基于ArcGIS的廣州市“三生空間”演變及其驅(qū)動(dòng)因素分析

余秋海 林海文

（廣東省地質(zhì)測(cè)繪院，廣東 廣州 510800）

1 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，人口、產(chǎn)業(yè)集聚對(duì)城市空間產(chǎn)生極大需求，使得我國(guó)成為全球城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張速度最快的國(guó)家之一[1]，快速城鎮(zhèn)化造成城鎮(zhèn)空間的快速擴(kuò)大。黨的十九大以來(lái)，隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的提出，生產(chǎn)空間、生活空間和生態(tài)空間（以下簡(jiǎn)稱(chēng) “三生空間”）概念進(jìn)入人們視野，作為一個(gè)有機(jī)的地理空間系統(tǒng)，其國(guó)土空間格局的形成和變化更是自然、社會(huì)和人文活動(dòng)共同作用的結(jié)果[2]。中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議提出 ：“按照促進(jìn)城鎮(zhèn)空間宜居適度、農(nóng)業(yè)空間集約高效、生態(tài)空間山清水秀的總體要求，形成生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間的合理結(jié)構(gòu)。”作為城市化重要表征，國(guó)內(nèi)對(duì)“三生空間”的研究主要基于相對(duì)單一的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，例如，城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)等方法，揭示生活空間數(shù)量上的變化和各驅(qū)動(dòng)力的不同。

近年來(lái)，在地理過(guò)程模擬、空間優(yōu)化模型等方法的支撐下，借助3S 技術(shù)研究生活空間演變，以揭示其內(nèi)在變化邏輯[3,4]。因此，從空間角度提高生活空間的配置效率，分析區(qū)域在不同經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段下“三生空間”格局的演變特征，識(shí)別其演變的驅(qū)動(dòng)因素，從而進(jìn)行有針對(duì)性的政策引導(dǎo)和調(diào)控，對(duì)于優(yōu)化各農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)、生態(tài)空間開(kāi)發(fā)利用和實(shí)現(xiàn)區(qū)域的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

廣州市，簡(jiǎn)稱(chēng)“穗”，是廣東省轄地級(jí)市、廣東省省會(huì)，首批國(guó)家歷史文化名城，廣府文化的發(fā)祥地、國(guó)家物流樞紐，國(guó)家綜合性門(mén)戶城市、國(guó)際性綜合交通樞紐。截至2021 年末，廣州市實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值28231.97 億元，全市下轄11 個(gè)區(qū)，總面積為7434.40 平方千米，常住人口為1887.06 萬(wàn)人，城鎮(zhèn)人口1626.36 萬(wàn)人，城鎮(zhèn)化率為86.46%。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本次研究所用數(shù)據(jù)分為：土地利用覆蓋數(shù)據(jù)、各基礎(chǔ)類(lèi)空間數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。其中，土地利用覆蓋數(shù)據(jù)來(lái)源“GlobeLand30 全球地理信息公共產(chǎn)品”，包含2000 年、2010 年、2020 年三年度的土地覆蓋數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)投影方式采用UTM 投影，廣州市土地利用覆蓋數(shù)據(jù)如圖1 所示。

圖1 廣州市土地利用覆蓋數(shù)據(jù)

根據(jù)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介分類(lèi)，GlobeLand30分為耕地、林地、草地、灌木地、濕地、水體、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久積雪11類(lèi)，根據(jù)劉繼來(lái)、劉彥隨等學(xué)者[5]對(duì)“三生空間”分類(lèi)評(píng)價(jià)體系的研究和此次土地利用分類(lèi)實(shí)際情況，將耕地歸為生產(chǎn)空間，人造地表歸為生活空間，林地、草地、灌木叢、濕地、水體歸為生態(tài)空間。各基礎(chǔ)類(lèi)空間數(shù)據(jù)包括行政邊界、路網(wǎng)等數(shù)據(jù)，從全國(guó)地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)下載。社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于廣州市及各區(qū)政府網(wǎng)站公布數(shù)據(jù)，以上各空間數(shù)據(jù)在ArcGIS中統(tǒng)一處理成相同坐標(biāo)系統(tǒng)。

2.3 研究方法

2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析

標(biāo)準(zhǔn)差橢圓能夠反映數(shù)據(jù)的整體性和格局性，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析工具可以得到生活空間的分布信息，通過(guò)其分布的長(zhǎng)短軸（X軸和Y軸）、方位角和橢圓質(zhì)心，可以分析生活空間的總體分布輪廓和主導(dǎo)分布方向[6-8]，計(jì)算公式如下：

其中：

公式中，x和y是第i個(gè)生活空間要素的橫、縱坐標(biāo)，{x,y}表表示生活空間要素的平均中心，n為生活空間要素總數(shù)。

2.3.2 GWR 地理加權(quán)回歸模型

GWR地理加權(quán)回歸模型與傳統(tǒng)線性回歸模型相比，增加了空間局部回歸的差異性，即空間本身的異質(zhì)性和非平穩(wěn)性對(duì)回歸結(jié)果產(chǎn)生的差異[9,10]，計(jì)算公式如下：

公式（5）中，xi、yi分別是回歸自變量和因變量；β0（μi，vi）指第i個(gè)樣本第j個(gè)參數(shù)的回歸系數(shù)，反映不同參數(shù)對(duì)樣本影響的空間分異情況，系數(shù)正、負(fù)號(hào)分別表示參數(shù)與空間位置的正、負(fù)相關(guān)性質(zhì)，（μi，vi）指第i個(gè)樣本空間坐標(biāo)，xij指第i個(gè)樣本第j個(gè)參數(shù)值；εi代表隨機(jī)誤差項(xiàng)，k代表自變量個(gè)數(shù)。

3 過(guò)程與結(jié)果

3.1 空間方向分布演變

借助ArcGIS 空間分析工具，對(duì)廣州市三期生產(chǎn)空間、生活空間、生態(tài)空間標(biāo)準(zhǔn)差橢圓方向進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖2 所示。

圖2 廣州市“三生空間”標(biāo)準(zhǔn)差橢圓變化

從標(biāo)準(zhǔn)差橢圓形態(tài)來(lái)看，生產(chǎn)空間自2000 年至2020 年長(zhǎng)軸沿“東北-西南”、短軸沿“西北-東南”走向；從方向角變化來(lái)看，2000～2010 年生產(chǎn)空間方向角36.03°變?yōu)?5.45°，基本維持穩(wěn)定，2010～2020年減少到27.36°，橢圓面積先減少后增加，空間格局分布逐漸向東南方向緩慢移動(dòng)。2000～2020 年，廣州市生產(chǎn)空間質(zhì)心坐標(biāo)由2000 年的（113.56°、23.36°）轉(zhuǎn)變?yōu)?020 年的（113.50°、23.31°），從空間來(lái)看，由黃埔區(qū)東北部轉(zhuǎn)移至白云區(qū)東部。

生活空間由2000 年長(zhǎng)軸沿“西北-東南”走向、短軸沿“東北-西南”走向，轉(zhuǎn)變?yōu)?010 年以后長(zhǎng)軸沿“東北-西南”、短軸沿“西北-東南”走向，說(shuō)明廣州市近10 年生活空間發(fā)展方向發(fā)生改變。分時(shí)間段分析廣州市生活空間方向演變規(guī)律，2000～2010年生活空間發(fā)展方向角由165.53°減少到12.74°，2010～2020 年由12.74°增加到35.14°，生活空間整體往東北方向轉(zhuǎn)移，其質(zhì)心坐標(biāo)由2010 年的（113.39°、23.26°）轉(zhuǎn)變?yōu)椋?13.51°、23.39°），從空間來(lái)看，生活空間由白云區(qū)東部轉(zhuǎn)移至黃埔區(qū)北部，研究時(shí)間段內(nèi)質(zhì)心的移動(dòng)軌跡為“西北-東北”，說(shuō)明生活空間發(fā)展方向發(fā)生轉(zhuǎn)移。橢圓面積先增加后減少，其中橢圓長(zhǎng)半軸由29.44km 增加到31.93km，再到最后的33.25km；短半軸先增后減，由2000 年的33.91km 到2010 年的40.92km，再到2020 年的36.46km。從長(zhǎng)、短軸變化情況可以看出，生活空間橢圓整體波動(dòng)趨勢(shì)減弱，生活空間發(fā)展呈約束收緊態(tài)勢(shì)。

相比來(lái)看，廣州市生態(tài)空間整體分布形態(tài)穩(wěn)定，在2000～2020 年生態(tài)空間整體橢圓形態(tài)沿“西南-東北”分布走向，生態(tài)空間方向角逐漸增加，由2000 年的28.44°增加到2020 年的34.74°，同時(shí)橢圓標(biāo)準(zhǔn)差長(zhǎng)半軸從31.89km 降到2020 年的29.14km。生態(tài)空間質(zhì)心往東北方向轉(zhuǎn)移，質(zhì)心坐標(biāo)由（113.50°、23.37°）轉(zhuǎn)變?yōu)椋?13.55°、23.43°），從空間分布位置來(lái)看，生態(tài)空間質(zhì)心位置由黃埔區(qū)轉(zhuǎn)移到從化區(qū)。

3.2 空間變化驅(qū)動(dòng)因素及差異性

經(jīng)綜合考慮，選取第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值（A1）、人均GDP（A2）、城鎮(zhèn)人均收入（A3）、固定資產(chǎn)投資額（A4）、城鎮(zhèn)人口數(shù)（A5）和公路里程總數(shù)（A6）6 個(gè)指標(biāo)作為解釋生活空間變化的驅(qū)動(dòng)因素（解釋變量）。采用地理加權(quán)回歸模型（GWR），以各年份廣州市生產(chǎn)空間、生活空間和生態(tài)空間面積為自變量，以6 個(gè)驅(qū)動(dòng)因素解釋變量（A1-A6）為因變量，在ArcGIS 中對(duì)兩者進(jìn)行地理加權(quán)回歸分析（GWR）。GWR 工具中采用自適應(yīng)帶寬模型計(jì)算各模型參數(shù)，結(jié)果如表1 所示。

表1 地理加權(quán)回歸（GWR）模型參數(shù)估計(jì)及檢驗(yàn)結(jié)果

GWR 模型在不同研究區(qū)的回歸系數(shù)不同，反映不同因素在不同研究區(qū)的作用強(qiáng)度有差別。在模型帶寬（AICc）相對(duì)穩(wěn)定的前提下，生產(chǎn)空間和生活空間模型擬合R2數(shù)值略微上漲，且2010 年和2020 年兩年數(shù)值趨于穩(wěn)定，回歸系數(shù)不斷減小，說(shuō)明農(nóng)業(yè)空間和生活空間用地面積對(duì)各影響因子的負(fù)向影響增強(qiáng)。從生活空間來(lái)看，中心6 城區(qū)生活空間斑塊趨于規(guī)整，與人類(lèi)生活影響同樣密切的農(nóng)業(yè)空間斑塊變化不大，而生態(tài)空間模型R2數(shù)值在鄰域值相對(duì)穩(wěn)定的情況下，穩(wěn)步增加。各影響因子對(duì)生態(tài)空間有正向影響。在進(jìn)行GWR 分析后對(duì)解釋變量進(jìn)行探索性回歸分析，結(jié)果如表2 所示。

表2 解釋變量探索性回歸分析結(jié)果

從各因子解釋變量回歸分析結(jié)果來(lái)看，人均GDP和城鎮(zhèn)人均收入是影響生產(chǎn)空間變化的主要因素；在生活空間中人均GDP、城鎮(zhèn)人均收入和公路里程總數(shù)解釋結(jié)果相對(duì)較高，說(shuō)明這3 個(gè)驅(qū)動(dòng)因素是影響生活空間變化的主要因素；對(duì)于生態(tài)空間來(lái)說(shuō)，只有人均GDP 和城鎮(zhèn)人均收入解釋結(jié)果高，說(shuō)明經(jīng)濟(jì)是影響生態(tài)空間布局的因素。

4 結(jié)論

研究以廣州市為例，基于標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析對(duì)2000年、2010 年、2020 年三期“三生空間”進(jìn)行空間方