谢译诣, 邹 艳, 2

(1.中国矿业大学 环境与测绘学院, 江苏 徐州 221116; 2.北京建筑大学 文法学院, 北京 102616)

0 引 言

自改革开放以来, 随着我国城市化不断深化推进, 出现了城市空间的无序扩张、土地利用效率低、生态环境受到严重破坏和污染，以及自然资源浪费等一系列问题，因此亟需对城市发展进行科学的规划。而传统的土地利用规划、国民经济和社会发展规划、城乡规划等指标之间相互交叉、重叠, 在实际实施过程中难以统一和衔接, 面临“谁管谁”“谁实施”等决策难题[1]。为解决此问题, 党的十八大提出了“生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”的总体建设目标[2-3], 将优化国土空间开发格局作为生态文明建设的首要举措。

三生空间是指按照国土利用空间的主要功能划分的生产空间、生活空间和生态空间的总称。生产空间是以提供工业品、农产品和服务产品为主导功能的区域; 生活空间是以提供人类居住、消费、休闲和娱乐等为主导功能的区域; 生态空间是以提供生态产品和生态服务为主导功能的区域[4]。目前, 关于三生空间的研究重点主要放在辨别其概念内涵和分类方法[5-7]、“三生空间”的格局优化[8-10]等方面，研究方法由定性评价向定量测度转变，研究尺度由单尺度向多尺度复合研究发展, 数据来源由传统社会经济统计数据向遥感等多源数据综合集成转变[11]。这些研究均取得了显著成果, 但仍有一些不足: 现有研究提出的“三生空间”识别技术对数据依赖性强，计算过程复杂, 用户使用便利性不高; 此外，评价指标繁多, 各类指标间存在交叉现象, 缺乏系统的指标体系。

对此, 本文选取北京市为研究对象, 以前期研究所建立的“三生空间”综合性评价系统[12]为基础, 依据北京市2000、2005、2010、2015和2020年5期遥感影像, 结合格网分析、空间自相关分析和耦合协调度模型, 从空间分布规模、空间聚类及空间作用关系3个层面对北京市“三生空间”的格局变化情况进行了分析, 并提出一些合理化的政策建议, 以达到优化效果。

1 研究区域概况及数据来源

1.1 区域概况

北京是我国首都, 位于华北平原北部, 东接天津市, 其北、南和西面被河北省环绕。经纬度位置为东经115.7°—117.4°, 北纬39.4°—41.6°, 东西宽160 km, 南北最长176 km, 东南距渤海150 km。北京山地面积占全市土地总面积的2/3左右, 其余基本上为平原, 地势西北高东南低。北京市目前有东城区、西城区、朝阳区、海淀区等16个区(图1)，全市土地总面积16 410.54 km2。底图据北京市行政区域界线基础地理底图(审图号：京S(2019)032号)。

图1 北京市行政区划示意图

近年来, 北京在推动城市经济快速发展的过程中, 也出现了诸多区域性环境问题, 限制了北京市的总体布局和规划[13]。北京市作为我国的政治、经济和文化中心, 更加需要科学有效地进行“三生空间”的规划建设, 从全局出发, 统筹优化配置北京市“三生空间”布局, 对保障北京市土地资源的可持续利用和社会经济的可持续发展都具有重要意义。目前, 有许多学者也对北京的城市空间历史演变和分布特点作了一些研究[14-17], 但仅是从其他角度分析城市空间格局, 没有考虑“三生空间”因素; 有些尽管考虑了“三生空间”因素, 但这些要素过于单一, 没有考虑综合的影响。鉴于此, 本文选取北京市进行“三生空间”格局变化特征研究以期为今后全国其他地区的同类研究提供参考价值。

1.2 数据来源

实验数据主要分为以下3类: 一类是 Landsat卫星遥感影像数据, 包括分辨率为30 m×30 m且云量小于10%的2000年9月13日、2005年7月25日、2010年8月8日Landsat 5 TM以及2015年9月7日和2020年9月20日Landsat 8 OLI 5期影像; 二是土地利用数据, 包括2010年北京市土地利用现状调查图(1∶10万)和北京市2005—2020年统计年鉴; 三是2019年北京市行政区划图(表1)。

表1 数据来源

遥感影像数据用来进行土地分类, 用作“三生空间”功能分析的前期准备; 北京市土地利用数据, 作为参考对遥感影像识别结果的精度进行验证; 行政区划矢量文件, 用来提取研究区域。

2 “三生空间”识别与时空序列变化分析

2.1 遥感影像分类方法

利用遥感图像处理软件ENVI 5.3对遥感影像进行几何校正, 按照1∶10万比例尺提取、整理和修编空间数据和属性数据、图像配准、图像融合、图像镶嵌与裁剪、大气校正等数据预处理，再参照《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2017),结合北京市当地具体情况,将研究区分为水体、建设用地、林地、草地、裸地、耕地共6种地物类型(表2)。选择监督分类中的支持向量机分类(support vector machine classification,SVMC)进行遥感影像的分类处理。影像分类完成后需进行分类后处理, 包括小斑块去除、分类统计、对误分部分进行局部修改, 并对分类的结果进行精度评定。经Kappa系数检验, 5个时期的Kappa系数均大于0.80, 均超过最低允许判别精度0.70的要求[18], 5个时期分类总精度均超过85%, 至此便得到了用来识别“三生空间”的遥感图像, 完成“三生空间”功能分析的前期准备。

表2 研究区地物分类

2.2 “三生功能”空间识别方法

目前, “三生功能”的分类研究主要有两种基本方法: 一是定性识别“三生功能”，二是基于量化功能识别“三生功能”。前者实质上就是对现有的空间数据资源进行定性划分和分类归并, 从而基本实现土地功能定性分类和土地利用分类的有效衔接[10]。研究的工作方法主要有根据城市土地调查数据、城市用地分类划分和总体规划城市建设中的土地使用标准等, 逐一分析确定各城市用地划分类型及其中的“三生功能”以及空间用地分类[19-20]；还有些采用先划分区再划分类的方法, 以地物类型和行政区划为基础分析单位[21]。后者是基于量化功能识别“三生功能”的地区分类评价方法, 通过对参与研究地区的每个功能评价单元分别建立一套功能评价计算指标, 对参与研究的各区功能进行统一的评价计算, 是一种基于定量识别研究的分类方式[6, 22-24]。方法一的评价过程虽相对简洁, 但对于普通用户要获取大区域、长时间的土地利用调查现状数据仍十分困难。方法二虽精度较高, 但计算过程复杂, 对数据的依赖性较强, 用户使用便捷性不高。

对此，本文提出了一种基于遥感影像分类和土地功能评价的“三生功能”空间简化识别方法。基本思想如下: 在实施遥感图像信息处理、土地“三生”划分这一工作过程中, 尽可能多地使每块土地的功能特征仅属于生产、生活和生态三大功能特征之一。因此, 可以直接利用遥感图像土地分类的结果来确定“三生空间”, 有效避免了普通用户收集土地使用现状资料困难的问题。本文借鉴崔家兴等[24]的评价方案并结合自身分类影像, 提出了北京市“三生空间”土地分类体系(表3), 并对各个地物类型进行“三生功能”评价，具体评价赋值规则: 分值0～5分。每一种土地的利用方式都不是唯一的单项功能, 经常表现出多功能性, 但土地能表现出上述 3 种功能的主次, 即土地具有主导功能[20]。采用的判别标准是以单位空间内该地物类型生产、生活、生态功能的评分高低, 来确定其主导功能。如表3所示，某单位空间的用地类型为建设用地, “三生功能”评分依次为3、5、0, 因此其主导功能为生活功能。

表3 “三生空间”地物分类体系及其分值

2.3 “三生功能”空间分析指标

从空间分布的规模、空间聚类及空间作用关系3个层面进行多期影像的空间比较和时序分析。

2.3.1 空间分布规模 探究“三生”图像空间分布规模主要指3标包括: “三生空间”功能总体得分比例、主导功能面积比例[16]、“三生空间”地均分值、“三生空间”单元分值变化[23]。“三生空间”功能总体得分比例计算公式为

(1)

式中:RK为第K项功能得分占“三生功能”总得分的比例;K取值为P、L、E，分别代表生产、生活、生态功能得分;n为研究区域内单位空间的数量, 本文利用30 m×30 m的遥感影像数据, 即1个像素为1个单位空间。“三生空间”功能比例的历年变化可据式(1)对不同年份的比例值进行作差比较。

主导功能面积比例计算公式为

(2)

式中:RK′为第K′项主导功能面积占研究区域总面积的比例;K′取值为P′、L′、E′，分别代表生产、生活、生态功能占主导地位的单位空间面积。本文所有单位空间的面积均为30 m×30 m, 因此，求取P′、L′、E′时可忽略各项主导功能的真实面积, 而只需统计各项功能所占单位空间的个数。x为某主导功能所占单位空间的个数, 其中x=p、l、e、p、l、e分别代表生产、生活、生态功能占主导的单位空间个数。

“三生空间”地均分值, 计算公式为

(3)

构建3 km×3 km的格网覆盖整个研究区域, 将格网图层与“三生空间”分级赋值图层进行叠加分析。像元大小为30 m×30 m, 这样每个格网中的像元数n=104, 统计格网内像元“三生功能”得分, 并计算其均值。RK的取值范围为[0, 5]。

“三生空间”单元分值变化, 由不同年份的地均分值作差得到

(4)

2.3.2 空间聚类 “三生空间”功能总体得分比例、主导功能面积比例、“三生空间”地均分值、“三生空间”单元分值变化这4个指标, 虽可从整体规模上对“三生空间”的分布与变化进行评价, 但无法描述不同“三生”功能空间的分布情况, 因此采用全局空间自相关指数(Moran’sI), 从不同功能空间相互之间的聚集程度来进行分析。

全局空间自相关指数, 计算公式为

(5)

2.3.3 空间作用关系 空间自相关指标虽可反映“三生功能”空间聚集分布的程度, 但无法体现不同“三生功能”空间的相互作用关系。而耦合协调模型可用于表示两者或多者之间的相互作用关系[21], 因此本文采用了耦合度、耦合协调度这两个指标来进行研究[25-27]。结合实际情况, 将“三生空间”功能耦合度划分为四大类:[0, 0.3)低耦合时期、[0.3, 0.5)拮抗期、[0.5, 0.8)磨合期、[0.8, 1.0)协调耦合期。尽管耦合度能反映“三生功能”空间的相互作用, 却不能表征各功能是相互促进还是相互制约, 因此, 本文又引入了耦合协调度。耦合协调度的判别标准为：[0, 0.2)严重失调、[0.2, 0.4)中度失调、[0.4, 0.6)基本协调、[0.6, 0.8)中度协调、[0.8, 1.0)高度协调。

3 结果分析

3.1 遥感影像分类结果

3.1.1 土地分类图 根据表2, 将北京市土地分为水体、建设用地、林地、裸地、草地、耕地共6种地物类型, 经过遥感影像分类得到了北京市土地SVMC分类图(图2)。从空间尺度上来看, 北京市建设用地扩张的趋势非常明显, 由中心向四周延伸, 增长区域由朝阳、海淀向通州、顺义和昌平等区域集中, 而耕地和草地的面积则大幅较少。为了更加直观地看出各类地物类型的变化程度, 引入地物变化幅度加以说明。

图2 北京市2000和2020年土地SVMC分类图

3.1.2 地物变化幅度 地物变化的幅度等于某一地物类型研究末期占总面积的比例减去研究初期占总面积的比例, 用来定量评价地物面积变化的幅度大小。利用监督分类方法得到的分类结果, 对北京市2000—2020年地物数据分别统计, 如表4所示。可以看出: 20年来北京市水体面积减少了18.28 km2, 建设用地的面积得到了长足增长(1 885.71 km2), 林地面积有所增加(238.34 km2), 草地面积减少了353.57 km2, 裸地面积增加了3.88 km2, 耕地面积有1 756.07 km2转化为了其他用地。

表4 2000—2020年北京市地物类型面积及变化率

3.2 “三生空间”时空特征及变化结果

在分类之后, 需要利用遥感影像分类图和土地利用现状调查数据进行“三生空间”功能识别的准确性分析。利用2010年北京市土地利用调查现状数据, 采用崔家兴等[18]构建的“三生空间”土地利用分类体系评分方法对北京市“三生空间”功能进行识别, 与本文基于遥感影像的“三生空间”功能在2010年的识别结果进行对比分析(两者比例尺均为1∶10万)。识别结果显示两者高度一致, Kappa系数达86%, 高于Kappa系数的最低允许判别精度0.70。因此，采用本文所提基于遥感影像数据的“三生空间”功能识别方法, 可以满足“三生空间”格局变化特征分析的需求。

3.2.1 “三生空间”时间变化特征 根据3.1节得到识别“三生空间”分层赋值图, 统计其结果可得, 截至 2020 年, 北京市生产空间面积总计为3.91×103km2, 比2000年减少30.97%, 能够提供的生产功能总分值为 3.49×107, 比 2000年减少了9.98%; 生活空间面积总计为3.48×103km2, 比2000年增加118.57%, 能够提供的生活功能总分值为1.93×107; 生态空间面积总计为9.01×103km2, 比2000年减少9.43%, 能够提供的生态功能总分值为6.31×107, 比2000年降低12.73%。采用2.3节的7项指标对北京市过去20年间“三生空间”分布规模及变化特征进行了详细分析。

图3为北京市2000—2020年“三生功能”总体得分比例与主导功能面积比例的变化情况。可见, 无论是功能总体得分比例, 还是主导功能面积比例, 生态空间都占据了“三生空间”中的绝对主导地位。但近二十年来, 北京市生活功能得分和主导功能面积均逐年增加; 生产功能得分和主导功能面积正逐年下降; 生态功能得分缓慢下降, 其主导功能面积存在小幅波动, 但总体平稳。

图3 北京市2000—2020年“三生空间”总体得分(a)及主导功能面积(b)比例变化

3.2.2 “三生空间”空间变化特征 为分析北京市“三生空间”分布与历史变化情况, 以便识别主要问题区域的具体位置, 构建3 km×3 km的格网覆盖整个研究区域, 以每个格网作为研究区域的单元。利用ArcGIS将格网与前文所得的“三生空间”的得分结果及北京市行政区划矢量图进行叠加分析。图4～6显示了北京市2000和2020年两个时期“三生空间”的分布格局。过去二十年间, 北京市的“三生空间”发生了显著变化。生活空间扩张迅猛, 生产、生态空间侵占严重。其中, 北京市中部和南部区域生产空间呈现缩减态势, 生产空间的高值区主要集中于东南部, 西北部延庆区部分区域也存在生产空间高值区; 生活空间表现出明显的由中心向四周辐射的态势, 这与北京市城区的扩张有关, 北京市生活空间的高值区分布于东城区、西城区、海淀区、石景山区、丰台区和朝阳区; 生态空间的功能呈现西北高、东南低的态势。

图4 北京市2000和2020年的生产空间分布格局

图5 北京市2000和2020年的生活空间分布格局

由图7可知,近二十年来生产空间的分布范围呈现了缩减趋势,而且在北京市的东南部的通州区,中部朝阳区、海淀区和南部的大兴区, 均出现了新的低值区; 生活空间发展极其迅速, 以东城区、西城区为中心向外扩张; 而大部分区域生态空间却有所降低, 降低区域与生活新增面积基本一致, 可以看出北京市近20年生活空间的增加是以生态空间的减少换取的。结果表明, 北京市“三生功能”在不同区域存在高低聚类的特点, 因此亟待进一步确定其空间集聚性作用强度。

图6 北京市2000和2020年的生态空间分布格局

图7 2000—2020年北京市“三生空间”演变趋势

3.2.3 “三生”空间聚集性 表5列出了2000、2010、2020年北京市“三生空间”全局Moran’sI指数的值。结果表明, “三生功能”的空间分布具有一定的正相关性。其中, 北京市生产和生活空间的全局自相关指数高于生态空间，即生产功能、生活功能集聚特征更为显著, 生态功能集聚性相对较弱；而生态空间全局空间自相关指数最初较低, 但近二十年以来一直在上升。

表5 2000—2020年北京市“三生空间”全局Moran’s I 变化

3.2.4 “三生空间”耦合协调度 利用空间自相关指数, 虽可分析“三生功能”空间的聚集情况, 但不能表征“三生”之间内在的影响与作用关系。因此，本文进一步采用耦合度和耦合协调度指标来分析北京市“三生空间”的相互作用关系。图8为2000—2020年期间, 北京市“三生空间”整体耦合度、两两耦合度、整体耦合协调度以及两两耦合协调度的情况。

图8 北京市2000—2020年“三生空间”耦合度(a)和耦合协调度(b)变化情况

北京市“三生空间”耦合性和耦合协调性的趋势基本一致, “三生”的耦合度和耦合协调度总体上都呈现出增的趋势。对照2.3.3节指标分类可知, 2000年北京市的“三生空间”耦合度为0.74, 处于磨合期; 2020年为0.89, 为协调耦合期; 2000年耦合协调度0.49, 是基本协调期; 2020年为0.54, 仍属于基本协调阶段。“三生空间”两两耦合度和两两耦合协调度, 生产-生态均处于最高水平, 分别为0.98和0.71, 处于协调耦合时期和中度协调阶段。生产-生态耦合度与耦合协调度比生产-生活和生活-生态高, 说明生活空间的发展与生产和生态的矛盾很大, 且生活-生态的两两耦合和耦合协调度都比生产-生活高, 说明北京“三生空间”的主要矛盾在于生产-生活。因此, 如何解决生产与生活空间协调发展的矛盾是北京市当前社会和经济发展的首要问题。

本文使用3 km×3 km网格为单位空间, 分别对每个网格中生产-生活空间的耦合协调度进行统计分析, 空间分布情况如图9所示。

图9 北京市2000、2010和2020年生产与生活空间耦合协调度的空间分布情况

北京市生产-生活耦合协调度最低的区域主要集中在西南和北部, 即房山、门头沟、怀柔、密云和延庆区。整体而言, 北京的生产-生活功能耦合度在空间上呈现出“中部高四周低, 东南高西北低”的空间格局, 区域差别大。从时间的角度看, 生产-生活空间功能耦合度整体水平在逐年上升, 以中心区域为核心并向外扩散。部分地区的耦合协调度变化波动明显, 如西部昌平部分区域经历了中度失调—严重失调—中度失调的先减后增过程, 北部怀柔、延庆部分区域经历了由严重失调—中度协调的跃进过程。在过去的20年里, 部分区域生产-生活的耦合协调度有较大提升, 但房山、门头沟、延庆、怀柔四区耦合协调度变化不明显。因此, 未来应重点解决这些区域生产-生活空间协调发展问题。

4 结论与讨论

4.1 结论

以首都北京市为例, 利用多期遥感影像资料, 对北京市近二十年“三生空间”分布格局及其变化特点进行了详细的研究和分析, 并依据实验结果, 得出了以下结论:

(1)生态空间在北京市占据了绝对主导地位, 功能得分比例和主导功能面积均占到了50%以上。北京市“三生空间”分布格局地区之间差异大。生产空间和生活空间主要分布于北京市东南部和中部, 生态空间主要分布于西北部山区和远郊。

(2)北京市的生产和生活空间的自相关指数明显高于生态空间, 即生产与生活空间发展具有更强的聚集性; 而生态空间的全局自相关指数很低, 但在近二十年出现上涨的现象, 表明生态空间面积变小, 但却比较密集了。

(3)北京市“三生空间”耦合度和耦合协调度虽均在逐年提升, 但目前仍处于协调耦合和基本协调阶段。从两两耦合度和耦合协调度看, 生产-生态明显高于生产-生活和生活-生态, 说明生活空间发展与生产和生态空间保护间矛盾最大, 且生产-生产的两两耦合和协调度均高于生活-生态, 说明北京市当前“三生空间”的主要矛盾是生产与生活空间发展的矛盾。

(4)从耦合协调度的空间分布看, 北京市生产-生活耦合协调度最低的地区主要集中在北部和西南部, 即房山、门头沟、怀柔和延庆区境内。近年来这些地区耦合协调度虽然有了一定提升, 但部分地区仍处于严重失调。因此, 未来北京市应重点解决北部延庆、怀柔区和西南部的房山及门头沟区的生产与生活空间的协调发展问题。

4.2 讨论与建议

本文参照已有研究并结合研究区域自身情况, 采用国土空间“三生功能”赋值的方式, 对北京市“三生空间”功能的各项指标进行了评估, 并就实验结果对北京市各区域的现状及未来发展方向进行了分析。

(1)中部生产生活功能区(东城、西城、海淀、丰台、朝阳、石景山、昌平、顺义区): 由于该区人口密度大, 生活配套设施齐全, 因历史上开发时间较早, 能利用和改造的空间有限, 未来主要以调整结构为主, 加强第三产业的发展。

(2)东南部生产生活区(通州、大兴区): 地形条件良好, 后备建设用地资源充足。未来应继续做好合理的城市规划, 缓解城市中心区域发展压力, 并积极发展新兴产业, 商贸和国际物流等。

(3)北部生态功能区(怀柔、延庆、密云、平谷区): 其植被和森林覆盖率相对较高, 水域面积较广, 拥有丰富的农业资源和渔业资源, 开发和利用难度相对较小。产业布局主要围绕特色乡村、旅游业。

(4)西部生态功能区(门头沟、房山区): 植被覆盖率高, 地形条件较差, 土地开发利用难度较大。未来要因地制宜发展特色农业, 并且还要充分利用开发旅游资源。

北京市应优化“三生空间”整体格局, 促进“三生空间”从区域发展不平衡、时空分布不均匀的开发现状向“三生空间”协调发展的方式转变。对于生产空间, 应按照集中分布发展思想, 构建集约高效的生产空间; 对于生活空间, 应秉承绿色低碳、功能复合的原则, 在城区推进公共绿地建设, 同时改善周边村落的生活环境; 对于生态空间, 必须严格划定生态红线, 并实施严格的生态安全管制措施[13]。北京市的“三生空间”格局将达到较好的优化效果。