基于兩維圖論聚類的中原城市群“三生”功能評估

賈 琦，劉毅潔，尹澤凱，張超玉，燕宏宇

（1. 鄭州輕工業大學藝術設計學院，河南 鄭州 450002；2. 山東建筑大學藝術學院，山東 濟南 250101)

土地功能分區是依據地域差異特征，根據多種客觀實體要素及其利用方式，將特定地區的土地劃分成不同區域的過程。針對人類的不同需求，客觀存在與之對應的不同的土地利用功能，即土地利用表現出多功能性[1-2]。基于“三生”功能的土地利用已成為當前我國土資源管理的重點[3-5]，減少土地利用的沖突及生產、生活、生態功能之間的矛盾，進而合理配置土地資源將直接影響生態可持續發展。

中原城市群作為我國中部典型的城市群之一，隨著社會經濟發展，城市化進程加快，土地格局發生了較大變化[6-8]。本研究在1980—2020年5期土地利用遙感解譯數據基礎上，對中原城市群“生活-生產-生態”土地利用多功能性評價。通過功能現狀分析，運用兩維圖論聚類對土地利用功能進行劃分，為制定相關國土空間規劃等政策提供參考。

1 研究區域與數據方法

1.1 研究區概況

中原城市群涵蓋了河南、山西、山東、安徽和河北5 個省份，按照范圍由內至外分為鄭州大都市區、核心發展區內14個城市（山西晉城、安徽亳州和河南鄭州、洛陽和許昌）和外圍示范區。本文研究區域為核心發展區，該區域總面積為10.14萬km2，西部以太行山、伏牛山、嵩山等山區為主，中東部多為黃淮海沖積平原。作為我國中部地區社會經濟活動高度密集的典型城市群，21 世紀以來，城鄉建設用地需求不斷增加，經濟發展與生態保護矛盾日漸加劇。

1.2 數據來源及處理

本文選取1980—2020年5期土地利用遙感解譯數據反映中原城市群土地利用變化情況，資料來自中國科學院資源與環境科學數據中心，分辨率為30 m，按二級分類系統劃分，一級為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用土地共6 類：二級按士地資源的自然屬性劃分為25個類。遙感精度達到88.95%。

1.3 研究方法

本研究依據劉繼來[9]等學者制定的“三生空間”土地利用分類體系及評分體系，結合中原城市群土地利用現狀制定符合實際的“三生”功能評價體系。分別將生產功能（主導、重要、次要和無生產功能），從高到底賦值為5～0，“三生”土地利用功能評價見表1。根據功能整合原則分別對“三生”指標進行分配。最后，利用ArcGIS10.8 軟件劃分為3000 m×3000 m 漁網，提取“三生”土地利用功能在網格中的分布情況，并分析區域內“三生”功能時空演變規律。

表1 基于土地利用類型的“三生”功能評價體系

借鑒聚類理論，對“三生”土地利用功能指標進行全面分析，從而可以有效解決土地利用多功能區劃的歸屬問題。參照圖論空間表示，采用兩維圖論聚類法對其進行劃分，優勢在于構造基于地理空間關系的無向圖進行聚類分析，同時考慮單元之間的相關性，適用于具有地理信息的區域劃分。

2 “三生”功能時空變化特征

2.1 生產功能變化

圖1顯示，生產功能較強區域集中在以鄭州為核心的中部及東南區域，地勢較為平坦，類型主要以農田為主。1980—2020年生產空間處于減少趨勢，縮減區域集中在鄭州主城區外的周邊城市。在研究區西北側的濟源市、焦作市、新鄉市等片區地勢較為平坦，近年來持續的耕地擴張促使其生產功能有所提升。

圖1 1980-2020年生產功能演變圖

2.2 生活功能變化

圖2表明，生活功能空間集中在各地市主城區，1980年各地市分布規模較為均衡，2000年以后，以鄭州為中心的生活功能快速擴張，在主城區功能不斷增強的同時，逐漸向緊鄰城區西北部的焦作市、新鄉市蔓延形成片狀區域。此外，在鄭州-許昌京廣線一帶的新鄭與長葛等縣級市的生活功能開始快速增強，新鄉、開封、焦作等地級市生活功能沿外圍持續擴張。

圖2 1980-2020年生活功能演變圖

2.3 生態功能變化

由圖3 生態功能演化來看，較強區域分布在豫西山區，1980—2020年間生態功能持續下降，涉及洛陽市、平頂山市、許昌等市區，下降趨勢較為明顯。此外，其他片區尤其在鄭州-許昌-開封-新鄉形成的帶狀發展區域使得原本處于中等水平的生態功能快速下降。生態功能降低相較于生產和生活功能而言更為復雜，大多數地類功能甚至生態用地內部地類的轉移都會改變生態功能的強弱。其中，隨著城鎮擴張，促使原本屬于林地、草地等生態功能較強類型轉移至相對較低的耕地甚至城鄉居民生活用地；而位于中南部的城市快速發展區域（鄭州-許昌沿線）則由于大量農田面積減少（轉換為城鎮建設用地）導致其生態功能減弱。

圖3 1980-2020年生態功能演變圖

依據“三生”綜合功能指數（分別對格網內生產、生活、生態功能值賦系數0.5、0.3和0.2，然后相加得出綜合功能），計算得出1980—2020年“三生”綜合功能水平及其空間格局（圖4）。1980年，空間差異并不顯著，水平較高區域集中在鄭州市及各地市，呈點狀分布；進入2000年，水平較高區域開始快速呈帶狀擴張，在鄭州市外圍蔓延的同時，主要向周邊平頂山市擴張為主，呈狹長型空間分布格局；進入2020年，水平較高區域持續蔓延。與此同時，新鄉和焦作市等區域快速增強，處于西部山區的鞏義和登封市及所轄縣區綜合功能也出現了一定程度的提升。綜合功能較弱區域變化不大，研究時段內始終處于豫西山區。

圖4 1980-2020年“三生”功能綜合指數演化

3 “三生”功能聚類與分區優化

3.1 “三生”功能聚類

利用GIS軟件的分組分析工具進行屬性-空間聚類分析，同時考慮到功能聚類結果的連續性和異質性要求，還需探討城市群空間功能屬性與聚類單元之間的位置關系。采用自然裂點分級法，按自然數值的統計法則求出特征點，以求最大化各個層次，并利用此方法對城市群內部144個縣區的“三生”功能值進行等級劃分，形成國土空間功能聚類圖，如圖5所示。從中原城市群“三生”功能空間聚類分析圖中可以分析出，國土空間所得的聚類分布由于地理上的臨近關系形成片狀格局，同時同一類單元間的功能在很大程度上呈現相似性。因此，分析結果可作為核心區國土空間劃分過程中，確定相關功能區邊界、歸并和調整單元時的重要參照和依據。

圖5 “三生”功能空間聚類分布

①生產功能因子：均值處于1.06～4.55之間，平均值為2.91，高值區零散分布于核心區中東部，具體包括鄭州、商丘、漯河市轄區等23個所轄縣區；低值區分布于晉城、洛陽、濟源、平頂山和鞏義等10個所轄縣區；該區域工業水平不高且生態環境好，生產服務能力較弱，其中嵩縣、欒川縣、新安縣和沁水縣等生產功能值均低于1.5。②生活功能因子：均值處于0.05～3.77之間，平均值為0.58。高值區零星分布于中北部、東南部和東部，包括鄭州、開封、漯河、商丘及新鄉縣等19個市縣，與生產功能高值區一致；低值區分布于豫西山區及西北部地區，共包括11 個縣域。其中，以沁水市、陽城縣、洛寧縣和嵩縣最為典型山地丘陵區；生活功能值均低于0.19，居住條件不佳。③生態功能因子：均值處于0.66～4.69之間，平均值為2.56。高值區分布于豫西山區，分布范圍較廣，包括欒川縣、盧氏縣、西峽縣等10 個縣域，森林覆蓋率高；低值區多為地市主城區，易受城市建設影響，生態服務功能不夠完善，主要分布于鄭州、許昌、新鄉、周口等共10個地市。

3.2 “三生”功能分區結果

結合中原城市群實際，依據功能聚類結果分為5 個功能區，各分區空間分布見圖6。

圖6 “三生”功能兩維圖論分區結果

I 區中高生產、中高生活、中低生態功能值特點，包括35個縣區，位于鄭州大都市區核心區域，為生產－生活功能高高聚集區，生態功能相對較差。未來應依托鄭州國家中心城市和洛陽副中心城市地位，發揮輻射帶動作用，建設成工礦生產和城鎮生活功能并存的功能區。

II 區中高生產、中低生活、中生態功能值特點，包括23個縣區。緊鄰鄭州大都市區核心區域，工農業生產條件較好，為生產功能高高聚集區；生產功能突出，生態功能一般，生活功能較差。未來應在工礦生產功能引導下，進行功能發展轉型。

III 區中低生產、低生活、中高生態功能值特點，包括17個縣區。位于豫西山區，是生態功能高高聚集區；生態功能優越，生產、生態功能均較差。該區是重要的生態旅游區和綠色農業區，在城市群國土空間生態修復中占據重要位置。未來應對生態資源有效合理開發，促進國土空間的高質量發展。

IV區中生產、低生活、中低生態功能值特點，包括20個縣區。位于東部黃淮海沖積平原，部分為生產功能高高聚集區，傳統農業較為發達，生產功能較好，生態功能一般，生活功能較差。未來應進一步強化其農業生產功能，并促進生態功能的發展。

V 區中低生產、低生活、中高生態功能值特點，包括4 個縣區。位于城市群最東端，為生產－生活低低聚集區，生態功能較好，但生產、生活功能均較差。Ⅴ區生態功能值較高，具備綠色生態涵養功能，同時生產和生活功能在城市群中相對較弱，未來應在保持其生態功能基礎上，合理提升該區生產和生活功能。

4 結論

1）中原城市群“三生”功能總體屬于中等偏下等級，“三生”功能綜合水平最低區域在1980年占比最低，隨著城鎮化進程推進，功能綜合水平最高區域格網數量中2020年占比最高。生產、生活功能高值位于鄭州-洛陽和鄭州-許昌等城市連片區并不斷持續擴張，生態功能高值多集中在豫西山區。

2）研究期段內“三生”功能存在較強集聚分布格局。生產功能高值集聚區分布在登封、周口和商丘市等外圍區域；低值集聚區僅在新鄉市南側減弱趨勢較為顯著。生活功能高值集聚區呈面狀擴張，而減弱區域則集中分布在洛陽、平頂山、濟源市等周邊所轄縣區；生態功能高值區多集中在豫西山區。

3）根據中原城市群“三生”功能聚類特征，結合兩維圖論方法劃分為5 個功能區：鄭州大都市區生產生活核心發展區（I）、中部工農生產功能主導區（II）、豫西山地生態功能屏障區（III）、東部農業生產功能主導區（IV）和豫皖生產生活功能提升區（V），并分別針對不同類型區的區域特點制定了差異化的優化策略。