基于GIS與PSR的城市土地集約利用時(shí)空差異研究

徐 陽

(安徽理工大學(xué) 空間信息與測(cè)繪工程學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

0 引言

土地是社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ),城市土地的合理有效地續(xù)航是城市保證城市經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期繁榮穩(wěn)定發(fā)展的重要保障[1-2]。近年來,隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及國(guó)家大力推行新型城市化建設(shè),使得城市對(duì)土地的需求也越發(fā)旺盛,我國(guó)雖然土地面積總量豐富,但人口基數(shù)過大,人均耕地面積還不到同期世界平均水平的1/3,“人多地少”的矛盾無可避免[3-4]。因此,調(diào)整用地結(jié)構(gòu)、改變土地利用方式、提高土地利用綜合效益,走集約化發(fā)展的道路是解決我國(guó)人多地少問題、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇[5]。

對(duì)于城市土地集約利用的研究,國(guó)內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了探索,如杜能的區(qū)位論、克里斯泰勒的中心地理論,伯吉斯同心帶,馬爾曼多核結(jié)構(gòu)等,這些城市區(qū)位布局理論對(duì)西方國(guó)家的城市土地集約利用具有指導(dǎo)意義。國(guó)內(nèi)有關(guān)于城市土地集約利用研究約從20世紀(jì)90年代城鎮(zhèn)化飛速的發(fā)展時(shí)期起步,國(guó)內(nèi)有關(guān)方面的研究雖起步較晚,但是在國(guó)外理論和實(shí)際情況的指導(dǎo)下逐步形成了符合中國(guó)實(shí)際的研究對(duì)策。有學(xué)者早在2006年就提出了當(dāng)時(shí)相當(dāng)完備的城市土地集約利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,充分體現(xiàn)了城市土地利用從宏觀到微觀的區(qū)位特點(diǎn),但受制于土地集約利用本身概念的復(fù)雜性以及動(dòng)態(tài)性,該指標(biāo)體系仍需不斷地探討和完善[6];另有部分學(xué)者從土地利用程度、土地經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量對(duì)山東省城市土地集約利用程度進(jìn)行評(píng)價(jià)[7-8];還有學(xué)者利用土地投入程度、土地利用程度、土地可持續(xù)利用等方面展開研究[9-11],種種方法對(duì)山東省城市土地集約利用做出了精確的評(píng)價(jià)。但對(duì)于人地關(guān)系對(duì)土地集約利用的影響研究較少,而基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(Pressure-State-Response，PSR)框架構(gòu)建城市土地集約利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系恰好可以彌補(bǔ)對(duì)人地關(guān)系關(guān)注的空白之處。

PSR模型是經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(Organization for Economic Co-operation and Development,OECD)和聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署(United Nations Environment Programme,UNEP)于20世紀(jì)八九十年代在加拿大統(tǒng)計(jì)學(xué)家David J. Rapport和Anthony Marcus. Friend的理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來并用于研究環(huán)境問題的框架體系[12-14]。由于其較好地反映了人與環(huán)境的相互作用模式,而且具有很強(qiáng)的綜合性,所以在水土資源可持續(xù)利用研究、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展研究、工農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究以及環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[15]。運(yùn)用PSR模型構(gòu)建城市土地集約利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,優(yōu)勢(shì)不僅在于能計(jì)算出城市總體土地集約利用的水平，更重要的是其各子系統(tǒng)以及內(nèi)部各指標(biāo)能夠從不同層面和角度反映了城市土地集約利用協(xié)調(diào)程度,若想城市土地利用集約度提高,必須做到充分適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和資源供給的“壓力”,利用經(jīng)濟(jì)刺激或相關(guān)土地政策等“響應(yīng)”手段調(diào)節(jié)人地關(guān)系,引導(dǎo)城市向更高的土地集約利用“狀態(tài)”轉(zhuǎn)變[16]。利用PSR模型構(gòu)建指標(biāo)體系不僅能對(duì)山東省城市土地集約利用進(jìn)行精確評(píng)價(jià)，更能充分反映出在土地集約利用發(fā)展過程中人地關(guān)系對(duì)集約利用起到的推動(dòng)作用。

1 研究區(qū)概況

山東省位于我國(guó)東部沿海、黃河下游入?？诘貐^(qū),與渤海、黃海相互毗鄰。省內(nèi)土地總面積157 000 km2,約占全國(guó)總面積的1.63%,居全國(guó)第19位,地形相對(duì)復(fù)雜多樣,東部為半島地區(qū),西部和北部是黃河沖擊形成的黃泛平原,是全省地勢(shì)最低處,中南部為山地丘陵。

省內(nèi)農(nóng)業(yè)用地116 000 km2,占土地總面積的73.61%;建設(shè)用地2 510 km2,占土地總面積的15.98%;未利用地163 km2,占土地總面積的10.41%。在建設(shè)用地中,居民點(diǎn)和工礦用地2 093 km2,占總建設(shè)用地的13.3%;交通運(yùn)輸用地163 km2,占總建設(shè)用地的1.0%;水利設(shè)施用地255 km2,占總建設(shè)用地的1.6%。

2 土地集約利用評(píng)價(jià)

2.1 土地集約利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

正確的評(píng)價(jià)結(jié)果離不開合理的指標(biāo)體系構(gòu)建,構(gòu)建指標(biāo)體系要遵循以下幾點(diǎn):(1)在構(gòu)建指標(biāo)體系的時(shí)候必須客觀、全面地選取評(píng)價(jià)指標(biāo),從整體上對(duì)城市土地集約利用情況進(jìn)行測(cè)度與評(píng)價(jià),避免遺漏重要指標(biāo),以免做出的評(píng)價(jià)失真;(2)在充分考慮數(shù)據(jù)獲取的難易程度以及準(zhǔn)確程度的基礎(chǔ)上,充分利用現(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)資料,抓取重點(diǎn)的有代表性的實(shí)際操作相對(duì)簡(jiǎn)單的指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算;(3)城市土地集約利用度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建到評(píng)價(jià)過程都應(yīng)隨客觀實(shí)際變化做相應(yīng)的調(diào)整?；谏鲜鋈齻€(gè)原則選取12種指標(biāo)來對(duì)山東省城市土地集約利用進(jìn)行綜合評(píng)判。具體指標(biāo)如表1所示。

表1 城市土地集約利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

用于計(jì)算城市土地集約利用水平的評(píng)價(jià)指標(biāo)類型和數(shù)目錯(cuò)綜復(fù)雜,不同指標(biāo)之間的單位無法統(tǒng)一、性質(zhì)大有不同,在指標(biāo)體系建立完成后,若直接使用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算得到的結(jié)果不具有真實(shí)性,而且會(huì)存在指標(biāo)間數(shù)量級(jí)的巨大懸殊,因此,為了排除量綱對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響并使得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠,需要對(duì)參與計(jì)算的各項(xiàng)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理,使12個(gè)評(píng)價(jià)因子以統(tǒng)一的計(jì)算單位參與到山東省城市土地集約利用程度的評(píng)價(jià)中[17]。

結(jié)合收集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)數(shù)量級(jí)特征以及考慮到后續(xù)計(jì)算的準(zhǔn)確性,在眾多數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法中選擇了極差標(biāo)準(zhǔn)化法以消除不同單位無法統(tǒng)一的問題。

正向效應(yīng)指標(biāo)的計(jì)算公式為

(1)

負(fù)向效應(yīng)指標(biāo)的計(jì)算公式為

(2)

2.3 指標(biāo)權(quán)重確定

為了克服人為賦權(quán)中主觀因素的影響,故采用理論相對(duì)完善的熵值法確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。在信息論中可以用熵值來判斷某一指標(biāo)的離散程度,指標(biāo)的離散程度越大,該指標(biāo)對(duì)綜合評(píng)價(jià)的影響越大。因此,可根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的變異程度,通過計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的信息熵,從而計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重,為多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)提供依據(jù)[18]。

(1)計(jì)算各參評(píng)指標(biāo)的熵值

(3)

(2)計(jì)算指標(biāo)冗余度

dj=1-e(Xj)

(4)

(3)計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

(5)

2.4 土地集約利用度計(jì)算

城市土地集約利用的計(jì)算需綜合考慮各個(gè)指標(biāo)的影響,按如下公式進(jìn)行:

(6)

表2 山東省歷年城市土地集約利用度及PSR系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)調(diào)度

2.5 PSR系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)調(diào)度分析

根據(jù)“壓力—狀態(tài)—響應(yīng)”框架計(jì)算出的為城市土地集約利用評(píng)分,從PSR模型也可看出其內(nèi)部“壓力”“狀態(tài)”“響應(yīng)”三個(gè)分支系統(tǒng)在不同時(shí)期對(duì)土地集約利用的影響不是一成不變的。只有三個(gè)指標(biāo)平衡的發(fā)展,土地集約利用才算得上健康發(fā)展。據(jù)此,引入?yún)f(xié)調(diào)度函數(shù)來反映三個(gè)準(zhǔn)則與土地集約利用之間復(fù)雜的關(guān)系[19-20]。

(7)

經(jīng)計(jì)算山東省17城市歷年P(guān)SR系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)調(diào)度如表2所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

評(píng)價(jià)等級(jí)的確定是對(duì)評(píng)估的結(jié)果的科學(xué)表述,城市土地集約利用狀態(tài)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)相對(duì)動(dòng)態(tài)的過程,因此，在學(xué)術(shù)界并無統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),參考前人研究基礎(chǔ),結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù),現(xiàn)將土地集約利用程度分為五個(gè)等級(jí)[21-22],如表3所示。

表3 城市土地集約利用分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

基于以下分類標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)的方法繪制圖1所示專題圖使得各地市土地集約利用情況更直觀地反映出來。

圖1 山東省歷年城市土地集約利用分級(jí)圖[審圖號(hào)為GS(2020)4814號(hào)]

由上述計(jì)算數(shù)據(jù)以及土地集約利用分級(jí)圖可以清晰地看出,十年來山東省17地市的城市土地集約利用度總體上是不斷提高的,大部分城市的集約利用度都在基本集約及以上。濟(jì)南的土地集約利用度一直以來保持穩(wěn)定增長(zhǎng);青島市自經(jīng)濟(jì)保持高速發(fā)展后,也十分注重土地集約利用,現(xiàn)已日漸超過濟(jì)南,成為山東省城市土地集約利用的領(lǐng)先城市;山東省城市土地集約利用最特殊的是萊蕪市,它的發(fā)展十分依賴鋼產(chǎn)業(yè),其土地集約利用度受產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響較大,在2015年時(shí)達(dá)到頂峰,已是中度集約利用狀態(tài),但是后勁不足,萊鋼產(chǎn)業(yè)的限制導(dǎo)致其單位土地投入產(chǎn)出比急劇下降,到2018年其集約利用水平又退居粗放利用,因此,2019年國(guó)務(wù)院批復(fù)萊蕪并入濟(jì)南,此舉不僅有利于增強(qiáng)省會(huì)濟(jì)南的經(jīng)濟(jì)實(shí)力,而且有助于利用濟(jì)南的資源幫助萊蕪更好發(fā)展。其他各地市十年來土地集約利用度穩(wěn)步提高,預(yù)計(jì)將會(huì)在下個(gè)十年內(nèi)達(dá)到中等集約水平。

從空間差異上來看,沿海城市的土地集約利用度明顯高于內(nèi)地城市,省會(huì)城市、半島地區(qū)城市的城市土地集約利用度提高較快。從產(chǎn)業(yè)模式上講,這些城市大力發(fā)展以第三產(chǎn)業(yè)為主的經(jīng)濟(jì),單位土地投入產(chǎn)出比較高,且因?yàn)榱己玫木蜆I(yè)機(jī)會(huì)吸引了全省各地的人才到此類城市就業(yè)創(chuàng)業(yè)，又在某種程度上增加了城市土地集約利用度。魯南地區(qū)山地較多對(duì)土地集約利用有較大限制,不過泰安臨沂兩地,一個(gè)旅游業(yè)發(fā)達(dá),一個(gè)物流業(yè)發(fā)達(dá),政府財(cái)政投入較多,相對(duì)刺激了城市土地集約利用的發(fā)展。魯西北地區(qū)處于內(nèi)陸,且大部分人口從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn),因此,土地集約利用度增長(zhǎng)緩慢。

另外也可看出十年來PSR系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)調(diào)度正逐步趨于標(biāo)準(zhǔn)。2009年各地市壓力、狀態(tài)、響應(yīng)三個(gè)子系統(tǒng)之間發(fā)展極不平衡,可以看出城市土地集約利用狀態(tài)是不健康的發(fā)展,不過隨后幾年政府注意到了這個(gè)問題,開始逐步調(diào)整發(fā)展戰(zhàn)略以達(dá)到系統(tǒng)內(nèi)部的平衡,到了2018年系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)調(diào)度已有較大的改善。其中濟(jì)南、青島、濰坊等地協(xié)調(diào)度已十分接近標(biāo)準(zhǔn)值;但是還是可以看出德州、聊城、濱州、菏澤等幾個(gè)城市的協(xié)調(diào)度極不穩(wěn)定,加之這些城市土地集約利用程度也相對(duì)較低,所以魯西北地區(qū)城市土地集約利用狀態(tài)想達(dá)到較高水平還有很長(zhǎng)的路要走。

4 結(jié)束語

本文采用PSR模型結(jié)合熵值法與GIS 的空間分析方法,分析了2009—2018年間山東省城市土地集約利用的差異,對(duì)山東各地市以及整個(gè)山東省十年間城市發(fā)展及城市土地?cái)U(kuò)展的合理程度做了準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明:

(1)山東省城市土地集約利用程度整體在不斷提高,其中中部、東部地區(qū)集約程度較高,西北地區(qū)集約程度較低。受區(qū)位因素和產(chǎn)業(yè)發(fā)展結(jié)構(gòu)的影響,各地市的土地集約利用程度與經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r呈一定的正相關(guān)。為了改善這種區(qū)位差異可適當(dāng)加強(qiáng)區(qū)域間的協(xié)作,優(yōu)化土地資源的配置來減小城市間的差異性,使得山東省城市土地集約利用總體水平上漲。

(2)PSR系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)調(diào)度從2009年的極不協(xié)調(diào)至2018年趨近標(biāo)準(zhǔn)值，可清晰反映出在城市土地集約利用中人地關(guān)系是影響土地利用的一個(gè)關(guān)鍵因素。但是還有少數(shù)幾個(gè)城市的協(xié)調(diào)度偏差較大,為此應(yīng)該充分考慮各系統(tǒng)的綜合發(fā)展程度,確定合理的調(diào)控機(jī)制來促進(jìn)城市土地集約利用健康發(fā)展。

(3)本文采用的PSR模型結(jié)合GIS進(jìn)行城市土地集約利用研究的方法雖充分反映了人地關(guān)系的影響，但對(duì)于土地集約利用的驅(qū)動(dòng)力分析和土地利用狀態(tài)方面有所欠缺,另外，2019年以后，山東省行政區(qū)劃產(chǎn)生較大變革勢(shì)必會(huì)引起土地集約利用的劇烈變化,由于數(shù)據(jù)資料的有限性暫不能對(duì)變化后的土地利用狀態(tài)做出精確評(píng)價(jià)。