山东省城市用地结构演变与驱动力分析

姬 宇，王成新

(山东师范大学地理与环境学院， 中国 济南 250014)

山东省城市用地结构演变与驱动力分析

姬 宇，王成新

(山东师范大学地理与环境学院， 中国 济南 250014)

随着我国城市化进程中经济发展方式逐步转型，城市用地结构也发生着剧烈变化，由此引发城市功能的演变.本文以山东省为例，选取2004—2013年山东省城市土地利用数据及相关人口、经济等指标，基于信息熵、均衡度、优势度等模型对城市用地结构演变特征进行研究,并运用主成分分析法剖析山东省城市用地结构演变的驱动力.研究表明：山东省城市土地利用信息熵、优势度呈波动下降态势，而均衡度呈波动上升趋势，居住用地和工业用地比重较高，城市绿地和公共设施用地显著增加，山东省城市用地结构持续调整；城市用地结构演变的主要驱动力为经济发展、城市交通建设和人口增长，其中前两者影响较显著.

城市用地；结构演变；驱动力；山东省

城市用地结构是指城市内各类功能用地的比例构成、空间结构及其相互作用的关系[1].城市用地结构及其布局直接决定城市功能的发挥，理清城市用地结构演变规律并提出针对性优化举措，对提高土地利用效率、建设新型城镇具有重要意义.国外城市用地结构方面的研究较早，从1920年代的生态学派，到1970—1980年代的经济区位学派、社会行为学派、政治经济学派等都对城市用地进行了大量研究，内容涉及城市用地的自然、经济、社会和政治等空间层面，重点由描述静态的空间结构到揭示空间结构的动态变化、对土地利用的驱动力认识和城市用地演变的动力机制[2].目前国外相关研究多趋向于建设生态城市问题[3-4].研究方法由传统的定性方法向各类信息模型、遥感影像技术转变[5].同国外相比，国内城市土地利用研究起步较晚.研究视角日益广泛，包括探讨城市化进程中促进城市用地空间结构演变的动力主体、驱动机制[6]、城市功能结构合理配置[7]，以及城市化与城市土地利用结构间的关系的验证[8].同时，研究方法亦趋于多样，包括计量地理模型和区位熵的结合[9]、遥感影像融合和土地利用变化转移矩阵的结合[10]、洛伦茨曲线和偏移份额分析法以及推拉理论和多元线性回归模型[6].此外，研究区域涉及到省域、市域[10-11]、城市群[6,9]等，数据来源则多为遥感影像解译数据及统计数据.从当前研究成果看，研究内容丰富且深入，但仍存在一些不足：多数学者只从单一时间角度采用遥感影像解译数据对某个区域的城市用地结构进行研究，不连续的时间序列、因分辨率或解译过程中产生的误差将影响所获得城市用地数据的准确性；指标的选取受主观性影响较大，城市用地结构演变的机理研究不够深入，使得研究结论的说服力有所欠缺.目前我国城市土地利用研究仍然呈现上升趋势，研究方法以定量研究为主，省域范围的研究有待拓展.本文在前人研究的基础上，探究山东省城市用地结构的演变特征和驱动力，以期为其他省市的发展提供参考.

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

山东省作为中国沿海经济大省，2013年农村和城镇常住人口总量居全国第二.全省共有17个地级市，副省级城市济南和青岛构成区域发展的两个中心，形成了双核发展模式.2013年山东省城镇人口达到5 231.7万人，地区生产总值为54 684.33亿元，占全国的9.6%.2004—2013年间山东省城市建设用地持续扩张，由3 107.24 km2扩展到5 187.44 km2，平均每年增长5.9%.其中居住用地和工业用地所占的比重较大，分别为1 554.27 km2和1 098.86 km2，且呈逐年上升的趋势，而工业用地增幅变缓，道路广场用地和绿地用地的面积总体增加.

1.2 研究方法

1.2.1 信息熵法 信息熵起源于美国数学家Shannon提出的信息论，后被应用到地理学领域，能够反映一个区域在某个阶段土地利用类型综合性动态变化和转变程度，对某个区域土地利用的调整具有重要的指导意义[11].假定一个城市的建设用地的总面积为S，该市的土地根据其职能可分成n种，每个职能类的面积为Si.

根据信息论的原理[12]，并参考Shannon-Weaner指数，定义土地利用结构的信息熵H，其基本公式如下：

(1)

pi为第i种土地类型所占的比例，信息熵的高低反映城市用地结构的差异性.熵值越高，表明不同职能的用地类型数越多，各职能类型的面积相差越小，土地分布越均衡，系统有序度越低.当一个城市的职能比较单一时，其熵值为0.当一个城市的各种职能不断丰富和完善时，各种土地利用类型丰富度增加，满足熵值最大时，即S1=S2=…=Sn，此时熵值H取得最大值，城市用地类型最多.

1.2.2 均衡度与优势度 均衡度是用来反映各类城市建设用地均衡分布程度的一个重要概念，弥补了信息熵在反映城市土地利用结构格局不够清晰的缺陷，其基本公式是在信息熵函数的基础上构造而来[13],计算公式为

(2)

均衡度E是信息熵与最大熵之间的比值，其取值范围为E∈[0,1]，当E=0时，城市土地利用均匀性最差，而当E=1时，则土地利用类型达到理想的平衡状态.

优势度反映了区域内一种或几种土地类型支配该区域土地利用类型的程度，与多样性的变化相反[14].基本公式：

D=1-E,

(3)

式中D表示优势度，根据公式可以计算相应年份的山东省城市用地结构的均衡度和优势度.

1.2.3 主成分分析法 主成分分析最早由Pearson等提出，目前应用广泛，能够将数据集由原始空间转换到主成分空间，空间内每一个主成分可表示转换后有效的新特征[15].利用主成分分析法，可以将众多城市用地结构演变的驱动因子整合成几个主要演变驱动因子.本文根据建立的指标体系，利用SPSS 19.0统计分析软件，在对数据进行极差标准化和KMO检验后，采用其中的主成分分析方法对山东省城市用地结构演变驱动因子进行定量分析.

1.3 数据来源

本文采用的山东省城市内部各类用地面积数据源于《山东省城市建设统计年报(2005—2014)》，较遥感影像获得的数据具有权威性高、易获取等优点.文中所收集的山东省经济、人口、就业等数据均来源于《山东统计年鉴(2005—2014)》.为了方便计算，同时不影响最终结论，所获得的面积数据精确到两位小数，计算所得的信息熵、均衡度、优势度的值均精确到三位小数.

2 城市用地结构演变特征分析

根据式(1)～(3)，分别计算2004—2013年山东省城市用地结构的信息熵、均衡度、优势度，结果如表1所示.

表1 山东省2004—2013年城市土地利用信息熵、均衡度、优势度

2004—2011年山东省城市土地利用类型主要有9种，分别是居住用地、公共设施用地、工业用地、仓储用地、对外交通用地、道路广场用地、市政公用设施用地、绿地以及特殊用地.2012年后山东省城市土地利用类型发生变化，城市土地利用类型变为8种，分别是居住用地、公共管理与公共服务、商业服务业用地、工业用地、物流仓储用地、交通设施用地、公共设施用地、绿地用地.2004—2013年间山东省的城市建设用地面积持续扩张，由2004年的3 107.24 km2扩展到2013年的5 187.44 km2.其中，居住用地和工业用地所占的比重较大，且逐年上升，工业用地的增幅较缓；绿地用地由2004年的271.17 km2增加到2013年的641.82 km2.

由表1、图1可见山东省城市用地结构的信息熵呈曲折变动趋势，可以分为3个阶段：①2004—2009年总体呈下降趋势.2004—2005年信息熵先缓慢下降0.001，2005—2006年迅速下降0.007，2006—2007年间出现短暂上升.②2009—2011年呈上升趋势.此阶段信息熵上升先慢后快，2009—2010年呈缓慢增长，2010—2011进入快速增长时期.③2011—2013年迅速下降.信息熵由2011年的1.873下降到2013年的1.861，下降0.012.

信息熵可以度量城市土地利用系统的有序度，熵值越高，有序度就越低.2009年信息熵达到3个阶段中最低值，为1.859，表明2004—2009年间城市用地系统有序度较高.2009—2011年熵值增加先慢后快，此阶段系统无序度增高先缓后快.2011—2013年间信息熵呈连续下降态势，2011年信息熵在整个研究时段中达到最大，为1.873，此时城市用地系统有序度最低，无序度最高.

相对于信息熵的变化，2013年均衡度比2004年增加0.043，山东省城市用地均衡度在0.85处波动.2004—2011年间均衡度和优势度波动幅度均较小，见图2.2011—2013年间均衡度先增后减，总体由2011年的0.852上升到2013年的0.895，而优势度先减后增.综合信息熵、均衡度、优势度的变化，发现山东省城市土地利用系统总体从有序度较低向有序度较高的方向发展.信息熵总是处于变化中，以“调整—平稳—再调整”的模式发展，说明山东省的城市用地结构持续调整，有待进一步优化.

图1 山东省2004—2013年城市土地信息熵变化图Fig.1 The change of information entropy of urban land use in Shandong province during 2004—2013

图2 山东省2004—2013年城市土地利用优势度和均衡度Fig.2 Urban land use advantage and balance degree in Shandong province during 2004—2013

3 城市用地结构的变化驱动因素分析

3.1 驱动因子指标体系构建及提取

城市的社会、经济、人口、交通及环境关系紧密，特别是城市的经济发展水平会对城市土地利用产生显著影响.由于研究期较短，自然驱动力影响微弱，而随着城市化的快速发展，社会经济因子变化较大.徐梦冉[16]、刘军[17]选取经济、产业结构、就业结构、消费水平和人口等方面因素构建指标体系.杨晓娟[18]、葛春叶[19]等选取经济、交通、产业结构和人口等方面构建指标体系.根据科学性、实用性、可操作性原则，结合2004—2013年间山东省城市建设用地变化情况，发现总人口数、城市人口密度和非农业人口比重等指标可以显著地表征影响城市建设用地结构变化的人口因素；经济因素一般涉及到地区生产总值、产业结构、投资和消费等方面，因而选取GDP、三大产业产值、固定资产投资总额和社会消费品零售总额作为指标；因交通因素对城市建设用地的影响主要表现在交通流量、交通设施建设等方面，故选择旅客周转量、货物周转量和道路长度来表征交通因素；社会政策内容丰富，其中财政政策对城市建设用地演变的影响显著，因而选取公共财政预算支出表征这一因素的指标，根据以上指标，建立主成分分析指标体系，如表2所示.

表2 山东省城市用地结构变化驱动力分析指标体系

利用SPSS 19.0分析，得到各驱动因子的特征值及各自对城市用地结构变化的贡献率和累积贡献率.第一个主因子的贡献率为86.305%，第二个主因子贡献率为9.166%，且累积贡献率达到了95.471%.由此可见，主成分一、二主因子可以显著地描述原始数据，能够充分反映山东省城市土地利用变化的综合状况.

表3 旋转成份矩阵

提取方法 :主成份. 旋转法 :具有 Kaiser 标准化的正交旋转法.

根据表3可以看出固定资产投资总额、社会零售消费品总额、公共财政预算支出、道路长度、第三产业产值比重和GDP等指标与第一个主成分关系较大，说明城市用地结构与经济发展进程、产业结构调整、城市建设投资规模、交通设施的完善程度密切相关.第二个成分在城市人口密度方面有较大的载荷值，而其他指标的载荷值都较小，反映了城市人口规模对城市用地结构变动的影响.因此根据计算结果，影响山东省城市用地结构演变的驱动力主要为经济增长、交通建设以及人口增长.

3.2 主要驱动力分析

3.2.1 经济因素 城市内土地的供应是经济发展的基本保障，而经济的发展又会带动城市用地规模的增大.2004—2013年间山东经济呈现持续快速增长的态势，适应于经济的快速变化，2004—2013年间山东省城市用地总面积持续增加，2013年城市用地总面积达到5 187.44km2，而2004年仅为3 107.24km2，年均增长率达到5.9%.经济增速快、规模大将推动山东省投资建设项目增加，进而导致城市建设用地需求增多.随着人们收入水平提高，消费能力相应增强，对服务业、制造业产品的需求增加，进而促进产业结构的转变.

产业结构是经济因素中的一个重要方面，培育新的经济增长急需建立合理的区域产业结构[20]，2004—2013年山东省整体上仍处于“二、三、一”的产业结构.2004—2013年第二产业产值比重由56.5%迅速下降到50.1%.而第三产业自2004年开始，一直保持迅速增长态势，由31.7%上升到2013年的41.2%.2004年后，山东省的产业结构一直处于转型期，产业结构的“退二进三”导致城市中工业用地增速缓慢，商业、服务业用地显著增加.比较经济效益导致产业结构变化进而影响城市建设用地的再分配，引起城市土地利用中居住用地、商业服务业用地及工业用地的比例变化.

3.2.2 城市交通因素 道路长度、旅客周转量及货物周转量在第一个主成分中的载荷值较大，表明城市交通条件的改善在山东省城市用地结构中的作用较为显著.2004—2013年间山东省城市客运总量升中有降，由2004年的194 734万人次上升到2013年的411 310.9万人次， 2004—2013年运营线路总长度由2004年的15 171 km增加到2013年的51 411.6 km，年平均增长14.5%.首先，公共站点、城市道路等交通设施建设将会推动城市土地的开发利用，特别是城市交通用地及道路广场用地的扩展.其次，伴随交通条件的改善，城市中的某地区位条件发生改变，导致城市功能用地发生重新组合，尤其推动商业用地、居住用地的扩张[21].

3.2.3 人口因素 人口是一个流动性、活动性较强的因素，城市人口数量的增加将影响城市用地结构.截至2013年底，山东省户籍人口数为9 612万人，比2004年增长449万人，年均增长率为0.5%，城市化率达到53.8%.一方面受经济利益的驱动，从业人员在产业的分布将发生变化，推动金融、服务业规模增加，从而导致该类产业建设用地比重提高.另一方面由于多样化的就业机会、优质的教育资源、便利的生活条件等城市吸引力拉动城市人口增长，伴随人口增多，与人类生活密切相关的居住用地、交通设施用地、道路广场用地、绿地的需求相应增多，不仅改变了城市内部用地格局，而且促进了城市边界的拓展.

4 结论

(1)2004—2013年间山东省城市建设用地总体上呈现上升态势，居住用地和工业用地持续增加，但工业用地增幅变缓.道路广场用地和绿地用地的面积总体逐年增加，特别是绿地用地由2004年的271.17 km2增加到2013年的641.82 km2.

(2)山东省城市土地利用信息熵根据其变化趋势划分为3个阶段：2004—2009年间呈波动下降态势；2009—2011年间先缓慢增长后剧烈增长；2011—2013年间持续下降.2004—2011年间均衡度和优势度变化缓慢，2011—2013年间均衡度增加而优势度减少.山东省城市用地结构由有序度低向有序度高的方向转变，工业用地和居住用地是占优势的城市土地利用类型，城市用地结构需进一步优化.

(3)利用主成分分析法得出影响山东省城市用地结构演变的主要驱动力为：经济因素、城市交通因素、人口因素等，其中前两方面的影响较明显，经济因素中产业结构方面影响最为显著.

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(编辑 HWJ)

Analysis on Urban Land Use Evolution and Its Driving Force in Shandong Province

JIYu,WANGCheng-xin*
(College of Geography and Environment, Shandong Normal University, Jinan 250014, China)

As the economic development modes are being transformed during China’s urbanization process, the urban land use structure has also undergone dramatic changes, which as a result, triggered the evolution of urban functions. In this paper, by taking Shandong province as an example, we select urban land use data and related population and economic indicators in Shandong province from 2004 to 2013 to examine the evolution characteristics of urban land use based on information entropy, equilibrium and dominance, and analyze the driving forces of urban land use structure evolution in this region. Our results show that the information entropy of urban land use in Shandong province takes a gradually declining trend of fluctuations, but the balance degree is increasing. The proportion of residential land to industrial land is high, and the urban green land and public facilities land uses are increasing. The urban land structure of Shandong province is continuously adjusted. The main driving forces of urban land use structure evolution are economic development, urban traffic construction and population growth, among which the first two are more significant than the last.

urban land use; structure evolution; driving force; Shandong province

2016-10-23

国家自然科学基金资助项目(41371170)；山东省研究生教育创新计划资助项目(SDYC15041)

10.7612/j.issn.1000-2537.2017.03.001

K925.2

A

1000-2537(2017)03-0001-06

*通讯作者,E-mail：404122665@qq.com