基于空間數(shù)據(jù)挖掘的重慶土地集約利用空間分異分析

摘要：運(yùn)用主成分分析法和空間聚類方法對(duì)重慶市的城市土地集約利用情況進(jìn)行了測(cè)度和評(píng)價(jià)，將重慶土地集約利用水平分為4級(jí)?？偨Y(jié)出重慶市土地利用集約度空間分異特點(diǎn)為中心向外圍遞減的圈層式空間分異結(jié)構(gòu)。最后分析了重慶城市空間發(fā)展存在的問(wèn)題，并提出了相關(guān)優(yōu)化策略，以便更好地提高城市土地利用集約度，探尋更優(yōu)的城市空間架構(gòu)。

關(guān)鍵詞：空間數(shù)據(jù)挖掘；主成分分析；聚類分析；城市土地集約利用；GIS；重慶市

中圖分類號(hào)：P208；F301.24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）02-0295-04

隨著數(shù)據(jù)獲取和處理技術(shù)的迅速發(fā)展及數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，人們積累的數(shù)據(jù)越來(lái)越多，但在激增的數(shù)據(jù)背后隱藏著許多重要的信息，由于缺乏有效的方法，導(dǎo)致了一種“數(shù)據(jù)爆炸但知識(shí)貧乏”的現(xiàn)象[1]，面對(duì)這一挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)挖掘（Data mining，DM）和知識(shí)發(fā)現(xiàn)（Knowledge discovery in databases，KDD） 技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速發(fā)展，它的出現(xiàn)為自動(dòng)和智能地把海量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成有用的信息和知識(shí)提供了手段。

作為DM 技術(shù)一個(gè)新的分支，空間DM也稱基于空間數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)挖掘和知識(shí)發(fā)現(xiàn)（Spatial data mining and knowledge discovery），是指從空間數(shù)據(jù)庫(kù)中提取隱含的、用戶感興趣的空間和非空間的模式、普遍特征、規(guī)則和知識(shí)的過(guò)程[2]。

這里主要應(yīng)用GIS和SPSS分析技術(shù)，采用空間DM中的主成分分析法和空間聚類方法，對(duì)重慶市的40個(gè)區(qū)、縣的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)了重慶市土地利用集約度空間分異特點(diǎn)，分析了重慶城市空間發(fā)展存在的問(wèn)題，以期更好地為重慶城市空間發(fā)展提供一定的決策支持。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

重慶市位于中國(guó)內(nèi)陸西南部、長(zhǎng)江上游和四川盆地東部邊緣，為典型組團(tuán)式城市，是中國(guó)長(zhǎng)江上游地區(qū)惟一匯集水、陸、空交通資源的特大型城市。2009年全市實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值6 530.01億元，比2004年增長(zhǎng)154.5%，其中，第一產(chǎn)業(yè)增加值606.80億元，比2004年增長(zhǎng)50.6%；第二產(chǎn)業(yè)增加值3 448.77億元，比2004年增長(zhǎng)189.3%；第三產(chǎn)業(yè)增加值2 474.44億元，比2004年增長(zhǎng)154.9%。三大產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比例為9∶53∶38。人均地區(qū)生產(chǎn)總值為22 920元。

研究使用的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《重慶統(tǒng)計(jì)年鑒2010》[3]，并以城市各部門官方統(tǒng)計(jì)網(wǎng)站數(shù)據(jù)為補(bǔ)充，重慶市40個(gè)區(qū)、縣的土地利用數(shù)據(jù)、重慶市電子地圖等。

2 研究方法

2.1 評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建

不同學(xué)者根據(jù)不同的研究對(duì)象提出了不同的評(píng)價(jià)體系與指標(biāo)選取。彭建超等[4]從土地投入水平、土地利用效益、土地利用程度與土地利用生態(tài)環(huán)境質(zhì)量4個(gè)方面構(gòu)建了長(zhǎng)三角地區(qū)城市土地利用集約度時(shí)空變異的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；齊梅等[5]從人口集約度、物質(zhì)與資本的集約、土地可持續(xù)性3個(gè)方面來(lái)構(gòu)建重慶城鎮(zhèn)土地集約利用的評(píng)價(jià)指標(biāo)。綜合各個(gè)學(xué)者的相關(guān)研究可以看出，土地集約利用的評(píng)價(jià)主要體現(xiàn)了人口、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)環(huán)境與土地利用的關(guān)系，故根據(jù)這4個(gè)主要的方面構(gòu)建重慶市土地集約利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（表1）。

2.2 評(píng)價(jià)方法

采用主成分分析法進(jìn)行分析。主成分分析法是利用降維的思想，把多個(gè)指標(biāo)或數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化為少量的綜合指標(biāo)，同時(shí)又使這少量指標(biāo)盡可能地包含原指標(biāo)群中的信息資料，這些綜合指標(biāo)更能合理地反映樣本之間的差別，而在統(tǒng)計(jì)意義上是相互獨(dú)立的[6]。

3 結(jié)果與分析

3.1 主成分分析結(jié)果

通過(guò)分析，前3個(gè)成分的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了87.326%，且其初始特征值均大于1，故選擇前3個(gè)成分作為主成分，第一主成分的方差貢獻(xiàn)率為56.336%，第二主成分的方差貢獻(xiàn)率為21.749%，第三主成分的方差貢獻(xiàn)率為9.241%（表2）。

經(jīng)分析，第一主成分在人口密度、城鎮(zhèn)化率、地均GDP、地均工業(yè)產(chǎn)值、地均固定資產(chǎn)投資、地均社會(huì)消費(fèi)品零售總額上的載荷較大，主要體現(xiàn)了土地利用的人口、經(jīng)濟(jì)集約度，反映了土地的利用效益。第二主成分在人均住宅建筑面積、人均道路面積上的載荷較大，反映城市土地利用的社會(huì)效益。第三主成分在人均公共綠地面積、建成區(qū)綠化覆蓋率上的載荷較大，反映了土地利用的生態(tài)效益（表3）。

根據(jù)因子回歸系數(shù)與變量標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)相乘得出各主成分得分，然后以每個(gè)主成分對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，得到各個(gè)城市的綜合因子得分。正數(shù)得分表示土地集約度較高，負(fù)數(shù)得分表示土地集約度較低（表4）。

綜合得分（F）=a1F1+a2F2+a3F3，式中Fi為各主成分因子得分，ai為各主成分對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率。

3.2 聚類分析結(jié)果

利用上述計(jì)算結(jié)果運(yùn)用SPSS進(jìn)行聚類分析，可得到重慶市土地集約利用的分類（表5）。由表5可知，重慶市土地集約利用水平可以分成4個(gè)層次，第一層次：渝中區(qū)；第二層次：渝北區(qū)、北碚區(qū)、雙橋區(qū)、江北區(qū)、九龍坡區(qū)、沙坪壩區(qū)等8個(gè)區(qū)；第三層次：榮昌縣、忠縣、石柱縣、大足縣、綦江縣、南川區(qū)、開(kāi)縣等18個(gè)區(qū)（縣）；第四層次：奉節(jié)縣、城口縣、彭水縣、酉陽(yáng)縣、巫山縣、云陽(yáng)縣、巫溪縣等13個(gè)區(qū)（縣）。

根據(jù)聚類分析結(jié)果繪制重慶市土地利用集約度空間分布圖（圖1），從圖1可以看出，重慶市土地利用集約度大致呈現(xiàn)中心向外圍遞減的圈層式空間分異結(jié)果。

第一級(jí)：渝中區(qū)土地面積最小、人口密度最高，是城市商業(yè)、文化的重要中心，是輻射西南的區(qū)域性金融中心，土地利用集約度最高。

第二級(jí)：南岸區(qū)是重慶發(fā)展較早的一個(gè)區(qū)，該區(qū)一直以來(lái)并不發(fā)達(dá)，主要支柱產(chǎn)業(yè)為商業(yè)，其次是旅游和教育，有著彈子石租界歷史文化街等旅游名勝，歷史文化的保護(hù)使得城區(qū)的土地利用集約度低于第一級(jí)的城區(qū)。大渡口區(qū)是主城向西的重要門戶和窗口，也是重慶主城的生態(tài)和諧宜居區(qū)、文化休閑功能區(qū)、現(xiàn)代物流發(fā)展區(qū)、新型工業(yè)發(fā)達(dá)區(qū)，土地利用集約度較渝中區(qū)低些。沙坪壩區(qū)是紅巖精神發(fā)祥地、抗戰(zhàn)遺址密集區(qū)，是中國(guó)大后方四大文化區(qū)之一，全區(qū)河溪分布廣泛，森林資源較為豐富，使其土地利用集約度在重慶市排列靠前。九龍坡區(qū)有較完備的城市排污系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)主要金融保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)均在該區(qū)設(shè)立了分支機(jī)構(gòu)，區(qū)內(nèi)也有多家大型商場(chǎng)、上檔次的星級(jí)酒店等，餐飲娛樂(lè)業(yè)較為發(fā)達(dá)，土地利用集約度較高。該等級(jí)其他區(qū)土地利用集約度較為接近，均有其特色產(chǎn)業(yè)支持。

第三級(jí)：巴南區(qū)、璧山縣、萬(wàn)盛區(qū)、銅梁縣土地利用集約度位于重慶市的第三級(jí)，且均為正值。巴南區(qū)是主城九區(qū)中惟一一個(gè)歸為第三級(jí)的區(qū)，其區(qū)位優(yōu)勢(shì)較為明顯，交通較為發(fā)達(dá)，資源較為豐富，風(fēng)景名勝薈萃，制造業(yè)是該區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)。璧山縣承載著厚重深蘊(yùn)的人文歷史，是“西部鞋都”，土地利用集約度較低。該級(jí)長(zhǎng)壽區(qū)、永川區(qū)、萬(wàn)州區(qū)、江津區(qū)等14個(gè)區(qū)（縣）土地利用集約度均為負(fù)值，有待于進(jìn)一步提高和合理利用。

第四級(jí)：該級(jí)的13個(gè)區(qū)（縣）土地利用集約度均為較大的負(fù)值，是重慶市經(jīng)濟(jì)落后的郊縣，經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市建設(shè)總體上與重慶市區(qū)有著巨大的差距，土地利用集約度還將長(zhǎng)期處于重慶市的第四級(jí)。

綜上所述，重慶城市土地利用集約度的主要特點(diǎn)為市區(qū)>郊區(qū)>郊縣、城市中心>城市邊緣區(qū)、西部>東部，基本呈現(xiàn)中心向外圍遞減的圈層結(jié)構(gòu)形式。

4 結(jié)論與討論

1）采用空間DM中的主成分分析和空間聚類分析，將空間位置信息和屬性特征相結(jié)合進(jìn)行重慶市土地集約利用空間分異研究十分有效，能更直觀地反映重慶城市土地集約利用的空間特征。

2）通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)重慶一圈一走廊一區(qū)（都市發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)圈、渝西經(jīng)濟(jì)走廊、三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)）的基本格局已初步形成，但從土地集約利用角度看還存在著一些問(wèn)題：①西延、東進(jìn)、南拓、北擴(kuò)的城市空間發(fā)展方向使得重慶城市建設(shè)局面四處出擊、相對(duì)分散，發(fā)展重點(diǎn)與發(fā)展秩序不清晰，城市空間的迅速擴(kuò)展一定程度上帶來(lái)了土地資源的浪費(fèi)與不經(jīng)濟(jì)性；②市域城鄉(xiāng)二元結(jié)構(gòu)突出，小城鎮(zhèn)的建設(shè)也存在著多點(diǎn)、分散、規(guī)模小的狀況；③各類經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)以犧牲土地為代價(jià)吸引投資，造成單位土地面積上的低投入和低產(chǎn)出的負(fù)面效應(yīng)，使得城市土地利用集約度不高，造成土地資源的浪費(fèi)；④城區(qū)房地產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但相關(guān)配套設(shè)施建設(shè)緩慢，不利于城區(qū)的聚集性。重慶城區(qū)改造面臨歷史文化保護(hù)的壓力，人地關(guān)系矛盾有待解決。

總之，重慶城市空間拓展已向著多中心、組團(tuán)狀的結(jié)構(gòu)發(fā)展，但城市土地利用集約度仍主要以圈層結(jié)構(gòu)形式存在?？梢?jiàn)，城市地域的擴(kuò)展存在的土地利用粗放，土地經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益較低等問(wèn)題不利于城市的可持續(xù)發(fā)展。

3）結(jié)合重慶市土地集約利用存在的問(wèn)題，對(duì)重慶市土地集約利用空間優(yōu)化提出以下建議：①在堅(jiān)持以長(zhǎng)江、嘉陵江為主軸，以主城為核心，結(jié)構(gòu)多元，間隔分布，多中心，開(kāi)放式的都市發(fā)展空間格局上，明確重慶近遠(yuǎn)期城市的戰(zhàn)略發(fā)展方向與不同階段的發(fā)展重點(diǎn)。②根據(jù)城市土地集約利用的不同效益角度，合理劃分城市空間的管制區(qū)域，統(tǒng)籌全域空間，提高土地集約利用的綜合效益和土地利用的集約度，構(gòu)筑彈性高效的城市空間結(jié)構(gòu)。③優(yōu)化區(qū)域城鄉(xiāng)用地結(jié)構(gòu)，加快城鄉(xiāng)的適度集中，發(fā)展長(zhǎng)江、嘉陵江兩岸束狀交通走廊的市域城鎮(zhèn)發(fā)展主軸，沿市域南北向交通干線的市域城鎮(zhèn)發(fā)展次軸，構(gòu)建主城區(qū)、新市區(qū)、新市鎮(zhèn)、新村的區(qū)域空間發(fā)展體系。

4）今后應(yīng)結(jié)合時(shí)間指標(biāo)，對(duì)重慶市土地集約利用的時(shí)空演變規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱曉強(qiáng)，王行風(fēng).數(shù)據(jù)挖掘在GIS中的應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2003，39（28）：208-210，213.

[2] 邸凱昌.空間數(shù)據(jù)發(fā)掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2001.

[3] 重慶市統(tǒng)計(jì)局，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局重慶調(diào)查總隊(duì).重慶統(tǒng)計(jì)年鑒2010[M].北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2010.

[4] 彭建超，徐春鵬，吳 群，等.長(zhǎng)三角地區(qū)城市土地利用集約度區(qū)域分異研究[J].中國(guó)人口·資源與環(huán)境，2008，18（2）：103-109.

[5] 齊 梅，楊慶媛，王 燕.重慶直轄十年土地可持續(xù)利用評(píng)價(jià)[J].鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)，2008（9）：71-76.

[6] 楊紅梅，邱道持，張傳華，等.基于因子分析的城市土地集約利用比較研究[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，31（1）：165-169.