基于ArcGIS的廣州市“三生空間”演變及其驅動因素分析

余秋海 林海文

（廣東省地質測繪院，廣東 廣州 510800）

1 引言

隨著我國城鎮化的快速發展，人口、產業集聚對城市空間產生極大需求，使得我國成為全球城鎮用地擴張速度最快的國家之一[1]，快速城鎮化造成城鎮空間的快速擴大。黨的十九大以來，隨著鄉村振興戰略的提出，生產空間、生活空間和生態空間（以下簡稱 “三生空間”）概念進入人們視野，作為一個有機的地理空間系統，其國土空間格局的形成和變化更是自然、社會和人文活動共同作用的結果[2]。中央城鎮化工作會議提出 ：“按照促進城鎮空間宜居適度、農業空間集約高效、生態空間山清水秀的總體要求，形成生產、生活、生態空間的合理結構。”作為城市化重要表征，國內對“三生空間”的研究主要基于相對單一的評價指標體系，例如，城鎮建設用地擴張強度指數等方法，揭示生活空間數量上的變化和各驅動力的不同。

近年來，在地理過程模擬、空間優化模型等方法的支撐下，借助3S 技術研究生活空間演變，以揭示其內在變化邏輯[3,4]。因此，從空間角度提高生活空間的配置效率，分析區域在不同經濟發展階段下“三生空間”格局的演變特征，識別其演變的驅動因素，從而進行有針對性的政策引導和調控，對于優化各農業、城鎮、生態空間開發利用和實現區域的協調發展具有重要意義。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

廣州市，簡稱“穗”，是廣東省轄地級市、廣東省省會，首批國家歷史文化名城，廣府文化的發祥地、國家物流樞紐，國家綜合性門戶城市、國際性綜合交通樞紐。截至2021 年末，廣州市實現地區生產總值28231.97 億元，全市下轄11 個區，總面積為7434.40 平方千米，常住人口為1887.06 萬人，城鎮人口1626.36 萬人，城鎮化率為86.46%。

2.2 數據來源與處理

本次研究所用數據分為：土地利用覆蓋數據、各基礎類空間數據和社會經濟數據。其中，土地利用覆蓋數據來源“GlobeLand30 全球地理信息公共產品”，包含2000 年、2010 年、2020 年三年度的土地覆蓋數據，數據投影方式采用UTM 投影，廣州市土地利用覆蓋數據如圖1 所示。

圖1 廣州市土地利用覆蓋數據

根據數據簡介分類，GlobeLand30分為耕地、林地、草地、灌木地、濕地、水體、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久積雪11類，根據劉繼來、劉彥隨等學者[5]對“三生空間”分類評價體系的研究和此次土地利用分類實際情況，將耕地歸為生產空間，人造地表歸為生活空間，林地、草地、灌木叢、濕地、水體歸為生態空間。各基礎類空間數據包括行政邊界、路網等數據，從全國地理信息資源目錄服務系統下載。社會經濟數據來源于廣州市及各區政府網站公布數據，以上各空間數據在ArcGIS中統一處理成相同坐標系統。

2.3 研究方法

2.3.1 標準差橢圓分析

標準差橢圓能夠反映數據的整體性和格局性，根據標準差橢圓分析工具可以得到生活空間的分布信息，通過其分布的長短軸（X軸和Y軸）、方位角和橢圓質心，可以分析生活空間的總體分布輪廓和主導分布方向[6-8]，計算公式如下：

其中：

公式中，x和y是第i個生活空間要素的橫、縱坐標，{x,y}表表示生活空間要素的平均中心，n為生活空間要素總數。

2.3.2 GWR 地理加權回歸模型

GWR地理加權回歸模型與傳統線性回歸模型相比，增加了空間局部回歸的差異性，即空間本身的異質性和非平穩性對回歸結果產生的差異[9,10]，計算公式如下：

公式（5）中，xi、yi分別是回歸自變量和因變量；β0（μi，vi）指第i個樣本第j個參數的回歸系數，反映不同參數對樣本影響的空間分異情況，系數正、負號分別表示參數與空間位置的正、負相關性質，（μi，vi）指第i個樣本空間坐標，xij指第i個樣本第j個參數值；εi代表隨機誤差項，k代表自變量個數。

3 過程與結果

3.1 空間方向分布演變

借助ArcGIS 空間分析工具，對廣州市三期生產空間、生活空間、生態空間標準差橢圓方向進行分析，分析結果如圖2 所示。

圖2 廣州市“三生空間”標準差橢圓變化

從標準差橢圓形態來看，生產空間自2000 年至2020 年長軸沿“東北-西南”、短軸沿“西北-東南”走向；從方向角變化來看，2000～2010 年生產空間方向角36.03°變為35.45°，基本維持穩定，2010～2020年減少到27.36°，橢圓面積先減少后增加，空間格局分布逐漸向東南方向緩慢移動。2000～2020 年，廣州市生產空間質心坐標由2000 年的（113.56°、23.36°）轉變為2020 年的（113.50°、23.31°），從空間來看，由黃埔區東北部轉移至白云區東部。

生活空間由2000 年長軸沿“西北-東南”走向、短軸沿“東北-西南”走向，轉變為2010 年以后長軸沿“東北-西南”、短軸沿“西北-東南”走向，說明廣州市近10 年生活空間發展方向發生改變。分時間段分析廣州市生活空間方向演變規律，2000～2010年生活空間發展方向角由165.53°減少到12.74°，2010～2020 年由12.74°增加到35.14°，生活空間整體往東北方向轉移，其質心坐標由2010 年的（113.39°、23.26°）轉變為（113.51°、23.39°），從空間來看，生活空間由白云區東部轉移至黃埔區北部，研究時間段內質心的移動軌跡為“西北-東北”，說明生活空間發展方向發生轉移。橢圓面積先增加后減少，其中橢圓長半軸由29.44km 增加到31.93km，再到最后的33.25km；短半軸先增后減，由2000 年的33.91km 到2010 年的40.92km，再到2020 年的36.46km。從長、短軸變化情況可以看出，生活空間橢圓整體波動趨勢減弱，生活空間發展呈約束收緊態勢。

相比來看，廣州市生態空間整體分布形態穩定，在2000～2020 年生態空間整體橢圓形態沿“西南-東北”分布走向，生態空間方向角逐漸增加，由2000 年的28.44°增加到2020 年的34.74°，同時橢圓標準差長半軸從31.89km 降到2020 年的29.14km。生態空間質心往東北方向轉移，質心坐標由（113.50°、23.37°）轉變為（113.55°、23.43°），從空間分布位置來看，生態空間質心位置由黃埔區轉移到從化區。

3.2 空間變化驅動因素及差異性

經綜合考慮，選取第二產業產值（A1）、人均GDP（A2）、城鎮人均收入（A3）、固定資產投資額（A4）、城鎮人口數（A5）和公路里程總數（A6）6 個指標作為解釋生活空間變化的驅動因素（解釋變量）。采用地理加權回歸模型（GWR），以各年份廣州市生產空間、生活空間和生態空間面積為自變量，以6 個驅動因素解釋變量（A1-A6）為因變量，在ArcGIS 中對兩者進行地理加權回歸分析（GWR）。GWR 工具中采用自適應帶寬模型計算各模型參數，結果如表1 所示。

表1 地理加權回歸（GWR）模型參數估計及檢驗結果

GWR 模型在不同研究區的回歸系數不同，反映不同因素在不同研究區的作用強度有差別。在模型帶寬（AICc）相對穩定的前提下，生產空間和生活空間模型擬合R2數值略微上漲，且2010 年和2020 年兩年數值趨于穩定，回歸系數不斷減小，說明農業空間和生活空間用地面積對各影響因子的負向影響增強。從生活空間來看，中心6 城區生活空間斑塊趨于規整，與人類生活影響同樣密切的農業空間斑塊變化不大，而生態空間模型R2數值在鄰域值相對穩定的情況下，穩步增加。各影響因子對生態空間有正向影響。在進行GWR 分析后對解釋變量進行探索性回歸分析，結果如表2 所示。

表2 解釋變量探索性回歸分析結果

從各因子解釋變量回歸分析結果來看，人均GDP和城鎮人均收入是影響生產空間變化的主要因素；在生活空間中人均GDP、城鎮人均收入和公路里程總數解釋結果相對較高，說明這3 個驅動因素是影響生活空間變化的主要因素；對于生態空間來說，只有人均GDP 和城鎮人均收入解釋結果高，說明經濟是影響生態空間布局的因素。

4 結論

研究以廣州市為例，基于標準差橢圓分析對2000年、2010 年、2020 年三期“三生空間”進行空間方