析

2.1 總體空間分布模式分析

本文采用上四分?jǐn)?shù)（FU）、中位數(shù)（M）、下四分?jǐn)?shù)（FL）3個截斷點將由所有縣域單元城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度數(shù)據(jù)組成的有序數(shù)組四等分。設(shè)四分散布值DF等于FU—FL，令FU＋3DF和FU—3DF為兩個新截斷點，一般位于新截斷點以外的數(shù)據(jù)值稱為離群值。在離群值區(qū)，處于FU＋3DF以外的數(shù)據(jù)值為高值異常（極端高值），處于FU—3DF以外的數(shù)據(jù)值為低值異常（極端低值）。這樣FU、M、FL、FU＋3DF、FU—3DF五個截斷點將該有序數(shù)組分成6個數(shù)據(jù)分區(qū)。采用百分?jǐn)?shù)表示上四分?jǐn)?shù)FU（25%）、中位數(shù) M（50%）和下四分?jǐn)?shù)FL（75%）。圖1顯示了廣東省各縣（區(qū)、市）所屬的數(shù)據(jù)分區(qū)，圖中并沒有出現(xiàn)低值異常的空間單元。

從圖1可以看出，廣東省城鎮(zhèn)建設(shè)用地大致呈“中心—外圍”空間分布模式。廣東省城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布重心在南部的珠江三角洲地區(qū)，在空間上呈現(xiàn)出東南沿海高城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度集聚區(qū)與北部山區(qū)低城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度集聚區(qū)的空間分異。城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度值較大的區(qū)域主要分布在珠江三角洲和粵東、粵西沿海南部相鄰地區(qū)（大致相當(dāng)于第二、三、四數(shù)據(jù)分區(qū)），其中有6個空間單元（廣州、佛山、中山、珠海、東莞和深圳）具有較高的城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度，被識別為高值異常區(qū)。而在粵北山區(qū)的東部和西部相鄰地區(qū)（大致相當(dāng)于第一數(shù)據(jù)分區(qū)），城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度值較低且分布分散。城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度的這種空間分布模式在一定程度上反映了空間集聚的存在。

圖1 2008年廣東省城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度分布

圖1所示的傳統(tǒng)方法可以描述研究區(qū)內(nèi)87個空間單元的城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布特征，揭示高值異常（或低值異常）的空間單元，但這種方法難以識別城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布的空間集聚和空間孤立，因此需要采用全局和局部空間自相關(guān)指數(shù)對研究區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)用地的空間分布作進(jìn)一步分析。

2.2 全局空間分布模式分析

根據(jù)各縣域單元之間的鄰接關(guān)系，采用二進(jìn)制鄰接權(quán)重矩陣，即當(dāng)單元i和單元j在空間上存在相鄰關(guān)系時，空間權(quán)重矩陣元素＝1，其他情況為0。其鄰接標(biāo)準(zhǔn)有兩種原則：一種是Rook′s原則，另一種是Queen′s原則。Rook′s原則要求必須有一條邊相連接，而Queen′s原則要求有一點連接即可。本文選擇后者作為確定鄰接的標(biāo)準(zhǔn)，利用OpenGeoDa軟件計算得到廣東省城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度的全局Moran′s I指數(shù)（表1）。

表1 1996－2008年廣東省城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度的Global Moran′s I估計值

從表1中可以看出，廣東省縣域城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度Global Moran′s I估計值在研究期內(nèi)出現(xiàn)波動，從1996年的0.364 3增至2002年的0.466 7，然后減少到2004年的0.442 3，再增加到2008年的0.466 5，整個研究期內(nèi)Global Moran′s I估計值全部為正，且總體趨勢在不斷增加，顯著性水平均小于0.05。這表明，1996年以來廣東省縣域城鎮(zhèn)建設(shè)用地在空間分布上具有顯著的正相關(guān)性，也就是說各縣級行政區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)用地的空間分布并非表現(xiàn)出完全的隨機(jī)性，而是表現(xiàn)出相似值之間的空間集聚，其空間聯(lián)系的特征是：城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度高的縣級行政區(qū)相對地趨于和城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度高的縣級行政區(qū)相鄰，城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度低的縣級行政區(qū)相對地趨于和城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度低的縣級行政區(qū)相鄰。隨著時間的推移，縣域城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布總體空間差異趨向縮小，即城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度比較接近的縣在空間分布上越來越集中，趨同性增強(qiáng)。

2.3 局部空間分布模式分析

全局空間自相關(guān)指數(shù)概括了在一個總的空間模式中空間依賴的程度，而局部空間自相關(guān)指數(shù)則描述一個空間單元與其鄰域的相似程度，表示每個局部服從全局總趨勢的程度（包括方向和量級），并揭示空間異質(zhì)，說明空間依賴是如何隨位置而變化的［5］。本文選用局部指數(shù)Local Moran′s I，因為該指數(shù)可以將城鎮(zhèn)建設(shè)用地的空間關(guān)聯(lián)模式細(xì)分為四種類型，分別與Moran散點圖中的四個象限相對應(yīng)［5］。正的空間關(guān)聯(lián)包括兩種類型：城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度高值單元為城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度高值單元所包圍（HH關(guān)聯(lián)）和城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度低值單元為城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度低值單元所包圍（LL關(guān)聯(lián)）；而負(fù)的空間關(guān)聯(lián)也有兩種類型：城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度低值單元為城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度高值單元所包圍（LH關(guān)聯(lián)），或者相反（HL關(guān)聯(lián)）。根據(jù)廣東省縣域城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度數(shù)據(jù)，利用Open－GeoDa軟件得到廣東省1996年、2002年、2008年城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度的Moran散點圖（圖2），統(tǒng)計出4個象限的單元數(shù)，括號中的數(shù)值表示在p＝0.05顯著水平下的單元數(shù)（表2）。

圖2 1996年、2002年、2008年廣東省城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度的Moran散點圖

表2 廣東省城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度4種類型空間關(guān)聯(lián)模式的單元數(shù)及顯著單元數(shù)（p＝0.05）

由表2可知，1996—2008年，位于HH關(guān)聯(lián)和LL關(guān)聯(lián)象限的縣域數(shù)量由63個增至65個，1996年、2002年和2008年位于HH關(guān)聯(lián)和LL關(guān)聯(lián)象限的縣域分別占總單元數(shù)的72.41%，70.11%，74.71%，表明廣東省城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布在局域范圍內(nèi)具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，局部集聚格局顯著，且在研究期內(nèi)集聚能力略有增強(qiáng)。將Moran散點圖與Local Moran′s I指數(shù)的顯著性水平相結(jié)合，可以得出5%顯著性水平下廣東省城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度LISA聚集圖（圖3）。由表2和圖3可以得出，1996年、2002年、2008年顯著HH關(guān)聯(lián)模式和顯著LL關(guān)聯(lián)模式涉及的縣域單元數(shù)占所有顯著單元數(shù)的比重分別高達(dá)100%，95.83%，96.15%；1996—2008年顯著 HH 關(guān)聯(lián)模式涉及的縣域單元數(shù)由5個增至7個，顯著LL關(guān)聯(lián)模式涉及的縣域單元數(shù)由13個增加到16個，且空間分布上均形成連片格局。這表明，廣東省城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布呈現(xiàn)顯著的局部空間集聚現(xiàn)象，具有較強(qiáng)的空間正相關(guān)關(guān)系。

從整個研究期來看，廣東省城鎮(zhèn)建設(shè)用地空間分布的基本格局沒有發(fā)生變化，珠江三角洲核心區(qū)域的縣域與周圍縣域的城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布形成顯著HH關(guān)聯(lián)模式，粵北山區(qū)東部和西部的縣域與周圍保持顯著LL關(guān)聯(lián)模式，其他縣域城鎮(zhèn)建設(shè)用地基本表現(xiàn)為空間隨機(jī)分布。

圖3 1996年、2002年、2008年廣東省城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度LISA聚集圖

2.4 影響因素分析

城鎮(zhèn)建設(shè)用地的空間分布是各種自然、社會經(jīng)濟(jì)和政策制度等諸多因素共同作用的結(jié)果：（1）在自然因素方面，地形條件是城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)展的基礎(chǔ)條件，在某種程度上具有一定的主導(dǎo)作用，決定了城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布的宏觀格局。珠江三角洲核心地區(qū)，地勢比較平坦，城鎮(zhèn)建設(shè)用地易拓展，是廣東省城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布密度高值地區(qū)（識別為高值異常）；而粵北山區(qū)因地形地貌因素導(dǎo)致城鎮(zhèn)建設(shè)用地不易拓展，是廣東省城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布密度較低的地區(qū)（圖1）。（2）在社會經(jīng)濟(jì)因素方面，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平是城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)展的主導(dǎo)影響因素。按照廣東社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的差異性及地理區(qū)位，將全省劃分為珠江三角洲、粵東沿海地區(qū)、粵西沿海地區(qū)以及粵北山區(qū)四大地域。其中，珠江三角洲經(jīng)濟(jì)總量占到全省的82.50%，珠江三角洲地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)要素又高度集中在核心區(qū)域，核心圈層的產(chǎn)值密度是外圍地區(qū)的22.2倍。相比之下，粵東、粵西沿海地區(qū)和北部山區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對落后，其經(jīng)濟(jì)總量分別占全省的6.9%，7.8%，6.5%［14］。對照圖1可以發(fā)現(xiàn)，廣東省城鎮(zhèn)建設(shè)用地的分布與廣東省各區(qū)域的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平基本吻合，即社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高的地區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度也比較高。（3）政策因素作為一個牽一發(fā)而動全身的因素，在一定程度上對城鎮(zhèn)建設(shè)用地的分布也起著極其重要的作用［15］。改革開放30a來，廣東省先后設(shè)立了深圳、珠海、汕頭三個經(jīng)濟(jì)特區(qū)、湛江等沿海城市和珠江三角洲經(jīng)濟(jì)開放區(qū)［14］，從圖1可以看出，這些區(qū)域正是廣東省城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布密度較高的地區(qū)。另外，交通為城市和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了物質(zhì)交流基礎(chǔ)和信息渠道，降低了經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的成本，加速了人類活動的集聚［3］，也在很大程度上影響了廣東省城鎮(zhèn)建設(shè)用地的空間分布。

3 結(jié)論

（1）本文利用ESDA與GIS技術(shù)相結(jié)合的方法對廣東省縣域城鎮(zhèn)建設(shè)用地的空間分布模式進(jìn)行了分析，這種方法能否充分發(fā)揮ESDA豐富的空間分析功能和GIS強(qiáng)大的交互功能與可視化功能，更深入地探索、分析、處理和解釋地理特征間的相互關(guān)系及空間模式，是探測和識別城鎮(zhèn)建設(shè)用地空間分布模式的一種有效方法。

（2）通過對廣東省城鎮(zhèn)建設(shè)用地空間分布模式的研究，可以得出以下結(jié)論：廣東省城鎮(zhèn)建設(shè)用地大致呈“中心—外圍”空間分布模式，城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布重心在南部的珠江三角洲地區(qū)，粵北山區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布分散，在空間上呈現(xiàn)出東南沿海高城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度集聚區(qū)與北部山區(qū)低城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度集聚區(qū)的空間分異；全局空間自相關(guān)分析表明，廣東省城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度在空間分布上具有顯著的正相關(guān)性，建設(shè)用地空間集聚現(xiàn)象明顯，且空間分布上趨同性在增強(qiáng)；局部空間自相關(guān)分析顯示，廣東省城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布呈現(xiàn)顯著的局部空間集聚現(xiàn)象，具有較強(qiáng)的空間正相關(guān)關(guān)系，珠江三角洲核心區(qū)域的縣域與周圍縣域的城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布形成顯著HH關(guān)聯(lián)模式，粵北山區(qū)東部和西部的縣域與周圍保持顯著LL關(guān)聯(lián)模式；自然因素決定了城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布的宏觀格局，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平是城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)展的主導(dǎo)影響因素，政策因素在一定程度上對城鎮(zhèn)建設(shè)用地的分布也起著極其重要的作用，交通條件也在很大程度上影響了廣東省城鎮(zhèn)建設(shè)用地的空間分布。

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