黃瀟迪，湯小華

（福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福建福州350108）

基于主成分—聚類分析的泉州市土地利用功能分區(qū)研究

黃瀟迪，湯小華*

（福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福建福州350108）

根據(jù)泉州市的土地利用綜合狀況，選取14個(gè)指標(biāo)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用主成分分析法對(duì)泉州市進(jìn)行土地利用綜合評(píng)價(jià)，運(yùn)用系統(tǒng)聚類將結(jié)果分為4個(gè)片區(qū)，并應(yīng)用ArcGIS技術(shù)繪制泉州市土地利用功能分區(qū)圖.針對(duì)不同類型的土地利用功能區(qū)，分析其土地利用特點(diǎn)并提出相應(yīng)的改善措施，為今后泉州市合理利用土地、提高土地利用效益等提供參考依據(jù).

主成分分析；聚類分析；泉州市；土地利用功能分區(qū)；改善措施

兼?zhèn)渥匀粚傩院蜕鐣?huì)屬性的土地資源是人們一切活動(dòng)的基礎(chǔ)載體，與人類的生產(chǎn)生活息息相關(guān).然而在全國(guó)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展下，人們對(duì)資源的需求愈加強(qiáng)烈，日益增長(zhǎng)的人口數(shù)量造成對(duì)土地資源有效利用的壓力越來(lái)越大，后備土地資源嚴(yán)重不足、現(xiàn)存土地資源浪費(fèi)等現(xiàn)象逐漸凸顯.土地利用的區(qū)域特征及其形成過(guò)程，決定了需要對(duì)土地資源的開發(fā)利用進(jìn)行功能分區(qū)［1］.國(guó)內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者都采用RS技術(shù)、GIS技術(shù)、系統(tǒng)聚類法等開展多樣化的土地利用的功能分區(qū)研究［2-4］.

土地利用功能分區(qū)是實(shí)現(xiàn)統(tǒng)籌區(qū)域土地利用的重要手段，可以凸顯土地利用地域差異特征，揭示各地區(qū)土地利用的類型、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及主導(dǎo)方向，提出各地區(qū)合理地開發(fā)利用土地資源的對(duì)策措施，強(qiáng)化各地區(qū)間協(xié)作關(guān)系，發(fā)揮各地區(qū)比較優(yōu)勢(shì)，從而有力促進(jìn)區(qū)域的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)與人口的協(xié)調(diào)發(fā)展［5］.土地利用功能分區(qū)針對(duì)耕地資源的嚴(yán)格保護(hù)、土地資源利用的規(guī)范開發(fā)、土地用途的嚴(yán)格管制等都具有重大意義［6］.

本文以福建省三大中心城市之一—泉州市作為研究對(duì)象，通過(guò)構(gòu)建土地利用功能分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用主成分分析法對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并運(yùn)用系統(tǒng)聚類對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分區(qū)，針對(duì)分區(qū)結(jié)果對(duì)不同地區(qū)提出相應(yīng)的建議對(duì)策，為提高土地節(jié)約集約利用的綜合效益，為今后制定泉州市土地利用總體規(guī)劃、合理利用土地等提供參考依據(jù).

1　泉州市概況

泉州市位于我國(guó)福建省東南部，北接福州、莆田，南毗廈門，東望臺(tái)灣，西鄰三明、漳州、龍巖，是福建省的經(jīng)濟(jì)中心.地勢(shì)東南低、西北高，從內(nèi)地往沿海逐漸降低，山地、丘陵以及港灣、島嶼等居多，海岸線曲折迂回.其氣候?qū)賮啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，氣溫高，降水量充沛，具有優(yōu)越的氣候條件及豐富的氣候資源.

泉州市人口眾多，位于全省第一，2013年總?cè)丝跒?36萬(wàn)人，其中城鎮(zhèn)人口515萬(wàn)人，城鎮(zhèn)化水平達(dá)到61.60%，超過(guò)全省城鎮(zhèn)化水平0.83個(gè)百分點(diǎn).晉江鞋業(yè)及陶瓷、安溪茶葉、石獅服裝、泉港石化、惠安石雕等產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，早已形成一批極具影響力的產(chǎn)業(yè)集群.GDP達(dá)到5218億元，經(jīng)濟(jì)總量位居全省第一；人均GDP為62679元，比全省人均GDP高5022元.

2013年泉州市土地總面積為11286.59 km2，占福建省土地總面積的9.11%.其中，農(nóng)用地8722.62 km2，占全市土地總面積的77.28%；建設(shè)用地1625.83 km2，占全市土地總面積的14.41%；未利用地938.13 km2，占全市土地總面積的8.31%.

2　泉州市土地利用功能分區(qū)研究

2.1研究方法

首先，本文采用主成分分析對(duì)泉州市的土地利用綜合狀況進(jìn)行評(píng)價(jià).該方法能夠在減少指標(biāo)的相關(guān)性、克服權(quán)重確定的主觀片面性以及避免不必要的信息重疊等方面顯示獨(dú)特的作用［7］.

其基本步驟如下［8］：

1）建立n個(gè)區(qū)域p個(gè)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)矩陣；

2）計(jì)算指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的相關(guān)系數(shù)矩陣；

3）求特征值以及特征向量；

4）計(jì)算貢獻(xiàn)率以及累積貢獻(xiàn)率，確定主成分個(gè)數(shù)；

5）確定主成分表達(dá)式；

6）根據(jù)表達(dá)式對(duì)主成分進(jìn)行加權(quán)求和，計(jì)算綜合得分值.

其次，本文采用系統(tǒng)聚類法對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分類，該方法的優(yōu)點(diǎn)就在于其分析結(jié)果直觀明了，結(jié)論形式簡(jiǎn)潔.

2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

2.2.1構(gòu)建原則

1）綜合性.土地利用是一個(gè)由眾多影響因素構(gòu)成的龐大系統(tǒng)，指標(biāo)選擇要充分考慮土地的開發(fā)利用程度、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益以及因子之間相互制約、相互作用等方面，全面描述土地利用狀況以及未來(lái)的發(fā)展?jié)摿?

2）代表性.選取的指標(biāo)因子應(yīng)立足于區(qū)域的土地利用現(xiàn)狀，代表區(qū)域土地資源利用的不同特點(diǎn)，并科學(xué)、真實(shí)地反映某特定時(shí)期區(qū)域的土地利用格局［9］.

3）獨(dú)立性.在選取影響因子的過(guò)程中，應(yīng)在滿足上述條件的前提下，要求因子之間具有相互獨(dú)立性，避免重復(fù)信息量導(dǎo)致的工作量加大，同時(shí)降低不必要的重復(fù)信息對(duì)分析結(jié)果造成的干擾［10］.

4）真實(shí)性.指標(biāo)體系應(yīng)體現(xiàn)區(qū)域土地的實(shí)際利用狀況，在橫向上反映區(qū)域在一定時(shí)期內(nèi)的土地利用格局，在縱向上體現(xiàn)區(qū)域的土地利用潛力以及持續(xù)利用的可能性［5］.

2.2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

本文綜合科學(xué)性、簡(jiǎn)明性、系統(tǒng)性、代表性以及可操作性、綜合性等要求［11］，參照一般土地利用功能分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并結(jié)合泉州市的實(shí)際狀況，從土地利用現(xiàn)狀、土地開發(fā)程度、土地資源稟賦、土地利用效益這4個(gè)方面選取14個(gè)指標(biāo)，具體評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見表1.

2.3主成分分析結(jié)果

通過(guò)2013年泉州市變更調(diào)查數(shù)據(jù)以及2014年泉州市統(tǒng)計(jì)年鑒收集所需數(shù)據(jù)，運(yùn)用SPSS軟件對(duì)14個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，采用偏差法作標(biāo)準(zhǔn)化，利用標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果得出相關(guān)系數(shù)矩陣，并提取主成分，見表2.

根據(jù)特征值＞1以及累積貢獻(xiàn)率≥85%的原則，提取出3個(gè)主成分因子，并根據(jù)主成分因子的載荷表（見表3）得出主成分的相關(guān)信息.

可以看出，農(nóng)用地占有率、建設(shè)用地占有率、土地城鎮(zhèn)化水平、人均耕地、人均建設(shè)用地、人均土地面積、人均GDP、地均二、三產(chǎn)業(yè)增加值、地均地區(qū)生產(chǎn)總值、地均固定資產(chǎn)投資對(duì)因子1有較大貢獻(xiàn)，這些指標(biāo)大多數(shù)反映了區(qū)域土地的利用現(xiàn)狀及經(jīng)濟(jì)效益.未利用地占有率、土地墾殖率及地均農(nóng)業(yè)增加值在因子2上系數(shù)較大，與土地總體利用狀況及農(nóng)業(yè)相關(guān).因子3主要反映在復(fù)種指數(shù)上，集中體現(xiàn)耕地的利用情況.

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果及主成分因子載荷計(jì)算得出各縣區(qū)土地利用綜合得分，見表4.

可以看出，泉州市市轄區(qū)的5個(gè)地區(qū)除了洛江區(qū)以外，其他地區(qū)得分均為正值，且排名靠前；而洛江區(qū)以及南安市雖然經(jīng)濟(jì)條件較高，但是土地利用方式與得分高的地區(qū)相比差距較大，因此得分為負(fù)值，排名靠后.石獅市作為中國(guó)的休閑服裝名城以及工貿(mào)旅游的港口城市，經(jīng)濟(jì)綜合水平較高，各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施也較為完善，得分排名第二.惠安縣近年來(lái)發(fā)展空間較大，擁有一些在重要產(chǎn)業(yè)基地以及產(chǎn)業(yè)布局方面的政策優(yōu)勢(shì)，因此總體得分較為居中.永春縣和安溪縣不論是土地利用現(xiàn)狀水平還是土地利用效益等方面都相近，因此綜合得分值的差距也不大.德化縣依托資源發(fā)展起來(lái)的城鎮(zhèn)化水平較高，但是稀缺的資源帶來(lái)的土地利用效益并不明顯，土地利用結(jié)構(gòu)也有待改善，綜合得分低，排名最后.

2.4聚類分析結(jié)果

根據(jù)主成分分析得出最終得分結(jié)果，利用SPSS軟件對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，采用歐式距離法得出的樹狀圖見圖1.

表1　泉州市土地利用功能分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.1The index system of land use functional zoning

表2　解釋的總方差Tab.2The explained total variance

表3　主成分載荷表Tab.3Component matrix

根據(jù)圖1，將泉州市11個(gè)縣區(qū)的土地利用綜合水平分為4類：第一類為中心城區(qū)，包括：鯉城區(qū)、石獅市、豐澤區(qū)和晉江市；第二類為重點(diǎn)建設(shè)區(qū)，包括：泉港區(qū)和惠安縣；第三類為適度建設(shè)區(qū)，包括：洛江區(qū)、南安市、永春縣和安溪縣；第四類為限制建設(shè)區(qū)，單獨(dú)一個(gè)德化縣.

表4　泉州市土地利用功能分區(qū)綜合得分Tab.4The score of land use functional zoning in Quanzhou City

圖1　聚類分析樹狀圖Fig.1The diagram of clustering analysis tree

圖2　泉州市土地利用功能分區(qū)Fig.2The land use functional zoning of Quanzhou city

3　各類型土地利用功能區(qū)的土地利用特點(diǎn)及改善措施

根據(jù)以上分析結(jié)果，利用ArcGIS軟件繪制泉州市土地利用功能分區(qū)圖，見圖2.

1）中心城區(qū).土地利用特點(diǎn)：中心城區(qū)是泉州市人口聚集地、核心發(fā)展區(qū)，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)較為活躍.本區(qū)總?cè)丝跒?67.60萬(wàn)人，占全市總?cè)丝诘?3.97%.土地總面積為110342.61 hm2，占全市土地總面積的9.78%.農(nóng)用地比例和人均耕地最低，分別為35.58%和0.0054 hm2/人.復(fù)種指數(shù)、土地墾殖率以及林地占地率較低，表明該區(qū)的耕地利用水平有待加強(qiáng)，林地面積需擴(kuò)大.建設(shè)用地比重最高，為42.65%，比全市的建設(shè)用地比例多28.24%.城鎮(zhèn)化水平較高，為75.16%.人均GDP、地均生產(chǎn)總值、地均固定資產(chǎn)投資等都顯著強(qiáng)于其他區(qū)域，說(shuō)明該區(qū)具有較好的交通區(qū)位優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展好，綜合競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力較強(qiáng)，各項(xiàng)收入都較為可觀，各地區(qū)都具有自己獨(dú)特的產(chǎn)業(yè)鏈，對(duì)外開放程度高，屬于泉州市的經(jīng)濟(jì)中心.

改善措施：隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，城鎮(zhèn)建設(shè)用地的范圍也將隨之?dāng)U大，人地關(guān)系的矛盾逐漸凸顯［12］.而本區(qū)人口多而耕地少，因此要注意提高耕地質(zhì)量，注重耕地保護(hù)與新增建設(shè)用地?cái)U(kuò)大之間的平衡，嚴(yán)格控制好新增建設(shè)用地的數(shù)量，防止城市無(wú)序擴(kuò)張，要充分挖掘土地利用潛力以及盤活存量土地，加強(qiáng)節(jié)約集約利用，建立合理的規(guī)劃監(jiān)督機(jī)制，完善土地用途管制.

2）重點(diǎn)建設(shè)區(qū).土地利用特點(diǎn)：重點(diǎn)建設(shè)區(qū)有較好的工業(yè)基礎(chǔ)，工業(yè)布局及城鎮(zhèn)建設(shè)較為集中［13］.本區(qū)總?cè)丝跒?29.20萬(wàn)人，占全市總?cè)丝诘?5.45%.土地總面積為113093.60 hm2，占全市土地總面積的10.02%.農(nóng)用地比例為54.07%，比中心城區(qū)高了18.49%，比全市低23.22%.人均耕地相對(duì)較高，為0.02 hm2/人.復(fù)種指數(shù)、土地墾殖率和林地占有率相對(duì)較高，說(shuō)明耕地的開發(fā)利用現(xiàn)狀較好，林地保護(hù)較為穩(wěn)定.建設(shè)用地占有率比中心城區(qū)低，為26.36%，但比全市高11.96%.城鎮(zhèn)化水平也較高，為50.46%.該區(qū)的經(jīng)濟(jì)水平相對(duì)中心城區(qū)較低，與經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)還存在一定的差距.

改善措施：注重優(yōu)化土地資源配置，切實(shí)提高資源的有效利用效率，緩解經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)所帶來(lái)的資源環(huán)境的壓力以及用地需求的矛盾，避免在未來(lái)發(fā)展進(jìn)程中因過(guò)度發(fā)展而造成生態(tài)環(huán)境的破壞［4］.另外，要充分發(fā)揮科技、人力資源等優(yōu)勢(shì)，保障基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，促進(jìn)各地區(qū)合理用地.

3）適度建設(shè)區(qū).土地利用特點(diǎn)：適度建設(shè)區(qū)受生態(tài)環(huán)境約束性相對(duì)較大.本區(qū)總?cè)丝跒?10.90萬(wàn)人，占全市總?cè)丝诘?7.19%.土地總面積為684849.98 hm2，占全市土地總面積的60.68%.該區(qū)域農(nóng)用地面積大，占地率82.97%，比全市高5.68個(gè)百分點(diǎn)，人均耕地0.03 hm2/人.復(fù)種指數(shù)及土地墾殖率較低，耕地的開發(fā)利用程度低.建設(shè)用地比例低，為10.50%，比全市建設(shè)用地比例低3.91%.城鎮(zhèn)化水平為49.21%.該類型的地區(qū)人均GDP、地均固定資產(chǎn)投資等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都較為低下，其中洛江區(qū)由于區(qū)位條件不足，經(jīng)濟(jì)相對(duì)低下，而成為市轄區(qū)中最為落后的地區(qū).

改善措施：科學(xué)制定用地政策，促進(jìn)用地合理布局及有效利用.該區(qū)多山地、丘陵，應(yīng)加強(qiáng)防風(fēng)固林、水土保持等措施，在保障森林生態(tài)功能前提下，依托豐富的林地資源來(lái)創(chuàng)建一條林副產(chǎn)品、木材等加工產(chǎn)業(yè)鏈，形成地區(qū)的一大特色產(chǎn)業(yè)［14］.該區(qū)城鎮(zhèn)化水平相對(duì)低下，應(yīng)加快基礎(chǔ)設(shè)施等建設(shè)促進(jìn)城鎮(zhèn)化進(jìn)程，夯實(shí)發(fā)展基礎(chǔ)，做到所需之處切實(shí)到位.洛江區(qū)應(yīng)盡快跟上市轄區(qū)發(fā)展的步伐，加快工業(yè)化進(jìn)程；南安市作為人口大縣，要把重點(diǎn)放在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及產(chǎn)業(yè)布局方面，帶動(dòng)落后鄉(xiāng)鎮(zhèn)加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展腳步；永春縣擁有豐富的水資源、森林資源、煤炭資源等，應(yīng)加大環(huán)保力度，保證良好的生態(tài)環(huán)境，充分發(fā)揮已有資源優(yōu)勢(shì)加快基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)效應(yīng)，提高耕地質(zhì)量以及農(nóng)用地效益，增加農(nóng)村居民的收入；安溪縣則應(yīng)不斷提高工業(yè)化水平，注重通過(guò)茶業(yè)及一些美食特產(chǎn)等開拓市場(chǎng)，擺脫貧困，通過(guò)改善經(jīng)濟(jì)水平提高土地的綜合利用效益.

4）限制建設(shè)區(qū).土地利用特點(diǎn)：限制建設(shè)區(qū)是針對(duì)林地、牧草地等自然保護(hù)區(qū)或生態(tài)保護(hù)區(qū)建設(shè)土地的控制和限制.德化縣共28.3萬(wàn)人，占全市總?cè)丝诘?.39%.土地總面積為220372.46 hm2，占全市土地總面積的19.53%.農(nóng)用地占地率以及人均耕地全市最高，分別為92.41%和0.06 hm2/人.但是復(fù)種指數(shù)和土地墾殖率偏低，說(shuō)明該縣的耕地開發(fā)利用程度還有待提高.建設(shè)用地比例為3.07%，全市最低，比全市建設(shè)用地占地率低11.34%.城鎮(zhèn)化比例為72.44%，水平較高.但是該區(qū)的地均產(chǎn)業(yè)增加值、地均生產(chǎn)總值、地均固定資產(chǎn)投資等均為全市最低，可見該區(qū)的土地利用效益十分低下.

改善措施：該區(qū)擁有“水足、山多、瓷美、礦富”四大優(yōu)勢(shì)，林地資源豐富，森林覆蓋率位居泉州市首位，為農(nóng)業(yè)的綜合發(fā)展及未來(lái)開發(fā)創(chuàng)造有利的資源條件.該區(qū)應(yīng)注重積極展開植樹造林等改善生態(tài)環(huán)境的措施，對(duì)自然保護(hù)區(qū)加強(qiáng)重點(diǎn)保護(hù).另外，應(yīng)盡量避免大規(guī)模的建筑建設(shè)占用林地面積，禁止各項(xiàng)不合理的開發(fā)活動(dòng)，因地制宜展開生態(tài)旅游路線，打造新的產(chǎn)業(yè)集群吸引更多的外來(lái)者，帶動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展.

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責(zé)任編輯：黃瀾

Application of Principal Component and Clustering Analysis to Land Use Functional Zoning of Quanzhou City

HUANG Xiaodi，TANG Xiaohuai*
（College of Geographical Science，F(xiàn)ujian Normal University，F(xiàn)uzhou 350108，China）

According to the comprehensive land use status，the index system is built up by selecting 14 indexes，and the comprehensive evaluation of land use extent in Quanzhou city was carried out by using principal component analysis.The land of Quanzhou city was divided into four regions based on cluster analysis，then a functional zoning map was produced by using ArcGIS software.For the different types of land use function area，it analyzed the characteristics of land use and put forward the corresponding improvement measures，which would provide the reference basis for reasonable utilization of land and improving of the efficiency of land use in Quanzhou city.

principal component analysis；clustering analysis；Quanzhou city；land use functional zoning；improvement measures

K 901

A

1674-4942（2015）04-0443-05

2015-08-22