基于多源数据的白洋淀流域国土空间利用评价

马建辉，范谋远，刘 煜，贾昊晨

（1.河北大学 经济学院，河北 保定 071002；2.吉林大学 东北亚学院，吉林 长春130012；3.天津大学 管理与经济学部，天津 300072；4.河北大学 资源利用与环境保护研究中心，河北 保定 071002；5.中国政法大学 商学院，北京 100088；6.西南大学 数学与统计学院，重庆 400715）

按照“生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”的原则，开展国土空间利用质量评价，深化对国土空间利用的科学认知，对实现经济高质量发展意义重大。基于传统统计数据开展国土空间利用质量评价已有较多研究[1-10]，对多源数据的利用则不够深入。随着数据的多元化，基于多源大数据的国土空间利用质量评价逐渐兴起，现有相关研究主要从生活功能[11]、生态功能[12]单一视角开展，综合评价还有待进一步深入研究。孔宇等[13]提出了基于多源数据评价国土空间利用质量的思路，并分别对城镇、农业和生态三类空间的评价给出了相应的指标体系，但未进行实证研究。本文以白洋淀流域为研究区域，开展基于多源数据的国土空间利用质量评价，为流域国土空间规划和利用管理提供决策依据。

1 研究区域及研究方法

1.1 研究区域

白洋淀流域是指唐河、拒马河、府河等水系的汇水区域，属于海河流域，跨河北、北京、山西三个省（市），全流域面积为31816 km2，流域界线长1008 km[14]，主要位于河北省境内。考虑数据的可获得性和可比性，本文以流域内县级行政区为基本评价单元。由于流域边界与县域边界不一致，本文以白洋淀流域自然边界为参考，将县域面积50%以上位于流域边界内的完整的县级行政区确定为最终的研究区，具体包括河北省行唐县、北京市房山区以及山西省灵丘县等29 县（区）①白洋淀流域自然边界矢量数据来源见参考文献[14]，县级行政区边界矢量数据来源于自然资源部“全国地理信息资源目录服务系统”中公开的1：100 万基础地理信息数据库。。

1.2 指标体系构建及权重设定

本文基于理论分析，参考现有文献，结合数据可获得性，最终确定评价指标体系，并利用熵权法对各指标进行赋权（表1）。

1.3 国土空间利用质量评价方法

1.3.1 综合加权指数法

本文采用综合加权指数法对各评价单元的国土空间利用质量进行评价，利用公式（1）分别计算生产功能、生活功能和生态功能指数，利用公式（2）计算国土空间综合利用质量指数。

其中，p代表“三生”功能，j代表评价单元，Yp代表生产功能、生活功能或生态功能指数，Wpi为第p个功能第i个指标的权重，Ypij代表第p个功能下第j个评价单元第i个指标的标准化值；Y为评价单元的综合得分，Wp为根据熵权法计算的“三生”功能指数的权重。

1.3.2 耦合协调度评价模型

耦合协调度模型主要是通过耦合度C和协调发展度D对若干系统的相互关系和协调发展程度进行评价[15]。“耦合度”源于物理学中的概念，利用多系统之间的离差公式表征各系统间的相互作用程度，后被引入社会科学领域并得到广泛应用。普通采用的耦合度通过对两个及以上经济社会系统中所有系统值的几何平均数与算数平均数之比表征其相互作用和影响程度的大小[16]，对于n个系统A1、A2、A3……An，耦合度CA值计算公式如式（3）[15-16]所示。

通过公式（3）计算，得出耦合度值区间为[0，1]。耦合度越大，说明各系统间离散程度越低；反之则越高。

在耦合度的基础上，将各系统本身的发展程度纳入考虑，对二者进行几何平均计算，得到协调发展度，用以对各子系统间的协调发展程度进行评价。本研究借鉴王淑佳等[15]的研究成果，对公式（3）的耦合度计算公式进行修正，构建国土空间利用质量耦合协调评价模型（式4、5），分析“三生”功能指数之间的协调关系（表2）。

表2 白洋淀流域国土空间利用耦合度与协调发展度等级划分标准

其中，D为协调发展度，C为耦合度，Y1、Y2、Y3和Y分别为生产、生活、生态和综合功能指数，Ymax表示Y1、Y2、Y3中的最大值。

1.4 国土空间利用质量空间格局分析方法

1.4.1 国土空间利用质量重心

国土空间利用质量重心是指研究区域中各个方向上国土空间利用质量水平的均衡点，是研究区域中各评价单元的加权平均坐标点，计算公式见式6和式7。

其中，j代表研究区域的评价单元，n为评价单元总数，U、V分别表示研究区域国土空间利用质量重心的经度和纬度，Uj、Vj分别表示研究区域内第j个评价单元的重心的经度和纬度，Yj表示第j个评价单元的国土空间利用质量。

1.4.2 标准差椭圆方法

标准差椭圆主要是通过长半轴（式8）、短半轴（式9）和旋转角（式10）三个参数来定义椭圆，以直观描述区域某属性（本文指国土空间利用质量）空间分布的主要范围及方向。标准差椭圆的范围表征某属性的集中程度，其中心为属性重心；旋转角是顺时针偏离正北方向的角度，表示分布方向；长、短半轴分别反映属性值在主、次趋势方向上的离散程度，扁率的大小代表属性分布的方向性强弱。

其中，σU和σV分别为标准差椭圆的长半轴和短半轴，U'j和V'j表示各研究区域与平均中心的坐标偏差，j、n、Uj和Vj的含义同公式6 和公式7。

1.4.3 Moran 指数

本文利用全局Moran 指数（Iq）和局部Moran指数（Iqj）考察国土空间利用质量与邻近地区的关联模式。计算公式为：

其中，q代表生产、生活、生态或综合功能，j和k表示不同县域，n为县域总数，Yq代表所有县域第q个功能的国土空间利用指数均值，Yqj、Yqk表示第j、k个县域不同功能的国土空间利用指数值；wjk为空间权重矩阵w中的元素，代表第j、k个县域的邻接信息，本文采用Queen 邻接法则。

1.5 数据来源

考虑数据的可获得性，本文基于2018年的多源数据，对白洋淀流域国土空间利用质量进行评价。人口、农作物产量、农作物灌溉面积、耕地机械动力、固定资产投入和化肥使用量等数据来源于地方统计年鉴或统计公报；二氧化碳排放量来源于中国碳核算数据库；夜间灯光数据来源于中国研究数据服务平台（CNRDS）；风景名胜、文体服务、生活服务和公共设施等来源于高德开放平台的POI 兴趣点；房价来源于房天下网站；道路网密度指数基于从1：100 万基础地理信息数据（来源于自然资源部全国地理信息资源目录服务系统）中提取的路网数据计算得出；其他数据均从中国科学院地理科学与资源研究所的资源环境科学与数据中心获取，其中，生态用地、耕地、农村居民点及水域面积来源于中国土地利用遥感监测数据，植被覆盖指数来源于中国年度植被指数（NDVI）空间分布数据集①徐新良.中国年度植被指数（NDVI）空间分布数据集.中国科学院资源环境科学数据中心数据注册与出版系统 (http://www.resdc.cn/DOI),2018.DOI:10.12078/2018060601。，生物丰度指数和生态系统服务价值来源于中国陆地生态系统服务价值空间分布数据集②徐新良.中国陆地生态系统服务价值空间分布数据集.中国科学院资源环境科学数据中心数据注册与出版系统(http://www.resdc.cn/DOI),2018.DOI:10.12078/2018060503。。

2 实证分析

2.1 国土空间利用质量评价

基于熵权法和综合加权指数法，分别计算国土空间生产、生活、生态功能指数和综合指数，利用ArcGIS10.2 的自然间断点功能分为5 级（图1）。

总体而言，白洋淀流域国土空间生产功能指数整体呈现东南部较高、西北部较低的格局，而生活和生态功能指数则大体一致且与生产功能指数空间格局相反，这与白洋淀流域东南部地区经济相对发达，而西北部山区生态较好的实际情况相一致。

生产功能指数较高的地区为莲池区、竞秀区、新乐市、定州市和安国市，莲池区和竞秀区是保定市主城区，而新乐市、定州市和安国市则邻近河北省石家庄市，说明区域性的主城区及邻近大城市的区域生产功能指数相对较高；多山区的灵丘、涞源和阜平等西北部山区，其生产功能则处于较低水平。就生活功能而言，西北山区的生活便捷度和保障度相比于东南部经济相对发达地区差距较小，而其人均生态用地面积则比东南部地区高出很多，使得其生活舒适度较高，因此，其生活功能指数也相对较高；莲池区和竞秀区生活服务设施相对较为完善，房山区因其行政隶属北京且为山区，其生活服务设施完善程度和人均生态用地面积都较高，故上述地区的生活功能指数也处于较高水平。就生态功能而言，北部山区的植被覆盖度、生物丰度和生态系统服务价值均处于较高水平，因此其生态功能指数整体较高；而东部的安新县作为白洋淀主水域所在地，水域面积最大，生物丰度和生态系统服务价值也都处于较高水平，所以其生态功能指数也较高。

国土空间利用质量综合指数整体上呈现西北高-东南低的分布格局，这与生态、生活功能指数相似，而与生产功能指数相反。其中，房山区和安新县的“三生”功能指数皆处于较高水平，西北山区的生态、生活功能指数的高水平有力弥补了生产功能指数的低水平，故上述地区综合指数均呈现较高状态；莲池区和竞秀区由于较高水平的生产、生活功能指数将综合指数拉升至次高水平。

2.2 国土空间利用质量空间集聚分析

由图2 和表3 可知，白洋淀流域国土空间利用的生产、生活、生态和综合功能指数均呈现西北-东南分布的格局，且标准差椭圆扁率皆较大，方向性较为明显。具体而言，生产功能重心位于东南部的保定市主城区内，其标准差椭圆整体位于东南部，空间范围相对最小，这是由于生产功能指数较高的区域主要集中于保定市主城区及靠近省城的经济发达县区。生态功能重心大致位于西北的满城区、顺平县和易县三地交界处，标准差椭圆整体位于西北部，椭圆空间范围相对最大，这是由于生态功能指数较高的区域主要分布于西北广袤的多山县区。生活功能重心位于略偏东北的易县南部，标准差椭圆位置偏东部分布，空间范围相对较大，说明其相对于生产和生态功能方向性较弱而功能指数离散度较高。综合功能重心位于白洋淀流域的几何中心附近，其标准差椭圆也相对居中分布，空间范围与生活和生态功能相当，略高于生产功能。

图2 白洋淀流域国土空间利用质量重心及标准差椭圆

表3 白洋淀流域国土空间利用质量椭圆参数

由表4 可知，生产、生活、生态和综合功能指数的全局Moran’s I 均为正，p值均小于0.01，说明它们均在1%显著性水平下存在空间正相关，表现为高-高集聚或低-低集聚特征。由图3 可知，在生产、生活、生态和综合功能指数的局部Moran散点图中，大部分区县位于第Ⅰ和第Ⅲ象限，说明白洋淀流域国土空间利用质量存在显著的正向空间溢出效应，呈现明显的非均质空间集聚特征。

图3 白洋淀流域国土空间利用质量局部Moran 散点图

表4 白洋淀流域国土空间利用质量全局Moran’s I

2.3 耦合协调度评价

耦合度主要体现“三生”各功能之间的协同程度，协调发展度则表征良性耦合水平的高低。由图4 可知，白洋淀流域各区县协调发展度水平呈现西北高-东南低的分布格局，但整体水平不高，最高等级仅处于濒临失调状态，有93.10%县域均在轻度失调及以下水平；而耦合度水平大体上呈现西北低-东南高的分布格局。其中，莲池区和竞秀区由于生产功能的高水平与生活、生态功能的低水平反差过大，故耦合度和协调发展度皆处于最低水平；东南部地区由于“三生”各功能水平相当但均处于低水平，故呈现出耦合度较高、协调发展度较低的状态；安新县由于“三生”各功能水平大体相当且皆不低，故协调发展度相对较高；西北山区则由于生产功能的低水平与生活、生态功能的高水平反差较大，故耦合度水平较低，但生活、生态功能的良性耦合使得其协调发展度偏高；房山区生态功能与西北山区相似，但生产和生活功能水平略高，故其耦合度与协调发展度相比于西北山区略强。

图4 研究区耦合协调性评价结果图

3 结论与建议

3.1 结论

（1）白洋淀流域国土空间利用质量指数均呈现西北-东南分布格局，方向性皆较为明显。具体而言，生产功能指数东南部较高、西北部较低，而生活、生态功能和综合指数大体上与之相反，其中，生产功能和生态功能呈互补式分布格局。

（2）根据全局和局部Moran’s I 分析可知，白洋淀流域国土空间利用质量存在显著的正向空间相关性和空间溢出效应，呈现明显的非均质空间集聚特征。

（3）白洋淀流域国土空间利用质量指数耦合度大体上呈现西北低-东南高的分布格局，协调发展度水平呈现较为规律的西北高-东南低分布格局，但整体水平不高。

3.2 建议

（1）白洋淀流域国土空间利用，应坚持系统、整体观念，从全局出发，统筹协调生产、生活和生态功能，推进区域国土空间利用质量协调均衡发展。东南部地区应注重生活和生态功能的提升，加强以生活服务和保障设施为代表的基础设施建设，提升城市绿化水平，增大人均生态用地面积；区域中心城区，如保定市主城区应重点加强城市生态环境建设，使生态功能与生产、生活功能相协调；西北山区应在保护生态的同时，进一步重视生产功能水平的提升，将产业发展方向与生态资源优势有机结合，大力发展旅游业、环保科技产业和新型制造业。

（2）充分发挥白洋淀流域国土空间利用质量的空间正相关性和空间溢出效应，促进相邻县域之间的协同发展，实现区域间“三生”功能的均衡分布。

（3）对雄安新区及周边地区进行生产建设以及发展的过程中，应当注意对白洋淀流域生态环境的保护，坚持“绿水青山就是金山银山”的发展理念，致力于“三生”功能高水平的协同发展。