基于主成分—聚类分析的泉州市土地利用功能分区研究

黄潇迪，汤小华

（福建师范大学地理科学学院，福建福州350108）

基于主成分—聚类分析的泉州市土地利用功能分区研究

黄潇迪，汤小华*

（福建师范大学地理科学学院，福建福州350108）

根据泉州市的土地利用综合状况，选取14个指标建立评价指标体系，利用主成分分析法对泉州市进行土地利用综合评价，运用系统聚类将结果分为4个片区，并应用ArcGIS技术绘制泉州市土地利用功能分区图.针对不同类型的土地利用功能区，分析其土地利用特点并提出相应的改善措施，为今后泉州市合理利用土地、提高土地利用效益等提供参考依据.

主成分分析；聚类分析；泉州市；土地利用功能分区；改善措施

兼备自然属性和社会属性的土地资源是人们一切活动的基础载体，与人类的生产生活息息相关.然而在全国工业化、城镇化的快速发展下，人们对资源的需求愈加强烈，日益增长的人口数量造成对土地资源有效利用的压力越来越大，后备土地资源严重不足、现存土地资源浪费等现象逐渐凸显.土地利用的区域特征及其形成过程，决定了需要对土地资源的开发利用进行功能分区［1］.国内外大多数学者都采用RS技术、GIS技术、系统聚类法等开展多样化的土地利用的功能分区研究［2-4］.

土地利用功能分区是实现统筹区域土地利用的重要手段，可以凸显土地利用地域差异特征，揭示各地区土地利用的类型、特点、结构及主导方向，提出各地区合理地开发利用土地资源的对策措施，强化各地区间协作关系，发挥各地区比较优势，从而有力促进区域的环境、经济、产业与人口的协调发展［5］.土地利用功能分区针对耕地资源的严格保护、土地资源利用的规范开发、土地用途的严格管制等都具有重大意义［6］.

本文以福建省三大中心城市之一—泉州市作为研究对象，通过构建土地利用功能分区评价指标体系，采用主成分分析法对其进行综合评价，并运用系统聚类对评价结果进行分区，针对分区结果对不同地区提出相应的建议对策，为提高土地节约集约利用的综合效益，为今后制定泉州市土地利用总体规划、合理利用土地等提供参考依据.

1　泉州市概况

泉州市位于我国福建省东南部，北接福州、莆田，南毗厦门，东望台湾，西邻三明、漳州、龙岩，是福建省的经济中心.地势东南低、西北高，从内地往沿海逐渐降低，山地、丘陵以及港湾、岛屿等居多，海岸线曲折迂回.其气候属亚热带海洋性季风气候，气温高，降水量充沛，具有优越的气候条件及丰富的气候资源.

泉州市人口众多，位于全省第一，2013年总人口为836万人，其中城镇人口515万人，城镇化水平达到61.60%，超过全省城镇化水平0.83个百分点.晋江鞋业及陶瓷、安溪茶叶、石狮服装、泉港石化、惠安石雕等产业发展迅猛，早已形成一批极具影响力的产业集群.GDP达到5218亿元，经济总量位居全省第一；人均GDP为62679元，比全省人均GDP高5022元.

2013年泉州市土地总面积为11286.59 km2，占福建省土地总面积的9.11%.其中，农用地8722.62 km2，占全市土地总面积的77.28%；建设用地1625.83 km2，占全市土地总面积的14.41%；未利用地938.13 km2，占全市土地总面积的8.31%.

2　泉州市土地利用功能分区研究

2.1研究方法

首先，本文采用主成分分析对泉州市的土地利用综合状况进行评价.该方法能够在减少指标的相关性、克服权重确定的主观片面性以及避免不必要的信息重叠等方面显示独特的作用［7］.

其基本步骤如下［8］：

1）建立n个区域p个指标的原始数据矩阵；

2）计算指标标准化后的相关系数矩阵；

3）求特征值以及特征向量；

4）计算贡献率以及累积贡献率，确定主成分个数；

5）确定主成分表达式；

6）根据表达式对主成分进行加权求和，计算综合得分值.

其次，本文采用系统聚类法对评价结果进行分类，该方法的优点就在于其分析结果直观明了，结论形式简洁.

2.2评价指标体系构建

2.2.1构建原则

1）综合性.土地利用是一个由众多影响因素构成的庞大系统，指标选择要充分考虑土地的开发利用程度、社会经济效益以及因子之间相互制约、相互作用等方面，全面描述土地利用状况以及未来的发展潜力.

2）代表性.选取的指标因子应立足于区域的土地利用现状，代表区域土地资源利用的不同特点，并科学、真实地反映某特定时期区域的土地利用格局［9］.

3）独立性.在选取影响因子的过程中，应在满足上述条件的前提下，要求因子之间具有相互独立性，避免重复信息量导致的工作量加大，同时降低不必要的重复信息对分析结果造成的干扰［10］.

4）真实性.指标体系应体现区域土地的实际利用状况，在横向上反映区域在一定时期内的土地利用格局，在纵向上体现区域的土地利用潜力以及持续利用的可能性［5］.

2.2.2评价指标体系

本文综合科学性、简明性、系统性、代表性以及可操作性、综合性等要求［11］，参照一般土地利用功能分区评价指标，并结合泉州市的实际状况，从土地利用现状、土地开发程度、土地资源禀赋、土地利用效益这4个方面选取14个指标，具体评价指标体系见表1.

2.3主成分分析结果

通过2013年泉州市变更调查数据以及2014年泉州市统计年鉴收集所需数据，运用SPSS软件对14个评价指标数据进行统计处理，采用偏差法作标准化，利用标准化结果得出相关系数矩阵，并提取主成分，见表2.

根据特征值＞1以及累积贡献率≥85%的原则，提取出3个主成分因子，并根据主成分因子的载荷表（见表3）得出主成分的相关信息.

可以看出，农用地占有率、建设用地占有率、土地城镇化水平、人均耕地、人均建设用地、人均土地面积、人均GDP、地均二、三产业增加值、地均地区生产总值、地均固定资产投资对因子1有较大贡献，这些指标大多数反映了区域土地的利用现状及经济效益.未利用地占有率、土地垦殖率及地均农业增加值在因子2上系数较大，与土地总体利用状况及农业相关.因子3主要反映在复种指数上，集中体现耕地的利用情况.

根据标准化结果及主成分因子载荷计算得出各县区土地利用综合得分，见表4.

可以看出，泉州市市辖区的5个地区除了洛江区以外，其他地区得分均为正值，且排名靠前；而洛江区以及南安市虽然经济条件较高，但是土地利用方式与得分高的地区相比差距较大，因此得分为负值，排名靠后.石狮市作为中国的休闲服装名城以及工贸旅游的港口城市，经济综合水平较高，各项基础设施也较为完善，得分排名第二.惠安县近年来发展空间较大，拥有一些在重要产业基地以及产业布局方面的政策优势，因此总体得分较为居中.永春县和安溪县不论是土地利用现状水平还是土地利用效益等方面都相近，因此综合得分值的差距也不大.德化县依托资源发展起来的城镇化水平较高，但是稀缺的资源带来的土地利用效益并不明显，土地利用结构也有待改善，综合得分低，排名最后.

2.4聚类分析结果

根据主成分分析得出最终得分结果，利用SPSS软件对其进行系统聚类分析，采用欧式距离法得出的树状图见图1.

表1　泉州市土地利用功能分区评价指标体系Tab.1The index system of land use functional zoning

表2　解释的总方差Tab.2The explained total variance

表3　主成分载荷表Tab.3Component matrix

根据图1，将泉州市11个县区的土地利用综合水平分为4类：第一类为中心城区，包括：鲤城区、石狮市、丰泽区和晋江市；第二类为重点建设区，包括：泉港区和惠安县；第三类为适度建设区，包括：洛江区、南安市、永春县和安溪县；第四类为限制建设区，单独一个德化县.

表4　泉州市土地利用功能分区综合得分Tab.4The score of land use functional zoning in Quanzhou City

图1　聚类分析树状图Fig.1The diagram of clustering analysis tree

图2　泉州市土地利用功能分区Fig.2The land use functional zoning of Quanzhou city

3　各类型土地利用功能区的土地利用特点及改善措施

根据以上分析结果，利用ArcGIS软件绘制泉州市土地利用功能分区图，见图2.

1）中心城区.土地利用特点：中心城区是泉州市人口聚集地、核心发展区，经济活动较为活跃.本区总人口为367.60万人，占全市总人口的43.97%.土地总面积为110342.61 hm2，占全市土地总面积的9.78%.农用地比例和人均耕地最低，分别为35.58%和0.0054 hm2/人.复种指数、土地垦殖率以及林地占地率较低，表明该区的耕地利用水平有待加强，林地面积需扩大.建设用地比重最高，为42.65%，比全市的建设用地比例多28.24%.城镇化水平较高，为75.16%.人均GDP、地均生产总值、地均固定资产投资等都显著强于其他区域，说明该区具有较好的交通区位优势，产业发展好，综合竞争实力较强，各项收入都较为可观，各地区都具有自己独特的产业链，对外开放程度高，属于泉州市的经济中心.

改善措施：随着城镇化进程的不断加快，城镇建设用地的范围也将随之扩大，人地关系的矛盾逐渐凸显［12］.而本区人口多而耕地少，因此要注意提高耕地质量，注重耕地保护与新增建设用地扩大之间的平衡，严格控制好新增建设用地的数量，防止城市无序扩张，要充分挖掘土地利用潜力以及盘活存量土地，加强节约集约利用，建立合理的规划监督机制，完善土地用途管制.

2）重点建设区.土地利用特点：重点建设区有较好的工业基础，工业布局及城镇建设较为集中［13］.本区总人口为129.20万人，占全市总人口的15.45%.土地总面积为113093.60 hm2，占全市土地总面积的10.02%.农用地比例为54.07%，比中心城区高了18.49%，比全市低23.22%.人均耕地相对较高，为0.02 hm2/人.复种指数、土地垦殖率和林地占有率相对较高，说明耕地的开发利用现状较好，林地保护较为稳定.建设用地占有率比中心城区低，为26.36%，但比全市高11.96%.城镇化水平也较高，为50.46%.该区的经济水平相对中心城区较低，与经济发达地区还存在一定的差距.

改善措施：注重优化土地资源配置，切实提高资源的有效利用效率，缓解经济增长所带来的资源环境的压力以及用地需求的矛盾，避免在未来发展进程中因过度发展而造成生态环境的破坏［4］.另外，要充分发挥科技、人力资源等优势，保障基础设施的建设，促进各地区合理用地.

3）适度建设区.土地利用特点：适度建设区受生态环境约束性相对较大.本区总人口为310.90万人，占全市总人口的37.19%.土地总面积为684849.98 hm2，占全市土地总面积的60.68%.该区域农用地面积大，占地率82.97%，比全市高5.68个百分点，人均耕地0.03 hm2/人.复种指数及土地垦殖率较低，耕地的开发利用程度低.建设用地比例低，为10.50%，比全市建设用地比例低3.91%.城镇化水平为49.21%.该类型的地区人均GDP、地均固定资产投资等经济指标都较为低下，其中洛江区由于区位条件不足，经济相对低下，而成为市辖区中最为落后的地区.

改善措施：科学制定用地政策，促进用地合理布局及有效利用.该区多山地、丘陵，应加强防风固林、水土保持等措施，在保障森林生态功能前提下，依托丰富的林地资源来创建一条林副产品、木材等加工产业链，形成地区的一大特色产业［14］.该区城镇化水平相对低下，应加快基础设施等建设促进城镇化进程，夯实发展基础，做到所需之处切实到位.洛江区应尽快跟上市辖区发展的步伐，加快工业化进程；南安市作为人口大县，要把重点放在产业结构调整以及产业布局方面，带动落后乡镇加快经济发展脚步；永春县拥有丰富的水资源、森林资源、煤炭资源等，应加大环保力度，保证良好的生态环境，充分发挥已有资源优势加快基础设施建设，强化产业带动效应，提高耕地质量以及农用地效益，增加农村居民的收入；安溪县则应不断提高工业化水平，注重通过茶业及一些美食特产等开拓市场，摆脱贫困，通过改善经济水平提高土地的综合利用效益.

4）限制建设区.土地利用特点：限制建设区是针对林地、牧草地等自然保护区或生态保护区建设土地的控制和限制.德化县共28.3万人，占全市总人口的3.39%.土地总面积为220372.46 hm2，占全市土地总面积的19.53%.农用地占地率以及人均耕地全市最高，分别为92.41%和0.06 hm2/人.但是复种指数和土地垦殖率偏低，说明该县的耕地开发利用程度还有待提高.建设用地比例为3.07%，全市最低，比全市建设用地占地率低11.34%.城镇化比例为72.44%，水平较高.但是该区的地均产业增加值、地均生产总值、地均固定资产投资等均为全市最低，可见该区的土地利用效益十分低下.

改善措施：该区拥有“水足、山多、瓷美、矿富”四大优势，林地资源丰富，森林覆盖率位居泉州市首位，为农业的综合发展及未来开发创造有利的资源条件.该区应注重积极展开植树造林等改善生态环境的措施，对自然保护区加强重点保护.另外，应尽量避免大规模的建筑建设占用林地面积，禁止各项不合理的开发活动，因地制宜展开生态旅游路线，打造新的产业集群吸引更多的外来者，带动当地经济与生态环境协调发展.

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责任编辑：黄澜

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

HUANG Xiaodi，TANG Xiaohuai*
（College of Geographical Science，Fujian Normal University，Fuzhou 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