南昌市“三生”空間時(shí)空格局演化特征分析與預(yù)測

張 鵬，李 慶

(深圳市坪山規(guī)劃和自然資源研究中心，深圳 518118)

近年來，隨著中國城鎮(zhèn)化的高速發(fā)展、城鎮(zhèn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人地關(guān)系不和諧的問題越來越突出，具體表現(xiàn)為生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間的矛盾日益加劇。黨的十八大提出要形成集約高效的生產(chǎn)空間、宜居適度的生活空間、山清水秀的生態(tài)空間，并且要實(shí)現(xiàn)“三生”空間的合理結(jié)構(gòu)及其協(xié)調(diào)發(fā)展，這對(duì)“三生”空間的規(guī)劃布局提出了較高的要求。

因此，城市發(fā)展過程中能否把握“三生”空間的整體格局，實(shí)現(xiàn)“三生”空間的協(xié)調(diào)發(fā)展是當(dāng)前亟待解決的問題。當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)“三生”空間相關(guān)問題的研究，主要從“三生”空間分類體系與空間范圍劃定[1-3]、“三生”空間的優(yōu)化與重構(gòu)[4-7]、“三生”空間適宜性評(píng)價(jià)與功能測度[8-11]、“三生”空間的協(xié)調(diào)性與土地多功能利用[12-18]等方面展開了研究與探討，取得了卓有成效的成果。

然而，這些基于“三生”空間的研究多集中于宏觀尺度的全國以及微觀尺度的縣域、鎮(zhèn)域等，對(duì)中觀尺度的大型城市研究較少，且對(duì)城市“三生”空間的格局演化研究更顯不足，亟需深入研究城市內(nèi)部“三生”空間的格局演化過程特征及其形成原因與演變方向。

綜上，本文以江西省南昌市為研究區(qū)域，構(gòu)建“三生”空間功能評(píng)價(jià)體系，選取2000年、2005年、2010年、2015年4個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，利用GIS空間分析，分析南昌市生產(chǎn)—生活—生態(tài)空間的演變特征，測算不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的空間功能值，對(duì)比分析其內(nèi)在動(dòng)因，最后利用ANN-CA模型對(duì)南昌市“三生”空間演變趨勢進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)一步研究其格局演化方向與空間功能值的變化，旨在為南昌市“三生”空間優(yōu)化布局、協(xié)調(diào)發(fā)展以及可持續(xù)發(fā)展提供參考和借鑒。

一 研究方法與數(shù)據(jù)來源

(一)研究區(qū)概況

南昌市位于江西省中部偏北，贛江、撫河下游，鄱陽湖西南岸，毗鄰長江三角洲、珠江三角洲和海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)，是江西省的省會(huì)城市和政治、經(jīng)濟(jì)、文化、科教、交通中心。全市轄6個(gè)區(qū)、3個(gè)縣，總面積7 402 km2，常住人口554.55萬人，城鎮(zhèn)人口411.64萬人，城鎮(zhèn)化率74.2%；境內(nèi)以平原為主，山地丘陵鑲嵌其間，東南相對(duì)平坦，西北丘陵起伏，水網(wǎng)密布，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。隨著近年來南昌市的城鎮(zhèn)化水平不斷提高，土地利用變化明顯，城市擴(kuò)張與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間沖突矛盾加劇。因此，分析其“三生”空間格局的演化過程和動(dòng)因以及對(duì)“三生”空間發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測，能促進(jìn)南昌市“三生”空間協(xié)調(diào)發(fā)展、提高區(qū)域土地利用效率和可持續(xù)發(fā)展，對(duì)南昌市城市發(fā)展有重要意義(圖1)。

圖1 研究區(qū)域位置示意

(二) 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究所用的南昌市2000年、2005年、2010年和2015年土地利用數(shù)據(jù)來源于Landsat TM/ETM/OLI遙感影像，影像分辨率為30 m，經(jīng)過GIS平臺(tái)圖像融合、幾何校正、圖像增加等操作后通過目視解譯的方法獲得南昌市包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6個(gè)一級(jí)類和18個(gè)二級(jí)類的土地利用數(shù)據(jù)；此外，本文所使用到的南昌市基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)以及南昌市生態(tài)保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)分別來源于江西省自然資源廳和江西省環(huán)保廳以及《南昌統(tǒng)計(jì)年鑒》(2016)。數(shù)據(jù)處理與分析主要在ArcGIS10.2軟件平臺(tái)上進(jìn)行。

二 研究方法

(一)“三生”空間功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建與空間劃分

1.“三生”空間功能值評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

“三生”空間功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建是進(jìn)行“三生”空間劃分和功能值測度的基礎(chǔ)。本文參考李廣東和劉繼來[19-20]等人的“三生”空間分類評(píng)價(jià)方案，考慮土地的多功能性，依據(jù)土地的主次功能差異和功能強(qiáng)弱，將各類用地分為四個(gè)等級(jí)，以生態(tài)用地為例包括生態(tài)用地、半生態(tài)用地、弱生態(tài)用地和非生態(tài)用地。參考謝高地[21]等人對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量的估算，采取分級(jí)賦分的方法對(duì)不同土地利用類型所能提供的各類功能進(jìn)行打分?；诖藰?gòu)建南昌市“三生”空間土地利用分類體系與功能值表(表1)，限于數(shù)據(jù)精度，將城鎮(zhèn)中的住宅用地與商服用地、交通運(yùn)輸用地等合并成城鎮(zhèn)用地，賦予其生活和生產(chǎn)功能。

表1 基于“三生”空間的南昌市土地利用分類體系與功能值

2.南昌市“三生”空間識(shí)別

根據(jù)不同類型土地所具有的“三生”空間功能的差異，結(jié)合南昌市實(shí)際情況，考慮土地的多功能性，對(duì)南昌市“三生”空間進(jìn)行分類(表2)。當(dāng)同一類型的土地?fù)碛卸喾N“三生”功能時(shí)，其所代表的“三生”空間類型也有多種。

表2 基于土地利用功能的南昌市“三生”空間分類體系

3.“三生”空間格局構(gòu)建和功能值測算

根據(jù)上述“三生”空間土地利用分類方法與各類用地的功能評(píng)分值，結(jié)合南昌市土地利用數(shù)據(jù)，采用ArcGIS柵格計(jì)算的方法，構(gòu)建南昌市生產(chǎn)空間、生活空間和生態(tài)空間格局。具體步驟如下：(1)對(duì)南昌市不同土地利用類型分別賦予不同的“三生”空間功能值，將矢量數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)換為含有生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間功能值的柵格數(shù)據(jù)，分辨率為30 m；(2)構(gòu)建1 km×1 km的格網(wǎng)，采用分區(qū)統(tǒng)計(jì)的方法計(jì)算每個(gè)格網(wǎng)內(nèi)的“三生”空間功能均值，作為單位面積的“三生”空間功能值；(3)采用自然斷點(diǎn)法將“三生”空間功能值分級(jí)，生成南昌市“三生”空間格局圖。

“三生”空間功能值計(jì)算公式如下：

(1)

將南昌市分成n個(gè)方格區(qū)域，方格區(qū)域面積為1 km×1 km，Pi為南昌市第i類“三生”空間的功能值，pmi為第m個(gè)方格中第i類三生空間的功能均值。

(二) “三生”空間格局演變預(yù)測

“三生”空間格局變化實(shí)質(zhì)上是土地利用類型的變化，對(duì)“三生”空間格局演變方向進(jìn)行預(yù)測即對(duì)土地利用類型變化進(jìn)行預(yù)測。本文參考黎夏、劉建華等人[22-23]基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的元胞自動(dòng)機(jī)模擬與預(yù)測模型(ANN-CA)對(duì)南昌市土地利用類型轉(zhuǎn)換進(jìn)行預(yù)測。ANN-CA模型的原理是采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法提取研究區(qū)土地利用變化規(guī)則，然后將規(guī)則用于后續(xù)的模擬和預(yù)測中。對(duì)土地利用類型轉(zhuǎn)換進(jìn)行預(yù)測，主要過程分為訓(xùn)練和預(yù)測兩個(gè)階段，訓(xùn)練階段通過抽樣數(shù)據(jù)訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，獲得網(wǎng)絡(luò)權(quán)重值；預(yù)測階段通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到應(yīng)轉(zhuǎn)換的類型，判別當(dāng)前柵格是否可以轉(zhuǎn)換。這里ANN-CA采用定義城市用地柵格轉(zhuǎn)換數(shù)量作為預(yù)測終止條件的策略，本文采用2005—2015年南昌市城市用地的轉(zhuǎn)換量來估算2015—2025年南昌市城市用地的轉(zhuǎn)換量，以此來預(yù)測2025年南昌市土地利用類型。

其計(jì)算公式如下：

(2)

表3 基于“三生”空間功能值的南昌市土地利用分類

三 結(jié)果分析

(一)南昌市“三生”空間時(shí)空格局分析

1.生產(chǎn)空間起伏增長

2000—2015年南昌市生產(chǎn)空間主要集中分布在主城區(qū)以及南昌縣和新建縣北部區(qū)域，除主城區(qū)外的其他區(qū)域與南昌市糧食作物主產(chǎn)區(qū)基本一致(圖2)；生產(chǎn)用地面積呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，由2000年的4 589.22 km2增加到2015年的4 727.15 km2，2015年生產(chǎn)用地總面積比2000年增加了3.01%；生產(chǎn)空間功能總值由2000年的13 592.46增加到2015年的14 479.46，增加了6.53%，功能值增加的主要區(qū)域位于主城區(qū)邊緣，與南昌市城市擴(kuò)張范圍基本一致。功能值減少區(qū)域則較為分散，除主城區(qū)外均有分布(圖3)。2000—2015年南昌市生產(chǎn)空間的增長動(dòng)力主要來源于城市擴(kuò)張，而農(nóng)村居民點(diǎn)的增加占用耕地導(dǎo)致了生產(chǎn)空間小幅縮減，總體上增長量大于減少量，生產(chǎn)空間以擴(kuò)張為主要特征。生產(chǎn)空間面積增加量小于其功能值增加量，生產(chǎn)空間在質(zhì)量上有一定的提升。

圖3 2000—2015年南昌市生產(chǎn)空間格局變化

2.生活空間快速擴(kuò)張

2000—2015年南昌市生活空間主要集中在主城區(qū)、南昌縣縣城、安義縣縣城和進(jìn)賢縣縣城區(qū)域，與南昌市主要城鎮(zhèn)位置一致(圖4)；生活空間面積呈現(xiàn)出不斷增加的態(tài)勢，由2000年的3 080.10 km2增加到2015年的6 205.80 km2，增長了101.48%，并在2000—2005年和2010—2015年有著爆發(fā)式的增長；生活空間功能總值由2000年的1 471.64增加到2015年的2 881.16，增長了95.78%，功能值增加區(qū)域與南昌市城市擴(kuò)張的范圍基本一致，夾雜著南昌縣部分農(nóng)村居民點(diǎn)的擴(kuò)張區(qū)域，功能值減少區(qū)域主要位于偏遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)村居民點(diǎn)(圖5)。南昌市生活空間變化以擴(kuò)張為主要特征，主要來源于城市擴(kuò)張?jiān)黾恿顺擎?zhèn)用地和建設(shè)用地，2000年開始的紅谷灘新區(qū)開發(fā)建設(shè)，以及國家經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)成立，使得南昌市城市發(fā)展迎來飛速發(fā)展的時(shí)期。2005—2010年南昌市生活空間發(fā)展進(jìn)入平穩(wěn)期，2010—2015年，隨著主城區(qū)周邊縣區(qū)的崛起以及紅谷灘新區(qū)建設(shè)加速南昌市城市發(fā)展又步入快速發(fā)展期，城市擴(kuò)張與生活空間格局變化基本同步。少部分區(qū)域的生活空間減少是開展居民點(diǎn)整治和耕地占補(bǔ)平衡的結(jié)果。

圖4 2000—2015年南昌市生活空間格局

圖5 2000—2015年南昌市生活空間格局變化

3.生態(tài)空間不斷縮減

2000—2015年南昌市生態(tài)空間主要集中在北部鄱陽湖區(qū)域、灣里區(qū)和軍山湖及其周邊(圖6)。

圖6 2000—2015年南昌市生態(tài)空間格局

生態(tài)空間面積變化呈不斷減少的趨勢，由2000年的7 078.09 km2減少到2015年的6 765.51 km2，減少了4.41%；生態(tài)空間功能總值由2000年的25 678.2減少到2015年的24 409.92，減少了4.94%，功能值增加區(qū)域主要分布在新建區(qū)北部贛江流域和南昌縣北部的贛江支流流域，功能值減少區(qū)域主要集中在主城區(qū)周圍和各縣區(qū)縣城周邊區(qū)域以及南昌縣與新建區(qū)交界的贛江流域(圖7)。南昌市生態(tài)空間變化主要以縮減為主要特征，由于城市擴(kuò)張和農(nóng)村居民點(diǎn)擴(kuò)張占用耕地導(dǎo)致生態(tài)空間減少，以及南部靠近主城區(qū)贛江流域開發(fā)建設(shè)導(dǎo)致生態(tài)空間破壞與減少，北部靠近鄱陽湖贛江流域由于開發(fā)管制和生態(tài)恢復(fù)，生態(tài)空間有小幅增加，大部分水域以及灣里生態(tài)保護(hù)區(qū)生態(tài)空間保持穩(wěn)定。

圖7 2000—2015年南昌市生活空間格局變化

(二) 南昌市“三生”空間時(shí)空格局及其功能差異的動(dòng)因分析

影響南昌市“三生”空間時(shí)空格局及其功能性水平差異的主要因素包括快速的城市擴(kuò)張打破原有格局、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所引發(fā)的土地沖突以及自然環(huán)境的本底約束等。

1.自然環(huán)境的本底約束決定了南昌市“三生”空間的整體格局

南昌市地形以鄱陽湖平原為主，東南相對(duì)平坦，西北為丘陵，其中崗地低丘占34.4%，平原占35.8%，水域占29.78%，其中中部主城區(qū)和作為糧食主產(chǎn)區(qū)的東南部平原構(gòu)成了南昌市生產(chǎn)空間主要區(qū)域，中部贛江流域沿岸地勢平坦適宜居住和生產(chǎn)地區(qū)構(gòu)成南昌市生活空間主要區(qū)域，水域和西北部丘陵構(gòu)成了南昌市生態(tài)空間主要區(qū)域。

2.經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展成為南昌市“三生”空間格局演變的核心動(dòng)力

南昌市主城區(qū)、經(jīng)開區(qū)、高新區(qū)和紅谷灘新區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展明顯優(yōu)于其他縣區(qū)，2015年這些區(qū)域的地區(qū)生產(chǎn)總值占南昌市地區(qū)總產(chǎn)值的76.94%，同時(shí)也是南昌市二、三產(chǎn)業(yè)主要集中分布區(qū)。核心區(qū)域的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，使得“三生”用地的矛盾不斷加劇，“三生”空間不斷相互擠壓，2000—2015年生活空間增長超過1倍，導(dǎo)致“三生”空間的演化集中于主城區(qū)邊緣。

3.城市擴(kuò)張成為南昌市“三生”空間沖突的主要誘因

隨著城市的不斷擴(kuò)張導(dǎo)致生活空間需求不斷增加，同時(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來了生產(chǎn)空間的增長，農(nóng)業(yè)用地和生態(tài)用地不斷縮減，2000—2015年生態(tài)空間縮減了4.94%，原有的“三生”空間關(guān)系發(fā)生轉(zhuǎn)變，誘發(fā)了南昌市生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間沖突。

(三) 南昌市“三生”空間時(shí)空格局演變趨勢分析

1.ANN-CA鄰域規(guī)則提取

將南昌市2010年和2015年土地利用數(shù)據(jù)按照“三生”空間功能值進(jìn)行分類(圖8)作為ANN-CA模擬的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將成本距離法計(jì)算得到的城市擴(kuò)張阻力面采用柵格計(jì)算的方法進(jìn)行歸一化計(jì)算得到影響因子。隨機(jī)抽取5%的像元，以這些像元為中心的3×3鄰域內(nèi)的各輸入變量的大小為 ANN 模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫。選其中80%進(jìn)行模型訓(xùn)練，20% 作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)集。采用量化共軛梯度法對(duì) ANN 進(jìn)行訓(xùn)練，模型共經(jīng)300次迭代后均方根誤差達(dá)到最小為 0.028 6，如圖9所示，此時(shí)驗(yàn)證集的精度為98.216%，模型擬合精度較好地滿足了本研究要求。

圖8 基于“三生”空間功能值的2015年南昌市土地利用分類

圖9 ANN模型誤差

2.基于ANN-CA的南昌市“三生”用地預(yù)測

四 結(jié)論與討論

(一)結(jié)論

本文首先剖析了南昌市基于生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間的時(shí)空格局特征，構(gòu)建了南昌市“三生”空間功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用2000年、2005年、2010年和2015年的南昌市土地利用分類數(shù)據(jù)，結(jié)合ArcGIS空間分析，揭示了南昌市“三生”空間格局和功能性水平演變特征及其動(dòng)因。結(jié)果顯示，南昌市“三生”空間分布較為集中，整體格局變化集中在主城區(qū)及其周圍，不同區(qū)域間“三生”空間功能值差異顯著，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市擴(kuò)張為其演變主要?jiǎng)右颉Ｈ缓蟾鶕?jù)“三生”空間功能值將南昌市土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，結(jié)合ANN-CA模型對(duì)南昌市未來土地利用類型轉(zhuǎn)換進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而對(duì)南昌市“三生”空間未來格局和演變趨勢進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果顯示，未來南昌市“三生”空間演變依然以城市擴(kuò)張為主要?jiǎng)右?，演變核心區(qū)域由原來的主城區(qū)轉(zhuǎn)移到了周邊縣區(qū)。具體結(jié)論如下：

2000—2015年南昌市生產(chǎn)空間集中主城區(qū)以及南昌縣和新建北部，生產(chǎn)空間變化以擴(kuò)張為主要特征，整體上擴(kuò)張大于縮減；生活空間主要分布在南昌市主城區(qū)和其他主要城鎮(zhèn)所在地，生活空間變化以擴(kuò)張為主要特征，并在2000—2005年和2010—2015年呈爆發(fā)式增長；生態(tài)空間變化以縮減為主要特征，主要區(qū)域位于各城鎮(zhèn)及居民點(diǎn)邊緣，其他區(qū)域生態(tài)空間保持穩(wěn)定。

南昌市“三生”空間格局及功能差異來源于自然環(huán)境的本地約束、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和城市擴(kuò)張，城市擴(kuò)張成為其演變主要誘因。

未來南昌市“三生”空間演變核心區(qū)域由原來的主城區(qū)轉(zhuǎn)移到經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)較慢的縣區(qū)，生態(tài)空間繼續(xù)呈緩慢縮減的趨勢，生產(chǎn)生活空間則由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市擴(kuò)張持緩慢擴(kuò)張趨勢。

(二) 討論

科學(xué)、合理的分析“三生”空間格局演化特征和成因，為研究“三生”空間合理優(yōu)化和協(xié)調(diào)發(fā)展提供了一定的案例基礎(chǔ)和依據(jù)?！叭笨臻g未來演變趨勢的研究，能對(duì)即將發(fā)生的土地沖突與矛盾預(yù)警，提前研究應(yīng)對(duì)之策。南昌市“三生”空間格局演化分析中發(fā)現(xiàn)的一系列問題，如生活空間與生產(chǎn)生態(tài)空間之間的矛盾，城市擴(kuò)張占用耕地以及生態(tài)用地減少等，對(duì)實(shí)現(xiàn)南昌市“三生”空間協(xié)調(diào)發(fā)展以及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

本研究對(duì)“三生”空間時(shí)空格局演變的研究只對(duì)其功能性水平進(jìn)行了分析，沒有引入社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，且對(duì)各縣區(qū)微觀格局演變沒有進(jìn)行深入研究，由于數(shù)據(jù)精度有限對(duì)基于“三生”空間功能值的土地利用分類精確度略顯不足。另外，本文對(duì)“三生”空間格局演變的預(yù)測，缺乏精度驗(yàn)證和模型適用性檢驗(yàn)。接下來會(huì)對(duì)以上不足開展進(jìn)一步研究。