低丘緩坡地空間拓展的主成分聚類分析評價

尤 笛， 蔣金豹， 郭海強， 尤 倩

[1.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083； 2.沈陽工業大學理學院，遼寧沈陽 110870]

在國家“一帶一路”戰略構想下，國家發展和改革委員會等聯合發布《推動共建絲綢之路經濟帶和21世紀海上絲綢之路的愿景與行動》，打造以福建省為“海上絲路”核心的經濟樞紐。福建省有著“八山一水一分田”的地理格局，境內山地丘陵約占90%，建設用地嚴重不足，無法承載21世紀海上絲綢之路核心區的建設。解決這一問題的關鍵就是加快土地后備資源的開發，即低丘緩坡的建設用地空間拓展。為此，2014年4月在福建省國土資源廳下發《關于創建節地型、生態型低丘緩坡土地開發利用示范(片)區的通知》后，將邵武市確定為低丘緩坡地示范區。而在開發低丘緩坡地之前，須要對其建設用地的空間拓展進行適宜性評價，以期提供科學合理的參考。低丘緩坡指地形起伏適中，坡度小于25°且具備一定成片開發利用規模的山坡地和荒灘區域[1]，廣泛分布在我國東南沿海，浙閩交界的武夷山脈區域。近年來，低丘緩坡土地資源的適宜性評價越來越受到學者的關注。羅鵬等基于“3S”技術，結合特爾斐法、層次分析法對浙江金衢地區低丘紅壤土地的開發利用潛力進行綜合評價[2]；朱曉蕓以浙江省余姚市為例，在GIS和RS支持下，充分考慮地形、植被覆蓋、土壤及區位等因素，對研究區低丘緩坡耕地開發利用潛力進行評價[3]；徐萍等通過對浙江省低丘緩坡開發利用現狀的評價，提出低丘緩坡農業資源高效集約利用的對策措施[4]。上述研究主要針對農用地適宜性進行評價，但對低丘緩坡建設用地適宜性評價的研究較少，且已有研究常用特爾斐法(delphi method)[5]、層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)確定權重[6]，然后將多個指標疊加得出評價結果分值，有一定的主觀片面性。此外，在評價指標體系的構建上也主要從地形地貌、地質災害角度來考慮[7]，指標體系不夠全面。本研究在傳統土地適宜性評價的基礎上，多角度考慮空間區位、自然地理、社會經濟、生態環境等因素，采用主成分分析法(principal component analysis，PCA)對福建省邵武市低丘緩坡建設用地的適宜性進行綜合評價[8]，并通過K-均值(K-means)聚類分析將評價結果分為4個適宜性等級[9]。該方法不僅能消除指標之間的相關性，還能避免確定權重的主觀性。

1 研究區及數據處理

1.1 研究區概況

邵武素有“鐵城”之稱，史稱南武夷，隸屬于福建省南平市，位于福建省西北部，東北鄰南平市的建陽區，東南連順昌縣，南接三明市的將樂縣、泰寧縣，西與江西省黎川縣毗鄰，西北與光澤縣交界。境內東西寬115 km，南北長120 km，占地面積2 859.4 km2。全境大部分由山地、丘陵構成，地形由西南和東北向中部河谷傾斜，四界接壤處地勢均較高，1 000 m以上的山峰有130座，森林覆蓋率達75.7%。其中中山(海拔800 m以上)和低山(海拔500～800 m)約占全市總面積的39.7%，高丘陵(海拔250～500 m)和丘陵約占41.6%，低丘緩坡資源非常豐富(圖1)。

1.2 數據處理及評價流程

根據福建省城鄉規劃設計研究院提供的邵武市低丘緩坡范圍剔除了禁止開發區(3個剛性因子區域)，以30 m×30 m柵格為評價單元，對所有彈性因子數據進行標準化處理，以消除量綱不同和量級差異的影響。為了研究方便，將適度指標“坡向”轉化為正向指標[10]，這樣所有指標只有正向指標和負向指標。轉化方法如下：將坡向定性分為陰坡、半陰坡、半陽坡、陽坡4類(圖2)，并分別賦予分值1、3、5、7分，這樣坡向指標的相關性就轉化為正相關，即正向指標。

常用的標準化處理方法有均值化法、等測度法、極差正規化法等。本研究采用極差正規化法進行標準化[11]，公式如下：當指標是正向指標(即正相關)時，

(1)

當指標是負向指標(即負相關)時，

(2)

2 主成分聚類分析評價

2.1 選取評價指標

選取評價指標對評價結果的合理性影響很大。本著科學性、完整性、層次性、可比性等原則，結合邵武市獨特的地形地貌，從空間區位、自然地理、社會經濟、生態環境4個方面選取12個彈性因子和3個剛性因子構建了評價指標體系[12](表1)。

2.2 主成分綜合評價

PCA是通過正交變換將多個指標轉化為保留原始變量絕大部分信息的少數指標， 以達到削弱噪聲和數據降維的一種統計方法[13]。由于評價指標很多且彼此之間有一定的相關性，從而反映的信息有所重疊，且在確定權重時也存在主觀片面性，而主成分分析恰好能解決這些問題[14]。

表1 邵武市低丘緩坡地評價指標體系

注：“+”表示正相關，“-”表示負相關。剛性因子，即風景名勝及特殊用地、基本農田保護區、森林禁止開發區，是明文規定的禁止開發區，所以將這3個因子直接劃為建設用地禁止開發區，即不適宜建設區。實際參與主成分評價的只有12個彈性因子。

評價原理如下[15]：(1)設評價單元數為n，每個評價單元p個指標。當前k(k

F1=a11x1+a21x1+…+ap1xp；

(3)

F2=a21x1+a22x2+…+ap2xp；

(4)

Fk=a1kx1+a2kx2+…+apkxp。

(5)

式中：aij表示第i個評價單元在第j個主因子上的權重系數。

(2)把不同主分量特征值的方差貢獻率βi(i=1，2，…，k)作為加權系數，利用綜合評價函數F=β1F1+β2F2+…+βkFk計算各評價單元的分值。

根據上述原理，將12個彈性指標合成1個多波段數據后，再進行PCA處理，得到各主成分的特征值和貢獻率(表2)。

表2 各主成分的特征值及貢獻率

注：Z1～Z12分別表示前12個主成分。

由表2可知，前6個主成分方差累積貢獻率87.08%>85%，基本保留了原始變量的所有信息，所以選取前6個主成分代表所有變量信息。根據主成分綜合評價公式F=β1F1+β2F2+…+βkFk，建立綜合評價模型：

F=0.230 8F1+0.218 0F2+0.168 5F3+0.102 2F4+0.093 8F5+0.057 5F6。

得到的主成分綜合評價結果見圖4。

2.3 K-means聚類分析

聚類分析是一種探索性的分析，它將數據劃分到不同的類，類內的對象有很大相似性，而類間的對象有很大差異性。其中K-means使用較廣泛，其運算簡潔快速，在分類的過程中它能從樣本數據出發自動進行分類，而不需要樣本先驗信息[16]。聚類步驟如下：(1)聚類中心初始化；(2)計算待分類對象與聚類中心的歐式距離，依據就近原則將待分類對象歸類；(3)計算各初始類別的均值作為新的聚類中心；(4)按照新聚類中心重新聚類，如此反復循環，直至聚類中心不再變化或小于給定閾值時，終止循環。

根據K-means聚類算法，將主成分綜合評價結果進行K-means 聚類，分為最適宜、較適宜、一般適宜、不適宜4類。再將主成分評價前剔除的風景名勝及特殊用地、基本農田保護區、森林禁止開發區這些劃分為不適宜區進行合并，最終形成分級評價結果(圖5)。

3 評價結果與分析

根據ArcGIS區域分析功能，得到邵武市各鄉(鎮)適宜性建設評價結果(表3)。

3.1 定性分析

由圖5可知，適宜建設的低丘緩坡地主要集中在中心城區，此區域交通便利，是鐵路、公路交通樞紐所在地；具有人口密集、基礎設施齊全、城鎮化水平較高、財政收入較高、地勢平坦等優點，不管是從社會經濟角度考慮還是從施工難度來看，都較適宜開發建設用地。根據現有資料，此地帶地質災害易發性較小，生態敏感性較弱，開發過程中不易破壞生態系統，這樣既可以實現城鎮的可持續發展，又節約了為恢復生態建設所需的成本。不適宜區主要分布在邵武市的周邊，這些地區海拔較高、坡度較大、森林覆蓋度較大、社會經濟水平較低，開發起來不僅對施工技術要求較高、成本較高，還會破壞生態環境，引發地質災害，導致環境的惡性循環。

3.2 定量分析

由表3可知，邵武低丘緩坡面積為119 512.71 hm2，其中最適宜建設面積為18 983.88 hm2，占低丘緩坡地的15.88%，占邵武市總面積6.64%；較適宜建設面積為25 545.69 hm2，占低丘緩坡地的21.37%，占邵武市總面積8.93%；一般適宜建設面積為27 415.53 hm2，占低丘緩坡地的22.94%，占邵武市總面積9.59%；不適宜建設面積為47 567.61 hm2，占低丘緩坡地的39.80%，占邵武市總面積16.64%。水北鎮、拿口鎮、沿山鄉低丘緩坡資源最豐富，分別占總低丘緩坡面積的15.79%、13.86%、9.23%，合計達38.88%。最適宜建設面積最大的是城郊鎮，占最適宜建設總面積的20.69%；較適宜建設面積最大的是水北鎮，占較適宜建設總面積的21.80%；一般適宜建設面積最大的也是水北鎮，占一般適宜建設總面積的18.21%；不適宜建設面積最大的是拿口鎮，占不適宜建設總面積的13.97%。

3.3 適宜性區域分析及建議

最適宜建設面積較大的鄉(鎮)主要有城郊鎮、吳家塘鎮、水北鎮、曬口街道。其中水北鎮是邵武市占地面積最大的鄉鎮，位于邵武市北部，富屯溪、鷹廈鐵路、316國道、205省道貫穿境內，交通便利；城郊鎮位于邵武市中部，距邵武市人民政府很近，平均海拔300 m，境內溪流交錯，京福高速公路引線橫穿全境，是邵武市低丘緩坡開發項目片區；吳家塘鎮是綜合性的企業鄉鎮，已經初步形成邵武鐵路線上一座新興的集鎮；曬口街道位于邵武市中心城區，地勢平坦，基礎設施完備，常住人口較多。這些區域最適宜開發建設用地，應進一步加強土地節約集約利用，充分挖掘土地利用潛力，優化產業空間格局，如靠近城區的低丘緩坡地適宜開發為商住用地或生產用地，臨近工業園區的低丘緩坡地應因地制宜開發為工業基地，為人們提供更多的空間發展。

表3 邵武市各鄉鎮低丘緩坡地適宜建設統計分析

較適宜建設區主要分布在邵武北部的水北鎮，東南部的拿口鎮、吳家塘鎮，城區的城郊鎮，西部的沿山鎮，西南部的大埠崗鄉、肖家坊鎮、和平鎮。其中，水北鎮北部海拔較高，且森林覆蓋率較大；拿口鎮人口密集，距市區較近，距地質災害易發區較遠，且不易發生地震；大埠崗鎮地勢由東向西逐漸傾斜，有名勝古跡位于其中；肖家坊鎮地處武夷山脈南麓，距離市區較遠，境內有將石自然保護區、雞公山、天成巖，可以就地取材、因地制宜，發展旅游業；和平鎮全境屬于丘陵地帶，境內山區、半山區、平原各占1/3，平均海拔320 m，距離市區較遠，交通便利，是一個古鎮。這些區域可以作為建設用地的備選資源，進行低強度、低密度開發，可以因地制宜發展旅游業，比如適當開發些農家樂用地，景區內部和附近的低丘緩坡地可以建設些瀏覽和配套服務設施，提高景區的服務質量，這樣不僅優化城市結構，還會拉動鄉鎮居民經濟收入，提高居民的生活水平。

一般適宜建設區零星分布在邵武北部的水北鎮，東南部的拿口鎮，西南部的沿山鎮，南部的和平鎮、肖家坊鎮、大埠崗鄉、洪墩鎮以及衛閩鎮，這些鄉鎮人口密度、鄉鎮收入水平相對較低，海拔較高、坡度較大、森林覆蓋率高達70%，開發建設用地需要很高的技術和成本，應該以生態保護為原則，加強生態景觀建設同時防止地質災害的基礎設施建設，盡可能少地破壞原始地形。

不適宜建設區主要分布在拿口鎮、沿山鎮、水北鎮、洪墩鎮、肖家坊鎮、和平鎮、大埠崗鄉、大竹鎮等，其中沿山鎮、洪墩鎮森林資源豐富，覆蓋率達76%，是邵武市林業重鎮；大竹鎮有生態公益林2 800 hm2，竹山面積 1 466.67 hm2，屬于重點保護林業帶。這些鄉鎮如果進行開發建設不僅會導致地質災害的發生，還會破壞生態環境。建議禁止在該區域進行建設用地的開發建設，應該以生態景觀恢復和生物多樣性保護為主，盡可能保持原始風貌，實現自然與社會和諧、友好發展。

4 結論

本研究結合邵武市獨特的地形地貌，從空間區位、自然地理、社會經濟、生態環境4個方面全面構建評價指標體系，采用主成分分析和均值聚類初步評價邵武市低丘緩坡地空間拓展的適宜性。該方法不僅能最大比例地保留原始信息，還能客觀確定權重，避免主觀隨意性。研究結果表明適宜建設區主要分布在主城區附近，涉及的鄉(鎮)主要有城郊鎮、曬口街道、水北鎮、吳家塘鎮，占低丘緩坡地的15.88%，占邵武市總面積的6.64%，與規劃文本相吻合。該評價結果不但可以為邵武市低丘緩坡地空間拓展的開發潛力和方向提供宏觀把握，還可以為各鄉(鎮)區域發展政策的制定提供可行性建議。

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