基于GIS與PSR的城市土地集約利用時空差異研究

徐 陽

(安徽理工大學 空間信息與測繪工程學院, 安徽 淮南 232001)

0 引言

土地是社會和經濟發展的基礎,城市土地的合理有效地續航是城市保證城市經濟長期繁榮穩定發展的重要保障[1-2]。近年來,隨著經濟的快速發展以及國家大力推行新型城市化建設,使得城市對土地的需求也越發旺盛,我國雖然土地面積總量豐富,但人口基數過大,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,調整用地結構、改變土地利用方式、提高土地利用綜合效益,走集約化發展的道路是解決我國人多地少問題、實現可持續發展的必然選擇[5]。

對于城市土地集約利用的研究,國內外學者都進行了探索,如杜能的區位論、克里斯泰勒的中心地理論,伯吉斯同心帶,馬爾曼多核結構等,這些城市區位布局理論對西方國家的城市土地集約利用具有指導意義。國內有關于城市土地集約利用研究約從20世紀90年代城鎮化飛速的發展時期起步,國內有關方面的研究雖起步較晚,但是在國外理論和實際情況的指導下逐步形成了符合中國實際的研究對策。有學者早在2006年就提出了當時相當完備的城市土地集約利用評價指標體系,充分體現了城市土地利用從宏觀到微觀的區位特點,但受制于土地集約利用本身概念的復雜性以及動態性,該指標體系仍需不斷地探討和完善[6];另有部分學者從土地利用程度、土地經濟效益、生態環境質量對山東省城市土地集約利用程度進行評價[7-8];還有學者利用土地投入程度、土地利用程度、土地可持續利用等方面展開研究[9-11],種種方法對山東省城市土地集約利用做出了精確的評價。但對于人地關系對土地集約利用的影響研究較少,而基于壓力-狀態-響應(Pressure-State-Response，PSR)框架構建城市土地集約利用評價指標體系恰好可以彌補對人地關系關注的空白之處。

PSR模型是經濟合作與發展組織(Organization for Economic Co-operation and Development,OECD)和聯合國環境規劃署(United Nations Environment Programme,UNEP)于20世紀八九十年代在加拿大統計學家David J. Rapport和Anthony Marcus. Friend的理論基礎上發展起來并用于研究環境問題的框架體系[12-14]。由于其較好地反映了人與環境的相互作用模式,而且具有很強的綜合性,所以在水土資源可持續利用研究、環境可持續發展研究、工農業可持續發展研究以及環境保護等領域得到了廣泛應用[15]。運用PSR模型構建城市土地集約利用評價指標體系,優勢不僅在于能計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以及內部各指標能夠從不同層面和角度反映了城市土地集約利用協調程度,若想城市土地利用集約度提高,必須做到充分適應經濟發展和資源供給的“壓力”,利用經濟刺激或相關土地政策等“響應”手段調節人地關系,引導城市向更高的土地集約利用“狀態”轉變[16]。利用PSR模型構建指標體系不僅能對山東省城市土地集約利用進行精確評價，更能充分反映出在土地集約利用發展過程中人地關系對集約利用起到的推動作用。

1 研究區概況

山東省位于我國東部沿海、黃河下游入海口地區,與渤海、黃海相互毗鄰。省內土地總面積157 000 km2,約占全國總面積的1.63%,居全國第19位,地形相對復雜多樣,東部為半島地區,西部和北部是黃河沖擊形成的黃泛平原,是全省地勢最低處,中南部為山地丘陵。

省內農業用地116 000 km2,占土地總面積的73.61%;建設用地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%。在建設用地中,居民點和工礦用地2 093 km2,占總建設用地的13.3%;交通運輸用地163 km2,占總建設用地的1.0%;水利設施用地255 km2,占總建設用地的1.6%。

2 土地集約利用評價

2.1 土地集約利用評價指標體系構建

正確的評價結果離不開合理的指標體系構建,構建指標體系要遵循以下幾點:(1)在構建指標體系的時候必須客觀、全面地選取評價指標,從整體上對城市土地集約利用情況進行測度與評價,避免遺漏重要指標,以免做出的評價失真;(2)在充分考慮數據獲取的難易程度以及準確程度的基礎上,充分利用現有的統計資料,抓取重點的有代表性的實際操作相對簡單的指標進行計算;(3)城市土地集約利用度評價指標體系的構建到評價過程都應隨客觀實際變化做相應的調整。基于上述三個原則選取12種指標來對山東省城市土地集約利用進行綜合評判。具體指標如表1所示。

表1 城市土地集約利用評價指標體系

2.2 數據標準化

用于計算城市土地集約利用水平的評價指標類型和數目錯綜復雜,不同指標之間的單位無法統一、性質大有不同,在指標體系建立完成后,若直接使用原始數據進行運算得到的結果不具有真實性,而且會存在指標間數量級的巨大懸殊,因此,為了排除量綱對評價結果的影響并使得到的數據準確可靠,需要對參與計算的各項指標原始數據進行無量綱化處理,使12個評價因子以統一的計算單位參與到山東省城市土地集約利用程度的評價中[17]。

結合收集到的各項數據數量級特征以及考慮到后續計算的準確性,在眾多數據標準化方法中選擇了極差標準化法以消除不同單位無法統一的問題。

正向效應指標的計算公式為

(1)

負向效應指標的計算公式為

(2)

2.3 指標權重確定

為了克服人為賦權中主觀因素的影響,故采用理論相對完善的熵值法確定各個指標的權重。在信息論中可以用熵值來判斷某一指標的離散程度,指標的離散程度越大,該指標對綜合評價的影響越大。因此,可根據各項指標的變異程度,通過計算各個指標的信息熵,從而計算出各個指標的權重,為多指標綜合評價提供依據[18]。

(1)計算各參評指標的熵值

(3)

(2)計算指標冗余度

dj=1-e(Xj)

(4)

(3)計算指標權重

(5)

2.4 土地集約利用度計算

城市土地集約利用的計算需綜合考慮各個指標的影響,按如下公式進行:

(6)

表2 山東省歷年城市土地集約利用度及PSR系統內部協調度

2.5 PSR系統內部協調度分析

根據“壓力—狀態—響應”框架計算出的為城市土地集約利用評分,從PSR模型也可看出其內部“壓力”“狀態”“響應”三個分支系統在不同時期對土地集約利用的影響不是一成不變的。只有三個指標平衡的發展,土地集約利用才算得上健康發展。據此,引入協調度函數來反映三個準則與土地集約利用之間復雜的關系[19-20]。

(7)

經計算山東省17城市歷年PSR系統內部協調度如表2所示。

3 實驗結果及分析

評價等級的確定是對評估的結果的科學表述,城市土地集約利用狀態的評判標準是一個相對動態的過程,因此，在學術界并無統一的評價標準,參考前人研究基礎,結合試驗數據,現將土地集約利用程度分為五個等級[21-22],如表3所示。

表3 城市土地集約利用分級標準

基于以下分類標準結合地理信息系統(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圖[審圖號為GS(2020)4814號]

由上述計算數據以及土地集約利用分級圖可以清晰地看出,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。濟南的土地集約利用度一直以來保持穩定增長;青島市自經濟保持高速發展后,也十分注重土地集約利用,現已日漸超過濟南,成為山東省城市土地集約利用的領先城市;山東省城市土地集約利用最特殊的是萊蕪市,它的發展十分依賴鋼產業,其土地集約利用度受產業發展的影響較大,在2015年時達到頂峰,已是中度集約利用狀態,但是后勁不足,萊鋼產業的限制導致其單位土地投入產出比急劇下降,到2018年其集約利用水平又退居粗放利用,因此,2019年國務院批復萊蕪并入濟南,此舉不僅有利于增強省會濟南的經濟實力,而且有助于利用濟南的資源幫助萊蕪更好發展。其他各地市十年來土地集約利用度穩步提高,預計將會在下個十年內達到中等集約水平。

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地城市,省會城市、半島地區城市的城市土地集約利用度提高較快。從產業模式上講,這些城市大力發展以第三產業為主的經濟,單位土地投入產出比較高,且因為良好的就業機會吸引了全省各地的人才到此類城市就業創業，又在某種程度上增加了城市土地集約利用度。魯南地區山地較多對土地集約利用有較大限制,不過泰安臨沂兩地,一個旅游業發達,一個物流業發達,政府財政投入較多,相對刺激了城市土地集約利用的發展。魯西北地區處于內陸,且大部分人口從事農業生產,因此,土地集約利用度增長緩慢。

另外也可看出十年來PSR系統內部協調度正逐步趨于標準。2009年各地市壓力、狀態、響應三個子系統之間發展極不平衡,可以看出城市土地集約利用狀態是不健康的發展,不過隨后幾年政府注意到了這個問題,開始逐步調整發展戰略以達到系統內部的平衡,到了2018年系統內部協調度已有較大的改善。其中濟南、青島、濰坊等地協調度已十分接近標準值;但是還是可以看出德州、聊城、濱州、菏澤等幾個城市的協調度極不穩定,加之這些城市土地集約利用程度也相對較低,所以魯西北地區城市土地集約利用狀態想達到較高水平還有很長的路要走。

4 結束語

本文采用PSR模型結合熵值法與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,對山東各地市以及整個山東省十年間城市發展及城市土地擴展的合理程度做了準確的評價。研究結果表明:

(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、東部地區集約程度較高,西北地區集約程度較低。受區位因素和產業發展結構的影響,各地市的土地集約利用程度與經濟發展狀況呈一定的正相關。為了改善這種區位差異可適當加強區域間的協作,優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系統內部協調度從2009年的極不協調至2018年趨近標準值，可清晰反映出在城市土地集約利用中人地關系是影響土地利用的一個關鍵因素。但是還有少數幾個城市的協調度偏差較大,為此應該充分考慮各系統的綜合發展程度,確定合理的調控機制來促進城市土地集約利用健康發展。

(3)本文采用的PSR模型結合GIS進行城市土地集約利用研究的方法雖充分反映了人地關系的影響，但對于土地集約利用的驅動力分析和土地利用狀態方面有所欠缺,另外，2019年以后，山東省行政區劃產生較大變革勢必會引起土地集約利用的劇烈變化,由于數據資料的有限性暫不能對變化后的土地利用狀態做出精確評價。