基于主成分分析的巢湖流域土地集約利用研究

夏邦橋，吳云志，陳祎瓊，徐 甜，張紅梅，張友華

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽 合肥 230036；2.安徽省土地勘測(cè)規(guī)劃院,安徽 合肥 230000)

基于主成分分析的巢湖流域土地集約利用研究

夏邦橋1，吳云志1，陳祎瓊1，徐 甜1，張紅梅2，張友華1

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽 合肥 230036；2.安徽省土地勘測(cè)規(guī)劃院,安徽 合肥 230000)

利用主成分分析法對(duì)巢湖流域進(jìn)行土地集約利用規(guī)律性的研究，從巢湖區(qū)域?qū)ν恋氐耐度搿⒗贸潭群徒?jīng)濟(jì)效益三個(gè)方面共計(jì)12個(gè)指標(biāo)構(gòu)建巢湖流域土地集約利用的評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)，對(duì)巢湖流域的土地集約利用進(jìn)行合理性評(píng)價(jià)及分析其發(fā)展的動(dòng)態(tài)變化。研究表明：從2010年到2014年，巢湖流域土地集約利用水平逐年上升但增長緩慢；土地集約利用水平空間差異明顯，平原區(qū)縣土地集約利用水平高于山地丘陵區(qū)縣，說明土地利用的深度和廣度受其經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、地形起伏等因素的影響。

巢湖流域；土地集約利用；主成分分析法；動(dòng)態(tài)變化

隨著我國城市化和工業(yè)化進(jìn)程加快，城市規(guī)模也不斷地?cái)U(kuò)大，在各方面始終發(fā)揮著不可替代的作用。然而，在城市發(fā)展的過程中，也面臨著諸多問題，如用地規(guī)劃不合理、土地經(jīng)濟(jì)及生態(tài)效益[1，2]低下等，都影響了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)健康發(fā)展。諸多學(xué)者也使用不同的評(píng)價(jià)體系對(duì)其進(jìn)行研究，以揭示城市土地集約利用的變化規(guī)律及其發(fā)展趨勢(shì)。如閆巖在《福建省城市土地集約利用評(píng)價(jià)》中指出福建省土地集約利用水平呈階梯狀分布，差異顯著，土地集約利用水平受區(qū)位因素及經(jīng)濟(jì)水平的影響；孟鵬、郝晉珉等[3]以北京亦莊新城為例對(duì)新型城鎮(zhèn)化背景下的工業(yè)用地集約利用評(píng)價(jià)研究，范輝等[4]以武漢市中心城區(qū)為例對(duì)城市土地集約利用內(nèi)部協(xié)調(diào)性的時(shí)空演變的研究，張悅[5]對(duì)江蘇省土地集約利用的空間差異研究等。

然而這些不同角度的研究中也存在著一些問題，如對(duì)城市土地集約利用的研究過多的局限于理論研究，即多為定性研究[6]，學(xué)術(shù)界對(duì)城市土地集約利用概念的認(rèn)識(shí)及其評(píng)價(jià)體系的確定，尚未形成統(tǒng)一的見解。巢湖流域是我省城市化進(jìn)程的先行者，也是積極地推動(dòng)者，在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)快速發(fā)展、各個(gè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)、居住生活環(huán)境的優(yōu)化改善等方面，起著不可替代的作用。本研究立足于巢湖流域14各縣區(qū)的發(fā)展實(shí)際，從城市土地經(jīng)濟(jì)效益[7]、土地投入程度、土地利用程度這三個(gè)方面運(yùn)用主成分分析法分析2010～2014年巢湖流域土地集約利用水平，評(píng)價(jià)和揭示其土地利用結(jié)構(gòu)變化的規(guī)律及其發(fā)展變化的趨勢(shì)，提出相應(yīng)的對(duì)策，以期巢湖流域的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供指導(dǎo)和參考。

1 研究區(qū)概況

巢湖流域，位于北緯30.9°至北緯32..1°與東經(jīng)116.4°至東經(jīng)118.0°之間，地勢(shì)西南部大別山區(qū)海拔較高，東北部較低，呈“簸箕狀”，巢湖湖盆海拔最低處。巢湖流域在行政區(qū)劃上包括合肥市四區(qū)、肥西縣、肥東縣、廬江縣以及巢湖市和長豐縣、無為縣、含山縣、和縣、金安區(qū)、舒城縣等14個(gè)縣區(qū)。

該區(qū)域十年以來城市化水平和進(jìn)程不斷加快，巢湖流域處于“皖江城市帶承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移示范區(qū)”以及“中部崛起”戰(zhàn)略的腹地，特別是2014年“發(fā)改委”等六部聯(lián)合下發(fā)的批準(zhǔn)安徽省巢湖流域等地區(qū)作為第一批國家生態(tài)文明先行示范區(qū)。該地區(qū)在土地利用方式和其變化方面都具有代表性，對(duì)其土地集約利用的研究可發(fā)現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)和不足，以對(duì)其進(jìn)行合理的規(guī)劃和整改，為區(qū)域發(fā)展提供可靠地借鑒。

本文所用的各區(qū)縣數(shù)據(jù)資料由部門調(diào)研獲取，項(xiàng)目研究涉及數(shù)據(jù)來源包括：安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒(2011年至2015年統(tǒng)計(jì)年鑒)，安徽省統(tǒng)計(jì)局，合肥國土資源局。

2 土地集約利用的內(nèi)涵

土地集約利用的概念可追溯至大衛(wèi)·李嘉圖[10，11](David Ricardo，1772～1823)等古典政治經(jīng)濟(jì)學(xué)家對(duì)農(nóng)業(yè)土地利用的研究，隨著城市人地矛盾日益突出，李嘉圖的這一理論被應(yīng)用到城市土地集約利用之中，但是迄今為止，學(xué)術(shù)界尚沒形成統(tǒng)一的土地集約利用的概念和評(píng)價(jià)指標(biāo)。這是由于城市土地集約利用是個(gè)復(fù)雜的開放系統(tǒng)，難以用一個(gè)十分準(zhǔn)確的概念和指標(biāo)去描述。

本研究認(rèn)為土地集約利用(Land Intensive Use，LIU)是動(dòng)態(tài)、開放、發(fā)展、可持續(xù)的過程，是在城市合理布局[12，13]、用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化、以及科學(xué)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，通過增加投入、改進(jìn)經(jīng)營管理模式等途徑，以充分發(fā)揮土地使用潛力、改善人地矛盾，以達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)以及生態(tài)效益。

3 評(píng)價(jià)體系構(gòu)建和研究方法

3.1 評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

城市土地集約利用是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，影響因子和驅(qū)動(dòng)因子多而數(shù)據(jù)量大，不同因子之間也存在著不同程度的相互聯(lián)系，相互影響和相互制約。因此，需建立科學(xué)有效的評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)，以揭示城市土地利用規(guī)律和結(jié)構(gòu)是否合理。從土地集約利用本質(zhì)出發(fā)，結(jié)合“系統(tǒng)論”思想，從城市土地經(jīng)濟(jì)效益、土地投入程度、土地利用程度這三個(gè)方面，建立了包含10個(gè)因子的巢湖流域土地集約利用指標(biāo)評(píng)價(jià)體系(表1)。

3.2 研究方法

使用主成分分析法[13-16](Principal Component Analysis,PCA)是利用數(shù)學(xué)變換降低數(shù)據(jù)維度的思想，把多個(gè)復(fù)雜的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為較少的綜合的線性指標(biāo)，以獲取有效的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。其模型的具體構(gòu)建步驟如下：

第一：構(gòu)建評(píng)價(jià)數(shù)值矩陣p×q。

第二：原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。由于各指標(biāo)的數(shù)值單位(量綱)不同，要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化操作，以使數(shù)據(jù)更具有可操作性，其公式為：

(1)

第三：計(jì)算各主成分得分[15，16]。該主成分為原始數(shù)據(jù)指標(biāo)的線性綜合，可用主成分因子的回歸系數(shù)，來計(jì)算主因子得分，其公式為：

(2)

式中，Pj為各主因子回歸系數(shù)，Yij為樣本標(biāo)準(zhǔn)值。

表1 土地集約利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

第四：計(jì)算綜合得分。通過構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)函數(shù),得出每個(gè)區(qū)縣綜合得分。其公式為：

F=T1F1+T2F2+T3F3+…+TkFk(m>k)

(3)

4 巢湖流域土地集約利用分析與評(píng)價(jià)

4.1 土地集約利用指標(biāo)分析

由上述的評(píng)價(jià)系統(tǒng)及其處理方法，利用IBM SPSS Statistics 19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)整理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過建立評(píng)價(jià)得分矩陣、數(shù)據(jù)歸一化等操作，得出原始數(shù)據(jù)的成分得分系數(shù)矩陣，即主成分回歸系數(shù)表(表2)。原始數(shù)據(jù)累計(jì)方差貢獻(xiàn)率高達(dá)83.966%,所提取的兩個(gè)主成分繼承了原始數(shù)據(jù)諸多的信息,其結(jié)果符合主成分分析的要求。

由表2可以看出，第一主成分在每平方千米固定資產(chǎn)投資額、每平方千米新增固定資產(chǎn)投資額、每平方千米社會(huì)消費(fèi)品零售額、每平方千米社會(huì)財(cái)政收入額、城市人口密度等指標(biāo)上負(fù)荷較高，集中反映了土地投入和利用的關(guān)系，為土地利用的投入—利用成分。其初始特征值的方差貢獻(xiàn)率高達(dá)69.001%，說明巢湖流域土地集約利用的程度主要受到土地的投入—利用程度的影響較大，從而可以看出從業(yè)人口的構(gòu)成以及區(qū)域人口密度所形成的消費(fèi)水平，制約了巢湖流域的土地集約利用的優(yōu)化和發(fā)展。

表2 2014年各主成分因子的回歸系數(shù)

地均非農(nóng)業(yè)從業(yè)人員、人均建設(shè)用地等指標(biāo)在第二主成分中荷載量較高，初始特征值的方差貢獻(xiàn)率為14.966%，說明該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)投入與產(chǎn)出效益是影響其土地集約利用的主要因素。

表2所分析出的2014巢湖流域各個(gè)指標(biāo)的載荷系數(shù)，體現(xiàn)了這些指標(biāo)在區(qū)域發(fā)展中所起到的作用，每個(gè)指標(biāo)的特征明顯，為分析區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供了可借鑒的數(shù)據(jù)，從而得到較為科學(xué)的分析結(jié)果，為區(qū)域發(fā)展“添磚加瓦”。

圖1 2010～2014年巢湖流域土地集約利用主成分得分

4.2 土地集約利用的動(dòng)態(tài)變化

4.2.1 城市土地集約利用水平的時(shí)間變異

通過將2010年至2014年的數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入到是SPSS中進(jìn)行處理，整理后得到下表(表3)，從而得到圖1，可見，巢湖流域各個(gè)縣區(qū)的城市土地集約利用的主因子得分的差距較大，除廬陽區(qū)外，各個(gè)區(qū)縣的主因子得分的絕對(duì)值之差均不大于1，表明其土地集約利用程度較為相近。其中合肥市下轄的四區(qū)三縣一市的主成分得分總體高于其他區(qū)縣，廬陽區(qū)得分最高，為1.639；而合肥市周邊的其他巢湖流域縣區(qū)的得分均為負(fù)數(shù)，表明其土地利用程度較低。從2010至2014年，巢湖流域各區(qū)縣的得分均是上下浮動(dòng)，整體表現(xiàn)出一定的上升趨勢(shì)，但上升緩慢，說明巢湖流域各區(qū)縣(尤其是肥東等得分為負(fù)的區(qū)縣)，需要制定合理的土地開發(fā)利用政策和原則，從而提升其得分，實(shí)現(xiàn)區(qū)域持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展。

表3 2010～2014年巢湖流域土地集約利用主成分因子得分

4.2.2 城市土地集約利用水平的空間分異

對(duì)2014年數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到各個(gè)縣區(qū)的主成分因子得分，各主成分因子的方差貢獻(xiàn)率為得分權(quán)重，根據(jù)公式(3)計(jì)算便可以得到各個(gè)區(qū)縣的綜合得分(見表4)，綜合得分愈高，其土地集約利用水平越高，其中廬陽區(qū)綜合得分最高，為2.07，和縣、含山縣得分最低，均為-0.48。根據(jù)各個(gè)區(qū)縣的綜合得分的高低，可以將其劃分為四個(gè)層次，即高度集約型、集約型、基本集約型、欠集約型，具體見下表(表5)。

表4 城市土地集約利用水平分類表

表5 2014年巢湖流域主成分因子和綜合因子得分

由此，便可在ArcGIS中根據(jù)巢湖流域矢量圖和各區(qū)縣土地集約利用類型的屬性數(shù)據(jù)，進(jìn)行地圖綜合，從而得到圖2可見，巢湖流域土地集約利用水平的空間分布是以廬陽區(qū)為原點(diǎn)的同心圓模式，由內(nèi)到外的土地集約利用水平逐漸降低，即由高度集約型向基本集約型，向欠集約型變化。

圖2 巢湖流域土地集約利用程度評(píng)價(jià)圖

土地高度集約型。廬陽區(qū)綜合得分為1.64，其分值大于1.5，屬于土地集約利用高度集約型。廬陽區(qū)是安徽省省會(huì)合肥市的經(jīng)濟(jì)、文化的核心區(qū)域，位于合肥市主城區(qū)中心以及北部，是著名的全國科普示范區(qū)，區(qū)內(nèi)有眾多高等學(xué)府、中等專業(yè)學(xué)校以及多個(gè)科研機(jī)構(gòu)。廬陽區(qū)是合肥市政務(wù)和文化中心，正積極打造不同的文化和金融街區(qū)，進(jìn)而服務(wù)全市甚至向全省輻射。

土地集約型。瑤海區(qū)、包河區(qū)等綜合得分均在0.8～1.5之間，屬于集約型。瑤海區(qū)、包河區(qū)為合肥市轄區(qū)，瑤海區(qū)目前正積極打造物聯(lián)網(wǎng)科技產(chǎn)業(yè)、文化產(chǎn)業(yè)、都市科技產(chǎn)業(yè)等新型產(chǎn)業(yè)形式，提升其綜合發(fā)展實(shí)力；包河區(qū)利用區(qū)內(nèi)文化優(yōu)勢(shì)，目前正探索“產(chǎn)城一體，宜居宜業(yè)”的城市發(fā)展新模式，為其發(fā)展注入新的活力。

土地基本集約型。蜀山區(qū)綜合得分均在0～0.8之間，屬于基本集約型。

土地欠集約型。巢湖市、廬江縣、無為縣、和縣、含山縣、金安區(qū)、舒城縣等綜合得分均在-1～0之間，屬于欠集約型。各縣區(qū)由于山地地形的阻擋，導(dǎo)致其發(fā)展較為緩慢，土地集約利用水平較低。同時(shí)也表明其經(jīng)濟(jì)建設(shè)中存在較多不合理因素，交通不便，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的阻礙度較大，所以這些區(qū)縣需要根據(jù)各自的自身狀況，合理進(jìn)行規(guī)劃，促進(jìn)土地集約優(yōu)化利用。

5 結(jié)論

本研究利用主成分分析法，對(duì)巢湖流域自2010年至2014年的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)并分析了其動(dòng)態(tài)變化，可得出以下相關(guān)結(jié)論：

(1)巢湖流域土地集約利用水平自2010年至2014年呈波動(dòng)性上下浮動(dòng)，整體上是逐年上升的，但上升幅度較低。

(2)巢湖流域土地集約利用的空間分布規(guī)律為，以肥東縣為中心的放射狀向外由高度集約降低為欠集約，東南部和西南部山區(qū)區(qū)域的縣區(qū)，土地集約利用水平最低，而平原地區(qū)較高，這是因?yàn)榍鹆晟絽^(qū)制約了土地利用的橫向發(fā)展，而平原缺少山區(qū)阻礙，土地利用水平較高。表明經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、地形的起伏，影響著土地利用的深度和廣度。

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Study on Land Intensive Use in ChaohuWatershed on Principal Component Analysis

XIA Bangqiao1, WU Yunzhi1, CHEN Yiqiong1, XU Tian1,ZHANG Hongmei2, ZHANG Youhua1

(1.CollegeofInformationandComputerScience,AnhuiAgricultureUniversity,Hefei230036,China;2.AnhuiProvincialLandSurveyingandPlanningInstitute,Hefei230000,China)

This paper uses the principal component analysis method to study the regularity of land intensive use in Chaohu Watershed, and constructs the evaluation index system which contains 12index of intensive land use in Chaohu Watershed from the input, utilization and economic benefit of Chaohu area, to find away to assess Chaohu Watershed land intensive use of rational evaluation and analysis of the dynamic changes in its development. The results show that the intensive land use level of Chaohu Watershed is increasing year by year from 2010 to 2014, and the level of intensive land use is obvious. The level of land intensive use in plain area is higher than that in mountainous hilly area, which indicates the depth of land use and the breadth of its economic development level, terrain ups and downs and other factors.

Chaohu Watershed; land intensive use; principal component analysis; temporal and spatial variation

2017-03-14

國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201411006)。

夏邦橋(1990-)，男，安徽潁上人，碩士研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用、WebGIS。通信作者：張友華(1966-)，男，安徽合肥人，教授，博士，研究方向：農(nóng)業(yè)物流信息化、數(shù)字農(nóng)業(yè)。

F301.2

A

1009-9735(2017)02-0110-05