2000—2020年北京市“三生空間”格局變化特征分析

謝譯詣, 鄒 艷, 2

(1.中國礦業大學 環境與測繪學院, 江蘇 徐州 221116; 2.北京建筑大學 文法學院, 北京 102616)

0 引 言

自改革開放以來, 隨著我國城市化不斷深化推進, 出現了城市空間的無序擴張、土地利用效率低、生態環境受到嚴重破壞和污染，以及自然資源浪費等一系列問題，因此亟需對城市發展進行科學的規劃。而傳統的土地利用規劃、國民經濟和社會發展規劃、城鄉規劃等指標之間相互交叉、重疊, 在實際實施過程中難以統一和銜接, 面臨“誰管誰”“誰實施”等決策難題[1]。為解決此問題, 黨的十八大提出了“生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生態空間山清水秀”的總體建設目標[2-3], 將優化國土空間開發格局作為生態文明建設的首要舉措。

三生空間是指按照國土利用空間的主要功能劃分的生產空間、生活空間和生態空間的總稱。生產空間是以提供工業品、農產品和服務產品為主導功能的區域; 生活空間是以提供人類居住、消費、休閑和娛樂等為主導功能的區域; 生態空間是以提供生態產品和生態服務為主導功能的區域[4]。目前, 關于三生空間的研究重點主要放在辨別其概念內涵和分類方法[5-7]、“三生空間”的格局優化[8-10]等方面，研究方法由定性評價向定量測度轉變，研究尺度由單尺度向多尺度復合研究發展, 數據來源由傳統社會經濟統計數據向遙感等多源數據綜合集成轉變[11]。這些研究均取得了顯著成果, 但仍有一些不足: 現有研究提出的“三生空間”識別技術對數據依賴性強，計算過程復雜, 用戶使用便利性不高; 此外，評價指標繁多, 各類指標間存在交叉現象, 缺乏系統的指標體系。

對此, 本文選取北京市為研究對象, 以前期研究所建立的“三生空間”綜合性評價系統[12]為基礎, 依據北京市2000、2005、2010、2015和2020年5期遙感影像, 結合格網分析、空間自相關分析和耦合協調度模型, 從空間分布規模、空間聚類及空間作用關系3個層面對北京市“三生空間”的格局變化情況進行了分析, 并提出一些合理化的政策建議, 以達到優化效果。

1 研究區域概況及數據來源

1.1 區域概況

北京是我國首都, 位于華北平原北部, 東接天津市, 其北、南和西面被河北省環繞。經緯度位置為東經115.7°—117.4°, 北緯39.4°—41.6°, 東西寬160 km, 南北最長176 km, 東南距渤海150 km。北京山地面積占全市土地總面積的2/3左右, 其余基本上為平原, 地勢西北高東南低。北京市目前有東城區、西城區、朝陽區、海淀區等16個區(圖1)，全市土地總面積16 410.54 km2。底圖據北京市行政區域界線基礎地理底圖(審圖號：京S(2019)032號)。

圖1 北京市行政區劃示意圖

近年來, 北京在推動城市經濟快速發展的過程中, 也出現了諸多區域性環境問題, 限制了北京市的總體布局和規劃[13]。北京市作為我國的政治、經濟和文化中心, 更加需要科學有效地進行“三生空間”的規劃建設, 從全局出發, 統籌優化配置北京市“三生空間”布局, 對保障北京市土地資源的可持續利用和社會經濟的可持續發展都具有重要意義。目前, 有許多學者也對北京的城市空間歷史演變和分布特點作了一些研究[14-17], 但僅是從其他角度分析城市空間格局, 沒有考慮“三生空間”因素; 有些盡管考慮了“三生空間”因素, 但這些要素過于單一, 沒有考慮綜合的影響。鑒于此, 本文選取北京市進行“三生空間”格局變化特征研究以期為今后全國其他地區的同類研究提供參考價值。

1.2 數據來源

實驗數據主要分為以下3類: 一類是 Landsat衛星遙感影像數據, 包括分辨率為30 m×30 m且云量小于10%的2000年9月13日、2005年7月25日、2010年8月8日Landsat 5 TM以及2015年9月7日和2020年9月20日Landsat 8 OLI 5期影像; 二是土地利用數據, 包括2010年北京市土地利用現狀調查圖(1∶10萬)和北京市2005—2020年統計年鑒; 三是2019年北京市行政區劃圖(表1)。

表1 數據來源

遙感影像數據用來進行土地分類, 用作“三生空間”功能分析的前期準備; 北京市土地利用數據, 作為參考對遙感影像識別結果的精度進行驗證; 行政區劃矢量文件, 用來提取研究區域。

2 “三生空間”識別與時空序列變化分析

2.1 遙感影像分類方法

利用遙感圖像處理軟件ENVI 5.3對遙感影像進行幾何校正, 按照1∶10萬比例尺提取、整理和修編空間數據和屬性數據、圖像配準、圖像融合、圖像鑲嵌與裁剪、大氣校正等數據預處理，再參照《土地利用現狀分類》(GB/T 21010—2017),結合北京市當地具體情況,將研究區分為水體、建設用地、林地、草地、裸地、耕地共6種地物類型(表2)。選擇監督分類中的支持向量機分類(support vector machine classification,SVMC)進行遙感影像的分類處理。影像分類完成后需進行分類后處理, 包括小斑塊去除、分類統計、對誤分部分進行局部修改, 并對分類的結果進行精度評定。經Kappa系數檢驗, 5個時期的Kappa系數均大于0.80, 均超過最低允許判別精度0.70的要求[18], 5個時期分類總精度均超過85%, 至此便得到了用來識別“三生空間”的遙感圖像, 完成“三生空間”功能分析的前期準備。

表2 研究區地物分類

2.2 “三生功能”空間識別方法

目前, “三生功能”的分類研究主要有兩種基本方法: 一是定性識別“三生功能”，二是基于量化功能識別“三生功能”。前者實質上就是對現有的空間數據資源進行定性劃分和分類歸并, 從而基本實現土地功能定性分類和土地利用分類的有效銜接[10]。研究的工作方法主要有根據城市土地調查數據、城市用地分類劃分和總體規劃城市建設中的土地使用標準等, 逐一分析確定各城市用地劃分類型及其中的“三生功能”以及空間用地分類[19-20]；還有些采用先劃分區再劃分類的方法, 以地物類型和行政區劃為基礎分析單位[21]。后者是基于量化功能識別“三生功能”的地區分類評價方法, 通過對參與研究地區的每個功能評價單元分別建立一套功能評價計算指標, 對參與研究的各區功能進行統一的評價計算, 是一種基于定量識別研究的分類方式[6, 22-24]。方法一的評價過程雖相對簡潔, 但對于普通用戶要獲取大區域、長時間的土地利用調查現狀數據仍十分困難。方法二雖精度較高, 但計算過程復雜, 對數據的依賴性較強, 用戶使用便捷性不高。

對此，本文提出了一種基于遙感影像分類和土地功能評價的“三生功能”空間簡化識別方法。基本思想如下: 在實施遙感圖像信息處理、土地“三生”劃分這一工作過程中, 盡可能多地使每塊土地的功能特征僅屬于生產、生活和生態三大功能特征之一。因此, 可以直接利用遙感圖像土地分類的結果來確定“三生空間”, 有效避免了普通用戶收集土地使用現狀資料困難的問題。本文借鑒崔家興等[24]的評價方案并結合自身分類影像, 提出了北京市“三生空間”土地分類體系(表3), 并對各個地物類型進行“三生功能”評價，具體評價賦值規則: 分值0～5分。每一種土地的利用方式都不是唯一的單項功能, 經常表現出多功能性, 但土地能表現出上述 3 種功能的主次, 即土地具有主導功能[20]。采用的判別標準是以單位空間內該地物類型生產、生活、生態功能的評分高低, 來確定其主導功能。如表3所示，某單位空間的用地類型為建設用地, “三生功能”評分依次為3、5、0, 因此其主導功能為生活功能。

表3 “三生空間”地物分類體系及其分值

2.3 “三生功能”空間分析指標

從空間分布的規模、空間聚類及空間作用關系3個層面進行多期影像的空間比較和時序分析。

2.3.1 空間分布規模 探究“三生”圖像空間分布規模主要指3標包括: “三生空間”功能總體得分比例、主導功能面積比例[16]、“三生空間”地均分值、“三生空間”單元分值變化[23]。“三生空間”功能總體得分比例計算公式為

(1)

式中:RK為第K項功能得分占“三生功能”總得分的比例;K取值為P、L、E，分別代表生產、生活、生態功能得分;n為研究區域內單位空間的數量, 本文利用30 m×30 m的遙感影像數據, 即1個像素為1個單位空間。“三生空間”功能比例的歷年變化可據式(1)對不同年份的比例值進行作差比較。

主導功能面積比例計算公式為

(2)

式中:RK′為第K′項主導功能面積占研究區域總面積的比例;K′取值為P′、L′、E′，分別代表生產、生活、生態功能占主導地位的單位空間面積。本文所有單位空間的面積均為30 m×30 m, 因此，求取P′、L′、E′時可忽略各項主導功能的真實面積, 而只需統計各項功能所占單位空間的個數。x為某主導功能所占單位空間的個數, 其中x=p、l、e、p、l、e分別代表生產、生活、生態功能占主導的單位空間個數。

“三生空間”地均分值, 計算公式為

(3)

構建3 km×3 km的格網覆蓋整個研究區域, 將格網圖層與“三生空間”分級賦值圖層進行疊加分析。像元大小為30 m×30 m, 這樣每個格網中的像元數n=104, 統計格網內像元“三生功能”得分, 并計算其均值。RK的取值范圍為[0, 5]。

“三生空間”單元分值變化, 由不同年份的地均分值作差得到

(4)

2.3.2 空間聚類 “三生空間”功能總體得分比例、主導功能面積比例、“三生空間”地均分值、“三生空間”單元分值變化這4個指標, 雖可從整體規模上對“三生空間”的分布與變化進行評價, 但無法描述不同“三生”功能空間的分布情況, 因此采用全局空間自相關指數(Moran’sI), 從不同功能空間相互之間的聚集程度來進行分析。

全局空間自相關指數, 計算公式為

(5)

2.3.3 空間作用關系 空間自相關指標雖可反映“三生功能”空間聚集分布的程度, 但無法體現不同“三生功能”空間的相互作用關系。而耦合協調模型可用于表示兩者或多者之間的相互作用關系[21], 因此本文采用了耦合度、耦合協調度這兩個指標來進行研究[25-27]。結合實際情況, 將“三生空間”功能耦合度劃分為四大類:[0, 0.3)低耦合時期、[0.3, 0.5)拮抗期、[0.5, 0.8)磨合期、[0.8, 1.0)協調耦合期。盡管耦合度能反映“三生功能”空間的相互作用, 卻不能表征各功能是相互促進還是相互制約, 因此, 本文又引入了耦合協調度。耦合協調度的判別標準為：[0, 0.2)嚴重失調、[0.2, 0.4)中度失調、[0.4, 0.6)基本協調、[0.6, 0.8)中度協調、[0.8, 1.0)高度協調。

3 結果分析

3.1 遙感影像分類結果

3.1.1 土地分類圖 根據表2, 將北京市土地分為水體、建設用地、林地、裸地、草地、耕地共6種地物類型, 經過遙感影像分類得到了北京市土地SVMC分類圖(圖2)。從空間尺度上來看, 北京市建設用地擴張的趨勢非常明顯, 由中心向四周延伸, 增長區域由朝陽、海淀向通州、順義和昌平等區域集中, 而耕地和草地的面積則大幅較少。為了更加直觀地看出各類地物類型的變化程度, 引入地物變化幅度加以說明。

圖2 北京市2000和2020年土地SVMC分類圖

3.1.2 地物變化幅度 地物變化的幅度等于某一地物類型研究末期占總面積的比例減去研究初期占總面積的比例, 用來定量評價地物面積變化的幅度大小。利用監督分類方法得到的分類結果, 對北京市2000—2020年地物數據分別統計, 如表4所示。可以看出: 20年來北京市水體面積減少了18.28 km2, 建設用地的面積得到了長足增長(1 885.71 km2), 林地面積有所增加(238.34 km2), 草地面積減少了353.57 km2, 裸地面積增加了3.88 km2, 耕地面積有1 756.07 km2轉化為了其他用地。

表4 2000—2020年北京市地物類型面積及變化率

3.2 “三生空間”時空特征及變化結果

在分類之后, 需要利用遙感影像分類圖和土地利用現狀調查數據進行“三生空間”功能識別的準確性分析。利用2010年北京市土地利用調查現狀數據, 采用崔家興等[18]構建的“三生空間”土地利用分類體系評分方法對北京市“三生空間”功能進行識別, 與本文基于遙感影像的“三生空間”功能在2010年的識別結果進行對比分析(兩者比例尺均為1∶10萬)。識別結果顯示兩者高度一致, Kappa系數達86%, 高于Kappa系數的最低允許判別精度0.70。因此，采用本文所提基于遙感影像數據的“三生空間”功能識別方法, 可以滿足“三生空間”格局變化特征分析的需求。

3.2.1 “三生空間”時間變化特征 根據3.1節得到識別“三生空間”分層賦值圖, 統計其結果可得, 截至 2020 年, 北京市生產空間面積總計為3.91×103km2, 比2000年減少30.97%, 能夠提供的生產功能總分值為 3.49×107, 比 2000年減少了9.98%; 生活空間面積總計為3.48×103km2, 比2000年增加118.57%, 能夠提供的生活功能總分值為1.93×107; 生態空間面積總計為9.01×103km2, 比2000年減少9.43%, 能夠提供的生態功能總分值為6.31×107, 比2000年降低12.73%。采用2.3節的7項指標對北京市過去20年間“三生空間”分布規模及變化特征進行了詳細分析。

圖3為北京市2000—2020年“三生功能”總體得分比例與主導功能面積比例的變化情況。可見, 無論是功能總體得分比例, 還是主導功能面積比例, 生態空間都占據了“三生空間”中的絕對主導地位。但近二十年來, 北京市生活功能得分和主導功能面積均逐年增加; 生產功能得分和主導功能面積正逐年下降; 生態功能得分緩慢下降, 其主導功能面積存在小幅波動, 但總體平穩。

圖3 北京市2000—2020年“三生空間”總體得分(a)及主導功能面積(b)比例變化

3.2.2 “三生空間”空間變化特征 為分析北京市“三生空間”分布與歷史變化情況, 以便識別主要問題區域的具體位置, 構建3 km×3 km的格網覆蓋整個研究區域, 以每個格網作為研究區域的單元。利用ArcGIS將格網與前文所得的“三生空間”的得分結果及北京市行政區劃矢量圖進行疊加分析。圖4～6顯示了北京市2000和2020年兩個時期“三生空間”的分布格局。過去二十年間, 北京市的“三生空間”發生了顯著變化。生活空間擴張迅猛, 生產、生態空間侵占嚴重。其中, 北京市中部和南部區域生產空間呈現縮減態勢, 生產空間的高值區主要集中于東南部, 西北部延慶區部分區域也存在生產空間高值區; 生活空間表現出明顯的由中心向四周輻射的態勢, 這與北京市城區的擴張有關, 北京市生活空間的高值區分布于東城區、西城區、海淀區、石景山區、豐臺區和朝陽區; 生態空間的功能呈現西北高、東南低的態勢。

圖4 北京市2000和2020年的生產空間分布格局

圖5 北京市2000和2020年的生活空間分布格局

由圖7可知,近二十年來生產空間的分布范圍呈現了縮減趨勢,而且在北京市的東南部的通州區,中部朝陽區、海淀區和南部的大興區, 均出現了新的低值區; 生活空間發展極其迅速, 以東城區、西城區為中心向外擴張; 而大部分區域生態空間卻有所降低, 降低區域與生活新增面積基本一致, 可以看出北京市近20年生活空間的增加是以生態空間的減少換取的。結果表明, 北京市“三生功能”在不同區域存在高低聚類的特點, 因此亟待進一步確定其空間集聚性作用強度。

圖6 北京市2000和2020年的生態空間分布格局

圖7 2000—2020年北京市“三生空間”演變趨勢

3.2.3 “三生”空間聚集性 表5列出了2000、2010、2020年北京市“三生空間”全局Moran’sI指數的值。結果表明, “三生功能”的空間分布具有一定的正相關性。其中, 北京市生產和生活空間的全局自相關指數高于生態空間，即生產功能、生活功能集聚特征更為顯著, 生態功能集聚性相對較弱；而生態空間全局空間自相關指數最初較低, 但近二十年以來一直在上升。

表5 2000—2020年北京市“三生空間”全局Moran’s I 變化

3.2.4 “三生空間”耦合協調度 利用空間自相關指數, 雖可分析“三生功能”空間的聚集情況, 但不能表征“三生”之間內在的影響與作用關系。因此，本文進一步采用耦合度和耦合協調度指標來分析北京市“三生空間”的相互作用關系。圖8為2000—2020年期間, 北京市“三生空間”整體耦合度、兩兩耦合度、整體耦合協調度以及兩兩耦合協調度的情況。

圖8 北京市2000—2020年“三生空間”耦合度(a)和耦合協調度(b)變化情況

北京市“三生空間”耦合性和耦合協調性的趨勢基本一致, “三生”的耦合度和耦合協調度總體上都呈現出增的趨勢。對照2.3.3節指標分類可知, 2000年北京市的“三生空間”耦合度為0.74, 處于磨合期; 2020年為0.89, 為協調耦合期; 2000年耦合協調度0.49, 是基本協調期; 2020年為0.54, 仍屬于基本協調階段。“三生空間”兩兩耦合度和兩兩耦合協調度, 生產-生態均處于最高水平, 分別為0.98和0.71, 處于協調耦合時期和中度協調階段。生產-生態耦合度與耦合協調度比生產-生活和生活-生態高, 說明生活空間的發展與生產和生態的矛盾很大, 且生活-生態的兩兩耦合和耦合協調度都比生產-生活高, 說明北京“三生空間”的主要矛盾在于生產-生活。因此, 如何解決生產與生活空間協調發展的矛盾是北京市當前社會和經濟發展的首要問題。

本文使用3 km×3 km網格為單位空間, 分別對每個網格中生產-生活空間的耦合協調度進行統計分析, 空間分布情況如圖9所示。

圖9 北京市2000、2010和2020年生產與生活空間耦合協調度的空間分布情況

北京市生產-生活耦合協調度最低的區域主要集中在西南和北部, 即房山、門頭溝、懷柔、密云和延慶區。整體而言, 北京的生產-生活功能耦合度在空間上呈現出“中部高四周低, 東南高西北低”的空間格局, 區域差別大。從時間的角度看, 生產-生活空間功能耦合度整體水平在逐年上升, 以中心區域為核心并向外擴散。部分地區的耦合協調度變化波動明顯, 如西部昌平部分區域經歷了中度失調—嚴重失調—中度失調的先減后增過程, 北部懷柔、延慶部分區域經歷了由嚴重失調—中度協調的躍進過程。在過去的20年里, 部分區域生產-生活的耦合協調度有較大提升, 但房山、門頭溝、延慶、懷柔四區耦合協調度變化不明顯。因此, 未來應重點解決這些區域生產-生活空間協調發展問題。

4 結論與討論

4.1 結論

以首都北京市為例, 利用多期遙感影像資料, 對北京市近二十年“三生空間”分布格局及其變化特點進行了詳細的研究和分析, 并依據實驗結果, 得出了以下結論:

(1)生態空間在北京市占據了絕對主導地位, 功能得分比例和主導功能面積均占到了50%以上。北京市“三生空間”分布格局地區之間差異大。生產空間和生活空間主要分布于北京市東南部和中部, 生態空間主要分布于西北部山區和遠郊。

(2)北京市的生產和生活空間的自相關指數明顯高于生態空間, 即生產與生活空間發展具有更強的聚集性; 而生態空間的全局自相關指數很低, 但在近二十年出現上漲的現象, 表明生態空間面積變小, 但卻比較密集了。

(3)北京市“三生空間”耦合度和耦合協調度雖均在逐年提升, 但目前仍處于協調耦合和基本協調階段。從兩兩耦合度和耦合協調度看, 生產-生態明顯高于生產-生活和生活-生態, 說明生活空間發展與生產和生態空間保護間矛盾最大, 且生產-生產的兩兩耦合和協調度均高于生活-生態, 說明北京市當前“三生空間”的主要矛盾是生產與生活空間發展的矛盾。

(4)從耦合協調度的空間分布看, 北京市生產-生活耦合協調度最低的地區主要集中在北部和西南部, 即房山、門頭溝、懷柔和延慶區境內。近年來這些地區耦合協調度雖然有了一定提升, 但部分地區仍處于嚴重失調。因此, 未來北京市應重點解決北部延慶、懷柔區和西南部的房山及門頭溝區的生產與生活空間的協調發展問題。

4.2 討論與建議

本文參照已有研究并結合研究區域自身情況, 采用國土空間“三生功能”賦值的方式, 對北京市“三生空間”功能的各項指標進行了評估, 并就實驗結果對北京市各區域的現狀及未來發展方向進行了分析。

(1)中部生產生活功能區(東城、西城、海淀、豐臺、朝陽、石景山、昌平、順義區): 由于該區人口密度大, 生活配套設施齊全, 因歷史上開發時間較早, 能利用和改造的空間有限, 未來主要以調整結構為主, 加強第三產業的發展。

(2)東南部生產生活區(通州、大興區): 地形條件良好, 后備建設用地資源充足。未來應繼續做好合理的城市規劃, 緩解城市中心區域發展壓力, 并積極發展新興產業, 商貿和國際物流等。

(3)北部生態功能區(懷柔、延慶、密云、平谷區): 其植被和森林覆蓋率相對較高, 水域面積較廣, 擁有豐富的農業資源和漁業資源, 開發和利用難度相對較小。產業布局主要圍繞特色鄉村、旅游業。

(4)西部生態功能區(門頭溝、房山區): 植被覆蓋率高, 地形條件較差, 土地開發利用難度較大。未來要因地制宜發展特色農業, 并且還要充分利用開發旅游資源。

北京市應優化“三生空間”整體格局, 促進“三生空間”從區域發展不平衡、時空分布不均勻的開發現狀向“三生空間”協調發展的方式轉變。對于生產空間, 應按照集中分布發展思想, 構建集約高效的生產空間; 對于生活空間, 應秉承綠色低碳、功能復合的原則, 在城區推進公共綠地建設, 同時改善周邊村落的生活環境; 對于生態空間, 必須嚴格劃定生態紅線, 并實施嚴格的生態安全管制措施[13]。北京市的“三生空間”格局將達到較好的優化效果。