基于主成分分析法的城市土地利用潜力评价

第33卷第1期湖南农业大学学报(自然科学版) Vol.33 No.1 2007年2月Journal of Hunan Agricultural University (Natural Sciences) Feb．2007文章编号：1007-1032(2007)01-0113-04基于主成分分析法的城市土地利用潜力评价张晓玲，戴吉开，关 欣，文 倩(湖南农业大学资源环境学院，湖南长沙 410128)摘要：城市土地利用潜力水平与城市现实的集约水平密切相关，并且直接关系到城市未来的综合发展．分别从社会、经济、环境三个层面选取12个指标建立城市土地利用潜力评价体系，以中国20个城市为地域研究单元，对其进行全面测度和比较；运用主成分分析法，分析因子的贡献率和各因子载荷量，并进一步利用主成分分析的分类功能，根据所提取的主成分因子对评价单元进行潜力水平分类．结果表明，中国城市的土地利用潜力分为3个大类，6个细类，其中，北京、重庆归类为土地潜力利用水平较好；沈阳、武汉、太原、西安、昆明、天津、南京、哈尔滨、长春、大连、郑州、成都、济南、石家庄归类为土地利用潜力水平一般；青岛、杭州、广州、上海归类为土地利用潜力水平较差．关键词：城市土地利用潜力水平；主成分分析法；分类中图分类号：F293.2 文献标识码：AThe classification of land use potentials in cities of China based onprincipal component analysisZHANG Xiao-ling，DAI Ji-kai，GUAN Xin，WEN Qian(College of Resources and Environment，HNAU，Changsha 410128，China) Abstract：Urban land use potential level which is closely related to the intensive level is directly relevant with the comprehensive development of China cities．This paper develops an assessment system of the urban land use potentials (ASULUP) which includes 12 indicators settled in three layers：social，economical and environmental perspectives．The indexes of the ASULUP，including 20 cities in China mainland，are evaluated and compared thoroughly by developing the assessment system．The principal component analysis (PCA) is applied to rotate them by the method of varimax．Analyzing the component matrix，the principal components are extracted and named according to the comprehensive meaning of indexes．Moreover，utilizing the classification function of PCA method，the appraisement units are classified and ordered．The study shows that the ASULUP of the cities display with three kinds of levels．Beijing and Chongqing are divided into the better potential level；Shenyang，Wuhan，Taiyuan，Xi’an，Kunming，Tianjin，Nanjing，Haerbin，Changchun，Dalian，Zhengzhou，Chengdu，Jinan and Shijiazhuang are categorized into the common potential level；Qingdao，Hangzhou，Guangzhou and Shanghai are subscribed to the less potential level of China．Key words：urban land utilization potentials；principal component analysis；classification城市土地集约利用水平是现有城市土地利用效率的表征，许多学者从不同角度和不同范围对城市土地集约利用进行了概念解释和界定[1-9]，而城市土地利用潜力水平则可揭示城市未来发展水平，同时也是城市土地集约利用水平研究的一个重要方向．笔者认为，土地利用潜力的内涵可从提高城市土地经济利用效率、增加社会利用潜力和改善城市生态环境这三个角度来界定．随着城市化的推进，经济的发展和人口的急剧增长，中国的城市规模呈现无序蔓延的趋势，因此定量研究城市土地的潜力水平是一个必然的趋势，到目前为止，诸多学者已经做了大量的研究，章其祥等[10]在分析南京市土地利用结构特征的基础上，从城市土地利用的强度潜力、结构潜力和经济潜力三方面分析并提出若干建议和措施；郭爱请等[11]以河北省为例，从宏观层面对省域范围内不同规模等级城市(地级市、县级市、县城)土地进行集约利用潜力评价，从全省城市土地利用的共性和整体性出发，收稿日期：2006-11-13基金项目：湖南农业大学人才科学基金(690502)作者简介：张晓玲(1982-)，女，江苏徐州人，硕士研究生．114 湖南农业大学学报(自然科学版) 2007年2月设计了一套全方位、多目标、可量化、适合省域范围的城市土地潜力评价指标体系；洪增林等[12]在实践的基础上，提出城市土地集约利用潜力评价应包括总体评价、区域评价、开发区评价及地块评价四部分，并提出了一套完整的城市土地集约利用潜力评价指标体系．笔者拟考虑通过系统的主成分分析方法对中国城市的土地利用潜力进行综合全面测度，在此基础上展开具体的分类工作．1 城市土地利用潜力评价指标体系的建立 1.1 研究方法和案例选取城市土地利用潜力评价可以揭示出城市土地利用的未来发展潜力．主成分分析的目的主要有两个，一是用有限个不可观测的潜在变量来直接解释原变量的相关性，二是对变量或样本进行分类[13]．由于城市土地利用潜力水平是一个潜在的隐性指标体系，该体系必须从已知的因子体系中推论得出．因而这是一种简单高效的衡量城市土地利用潜力的方法．综上所述，笔者选取主成分分析法作为主要的研究方法．采取选择标准城市的方法，在中国选取北京、重庆、青岛、杭州、广州、上海、沈阳、武汉、太原、西安、昆明、天津、南京、哈尔滨、长春、大连、郑州、成都、济南、石家庄等20个城市作为本研究的案例分析源．1.2 指标选取的原则(1) 导向性原则：指标体系的建立必须突出土地利用集约水平的导向作用，通过评价体系的建立，激励、引导各级政府及相关产业的用地策略紧扣集约的内涵，提高单位面积土地的产出效率．(2) 可比性原则：选择涵义明确、口径一致的评价指标，采用相对合理的核算和综合方法，建立横向可比评价系统的基础．即在求出各大城市土地利用潜力水平评价结果基础之上，反映、分析各土地利用潜力水平现状及各地区之间的差距．(3) 面与重点相结合的原则：对城市的土地利用潜力水平进行分析评价，要尽可能完整、全面、系统地揭示土地利用潜力．从总目标层次出发进行要素分解，逐层建立完整的分析评价指标体系．同时在综合评价指标体系设置中，既要全面系统、公正客观，又要力求抓住重点、突出重点，有所侧重．1.3 城市土地利用潜力指标体系的建立城市土地是否具备足够的潜力取决于诸多方面的因素，要对城市土地进行定量评价，而建立相应的评价指标体系是评价的首要工作．城市土地潜力利用评价指标体系是一个有机的动态复合系统，不仅可以全面反映城市土地利用的潜力和可持续发展的能力，而且可以比较客观地体现城市土地集约利用的内在功能[14]．笔者根据对城市土地利用潜力内涵和目的的理解，结合城市发展现状，拟从社会利用潜力评价、经济利用效率评价和环境利用潜力评价三个方面设定评价指标体系(表1)．这些指标之间可能具有一定的相关性，而主成分分析法既可将众多指标综合起来，又能克服指标间的相关性，同时进一步根据主成分的得分情况，对城市土地利用潜力水平进行分类．表1 城市土地利用潜力评价指标体系 Table 1 Assessment index system of city land use potential可利用潜力指标Var1——人均用地面积(hm2/人)Var3——人均住房使用面积(m2/人)Var7——居住用地构成(%)社会利用潜力Var9——城市规模(104)Var2——地均GDP(104/ hm2)Var4——人均拥有城市建设维护金(104/ hm2)Var5——地均固定资产投资(104/ hm2)Var6——工业用地构成(%)经济利用效率Var10——人均年末储蓄余额(元)环境利用潜力 Var8——道路广场用地比例(%)Var11——人均道路面积(m2/人)Var12——建成区绿化覆盖率(%)1.4 基于主成分分析的城市土地利用潜力评价对原始数据标准化处理以后，将数据导入Statistica统计分析软件，运用主成分和分类分析功能，得到合成因子的特征根和贡献率，如图1所示．因子1，因子2和因子3的累计贡献率已接近80%，这意味着因子1，因子2和因子3所携带的数据信息已经基本包括了原来12个变量所携带的数据信息，这就使数据结构大为简化．因此选取因子1，因子2和因子3作为主成分进行分析．第33卷第1期 张晓玲等 基于主成分分析法的城市土地利用潜力评价 115因子数图1 因子特征根和贡献率Fig.1 Factor eigenvalue and communalities把原来评价指标(变量)与所合成的主成分的相关性投影到因子1－因子2的荷载图(同理可以得到因子1－因子3的荷载图)，由图2可见，因子1与工业用地构成比例、居住用地构成比例、道路广场用地比例呈密切正相关，与地均固定资产投资额、人均住房用地面积、人均道路面积呈负相关，从图上也可直观地看出城市土地利用结构的合理性程度，可以反映出土地已经被开发使用和闲置状况的对比度，对比度越高，土地可以开发调整利用的潜力程度越高，因此命名因子1为城市土地利用发展潜力因子；因子2与人均用地面积、城市规模、地均GDP 及建成区绿化覆盖率等指标呈密切正相关，与工业用地结构、居住用地结构等呈负相关，这表明城市人口的多少、土地利用投资的多寡以及土地的经济产出效益直接代表了城市土地被施加的强度与力度，进而揭示出城市土地利用的充分化和土地利用效率的最优化，因此命名因子2为城市土地利用效率因子；同理，因子3与建成区绿化覆盖率、人均-1.0-0.50.00.5 1.0因子 1图 2 各变量在因子1-因子2上的投影Fig.2 Projection of the variables on the factor-plane(1-2)道路用地存在强烈的正向荷载关系，而这两个子因子主要反映城市土地开发过程中的生态环境约束程度，可以使得土地在合理的生态阈值范围内得到可持续利用，因此命名因子3为城市土地利用生态环境约束因子．2 中国城市土地利用潜力水平分类运用Statistica 统计软件进一步计算各个评价单元的主成分得分，根据各城市的得分投影到因子1－因子2的二维坐标上，并根据因子1和因子2的得分大小分为9个区(图3)．-101S-M图 3 各评价单元在因子1-因子2上的投影Fig.3 Projection of the cases on the factor-plane(1-2)图3中选取3大主成分中的主成分1和主成分2的得分大小分为大(L)、中(M)、小(S)3个区，L 表示分值大于1.5，S 表示分值小于－1.5，M 表示分值介于－1.5到1.5之间．如M-L 区，表示因子1的得分为中间值，介于－1.5到1.5之间，而因子2的得分为最高值，分值大于1．由于因子1代表城市土地利用发展潜力因子，因子2代表城市土地利用效率因子，因此落在M-L 区的评价单元，表示该城市的土地利用结构尚存在问题，而土地利用效率较高，因此如果进一步开展内涵挖潜，其集约利用水平必然提高．根据图3中各个评价单元的位置，对选取的20个城市的土地利用潜力水平进行分类，由于S-L ，L-L ，L-S 这3个区缺少对应的城市，因此可分成6个大类，3个细类．第Ⅰ类是首都北京，归类为土地潜力利用水平较好的类型，城市未来发展潜力较高，同时土地利用效率也较好．由于其特殊的政治、经济、文化地位，该城市的土地利用渐趋饱和，而由于2008年北京奥运会贡献率/%因子2 因子2因子1 因子数116 湖南农业大学学报(自然科学版) 2007年2月的召开，国家正在并将持续投入大量资金改善城市土地内部结构，在城市周边寻找后备土地资源．第Ⅱ类是重庆，归类为土地利用潜力一般的类型．城市土地利用发展潜力一般，利用效率较高．重庆因其特殊的山城地形，可利用开发的土地后备资源较少，该城市今后土地利用的重点应侧重于提高土地利用的产出效益．第Ⅲ类是沈阳、武汉、太原、西安、昆明、天津、南京、哈尔滨、长春、大连、郑州、成都、济南、石家庄，归类为土地利用潜力、土地利用效率都很一般的类型．这14个城市密集分布于M-M区，代表着中国城市土地利用潜力的平均水平，这些城市土地利用潜力和利用效率都亟待提高，内部结构需要调整，同时应展开适当的内部挖潜工作．第Ⅳ类是青岛，归类为土地利用潜力较差的类型．该城市位于胶东半岛沿海地区，经济发达，但土地利用程度很大，偏于粗放利用土地，近海地区土地内部挖潜工作较为困难．第Ⅴ类是杭州、广州，归类同第Ⅳ类．这两个城市是中国房地产炒作的热点地区，房价居高不下，商服居住用地占绝大部分，土地利用结构失衡，可利用的后备土地资源极少．第Ⅵ类是上海，归类同第Ⅳ类．近年来上海市不断开发城市内部潜力，因其过度利用而导致的土地容量越来越小，表现为城市的基础设施超负荷运转，城市环境质量下降，用地结构偏重于商业用地，长期下去，必然影响城市经济和居民生活的正常运转．3 结论与建议通过建立一套涵盖三大层次12个指标的主要城市土地利用潜力评价体系，运用主成分分析法对全国20个城市的土地利用潜力的综合程度进行了全面测度，研究表明中国城市的土地利用潜力水平不均衡，土地利用潜力水平一般的沈阳、武汉、太原、西安等城市代表了中国城市土地利用发展潜力的平均水平．从分析中可以发现诸多问题，对于如何提高城市土地利用潜力的水平，笔者拟提出如下建议供参考：一是调整土地利用结构，充分挖掘土地利用及产出能力，通过灵活的土地资产处置政策，实行“退二进三”、“活地兴企”等工程，将一些经济效益差、技术设备落后的企业搬出市区，腾出大量土地用于二次开发利用，以减少占用耕地，弥补新增建设用地不足．二是注重城市内涵挖潜，加强城市内部土地的开发，探索城市土地立体化利用模式，比如通过利用地下和地上空间发展公用设施、生活服务以及交通、水电、煤气等基础设施，加大高层建筑的建设力度，以增加城市的建筑容积率，而最终增加土地的有效供给．在论文完成过程中得到浙江大学东南土地管理学院吴宇哲老师的悉心指导，深表感谢．参考文献：[1] 肖梦．城市微观宏观经济学[M]．北京：人民出版社，1993：393．[2] 丘金峰．房地产法辞典[K]．北京：法律出版社，1992：61．[3] 宋春华．房地产大辞典[K]．北京：红旗出版社，1993：46．[4] 马克伟．土地大辞典[K]．长春：长春出版社，1991：838-839．[5] 成舜，白冰冰，李兰维，等．包头市城市土地集约利用潜力宏观评价研究[J]．内蒙古师范大学学报(自然科学版)，2003，32(3)：271-277．[6] 陈莹，刘康，郑伟元，等．城市土地集约利用潜力评价的应用研究[J]．中国土地科学，2002，16(4)：26-29．[7] 甄江红，成舜，郭永昌，等．包头市工业用地土地集约利用潜力评价初步研究[J]．经济地理，2004，24(2)：250-253．[8] 龚义，吴小平，欧阳安蛟．城市土地集约利用内涵界定及评价指标体系设计[J]．浙江国土资源，2002(1)：46-49．[9] 何芳，魏静．城市化与城市土地集约利用[J]．理论探讨，2001(3)：24-26．[10] 章其祥，孙在宏，沈剑荣，等．城市土地集约利用潜力评价——以南京市为例[J]．南京师范大学学报(自然科学版)，2004(3)：101-105．[11] 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