国土“三生空间”分类及其功能评价

国土“三生空间”分类及其功能评价
程婷;赵荣;梁勇
【摘要】With the rapid development of the economy,the problems of resource failure,environment degradation,relationship tension between human and land,space development disorder and spatial structure imbalance become more and more obvious.In view of the above problems,this paper creates the production living-ecological classification system combining census content on basis of geographical conditions survey,which achieves classification in microcosmic polygon degree.It also puts forward the kernel density method based on grid to analyze the spatial distribution.Simultaneously,on basis of production,living and ecological function,this paper creates functional evaluation index system to achieve functional evaluation of each evaluation unit.This paper selects Wuhan as the research area.The results can provide reference for land use planning of China.It can not only be used as an effective supplement to perfect the theoretical system of land discipline but also promote the process of research on application of geography national census data effectively.%随着经济的高速发展,资源衰竭、环境退化、人地关系日趋紧张、空间开发无序、空间结构失衡等问题愈发突出.针对上述问题,在地理国情普查的基础上,结合普查内容构建了“三生”(生产、生活、生态)空间分类体系,实现了图斑尺度的“三生”分类,并提出了基于格网的核密度方法来分析各类用地的空间格局;同时,以生产、生活、生态功能为基础,构建了“三生功能”评价指标体系,实现了各评价单元的功能评价.选取了武汉作为重点研究区,研究成果可为我国土地利用规划提
供参考,同时可作为完善土地学科理论体系的一种有效补充,有效地推动地理国情普
查数据的研究应用进程.
【期刊名称】《遥感信息》
【年(卷),期】2018(033)002
【总页数】8页(P114-121)
【关键词】土地利用规划;地理国情普查;“三生空间”分类;核密度分析;“三生功能”评价;层次分析法
【作者】程婷;赵荣;梁勇
【作者单位】山东农业大学信息科学与工程学院,山东泰安271018;中国测绘科学
研究院,北京100830;中国测绘科学研究院,北京100830;山东农业大学信息科学与
工程学院,山东泰安271018
【正文语种】中文
【中图分类】F205
0 引言
近年来，随着社会经济的高速发展，我国人地关系紧张、空间开发无序和空间结构失衡等问题愈演愈烈。

这些问题在一定程度上制约了区域空间的均衡与可持续发展，衍生出导致区域发展竞争力下降的系列社会问题，影响到生态环境、投资环境、人居环境。

而土地资源的多功能性兼顾了粮食安全、经济发展和生态保护之间的关系，引发了学者们对土地“三生功能”的存在形式及功能表达的探索。

目前的“三生功能”研究方法主要有二种[1]。

一种为功能空间分类法[2]，其实质是对土地利用空
间数据的归并与分类，是一种定性的研究方法。

该方法实现了土地功能分类与土地利用分类和城市用地分类等的衔接，在土地功能调控、生态政绩考核与生态环境效应等领域应用广泛。

另一种为量化识别“三生功能”分类法[3]，该方法通过指标
层对研究区的每一个评价单元构建评价体系，并对研究区统一计算，实现生产、生活与生态功能的量化识别，是一种定量的研究方法。

由于这种方法不利于从功能空间进行多主体融合和多尺度集成表达，同时，在数据标准化方面也存在处理复杂等问题，实践应用难度较大。

现阶段，大多数关于“三生空间”分类的定性研究皆以宏观尺度的土地利用规划为基础[2，4-6]，其分类成果的精确性有待考究。

而我国于2013—2015年开展的
第一次全国地理国情普查工作获取了海量的全覆盖、无缝隙、高精度数据[7]，如
何实现数据的应用是当前工作的重点。

因此，在地理国情普查的大背景下，本文一方面利用普查得到的精细地表覆盖图斑数据，参照普查的内容构建“三生空间”的分类体系，对国土空间进行定性的“三生”分类，并通过基于格网的核密度计算，分析各类用地的空间格局；另一方面整合其他专业部门普查(调查)数据和社会经济统计数据等，以生产、生活、生态功能为基础，构建国土空间“三生功能”评价指标体系，并选取县级行政区为评价单元，运用层次分析法计算各评价指标的权重，对空间的“三生功能”进行定量的描述。

本文通过定性与定量的方法，以武汉市作为重点研究区，实现了国土空间的“三生”分类及功能评价，研究成果或将服务于政府部门土地利用规划的编制和相关政策的执行，同时，可为地理国情普查成果的推广和应用提供参考。

1 研究区概况
武汉是湖北省省会，地处江汉平原东部、长江中游，是全国重要的工业基地、科教基地和综合交通枢纽。

现辖江岸、江汉、硚口、汉阳、武昌、青山、洪山、东西湖、汉南、蔡甸、江夏、黄陂、新洲13区，总面积8 494.41 km2，总人口829.27
万。

2 数据与处理
2.1 数据来源
实验采用国务院于2013—2015年开展的第一次全国地理国情普查工作获得的地表覆盖数据，本次普查以2015年6月30日为普查标准时点，利用优于1 m分辨率的遥感影像，收集整合多行业专题数据，通过“室内分析判读、野外实地调查”等技术方法[8]，首次获取了覆盖全国的多要素、全覆盖的地理国情数据。

此外，还需要武汉市社会经济统计数据、专题空间数据、各项规划资料上的相关数据。

2.2 数据处理
1)普查数据处理。

在ArcGIS平台下，根据研究区范围对数据进行裁剪，通过投影变化、叠加分析、数据拼接、属性关联等方法，生成满足国土空间“三生”分类的空间数据源[9]。

2)专题数据处理。

从各行业部门收集的数据在空间坐标、数据类型、数据格式等方面与普查数据存在较大的差异，因此需要对专题数据进行处理。

对于社会经济统计数据，根据面、线、点等不同的统计对象，建立匹配空间模型，实现统计数据的空间化；对于学校、医院、福利机构坐标等专题空间数据，通过地图投影、坐标系统转换、要素类型统一，实现普查数据与专题空间数据的集成与融合[10]。

3 “三生空间”分类
3.1 分类依据
土地是一个多功能综合体，是生产功能、生活功能和生态功能相互关联和相互统一的整体，由于土地的利用方式、强度以及使用者的不同，常使土地的功能表现出主次和高低的区别，即土地具有主体功能[11]。

为了满足实际应用特别是各级政府土地管理的需要，本文参考前人的分类理念，结合前人的研究成果，遵循科学性、实用性及继承性的原则，以土地的生态、生产、
生活功能为主导，同时兼顾其多功能性，首次将土地划分为：生产空间、生产生态空间、生活空间、生活生产空间、生态空间、生态生产空间、生态生活空间7大类。

生产空间是以提供工业产品、农产品和服务产品为主要功能的区域；生产生态空间是以生产功能为主，同时具有一定生态功能的区域；生活空间是以提供人类居住和公共活动为主要功能的区域；生活生产空间是生活和生产功能交互在一起，在空间上难以区分的区域；生态空间即具有重要生态功能，以提供生态产品和生态服务为主要功能的区域；生态生产空间是同时具有生态、生产功能，但以生态功能为主的区域；生态生活空间是具有较强的生态功能，同时具有一定生活功能的区域。

基于上述对国土空间的划分，结合土地的生产、生活和生态功能特征，对《地理国情普查内容与指标》[12]中的10个一级类、58个二级类、135个三级类进行“三生功能”的归并，建立地理国情普查内容与“三生空间”的联系，实现普查数据到“三生空间”的转换，构建国土空间“三生”分类体系，见表1。

3.2 分类提取
本文基于武汉市2015年地理国情普查得到的地表覆盖图斑数据，按照上述“三生空间”分类方法，在ArcGIS平台下，对各类空间进行属性查询、提取，将全市土地分为生产空间、生产生态空间、生活空间、生活生产空间、生态空间、生态生产空间、生态生活空间7大类。

分类结果如图1所示。

以13个县级行政区为基本统计单元，统计各类空间面积，计算各类空间面积占比，结果见表2。

表1 “三生空间”分类体系一级分类二级分类生产空间温室、大棚露天采掘场建筑工地工业设施生活空间道路硬化地表(除硬化护坡)交通设施城墙其他构筑物生态空间草地(除牧草地、绿化草地)硬化护坡沙障荒漠与裸露地表水工设施生产生态空间耕地园地生活生产空间房屋建筑(区)固化池堆放物其他人工堆掘地生态生产空间牧草地林地(除绿化林地)水域生态生活空间绿化林地绿化草地
图1 武汉市“三生空间”分布图
表2 武汉市各类空间面积占比 %地区生产空间占比生活空间占比生态空间占比生
产生态空间占比生活生产空间占比生态生产空间占比生态生活空间占比江岸区12.0322.927.963.0123.7618.6811.63江汉区
16.2828.621.840.1036.416.869.89硚口区19.7227.873.480.6931.987.149.12
汉阳区17.6919.846.413.3218.1226.827.81武昌区
6.241
7.881.920.8520.5439.6912.89青山区5.1125.304.996.4419.3329.049.80洪山区
8.4112.95
9.0116.729.0736.906.95东西湖区
9.907.8412.5628.208.6731.251.58汉南区3.924.4814.1740.284.1032.160.90
蔡甸区3.037.0610.9637.336.0134.081.53江夏区
3.305.77
4.6840.753.9540.011.54黄陂区1.673.6112.8737.584.8939.210.18新洲区1.263.7513.3138.956.563
5.890.27
3.3 基于格网的核密度分析
为了更好地分析“三生空间”的分布格局，本文利用核密度分析法对各类空间的聚集度进行识别。

核密度分析用于计算每个输出栅格像元周围的点要素的密度[13]。

概念上，每个点上方均覆盖着一个平滑曲面，在点所在位置处表面值最高，随着与点的距离的增大表面值逐渐减小，在与点的距离等于搜索半径的位置处表面值为零，仅允许使用圆形邻域。

核函数以Silverman的著作中描述的二次核函数[14]为基础，公式如下：
(1)
式中：X是给定的用于底层密度估计的多元数据集。

然而，直接将面要素转化为点要素进行核密度分析的方法，仅考虑了图斑的数量而
忽略了图斑的大小，其结果不具有可靠性。

因此，本文引入了地理格网的概念。

地理格网是按照一定的数学规则划分地球表面而形成的格网，主要有2种类型：经纬坐标格网和直角坐标格网[15]。

地理格网不仅可以提高空间分布信息集成效率，还可以减少数据精度损失和资源消耗，是一种科学、简明的定位参照系统。

在此基础上，本文构建了基于Albers投影的500 m规则地理格网，通过赋予每个格网单元空间类型属性，实现核密度分析。

具体方法为：首先，对格网图层与“三生空间”分布图层进行交集操作，建立面状要素和格网之间的联系。

相交之后得到的“三生空间”分布图层中的每个图斑都获得了其所在格网的编码值。

然后，将相同类型的空间按照编码值进行合并，提取每个格网中面积最大的空间。

以格网编码值为连接字段，实现“三生空间”分布图层到格网图层的转换。

每个格网都具有了空间类型属性。

最后，导出连接后的图层，并将其转化为点要素图层。

分别提取各类空间点要素，完成核密度计算。

为了证明基于格网的核密度分析具有科学性和可行性，本文以武汉市生态生产空间为例，将基于图斑的核密度分析结果(图2(b))、基于格网的核密度分析结果(图
2(c))与生态生产空间分布图(图2(a))进行对比，如图2所示。

显然，基于格网的核密度分析结果更符合实际情况，因此，本文利用该方法来更直观地反映武汉市各类空间的分布格局，如图3所示。

图2 分析结果对比图
图3 武汉市“三生空间”核密度图
3.4 空间格局
从空间分布来看：1)生产空间主要分布在江岸区、江汉区、硚口区、汉阳区、洪山区的西部，以及东西湖区的西部和南部。

生产生态空间主要分布在蔡甸区西部，江夏区、黄陂区中部，以及新洲区北部。

2)生活空间主要分布在长江沿岸，包括武汉市的主城区(江岸区、江汉区、硚口区、汉阳区、武昌区、青山区、洪山区)，以及
东西湖区的东南部、蔡甸区的东部、江夏区北部。

生活生产空间即房屋建筑(区)等，主要分布在主城区。

3)生态空间主要分布在蔡甸区、黄陂区、新洲区。

生态生产空间包括牧草地、林地(除绿化林地)、水域，主要分布在东西湖区、江夏区、黄陂区、新洲区。

生态生活空间指的是绿化林地和绿化草地，大都分布在武汉市主城区。

4 “三生功能”评价
4.1 评价依据
从“三生”的角度，国土空间可以分为7大类，但归结到土地的功能，却只有3种：生产、生活和生态功能，由于土地的利用方式、强度,以及使用者的不同，土
地的功能常表现出具有主次和高低区别的多种功能的组合。

为了对土地生产、生活、生态功能的强弱进行描述，本文基于地理国情普查数据，深度融合其他专业部门普查(调查)数据和社会经济统计数据，以生产、生活、生态功能为基础，兼顾指标获取的科学性、目的性、实用性的原则，构建国土空间“三生功能”评价指标体系，见表3。

表3 “三生功能”评价指标体系功能指标编号数据获取生产功能农产品供给耕地
面积sc1第一次地理国情普查数据园地面积sc2第一次地理国情普查数据农业总
产值sc3统计年鉴中的农业总产值粮食作物产量sc4统计年鉴中的粮食作物产量
林产品供给林地面积sc5第一次地理国情普查数据林业总产值sc6统计年鉴中的
林业总产值畜产品供给牧草地面积sc7第一次地理国情普查数据牧业总产值sc8
统计年鉴中的牧业总产值水产品供给水域面积sc9第一次地理国情普查数据渔业
总产值sc10统计年鉴中的渔业总产值工业产品供给工业用地面积sc11统计年鉴
中的工业用地面积第二产业生产总值sc12统计年鉴中的第二产业生产总值服务产品供给住宿和餐饮业营业额sc13统计年鉴中的住宿和餐饮业营业额第三产业生产总值sc14统计年鉴中的第三产业生产总值生活功能人口密度sh1人口数量/统计
单元面积城镇化水平sh2城镇人口/总人口路网密度sh3道路长度/统计单元面积
中小学校密度sh4中小学校数量/统计单元面积医院密度sh5医院数量/统计单元面积社会福利机构密度sh6社会福利机构数量/统计单元面积露天体育场面积占比sh7露天体育场面积/统计单元面积生态功能植被覆盖率st1植被覆盖面积/统计单元面积水域覆盖率st2水域面积/统计单元面积荒漠与裸露地表面积占比st3荒漠与裸露地表面积/统计单元面积硬化护坡面积st4第一次地理国情普查数据
4.2 归一化处理
国土空间“三生功能”评价的各项指标因子的原始数据主要是利用地理国情普查数据、已收集的统计年鉴、各项规划资料进行统计计算得到的。

评价体系的多层次性和多指标性决定了其数值具有不同的量纲和数量级。

因此，为了保证评价结果的可靠性，需要对该评价指标体系中的原始指标数据进行标准化处理，消除单位及数量级对评价结果的影响。

计算公式如下：
(2)
式中：yij为第i个评价单元的j指标经过归一化处理后的指标数值；xij为第i个评价单元的j指标的原始值。

4.3 基于层次分析法的指标权重确定
土地功能评价是一个多层次、多指标的复杂评价体系，运用客观赋权的方法来确定指标权重，可操作性不强，因此本文采用主观赋权法中的层次分析法[16]来确定评价指标权重。

层次分析法的基本步骤如下：
1)建立层次结构模型。

在深入分析实际问题的基础上，将有关的各个因素按照不同属性自上而下地分解成目标、准则、方案等层次，同一层的诸因素从属于上一层的因素或对上层因素有影响，同时又支配下一层的因素或受到下层因素的作用。

一般当准则多于9个时，应进一步分解出子准则层。

“三生功能”评价指标分级如图4所示。

图4 “三生功能”评价指标分级图
2)构造判断矩阵。

以A表示目标，ui、uj(i，j=1，2，….，n)表示因素，uij表示ui对uj的相对重要性数值，并由uij组成A-U判断矩阵P。

(3)
3)根据各个评价指标相对于上一层评价的重要性确定其在评价中的比例，就是权重值。

通过判断矩阵，求出其最大特征根λmax所对应的特征向量ω。

方程如下：Pω=λmaxω
(4)
所求特征向量ω经归一化，即为各评价因素的重要性排序，也就是权重分配。

4)进行一致性检验，判断以上得到的权重分配是否合理。

检验使用公式：
CR=CI/RI
(5)
式中：CI为判断矩阵的一般一致性指标；RI为判断矩阵的平均随机一致性指标；CR为判断矩阵的随机一致性比率，由下式给出：
CR=(λmax-n)/(n-1)
(6)
当判断矩阵P的CR<0.1时或λmax=n，CI=0时，认为P具有满意一致性，否则需调整P中的元素以使其具有满意一致性。

“三生功能”评价的各指标权重见表4。

表4 “三生功能”评价指标权重指标
sc1sc2sc3sc4sc5sc6sc7sc8sc9sc10sc11sc12sc13权重
0.00870.00450.02480.00870.00360.02160.00630.01890.00360.02160.01930. 05780.0335指标sc14sh1sh2sh3sh4sh5sh6sh7st1st2st3st4权重
0.10050.07250.07250.07250.04040.04040.02280.01230.17090.09180.02470. 0459
4.4 评价结果与建议
本文利用武汉的相关数据，按指标之间的相互关联性、组合模式，首先计算各评价指标的加权指数，然后按评价指标的隶属关系得出指标集分指数，最后由指标集分指数得出生产功能、生活功能、生态功能指数，再用百分比的形式进行描述，结果见表5。

在一定程度上体现了国土空间功能的分布情况。

表5 武汉市“三生功能”占比 %地区生产功能占比生活功能占比生态功能占比江岸区28.4151.3920.20江汉区25.2868.626.10硚口区18.7172.598.71汉阳区34.9139.8625.23武昌区29.2147.4423.34青山区22.2043.1234.67洪山区31.9225.6142.47东西湖区33.9421.3344.73汉南区16.7921.1562.06蔡甸区31.6410.4757.89江夏区49.347.8742.80黄陂区49.156.4344.42新洲区
47.169.1343.71
为更直观地了解各地区生产、生活、生态功能的强弱，将数据转化为百分比堆积柱状图，如图5所示。

图5 武汉市“三生功能”占比图
结果表明，生产功能占比较大的是江夏区、黄陂区、新洲区；生活功能占比较大的是江岸区、江汉区、硚口区、汉阳区、武昌区、青山区；生态功能占比较大的是洪山区、东西湖区、汉南区、蔡甸区。

结合《武汉市土地利用总体规划(2006—2020年)》(以下简称“总体规划”)，武汉市被划分为4个土地利用区，中心城优化建设区、重点镇及产业集中建设区、生态用地区、基本农田集中区。

根据本论文的研究成果，结合总体规划内容，现提出建议如下：
1)江岸区、江汉区、硚口区、武昌区、青山区，以及汉阳区、洪山区大部分区域位
于中心城优化建设区，意味着这些区域主要以生活功能为主，而目前洪山区的生活功能要弱于生产功能和生态功能，下一步的工作中，要适当强化洪山区的生活功能，创造良好的人居环境。

2)规划中的江夏区、新洲区、汉南区应以生产功能为主，但汉南区的生态功能占主导地位，生产功能明显偏弱。

汉南区要在保持良好生态环境的基础上，积极发展生产建设、进行招商引资，提高居民的收入水平。

3)东西湖区、蔡甸区、黄陂区的生态功能应为主要功能，与实际情况稍有差别的是黄陂区，其生产功能要略微强于生态功能。

应合理控制生产用地的扩张，加强黄陂区的生态保护，注重经济的可持续发展。

4)参照武汉市土地利用规划，充分考虑各区的实际情况，明确各区域土地利用管理的重点，指导各区域土地利用调控，合理引导城市发展空间，提高用地集约性。

以合理的城市规划作为发展的基础，抓住长江沿岸经济走廊开放开发的有利机遇，能够更好地发挥中心城市作用，充分带动周边城市经济的发展。

5 结束语
本文基于地理国情普查内容，充分考虑土地的多功能性，构建了“三生空间”分类体系，将地表覆盖分为7个一级类，25个二级类，是目前较为综合的土地分类体系。

同时，从土地的生产、生活、生态功能出发，构建了“三生功能”评价体系。

该评价体系包含25个评价指标，整合了其他专业部门普查(调查)数据和社会经济
统计数据。

此外，本文还提出了基于格网的核密度分析法，通过对比，证明了该方法的科学性、可行性。

在理论研究的基础上以武汉作为研究区，利用定性与定量的方法实现了武汉市“三生空间”分类及功能评价。

研究成果为土地利用规划提供参考，并有效地推动了地理国情普查数据的研究应用。

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