基于生命周期的開(kāi)發(fā)區(qū)土地利用集約度預(yù)測(cè)

陳志華, 張　莉, 范勝龍, 黃炎和, 季　翔

(福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福建 福州 350002)

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基于生命周期的開(kāi)發(fā)區(qū)土地利用集約度預(yù)測(cè)

陳志華, 張莉, 范勝龍, 黃炎和, 季翔

(福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福建 福州 350002)

以土地開(kāi)發(fā)的生命周期特征為切入點(diǎn)，通過(guò)數(shù)據(jù)疊加增加數(shù)據(jù)的時(shí)間序列，借助邏輯生長(zhǎng)曲線對(duì)建筑密度進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而測(cè)算開(kāi)發(fā)區(qū)土地利用集約度，建立了一套有效的開(kāi)發(fā)區(qū)土地利用集約度預(yù)測(cè)方法.結(jié)果表明，預(yù)測(cè)結(jié)果較符合實(shí)際情況，開(kāi)發(fā)區(qū)土地利用集約度增長(zhǎng)速度呈逐漸減小的變化趨勢(shì)，區(qū)齡為12 a時(shí)達(dá)到飽和值，然后呈下降或穩(wěn)定的趨勢(shì).

開(kāi)發(fā)區(qū); 生命周期; 土地集約利用; 預(yù)測(cè)

隨著工業(yè)化和城市化程度的不斷提高，開(kāi)發(fā)區(qū)在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和創(chuàng)新技術(shù)力量中的作用日益凸顯，開(kāi)發(fā)區(qū)的土地集約利用程度對(duì)這一作用有著關(guān)鍵性的影響.土地集約利用是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程[1]，分析其變化規(guī)律并加以預(yù)測(cè)對(duì)指導(dǎo)開(kāi)發(fā)區(qū)發(fā)展建設(shè)、促進(jìn)開(kāi)發(fā)區(qū)擴(kuò)區(qū)升級(jí)具有重要作用.

目前，關(guān)于開(kāi)發(fā)區(qū)土地集約利用評(píng)價(jià)的研究主要集中于開(kāi)發(fā)區(qū)土地集約利用評(píng)價(jià)方法研究[2-3]、評(píng)價(jià)指標(biāo)理想值的確定[4-5]、土地集約利用潛力評(píng)價(jià)[6]、土地集約利用影響因素研究[7]等，對(duì)于開(kāi)發(fā)區(qū)土地利用集約度的預(yù)測(cè)及動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方面的研究相對(duì)匱乏.生命周期是指用生物生命周期的思想, 將對(duì)象出生、成長(zhǎng)、衰老到死亡的過(guò)程看成是一個(gè)完整的生命過(guò)程[8].開(kāi)發(fā)區(qū)的發(fā)展是隨著其開(kāi)發(fā)建設(shè)年限的延長(zhǎng)而不斷變化的，而其變化也表現(xiàn)出一定的規(guī)律性.有些學(xué)者認(rèn)為開(kāi)發(fā)區(qū)發(fā)展及其土地開(kāi)發(fā)一般要經(jīng)歷起步期、成長(zhǎng)期、成熟期、復(fù)雜期(穩(wěn)定/衰落/轉(zhuǎn)型)等4個(gè)階段，服從于生命周期規(guī)律[9-11].這些研究對(duì)預(yù)測(cè)模型的選取具有重要的指導(dǎo)意義.

基于開(kāi)發(fā)區(qū)土地開(kāi)發(fā)的生命周期規(guī)律，本文以開(kāi)發(fā)區(qū)的區(qū)齡為時(shí)間序列，通過(guò)對(duì)相似開(kāi)發(fā)區(qū)的基礎(chǔ)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，進(jìn)而運(yùn)用邏輯生長(zhǎng)曲線模型對(duì)開(kāi)發(fā)區(qū)土地集約利用評(píng)價(jià)指標(biāo)現(xiàn)狀值進(jìn)行預(yù)測(cè)，在此基礎(chǔ)上，測(cè)算開(kāi)發(fā)區(qū)土地利用集約度，探討開(kāi)發(fā)區(qū)土地利用集約度的變化規(guī)律.

1　研究區(qū)概況

截至2012年福建省開(kāi)發(fā)區(qū)土地集約利用評(píng)價(jià)僅進(jìn)行了3輪，相關(guān)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列較短.通過(guò)對(duì)相似開(kāi)發(fā)區(qū)的數(shù)據(jù)疊加[12]，可以擴(kuò)大其時(shí)間序列，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè).為此，本研究從社會(huì)經(jīng)濟(jì)和園區(qū)發(fā)展方面選取了開(kāi)發(fā)區(qū)所在區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展等級(jí)、主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)、園區(qū)數(shù)等指標(biāo)，應(yīng)用SPSS軟件對(duì)所獲取的12個(gè)開(kāi)發(fā)區(qū)進(jìn)行聚類(lèi)分析，根據(jù)聚類(lèi)結(jié)果選取最為相似的一類(lèi)作為本文的研究區(qū).

福建將樂(lè)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)是經(jīng)國(guó)家發(fā)改委審核確認(rèn)、于2006年批準(zhǔn)設(shè)立的省級(jí)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，位于將樂(lè)縣城東北側(cè)，規(guī)劃面積9.72 km2.開(kāi)發(fā)區(qū)下設(shè)北郊工業(yè)園和積善工業(yè)園.在產(chǎn)業(yè)布局上，開(kāi)發(fā)區(qū)以機(jī)械制造、紡織鞋業(yè)、生物醫(yī)藥等為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè).

福建光澤工業(yè)園區(qū)是2003年設(shè)立的省級(jí)開(kāi)發(fā)區(qū)，位于光澤縣東南部，總規(guī)劃面積23.4 km2.園區(qū)分為和順工業(yè)園、金嶺工業(yè)園，以生物醫(yī)藥、機(jī)械制造等為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè).

南平工業(yè)園區(qū)成立于2003年，位于南平市南部，總規(guī)劃面積6.088 km2，為省級(jí)開(kāi)發(fā)區(qū).園區(qū)分為南平高新區(qū)和江南工業(yè)區(qū)，南平工業(yè)園區(qū)定位為“技術(shù)含量高、能耗低、污染小的現(xiàn)代化工業(yè)園區(qū)”，經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，現(xiàn)主要產(chǎn)業(yè)有針紡、機(jī)械制造等.

2　研究方法

2.1數(shù)據(jù)來(lái)源

主要參考福建省開(kāi)展的3輪開(kāi)發(fā)區(qū)土地集約利用評(píng)價(jià)成果，相對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)時(shí)點(diǎn)分別為2008年、2009年、2011年.將3個(gè)開(kāi)發(fā)區(qū)3輪土地集約利用評(píng)價(jià)的13個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)現(xiàn)狀值按照區(qū)齡進(jìn)行疊加，其中相同區(qū)齡下不同開(kāi)發(fā)區(qū)的指標(biāo)值采用平均值確定，得到5、6、7、8、10 a共5個(gè)不同區(qū)齡的評(píng)價(jià)指標(biāo)現(xiàn)狀值.以此為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)開(kāi)發(fā)區(qū)土地利用集約度進(jìn)行預(yù)測(cè).

2.2指標(biāo)篩選

由于土地利用集約度是根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)度加權(quán)求得的，因此評(píng)價(jià)指標(biāo)與土地利用集約度在時(shí)間序列上存在著類(lèi)似的變化規(guī)律，可以通過(guò)分析評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化規(guī)律進(jìn)而探究開(kāi)發(fā)區(qū)土地利用集約度的動(dòng)態(tài)變化.由于評(píng)價(jià)指標(biāo)較多，為方便分析需要對(duì)其進(jìn)行篩選.首先篩選與開(kāi)發(fā)區(qū)區(qū)齡具有較強(qiáng)相關(guān)性的指標(biāo)；然后對(duì)初步篩選的指標(biāo)進(jìn)行共線性檢驗(yàn)，剔除共線性較強(qiáng)的指標(biāo)以減少不同指標(biāo)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的二次影響.

2.3評(píng)價(jià)指標(biāo)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建

應(yīng)用生命周期方法的模型，對(duì)實(shí)際研究對(duì)象的一些主要因素的相互關(guān)系進(jìn)行描述，并最終達(dá)到預(yù)測(cè)的目的[13].結(jié)合開(kāi)發(fā)區(qū)生命周期的階段性特征，采用常用的邏輯生長(zhǎng)曲線作為預(yù)測(cè)模型,表示如下：

(1)

式中:y表示預(yù)測(cè)值；x表示時(shí)間.

由于評(píng)價(jià)指標(biāo)基本上是比重?cái)?shù)，所以將極限值C設(shè)為1.通過(guò)參考文獻(xiàn)[14-15]，采用最小二乘法原理[16]對(duì)A、B進(jìn)行求解，得到以下求解公式：

(2)

A=eA′

(3)

(4)

式中，(xi,yi)表示不同區(qū)齡下的指標(biāo)實(shí)際值.

2.4開(kāi)發(fā)區(qū)土地利用集約度的預(yù)測(cè)

圖1　開(kāi)發(fā)區(qū)土地利用集約度預(yù)測(cè)流程Fig.1　Systematic diagram for forecasting land use intensity in development zone

通過(guò)SPSS軟件對(duì)集約度(因變量)和評(píng)價(jià)指標(biāo)(自變量)進(jìn)行回歸擬合，實(shí)現(xiàn)對(duì)土地利用集約度的預(yù)測(cè)，并對(duì)開(kāi)發(fā)區(qū)土地利用集約度隨區(qū)齡的變化所呈現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律進(jìn)行分析.預(yù)測(cè)流程如圖1所示.

3　結(jié)果與分析

3.1開(kāi)發(fā)區(qū)土地集約利用指標(biāo)的預(yù)測(cè)

評(píng)價(jià)指標(biāo)與區(qū)齡之間的相關(guān)性分析結(jié)果表明，建筑密度、工業(yè)用地建筑系數(shù)、工業(yè)用地固定資產(chǎn)投入強(qiáng)度、工業(yè)用地產(chǎn)出強(qiáng)度與區(qū)齡具有較強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.930、0.863、0.913、0.922.據(jù)此，選取以上4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行下一步的篩選.

為了排除指標(biāo)的共線性問(wèn)題，同時(shí)，使篩選出的指標(biāo)能更好地反映開(kāi)發(fā)區(qū)土地利用集約度，還要進(jìn)一步篩選與其他較多指標(biāo)具有顯著性相關(guān)的指標(biāo).指標(biāo)間相關(guān)性的分析結(jié)果如表1所示.

從表1可見(jiàn)，第1步篩選出的4個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)均較大，容易產(chǎn)生共線性問(wèn)題；建筑密度與其他指標(biāo)相關(guān)系數(shù)的平均值最大，可以較好地表征評(píng)價(jià)體系中其他指標(biāo)對(duì)開(kāi)發(fā)區(qū)土地利用集約度的影響，并且建筑密度與區(qū)齡的相關(guān)性最大.因此，選擇建筑密度對(duì)開(kāi)發(fā)區(qū)的土地利用集約度進(jìn)行預(yù)測(cè).

表1　開(kāi)發(fā)區(qū)土地集約利用評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Table 1　Correlation coefficients between evaluation indicators of land use intensity

通過(guò)篩選得到的建筑密度指標(biāo)是反映開(kāi)發(fā)區(qū)已建成城鎮(zhèn)建設(shè)用地的平面利用狀況的綜合性指標(biāo)，可以用于表征區(qū)域土地的利用狀況.區(qū)域的建筑密度越高土地的集約利用程度越高，說(shuō)明建筑密度與土地利用集約度密切相關(guān)[17].

以整理后開(kāi)發(fā)區(qū)5個(gè)不同區(qū)齡的建筑密度為分析樣本，運(yùn)用邏輯生長(zhǎng)曲線預(yù)測(cè)模型，通過(guò)最小二乘法得到：a′=1.795 2,a=6.020 8,b=-0.191 8.

從而確定邏輯生長(zhǎng)曲線模型為：

(5)

式中，yt為第t年開(kāi)發(fā)區(qū)土地利用集約度，t表示區(qū)齡.

將區(qū)齡代入模型求預(yù)測(cè)值，采用預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的均方根誤差(RMSE)來(lái)衡量預(yù)測(cè)結(jié)果的精度.相關(guān)系數(shù)r值越大，且均方根誤差RMSE值越小，表明預(yù)測(cè)結(jié)果精度越高;反之,精度越低.

從表2可知，通過(guò)模型得到的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的相關(guān)系數(shù)為0.935，均方根誤差為0.030 3，小于實(shí)際值的標(biāo)準(zhǔn)差(0.095 2),說(shuō)明誤差較小，預(yù)測(cè)精度較高.因此，該預(yù)測(cè)結(jié)果可以作為進(jìn)一步預(yù)測(cè)集約度的數(shù)據(jù).

3.2開(kāi)發(fā)區(qū)土地利用集約度的預(yù)測(cè)

選擇疊加后區(qū)齡為5、6、7、8、10 a的建筑密度和集約度，利用SPSS對(duì)其進(jìn)行擬合，得到的三次函數(shù)具有較高的擬合度，其R2為0.914，確定建筑密度與集約度的關(guān)系函數(shù)為：

y=-0.008+1.985x-1.668x3

(6)

式中，x表示建筑密度，y表示土地利用集約度.

表2　開(kāi)發(fā)區(qū)建筑密度預(yù)測(cè)值Table 2　Predicted value of building density in development zone

將建筑密度預(yù)測(cè)值代入上述公式，可以得到不同區(qū)齡下不同建筑密度的開(kāi)發(fā)區(qū)土地利用集約度.并使用殘差值(觀測(cè)值與預(yù)測(cè)值的差)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析.

如表3所示，建設(shè)期為5 a時(shí)，殘差絕對(duì)值最小，僅為0.000 6，說(shuō)明預(yù)測(cè)值最接近實(shí)際情況；而建設(shè)期為7 a時(shí)，殘差絕對(duì)值最大，為0.042 0，說(shuō)明預(yù)測(cè)值與實(shí)際情況的差異最大.這是由于除了第7年的數(shù)據(jù)只來(lái)自一個(gè)開(kāi)發(fā)區(qū)，其他年份的數(shù)據(jù)均是由幾個(gè)開(kāi)發(fā)區(qū)的平均值得到的.平均值相對(duì)于單一的數(shù)據(jù)，更能反映數(shù)據(jù)的集中趨勢(shì)，體現(xiàn)此類(lèi)開(kāi)發(fā)區(qū)的整體狀況.預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的均方根誤差為0.023 3，小于集約度實(shí)際值的標(biāo)準(zhǔn)差(0.088 9),說(shuō)明預(yù)測(cè)結(jié)果比較符合實(shí)際情況，具有較高的應(yīng)用價(jià)值.

表3　開(kāi)發(fā)區(qū)土地利用集約度預(yù)測(cè)值Table 3　Predicted value of land use intensity in development zone

3.3開(kāi)發(fā)區(qū)土地集約利用的變化規(guī)律

從圖2可以看出，在開(kāi)發(fā)區(qū)建設(shè)的前5 a，土地利用集約度年增量逐漸增加，主要是因?yàn)樵陂_(kāi)發(fā)區(qū)建設(shè)前期，各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施以及廠房的建設(shè)剛剛起步，土地利用狀況在這一時(shí)期變化較為明顯，所以其集約度在這一階段增長(zhǎng)較快；而開(kāi)發(fā)區(qū)發(fā)展的5～11 a，土地利用集約度年增量逐漸減小，主要是因?yàn)檫@一階段基礎(chǔ)設(shè)施與廠房基本完善，集約度的增長(zhǎng)主要是取決于工業(yè)用地產(chǎn)出方面的增長(zhǎng)，所以集約度的增長(zhǎng)速度逐漸減小.在區(qū)齡為12 a時(shí)，集約度變化處于飽和期，集約度為0.825 4.12 a后集約度變化處于復(fù)雜期，需要根據(jù)開(kāi)發(fā)區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行具體分析.這一時(shí)期的開(kāi)發(fā)區(qū)，有的實(shí)現(xiàn)擴(kuò)區(qū)升級(jí)，有的維持現(xiàn)狀，有的則逐漸向母城靠近，出現(xiàn)由工業(yè)用地向居住用地的轉(zhuǎn)化，呈現(xiàn)出粗放的用地模式，故導(dǎo)致有些開(kāi)發(fā)區(qū)的土地利用集約度基本保持穩(wěn)定，而有些會(huì)出現(xiàn)下降.

圖2　開(kāi)發(fā)區(qū)土地利用集約度的預(yù)測(cè)曲線

4　小結(jié)

本研究應(yīng)用邏輯生長(zhǎng)曲線對(duì)建筑密度進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)建筑密度這一過(guò)渡指標(biāo)測(cè)算集約度，揭示了開(kāi)發(fā)區(qū)土地利用集約度隨著區(qū)齡的變化所呈現(xiàn)出的規(guī)律.結(jié)果表明：開(kāi)發(fā)區(qū)土地利用集約度增長(zhǎng)速度逐漸減小，年增量先增加后減小；在達(dá)到飽和值后，呈下降或穩(wěn)定的趨勢(shì).在開(kāi)發(fā)區(qū)區(qū)齡為12 a時(shí)，開(kāi)發(fā)區(qū)土地利用集約度達(dá)到飽和，飽和值為82.54%.

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(責(zé)任編輯:葉濟(jì)蓉)

Prediction on land use intensity in development zone based on life cycle

CHEN Zhihua, ZHANG Li, FAN Shenglong, HUANG Yanhe, JI Xiang

(College of Resource and Environment, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China)

To provide reference for upgrading development zone more rationally, land use intensity of development zone was calculated on life cycle characteristics and temparal data from overlaid data. Basing on this, building and land use densities were predicted on the logic growth curve. Results showed that the predicted values coincided with the actual situation. Development zone expanded quickly during the first 5 a. After operating for 12 a, land use intensities stayed contant or dropped, reaching a saturation value at 82.54%.

development zone; life cycle; intensive land use; prediction

2015-09-24

2015-12-30

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015J01624).

陳志華(1990-)，女，碩士研究生.研究方向：土地資源可持續(xù)利用.Email:czh18@foxmail.com.通訊作者黃炎和(1962-)，男，教授.研究方向：土地資源可持續(xù)利用.Email:yanhehuang@ hotmail.com.

F301.24

A

1671-5470(2016)05-0581-05

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2016.05.017