基于GIS与PSR的城市土地集约利用时空差异研究

徐 阳

(安徽理工大学 空间信息与测绘工程学院, 安徽 淮南 232001)

0 引言

土地是社会和经济发展的基础,城市土地的合理有效地续航是城市保证城市经济长期繁荣稳定发展的重要保障[1-2]。近年来,随着经济的快速发展以及国家大力推行新型城市化建设,使得城市对土地的需求也越发旺盛,我国虽然土地面积总量丰富,但人口基数过大,人均耕地面积还不到同期世界平均水平的1/3,“人多地少”的矛盾无可避免[3-4]。因此,调整用地结构、改变土地利用方式、提高土地利用综合效益,走集约化发展的道路是解决我国人多地少问题、实现可持续发展的必然选择[5]。

对于城市土地集约利用的研究,国内外学者都进行了探索,如杜能的区位论、克里斯泰勒的中心地理论,伯吉斯同心带,马尔曼多核结构等,这些城市区位布局理论对西方国家的城市土地集约利用具有指导意义。国内有关于城市土地集约利用研究约从20世纪90年代城镇化飞速的发展时期起步,国内有关方面的研究虽起步较晚,但是在国外理论和实际情况的指导下逐步形成了符合中国实际的研究对策。有学者早在2006年就提出了当时相当完备的城市土地集约利用评价指标体系,充分体现了城市土地利用从宏观到微观的区位特点,但受制于土地集约利用本身概念的复杂性以及动态性,该指标体系仍需不断地探讨和完善[6];另有部分学者从土地利用程度、土地经济效益、生态环境质量对山东省城市土地集约利用程度进行评价[7-8];还有学者利用土地投入程度、土地利用程度、土地可持续利用等方面展开研究[9-11],种种方法对山东省城市土地集约利用做出了精确的评价。但对于人地关系对土地集约利用的影响研究较少,而基于压力-状态-响应(Pressure-State-Response，PSR)框架构建城市土地集约利用评价指标体系恰好可以弥补对人地关系关注的空白之处。

PSR模型是经济合作与发展组织(Organization for Economic Co-operation and Development,OECD)和联合国环境规划署(United Nations Environment Programme,UNEP)于20世纪八九十年代在加拿大统计学家David J. Rapport和Anthony Marcus. Friend的理论基础上发展起来并用于研究环境问题的框架体系[12-14]。由于其较好地反映了人与环境的相互作用模式,而且具有很强的综合性,所以在水土资源可持续利用研究、环境可持续发展研究、工农业可持续发展研究以及环境保护等领域得到了广泛应用[15]。运用PSR模型构建城市土地集约利用评价指标体系,优势不仅在于能计算出城市总体土地集约利用的水平，更重要的是其各子系统以及内部各指标能够从不同层面和角度反映了城市土地集约利用协调程度,若想城市土地利用集约度提高,必须做到充分适应经济发展和资源供给的“压力”,利用经济刺激或相关土地政策等“响应”手段调节人地关系,引导城市向更高的土地集约利用“状态”转变[16]。利用PSR模型构建指标体系不仅能对山东省城市土地集约利用进行精确评价，更能充分反映出在土地集约利用发展过程中人地关系对集约利用起到的推动作用。

1 研究区概况

山东省位于我国东部沿海、黄河下游入海口地区,与渤海、黄海相互毗邻。省内土地总面积157 000 km2,约占全国总面积的1.63%,居全国第19位,地形相对复杂多样,东部为半岛地区,西部和北部是黄河冲击形成的黄泛平原,是全省地势最低处,中南部为山地丘陵。

省内农业用地116 000 km2,占土地总面积的73.61%;建设用地2 510 km2,占土地总面积的15.98%;未利用地163 km2,占土地总面积的10.41%。在建设用地中,居民点和工矿用地2 093 km2,占总建设用地的13.3%;交通运输用地163 km2,占总建设用地的1.0%;水利设施用地255 km2,占总建设用地的1.6%。

2 土地集约利用评价

2.1 土地集约利用评价指标体系构建

正确的评价结果离不开合理的指标体系构建,构建指标体系要遵循以下几点:(1)在构建指标体系的时候必须客观、全面地选取评价指标,从整体上对城市土地集约利用情况进行测度与评价,避免遗漏重要指标,以免做出的评价失真;(2)在充分考虑数据获取的难易程度以及准确程度的基础上,充分利用现有的统计资料,抓取重点的有代表性的实际操作相对简单的指标进行计算;(3)城市土地集约利用度评价指标体系的构建到评价过程都应随客观实际变化做相应的调整。基于上述三个原则选取12种指标来对山东省城市土地集约利用进行综合评判。具体指标如表1所示。

表1 城市土地集约利用评价指标体系

2.2 数据标准化

用于计算城市土地集约利用水平的评价指标类型和数目错综复杂,不同指标之间的单位无法统一、性质大有不同,在指标体系建立完成后,若直接使用原始数据进行运算得到的结果不具有真实性,而且会存在指标间数量级的巨大悬殊,因此,为了排除量纲对评价结果的影响并使得到的数据准确可靠,需要对参与计算的各项指标原始数据进行无量纲化处理,使12个评价因子以统一的计算单位参与到山东省城市土地集约利用程度的评价中[17]。

结合收集到的各项数据数量级特征以及考虑到后续计算的准确性,在众多数据标准化方法中选择了极差标准化法以消除不同单位无法统一的问题。

正向效应指标的计算公式为

(1)

负向效应指标的计算公式为

(2)

2.3 指标权重确定

为了克服人为赋权中主观因素的影响,故采用理论相对完善的熵值法确定各个指标的权重。在信息论中可以用熵值来判断某一指标的离散程度,指标的离散程度越大,该指标对综合评价的影响越大。因此,可根据各项指标的变异程度,通过计算各个指标的信息熵,从而计算出各个指标的权重,为多指标综合评价提供依据[18]。

(1)计算各参评指标的熵值

(3)

(2)计算指标冗余度

dj=1-e(Xj)

(4)

(3)计算指标权重

(5)

2.4 土地集约利用度计算

城市土地集约利用的计算需综合考虑各个指标的影响,按如下公式进行:

(6)

表2 山东省历年城市土地集约利用度及PSR系统内部协调度

2.5 PSR系统内部协调度分析

根据“压力—状态—响应”框架计算出的为城市土地集约利用评分,从PSR模型也可看出其内部“压力”“状态”“响应”三个分支系统在不同时期对土地集约利用的影响不是一成不变的。只有三个指标平衡的发展,土地集约利用才算得上健康发展。据此,引入协调度函数来反映三个准则与土地集约利用之间复杂的关系[19-20]。

(7)

经计算山东省17城市历年PSR系统内部协调度如表2所示。

3 实验结果及分析

评价等级的确定是对评估的结果的科学表述,城市土地集约利用状态的评判标准是一个相对动态的过程,因此，在学术界并无统一的评价标准,参考前人研究基础,结合试验数据,现将土地集约利用程度分为五个等级[21-22],如表3所示。

表3 城市土地集约利用分级标准

基于以下分类标准结合地理信息系统(Geographic Information System，GIS)的方法绘制图1所示专题图使得各地市土地集约利用情况更直观地反映出来。

图1 山东省历年城市土地集约利用分级图[审图号为GS(2020)4814号]

由上述计算数据以及土地集约利用分级图可以清晰地看出,十年来山东省17地市的城市土地集约利用度总体上是不断提高的,大部分城市的集约利用度都在基本集约及以上。济南的土地集约利用度一直以来保持稳定增长;青岛市自经济保持高速发展后,也十分注重土地集约利用,现已日渐超过济南,成为山东省城市土地集约利用的领先城市;山东省城市土地集约利用最特殊的是莱芜市,它的发展十分依赖钢产业,其土地集约利用度受产业发展的影响较大,在2015年时达到顶峰,已是中度集约利用状态,但是后劲不足,莱钢产业的限制导致其单位土地投入产出比急剧下降,到2018年其集约利用水平又退居粗放利用,因此,2019年国务院批复莱芜并入济南,此举不仅有利于增强省会济南的经济实力,而且有助于利用济南的资源帮助莱芜更好发展。其他各地市十年来土地集约利用度稳步提高,预计将会在下个十年内达到中等集约水平。

从空间差异上来看,沿海城市的土地集约利用度明显高于内地城市,省会城市、半岛地区城市的城市土地集约利用度提高较快。从产业模式上讲,这些城市大力发展以第三产业为主的经济,单位土地投入产出比较高,且因为良好的就业机会吸引了全省各地的人才到此类城市就业创业，又在某种程度上增加了城市土地集约利用度。鲁南地区山地较多对土地集约利用有较大限制,不过泰安临沂两地,一个旅游业发达,一个物流业发达,政府财政投入较多,相对刺激了城市土地集约利用的发展。鲁西北地区处于内陆,且大部分人口从事农业生产,因此,土地集约利用度增长缓慢。

另外也可看出十年来PSR系统内部协调度正逐步趋于标准。2009年各地市压力、状态、响应三个子系统之间发展极不平衡,可以看出城市土地集约利用状态是不健康的发展,不过随后几年政府注意到了这个问题,开始逐步调整发展战略以达到系统内部的平衡,到了2018年系统内部协调度已有较大的改善。其中济南、青岛、潍坊等地协调度已十分接近标准值;但是还是可以看出德州、聊城、滨州、菏泽等几个城市的协调度极不稳定,加之这些城市土地集约利用程度也相对较低,所以鲁西北地区城市土地集约利用状态想达到较高水平还有很长的路要走。

4 结束语

本文采用PSR模型结合熵值法与GIS 的空间分析方法,分析了2009—2018年间山东省城市土地集约利用的差异,对山东各地市以及整个山东省十年间城市发展及城市土地扩展的合理程度做了准确的评价。研究结果表明:

(1)山东省城市土地集约利用程度整体在不断提高,其中中部、东部地区集约程度较高,西北地区集约程度较低。受区位因素和产业发展结构的影响,各地市的土地集约利用程度与经济发展状况呈一定的正相关。为了改善这种区位差异可适当加强区域间的协作,优化土地资源的配置来减小城市间的差异性,使得山东省城市土地集约利用总体水平上涨。

(2)PSR系统内部协调度从2009年的极不协调至2018年趋近标准值，可清晰反映出在城市土地集约利用中人地关系是影响土地利用的一个关键因素。但是还有少数几个城市的协调度偏差较大,为此应该充分考虑各系统的综合发展程度,确定合理的调控机制来促进城市土地集约利用健康发展。

(3)本文采用的PSR模型结合GIS进行城市土地集约利用研究的方法虽充分反映了人地关系的影响，但对于土地集约利用的驱动力分析和土地利用状态方面有所欠缺,另外，2019年以后，山东省行政区划产生较大变革势必会引起土地集约利用的剧烈变化,由于数据资料的有限性暂不能对变化后的土地利用状态做出精确评价。