基于格網尺度的杭州城西產業集聚區土地利用格局變化及熱點分析

苑韶峰，朱從謀，李勝男

（1. 浙江工商大學中國土地與城市治理研究院，浙江·杭州 310018；2. 浙江工商大學土地資源管理系，浙江·杭州 310018）

土地利用/覆被變化（LUCC）是人類活動和自然變化過程相互作用最緊密的問題，其空間格局表征了人地關系在不同地域空間上的作用強度和作用方式[1,2]。我國正處于社會經濟快速發展、人地矛盾劇增的時期，土地利用在廣度和深度上均呈現出劇烈變化，作為自然景觀變化最明顯的區域，城市土地利用格局變化受到國內外廣泛關注[3]。通過梳理國內外土地利用及土地覆被研究的文獻，土地利用變化的研究內容主要集中在不同尺度下土地利用格局的時空演變特征、驅動機制以及對生態環境和景觀效應等響應機制[4-6]。在大尺度研究上，劉紀遠等從國家尺度對我國不同時段土地利用變化進行研究，提出土地利用動態區劃方法，揭示了土地利用“格局”與“過程”之間的交替轉化規律[7]，Lambin 利用遙感影像，分析了越南土地利用變化對當地社會經濟及生態的影響[8]；在區域尺度上，劉永強從區域尺度分析了我國黃淮海平原的土地利用轉型以及對水環境的影響，發現建設用地的擴張以及農用地的點源污染對該地區水質量的負向影響較大[9]，周德以環杭州灣城市群為例，在土地利用變化研究基礎上探討了環杭州灣城市群土地利用空間沖突和復雜性[10]；從小尺度研究范圍來看，李小迎從鎮域尺度分析南京市東壩鎮土地景觀和板塊類型的時空特征，并指出工業發展是地區景觀格局變化的重要因素[11]，郭椿陽基于網格尺度分析永城市土地利用轉型特點及熱點探測[12]。在研究的技術手段和方法上，土地利用變化主要體現在土地利用變化的速度、類型和利用程度上，大多數學者多采用土地利用變化指數、土地利用動態度和土地利用轉移矩陣等指標來分析不同尺度土地利用變化，“3S”空間分析技術以及多種數理統計模型、空間計量模型在土地利用變化的研究日趨成熟[13]。從目前研究來看，以典型地域和地類復雜的生態敏感區為研究對象的中小尺度成為土地利用變化研究的趨勢，且多以定性分析和指標計算方法為主，熱點分析在土地利用研究的運用較少。格網尺度相對于較大尺度（不同層級行政區劃）可以更有效地挖掘和精確分析土地利用空間格局變化,對研究區土地利用的借鑒意義更大[12]。

產業集聚區是相互關聯的產業或企業根據自身發展要求，結合區位選擇集聚在城市空間特定區位的產業組織實體[14]。作為浙江省促進經濟轉型、打造具有浙江特色的現代產業體系的重點平臺，2010年浙江省利用塊狀經濟集聚優勢謀劃和培育一批省級產業集聚區，主要分布在大城市周邊土地利用類型最為復雜的城鄉交錯帶，產業集聚區由于產業相互關聯且集聚的特點發展迅速，對建設用地需求旺盛，如何處理好城鄉交錯帶各類用地矛盾、拓展城市產業發展空間成為產業集聚區持續健康發展的關鍵。基于此，本文以杭州市城西產業集聚區為例，利用地理信息系統（GIS）技術，結合遙感（RS）數據，在格網尺度上對該地區2005–2010年、2010–2016年兩個時期土地利用變化的空間格局及熱點區域的空間變化進行研究，探討土地利用格局變化的驅動機制。以期為該地區優化土地利用布局，促進產業集聚區可持續發展提供科學依據。

1 研究區概況與數據來源

杭州市城西科創產業集聚區是浙江省2010年在推進大平臺、大產業、大項目、大企業建設的基礎上謀劃和建立的，位于浙江省杭州市西部，主要包括余杭創新基地、青山湖科技城和余杭組團部分，總面積約300km2，規劃范圍涉及4個街道、4個鎮及2個鄉，杭徽高速、15省道等高速貫穿境內。區內多低山丘陵，森林覆蓋率較高，地勢呈西高東低特點，同時擁有多個水庫和湖泊，東部與西溪濕地鄰近，對杭州市的生態作用尤為顯著。

杭州市城西科創產業集聚區2009年GDP約210億元，總人口32萬人。作為浙江省“十二五”重點謀劃的產業集聚區，其以現代服務業和高端制造業為主導，2014年投產企業達到481個，產業增加值500億元，在經濟快速發展的過程中，其土地利用格局發生巨大變化，產業發展與土地利用的空間沖突開始出現。

本研究土地利用數據主要通過解譯遙感影像獲得，為城西產業集聚區2005、2010及最新2016年的3期TM影像，空間分別率為30m。其中2005和2010年由中國科學院資源環境科學數據中心提供的遙感解譯數據，數據精度達到90%以上，2016年數據在ENVI5.1軟件上運用監督分類方法獲取土地利用數據，數據準確度達到85%以上。土地利用分類參照參照國家土地利用劃分標準并結合研究區實際狀況，將研究區土地類型劃分為耕地、林地、草地、水域、城鎮建設用地和農村居民點用地7種類型，以該地區地理環境及行政區劃圖為輔助圖數據，建立土地利用數據庫。

2 研究方法

在時間尺度上，以產業集聚區的設立時間（2010年）為時間尺度分割點，對產業集聚區設立前后兩個時期土地利用格局變化展開比較研究。在空間尺度上，根據王國杰等的研究，土地利用動態變化空間采樣時，樣本格網大小為土地利用圖斑面積大小的2–5倍時，才能較好地反映采樣區周圍景觀的格局信息[15]。杭州市城西產業集聚區土地利用平均斑塊面積在0.32–0.39km2之間，考慮到研究區域柵格單元大小，本研究采用1km×1km的網格進行系統采樣，總共劃分為369個研究單元。

2.1 土地利用類型轉移矩陣模型

土地利用轉移矩陣不僅能揭示區域某一時間點的土地利用結構，而且還能定量描述研究初期和末期各地類相互轉化的動態過程，顯示各地類轉入轉出的信息[3]。運用2005–2010年和2010–2016年兩個時間段的產業集聚區土地利用數據，對比在研究區域受到外部強烈干擾情況下，即設立產業集聚區前后的土地利用格局動態變化的數量和空間分布特征，其表達式為：

式中，Aij表示轉移前i地類轉換成j地類后轉移的面積，n為轉移前后土地利用類型的數目，i和j（i,j=2,3 …,n）分別為轉移前和轉移后的土地利用類型。

2.2 土地利用變化指數

土地利用變化總體指數反映土地利用的變化程度，本研究以公里網格為獨立單元，能夠精確反映研究區不同地理單元內部土地利用變化部分所占比例及土地利用變化的速率，不僅整體反映該地區土地利用格局的動態變化，也可以衡量人類活動對土地利用的干擾程度。公式為：

式中，Iluc為土地利用總體變化指數；Uai和Ubi分別為研究時段初年和末年第i類土地利用類型面積；D為網格單元面積，除邊緣區外，其他均為1km2。

2.3 Getis-Ord Gi*指數

為研究區域土地利用格局動態變化的空間關聯模式，Ord和Getis提出了用于進行局部相關性分析的統計指數G*，可以用來識別具有統計顯著性的高值（熱點）和低值（冷點）空間集聚分布[16]，能很好地反映某一區域與鄰近區域單元屬性值的關聯程度，其計算公式為：

其中，xj是要素j的屬性值，Wij為空間權重矩陣，相鄰為1、不相鄰為0。

Gi*統計為具有顯著統計意義的z得分。若z為正且得分越高，高值（熱點）的聚集類越緊密；z得分為負且越低，低值（冷點）的聚集類越緊密；z→0，則表示不存在明顯的空間聚類。

3 結果與分析

3.1 土地利用空間分布格局及動態變化

利用GIS技術，制作出杭州市城西產業集聚區不同時期土地利用空間分布圖（圖1），并對該地區2005–2016年土地利用動態變化進行統計分析（圖2）?？梢钥闯?，杭州市城西產業集聚區的土地利用方式主要是耕地、林地、水域及建設用地，其中耕地和林地的比重較大。耕地主要分布在地形平緩的東部及中部地區，2005年、2010年和2016年耕地面積分別占研究區的56.46%、52.50%和50.06%，且耕地破碎度逐漸增加；林地主要分布在研究區西部及北部山區，2005年、2010年和2016年林地面積分別占研究區的30.10%、27%和19.46%，而且林地集中連片，破碎度增大；建設用地主要分布在地勢平緩的東部地區以及西部山谷地帶，其中農村居民點用地面積先增加后減少，城鎮建設用地在產業集聚區設立之后迅速擴張，2016年其比例增至21.62%；水域主要包括湖泊、河流、濕地等，主要以湖泊和濕地為主，濕地分布在研究區東部地區，湖泊、河流分布在西部溝谷中。從土地利用動態變化上看，該地區2010–2016年土地利用動態變化更加劇烈，主要表現為城鎮建設用地迅速擴張，林地快速減少，耕地減少速度開始放緩。

圖1 2005–2016年杭州市城西產業集聚區土地利用空間分布Fig.1 Land use pattern of Hangzhou Chengxi Sci-tech Innovation Zone in 2005-2016

圖2 2005–2016年杭州城西產業集聚區土地利用動態變化Fig.2 Dynamic change of Hangzhou Chengxi Sci-tech Innovation Zone land use in 2005-2016

運用土地利用轉移矩陣，探討2005–2010年和2010–2016年土地利用動態變化特征（表1、表2）?？梢钥闯?，2005-2010年草地和未利用地面積變化不大，建設用地、林地和耕地等用地類型變化較大。其中城鎮建設用地增加5km2，主要來源于耕地和林地；林地減少較多，主要轉化為耕地和城鎮建設用地；耕地面積減少12km2，主要轉化為農村居民點和城鎮建設用地；水域面積有所增加，主要來源于耕地，這與該地區生態濕地保護密切相關。2010年杭州城西產業集聚區設立，土地利用格局和數量發生劇烈變化。2010年之后，隨著大量優惠產業政策的實施，大量人口和企業開始入駐集聚區內，城鎮建設用地面積急劇擴張，其中耕地被占用27.42km2，為保持耕地占補平衡，有18.39km2的林地轉化為耕地；農村居民點用地通過宅基地整理被并入6.45km2；水域面積減少2.79km2，主要轉化為耕地面積；草地和未利用面積都有所減少。該區域的土地利用程度增加，人類活動對土地利用格局的影響增大。

表1 2005–2010年土地利用類型轉移矩陣（km2）Table 1 Transfer matrix of land use type in 2005-2010

表2 2010–2016年土地利用類型轉移矩陣（km2）Table 2 Transfer matrix of land use type in 2010-2016

3.2 土地利用格局變化特征分析

為了分析土地利用格局動態變化的空間差異，運用土地利用變化指數測算2005–2010年、2010–2016年土地利用總體變化水平（表3），并利用ArcGIS軟件制作出兩段時期產業集聚區土地利用格局變化的空間分布圖（圖3）

對不同時期杭州市城西產業集聚區土地利用總體變化水平的統計表明，2010–2016年的土地利用變化指數的平均值和標準差均明顯大于2005–2010年，說明這段時期該地區由于人類活動導致土地利用格局變化更大。而變異系數和偏度系數為2005–2010年大于2010–2016年，表明前段時期土地利用動態變化的空間差異較大，后段時期土地利用在空間上較為均衡，具有較大的空間集聚性。

在空間格局上，2005–2010年該地區土地利用變化大的地區主要集中在臨安市的錦城街道和青山湖街道，這兩個地區地勢較平坦，位于街道中心且沿杭徽高速向東西方向延伸，土地利用變化程度較大；產業集聚區北部為山地，地勢陡峭，多為林地，東部為杭州市重要的高產水稻基地，2010年之前土地利用主要以耕地和濕地為主，農村居民點和城鎮零星分布。2010年城西產業集聚區設立以后，土地利用變化重心發生明顯偏移，相比2010年之前較分散、緩慢的土地利用變化，2010年之后的土地利用變化呈現出中心聚集的特征，土地利用變化重心主要集中于產業集聚區東部余杭區五常街道、倉前鎮和閑林鎮。該區域鄰近杭州市區，地勢平坦，加上產業政策優勢，大量人口和企業開始聚集，土地利用變化格局發生巨大變化；同時臨安市青山湖、錦湖街道及橫畈鎮土地利用變化速度加大，形成多個土地利用變化集聚中心。

表3 2005–2016年土地利用變化指數的描述性統計值Table 3 Descriptive statistics of land use change index in 2005-2016

圖3 不同時期土地利用變化指數的空間分布Fig.3 Spatial distribution of land use change index in different period

3.3 土地利用動態變化熱點分析

為探討該區域土地利用格局變化的空間關聯特征，運用GIS空間分析方法，對杭州市城西產業集聚區兩個時期土地利用變化指數在同一參數標準下進行熱點分析，得出2005–2010年和2010–2016年兩個時期土地利用格局的熱點區域空間分布圖（圖4）。

2005–2010年該區域土地利用格局變化的熱點區域呈點狀分布在杭徽高速沿線，主要集中在區域西南部錦湖街道和中西部青山湖街道；2010–2016年土地利用變化熱點呈塊狀集中分布，主要有“一大三小”區域，產業集聚區東部以五常街道為中心成為土地利用變化的最大熱點區域，呈圈狀向外擴散，其次是傳統的土地開發較早的錦湖街道和青山湖街道以及北部的橫畈街道。冷點區域主要集中在地勢陡峭的山區以及余杭區北部傳統的農田保護區。整體上看，2010年前的土地利用格局變化并不受政策導向的影響，土地利用變化強烈的地區主要集中在人口密集的街道中心區域，北部和南部地區以林地為主，東部為杭州市傳統的水稻高產區，土地利用變化仍然以林地、肥沃的農地、水域等自然條件為先決條件，即自然環境的變化決定該地區的土地開發利用的過程。2010年以后的土地利用變化深受政策導向的影響，東部地勢平坦、區位優越的余杭部分街道成為土地利用變化的最大熱點地區，該區域鄰近杭州市主城區，同時是鐵路、高速和自然景觀等綜合條件十分豐富的區域，多種優勢要素聚集，加上政府政策的大力支持，未來發展空間不斷擴大，成為研究區社會經濟發展的核心地帶?？梢钥闯?，2010年之后的土地利用變化主要受到社會經濟發展、政府政策的干預，特別是十二五期間加快產業集聚區建設步伐，使得自然要素在土地利用變化中的地位逐漸弱化，該區域土地利用程度迅速提高，在促進社會經濟發展的同時，占用耕地、破壞生態景觀的土地無序開發行為應得到充分重視。

圖4 2005–2016年杭州城西產業集聚區土地利用變化熱點圖Fig.4 The hot-spots map of land use change in Hangzhou Chengxi Sci-tech Innovation Zone in 2005-2016

3.4 驅動力分析

（1）自然因素

在土地利用及其格局演變過程中，自然地理環境的對土地利用的區域分布特征具有深刻影響。杭州城西科創產業集聚區位于杭州市轄余杭區與臨安市的交界地帶，余杭區部分地處杭嘉湖平原西部邊緣地帶，地勢平坦，水熱條件優越，在未設立產業集聚區之前，該地區一直是杭州市傳統的水稻高產區，在土地利用類型以耕地為主，農村居民點和城鎮建設用地零星散布。在產業集聚區設立之后，由于該地區自然條件優越，地理位置更靠近杭州主城區，尤其與浙大等科研院校毗鄰，成為產業集聚區建設的重點地帶；產業集聚區臨安市部分北部和南部多低山丘陵，其土地利用類型主要以林地為主，地勢陡峭，土地利用變化度較小，建設用地主要分布在河谷沖積平原上，自然地理環境的限制造成該地區在產業集聚區設立之后并沒有出現大規模擴張現象，主要是依托原有中心城鎮向外擴張。

（2）人文因素

人類活動和社會發展作為影響自然環境變化的主要因素受到廣泛的關注。在我國土地資源配置中政府色彩濃厚的背景下，土地開發利用的一系列政策對土地利用格局產生深遠的影響。2010年將杭州城西產業集聚區設立納入到省級戰略層面后，各項開發建設工作全面推進，2013年其核心規劃區已開發建設用面積30.6km2，交通等基礎設施以及產業園區日益完善，規模投產企業達到481個，2015年地區生產總值達到579億元，占杭州市生產總值總量的5.7%，增速是全市的2倍，綜合實力水平連續4年位居全省各產業集聚區之首，逐漸形成了以未來科技城、青山湖科技城為核心，依托快速路、輕軌等主干線的“雙城一帶”產業空間格局。其中未來科技城位于產業集聚區東部，其重點規劃區包括倉前和五常片區，規劃面積為41km2，同時擁有夢想小鎮、紫金眾創小鎮等特色小鎮，人口集聚力強；青山湖科技城位于產業集聚區中西部，包括青山湖和橫畈片區，規劃面積為28.4km2。截至2015年底，“雙城一帶”的全面建設導致該地區土地利用格局在短時間內發生巨大變化，主要集中在地勢平坦的東部平原地區，大量耕地和濕地轉化為建設用地，這是2010年后產業集聚區土地利用發生劇烈變化的主要原因。

表4 2012–2014年杭州城西產業集聚區投產概況Table 4 Enterprises of Hangzhou Chengxi Sci-tech Innovation Zone land use in 2012-2014

4 結論

（1）2005–2016年杭州城西產業集聚區土地利用格局變化呈現階段性。2005–2010年土地利用變化大的地區主要集中在人口分布集中的錦湖街道和青山湖街道，耕地和林地面積減少，主要轉化為農村居民點和城鎮建設用地，草地和未利用地面積變化不大，水域面積有所增加，主要來源于耕地。2010年杭州城西產業集聚區成立以后，該地區土地利用變化指數遠大于前者，土地利用變化重心轉移到東部倉前、五常街道等平原地區。從各類用地類型的轉移幅度上看，城鎮建設用地面積急劇擴張，其中占用耕地27.42km2，占用農村居民點用地6.45km2，水域面積減少2.79km2，主要轉化為耕地，同時有18.39km2的林地轉化為耕地，草地和未利用地面積都有所減少，土地利用格局變化較大。

（2）土地利用變化的熱點地區在增加，強度進一步增大。2005–2010年，該地區有2個以錦湖和青山湖街道為中心的土地利用變化熱點；2010–2016年土地利用變化熱點有4個，分別是東部以倉前、五常為中心的未來科技城、中西部以青山湖、橫畈為中心的青山湖科技城以及錦湖街道，其中未來科技城的土地利用變化在今后一段時期內會更加明顯。

（3）杭州城西產業集聚區土地利用變化受到自然因素和社會經濟因素的交互影響，2010年之前主要受到自然因素的制約，2010年后由于政府力圖打造區域經濟新增長點和創新點，政策導向的土地利用格局變化明顯，從整體上看，產業集聚區土地利用變化熱點逐漸增多，建設用地空間擴展較快，把控這些變化方向，一方面服務于地方經濟發展，另一方面應正確處理好生態用地尤其是林地、耕地與建設用地空間沖突，強調產業發展與保護耕地、林地的協調發展，為該地區土地資源的可持續利用提供有效保障。

研究表明，以公里網格為單元進行土地利用動態變化及空間展布意義重大，可以強化人們對杭州城西產業集聚區土地利用變化時空格局的認知，為該地區土地開發利用、土地規劃和管理提供科學的借鑒依據。在未來區域土地利用變化研究中，以網格單元為尺度的分析可以準確有效的補充中小尺度土地利用動態變化內容和規律，是未來土地變化科學研究的方向和重點。

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