基于多源數據的白洋淀流域國土空間利用評價

馬建輝，范謀遠，劉 煜，賈昊晨

（1.河北大學 經濟學院，河北 保定 071002；2.吉林大學 東北亞學院，吉林 長春130012；3.天津大學 管理與經濟學部，天津 300072；4.河北大學 資源利用與環境保護研究中心，河北 保定 071002；5.中國政法大學 商學院，北京 100088；6.西南大學 數學與統計學院，重慶 400715）

按照“生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生態空間山清水秀”的原則，開展國土空間利用質量評價，深化對國土空間利用的科學認知，對實現經濟高質量發展意義重大?；趥鹘y統計數據開展國土空間利用質量評價已有較多研究[1-10]，對多源數據的利用則不夠深入。隨著數據的多元化，基于多源大數據的國土空間利用質量評價逐漸興起，現有相關研究主要從生活功能[11]、生態功能[12]單一視角開展，綜合評價還有待進一步深入研究?？子畹萚13]提出了基于多源數據評價國土空間利用質量的思路，并分別對城鎮、農業和生態三類空間的評價給出了相應的指標體系，但未進行實證研究。本文以白洋淀流域為研究區域，開展基于多源數據的國土空間利用質量評價，為流域國土空間規劃和利用管理提供決策依據。

1 研究區域及研究方法

1.1 研究區域

白洋淀流域是指唐河、拒馬河、府河等水系的匯水區域，屬于海河流域，跨河北、北京、山西三個?。ㄊ校?，全流域面積為31816 km2，流域界線長1008 km[14]，主要位于河北省境內?？紤]數據的可獲得性和可比性，本文以流域內縣級行政區為基本評價單元。由于流域邊界與縣域邊界不一致，本文以白洋淀流域自然邊界為參考，將縣域面積50%以上位于流域邊界內的完整的縣級行政區確定為最終的研究區，具體包括河北省行唐縣、北京市房山區以及山西省靈丘縣等29 縣（區）①白洋淀流域自然邊界矢量數據來源見參考文獻[14]，縣級行政區邊界矢量數據來源于自然資源部“全國地理信息資源目錄服務系統”中公開的1：100 萬基礎地理信息數據庫。。

1.2 指標體系構建及權重設定

本文基于理論分析，參考現有文獻，結合數據可獲得性，最終確定評價指標體系，并利用熵權法對各指標進行賦權（表1）。

1.3 國土空間利用質量評價方法

1.3.1 綜合加權指數法

本文采用綜合加權指數法對各評價單元的國土空間利用質量進行評價，利用公式（1）分別計算生產功能、生活功能和生態功能指數，利用公式（2）計算國土空間綜合利用質量指數。

其中，p代表“三生”功能，j代表評價單元，Yp代表生產功能、生活功能或生態功能指數，Wpi為第p個功能第i個指標的權重，Ypij代表第p個功能下第j個評價單元第i個指標的標準化值；Y為評價單元的綜合得分，Wp為根據熵權法計算的“三生”功能指數的權重。

1.3.2 耦合協調度評價模型

耦合協調度模型主要是通過耦合度C和協調發展度D對若干系統的相互關系和協調發展程度進行評價[15]?！榜詈隙取痹从谖锢韺W中的概念，利用多系統之間的離差公式表征各系統間的相互作用程度，后被引入社會科學領域并得到廣泛應用。普通采用的耦合度通過對兩個及以上經濟社會系統中所有系統值的幾何平均數與算數平均數之比表征其相互作用和影響程度的大小[16]，對于n個系統A1、A2、A3……An，耦合度CA值計算公式如式（3）[15-16]所示。

通過公式（3）計算，得出耦合度值區間為[0，1]。耦合度越大，說明各系統間離散程度越低；反之則越高。

在耦合度的基礎上，將各系統本身的發展程度納入考慮，對二者進行幾何平均計算，得到協調發展度，用以對各子系統間的協調發展程度進行評價。本研究借鑒王淑佳等[15]的研究成果，對公式（3）的耦合度計算公式進行修正，構建國土空間利用質量耦合協調評價模型（式4、5），分析“三生”功能指數之間的協調關系（表2）。

表2 白洋淀流域國土空間利用耦合度與協調發展度等級劃分標準

其中，D為協調發展度，C為耦合度，Y1、Y2、Y3和Y分別為生產、生活、生態和綜合功能指數，Ymax表示Y1、Y2、Y3中的最大值。

1.4 國土空間利用質量空間格局分析方法

1.4.1 國土空間利用質量重心

國土空間利用質量重心是指研究區域中各個方向上國土空間利用質量水平的均衡點，是研究區域中各評價單元的加權平均坐標點，計算公式見式6和式7。

其中，j代表研究區域的評價單元，n為評價單元總數，U、V分別表示研究區域國土空間利用質量重心的經度和緯度，Uj、Vj分別表示研究區域內第j個評價單元的重心的經度和緯度，Yj表示第j個評價單元的國土空間利用質量。

1.4.2 標準差橢圓方法

標準差橢圓主要是通過長半軸（式8）、短半軸（式9）和旋轉角（式10）三個參數來定義橢圓，以直觀描述區域某屬性（本文指國土空間利用質量）空間分布的主要范圍及方向。標準差橢圓的范圍表征某屬性的集中程度，其中心為屬性重心；旋轉角是順時針偏離正北方向的角度，表示分布方向；長、短半軸分別反映屬性值在主、次趨勢方向上的離散程度，扁率的大小代表屬性分布的方向性強弱。

其中，σU和σV分別為標準差橢圓的長半軸和短半軸，U'j和V'j表示各研究區域與平均中心的坐標偏差，j、n、Uj和Vj的含義同公式6 和公式7。

1.4.3 Moran 指數

本文利用全局Moran 指數（Iq）和局部Moran指數（Iqj）考察國土空間利用質量與鄰近地區的關聯模式。計算公式為：

其中，q代表生產、生活、生態或綜合功能，j和k表示不同縣域，n為縣域總數，Yq代表所有縣域第q個功能的國土空間利用指數均值，Yqj、Yqk表示第j、k個縣域不同功能的國土空間利用指數值；wjk為空間權重矩陣w中的元素，代表第j、k個縣域的鄰接信息，本文采用Queen 鄰接法則。

1.5 數據來源

考慮數據的可獲得性，本文基于2018年的多源數據，對白洋淀流域國土空間利用質量進行評價。人口、農作物產量、農作物灌溉面積、耕地機械動力、固定資產投入和化肥使用量等數據來源于地方統計年鑒或統計公報；二氧化碳排放量來源于中國碳核算數據庫；夜間燈光數據來源于中國研究數據服務平臺（CNRDS）；風景名勝、文體服務、生活服務和公共設施等來源于高德開放平臺的POI 興趣點；房價來源于房天下網站；道路網密度指數基于從1：100 萬基礎地理信息數據（來源于自然資源部全國地理信息資源目錄服務系統）中提取的路網數據計算得出；其他數據均從中國科學院地理科學與資源研究所的資源環境科學與數據中心獲取，其中，生態用地、耕地、農村居民點及水域面積來源于中國土地利用遙感監測數據，植被覆蓋指數來源于中國年度植被指數（NDVI）空間分布數據集①徐新良.中國年度植被指數（NDVI）空間分布數據集.中國科學院資源環境科學數據中心數據注冊與出版系統 (http://www.resdc.cn/DOI),2018.DOI:10.12078/2018060601。，生物豐度指數和生態系統服務價值來源于中國陸地生態系統服務價值空間分布數據集②徐新良.中國陸地生態系統服務價值空間分布數據集.中國科學院資源環境科學數據中心數據注冊與出版系統(http://www.resdc.cn/DOI),2018.DOI:10.12078/2018060503。。

2 實證分析

2.1 國土空間利用質量評價

基于熵權法和綜合加權指數法，分別計算國土空間生產、生活、生態功能指數和綜合指數，利用ArcGIS10.2 的自然間斷點功能分為5 級（圖1）。

總體而言，白洋淀流域國土空間生產功能指數整體呈現東南部較高、西北部較低的格局，而生活和生態功能指數則大體一致且與生產功能指數空間格局相反，這與白洋淀流域東南部地區經濟相對發達，而西北部山區生態較好的實際情況相一致。

生產功能指數較高的地區為蓮池區、競秀區、新樂市、定州市和安國市，蓮池區和競秀區是保定市主城區，而新樂市、定州市和安國市則鄰近河北省石家莊市，說明區域性的主城區及鄰近大城市的區域生產功能指數相對較高；多山區的靈丘、淶源和阜平等西北部山區，其生產功能則處于較低水平。就生活功能而言，西北山區的生活便捷度和保障度相比于東南部經濟相對發達地區差距較小，而其人均生態用地面積則比東南部地區高出很多，使得其生活舒適度較高，因此，其生活功能指數也相對較高；蓮池區和競秀區生活服務設施相對較為完善，房山區因其行政隸屬北京且為山區，其生活服務設施完善程度和人均生態用地面積都較高，故上述地區的生活功能指數也處于較高水平。就生態功能而言，北部山區的植被覆蓋度、生物豐度和生態系統服務價值均處于較高水平，因此其生態功能指數整體較高；而東部的安新縣作為白洋淀主水域所在地，水域面積最大，生物豐度和生態系統服務價值也都處于較高水平，所以其生態功能指數也較高。

國土空間利用質量綜合指數整體上呈現西北高-東南低的分布格局，這與生態、生活功能指數相似，而與生產功能指數相反。其中，房山區和安新縣的“三生”功能指數皆處于較高水平，西北山區的生態、生活功能指數的高水平有力彌補了生產功能指數的低水平，故上述地區綜合指數均呈現較高狀態；蓮池區和競秀區由于較高水平的生產、生活功能指數將綜合指數拉升至次高水平。

2.2 國土空間利用質量空間集聚分析

由圖2 和表3 可知，白洋淀流域國土空間利用的生產、生活、生態和綜合功能指數均呈現西北-東南分布的格局，且標準差橢圓扁率皆較大，方向性較為明顯。具體而言，生產功能重心位于東南部的保定市主城區內，其標準差橢圓整體位于東南部，空間范圍相對最小，這是由于生產功能指數較高的區域主要集中于保定市主城區及靠近省城的經濟發達縣區。生態功能重心大致位于西北的滿城區、順平縣和易縣三地交界處，標準差橢圓整體位于西北部，橢圓空間范圍相對最大，這是由于生態功能指數較高的區域主要分布于西北廣袤的多山縣區。生活功能重心位于略偏東北的易縣南部，標準差橢圓位置偏東部分布，空間范圍相對較大，說明其相對于生產和生態功能方向性較弱而功能指數離散度較高。綜合功能重心位于白洋淀流域的幾何中心附近，其標準差橢圓也相對居中分布，空間范圍與生活和生態功能相當，略高于生產功能。

圖2 白洋淀流域國土空間利用質量重心及標準差橢圓

表3 白洋淀流域國土空間利用質量橢圓參數

由表4 可知，生產、生活、生態和綜合功能指數的全局Moran’s I 均為正，p值均小于0.01，說明它們均在1%顯著性水平下存在空間正相關，表現為高-高集聚或低-低集聚特征。由圖3 可知，在生產、生活、生態和綜合功能指數的局部Moran散點圖中，大部分區縣位于第Ⅰ和第Ⅲ象限，說明白洋淀流域國土空間利用質量存在顯著的正向空間溢出效應，呈現明顯的非均質空間集聚特征。

圖3 白洋淀流域國土空間利用質量局部Moran 散點圖

表4 白洋淀流域國土空間利用質量全局Moran’s I

2.3 耦合協調度評價

耦合度主要體現“三生”各功能之間的協同程度，協調發展度則表征良性耦合水平的高低。由圖4 可知，白洋淀流域各區縣協調發展度水平呈現西北高-東南低的分布格局，但整體水平不高，最高等級僅處于瀕臨失調狀態，有93.10%縣域均在輕度失調及以下水平；而耦合度水平大體上呈現西北低-東南高的分布格局。其中，蓮池區和競秀區由于生產功能的高水平與生活、生態功能的低水平反差過大，故耦合度和協調發展度皆處于最低水平；東南部地區由于“三生”各功能水平相當但均處于低水平，故呈現出耦合度較高、協調發展度較低的狀態；安新縣由于“三生”各功能水平大體相當且皆不低，故協調發展度相對較高；西北山區則由于生產功能的低水平與生活、生態功能的高水平反差較大，故耦合度水平較低，但生活、生態功能的良性耦合使得其協調發展度偏高；房山區生態功能與西北山區相似，但生產和生活功能水平略高，故其耦合度與協調發展度相比于西北山區略強。

圖4 研究區耦合協調性評價結果圖

3 結論與建議

3.1 結論

（1）白洋淀流域國土空間利用質量指數均呈現西北-東南分布格局，方向性皆較為明顯。具體而言，生產功能指數東南部較高、西北部較低，而生活、生態功能和綜合指數大體上與之相反，其中，生產功能和生態功能呈互補式分布格局。

（2）根據全局和局部Moran’s I 分析可知，白洋淀流域國土空間利用質量存在顯著的正向空間相關性和空間溢出效應，呈現明顯的非均質空間集聚特征。

（3）白洋淀流域國土空間利用質量指數耦合度大體上呈現西北低-東南高的分布格局，協調發展度水平呈現較為規律的西北高-東南低分布格局，但整體水平不高。

3.2 建議

（1）白洋淀流域國土空間利用，應堅持系統、整體觀念，從全局出發，統籌協調生產、生活和生態功能，推進區域國土空間利用質量協調均衡發展。東南部地區應注重生活和生態功能的提升，加強以生活服務和保障設施為代表的基礎設施建設，提升城市綠化水平，增大人均生態用地面積；區域中心城區，如保定市主城區應重點加強城市生態環境建設，使生態功能與生產、生活功能相協調；西北山區應在保護生態的同時，進一步重視生產功能水平的提升，將產業發展方向與生態資源優勢有機結合，大力發展旅游業、環?？萍籍a業和新型制造業。

（2）充分發揮白洋淀流域國土空間利用質量的空間正相關性和空間溢出效應，促進相鄰縣域之間的協同發展，實現區域間“三生”功能的均衡分布。

（3）對雄安新區及周邊地區進行生產建設以及發展的過程中，應當注意對白洋淀流域生態環境的保護，堅持“綠水青山就是金山銀山”的發展理念，致力于“三生”功能高水平的協同發展。