基于两维图论聚类的矿粮复合区“三生”空间适宜性分区——以湖北省大冶市陈贵镇为例.pdf
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1、第 卷第 期 年 月资源与产业 :收稿日期:;修订日期:;责任编辑:高距。网络出版地址:第一作者简介:宋复蓉,硕士生,主要从事国土空间规划与矿区修复研究。:通信作者简介:曾向阳,博士、副教授,主要从事机器学习与深度学习、国土空间优化与大数据处理研究。:引用格式:宋复蓉,曾向阳,基于两维图论聚类的矿粮复合区“三生”空间适宜性分区:以湖北省大冶市陈贵镇为例 资源与产业,():,“”:,():基于两维图论聚类的矿粮复合区“三生”空间适宜性分区 以湖北省大冶市陈贵镇为例宋复蓉,曾向阳(武汉科技大学资源与环境工程学院,湖北武汉 )摘要:为了探究微观区域的“三生”空间适宜性分区,从而为乡镇一级的国土规划和
2、全域土地整治规划提供参考,本文以属于矿粮复合区的湖北省大冶市陈贵镇为研究对象,从构建陈贵镇“三生”空间适宜性评价指标体系入手,运用两维图论聚类算法,对陈贵镇“三生”空间开展适宜性评价与分区研究。研究结果表明:)陈贵镇镇域适宜的“三生”空间主要呈现为 大块状,块围绕陈贵村呈零散分布,另 块主要聚集于天台山区;不适宜的“三生”空间主要分布在陈贵镇最南端及东北部,其余呈小斑块零散分布。)从陈贵镇村域的“三生”空间适宜性来看,等级为适宜的村域,其生产空间、生活空间、生态空间都呈现出均衡性发展,已经接近生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀的政府规划目标。)矿业开采活动对陈贵镇“三生”空间
3、适宜性的影响作用显著,不但严重影响生态空间,而且还对农业生产和非矿业生产均产生一定的负面影响作用,从而降低矿粮复合区的社会效益,并可能导致整体空间利用水平不高。)本文利用两维图论聚类算法,基于适宜性评价结果,再结合实际的空间利用特征及城乡规划,将陈贵镇“三生”空间分为 个区域。区为农业生产核心区,该区域农业生产空间面积较大且较为聚集;区为乡镇发展主导区及生活空间核心区,引领着陈贵镇未来城乡一体化发展的方向;区为综合发展潜力区,空间存在着多种国土开发利用价值;区为生态重点保护区,需要着重协调工矿生产空间与生态空间的协调发展;区为生态农业旅游发展区,可利用生态农业带动生态旅游业的发展。关键词:两维
4、图论聚类法;矿粮复合区;“三生”空间;适宜性分区中图分类号:;文献标志码:文章编号:()“”:,(,)资 源 与 产 业 年 :“”(),“”,“”,:;“”;引言“三生”空间是“生产空间、生活空间、生态空间”的简称(樊杰,)。年印发的 中共中央、国务院关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见指出,科学布局“三生”空间是推进生态文明发展、建设美丽中国的关键举措。年湖北省发布的 关于申报全域国土综合治理项目的通知也明确规定了以“三生”空间优化作为重要内容的申报条件。矿粮复合区是指矿产资源主产区与粮食主产区的复合区域(李争等,),作为一种特殊空间,矿粮复合区的矿业生产在获取可观经济效益的同时,
5、也会给“三生”空间造成一定的负面影响,如破坏粮食生产条件(等,)、污 染 生 态 环 境(等,)、降低居民生活质量(等,),以及产生空间利用不充分和空间冲突加剧(冯宇等,)等问题。国土空间适宜性评价是指在特定目标及需求与条件下,对特定资源环境背景下的不同国土开发方式及其功能与空间适宜程度的评价。空间适宜性评价理念源于土地适宜性评价思想。世纪 年代,我国土地适宜性评价对象开始由荒地转变为农用地,后又转向建设用地(曾光建等,)、居民点用地(胡?莉等,)、旅游用地(李威等,),以及矿业城市(王亚楠等,)和其他各类资源型城市(陈小龙等,)。对土地适宜性评价的研究涵盖了流域(殷章馨等,)、省域(方一舒等
6、,)、市域(王静等,)、县域(李龙等,)等方方面面。“多规合一”是指在一级政府一级事权下,通过强化国民经济与社会发展规划、城乡规划、土地利用规划、社会事业规划等各类规划的衔接,以保证“多规”确定的保护性空间、开发边界、城市规模等重要空间参数一致,并在统一的空间信息平台上建立控制线体系,从而以实现优化空间布局、有效配置土地资源、提高政府空间管控水平和治理能力的目标。自从我国开展“多规合一”试点以来,越来越多的学者从“三生”空间视角入手对空间适宜性评价进行了深入研究,如刘柄麟等()基于环境益损分析思想建立了海岸带“潜力 限制”评价指标体系,并对国土开发建设进行了适宜性评价;赵思成等()通过建立“敏
7、感因子 模糊 变权复合”模型,开展了对山地城市核心区地下空间开发适宜性的三维评价;周书宏等()研第 期宋复蓉等:基于两维图论聚类的矿粮复合区“三生”空间适宜性分区究发现开展空间适宜性评价可以根据各项土地利用要求,通过分析区域土地利用的适宜性来确定土地利用的制约因素,并能够寻求最佳的土地利用方式与优化方案,进而可以直观展现区域内“三生”用地的合理性。对于矿粮复合区这一复杂的空间区域,学者们多从土地利用冲突(李争等,)、土壤重金属污染(徐蕾等,)、矿区沉陷(郭文兵等,)、“三生”空间(杨俊等,)等视角入手进行了部分有益的探索,但对于矿粮复合区空间适宜性评价的研究则一直比较欠缺。空间适宜性分区是指将
8、适宜性评价结果中具有相似适宜程度与特征的区域单元进行综合归类的一种分析方法。由于空间适宜性分区对“三生”空间的利用具有导向性,并能够抑制区域内因自然和社会经济条件不同而产生的差异性,因此开展空间适宜性分区既是制定空间规划的重要保障,也是研究空间规划课题的重要手段。以往研究大多根据适宜性评价结果直接进行分区,如陈雯等()通过评价苏州地区开发的适宜性,依据空间主体功能将苏州市各评价单元划分为优先开发区域、适度开发区域、适度保护区域。这种适宜性分区方式虽然有助于对地域开发的引导与控制,但是缺乏对评价单元空间地域属性的考量。随着国土空间适宜性分区工作复杂性的不断增加,传统的分区方法逐渐暴露出了不可重复
9、性和不确定性的弊端。与其他聚类算法比较,两维图论聚类算法能够同时保证分区内部特征的一致性和分区间特征的差异性,属于一种可以兼顾分区单元连续性与行政区划完整性的特殊聚类算法(刘洋洋等,)。目前,两维图论聚类算法已被广泛应用于对物流(陈思源等,)、土地利用(张露洋等,)等领域的相关研究。以往也有部分学者借助两维图论聚类算法按照“三生”空间的属性开展区域划分,如周浩等()运用该算法研究了省级国土空间的功能分区;吴宇斌等()不但分析了国土的空间功能和空间特征,而且还运用两维图论聚类算法探究了对市级国土空间的功能分区。本文借鉴以往研究,根据矿粮复合区特征,从构建“三生”空间适宜性评价指标体系入手,运用两
10、维图论聚类算法,对属于矿粮复合区的湖北省大冶市陈贵镇的“三生”空间进行适宜性分区与适宜性评价研究,从而进一步丰富两维图论聚类算法在微观区域的具体应用,同时也为村镇级空间优化政策的制定,为基于村镇尺度建立高质量的国土空间格局提供科学的理论依据和研究方法借鉴。研究区域与数据来源 研究区域陈贵镇隶属于湖北省黄石市下辖的大冶市,地处大冶市中部,位于东经 ,北纬 之间,整体呈西南高、东北低、中间洼的地势。年,陈贵镇镇域面积为 ,下辖 个社区、个村(图 ),总人口为 万人。陈贵镇拥有丰富的农业、矿产及其生态资源,是大冶市的矿业重镇,素有“荆楚矿业第一镇”之称,在湖北省 个“工业化、信息化、城镇化、农业现代
11、化同步发展”的示范乡镇试点中,也是唯一以工矿产业为绝对主导的乡镇。因为陈贵镇的陈贵社区和铜山口社区均包含在陈贵村与铜山口村之内,所以本文将研究范围只限于陈贵镇下辖的 个村。图 研究区域 数据来源与处理由于 年 月区域植被生长态势良好,能够较好满足对不同土地分类的解译,因此本文选用 年 月 日天地地图的历史影像数据作为绘资 源 与 产 业 年制陈贵镇影像图的基础数据,本文所用的数据来源如表 所示。在对陈贵镇影像图进行融合、几何校正、坐标系投影转换、裁切等处理之后,按照由国土资源部组织修订的 土地利用现状分类()标准,通过目视解译影像图,得到矢量化的陈贵镇“三生”空间现状图(图 ),以及空间面积分
12、布情况(表 )。为了确保解译结果的准确性,本文采用混淆矩阵以验证解译精度,并计算得出 系数为 ,表明解译结果与地面实际情况吻合度较高,能够满足本研究的精度要求。为了方便后期对空间适宜性的测算,本文决定将矢量图转化为 的栅格数据,其中对距离类指标使用 中的“欧式距离”工具,从而将指标数据转化为 的栅格数据;对人口密度、企业个数、生物丰富度、空间属性等指标则以村级数据为基础,在进行重新分类处理后,再给各指标赋予相应的分值,进而将指标数据转化为 的栅格数据。表 数据来源 数据类别数据来源分辨率 年天地地图历史影像 级 卫图 像素中国行政区边界图 级 卫图 像素 地理空间数据云 学校、医院、景点、居民
13、委员会 卫图 功能查找并用百度地图补漏道路 网站 植被覆盖率地理空间数据云 人口陈贵镇人民政府官网注册企业数爱企查图 陈贵镇“三生”空间分布现状 “三生”空间现状表 为陈贵镇“三生”空间的识别结果和占镇域总面积的比例情况,其中生态空间面积最大,为 ;其次为生产空间,为 ;生活空间最小,为 。由图 可见,陈贵镇的生态空间多聚集于陈贵镇西部、南部、东南部,少数散落分布在生活空间与生产空间之间;生产空间以陈贵大道为界分为南北 部分,北部集中分布在大港两侧,南部呈带状夹在 大生态斑块中间;生活空间呈小斑块零散分布在生产空间与生态空间周边,其中以陈贵大道两侧的生活空间分布相对较为集中。整体而言,陈贵镇的
14、“三生”空间呈交错分布,在部分地区存在着分布不均的现象。评价指标体系的建立本文基于研究区域本身的约束条件和土地利用现状(农宵宵等,),依据指标选取的主导性、针对性、应用性、可行性原则(赖国华等,),参考张磊等()的研究成果,构建“三生”空间适宜性指标体系,并对包含目标层、准则层、指标层 个层次的指标体系框架做出如下调整。)增加了包含条件资源、空间属性的二级准则层。由于陈贵镇各矿区的地理位置、经济基础等发展条件不同,且各村之间的生活水平也存在着明显差异,为了更加准确表示空间斑块之间的协调情况,本文参考喻淞瀚等()的研究,引入“空间属性”表征“三生”空间斑块间的相互关系,第 期宋复蓉等:基于两维图
15、论聚类的矿粮复合区“三生”空间适宜性分区从而更加便于观察空间冲突对空间适宜性的影响。)增加了影响生产空间适宜性的指标。陈贵镇的生产空间主要包含了农业生产空间与工业生产空间,本文针对耕地条件对农业生产空间的影响,增加了地形起伏度和人均耕地面积指标;针对矿区对工业生产空间的影响,增加了距矿区距离与人均工矿面积指标。)针对生活空间、矿业生产空间对生态空间造成的影响,增加了相应的生态影响指标。鉴于生态空间是指具有生态服务功能和生态防护功能的空间区域,所以本文选取了植被覆盖率、生物丰富度等 个生态影响指标,另外还选取了距矿区距离、距道路距离等 个生态干扰项指标。本文构建的陈贵镇“三生”空间适宜性评价指标
16、体系如表 所示。表 陈贵镇“三生”空间面积分布情况 一级划分二级划分地类面积 空间面积 占比 主要功能生产空间农业生产空间耕地、道路 生产工业生产空间工矿仓储用地 生活空间乡镇生活空间农村居民点、道路 生活生态空间绿被生态空间绿被地(林地、园地、草地及其他)生态水域生态空间坑塘水面、河流、水库、内陆滩涂 表 陈贵镇“三生”空间适宜性评价指标体系 目标层一级准则层及权重二级准则层指标层权重属性陈贵镇“三生”生产空间()生产条件坡向 正空间适宜性地形起伏度 负距道路距离 负距居民点距离 负距水域距离 负人均耕地面积 正人均工矿面积 正企业个数 正空间属性生产空间人均斑块面积 正生产空间平均斑块面积
17、 正生产空间斑块形状指数 负生活空间()生活条件坡向 正距建制镇距离 负距学校距离 负距医院距离 负距道路距离 负距旅游景点距离 负距矿区距离 正人口密度 正空间属性生活空间人均斑块面积 正生活空间平均斑块面积 正最大生活空间斑块指数 正资 源 与 产 业 年续表 目标层一级准则层及权重二级准则层指标层权重属性生态空间()生态条件和资源坡度 负植被覆盖率 正距水系距离 负生物丰富度 正生态干扰距居民点距离 正距矿区距离 正距道路距离 正空间属性生态空间人均斑块面积 正最大生态空间斑块指数 正生态空间斑块分离度指数 正 研究方法 “三生”空间适宜性评价本文将影响生产空间、生活空间、生态空间的各个
18、因素作为适宜性评价的基础条件,并按照一定的评价方法与评价标准对“三生”空间评价指标进行量化,同时以“空间相互作用”为集成方式,开展“三生”空间适宜性评价。尽管社会经济、生态环境之间的关系十分复杂,但由于空间适宜性评价既具备土地利用评价的多功能性,又具备当发展与保护发生冲突时的自我协调性,因而可以实现土地利用与资源保护的良性互动(郑洋等,)。本文构建的适宜性综合评价模型为 ,()式中:为综合适宜性得分;为指标编号;为指标个数;为第 项指标的权重值;为第 项指标的等级分值。在计算评价指标层的权重时,本文参考马莎等()的研究成果,运用层次分析法与熵权法分别计算出空间适宜性评价各指标层的权重,并依据最
19、小信息熵原理,将 种权重加权叠加,从而得到综合权重。在使用熵权法计算权重时,为了消除各指标数量和量纲的差异,本文采用分等定级方式对各类空间适宜性评价指标做了标准化处理,并且以 闭合区间对指标属性进行赋值,分值越高则表示适宜程度越好(张俊艳,)。根据构建的陈贵镇适宜性评价指标体系,本文首先利用 的代数计算器对指标栅格图进行加权叠加,进而得到陈贵镇镇域的生产空间、生活空间、生态空间的适宜性值,以及“三生”空间的综合适宜性值,分值越高说明空间适宜性越好(罗雪等,),然后根据陈贵镇镇域的“三生”空间适宜性值,借助自然断点法,按照分值高低将空间适宜性依次分为“适宜”“较适宜”“较不适宜”“不适宜”个等级
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