西安市高陵區(qū)建設(shè)用地擴張時空變化分析

李旭卉 楊瑾

摘要：隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程不斷加快和人口的持續(xù)增長，建設(shè)用地的需求不斷增加，未來建設(shè)用地擴張與土地供給剛性和耕地保護的矛盾將會日趨尖銳。為了更好地利用建設(shè)用地，了解建設(shè)用地的擴張情況及驅(qū)動機制十分必要。本文以2012—2018年高陵區(qū)建設(shè)用地和相關(guān)社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對高陵區(qū)建設(shè)用地的時間變化特征進行分析;運用空間分析方法揭示高陵區(qū)建設(shè)用地擴張的空間變化特征;分析建設(shè)用地擴張的主要驅(qū)動因素。研究表明：2012—2018年，高陵區(qū)建設(shè)用地持續(xù)擴張、結(jié)構(gòu)趨于均衡發(fā)展、分散性和破碎度逐漸增大。各用地類型的比例差異呈縮小趨勢，人類活動對居住環(huán)境的破壞程度較大且較明顯。另外，高陵區(qū)建設(shè)用地擴張的空間分布具有較強集聚性且趨向穩(wěn)定;擴張強度的標準差橢圓在空間分布上呈現(xiàn)“東北—西南”的空間特征并向“西北—東南”方向收縮。影響建設(shè)用地擴張的驅(qū)動因素概括為居民生活水平提高及經(jīng)濟發(fā)展。高陵區(qū)應(yīng)通過合理預(yù)測、統(tǒng)籌安排布局等方式及行政手段等系統(tǒng)管理建設(shè)用地。

關(guān)鍵詞：建設(shè)用地擴張;空間自相關(guān);標準差橢圓;MoransⅠ指數(shù)

中圖分類號：S-3文獻標識碼：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20200815011

收稿日期：2020-06-28

作者簡介：李旭卉（1997-），女，碩士在讀。研究方向：土地利用。

引言

隨著我國城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進程的加速推進，城市建設(shè)用地擴張導(dǎo)致城市土地利用形態(tài)發(fā)生劇烈變化，在此過程中區(qū)域性的社會經(jīng)濟問題、生態(tài)問題頻發(fā)。因此在人口規(guī)模和土地資源的硬性約束下，如何有效控制建設(shè)用地擴張，從而尋找城市可持續(xù)發(fā)展的道路已成為當前城市發(fā)展重要的研究內(nèi)容[1]。

建設(shè)用地的擴張和驅(qū)動機制已成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點問題。國外學(xué)者對建設(shè)用地研究較早，主要集中在擴展空間過程、動力機制和增長控制等方面[2]。Anderson和Ge[3]經(jīng)研究指出，改革開放以來，對外開放程度促進了我國城市的發(fā)展，其它要素對建設(shè)用地擴展也起到重要的支撐作用。另外，國外的相關(guān)研究大多集中于對遙感技術(shù)的應(yīng)用。Taragi和Pundir[4]等在對印度勒克墻的建設(shè)用地蔓延過程分析時利用了衛(wèi)星圖像，結(jié)果發(fā)現(xiàn)勒克墻建設(shè)用地的擴張具有很快的速率，并且主要是沿著西南方向和東北方向的交通運輸主線的周圍。我國對建設(shè)用地擴張及其驅(qū)動力的研究相對于國外較晚。在研究尺度上，大多數(shù)的研究集中在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，多以單個城市、大型城市群為主。研究方法主要采用回歸分析、相關(guān)分析、空間計量分析等方法;如，王瀟等[5]以國家級歷史文化名城長汀為例，運用分形維數(shù)、等扇形分析等空間分析方法，定量解析2006—2016年長汀主城區(qū)8大類城市用地的空間演變特征。在驅(qū)動力機制上大多采用定性分析，缺少定量檢驗實證，且較少從時間和空間2個角度討論驅(qū)動機制。

因此，本研究在借鑒國內(nèi)外建設(shè)用地擴張研究的基礎(chǔ)上，從建設(shè)用地擴張的時間和空間尺度入手，利用景觀格局指數(shù)、空間自相關(guān)、標準差橢圓分析、主成分分析等方法，探討高陵區(qū)2006—2016年建設(shè)用地規(guī)模變化及城市擴張的規(guī)律。研究結(jié)果可以為該區(qū)制定科學(xué)有效的土地利用政策提供參考依據(jù)，進而尋求更好的解決城市人口、土地資源失調(diào)等問題的辦法。

1研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

高陵區(qū)位于陜西省關(guān)中平原腹地，涇河、渭河兩岸，西安市轄域北部。位于E108°56′16″～109°11′15″，N34°25′00″～34°37′30″。東西長20.55km，南北寬20.1km，總面積294km2。全區(qū)境內(nèi)屬暖溫帶季風(fēng)氣候。冬夏季節(jié)長，春秋季節(jié)短，雨熱同季，四季分明。區(qū)內(nèi)水域涇河、渭河自西向東，在涇渭堡村東北交會，流經(jīng)區(qū)域南部，水域占全區(qū)總面積的5.6%。2018年末全區(qū)常住人口36.36萬人，比2017年末凈增加0.56萬人。初步核算，至2018年底，全年地區(qū)生產(chǎn)總值378.45億元，比2017年增長8.1%。高陵區(qū)位置見圖1。

圖1高陵區(qū)位置示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文中涉及的數(shù)據(jù)主要分空間數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)2類。

空間數(shù)據(jù)包括土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、土地利用規(guī)劃數(shù)據(jù)。根據(jù)《陜西省土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)集》的統(tǒng)計資料，可以得到西安市高陵區(qū)2012—2018年建設(shè)用地面積的原始資料;土地利用規(guī)劃數(shù)據(jù)來源于《西安市土地利用總體規(guī)劃（2006—2020年）調(diào)整完善》。統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自《西安統(tǒng)計年鑒》（2012—2018年）及西安市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報（2012—2018年）。

1.3研究方法

1.3.1時間變化分析

1.3.1.1景觀破碎度

破碎度表征景觀被分割的破碎程度，反映景觀空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在一定程度上反映了人類流動強度對區(qū)域景觀格局的干擾程度。景觀破碎化是生物多樣性喪失的重要原因之一，其與自然資源保護密切相關(guān)[6]。衡量不同景觀類型的破碎化程度，可用景觀平均斑塊面積來表達，公式如下：

式中，Ci為景觀i的破碎度，Ni為景觀i的斑塊數(shù)，Ai為景觀i的總面積。

1.3.1.2最大斑塊指數(shù)

最大斑塊指數(shù)表示整個景觀或某一景觀類型占其他斑塊總面積的百分比例。最大斑塊面積比例能夠反映景觀優(yōu)勢類型，同時與景觀優(yōu)勢物種以及景觀內(nèi)部物種豐富度呈正相關(guān)，比例的變化直接體現(xiàn)出人類活動的偏向和力度[7]。

1.3.2空間變化分析

1.3.2.1MoransⅠ指數(shù)

MoransⅠ指數(shù)也稱莫蘭指數(shù)，是空間自相關(guān)系數(shù)的一種，用于判定一定范圍內(nèi)的空間實體相互之間是否存在相關(guān)關(guān)系，其中P值和Z值被用來顯著性水平檢驗。P值（P-Value，Probability，Pr）代表的是概率，反映某一事件發(fā)生的可能性大小。在空間相關(guān)性的分析中，P值表示所觀測到的空間模式是由某一隨機過程創(chuàng)建而成的概率。而Z值則是總體各單位標準值與其平均數(shù)離差平方的算術(shù)平均數(shù)的平方根。

1.3.2.2標準差橢圓

標準差橢圓即方向分布，又稱利非弗方向性分布，該算法最早是由美國南加州大學(xué)社會學(xué)教授韋爾蒂·利菲弗在1926年提出。該算法最大的特點是可以識別一組數(shù)據(jù)的方向以及分布的趨勢，并且了解到這份數(shù)據(jù)是否具有一些特性[8]。

2建設(shè)用地擴張變化分析

2.1建設(shè)用地擴張時間變化分析

本研究使用景觀指數(shù)對建設(shè)用地擴張的結(jié)構(gòu)進行分析。研究表明，2012—2018年，在整個高陵區(qū)研究范圍內(nèi)，城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點在建設(shè)用地中占支配地位。建設(shè)用地景觀指數(shù)變化情況見表1。

從結(jié)果可以看出，建設(shè)用地破碎度由2012年的0.297增加到2015年的0.386再到2018年的0.467，建設(shè)用地LPI指數(shù)由2012年的8.605%減少到2015年的7.644%再到2018年的7.077%。這說明，在2012—2018年，人為活動對建設(shè)用地的干預(yù)較大，人為干擾了景觀的破碎化。人類活動對居住環(huán)境的破壞程度較大且較明顯，也說明人居環(huán)境緊缺，對土地節(jié)約集約利用的程度增加。其中，城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點的破碎度持續(xù)增加，LPI指數(shù)持續(xù)降低;交通運輸用地等破碎度持續(xù)減少，LPI指數(shù)變化均相對較小。說明對獨立工礦用地的保護和整治初有成效，有利于盤活存量土地、提高土地產(chǎn)能;隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展進步，通達度增加;對風(fēng)景名勝及特殊用地的保護效果及整合能力明顯增強，這與逐漸興起的旅游產(chǎn)業(yè)帶有很大關(guān)系。

2.2建設(shè)用地擴張空間變化分析

2.2.1空間自相關(guān)分析

利用ArcGIS軟件中的空間統(tǒng)計工具分析2012—2018年高陵區(qū)建設(shè)用地擴張的全局空間自相關(guān)系數(shù)[9]。2012年、2015年和2018年3個時間節(jié)點的MoransⅠ指數(shù)見圖2～4。

將以上3a的數(shù)據(jù)整理成表格，見表2。

表22012—2018年空間自相關(guān)系數(shù)

2.2.2標準差橢圓分析

利用ArcGIS軟件的空間統(tǒng)計工具分析標準差橢圓參數(shù)，在研究時間段內(nèi)選擇中間節(jié)點時，由于2015年的標準差橢圓更具有代表性，更能反映2012—2018年間建設(shè)用地擴張強度的空間分布特征，因此研究所選的是2012年、2015年與2018年的標準差橢圓，標準差橢圓參數(shù)見表3。

對高陵區(qū)建設(shè)用地擴張空間分布變化的分析如下。

2012—2018年西安市高陵區(qū)建設(shè)用地擴張強度的標準差橢圓在空間分布上呈現(xiàn)“東北—西南”的空間特征，分布范圍整體上呈現(xiàn)出持續(xù)收縮的態(tài)勢。

從長半軸來看，2012—2018年間長半軸的標準差由7.63km縮小到6.86km再到6.75km，表明擴張強度在“東北—西南”方向上加強;從短半軸來看，2012—2018年間短半軸的標準差持續(xù)縮小，說明建設(shè)用地擴張的分布范圍縮小，建設(shè)用地擴張呈現(xiàn)的向心力趨向明顯，建設(shè)用地擴張的分布范圍趨向集聚。2012年、2015年和2018年建設(shè)用地擴張的橢圓面積持續(xù)減小的變化情況與標準差橢圓的軸向變化情況一致。

從扁率來看，2012—2018年間標準差橢圓的扁率由0.067增加為0.117，整體上說明建設(shè)用地擴張的方向性趨向明顯;2012—2018年間高陵區(qū)建設(shè)用地擴張的方向性先是模糊，然后趨于明顯。從方位角來看，2012—2018年方位角由178.33°減少為77.37°，轉(zhuǎn)動幅度較大，反映出“東北—西南”方向上的分布格局弱化?？傮w上來看，2012—2018年高陵區(qū)建設(shè)用地擴張的空間分布向“西北—東南”方向收縮。

因此，標準差橢圓的分布范圍明顯由東北方向往西南方向收縮，高陵區(qū)建設(shè)用地擴張的空間分布范圍趨向集聚，分布的方向性更加明顯。

2.3建設(shè)用地擴張驅(qū)動因素分析

2.3.1指標選取

考慮到指標選取的可操作性和可量化性及數(shù)據(jù)資料的可獲取性，本文主要從人口增長、經(jīng)濟發(fā)展、社會進步等方面對高陵區(qū)建設(shè)用地擴張的驅(qū)動因素進行定量研究。運用SPSS軟件中通過對上述11個備選驅(qū)動因子和因變量進行典型相關(guān)分析，剔除相關(guān)系數(shù)比較小的因子，最終得到9個顯著影響的驅(qū)動因子[10]。

各要素與建設(shè)用地擴張的相關(guān)系數(shù)見表4。

2.3.2主成分分析

目前主要有4種判斷主成分數(shù)量的方法，分別是：特征值>1;解釋數(shù)據(jù)變異的比例;陡坡圖檢驗;解釋能力檢驗[11]。本研究選取前3種方法進行分析判斷。

2.3.2.1數(shù)據(jù)變異比例及特征值

特征值方面：從上表可以看出，前2位主成分的特征值>1;而第3主成分的特征值為0.150，<1。數(shù)據(jù)變異比例方面：既往研究認為提取的主成分至少應(yīng)該解釋5%～10%的數(shù)據(jù)變異。因此主成分提取數(shù)量為2，即提取前2個主成分。

2.3.2.2陡坡圖檢驗

陡坡圖是根據(jù)各主成分對數(shù)據(jù)變異的解釋程度繪制的圖。圖上每一個主成分為1個點，通過“陡坡趨于平緩”的位置判斷主成分的數(shù)量。在本研究中，第2主成分之后的數(shù)據(jù)趨于平緩，由此認為應(yīng)該提取前2個主成分[11]。陡坡圖見圖5。

從上述3種方法可以看出，影響建設(shè)用地擴張的驅(qū)動因素概括為居民生活水平提高及經(jīng)濟發(fā)展。

2.3.3主導(dǎo)驅(qū)動因素對建設(shè)用地擴張的分析

2.3.3.1居民生活水平提高的驅(qū)動

人口富裕程度和居民收入水平的提高，會對建設(shè)用地擴張產(chǎn)生影響。隨著城市居民收入的提高，生活水平也會相應(yīng)提高，對住宅質(zhì)量的需求較大，推動了城市住宅建設(shè);對環(huán)境質(zhì)量的要求，推動了城市綠地的建設(shè)及居住用地向郊區(qū)擴展[12];一些大型商場和娛樂設(shè)施的建設(shè)滿足了居民的物質(zhì)和精神追求，從而推動建設(shè)用地面積的擴大。

2.3.3.2經(jīng)濟發(fā)展的驅(qū)動