陳仙春, 趙俊三, 陳國(guó)平

(1.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院, 昆明 650093; 2.昆明冶金高等?？茖W(xué)校 測(cè)繪學(xué)院, 昆明 650033)

近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程不斷加快,人地矛盾越來(lái)越突出，人們對(duì)國(guó)土空間優(yōu)化研究的需求變得更加迫切。目前，基于“三生空間”的優(yōu)化研究不斷涌現(xiàn)：楊可清等[1]以長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的“三生空間”土地利用主導(dǎo)功能分類為基礎(chǔ)，采用定量分析的方法，對(duì)該區(qū)域的土地利用轉(zhuǎn)型、時(shí)空格局和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行分析，得出生態(tài)環(huán)境變化與三生用地占比之間的關(guān)系；柳冬青等[2]以流域?yàn)榛A(chǔ)，從“三生空間”視角，構(gòu)建了生產(chǎn)、生活適宜且生態(tài)重要的三生空間功能評(píng)價(jià)體系，揭示了甘肅白龍流域的三生空間功能格局分布及其研究時(shí)段的變化特征；劉繼來(lái)等[3]人以三生空間的內(nèi)涵與理論為基礎(chǔ)，對(duì)土地利用功能與類型之間的辯證關(guān)系進(jìn)行分析，構(gòu)建了以主體功能為導(dǎo)向的三生空間分類與評(píng)價(jià)體系，揭示了研究時(shí)段中國(guó)“三生空間”的分布格局及其時(shí)空變化特征；黨麗娟等[4]通過(guò)對(duì)土地利用類型進(jìn)行功能歸類，提出復(fù)合型的三生空間功能劃分方案，并從定量和結(jié)構(gòu)圖示兩個(gè)方面揭示研究區(qū)的三生空間功能變化及空間分異特征；張紅旗等[5]以三生功能為基礎(chǔ)，通過(guò)先分區(qū)再分類的方法，得出各功能類型的分布范圍及各類型占國(guó)土面積的比例；李廣東等[6]從土地功能、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和景觀功能綜合的視角，以縱橫比對(duì)比的方法確定主導(dǎo)功能類型，構(gòu)建了城市生態(tài)—生產(chǎn)—生活空間功能分類體系；朱媛媛等[7]運(yùn)用GIS，RS和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等現(xiàn)代技術(shù)方法，定量劃定“三生”的空間范圍；于辰等[8]基于土地整治與“三生空間”功能重構(gòu)的關(guān)系，對(duì)農(nóng)村“三生空間”的演化機(jī)制進(jìn)行分析，并對(duì)土地整治模式進(jìn)行新的劃分，提出全面反映二者關(guān)系的指標(biāo)體系。以往的研究大多是基于三生空間分類的基礎(chǔ)上進(jìn)行單一尺度的定量或定性的研究，且研究區(qū)多以平原地區(qū)為主，地形較為單一，針對(duì)西南地區(qū)以城市群為基礎(chǔ)進(jìn)行多尺度國(guó)土空間功能結(jié)構(gòu)差異的研究涉及較少?；诖?，本文以云南省第二次全國(guó)土地利用調(diào)查分類數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行重新歸類，得到以主體功能為導(dǎo)向的拓展“三生空間”土地利用功能劃分方案。以此劃分方案為基礎(chǔ)，通過(guò)不同的計(jì)量模型和GIS空間分析的方法對(duì)滇中城市群的“三生空間”功能結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行多尺度分析。這對(duì)優(yōu)化滇中城市群國(guó)土空間功能具有重要意義。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

滇中城市群位于云南省中東部，東北比鄰昭通、六盤(pán)水、威寧、水城和興義市，西連大理州，西南接臨滄、西雙版納，北接攀枝花，東南靠文山和紅河州。以昆明市為核心，半徑約150～200 km，包括昆明市、曲靖市、玉溪市和楚雄彝族自治州4個(gè)州市，共42個(gè)縣(市、區(qū))，國(guó)土面積為93 477.43 km2，占全省國(guó)土面積的24.4%。滇中城市群地處云貴高原中部，山地較多，海拔在327～4 017 m，相對(duì)高差3 690 m，平均海拔約1 848 m，最高海拔位于會(huì)澤大海梁子牯牛寨，最低海拔位于小河底河與元江干流交匯處，屬于低緯度高原山地季風(fēng)氣候，由于高原面保存較完整，地勢(shì)起伏和緩；湖盆壩子多，壩區(qū)土壤肥沃，并有湖泊河流灌溉之利，氣候溫和濕潤(rùn)，“四季如春”，是最適宜人類居住的區(qū)域之一。

滇中城市群區(qū)域是國(guó)家重點(diǎn)培育的19個(gè)城市群之一，是云南省經(jīng)濟(jì)社會(huì)最發(fā)達(dá)、資源稟賦和基礎(chǔ)條件最優(yōu)越、區(qū)位優(yōu)勢(shì)最顯著的區(qū)域。隨著國(guó)家“一帶一路”重大戰(zhàn)略的實(shí)施，其面向南亞?wèn)|南亞開(kāi)放的區(qū)位優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步凸顯，迎來(lái)了快速發(fā)展的戰(zhàn)略機(jī)遇期，對(duì)我國(guó)的對(duì)外開(kāi)放和區(qū)域協(xié)作發(fā)展具有重要意義。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本文以云南省第二次全國(guó)土地調(diào)查縮編數(shù)據(jù)(2009年)二級(jí)分類結(jié)果作為研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)為研究區(qū)的縣級(jí)數(shù)據(jù)。根據(jù)行政區(qū)劃圖，判別出每個(gè)州市所包含的縣區(qū)，再利用ArcGIS 10.2.2對(duì)縣級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行合并處理，得到研究區(qū)域的各市級(jí)數(shù)據(jù)。然后在原基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分類的基礎(chǔ)上，根據(jù)土地利用功能采用ArcGIS 10.2.2對(duì)各市、縣(區(qū))原始地類進(jìn)行重新歸類，最終得到9項(xiàng)三生空間二級(jí)分類結(jié)果。

2 研究方法

2.1 國(guó)土“三生空間”分類

三生空間分類以國(guó)土空間的多功能性為基礎(chǔ)，將土地的主體功能作為劃分依據(jù)，對(duì)國(guó)土空間進(jìn)行劃分[9]。本研究以土地利用的多功能性為依據(jù)，借鑒張紅旗[7]、程婷[10]、楊清可[1]、黨麗娟[4]、白如山[11]等擬定的“三生空間”功能分類方案，以突出主體功能為分類的目標(biāo)，建立滇中城市群國(guó)土“三生空間”分類與云南省第二次全國(guó)土地調(diào)查分類土地利用現(xiàn)狀銜接關(guān)系(表1)。

表1 滇中城市群三生空間分類與土地利用現(xiàn)狀分類銜接

2.2 “三生空間”功能結(jié)構(gòu)計(jì)量方法

(1) “三生空間”功能多樣化指數(shù)。采用吉布斯—馬丁(Gibbs—Martin)的多樣化指數(shù)(GM)來(lái)衡量滇中城市各功能類型的齊全程度及多樣化狀況。其表達(dá)式為[12]：

(1)

式中：GM為“三生空間”功能多樣化指數(shù)；fi為第i種空間功能類型的面積；n為三生空間二級(jí)分類的功能數(shù)目。GM的取值范圍為[0,1]，GM值越高表示該區(qū)域的“三生空間”功能多樣化程度越高。其中：0表示該區(qū)域僅有一種功能類型，1表示各功能類型在該區(qū)域內(nèi)均勻分布。

(2) “三生空間”功能集中化指數(shù)。采用集中化指數(shù)來(lái)定量描述研究區(qū)三生空間功能類型的集中化程度。指數(shù)越大，表明各功能類型集中化程度越高，反之則越低。其表達(dá)式為[13]：

I=(Ai-R)/(M-R)

(2)

式中：I為“三生空間”集中化指數(shù)；Ai為第i個(gè)區(qū)域各功能類型的累計(jì)百分比之和；M為集中分布于某一功能時(shí)的累計(jì)百分比之和；R是高一層次區(qū)域(滇中城市群或各州市)各功能類型的累計(jì)百分比之和，是衡量集中化程度高低的基準(zhǔn)。

(3) “三生空間”功能信息熵。“三生空間”功能信息熵可以綜合反映某一區(qū)域在一定時(shí)段內(nèi)各功能類型的變化情況[14]。反映各功能結(jié)構(gòu)的有序程度，其中有序程度與熵值的大小呈反比，熵越大，有序度越低；反之，有序度越高[15]。其表達(dá)式為：

(3)

式中：H為“三生空間”功能信息熵；S為某一區(qū)域各功能類型的總面積；Si為第i類功能類型的面積；n為三生空間功能類型總數(shù)。

(4) “三生空間”功能優(yōu)勢(shì)度指數(shù)。優(yōu)勢(shì)度指數(shù)是對(duì)研究區(qū)各功能類型分配程度的度量，是決定研究區(qū)功能類型多樣化的一個(gè)參數(shù)，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)與多樣化指數(shù)呈反比，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)越高，多樣性越低。其表達(dá)式為[16]：

Hmax=lnn

(4)

式中：D為“三生空間”功能集中化指數(shù)；S為某一區(qū)域各功能類型的總面積；Si為第i類功能類型的面積；n為三生空間功能類型總數(shù)。

(5) “三生空間”功能區(qū)位指數(shù)。區(qū)位指數(shù)用來(lái)反應(yīng)研究區(qū)各功能類型相對(duì)于其高層次區(qū)域的相對(duì)聚集程度。其表達(dá)式為[17]：

Qi=(fi/∑fi)/(Fi/∑Fi)

(5)

式中：Qi是“三生空間”功能區(qū)位指數(shù)；fi是區(qū)域內(nèi)第i種功能類型的面積；∑fi是區(qū)域內(nèi)各功能類型的面積之和；Fi是高一層次區(qū)域(滇中城市或各州市)第i種功能類型的面積；∑Fi是高一層次區(qū)域各功能類型面積之和。若Qi<1，則其不具備區(qū)位意義，反之，若Qi≥1 ，則該功能類型具有區(qū)位意義。

3 結(jié)果與分析

3.1 基于市域尺度的“三生空間”功能的分析

根據(jù)以上計(jì)量方法對(duì)滇中城市群市域的“三生空間”功能結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀(表2)計(jì)算相應(yīng)的指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

結(jié)合已有的研究方法[12,18-19]和滇中城市群的“三生空間”分布特征將研究區(qū)劃的多樣化指數(shù)、集中化指數(shù)、信息熵及優(yōu)勢(shì)度指數(shù)劃分為低、中低、中高、高4個(gè)類型。利用ArcGIS 10.2.2軟件空間分析中的自然斷裂點(diǎn)聚類法得到滇中城市群市域“三生空間”功能結(jié)構(gòu)的格局分布圖(圖1)。

表2 2009年滇中城市群各州(市)空間功能結(jié)構(gòu) %

表3 滇中城市群市域“三生空間”功能多樣化指數(shù)、集中指數(shù)、信息熵及優(yōu)勢(shì)度指數(shù)分析

通過(guò)表3和圖1可以得出：(1) 從表3和圖1A可以看出，滇中城市群的“三生空間”功能結(jié)構(gòu)多樣化分布呈現(xiàn)出中、東部高，西部低的格局，其中昆明市的多樣化程度最高，高于0.6，說(shuō)明昆明市的功能類型比較齊全，這與昆明作為云南省省會(huì)城市，經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)，各功能類型比較齊全相一致。楚雄州的多樣化指數(shù)最低，通過(guò)各功能結(jié)構(gòu)的細(xì)分可以看出楚雄州以林地偏多，占了總面積的66.89，這說(shuō)明楚雄州的生態(tài)環(huán)境較好，但土地利用空間功能結(jié)構(gòu)不如其他州協(xié)調(diào)。(2) 從表3和圖1B可以發(fā)現(xiàn)，滇中城市群的“三生空間”功能格局集中化程度整體較低且相差不大，主要是因?yàn)?個(gè)地區(qū)均主要以林地生態(tài)空間、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間和其他生態(tài)空間為主，功能類型較為單一。(3) 從表3和圖1C可以看出，滇中城市群的“三生空間”功能結(jié)構(gòu)信息熵分布呈現(xiàn)出中、東部高，西部低的現(xiàn)狀，其中昆明最高，楚雄最低。說(shuō)明“三生空間”功能越齊全的區(qū)域，各功能結(jié)構(gòu)有序程度越低。(4) 從表3和圖1D可以看出，研究區(qū)整體優(yōu)勢(shì)度較高，均大于0.85以上，且呈現(xiàn)出中間低兩邊高的空間分布格局，其中楚雄州的優(yōu)勢(shì)最為明顯。(5) 通過(guò)區(qū)位指數(shù)計(jì)算公式(5)，得到滇中城市群的市域“三生空間”功能區(qū)位指數(shù)見(jiàn)表4。

圖1 滇中城市群市域“三生空間”格局分布表4 滇中城市群市域“三生空間”功能區(qū)位指數(shù)

州市林地生態(tài)空間牧草生態(tài)空間水域生態(tài)空間其他生態(tài)空間農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間工礦生產(chǎn)空間城鎮(zhèn)生活空間農(nóng)村生活空間其他生活空間昆明市0.88421.11451.61081.10701.06552.11212.56831.15731.8591曲靖市0.83332.36030.58441.07461.32390.92380.67201.22460.8617玉溪市1.10210.09001.65690.71170.89920.96070.70640.80830.8681楚雄州1.20100.01290.62640.99670.67590.27770.33030.75680.5760

由表4可以看出，滇中城市群的市域“三生空間”功能區(qū)位特征不太顯著。其中林地生態(tài)空間在楚雄市和玉溪市的區(qū)位指數(shù)大于1，具有區(qū)位意義；牧草生態(tài)空間在昆明市和曲靖市的區(qū)位指數(shù)大于1，在這兩個(gè)地區(qū)具有區(qū)位意義；水域生態(tài)空間在昆明市和玉溪市的區(qū)位指數(shù)大于1，具有區(qū)位意義，且區(qū)位特征明顯，原因是這兩個(gè)地區(qū)分別有滇池和撫仙湖；剩余的其他功能空間類型只在昆明市和曲靖市的區(qū)位指數(shù)大于1，具有區(qū)位意義，結(jié)果與這兩個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)，人口密度較高相一致。

3.2 基于縣域尺度的“三生空間”功能的分析

采用與市域“三生空間”功能結(jié)構(gòu)相同的研究方法，計(jì)算得到滇中城市群各區(qū)縣的“三生空間”功能指數(shù)見(jiàn)表5，通過(guò)ArcGIS 10.2.2的自然斷裂點(diǎn)聚類法得到基于縣域的滇中城市群“三生空間”功能格局分布圖(圖2)。

表5 滇中城市群縣域“三生空間”功能多樣化指數(shù)、集中指數(shù)、信息熵及優(yōu)勢(shì)度指數(shù)分析

圖2 滇中城市群縣域“三生空間”功能格局分布

通過(guò)表5和圖2可得出：(1) 基于縣域研究區(qū)的“三生空間”多樣化指數(shù)呈現(xiàn)出中間高兩邊低和東邊高于西邊的趨勢(shì)，其中，高多樣化主要存在于昆明市主城區(qū)和羅平、澄江等10個(gè)縣區(qū)，中高多樣化偏多，共15個(gè)縣區(qū)，超過(guò)三分之一，而中低多樣化和低多樣化主要位于研究區(qū)西邊的楚雄和玉溪?？h域多樣化分布總體與市域多樣化呈現(xiàn)出一致性。(2) 基于縣域研究區(qū)的“三生空間”集中度呈現(xiàn)出以昆明為中心，兩邊均勻分布的趨勢(shì)，其中高集中區(qū)位于昆明主城區(qū)，東西兩邊中高、中低、低多樣化程度相近。這與基于市域的集中度存在一定的差異。(3) 基于縣域研究區(qū)的“三生空間”信息熵與多樣化呈現(xiàn)出一致性，中間高兩邊低，其中以中低信息熵居多，共18個(gè)縣區(qū)，主要位于曲靖和玉溪兩個(gè)州市，而高信息熵僅位于昆明市的主城區(qū)，說(shuō)明滇中城市的“三生空間”功能有序性整體偏高。(4) 基于縣域研究區(qū)的“三生空間”的優(yōu)勢(shì)度水平較高，從優(yōu)勢(shì)度指數(shù)來(lái)看，大部分縣區(qū)的優(yōu)勢(shì)度指數(shù)大于1，最高為峨山縣，達(dá)到1.415 0，最低的是官渡區(qū)，為0.429 2?？傮w來(lái)看昆明市的優(yōu)勢(shì)水平最低，這與市優(yōu)勢(shì)水平相似。(5) 通過(guò)區(qū)位指數(shù)計(jì)算公式(5) ，得到滇中城市群的縣域“三生空間”功能區(qū)位指數(shù)見(jiàn)表6。

表6 滇中城市群縣域“三生空間”功能區(qū)位指數(shù)

由表6可以看出，林地生態(tài)空間在安寧縣、楚雄市、易門(mén)縣等17個(gè)縣的區(qū)位指數(shù)大于1，說(shuō)明在這些區(qū)域具有區(qū)位意義；牧草生態(tài)空間只存在部分縣區(qū)，其中只有澄江縣、尋甸縣等5個(gè)縣(區(qū))區(qū)位指數(shù)大于1，具有區(qū)位意義；水域生態(tài)空間在澄江、江川、西山等15個(gè)縣(區(qū))的區(qū)位指數(shù)大于1，且于澄江、江川、西山最為突出，這與行政區(qū)范圍內(nèi)有澄江和滇池相關(guān)，這與市域區(qū)位分析相一致；其他生態(tài)空間在易門(mén)縣、元江縣等12地區(qū)區(qū)位指數(shù)大于1，具有區(qū)位意義；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間在呈貢區(qū)、澄江縣等18個(gè)地區(qū)的區(qū)位指數(shù)大于1，具有區(qū)位意義；工礦生產(chǎn)空間在官渡區(qū)、西山區(qū)等19個(gè)地區(qū)具有區(qū)位意義，其中于昆明市4個(gè)主城區(qū)最為突出，這與這些地區(qū)的工業(yè)發(fā)展相一致；城鎮(zhèn)生活空間在盤(pán)龍區(qū)、五華區(qū)等12地區(qū)區(qū)位指數(shù)大于1，具有區(qū)位意義，與這些地區(qū)的城鎮(zhèn)化率較高相一致；農(nóng)村生活空間在呈貢、澄江等22個(gè)地區(qū)區(qū)位指數(shù)大于1，具有區(qū)位意義，占據(jù)了研究區(qū)一半多；其他生活空間在官渡區(qū)、五華區(qū)等17個(gè)地區(qū)的區(qū)位指數(shù)大于1，具有區(qū)位意義。從上分析可以發(fā)現(xiàn)，林地生態(tài)空間、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間、工礦生產(chǎn)空間、農(nóng)村生活空間在各地分布較為均勻，聚集程度較高，區(qū)位意義比較顯著。

4 結(jié) 論

(1) 通過(guò)市域尺度的計(jì)量分析發(fā)現(xiàn)，滇中城市的“三生空間”功能結(jié)構(gòu)多樣化和信息熵空間分布呈中、東部高西部低的現(xiàn)狀；集中化程度空間分布整體較低且相差不大；優(yōu)勢(shì)度整體較高，且呈現(xiàn)出中間低兩邊高的空間分布格局；各州市區(qū)位特征不顯著。

(2) 基于縣域尺度的計(jì)量分析發(fā)現(xiàn)，滇中城市的“三生空間”功能結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出多樣化和信息熵空間分布東部高西部低的現(xiàn)狀，其中，高多樣化與高信息化主要分布在昆明市主城區(qū)，集中化程度除昆明市主城區(qū)外其他各地分布趨近；優(yōu)勢(shì)度成中間低兩邊高的分布，其中以昆明市主城區(qū)的優(yōu)勢(shì)度最低；林地生態(tài)空間、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間、工礦生產(chǎn)空間、農(nóng)村生活空間各縣(區(qū))的區(qū)位意義較為顯著。

(3) 從市域到縣域的多尺度分析，可以得到滇中城市群從整體到局部的“三生空間”空能結(jié)構(gòu)分布信息?；谑杏虺叨?，對(duì)滇中城市群的“三生空間”功能特征有一個(gè)縱觀的了解；基于縣域尺度，又能對(duì)滇中城市群不同州市的內(nèi)部“三生空間”功能特征進(jìn)行詳細(xì)分析，基于不同的尺度，具有不同的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)市域尺度，能夠反映滇中城市群市域之間“三生空間”功能類型分布差異，但在市域內(nèi)部“三生空間”功能結(jié)構(gòu)被均衡化，無(wú)法分析市域內(nèi)部“三生空間”功能結(jié)構(gòu)差異；通過(guò)縣域尺度，市域內(nèi)部“三生空間”功能的均勻分布被打破，反映了滇中城市群縣域之間的“三生空間”功能類型分布差異。

(4) 通過(guò)不同尺度的分析對(duì)比，揭示各尺度間“三生空間”功能分布格局的相互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)各尺度間的良性約束和優(yōu)化配置，為城市群的國(guó)土空間功能優(yōu)化提供一些必要的依據(jù)。

(5) 基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)的限制，縣域內(nèi)部的“三生空間”功能只能被均衡化，無(wú)法對(duì)其內(nèi)部的功能分布特征進(jìn)行深入分析。未來(lái)的研究可以從鄉(xiāng)(鎮(zhèn))級(jí)或村級(jí)尺度對(duì)滇中城市群進(jìn)行更深入的分析。