基于“三生空间”的昆明市国土空间结构演变特征分析

王菊，赵俊三，林伊琳，龙利秋，李玉龙

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093； 2.智慧矿山地理空间信息集成创新重点实验室，云南 昆明 650093；3.云南省高校自然资源空间信息集成与应用科技创新团队，云南 昆明 650211)

1 引 言

国土空间是人类生存发展和实施各类生产活动的载体，改革开放以来，我国经历了快速城镇化过程，带来了国土空间格局的剧烈演变[1]。在取得巨大经济成就的同时，人地关系矛盾、土地资源低效利用、环境污染、城乡发展失衡等问题日益显现，对我国的国土空间可持续开发带来巨大挑战[2]。在此背景下，研究区域生产-生活-生态空间的结构、数量、分布的变化情况与趋势能为优化区域国土空间格局，实现土地资源可持续利用提供科学依据。

自十八大召开以来，有大量学者就国土“三生空间”用地的概念与内涵[3]、“三生空间”用地分类[4，5]、“三生空间”综合承载力[6]、“三生空间”用地的时空格局与演变、优化[7～9]等开展研究，但研究尺度主要集中在流域[10]，城市群[11]和省域[12]，对市域和县域的研究甚少。

目前对昆明市国土空间开展的研究主要是以昆明市下辖的区[13，14]，县[15]为研究对象，难以反映全市国土空间结构演变特征。随着城镇化和工业化快速发展，昆明市作为云南省的省会城市和滇中城市群发展的核心地带，在经济迅猛发展的同时，其土地利用发生了剧烈变化，所以研究整个昆明市国土空间结构演变特征，能为优化昆明市国土空间提供重要参考。

2 研究区概况及研究方法

2.1 研究区概况

昆明市是云南省的省会城市，地处云贵高原中部，位于东经102°10′～103°40′、北纬24°23′～26°22′，市域土地总面积 21 012.53 km2，下辖7个区、3个县、3个自治县，代管1个县级市，即五华区、盘龙区、官渡区、西山区、呈贡区、东川区、晋宁区、富民县、宜良县、嵩明县、石林彝族自治县、禄劝彝族苗族自治县、寻甸回族彝族自治县、安宁市(图1)。

图1 云南省，昆明市行政区划图

2.2 研究方法

(1)数据源与预处理

本文研究的数据是来源于土地利用现状年度更新数据库的2009年和2015年土地利用现状数据，借鉴最优样方尺寸计算方法[16]，根据昆明市市域面积，将研究区划分为 500 m×500 m的栅格单元，并运用ArcGIS 10.2软件将这两期土地利用数据统一到该栅格尺寸下，再根据中国土地利用/土地覆盖变化遥感监测数据分类，结合昆明市土地利用实际情况，并借鉴已有研究成果[11，17]中“三生空间”的分类方法和思想，自下而上识别昆明市国土“三生空间”格局，以建立研究区国土“三生空间”分类体系(表1)。

昆明市国土“三生空间”分类与土地利用类型衔接 表1

(2)研究方法

本文用ArcGIS 10.2和Fragstats 4.2软件，采用土地利用动态度[18]、重心迁移模型[19]和土地利用转移矩阵[20]等方法从数量变化、重心迁移和转移特征等方面分析研究昆明市国土“三生空间”的结构特征，探寻其空间结构变化的过程和差异；采用景观格局指数法[21]从斑块类型和景观水平两个尺度进一步分析景观格局与国土空间结构之间的动态变化规律，空间演变异质性及关联性。

3 昆明市国土空间结构演变分析

3.1 国土空间数量变化分析

依据表1的国土“三生空间”分类体系，利用ArcGIS 10.2软件对两个研究时段的土地利用数据进行重分类，得到昆明市国土空间利用格局图(图2)，提取并统计各类型国土空间面积，测算其所占的比例及其变化，并计算各类国土空间单一动态度和综合动态度(表2)，从国土空间面积变化及变化速率来分析人类活动对其单一类型国土空间和整体国土空间的影响程度。

由表2可知：①昆明市的优势功能空间是农业生产空间和绿地生态空间，所占面积超过区域总面积的70%，且2015年较2009年增加了约10%，所以昆明的农业产业基础和生态水平较高；工矿生产空间增加 82.64 km2，说明在“十二五”规划思想的指导下，昆明市工业化和产业化有了进一步的发展。②两类生活空间面积均有增长，其中城镇生活空间面积增长水平显著，增长 141.16 km2，且单一动态度是5.76%，居第二位，但受城市化的影响，大量农村人口向城市迁移，导致农村生活空间6年内仅增长7.9%。③2015年昆明市生态空间面积共计 13 564.89 km2，占总国土空间面积的64.55%，其中绿地生态空间面积具有较大优势，水域生态空间的动态度仅为0.15%，面积基本保持着稳定状态，而其他生态空间的面积显著减少，较2009年减少了 2 224.78 km2，且单一动态度最大，为13.18%。④从综合动态度来看，研究期内各类空间用地综合动态度最大的仍是其他生态空间和绿地生态空间，分别是0.88%和0.85%，变化面积分别是 2 224.78 km2和 2 133.06 km2。水域生态空间的综合变化度是极小的，仅为 0.002 2%，总的来说各类国土空间面积变化幅度差异较大。

2009-2015昆明市国土空间面积及动态度变化 表2

3.2 国土空间重心迁移分析

根据重心迁移模型计算分析得到昆明市各国土空间重心迁移轨迹图(图3)，以及重心迁移距离和迁移速率(表3)。

图3 2009-2015昆明市国土空间重心迁移图

由图3和表3可知：①农业生产空间的重心向东北方向迁移 0.994 6 km，迁移速率为 0.165 8 km/a，均处于嵩明县所辖杨桥街道内；工矿生产空间的重心偏移水平不大，在空间上以 0.058 2 km/a的速率偏移了 0.349 1 km。②生活空间中两个二级类空间的重心迁移水平较大，尤其是城镇生活空间的重心迁移特征更为明显，往东北方向以 0.294 4 km/a的速率向青云街道迁移，共迁移 1.766 3 km，说明昆明市城镇生活空间变化明显，东北部空间面积增长幅度最高；农村生活空间的重心迁移变化幅度较城镇生活空间的小，迁移 1.029 2 km，迁移速率是 0.171 5 km/a，反映出整体上昆明市农村生活空间结构变化相对均衡，彼此之间面积变化的差异性较小。③生态空间中除水域生态空间外，林地生态空间和其他生态空间的重心偏移都较显著，尤其是其他生态空间变化最剧烈，从2009年到2015年重心共迁移 19.959 6 km，迁移速率为 3.326 69 km/a，从寻甸回族彝族自治县的鸡街镇迁移到先锋镇，说明随着昆明市经济的快速发展，对土地的需求也日益增加，从而使得土地利用率提高，这提醒我们在加强土地利用的同时，应该注意土地利用类型的合理分配。

昆明市国土空间重心变化 表3

3.3 国土空间转移特征分析

利用ArcGIS 10.2空间分析功能得到昆明市2009年～2015年国土空间面积转移矩阵(表4)。由表可知，研究期内昆明市各空间类型面积均有不同程度的增加或减少，除了农业生产空间、水域生态空间和其他生态空间外，其余类型空间转入面积均大于转出面积。各空间类型面积转移特征具体表现为：①农业生产空间面积减少，是工矿生产空间和城镇生活空间的主要来源，说明存在农用地被占用现象；而工矿生产空间主要为建设用地，转为其他空间的难度较大，且受工业化发展的影响导致工矿生产空间面积增加，净转入面积为 82.645 3 km2，主要由农业生产空间转换而来。②生活空间面积都呈净增长，主要由农业生产空间和绿地生态空间转入，其中农业生产空间转为城镇生活空间的有97.3871 km2，转为农村生活空间的有 28.426 2 km2，而绿地生态空间转为城镇和农村生活空间的面积分别为 22.049 6 km2和 4.993 8 km2，说明随着城镇化的快速发展，城镇生活空间面积较农村生活空间扩张更为迅速，二者向农业生产空间和绿地生态空间要地的趋势均较为明显。③生态空间的总转入和总转出面积分别为 2 189.313 6 km2和 2 286.470 9 km2，呈现出生态空间面积略微减小的趋势，其中其他生态空间减幅最大，表现为净转出面积为 2 224.782 8 km2，主要转为绿地生态空间，所以绿地生态空间面积增加显著，净转入 2 133.061 7 km2。

昆明市2009年-2015年国土空间面积转移矩阵(单位：km2) 表4

3.4 国土空间景观结构动态演变

采用Fragstats 4.2软件，分别计算出两个研究时段上各类国土空间的各个景观指数值(表5、表6)，具体分析研究区在不同斑块尺度上的景观特征。

2009年-2015年昆明市国土空间景观类型指数 表5

(1)斑块类型尺度上景观特征

从景观斑块类型尺度选择斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、景观百分数指数(PLAND)、平均斑块面积(AREA_MN)和周长-面积分维数(PAFRAC)分析昆明市国土空间景观斑块类型特征及演变规律。由表5可知：

①农业生产景观斑块数量和斑块密度增大，而斑块百分数指数、斑块平均面积和周长-面积分维数值都变小，故昆明市农业生产景观斑块更加密集，且斑块形状趋于简单，但破碎化程度变大，对农业用地进行规模化利用较难；工矿生产景观的斑块数量、斑块密度、斑块百分数指数均有不同程度的增加，说明工矿生产景观面积增加且分布更加集中；平均斑块面积变小，所以工矿生产空间布局更加连片，细碎化程度变小；而周长-面积分维数值的略微增大，体现其在扩张的过程中，形状趋于复杂化发展。

②城镇和农村生活景观的斑块数量、斑块密度和斑块百分数指数呈现上升趋势，说明昆明市生活景观面积增大，且分布更密集，其中城镇生活景观的平均斑块面积急剧减少，周长-面积分维数也降低，故随着新型城镇化策略的实施，城镇生活空间利用更集约、连片，形状也更为规整。农村生活景观的平均斑块面积下降，说明其破碎水平上升，而周长-面积分维数下降，说明实施新农村建设成效显著，农村居民点更加规则有序。

③绿地生态景观的斑块数和斑块密度下降，原因是绿地生态空间主要由各种林地和草地组成，受退耕还林政策的影响，使得林地与草地集中连片出现，导致斑块数逐渐减少，所以绿地生态景观的细碎化程度有所缓和；景观面积比例明显上升，平均斑块面积也明显增长，说明其分布较为集中，而周长-面积分维数指数有所下降，说明绿地生态景观的边界和形状逐步趋于简单化。水域生态景观的总斑块数、斑块密度和周长-面积分维数都呈上升趋势，但增幅均不大，说明其细碎化程度有所提高，且斑块形状和边界趋于不规则和复杂化；景观所占斑块面积和斑块平均面积的值均变小，这与斑块数量和细碎化水平增高有关，所以今后人们在利用水域生态空间中的湖泊和坑塘时，应合理规划，尽量改造为简单规整的形状。随着城镇化和工业化的快速发展，用地需求不断增加，所以其他生态景观中的土地，被有效开发利用转为其他用地，在研究期内，各景观指数都急剧减小。

(2)景观尺度上景观特征

通过计算香农均匀度指数(SHEI)、香农多样性指数(SHDI)、集聚度(AI)、蔓延度(CONTAG)和散布与并列指数(IJI)分析昆明市国土空间的空间异质性和相互联系(表6)，由表6可知：

①SHEI和SHDI的值均变小，说明昆明市国土空间景观类型的异质性程度减小，土地利用均衡度有所下降且多样性减少，也说明景观主体类型农业生产空间和绿地生态空间对昆明市景观整体的控制作用被其他各类景观削弱。

②昆明市国土空间景观的AI值和CONTAG均呈现上升的趋势，说明区域景观的集聚度在提高，破碎水平在降低且主体景观农业生产景观、绿地生态景观的连通性有所提高，说明在城镇化和工业化快速发展的大背景下，其他空间对两类主体优势空间并无明显干扰；IJI指数变小，体现昆明市不同类型景观之间的相邻概率降低，某一类型与其他类型景观的邻接水平下降，表明区域相同景观类型的斑块集聚程度在不断上升。

2009年-2015年昆明市景观水平指数变化表 表6

4 结论与讨论

4.1 结论

本文从国土“三生空间“的数量变化、重心迁移、转移特征和景观格局变化等方面分析研究昆明市国土空间的结构演变特征，得出以下结论：

(1)昆明市的优势功能空间是农业生产空间和绿地生态空间，所占面积超过区域总面积的70%，所以其农业产业基础和生态水平较高。

(2)各功能空间在研究期内面积变化幅度差异较大，均有不同程度的增加或减少，除农业生产空间、水域生态空间和其他生态空间减少外，其余类型空间转入面积均大于转出面积。

(3)随着昆明市经济的快速发展，土地的需求日益增加，对后备土地资源开发利用程度增强，致使其他生态空间的重心迁移最剧烈，从寻甸回族彝族自治县的鸡街镇迁移到先锋镇。

(4)昆明市国土空间景观类型的异质性程度、土地利用均衡度和破碎化水平均降低，而集聚度和景观间的连通性在提高。

4.2 讨论

本文基于昆明市“三生空间”来分析昆明市国土空间结构演变特征，虽能为今后昆明市国土空间开发利用和格局优化提供重要参考，但在“三生空间”的划分、研究数据的选取以及研究尺度上仍存在一定的不足和缺陷。

(1)“三生空间”的划分主要依据国土空间功能，而任一土地都具有多功能性，所以在“三生空间”分类上存在一定的不足，未来需要进一步探讨“三生空间”分类与土地利用的衔接，完善“三生空间”分类体系。

(2)受数据收集条件的限制，本文研究数据为间隔6年的两期土地利用数据，未能在较长时间上反映昆明市国土空间的演变特征，未来需要对其进行长期跟踪研究。

(3)本文基于昆明市市域尺度展开研究，对各区县土地利用结构特征分析不够具体，未来需以县域尺度作为研究对象，更详细具体地分析国土空间结构演变特征。