基于改進(jìn)熵值模型的城市土地集約利用動態(tài)評價(jià):以廣州市為例

李景剛，張效軍，高艷梅，臧俊梅

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) a.信息學(xué)院;b.公共管理學(xué)院，廣州510642;2.華南理工大學(xué) 公共管理學(xué)院，廣州510640)

0 引言

城市土地是城市形成與發(fā)展的基礎(chǔ)，是城市社會、經(jīng)濟(jì)、政治、文化等各項(xiàng)活動的載體，城市土地資源利用的合理性直接關(guān)系到城市的興衰與區(qū)域的發(fā)展，而這種合理性又在很大程度上取決于城市土地利用的高效化與集約化［1］。因此，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展正處于轉(zhuǎn)型時(shí)期、資源日益短缺和城市空間外向擴(kuò)張受限的時(shí)代背景下，我國城市發(fā)展亟需制定新的空間發(fā)展策略，顯然緊湊集約的城市空間發(fā)展模式具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［2-3］。目前，城市土地集約利用問題已備受關(guān)注，眾多學(xué)者分別從城市土地集約利用內(nèi)涵［1，4］、集約評價(jià)指標(biāo)體系［1，4-7］、集約評價(jià)方法［8］、影響機(jī)制［9］、時(shí)空差異［10-12］，以及與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)度［13-15］等方面進(jìn)行了廣泛研究，取得了豐富的成果，但畢竟我國城市土地集約利用研究尚處于起步階段，在城市土地集約利用范疇和評價(jià)指標(biāo)體系等方面仍未達(dá)成一致，評價(jià)方法多受人為因素影響，研究的廣度和深度顯然不能滿足建設(shè)節(jié)約型社會的迫切需求。為此，本研究擬以節(jié)約集約用地試點(diǎn)示范省的核心城市之一的廣州市為研究對象，借助改進(jìn)熵值模型對其城市土地集約利用進(jìn)行動態(tài)分析和評價(jià)，以期為廣州市城市發(fā)展策略制定、節(jié)約集約利用土地資源和社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展提供理論依據(jù)和參考。

1 研究區(qū)概況

廣州市是廣東省的省會，是全省政治、經(jīng)濟(jì)、科技、教育和文化中心。地處北緯 22°26＇～23°56＇、東經(jīng)112°57＇～114°3＇，瀕臨南海，毗鄰香港和澳門，是華南地區(qū)區(qū)域性中心城市、交通通訊樞紐，是中國的“南大門”①2005年，廣州進(jìn)行了行政區(qū)劃調(diào)整，撤銷東山區(qū)、芳村區(qū)，分別并入越秀區(qū)和荔灣區(qū)，設(shè)立南沙區(qū)、蘿崗區(qū)，新10個(gè)區(qū)的城區(qū)特色更為鮮明，一定程度上理順了城市中心區(qū)與郊區(qū)的利益關(guān)系，本研究以行政區(qū)劃調(diào)整后的廣州市作為研究對象，并根據(jù)最新行政區(qū)劃對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。。2007年，廣州市地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)為7 109億元，與上一年相比增長14.92%;人均GDP達(dá)到7.18萬元(按常住人口計(jì))，相當(dāng)于廣東省平均水平的220%;人口密度為1 351人/km2，相當(dāng)于廣東省平均水平的2.57倍。根據(jù)廣州市土地利用變更調(diào)查，2007年廣州市土地總面積為72.87萬hm2，其中，建設(shè)用地面積為16.00萬hm2，占土地總面積21.96%，相當(dāng)于廣東省建設(shè)用地比重平均水平的2.22倍;未利用地面積為4.29萬hm2，僅占土地總面積5.89%，相當(dāng)于廣東省未利用地比重平均水平的81.2%。可見，廣州市人地矛盾突出，后備土地資源利用空間有限，城市土地集約利用勢在必行。

2 研究方法和數(shù)據(jù)來源

2.1 評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

目前，盡管學(xué)術(shù)界對城市土地集約利用范疇和內(nèi)涵尚未達(dá)成一致，但對其本質(zhì)已基本形成共識［1，4］，即城市土地集約利用是動態(tài)的、相對的概念，不能簡單地局限于經(jīng)濟(jì)投入和產(chǎn)出效益的提高，還應(yīng)綜合體現(xiàn)城市經(jīng)濟(jì)、社會與環(huán)境效益的統(tǒng)一與協(xié)調(diào)［11］。因此，城市土地集約利用評價(jià)體系應(yīng)綜合反映人口、經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)環(huán)境與土地利用的關(guān)系［16］。基于上述對城市土地集約利用內(nèi)涵的認(rèn)識，遵循系統(tǒng)性、全面性、層次性、可比性、可獲得性及動態(tài)性等原則，本研究從經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)和時(shí)間4個(gè)維度出發(fā)，構(gòu)建體現(xiàn)廣州市城市土地利用集約變化的評價(jià)指標(biāo)體系(表1)。

表1 城市土地集約利用評價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Evaluation index system of urban land intensive use

2.2 評價(jià)模型構(gòu)建

2.2.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。由于指標(biāo)數(shù)據(jù)的單位和量綱不同，為了使數(shù)據(jù)間具有可比性，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。常見的標(biāo)準(zhǔn)化處理方法有極差標(biāo)準(zhǔn)化、百分比標(biāo)準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化等方法，此外，還有模糊數(shù)學(xué)法、冪函數(shù)和對數(shù)函數(shù)轉(zhuǎn)換法、分級給分法等標(biāo)準(zhǔn)化方法［17］。本研究采用標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其計(jì)算公式為:Xij'=(Xij-)/Sj，式中:Xij'表示標(biāo)準(zhǔn)化以后的數(shù)值;Xij表示第i年第j個(gè)指標(biāo)的數(shù)值表示第j個(gè)指標(biāo)的算術(shù)平均值;Sj表示樣本標(biāo)準(zhǔn)差。

2.2.2 改進(jìn)熵值評價(jià)模型。在綜合評價(jià)中，一般認(rèn)為熵值法確定的指標(biāo)權(quán)重值相對特爾菲法和層次分析法等主觀賦權(quán)法更具客觀性和較高的可信度［18］。對于城市土地集約利用水平動態(tài)評價(jià)來說，各項(xiàng)指標(biāo)自身具有自相關(guān)性，而且在一定時(shí)段上某一指標(biāo)的動態(tài)變化有相同的限制因素和驅(qū)動因素，指標(biāo)間熵值大小的差異能夠反映指標(biāo)狀態(tài)變化程度及其總的限制與驅(qū)動因素的差異，適于時(shí)間序列評價(jià)中權(quán)重的確定［19］。然而，熵值法也有其自身的弱點(diǎn)，對極端值的處理束手無策。為此，有學(xué)者提出了一系列改進(jìn)方法，如秩和比修正法［20］、AHP 修正法［21］、函數(shù)變換修正法［22］、功效系數(shù)修正法和標(biāo)準(zhǔn)化修正法［23］等對數(shù)據(jù)進(jìn)行非零和非負(fù)化處理。鑒于標(biāo)準(zhǔn)化修正法中數(shù)據(jù)變換是一種完全意義的客觀賦權(quán)法，有利于縮小極端值對綜合評價(jià)的影響，因而本研究采用此方法，具體步驟參見文獻(xiàn)［23］。這里值得說明的是，改進(jìn)熵值模型的數(shù)據(jù)非零和非負(fù)化處理過程中，需要將坐標(biāo)進(jìn)行平移，即Xij″=Xij'+K，K為平移幅度，而平移幅度的取值大小對各指標(biāo)的權(quán)重有所影響，目前卻少有學(xué)者提及［24］。本研究以廣州市各項(xiàng)指標(biāo)時(shí)序數(shù)據(jù)為例，對K值不同取值所引起的熵權(quán)變化加以說明(表2)。從表2看出，隨著平移幅度(K值)逐漸加大，各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)均有所縮小，可見，隨著K值不斷增加，數(shù)據(jù)原有的信息差異正在逐漸被掩蓋。因此，在使用標(biāo)準(zhǔn)化修正法時(shí)，應(yīng)盡可能選取可以達(dá)到非零和非負(fù)化效果最小的數(shù)值，從而盡可能多地保留原始數(shù)據(jù)信息差異。鑒于本研究數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后分布在(-2，2)之間，因此，K 值取為2。

2.2.3 協(xié)調(diào)系數(shù)。根據(jù)城市土地集約利用的內(nèi)涵，城市土地集約利用是社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境三大子系統(tǒng)動態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展的過程，城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)集約、可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵在于系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)間相互關(guān)聯(lián)的協(xié)同作用［25］。為了定量描述城市集約發(fā)展的可持續(xù)性，本研究利用協(xié)調(diào)系數(shù)評價(jià)三大子系統(tǒng)之間的發(fā)展關(guān)系。定義樣本i的協(xié)調(diào)系數(shù)(Ci)為:Ci=1-Si/Fi。式中:Si為樣本i的社會狀況指數(shù)、生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)和經(jīng)濟(jì)狀況指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差;Fi為樣本i的社會狀況指數(shù)、生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)和經(jīng)濟(jì)狀況指數(shù)的平均值。計(jì)算出的協(xié)調(diào)系數(shù)數(shù)值將在0與1之間變化。樣本的社會狀況指數(shù)、生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)和經(jīng)濟(jì)狀況指數(shù)數(shù)值越接近，說明樣本的三大子系統(tǒng)之間發(fā)展越協(xié)調(diào)，協(xié)調(diào)系數(shù)越接近1;反之亦然。

表2 改進(jìn)熵值模型中坐標(biāo)平移幅度對各指標(biāo)權(quán)重的影響Tab.2 The influence of the value of K in improved entropy method on index weights of urban land intensive use

2.3 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要來源于2004—2008年廣州市統(tǒng)計(jì)年鑒，2003—2007年廣州市城市環(huán)境綜合整治定量考核表，2003—2007年全國城市環(huán)境管理與綜合整治年度報(bào)告，2003—2007年廣東省環(huán)境狀況公報(bào)，以及2003—2007年廣州市土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 城市土地集約利用評價(jià)指標(biāo)權(quán)重分析

就準(zhǔn)則層權(quán)重而言(表1)，經(jīng)濟(jì)狀況指數(shù)＞社會狀況指數(shù)＞生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)，說明在廣州市城市土地集約利用評價(jià)中，經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r仍是最重要的參評依據(jù)，盡管生態(tài)環(huán)境狀況已納入城市土地集約利用內(nèi)涵，但限于近年來廣州市環(huán)境總體狀況的改善并不明顯，因此，其權(quán)重也最小。人均道路面積、地均城市建設(shè)投入、第三產(chǎn)業(yè)比重、GDP年均增長率、城市環(huán)境保護(hù)投資指數(shù)5個(gè)指標(biāo)的權(quán)重均高于全部參評指標(biāo)權(quán)重的平均值，可見，在此階段廣州市的基礎(chǔ)設(shè)施投入、經(jīng)濟(jì)增長質(zhì)量和環(huán)保投入對城市土地集約利用水平有較大影響。

3.2 城市土地集約利用度評價(jià)結(jié)果

根據(jù)前述方法對廣州市2003—2007年城市土地集約利用度及其社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)3個(gè)子系統(tǒng)綜合指數(shù)進(jìn)行評價(jià)(圖1)。

圖1 廣州市城市土地集約利用度變化情況Fig.1 The degree of urban land intensive use from 2003 to 2007 in Guangzhou City

從總體來看，廣州市城市土地集約利用程度不斷提高，近5年間城市土地集約利用度增長了213%。這一方面得益于廣州市的社會狀況明顯改善，如城市人均道路面積增長了27%，城市人口與用地增長彈性系數(shù)增長了近4倍，基礎(chǔ)設(shè)施狀況的改善和人口集聚效應(yīng)的顯現(xiàn)提高了城市土地集約利用水平，但也不能忽視城市人口與用地增長彈性系數(shù)一直偏離合理的彈性系數(shù)①中國城市規(guī)劃設(shè)計(jì)院(1990)在《2000年城鎮(zhèn)用地預(yù)測綜合報(bào)告》中提出城市擴(kuò)展合理性系數(shù)應(yīng)不超過1.12，此處數(shù)據(jù)為其倒數(shù)(即應(yīng)大于0.89)，而廣州市2003—2007年間城市人口與用地增長彈性系數(shù)僅為0.38。，這也說明廣州市城市土地集約利用仍具較大潛力空間;另一方面得益于廣州市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市建設(shè)的持續(xù)投入，2003—2007年間廣州市地區(qū)生產(chǎn)總值始終保持著兩位數(shù)的增長，年均增長率為14.57%，而地均固定資產(chǎn)投資和地均城市建設(shè)投入在此期間分別增長了58.56%和32.01%。另外，2004—2005年間城市土地利用集約度變化并不明顯，這主要是由于在此期間城市人口與用地增長彈性系數(shù)、GDP年均增長率及城市環(huán)境保護(hù)投資指數(shù)3個(gè)指標(biāo)出現(xiàn)短暫降低所致。

從社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)3個(gè)子系統(tǒng)來看，除生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)在2004—2005年間出現(xiàn)短暫下降之外，其余年份3個(gè)子系統(tǒng)狀況均呈穩(wěn)步上升態(tài)勢。2003—2007年期間，社會狀況指數(shù)、經(jīng)濟(jì)狀況指數(shù)和生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)分別增長了330%，185%和160%，可見，3個(gè)子系統(tǒng)正朝著有序的方向發(fā)展。(1)廣州市投入產(chǎn)出效益提升幅度較大，說明城市規(guī)模效益逐步得到體現(xiàn)。近年來，廣州市國民經(jīng)濟(jì)快速、穩(wěn)定增長，城市土地產(chǎn)出效益增加明顯，2007年地均 GDP相比2003年增長了89.97%，年均增長率均在17.40%以上，地均固定資產(chǎn)投資年均增長率達(dá)12.21%，表明廣州市近5年來城市建設(shè)取得了長足的發(fā)展，使得土地利用投入水平逐年增加。同時(shí)，通過投入產(chǎn)出比較可以發(fā)現(xiàn)，近5年來廣州市地均產(chǎn)出增長水平明顯高于地均投入水平，地均資產(chǎn)投入產(chǎn)出比由2003年的3.20上升到3.83，可見，廣州城市土地利用已步入“高投入，高產(chǎn)出”的發(fā)展模式，但在經(jīng)濟(jì)發(fā)展亟需轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級的背景條件下，廣州市仍需內(nèi)部挖潛，走低碳化持續(xù)發(fā)展之路。(2)近年來，廣州市生態(tài)環(huán)境不斷改善，且仍有提升空間。2003—2007年間廣州市生態(tài)環(huán)境保護(hù)投入有較大幅度提高，地均環(huán)保投入翻了一番，年均增長19.14%，甚至已經(jīng)超過廣州市地均GDP的年均增長水平，但從橫向比較來看，廣州市的城市環(huán)境保護(hù)投資指數(shù)一直低于全省平均值(圖2)，建成區(qū)綠化覆蓋率2003，2006和2007年也均低于廣東省平均水平(圖3)。

圖2 2003—2007年廣州市與廣東省環(huán)保投入指數(shù)比較Fig.2 The comparative analysis of the investment of environmental protection between Guangzhou City and Guangdong Province

圖3 2003—2007年廣州市與廣東省建成區(qū)綠化覆蓋率比較Fig.3 The comparative analysis of green coverage rate in built-up area between Guangzhou City and Guangdong Province

另外，盡管廣州市已加大河流綜合整治力度，實(shí)施了“青山綠地”“藍(lán)天碧水”工程，但由于城市規(guī)模的擴(kuò)大和城市建設(shè)活動的日益頻繁，河流水質(zhì)并未明顯改善，部分河段甚至有惡化趨勢(圖4)，而全市的空氣質(zhì)量有所好轉(zhuǎn)，但空氣污染的季節(jié)性反復(fù)比較明顯(圖5)。因此，廣州市仍需加大生態(tài)環(huán)境保護(hù)和治理力度。

3.3 城市土地集約利用協(xié)調(diào)系數(shù)分析

長期以來，政府過多地注重純粹的經(jīng)濟(jì)增長，忽視了社會和生態(tài)子系統(tǒng)在城市土地集約利用過程中的作用，長此以往必將引起城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的失衡。因此，對3個(gè)子系統(tǒng)間協(xié)調(diào)關(guān)系的分析，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決城市土地利用中存在的問題，從而達(dá)到促進(jìn)城市土地集約利用的目的。根據(jù)圖1數(shù)據(jù)可計(jì)算出近幾年廣州市土地集約利用協(xié)調(diào)系數(shù)(圖6)。

圖6 廣州市城市土地集約利用協(xié)調(diào)系數(shù)與城市土地集約利用度的關(guān)系Fig.6 Synergistic coefficient of urban land intensive use from 2003 to 2007 in Guangzhou

從圖6可以看出，廣州市城市土地集約利用程度基本是朝著有序的方向發(fā)展，并且隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和居民生活水平的提高各子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)性不斷增強(qiáng)。值得注意的是，2004—2006年間城市土地利用系統(tǒng)的協(xié)調(diào)系數(shù)一度出現(xiàn)波動，系統(tǒng)出現(xiàn)無序化發(fā)展的征兆。對比原始數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，這主要是受到城市人口與用地增長彈性系數(shù)、GDP年均增長率及城市環(huán)境保護(hù)投資指數(shù)的影響，在2004年上述3項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到3年間的高點(diǎn)，隨后又出現(xiàn)回落。這說明在廣州市經(jīng)濟(jì)增長放緩階段，城市的人口集聚效應(yīng)也有所減弱，特別是對環(huán)保的投入明顯減慢，與2004年相比，2005年廣州市環(huán)境保護(hù)投資指數(shù)降低了10%左右。由此可見，為了促進(jìn)城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康、有序地發(fā)展，必須注重人口、土地、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)關(guān)系。

4 結(jié)論與討論

(1)從各準(zhǔn)則層權(quán)重來看，經(jīng)濟(jì)狀況指數(shù)＞社會狀況指數(shù)＞生態(tài)環(huán)境指數(shù)，這說明經(jīng)濟(jì)發(fā)展仍是影響城市土地集約利用水平的最重要因素。因此，在未來廣州城市土地開發(fā)利用過程中，不僅應(yīng)側(cè)重于保障經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定增長和改善生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的用地需求，更應(yīng)通過產(chǎn)業(yè)升級和轉(zhuǎn)移，提高單位面積土地的產(chǎn)出水平和質(zhì)量，降低經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對土地的消耗，實(shí)現(xiàn)廣州市土地利用由“高投入，高產(chǎn)出”向“低投入，高產(chǎn)出”集約化發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變。

(2)近年來，廣州市城市土地集約利用水平穩(wěn)步提高，城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)及其子系統(tǒng)也基本朝著有序的方向發(fā)展，但也不能忽視發(fā)展過程中出現(xiàn)的短暫無序化發(fā)展征兆。因此，廣州市在推進(jìn)節(jié)約集約用地試點(diǎn)示范工作中必須注重人口、土地、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)關(guān)系。通過對廣州市與廣東省的縱向與橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，廣州市環(huán)境保護(hù)投入僅相當(dāng)于廣東省的平均水平，這與其所發(fā)揮的試點(diǎn)示范作用極不匹配。因此，廣州市應(yīng)加大環(huán)境保護(hù)投入，以進(jìn)一步提高城市土地集約利用水平。

(3)改進(jìn)熵值模型在土地集約利用評價(jià)過程中不僅有效克服了主觀賦權(quán)法所帶來的人為影響，也避免了熵值模型計(jì)算中極端值處理問題，是一種有效的客觀評價(jià)方法。

(4)囿于數(shù)據(jù)連續(xù)性和時(shí)序性所限，廣州城市土地集約利用度的驅(qū)動力分析還有待進(jìn)一步研究，且在未來集約評價(jià)研究中，評價(jià)指標(biāo)的選取應(yīng)盡可能選擇具有針對性、連續(xù)性、可比性的綜合指標(biāo)，以便開展縱向和橫向?qū)Ρ确治?如有可能，應(yīng)對廣州市集約評價(jià)結(jié)果的空間分布特征進(jìn)行研究，以便為實(shí)施差別化的土地集約利用政策提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

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