基于主成分分析的巢湖流域土地集約利用研究

夏邦橋，吳云志，陳祎瓊，徐 甜，張紅梅，張友華

(1.安徽農業大學 信息與計算機學院，安徽 合肥 230036；2.安徽省土地勘測規劃院,安徽 合肥 230000)

基于主成分分析的巢湖流域土地集約利用研究

夏邦橋1，吳云志1，陳祎瓊1，徐 甜1，張紅梅2，張友華1

(1.安徽農業大學 信息與計算機學院，安徽 合肥 230036；2.安徽省土地勘測規劃院,安徽 合肥 230000)

利用主成分分析法對巢湖流域進行土地集約利用規律性的研究，從巢湖區域對土地的投入、利用程度和經濟效益三個方面共計12個指標構建巢湖流域土地集約利用的評價指標系統，對巢湖流域的土地集約利用進行合理性評價及分析其發展的動態變化。研究表明：從2010年到2014年，巢湖流域土地集約利用水平逐年上升但增長緩慢；土地集約利用水平空間差異明顯，平原區縣土地集約利用水平高于山地丘陵區縣，說明土地利用的深度和廣度受其經濟發展水平、地形起伏等因素的影響。

巢湖流域；土地集約利用；主成分分析法；動態變化

隨著我國城市化和工業化進程加快，城市規模也不斷地擴大，在各方面始終發揮著不可替代的作用。然而，在城市發展的過程中，也面臨著諸多問題，如用地規劃不合理、土地經濟及生態效益[1，2]低下等，都影響了經濟社會的持續健康發展。諸多學者也使用不同的評價體系對其進行研究，以揭示城市土地集約利用的變化規律及其發展趨勢。如閆巖在《福建省城市土地集約利用評價》中指出福建省土地集約利用水平呈階梯狀分布，差異顯著，土地集約利用水平受區位因素及經濟水平的影響；孟鵬、郝晉珉等[3]以北京亦莊新城為例對新型城鎮化背景下的工業用地集約利用評價研究，范輝等[4]以武漢市中心城區為例對城市土地集約利用內部協調性的時空演變的研究，張悅[5]對江蘇省土地集約利用的空間差異研究等。

然而這些不同角度的研究中也存在著一些問題，如對城市土地集約利用的研究過多的局限于理論研究，即多為定性研究[6]，學術界對城市土地集約利用概念的認識及其評價體系的確定，尚未形成統一的見解。巢湖流域是我省城市化進程的先行者，也是積極地推動者，在推動經濟社會持續快速發展、各個產業結構優化升級、居住生活環境的優化改善等方面，起著不可替代的作用。本研究立足于巢湖流域14各縣區的發展實際，從城市土地經濟效益[7]、土地投入程度、土地利用程度這三個方面運用主成分分析法分析2010～2014年巢湖流域土地集約利用水平，評價和揭示其土地利用結構變化的規律及其發展變化的趨勢，提出相應的對策，以期巢湖流域的經濟社會發展提供指導和參考。

1 研究區概況

巢湖流域，位于北緯30.9°至北緯32..1°與東經116.4°至東經118.0°之間，地勢西南部大別山區海拔較高，東北部較低，呈“簸箕狀”，巢湖湖盆海拔最低處。巢湖流域在行政區劃上包括合肥市四區、肥西縣、肥東縣、廬江縣以及巢湖市和長豐縣、無為縣、含山縣、和縣、金安區、舒城縣等14個縣區。

該區域十年以來城市化水平和進程不斷加快，巢湖流域處于“皖江城市帶承接產業轉移示范區”以及“中部崛起”戰略的腹地，特別是2014年“發改委”等六部聯合下發的批準安徽省巢湖流域等地區作為第一批國家生態文明先行示范區。該地區在土地利用方式和其變化方面都具有代表性，對其土地集約利用的研究可發現其優勢和不足，以對其進行合理的規劃和整改，為區域發展提供可靠地借鑒。

本文所用的各區縣數據資料由部門調研獲取，項目研究涉及數據來源包括：安徽省統計年鑒(2011年至2015年統計年鑒)，安徽省統計局，合肥國土資源局。

2 土地集約利用的內涵

土地集約利用的概念可追溯至大衛·李嘉圖[10，11](David Ricardo，1772～1823)等古典政治經濟學家對農業土地利用的研究，隨著城市人地矛盾日益突出，李嘉圖的這一理論被應用到城市土地集約利用之中，但是迄今為止，學術界尚沒形成統一的土地集約利用的概念和評價指標。這是由于城市土地集約利用是個復雜的開放系統，難以用一個十分準確的概念和指標去描述。

本研究認為土地集約利用(Land Intensive Use，LIU)是動態、開放、發展、可持續的過程，是在城市合理布局[12，13]、用地結構優化、以及科學可持續發展的基礎上，通過增加投入、改進經營管理模式等途徑，以充分發揮土地使用潛力、改善人地矛盾，以達到更好的經濟、社會以及生態效益。

3 評價體系構建和研究方法

3.1 評價體系構建

城市土地集約利用是一個復雜的系統，影響因子和驅動因子多而數據量大，不同因子之間也存在著不同程度的相互聯系，相互影響和相互制約。因此，需建立科學有效的評價指標系統，以揭示城市土地利用規律和結構是否合理。從土地集約利用本質出發，結合“系統論”思想，從城市土地經濟效益、土地投入程度、土地利用程度這三個方面，建立了包含10個因子的巢湖流域土地集約利用指標評價體系(表1)。

3.2 研究方法

使用主成分分析法[13-16](Principal Component Analysis,PCA)是利用數學變換降低數據維度的思想，把多個復雜的指標轉化為較少的綜合的線性指標，以獲取有效的數據處理結果。其模型的具體構建步驟如下：

第一：構建評價數值矩陣p×q。

第二：原始數據標準化處理。由于各指標的數值單位(量綱)不同，要對原始數據進行歸一化操作，以使數據更具有可操作性，其公式為：

(1)

第三：計算各主成分得分[15，16]。該主成分為原始數據指標的線性綜合，可用主成分因子的回歸系數，來計算主因子得分，其公式為：

(2)

式中，Pj為各主因子回歸系數，Yij為樣本標準值。

表1 土地集約利用評價指標體系

第四：計算綜合得分。通過構建綜合評價函數,得出每個區縣綜合得分。其公式為：

F=T1F1+T2F2+T3F3+…+TkFk(m>k)

(3)

4 巢湖流域土地集約利用分析與評價

4.1 土地集約利用指標分析

由上述的評價系統及其處理方法，利用IBM SPSS Statistics 19.0統計軟件對整理好的數據進行處理，通過建立評價得分矩陣、數據歸一化等操作，得出原始數據的成分得分系數矩陣，即主成分回歸系數表(表2)。原始數據累計方差貢獻率高達83.966%,所提取的兩個主成分繼承了原始數據諸多的信息,其結果符合主成分分析的要求。

由表2可以看出，第一主成分在每平方千米固定資產投資額、每平方千米新增固定資產投資額、每平方千米社會消費品零售額、每平方千米社會財政收入額、城市人口密度等指標上負荷較高，集中反映了土地投入和利用的關系，為土地利用的投入—利用成分。其初始特征值的方差貢獻率高達69.001%，說明巢湖流域土地集約利用的程度主要受到土地的投入—利用程度的影響較大，從而可以看出從業人口的構成以及區域人口密度所形成的消費水平，制約了巢湖流域的土地集約利用的優化和發展。

表2 2014年各主成分因子的回歸系數

地均非農業從業人員、人均建設用地等指標在第二主成分中荷載量較高，初始特征值的方差貢獻率為14.966%，說明該地區的經濟投入與產出效益是影響其土地集約利用的主要因素。

表2所分析出的2014巢湖流域各個指標的載荷系數，體現了這些指標在區域發展中所起到的作用，每個指標的特征明顯，為分析區域經濟社會發展提供了可借鑒的數據，從而得到較為科學的分析結果，為區域發展“添磚加瓦”。

圖1 2010～2014年巢湖流域土地集約利用主成分得分

4.2 土地集約利用的動態變化

4.2.1 城市土地集約利用水平的時間變異

通過將2010年至2014年的數據分別導入到是SPSS中進行處理，整理后得到下表(表3)，從而得到圖1，可見，巢湖流域各個縣區的城市土地集約利用的主因子得分的差距較大，除廬陽區外，各個區縣的主因子得分的絕對值之差均不大于1，表明其土地集約利用程度較為相近。其中合肥市下轄的四區三縣一市的主成分得分總體高于其他區縣，廬陽區得分最高，為1.639；而合肥市周邊的其他巢湖流域縣區的得分均為負數，表明其土地利用程度較低。從2010至2014年，巢湖流域各區縣的得分均是上下浮動，整體表現出一定的上升趨勢，但上升緩慢，說明巢湖流域各區縣(尤其是肥東等得分為負的區縣)，需要制定合理的土地開發利用政策和原則，從而提升其得分，實現區域持續穩步發展。

表3 2010～2014年巢湖流域土地集約利用主成分因子得分

4.2.2 城市土地集約利用水平的空間分異

對2014年數據進行處理后，得到各個縣區的主成分因子得分，各主成分因子的方差貢獻率為得分權重，根據公式(3)計算便可以得到各個區縣的綜合得分(見表4)，綜合得分愈高，其土地集約利用水平越高，其中廬陽區綜合得分最高，為2.07，和縣、含山縣得分最低，均為-0.48。根據各個區縣的綜合得分的高低，可以將其劃分為四個層次，即高度集約型、集約型、基本集約型、欠集約型，具體見下表(表5)。

表4 城市土地集約利用水平分類表

表5 2014年巢湖流域主成分因子和綜合因子得分

由此，便可在ArcGIS中根據巢湖流域矢量圖和各區縣土地集約利用類型的屬性數據，進行地圖綜合，從而得到圖2可見，巢湖流域土地集約利用水平的空間分布是以廬陽區為原點的同心圓模式，由內到外的土地集約利用水平逐漸降低，即由高度集約型向基本集約型，向欠集約型變化。

圖2 巢湖流域土地集約利用程度評價圖

土地高度集約型。廬陽區綜合得分為1.64，其分值大于1.5，屬于土地集約利用高度集約型。廬陽區是安徽省省會合肥市的經濟、文化的核心區域，位于合肥市主城區中心以及北部，是著名的全國科普示范區，區內有眾多高等學府、中等專業學校以及多個科研機構。廬陽區是合肥市政務和文化中心，正積極打造不同的文化和金融街區，進而服務全市甚至向全省輻射。

土地集約型。瑤海區、包河區等綜合得分均在0.8～1.5之間，屬于集約型。瑤海區、包河區為合肥市轄區，瑤海區目前正積極打造物聯網科技產業、文化產業、都市科技產業等新型產業形式，提升其綜合發展實力；包河區利用區內文化優勢，目前正探索“產城一體，宜居宜業”的城市發展新模式，為其發展注入新的活力。

土地基本集約型。蜀山區綜合得分均在0～0.8之間，屬于基本集約型。

土地欠集約型。巢湖市、廬江縣、無為縣、和縣、含山縣、金安區、舒城縣等綜合得分均在-1～0之間，屬于欠集約型。各縣區由于山地地形的阻擋，導致其發展較為緩慢，土地集約利用水平較低。同時也表明其經濟建設中存在較多不合理因素，交通不便，對經濟發展的阻礙度較大，所以這些區縣需要根據各自的自身狀況，合理進行規劃，促進土地集約優化利用。

5 結論

本研究利用主成分分析法，對巢湖流域自2010年至2014年的土地利用數據進行綜合評價并分析了其動態變化，可得出以下相關結論：

(1)巢湖流域土地集約利用水平自2010年至2014年呈波動性上下浮動，整體上是逐年上升的，但上升幅度較低。

(2)巢湖流域土地集約利用的空間分布規律為，以肥東縣為中心的放射狀向外由高度集約降低為欠集約，東南部和西南部山區區域的縣區，土地集約利用水平最低，而平原地區較高，這是因為丘陵山區制約了土地利用的橫向發展，而平原缺少山區阻礙，土地利用水平較高。表明經濟發展水平、地形的起伏，影響著土地利用的深度和廣度。

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Study on Land Intensive Use in ChaohuWatershed on Principal Component Analysis

XIA Bangqiao1, WU Yunzhi1, CHEN Yiqiong1, XU Tian1,ZHANG Hongmei2, ZHANG Youhua1

(1.CollegeofInformationandComputerScience,AnhuiAgricultureUniversity,Hefei230036,China;2.AnhuiProvincialLandSurveyingandPlanningInstitute,Hefei230000,China)

This paper uses the principal component analysis method to study the regularity of land intensive use in Chaohu Watershed, and constructs the evaluation index system which contains 12index of intensive land use in Chaohu Watershed from the input, utilization and economic benefit of Chaohu area, to find away to assess Chaohu Watershed land intensive use of rational evaluation and analysis of the dynamic changes in its development. The results show that the intensive land use level of Chaohu Watershed is increasing year by year from 2010 to 2014, and the level of intensive land use is obvious. The level of land intensive use in plain area is higher than that in mountainous hilly area, which indicates the depth of land use and the breadth of its economic development level, terrain ups and downs and other factors.

Chaohu Watershed; land intensive use; principal component analysis; temporal and spatial variation

2017-03-14

國土資源部公益性行業科研專項項目(201411006)。

夏邦橋(1990-)，男，安徽潁上人，碩士研究生，研究方向：計算機技術與應用、WebGIS。通信作者：張友華(1966-)，男，安徽合肥人，教授，博士，研究方向：農業物流信息化、數字農業。

F301.2

A

1009-9735(2017)02-0110-05