基于兩維圖論聚類(lèi)的中原城市群“三生”功能評(píng)估

賈 琦，劉毅潔，尹澤凱，張超玉，燕宏宇

（1. 鄭州輕工業(yè)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，河南 鄭州 450002；2. 山東建筑大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

土地功能分區(qū)是依據(jù)地域差異特征，根據(jù)多種客觀實(shí)體要素及其利用方式，將特定地區(qū)的土地劃分成不同區(qū)域的過(guò)程。針對(duì)人類(lèi)的不同需求，客觀存在與之對(duì)應(yīng)的不同的土地利用功能，即土地利用表現(xiàn)出多功能性[1-2]。基于“三生”功能的土地利用已成為當(dāng)前我國(guó)土資源管理的重點(diǎn)[3-5]，減少土地利用的沖突及生產(chǎn)、生活、生態(tài)功能之間的矛盾，進(jìn)而合理配置土地資源將直接影響生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。

中原城市群作為我國(guó)中部典型的城市群之一，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，土地格局發(fā)生了較大變化[6-8]。本研究在1980—2020年5期土地利用遙感解譯數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對(duì)中原城市群“生活-生產(chǎn)-生態(tài)”土地利用多功能性評(píng)價(jià)。通過(guò)功能現(xiàn)狀分析，運(yùn)用兩維圖論聚類(lèi)對(duì)土地利用功能進(jìn)行劃分，為制定相關(guān)國(guó)土空間規(guī)劃等政策提供參考。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)方法

1.1 研究區(qū)概況

中原城市群涵蓋了河南、山西、山東、安徽和河北5 個(gè)省份，按照范圍由內(nèi)至外分為鄭州大都市區(qū)、核心發(fā)展區(qū)內(nèi)14個(gè)城市（山西晉城、安徽亳州和河南鄭州、洛陽(yáng)和許昌）和外圍示范區(qū)。本文研究區(qū)域?yàn)楹诵陌l(fā)展區(qū)，該區(qū)域總面積為10.14萬(wàn)km2，西部以太行山、伏牛山、嵩山等山區(qū)為主，中東部多為黃淮海沖積平原。作為我國(guó)中部地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)高度密集的典型城市群，21 世紀(jì)以來(lái)，城鄉(xiāng)建設(shè)用地需求不斷增加，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)矛盾日漸加劇。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本文選取1980—2020年5期土地利用遙感解譯數(shù)據(jù)反映中原城市群土地利用變化情況，資料來(lái)自中國(guó)科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心，分辨率為30 m，按二級(jí)分類(lèi)系統(tǒng)劃分，一級(jí)為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地共6 類(lèi)：二級(jí)按士地資源的自然屬性劃分為25個(gè)類(lèi)。遙感精度達(dá)到88.95%。

1.3 研究方法

本研究依據(jù)劉繼來(lái)[9]等學(xué)者制定的“三生空間”土地利用分類(lèi)體系及評(píng)分體系，結(jié)合中原城市群土地利用現(xiàn)狀制定符合實(shí)際的“三生”功能評(píng)價(jià)體系。分別將生產(chǎn)功能（主導(dǎo)、重要、次要和無(wú)生產(chǎn)功能），從高到底賦值為5～0，“三生”土地利用功能評(píng)價(jià)見(jiàn)表1。根據(jù)功能整合原則分別對(duì)“三生”指標(biāo)進(jìn)行分配。最后，利用ArcGIS10.8 軟件劃分為3000 m×3000 m 漁網(wǎng)，提取“三生”土地利用功能在網(wǎng)格中的分布情況，并分析區(qū)域內(nèi)“三生”功能時(shí)空演變規(guī)律。

表1 基于土地利用類(lèi)型的“三生”功能評(píng)價(jià)體系

借鑒聚類(lèi)理論，對(duì)“三生”土地利用功能指標(biāo)進(jìn)行全面分析，從而可以有效解決土地利用多功能區(qū)劃的歸屬問(wèn)題。參照?qǐng)D論空間表示，采用兩維圖論聚類(lèi)法對(duì)其進(jìn)行劃分，優(yōu)勢(shì)在于構(gòu)造基于地理空間關(guān)系的無(wú)向圖進(jìn)行聚類(lèi)分析，同時(shí)考慮單元之間的相關(guān)性，適用于具有地理信息的區(qū)域劃分。

2 “三生”功能時(shí)空變化特征

2.1 生產(chǎn)功能變化

圖1顯示，生產(chǎn)功能較強(qiáng)區(qū)域集中在以鄭州為核心的中部及東南區(qū)域，地勢(shì)較為平坦，類(lèi)型主要以農(nóng)田為主。1980—2020年生產(chǎn)空間處于減少趨勢(shì)，縮減區(qū)域集中在鄭州主城區(qū)外的周邊城市。在研究區(qū)西北側(cè)的濟(jì)源市、焦作市、新鄉(xiāng)市等片區(qū)地勢(shì)較為平坦，近年來(lái)持續(xù)的耕地?cái)U(kuò)張促使其生產(chǎn)功能有所提升。

圖1 1980-2020年生產(chǎn)功能演變圖

2.2 生活功能變化

圖2表明，生活功能空間集中在各地市主城區(qū)，1980年各地市分布規(guī)模較為均衡，2000年以后，以鄭州為中心的生活功能快速擴(kuò)張，在主城區(qū)功能不斷增強(qiáng)的同時(shí)，逐漸向緊鄰城區(qū)西北部的焦作市、新鄉(xiāng)市蔓延形成片狀區(qū)域。此外，在鄭州-許昌京廣線一帶的新鄭與長(zhǎng)葛等縣級(jí)市的生活功能開(kāi)始快速增強(qiáng)，新鄉(xiāng)、開(kāi)封、焦作等地級(jí)市生活功能沿外圍持續(xù)擴(kuò)張。

圖2 1980-2020年生活功能演變圖

2.3 生態(tài)功能變化

由圖3 生態(tài)功能演化來(lái)看，較強(qiáng)區(qū)域分布在豫西山區(qū)，1980—2020年間生態(tài)功能持續(xù)下降，涉及洛陽(yáng)市、平頂山市、許昌等市區(qū)，下降趨勢(shì)較為明顯。此外，其他片區(qū)尤其在鄭州-許昌-開(kāi)封-新鄉(xiāng)形成的帶狀發(fā)展區(qū)域使得原本處于中等水平的生態(tài)功能快速下降。生態(tài)功能降低相較于生產(chǎn)和生活功能而言更為復(fù)雜，大多數(shù)地類(lèi)功能甚至生態(tài)用地內(nèi)部地類(lèi)的轉(zhuǎn)移都會(huì)改變生態(tài)功能的強(qiáng)弱。其中，隨著城鎮(zhèn)擴(kuò)張，促使原本屬于林地、草地等生態(tài)功能較強(qiáng)類(lèi)型轉(zhuǎn)移至相對(duì)較低的耕地甚至城鄉(xiāng)居民生活用地；而位于中南部的城市快速發(fā)展區(qū)域（鄭州-許昌沿線）則由于大量農(nóng)田面積減少（轉(zhuǎn)換為城鎮(zhèn)建設(shè)用地）導(dǎo)致其生態(tài)功能減弱。

圖3 1980-2020年生態(tài)功能演變圖

依據(jù)“三生”綜合功能指數(shù)（分別對(duì)格網(wǎng)內(nèi)生產(chǎn)、生活、生態(tài)功能值賦系數(shù)0.5、0.3和0.2，然后相加得出綜合功能），計(jì)算得出1980—2020年“三生”綜合功能水平及其空間格局（圖4）。1980年，空間差異并不顯著，水平較高區(qū)域集中在鄭州市及各地市，呈點(diǎn)狀分布；進(jìn)入2000年，水平較高區(qū)域開(kāi)始快速呈帶狀擴(kuò)張，在鄭州市外圍蔓延的同時(shí)，主要向周邊平頂山市擴(kuò)張為主，呈狹長(zhǎng)型空間分布格局；進(jìn)入2020年，水平較高區(qū)域持續(xù)蔓延。與此同時(shí)，新鄉(xiāng)和焦作市等區(qū)域快速增強(qiáng)，處于西部山區(qū)的鞏義和登封市及所轄縣區(qū)綜合功能也出現(xiàn)了一定程度的提升。綜合功能較弱區(qū)域變化不大，研究時(shí)段內(nèi)始終處于豫西山區(qū)。

圖4 1980-2020年“三生”功能綜合指數(shù)演化

3 “三生”功能聚類(lèi)與分區(qū)優(yōu)化

3.1 “三生”功能聚類(lèi)

利用GIS軟件的分組分析工具進(jìn)行屬性-空間聚類(lèi)分析，同時(shí)考慮到功能聚類(lèi)結(jié)果的連續(xù)性和異質(zhì)性要求，還需探討城市群空間功能屬性與聚類(lèi)單元之間的位置關(guān)系。采用自然裂點(diǎn)分級(jí)法，按自然數(shù)值的統(tǒng)計(jì)法則求出特征點(diǎn)，以求最大化各個(gè)層次，并利用此方法對(duì)城市群內(nèi)部144個(gè)縣區(qū)的“三生”功能值進(jìn)行等級(jí)劃分，形成國(guó)土空間功能聚類(lèi)圖，如圖5所示。從中原城市群“三生”功能空間聚類(lèi)分析圖中可以分析出，國(guó)土空間所得的聚類(lèi)分布由于地理上的臨近關(guān)系形成片狀格局，同時(shí)同一類(lèi)單元間的功能在很大程度上呈現(xiàn)相似性。因此，分析結(jié)果可作為核心區(qū)國(guó)土空間劃分過(guò)程中，確定相關(guān)功能區(qū)邊界、歸并和調(diào)整單元時(shí)的重要參照和依據(jù)。

圖5 “三生”功能空間聚類(lèi)分布

①生產(chǎn)功能因子：均值處于1.06～4.55之間，平均值為2.91，高值區(qū)零散分布于核心區(qū)中東部，具體包括鄭州、商丘、漯河市轄區(qū)等23個(gè)所轄縣區(qū)；低值區(qū)分布于晉城、洛陽(yáng)、濟(jì)源、平頂山和鞏義等10個(gè)所轄縣區(qū)；該區(qū)域工業(yè)水平不高且生態(tài)環(huán)境好，生產(chǎn)服務(wù)能力較弱，其中嵩縣、欒川縣、新安縣和沁水縣等生產(chǎn)功能值均低于1.5。②生活功能因子：均值處于0.05～3.77之間，平均值為0.58。高值區(qū)零星分布于中北部、東南部和東部，包括鄭州、開(kāi)封、漯河、商丘及新鄉(xiāng)縣等19個(gè)市縣，與生產(chǎn)功能高值區(qū)一致；低值區(qū)分布于豫西山區(qū)及西北部地區(qū)，共包括11 個(gè)縣域。其中，以沁水市、陽(yáng)城縣、洛寧縣和嵩縣最為典型山地丘陵區(qū)；生活功能值均低于0.19，居住條件不佳。③生態(tài)功能因子：均值處于0.66～4.69之間，平均值為2.56。高值區(qū)分布于豫西山區(qū)，分布范圍較廣，包括欒川縣、盧氏縣、西峽縣等10 個(gè)縣域，森林覆蓋率高；低值區(qū)多為地市主城區(qū)，易受城市建設(shè)影響，生態(tài)服務(wù)功能不夠完善，主要分布于鄭州、許昌、新鄉(xiāng)、周口等共10個(gè)地市。

3.2 “三生”功能分區(qū)結(jié)果

結(jié)合中原城市群實(shí)際，依據(jù)功能聚類(lèi)結(jié)果分為5 個(gè)功能區(qū)，各分區(qū)空間分布見(jiàn)圖6。

圖6 “三生”功能兩維圖論分區(qū)結(jié)果

I 區(qū)中高生產(chǎn)、中高生活、中低生態(tài)功能值特點(diǎn)，包括35個(gè)縣區(qū)，位于鄭州大都市區(qū)核心區(qū)域，為生產(chǎn)－生活功能高高聚集區(qū)，生態(tài)功能相對(duì)較差。未來(lái)應(yīng)依托鄭州國(guó)家中心城市和洛陽(yáng)副中心城市地位，發(fā)揮輻射帶動(dòng)作用，建設(shè)成工礦生產(chǎn)和城鎮(zhèn)生活功能并存的功能區(qū)。

II 區(qū)中高生產(chǎn)、中低生活、中生態(tài)功能值特點(diǎn)，包括23個(gè)縣區(qū)。緊鄰鄭州大都市區(qū)核心區(qū)域，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件較好，為生產(chǎn)功能高高聚集區(qū)；生產(chǎn)功能突出，生態(tài)功能一般，生活功能較差。未來(lái)應(yīng)在工礦生產(chǎn)功能引導(dǎo)下，進(jìn)行功能發(fā)展轉(zhuǎn)型。

III 區(qū)中低生產(chǎn)、低生活、中高生態(tài)功能值特點(diǎn)，包括17個(gè)縣區(qū)。位于豫西山區(qū)，是生態(tài)功能高高聚集區(qū)；生態(tài)功能優(yōu)越，生產(chǎn)、生態(tài)功能均較差。該區(qū)是重要的生態(tài)旅游區(qū)和綠色農(nóng)業(yè)區(qū)，在城市群國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)中占據(jù)重要位置。未來(lái)應(yīng)對(duì)生態(tài)資源有效合理開(kāi)發(fā)，促進(jìn)國(guó)土空間的高質(zhì)量發(fā)展。

IV區(qū)中生產(chǎn)、低生活、中低生態(tài)功能值特點(diǎn)，包括20個(gè)縣區(qū)。位于東部黃淮海沖積平原，部分為生產(chǎn)功能高高聚集區(qū)，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá)，生產(chǎn)功能較好，生態(tài)功能一般，生活功能較差。未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能，并促進(jìn)生態(tài)功能的發(fā)展。

V 區(qū)中低生產(chǎn)、低生活、中高生態(tài)功能值特點(diǎn)，包括4 個(gè)縣區(qū)。位于城市群最東端，為生產(chǎn)－生活低低聚集區(qū)，生態(tài)功能較好，但生產(chǎn)、生活功能均較差。Ⅴ區(qū)生態(tài)功能值較高，具備綠色生態(tài)涵養(yǎng)功能，同時(shí)生產(chǎn)和生活功能在城市群中相對(duì)較弱，未來(lái)應(yīng)在保持其生態(tài)功能基礎(chǔ)上，合理提升該區(qū)生產(chǎn)和生活功能。

4 結(jié)論

1）中原城市群“三生”功能總體屬于中等偏下等級(jí)，“三生”功能綜合水平最低區(qū)域在1980年占比最低，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程推進(jìn)，功能綜合水平最高區(qū)域格網(wǎng)數(shù)量中2020年占比最高。生產(chǎn)、生活功能高值位于鄭州-洛陽(yáng)和鄭州-許昌等城市連片區(qū)并不斷持續(xù)擴(kuò)張，生態(tài)功能高值多集中在豫西山區(qū)。

2）研究期段內(nèi)“三生”功能存在較強(qiáng)集聚分布格局。生產(chǎn)功能高值集聚區(qū)分布在登封、周口和商丘市等外圍區(qū)域；低值集聚區(qū)僅在新鄉(xiāng)市南側(cè)減弱趨勢(shì)較為顯著。生活功能高值集聚區(qū)呈面狀擴(kuò)張，而減弱區(qū)域則集中分布在洛陽(yáng)、平頂山、濟(jì)源市等周邊所轄縣區(qū)；生態(tài)功能高值區(qū)多集中在豫西山區(qū)。

3）根據(jù)中原城市群“三生”功能聚類(lèi)特征，結(jié)合兩維圖論方法劃分為5 個(gè)功能區(qū)：鄭州大都市區(qū)生產(chǎn)生活核心發(fā)展區(qū)（I）、中部工農(nóng)生產(chǎn)功能主導(dǎo)區(qū)（II）、豫西山地生態(tài)功能屏障區(qū)（III）、東部農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能主導(dǎo)區(qū)（IV）和豫皖生產(chǎn)生活功能提升區(qū)（V），并分別針對(duì)不同類(lèi)型區(qū)的區(qū)域特點(diǎn)制定了差異化的優(yōu)化策略。