基于格网尺度的杭州城西产业集聚区土地利用格局变化及热点分析

苑韶峰，朱从谋，李胜男

（1. 浙江工商大学中国土地与城市治理研究院，浙江·杭州 310018；2. 浙江工商大学土地资源管理系，浙江·杭州 310018）

土地利用/覆被变化（LUCC）是人类活动和自然变化过程相互作用最紧密的问题，其空间格局表征了人地关系在不同地域空间上的作用强度和作用方式[1,2]。我国正处于社会经济快速发展、人地矛盾剧增的时期，土地利用在广度和深度上均呈现出剧烈变化，作为自然景观变化最明显的区域，城市土地利用格局变化受到国内外广泛关注[3]。通过梳理国内外土地利用及土地覆被研究的文献，土地利用变化的研究内容主要集中在不同尺度下土地利用格局的时空演变特征、驱动机制以及对生态环境和景观效应等响应机制[4-6]。在大尺度研究上，刘纪远等从国家尺度对我国不同时段土地利用变化进行研究，提出土地利用动态区划方法，揭示了土地利用“格局”与“过程”之间的交替转化规律[7]，Lambin 利用遥感影像，分析了越南土地利用变化对当地社会经济及生态的影响[8]；在区域尺度上，刘永强从区域尺度分析了我国黄淮海平原的土地利用转型以及对水环境的影响，发现建设用地的扩张以及农用地的点源污染对该地区水质量的负向影响较大[9]，周德以环杭州湾城市群为例，在土地利用变化研究基础上探讨了环杭州湾城市群土地利用空间冲突和复杂性[10]；从小尺度研究范围来看，李小迎从镇域尺度分析南京市东坝镇土地景观和板块类型的时空特征，并指出工业发展是地区景观格局变化的重要因素[11]，郭椿阳基于网格尺度分析永城市土地利用转型特点及热点探测[12]。在研究的技术手段和方法上，土地利用变化主要体现在土地利用变化的速度、类型和利用程度上，大多数学者多采用土地利用变化指数、土地利用动态度和土地利用转移矩阵等指标来分析不同尺度土地利用变化，“3S”空间分析技术以及多种数理统计模型、空间计量模型在土地利用变化的研究日趋成熟[13]。从目前研究来看，以典型地域和地类复杂的生态敏感区为研究对象的中小尺度成为土地利用变化研究的趋势，且多以定性分析和指标计算方法为主，热点分析在土地利用研究的运用较少。格网尺度相对于较大尺度（不同层级行政区划）可以更有效地挖掘和精确分析土地利用空间格局变化,对研究区土地利用的借鉴意义更大[12]。

产业集聚区是相互关联的产业或企业根据自身发展要求，结合区位选择集聚在城市空间特定区位的产业组织实体[14]。作为浙江省促进经济转型、打造具有浙江特色的现代产业体系的重点平台，2010年浙江省利用块状经济集聚优势谋划和培育一批省级产业集聚区，主要分布在大城市周边土地利用类型最为复杂的城乡交错带，产业集聚区由于产业相互关联且集聚的特点发展迅速，对建设用地需求旺盛，如何处理好城乡交错带各类用地矛盾、拓展城市产业发展空间成为产业集聚区持续健康发展的关键。基于此，本文以杭州市城西产业集聚区为例，利用地理信息系统（GIS）技术，结合遥感（RS）数据，在格网尺度上对该地区2005–2010年、2010–2016年两个时期土地利用变化的空间格局及热点区域的空间变化进行研究，探讨土地利用格局变化的驱动机制。以期为该地区优化土地利用布局，促进产业集聚区可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况与数据来源

杭州市城西科创产业集聚区是浙江省2010年在推进大平台、大产业、大项目、大企业建设的基础上谋划和建立的，位于浙江省杭州市西部，主要包括余杭创新基地、青山湖科技城和余杭组团部分，总面积约300km2，规划范围涉及4个街道、4个镇及2个乡，杭徽高速、15省道等高速贯穿境内。区内多低山丘陵，森林覆盖率较高，地势呈西高东低特点，同时拥有多个水库和湖泊，东部与西溪湿地邻近，对杭州市的生态作用尤为显著。

杭州市城西科创产业集聚区2009年GDP约210亿元，总人口32万人。作为浙江省“十二五”重点谋划的产业集聚区，其以现代服务业和高端制造业为主导，2014年投产企业达到481个，产业增加值500亿元，在经济快速发展的过程中，其土地利用格局发生巨大变化，产业发展与土地利用的空间冲突开始出现。

本研究土地利用数据主要通过解译遥感影像获得，为城西产业集聚区2005、2010及最新2016年的3期TM影像，空间分别率为30m。其中2005和2010年由中国科学院资源环境科学数据中心提供的遥感解译数据，数据精度达到90%以上，2016年数据在ENVI5.1软件上运用监督分类方法获取土地利用数据，数据准确度达到85%以上。土地利用分类参照参照国家土地利用划分标准并结合研究区实际状况，将研究区土地类型划分为耕地、林地、草地、水域、城镇建设用地和农村居民点用地7种类型，以该地区地理环境及行政区划图为辅助图数据，建立土地利用数据库。

2 研究方法

在时间尺度上，以产业集聚区的设立时间（2010年）为时间尺度分割点，对产业集聚区设立前后两个时期土地利用格局变化展开比较研究。在空间尺度上，根据王国杰等的研究，土地利用动态变化空间采样时，样本格网大小为土地利用图斑面积大小的2–5倍时，才能较好地反映采样区周围景观的格局信息[15]。杭州市城西产业集聚区土地利用平均斑块面积在0.32–0.39km2之间，考虑到研究区域栅格单元大小，本研究采用1km×1km的网格进行系统采样，总共划分为369个研究单元。

2.1 土地利用类型转移矩阵模型

土地利用转移矩阵不仅能揭示区域某一时间点的土地利用结构，而且还能定量描述研究初期和末期各地类相互转化的动态过程，显示各地类转入转出的信息[3]。运用2005–2010年和2010–2016年两个时间段的产业集聚区土地利用数据，对比在研究区域受到外部强烈干扰情况下，即设立产业集聚区前后的土地利用格局动态变化的数量和空间分布特征，其表达式为：

式中，Aij表示转移前i地类转换成j地类后转移的面积，n为转移前后土地利用类型的数目，i和j（i,j=2,3 …,n）分别为转移前和转移后的土地利用类型。

2.2 土地利用变化指数

土地利用变化总体指数反映土地利用的变化程度，本研究以公里网格为独立单元，能够精确反映研究区不同地理单元内部土地利用变化部分所占比例及土地利用变化的速率，不仅整体反映该地区土地利用格局的动态变化，也可以衡量人类活动对土地利用的干扰程度。公式为：

式中，Iluc为土地利用总体变化指数；Uai和Ubi分别为研究时段初年和末年第i类土地利用类型面积；D为网格单元面积，除边缘区外，其他均为1km2。

2.3 Getis-Ord Gi*指数

为研究区域土地利用格局动态变化的空间关联模式，Ord和Getis提出了用于进行局部相关性分析的统计指数G*，可以用来识别具有统计显著性的高值（热点）和低值（冷点）空间集聚分布[16]，能很好地反映某一区域与邻近区域单元属性值的关联程度，其计算公式为：

其中，xj是要素j的属性值，Wij为空间权重矩阵，相邻为1、不相邻为0。

Gi*统计为具有显著统计意义的z得分。若z为正且得分越高，高值（热点）的聚集类越紧密；z得分为负且越低，低值（冷点）的聚集类越紧密；z→0，则表示不存在明显的空间聚类。

3 结果与分析

3.1 土地利用空间分布格局及动态变化

利用GIS技术，制作出杭州市城西产业集聚区不同时期土地利用空间分布图（图1），并对该地区2005–2016年土地利用动态变化进行统计分析（图2）。可以看出，杭州市城西产业集聚区的土地利用方式主要是耕地、林地、水域及建设用地，其中耕地和林地的比重较大。耕地主要分布在地形平缓的东部及中部地区，2005年、2010年和2016年耕地面积分别占研究区的56.46%、52.50%和50.06%，且耕地破碎度逐渐增加；林地主要分布在研究区西部及北部山区，2005年、2010年和2016年林地面积分别占研究区的30.10%、27%和19.46%，而且林地集中连片，破碎度增大；建设用地主要分布在地势平缓的东部地区以及西部山谷地带，其中农村居民点用地面积先增加后减少，城镇建设用地在产业集聚区设立之后迅速扩张，2016年其比例增至21.62%；水域主要包括湖泊、河流、湿地等，主要以湖泊和湿地为主，湿地分布在研究区东部地区，湖泊、河流分布在西部沟谷中。从土地利用动态变化上看，该地区2010–2016年土地利用动态变化更加剧烈，主要表现为城镇建设用地迅速扩张，林地快速减少，耕地减少速度开始放缓。

图1 2005–2016年杭州市城西产业集聚区土地利用空间分布Fig.1 Land use pattern of Hangzhou Chengxi Sci-tech Innovation Zone in 2005-2016

图2 2005–2016年杭州城西产业集聚区土地利用动态变化Fig.2 Dynamic change of Hangzhou Chengxi Sci-tech Innovation Zone land use in 2005-2016

运用土地利用转移矩阵，探讨2005–2010年和2010–2016年土地利用动态变化特征（表1、表2）。可以看出，2005-2010年草地和未利用地面积变化不大，建设用地、林地和耕地等用地类型变化较大。其中城镇建设用地增加5km2，主要来源于耕地和林地；林地减少较多，主要转化为耕地和城镇建设用地；耕地面积减少12km2，主要转化为农村居民点和城镇建设用地；水域面积有所增加，主要来源于耕地，这与该地区生态湿地保护密切相关。2010年杭州城西产业集聚区设立，土地利用格局和数量发生剧烈变化。2010年之后，随着大量优惠产业政策的实施，大量人口和企业开始入驻集聚区内，城镇建设用地面积急剧扩张，其中耕地被占用27.42km2，为保持耕地占补平衡，有18.39km2的林地转化为耕地；农村居民点用地通过宅基地整理被并入6.45km2；水域面积减少2.79km2，主要转化为耕地面积；草地和未利用面积都有所减少。该区域的土地利用程度增加，人类活动对土地利用格局的影响增大。

表1 2005–2010年土地利用类型转移矩阵（km2）Table 1 Transfer matrix of land use type in 2005-2010

表2 2010–2016年土地利用类型转移矩阵（km2）Table 2 Transfer matrix of land use type in 2010-2016

3.2 土地利用格局变化特征分析

为了分析土地利用格局动态变化的空间差异，运用土地利用变化指数测算2005–2010年、2010–2016年土地利用总体变化水平（表3），并利用ArcGIS软件制作出两段时期产业集聚区土地利用格局变化的空间分布图（图3）

对不同时期杭州市城西产业集聚区土地利用总体变化水平的统计表明，2010–2016年的土地利用变化指数的平均值和标准差均明显大于2005–2010年，说明这段时期该地区由于人类活动导致土地利用格局变化更大。而变异系数和偏度系数为2005–2010年大于2010–2016年，表明前段时期土地利用动态变化的空间差异较大，后段时期土地利用在空间上较为均衡，具有较大的空间集聚性。

在空间格局上，2005–2010年该地区土地利用变化大的地区主要集中在临安市的锦城街道和青山湖街道，这两个地区地势较平坦，位于街道中心且沿杭徽高速向东西方向延伸，土地利用变化程度较大；产业集聚区北部为山地，地势陡峭，多为林地，东部为杭州市重要的高产水稻基地，2010年之前土地利用主要以耕地和湿地为主，农村居民点和城镇零星分布。2010年城西产业集聚区设立以后，土地利用变化重心发生明显偏移，相比2010年之前较分散、缓慢的土地利用变化，2010年之后的土地利用变化呈现出中心聚集的特征，土地利用变化重心主要集中于产业集聚区东部余杭区五常街道、仓前镇和闲林镇。该区域邻近杭州市区，地势平坦，加上产业政策优势，大量人口和企业开始聚集，土地利用变化格局发生巨大变化；同时临安市青山湖、锦湖街道及横畈镇土地利用变化速度加大，形成多个土地利用变化集聚中心。

表3 2005–2016年土地利用变化指数的描述性统计值Table 3 Descriptive statistics of land use change index in 2005-2016

图3 不同时期土地利用变化指数的空间分布Fig.3 Spatial distribution of land use change index in different period

3.3 土地利用动态变化热点分析

为探讨该区域土地利用格局变化的空间关联特征，运用GIS空间分析方法，对杭州市城西产业集聚区两个时期土地利用变化指数在同一参数标准下进行热点分析，得出2005–2010年和2010–2016年两个时期土地利用格局的热点区域空间分布图（图4）。

2005–2010年该区域土地利用格局变化的热点区域呈点状分布在杭徽高速沿线，主要集中在区域西南部锦湖街道和中西部青山湖街道；2010–2016年土地利用变化热点呈块状集中分布，主要有“一大三小”区域，产业集聚区东部以五常街道为中心成为土地利用变化的最大热点区域，呈圈状向外扩散，其次是传统的土地开发较早的锦湖街道和青山湖街道以及北部的横畈街道。冷点区域主要集中在地势陡峭的山区以及余杭区北部传统的农田保护区。整体上看，2010年前的土地利用格局变化并不受政策导向的影响，土地利用变化强烈的地区主要集中在人口密集的街道中心区域，北部和南部地区以林地为主，东部为杭州市传统的水稻高产区，土地利用变化仍然以林地、肥沃的农地、水域等自然条件为先决条件，即自然环境的变化决定该地区的土地开发利用的过程。2010年以后的土地利用变化深受政策导向的影响，东部地势平坦、区位优越的余杭部分街道成为土地利用变化的最大热点地区，该区域邻近杭州市主城区，同时是铁路、高速和自然景观等综合条件十分丰富的区域，多种优势要素聚集，加上政府政策的大力支持，未来发展空间不断扩大，成为研究区社会经济发展的核心地带。可以看出，2010年之后的土地利用变化主要受到社会经济发展、政府政策的干预，特别是十二五期间加快产业集聚区建设步伐，使得自然要素在土地利用变化中的地位逐渐弱化，该区域土地利用程度迅速提高，在促进社会经济发展的同时，占用耕地、破坏生态景观的土地无序开发行为应得到充分重视。

图4 2005–2016年杭州城西产业集聚区土地利用变化热点图Fig.4 The hot-spots map of land use change in Hangzhou Chengxi Sci-tech Innovation Zone in 2005-2016

3.4 驱动力分析

（1）自然因素

在土地利用及其格局演变过程中，自然地理环境的对土地利用的区域分布特征具有深刻影响。杭州城西科创产业集聚区位于杭州市辖余杭区与临安市的交界地带，余杭区部分地处杭嘉湖平原西部边缘地带，地势平坦，水热条件优越，在未设立产业集聚区之前，该地区一直是杭州市传统的水稻高产区，在土地利用类型以耕地为主，农村居民点和城镇建设用地零星散布。在产业集聚区设立之后，由于该地区自然条件优越，地理位置更靠近杭州主城区，尤其与浙大等科研院校毗邻，成为产业集聚区建设的重点地带；产业集聚区临安市部分北部和南部多低山丘陵，其土地利用类型主要以林地为主，地势陡峭，土地利用变化度较小，建设用地主要分布在河谷冲积平原上，自然地理环境的限制造成该地区在产业集聚区设立之后并没有出现大规模扩张现象，主要是依托原有中心城镇向外扩张。

（2）人文因素

人类活动和社会发展作为影响自然环境变化的主要因素受到广泛的关注。在我国土地资源配置中政府色彩浓厚的背景下，土地开发利用的一系列政策对土地利用格局产生深远的影响。2010年将杭州城西产业集聚区设立纳入到省级战略层面后，各项开发建设工作全面推进，2013年其核心规划区已开发建设用面积30.6km2，交通等基础设施以及产业园区日益完善，规模投产企业达到481个，2015年地区生产总值达到579亿元，占杭州市生产总值总量的5.7%，增速是全市的2倍，综合实力水平连续4年位居全省各产业集聚区之首，逐渐形成了以未来科技城、青山湖科技城为核心，依托快速路、轻轨等主干线的“双城一带”产业空间格局。其中未来科技城位于产业集聚区东部，其重点规划区包括仓前和五常片区，规划面积为41km2，同时拥有梦想小镇、紫金众创小镇等特色小镇，人口集聚力强；青山湖科技城位于产业集聚区中西部，包括青山湖和横畈片区，规划面积为28.4km2。截至2015年底，“双城一带”的全面建设导致该地区土地利用格局在短时间内发生巨大变化，主要集中在地势平坦的东部平原地区，大量耕地和湿地转化为建设用地，这是2010年后产业集聚区土地利用发生剧烈变化的主要原因。

表4 2012–2014年杭州城西产业集聚区投产概况Table 4 Enterprises of Hangzhou Chengxi Sci-tech Innovation Zone land use in 2012-2014

4 结论

（1）2005–2016年杭州城西产业集聚区土地利用格局变化呈现阶段性。2005–2010年土地利用变化大的地区主要集中在人口分布集中的锦湖街道和青山湖街道，耕地和林地面积减少，主要转化为农村居民点和城镇建设用地，草地和未利用地面积变化不大，水域面积有所增加，主要来源于耕地。2010年杭州城西产业集聚区成立以后，该地区土地利用变化指数远大于前者，土地利用变化重心转移到东部仓前、五常街道等平原地区。从各类用地类型的转移幅度上看，城镇建设用地面积急剧扩张，其中占用耕地27.42km2，占用农村居民点用地6.45km2，水域面积减少2.79km2，主要转化为耕地，同时有18.39km2的林地转化为耕地，草地和未利用地面积都有所减少，土地利用格局变化较大。

（2）土地利用变化的热点地区在增加，强度进一步增大。2005–2010年，该地区有2个以锦湖和青山湖街道为中心的土地利用变化热点；2010–2016年土地利用变化热点有4个，分别是东部以仓前、五常为中心的未来科技城、中西部以青山湖、横畈为中心的青山湖科技城以及锦湖街道，其中未来科技城的土地利用变化在今后一段时期内会更加明显。

（3）杭州城西产业集聚区土地利用变化受到自然因素和社会经济因素的交互影响，2010年之前主要受到自然因素的制约，2010年后由于政府力图打造区域经济新增长点和创新点，政策导向的土地利用格局变化明显，从整体上看，产业集聚区土地利用变化热点逐渐增多，建设用地空间扩展较快，把控这些变化方向，一方面服务于地方经济发展，另一方面应正确处理好生态用地尤其是林地、耕地与建设用地空间冲突，强调产业发展与保护耕地、林地的协调发展，为该地区土地资源的可持续利用提供有效保障。

研究表明，以公里网格为单元进行土地利用动态变化及空间展布意义重大，可以强化人们对杭州城西产业集聚区土地利用变化时空格局的认知，为该地区土地开发利用、土地规划和管理提供科学的借鉴依据。在未来区域土地利用变化研究中，以网格单元为尺度的分析可以准确有效的补充中小尺度土地利用动态变化内容和规律，是未来土地变化科学研究的方向和重点。

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