基于多源數(shù)據(jù)的白洋淀流域國土空間利用評價

馬建輝，范謀遠(yuǎn)，劉 煜，賈昊晨

（1.河北大學(xué) 經(jīng)濟學(xué)院，河北 保定 071002；2.吉林大學(xué) 東北亞學(xué)院，吉林 長春130012；3.天津大學(xué) 管理與經(jīng)濟學(xué)部，天津 300072；4.河北大學(xué) 資源利用與環(huán)境保護研究中心，河北 保定 071002；5.中國政法大學(xué) 商學(xué)院，北京 100088；6.西南大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院，重慶 400715）

按照“生產(chǎn)空間集約高效、生活空間宜居適度、生態(tài)空間山清水秀”的原則，開展國土空間利用質(zhì)量評價，深化對國土空間利用的科學(xué)認(rèn)知，對實現(xiàn)經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展意義重大?；趥鹘y(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)開展國土空間利用質(zhì)量評價已有較多研究[1-10]，對多源數(shù)據(jù)的利用則不夠深入。隨著數(shù)據(jù)的多元化，基于多源大數(shù)據(jù)的國土空間利用質(zhì)量評價逐漸興起，現(xiàn)有相關(guān)研究主要從生活功能[11]、生態(tài)功能[12]單一視角開展，綜合評價還有待進一步深入研究?？子畹萚13]提出了基于多源數(shù)據(jù)評價國土空間利用質(zhì)量的思路，并分別對城鎮(zhèn)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)三類空間的評價給出了相應(yīng)的指標(biāo)體系，但未進行實證研究。本文以白洋淀流域為研究區(qū)域，開展基于多源數(shù)據(jù)的國土空間利用質(zhì)量評價，為流域國土空間規(guī)劃和利用管理提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)域及研究方法

1.1 研究區(qū)域

白洋淀流域是指唐河、拒馬河、府河等水系的匯水區(qū)域，屬于海河流域，跨河北、北京、山西三個省（市），全流域面積為31816 km2，流域界線長1008 km[14]，主要位于河北省境內(nèi)?？紤]數(shù)據(jù)的可獲得性和可比性，本文以流域內(nèi)縣級行政區(qū)為基本評價單元。由于流域邊界與縣域邊界不一致，本文以白洋淀流域自然邊界為參考，將縣域面積50%以上位于流域邊界內(nèi)的完整的縣級行政區(qū)確定為最終的研究區(qū)，具體包括河北省行唐縣、北京市房山區(qū)以及山西省靈丘縣等29 縣（區(qū)）①白洋淀流域自然邊界矢量數(shù)據(jù)來源見參考文獻[14]，縣級行政區(qū)邊界矢量數(shù)據(jù)來源于自然資源部“全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)”中公開的1：100 萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫。。

1.2 指標(biāo)體系構(gòu)建及權(quán)重設(shè)定

本文基于理論分析，參考現(xiàn)有文獻，結(jié)合數(shù)據(jù)可獲得性，最終確定評價指標(biāo)體系，并利用熵權(quán)法對各指標(biāo)進行賦權(quán)（表1）。

1.3 國土空間利用質(zhì)量評價方法

1.3.1 綜合加權(quán)指數(shù)法

本文采用綜合加權(quán)指數(shù)法對各評價單元的國土空間利用質(zhì)量進行評價，利用公式（1）分別計算生產(chǎn)功能、生活功能和生態(tài)功能指數(shù)，利用公式（2）計算國土空間綜合利用質(zhì)量指數(shù)。

其中，p代表“三生”功能，j代表評價單元，Yp代表生產(chǎn)功能、生活功能或生態(tài)功能指數(shù)，Wpi為第p個功能第i個指標(biāo)的權(quán)重，Ypij代表第p個功能下第j個評價單元第i個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；Y為評價單元的綜合得分，Wp為根據(jù)熵權(quán)法計算的“三生”功能指數(shù)的權(quán)重。

1.3.2 耦合協(xié)調(diào)度評價模型

耦合協(xié)調(diào)度模型主要是通過耦合度C和協(xié)調(diào)發(fā)展度D對若干系統(tǒng)的相互關(guān)系和協(xié)調(diào)發(fā)展程度進行評價[15]。“耦合度”源于物理學(xué)中的概念，利用多系統(tǒng)之間的離差公式表征各系統(tǒng)間的相互作用程度，后被引入社會科學(xué)領(lǐng)域并得到廣泛應(yīng)用。普通采用的耦合度通過對兩個及以上經(jīng)濟社會系統(tǒng)中所有系統(tǒng)值的幾何平均數(shù)與算數(shù)平均數(shù)之比表征其相互作用和影響程度的大小[16]，對于n個系統(tǒng)A1、A2、A3……An，耦合度CA值計算公式如式（3）[15-16]所示。

通過公式（3）計算，得出耦合度值區(qū)間為[0，1]。耦合度越大，說明各系統(tǒng)間離散程度越低；反之則越高。

在耦合度的基礎(chǔ)上，將各系統(tǒng)本身的發(fā)展程度納入考慮，對二者進行幾何平均計算，得到協(xié)調(diào)發(fā)展度，用以對各子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)發(fā)展程度進行評價。本研究借鑒王淑佳等[15]的研究成果，對公式（3）的耦合度計算公式進行修正，構(gòu)建國土空間利用質(zhì)量耦合協(xié)調(diào)評價模型（式4、5），分析“三生”功能指數(shù)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系（表2）。

表2 白洋淀流域國土空間利用耦合度與協(xié)調(diào)發(fā)展度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

其中，D為協(xié)調(diào)發(fā)展度，C為耦合度，Y1、Y2、Y3和Y分別為生產(chǎn)、生活、生態(tài)和綜合功能指數(shù)，Ymax表示Y1、Y2、Y3中的最大值。

1.4 國土空間利用質(zhì)量空間格局分析方法

1.4.1 國土空間利用質(zhì)量重心

國土空間利用質(zhì)量重心是指研究區(qū)域中各個方向上國土空間利用質(zhì)量水平的均衡點，是研究區(qū)域中各評價單元的加權(quán)平均坐標(biāo)點，計算公式見式6和式7。

其中，j代表研究區(qū)域的評價單元，n為評價單元總數(shù)，U、V分別表示研究區(qū)域國土空間利用質(zhì)量重心的經(jīng)度和緯度，Uj、Vj分別表示研究區(qū)域內(nèi)第j個評價單元的重心的經(jīng)度和緯度，Yj表示第j個評價單元的國土空間利用質(zhì)量。

1.4.2 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓方法

標(biāo)準(zhǔn)差橢圓主要是通過長半軸（式8）、短半軸（式9）和旋轉(zhuǎn)角（式10）三個參數(shù)來定義橢圓，以直觀描述區(qū)域某屬性（本文指國土空間利用質(zhì)量）空間分布的主要范圍及方向。標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的范圍表征某屬性的集中程度，其中心為屬性重心；旋轉(zhuǎn)角是順時針偏離正北方向的角度，表示分布方向；長、短半軸分別反映屬性值在主、次趨勢方向上的離散程度，扁率的大小代表屬性分布的方向性強弱。

其中，σU和σV分別為標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的長半軸和短半軸，U'j和V'j表示各研究區(qū)域與平均中心的坐標(biāo)偏差，j、n、Uj和Vj的含義同公式6 和公式7。

1.4.3 Moran 指數(shù)

本文利用全局Moran 指數(shù)（Iq）和局部Moran指數(shù)（Iqj）考察國土空間利用質(zhì)量與鄰近地區(qū)的關(guān)聯(lián)模式。計算公式為：

其中，q代表生產(chǎn)、生活、生態(tài)或綜合功能，j和k表示不同縣域，n為縣域總數(shù)，Yq代表所有縣域第q個功能的國土空間利用指數(shù)均值，Yqj、Yqk表示第j、k個縣域不同功能的國土空間利用指數(shù)值；wjk為空間權(quán)重矩陣w中的元素，代表第j、k個縣域的鄰接信息，本文采用Queen 鄰接法則。

1.5 數(shù)據(jù)來源

考慮數(shù)據(jù)的可獲得性，本文基于2018年的多源數(shù)據(jù)，對白洋淀流域國土空間利用質(zhì)量進行評價。人口、農(nóng)作物產(chǎn)量、農(nóng)作物灌溉面積、耕地機械動力、固定資產(chǎn)投入和化肥使用量等數(shù)據(jù)來源于地方統(tǒng)計年鑒或統(tǒng)計公報；二氧化碳排放量來源于中國碳核算數(shù)據(jù)庫；夜間燈光數(shù)據(jù)來源于中國研究數(shù)據(jù)服務(wù)平臺（CNRDS）；風(fēng)景名勝、文體服務(wù)、生活服務(wù)和公共設(shè)施等來源于高德開放平臺的POI 興趣點；房價來源于房天下網(wǎng)站；道路網(wǎng)密度指數(shù)基于從1：100 萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)（來源于自然資源部全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)）中提取的路網(wǎng)數(shù)據(jù)計算得出；其他數(shù)據(jù)均從中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所的資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心獲取，其中，生態(tài)用地、耕地、農(nóng)村居民點及水域面積來源于中國土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，植被覆蓋指數(shù)來源于中國年度植被指數(shù)（NDVI）空間分布數(shù)據(jù)集①徐新良.中國年度植被指數(shù)（NDVI）空間分布數(shù)據(jù)集.中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)注冊與出版系統(tǒng) (http://www.resdc.cn/DOI),2018.DOI:10.12078/2018060601。，生物豐度指數(shù)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值來源于中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分布數(shù)據(jù)集②徐新良.中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分布數(shù)據(jù)集.中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)注冊與出版系統(tǒng)(http://www.resdc.cn/DOI),2018.DOI:10.12078/2018060503。。

2 實證分析

2.1 國土空間利用質(zhì)量評價

基于熵權(quán)法和綜合加權(quán)指數(shù)法，分別計算國土空間生產(chǎn)、生活、生態(tài)功能指數(shù)和綜合指數(shù)，利用ArcGIS10.2 的自然間斷點功能分為5 級（圖1）。

總體而言，白洋淀流域國土空間生產(chǎn)功能指數(shù)整體呈現(xiàn)東南部較高、西北部較低的格局，而生活和生態(tài)功能指數(shù)則大體一致且與生產(chǎn)功能指數(shù)空間格局相反，這與白洋淀流域東南部地區(qū)經(jīng)濟相對發(fā)達，而西北部山區(qū)生態(tài)較好的實際情況相一致。

生產(chǎn)功能指數(shù)較高的地區(qū)為蓮池區(qū)、競秀區(qū)、新樂市、定州市和安國市，蓮池區(qū)和競秀區(qū)是保定市主城區(qū)，而新樂市、定州市和安國市則鄰近河北省石家莊市，說明區(qū)域性的主城區(qū)及鄰近大城市的區(qū)域生產(chǎn)功能指數(shù)相對較高；多山區(qū)的靈丘、淶源和阜平等西北部山區(qū)，其生產(chǎn)功能則處于較低水平。就生活功能而言，西北山區(qū)的生活便捷度和保障度相比于東南部經(jīng)濟相對發(fā)達地區(qū)差距較小，而其人均生態(tài)用地面積則比東南部地區(qū)高出很多，使得其生活舒適度較高，因此，其生活功能指數(shù)也相對較高；蓮池區(qū)和競秀區(qū)生活服務(wù)設(shè)施相對較為完善，房山區(qū)因其行政隸屬北京且為山區(qū)，其生活服務(wù)設(shè)施完善程度和人均生態(tài)用地面積都較高，故上述地區(qū)的生活功能指數(shù)也處于較高水平。就生態(tài)功能而言，北部山區(qū)的植被覆蓋度、生物豐度和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值均處于較高水平，因此其生態(tài)功能指數(shù)整體較高；而東部的安新縣作為白洋淀主水域所在地，水域面積最大，生物豐度和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值也都處于較高水平，所以其生態(tài)功能指數(shù)也較高。

國土空間利用質(zhì)量綜合指數(shù)整體上呈現(xiàn)西北高-東南低的分布格局，這與生態(tài)、生活功能指數(shù)相似，而與生產(chǎn)功能指數(shù)相反。其中，房山區(qū)和安新縣的“三生”功能指數(shù)皆處于較高水平，西北山區(qū)的生態(tài)、生活功能指數(shù)的高水平有力彌補了生產(chǎn)功能指數(shù)的低水平，故上述地區(qū)綜合指數(shù)均呈現(xiàn)較高狀態(tài)；蓮池區(qū)和競秀區(qū)由于較高水平的生產(chǎn)、生活功能指數(shù)將綜合指數(shù)拉升至次高水平。

2.2 國土空間利用質(zhì)量空間集聚分析

由圖2 和表3 可知，白洋淀流域國土空間利用的生產(chǎn)、生活、生態(tài)和綜合功能指數(shù)均呈現(xiàn)西北-東南分布的格局，且標(biāo)準(zhǔn)差橢圓扁率皆較大，方向性較為明顯。具體而言，生產(chǎn)功能重心位于東南部的保定市主城區(qū)內(nèi)，其標(biāo)準(zhǔn)差橢圓整體位于東南部，空間范圍相對最小，這是由于生產(chǎn)功能指數(shù)較高的區(qū)域主要集中于保定市主城區(qū)及靠近省城的經(jīng)濟發(fā)達縣區(qū)。生態(tài)功能重心大致位于西北的滿城區(qū)、順平縣和易縣三地交界處，標(biāo)準(zhǔn)差橢圓整體位于西北部，橢圓空間范圍相對最大，這是由于生態(tài)功能指數(shù)較高的區(qū)域主要分布于西北廣袤的多山縣區(qū)。生活功能重心位于略偏東北的易縣南部，標(biāo)準(zhǔn)差橢圓位置偏東部分布，空間范圍相對較大，說明其相對于生產(chǎn)和生態(tài)功能方向性較弱而功能指數(shù)離散度較高。綜合功能重心位于白洋淀流域的幾何中心附近，其標(biāo)準(zhǔn)差橢圓也相對居中分布，空間范圍與生活和生態(tài)功能相當(dāng)，略高于生產(chǎn)功能。

圖2 白洋淀流域國土空間利用質(zhì)量重心及標(biāo)準(zhǔn)差橢圓

表3 白洋淀流域國土空間利用質(zhì)量橢圓參數(shù)

由表4 可知，生產(chǎn)、生活、生態(tài)和綜合功能指數(shù)的全局Moran’s I 均為正，p值均小于0.01，說明它們均在1%顯著性水平下存在空間正相關(guān)，表現(xiàn)為高-高集聚或低-低集聚特征。由圖3 可知，在生產(chǎn)、生活、生態(tài)和綜合功能指數(shù)的局部Moran散點圖中，大部分區(qū)縣位于第Ⅰ和第Ⅲ象限，說明白洋淀流域國土空間利用質(zhì)量存在顯著的正向空間溢出效應(yīng)，呈現(xiàn)明顯的非均質(zhì)空間集聚特征。

圖3 白洋淀流域國土空間利用質(zhì)量局部Moran 散點圖

表4 白洋淀流域國土空間利用質(zhì)量全局Moran’s I

2.3 耦合協(xié)調(diào)度評價

耦合度主要體現(xiàn)“三生”各功能之間的協(xié)同程度，協(xié)調(diào)發(fā)展度則表征良性耦合水平的高低。由圖4 可知，白洋淀流域各區(qū)縣協(xié)調(diào)發(fā)展度水平呈現(xiàn)西北高-東南低的分布格局，但整體水平不高，最高等級僅處于瀕臨失調(diào)狀態(tài)，有93.10%縣域均在輕度失調(diào)及以下水平；而耦合度水平大體上呈現(xiàn)西北低-東南高的分布格局。其中，蓮池區(qū)和競秀區(qū)由于生產(chǎn)功能的高水平與生活、生態(tài)功能的低水平反差過大，故耦合度和協(xié)調(diào)發(fā)展度皆處于最低水平；東南部地區(qū)由于“三生”各功能水平相當(dāng)?shù)幱诘退?，故呈現(xiàn)出耦合度較高、協(xié)調(diào)發(fā)展度較低的狀態(tài)；安新縣由于“三生”各功能水平大體相當(dāng)且皆不低，故協(xié)調(diào)發(fā)展度相對較高；西北山區(qū)則由于生產(chǎn)功能的低水平與生活、生態(tài)功能的高水平反差較大，故耦合度水平較低，但生活、生態(tài)功能的良性耦合使得其協(xié)調(diào)發(fā)展度偏高；房山區(qū)生態(tài)功能與西北山區(qū)相似，但生產(chǎn)和生活功能水平略高，故其耦合度與協(xié)調(diào)發(fā)展度相比于西北山區(qū)略強。

圖4 研究區(qū)耦合協(xié)調(diào)性評價結(jié)果圖

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

（1）白洋淀流域國土空間利用質(zhì)量指數(shù)均呈現(xiàn)西北-東南分布格局，方向性皆較為明顯。具體而言，生產(chǎn)功能指數(shù)東南部較高、西北部較低，而生活、生態(tài)功能和綜合指數(shù)大體上與之相反，其中，生產(chǎn)功能和生態(tài)功能呈互補式分布格局。

（2）根據(jù)全局和局部Moran’s I 分析可知，白洋淀流域國土空間利用質(zhì)量存在顯著的正向空間相關(guān)性和空間溢出效應(yīng)，呈現(xiàn)明顯的非均質(zhì)空間集聚特征。

（3）白洋淀流域國土空間利用質(zhì)量指數(shù)耦合度大體上呈現(xiàn)西北低-東南高的分布格局，協(xié)調(diào)發(fā)展度水平呈現(xiàn)較為規(guī)律的西北高-東南低分布格局，但整體水平不高。

3.2 建議

（1）白洋淀流域國土空間利用，應(yīng)堅持系統(tǒng)、整體觀念，從全局出發(fā)，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)生產(chǎn)、生活和生態(tài)功能，推進區(qū)域國土空間利用質(zhì)量協(xié)調(diào)均衡發(fā)展。東南部地區(qū)應(yīng)注重生活和生態(tài)功能的提升，加強以生活服務(wù)和保障設(shè)施為代表的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提升城市綠化水平，增大人均生態(tài)用地面積；區(qū)域中心城區(qū)，如保定市主城區(qū)應(yīng)重點加強城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)，使生態(tài)功能與生產(chǎn)、生活功能相協(xié)調(diào)；西北山區(qū)應(yīng)在保護生態(tài)的同時，進一步重視生產(chǎn)功能水平的提升，將產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向與生態(tài)資源優(yōu)勢有機結(jié)合，大力發(fā)展旅游業(yè)、環(huán)?？萍籍a(chǎn)業(yè)和新型制造業(yè)。

（2）充分發(fā)揮白洋淀流域國土空間利用質(zhì)量的空間正相關(guān)性和空間溢出效應(yīng)，促進相鄰縣域之間的協(xié)同發(fā)展，實現(xiàn)區(qū)域間“三生”功能的均衡分布。

（3）對雄安新區(qū)及周邊地區(qū)進行生產(chǎn)建設(shè)以及發(fā)展的過程中，應(yīng)當(dāng)注意對白洋淀流域生態(tài)環(huán)境的保護，堅持“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念，致力于“三生”功能高水平的協(xié)同發(fā)展。