基于聚类分析法的土地利用功能分区研究

摘 要：土地利用功能分区是土地利用总体规划中的重要内容，为区域建设规划、生态保护和土地管制提供了科学依据。本文以广西壮族自治区罗城县为研究对象，在充分考虑区域自然、社会、经济和土地利用现状的基础上，筛选和确定土地功能分区指标因子，建立区域土地功能分区指标体系，采用聚类分析方法，计算确定样本之间的相似性或差异性，以地域相似性和差异性，划分区域土地利用功能区。结果表明：将研究区域划分为优先建设、重点建设、引导建设和限制建设区，与该区域土地利用和经济发展水平是吻合的。

关键词：土地利用 功能分区 聚类分析法 罗城县

引言

我国人口的迅速增加、经济的快速增长和城镇化进程的高速发展，加剧了人类对土地的迫切需求，使人地关系矛盾日益突出。在土地供需不平衡的市场条件下，土地利用功能分区作为土地利用规划的重要内容，对规范土地开发秩序、调控土地开发规模、优化土地利用结构、促进区域协调发展具有重要的意义[1、2]。

在“十一五”规划中提出了“根据资源环境承载力，现有开发密度和发展潜力，统筹考虑未来我国人口分布、经济布局、国土利用和城镇化格局，将国土空间划分为优化开发、重点开发、限制开发和禁止开发四类主体功能区[3]”。“十二五”规划再次明确“实施主体功能区战略，优化国土空间开发格局。实施分类管理的区域政策。实施各有侧重的绩效评价和建立健全衔接协调机制[4]”。同时，上世纪80年代开始，我国众多学者对土地利用分区理论和方法已展开了研究，随着土地利用分区理论的不断完善和计算机以及软件技术的深入应用，土地利用分区研究也取得了一定的进展[5]。在技术方法上，专题图叠置法、定性分析法、系统聚类分析法、主成分分析法、综合评价法等是土地功能分区常用方法，其中，系统聚类分析法运用较为广泛[6]。本文选取罗城县为研究对象，结合系统聚类分析方法和定性分析法划定该区域土地利用功能区，为该区域实施土地有效利用和土地差别化管理提供科学合理的依据。

1 研究区概况

罗城仫佬族自治县（简称罗城县）位于广西壮族自治区北部、河池市东部、黔中高原的边缘地带，九万大山的南麓，东北交水苗族自治县，东南接柳城县，西南连宜州市，西北接环江毛南族自治县；地理位置：东经108°13′至109°10′，北纬24°36′至25°11′；辖8个镇和5个乡，有东门镇、龙岸镇、黄金镇、小长安镇、桥头镇、四把镇、天河镇、怀群镇、宝坛乡、下里乡、乔善乡、纳翁乡、兼爱乡。2010年自治县土地总面积2，640平方公里，其中农用地、建设用地和未利用地分别占68.27%、2.21%和29.52%。其中，耕地总面积2.23万公顷，粮食播种面积3.7万公顷，经济作物种植面积1.58万公顷，有林面积12.37万公顷。2010年末总人口36万人，农村人口30万人，国内生产总值为14亿元，粮食总产量为12万吨。

2 材料与方法

2.1 数据来源

本研究所采用的属性数据涉及到自然、社会、经济和土地利用等多方面数据，包括罗城乡镇各地类面积、播种面积、人口数、投资金额、GDP、三大产业产值等，数据资料主要来源于罗城县2011年统计年鉴、2010年罗城政府工作报告等。

2.2 研究方法

聚类分析也称为群分析，是在某种方法或准则的基础上对一组样本或变量进行分类的一种多元统计方法。聚类分析的分析方式包括凝聚和分解两种方式聚类。凝聚聚类遵循“由小到大”的原则，将聚类的N个样本视为一类，按照指定的计算方式和准则计算样本之间的距离，判断其亲疏关系，距离最小的视为最亲密，归为一类，得到N-1个新类，重复上述步骤。分解聚类则是反方向进行，将聚类的N各样本视为一类，计算样本之间的距离之后，剥离距离最远的个体，重复操作，获得最终的类别。

系统聚类分析法是运用最广的一种分区的方法，在土地利用功能分区的应用中，是按照各土地利用分区单元的土地利用情况、自然生态和社会经济等相关调查数据，获取这些单元归属的距离统计量，根据研究单元的各特征标志的相似程度或相关程度的大小，对单元进行分类归组[7、8]。

3 罗城县土地利用功能分区

划分土地利用功能区时，要遵循以下基本原则：

1）综合性。综合考虑区域的土地利用和自然生态、社会经济之间的关系。

2）突出区域总体相似性和差异性。基于区域的相似性和差异性划分功能区，根据各自特点对土地现状利用以及适宜性分析提出调控指标和措施，有针对性的制定管理政策，实行差别化管理。

3）保证行政区划的完整性。土地利用分区应保持区划的完整性，以便上一级行政单位的宏观调控。土地利用功能分区，一般包括分区单元的确定、指标体系构建、相似度计算、土地利用功能分区。

3.1 确定分区单元

为了保证同一功能区在自然生态、社会经济发展、土地开发、空间管制等方面具有相对一致性，本研究在保证行政区完整的原则下，选择以乡镇为分区单元，不仅便于各类资料的收集、处理和分析，也有利于各行政单位对不同土地利用功能区的管制。

3.2 构建分区指标体系

构建科学合理的土地利用功能分区指标体系是划分土地利用功能区的重要前提，指标的选取要具有科学性、代表性、可操作性，能够良好反映分区单元的地域差异性。土地的利用状况主要受到土地利用现状条件、自然生态条件和区域社会经济的共同影响，本文从土地利用结构、土地利用效益和社会经济发展3个方面[9-11]构建分区指标体系，如下：

1）土地利用结构指标：耕地占乡镇总面积的比例（x1）、经济作物播种占乡镇播种面积的比例（x2）、林地和牧草地占乡镇总面积的比例（x3）、未利用地占乡镇总面积的比例（x4）、建设用地占乡镇总面积的比例（x5）、交通用地占乡镇总面积的比例（x6）；

2）土地利用效益指标：地均固定资产总额（x7）、单位耕地面积粮食产量（x8）；

3）社会经济发展指标：人口密度（x9）、人均GDP（x10）、人均固定资产总额（x11）、第一二三产业产值占总产值的比例（x12x13x14）。

在确定上述分区指标后，通过对罗城县土地利用现状调查数据、统计年鉴和政府工作报告等资料的收集和整理，构建罗城县土地利用功能分区指标体系如下：

（x1、x2、x3、x4、x5、x6、x12、x13、x14单位为%，x7单位为万元/平方米，x8单位为斤/平方米，x9单位为人/平方米，x10单位为元/人，x11单位为万元/人）

3.3 相似度计算

聚类分析算法的基本出发点在于根据对象间的相似度将对象划分为不同的类，对象相似度的计算通常以对象间的距离来确定。然后以统计软件SPSS作为分析工具，对分区单元的相似度值采用最短距离法进行聚类，生成聚类树状图。

本文构建的指标体系原始数据是不同的数据类型，为了克服原始数据由于计量单位的不同对聚类结果产生不合理的影响，首先要对变量进行标准化，统一量纲。本研究采用了总和标准化[12]的计算方法进行处理，定义如下：

（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n）

式中，i为对象个数，本文13个乡镇，j为属性个数，本文选取了14个指标； xij表示第i个对象的第j个指标值； 表示所有对象的第j个指标值； 表示第i个对象的第j个标准化指标值。

标准化处理之后，计算对象之间的距离，度量其差异性和相似性。计算距离的方法有多种，如绝对值距离、欧氏距离、名科夫斯基距离和切比雪夫距离[12]。本研究采用常用的欧氏距离算法[13]，定义如下：

（i，j=1，2，…，m；k=1，2，…，n）

式中，xik， xjk表示第i、j个对象的k标准化变量值；dij表示第i个对象和第j个对象之间的距离值。

计算单元之间的距离后，要达到对分区单元分类，要计算类与类之间的距离，通过分析两类的相关系数，以其突变位置为聚类结束标志，绘制聚类树状图。同时，根据分区单元欧氏距离值作频率直方图，对聚类结果进行验证，结果表明二者的分类间距类似本文采用最短距离法[12]计算类距离，用di1i2表示对象i1、i2之间的距离，用G1、G2表示类，定义Gp、Gq间距离Dpq为两类中各样本两两距离di1i2的最小值，即：

采用构建的分区指标体系，利用SPSS16.0进行标准化处理、单元距离和类距离的计算生成聚类树状图如下：

从图1中看出，罗城县13个乡镇按照突变位置初步划分为4个土地利用功能类似区域，第一类区域黄金镇、乔善乡、天河镇、龙岸镇、桥头镇、怀群镇、兼爱乡、下里乡；第二类区域宝坛乡、纳翁乡；第三类区域小长安镇、四把镇；第四类区域东门镇。

3.4 分区结果分析

东门镇是罗城县的县政府所在地，其政治中心的优势地位带动其交通和产业的发展，其土地利用和经济发展综合优势突出，符合聚类结果，将东门镇定位为优先建设区；小长安镇、四把镇作为罗城重要的交通要地，其区位优势也很明显，聚类结果将其划分为同一功能区，定位为重点建设区；宝坛乡、纳翁乡耕地比重小，林地资源丰富，是罗城县自然生态保护的重要乡镇，该类乡镇定位为生态保护、限制建设功能区；黄金镇、乔善乡、天河镇、龙岸镇、桥头镇、怀群镇、兼爱乡、下里乡经济发展水平和土地利用水平处于中等发展水平，该类乡镇农用地总体比重较多，土地利用功能定位为引导建设区。

4 结果与讨论

采用系统聚类分析，将罗城县以乡镇为单位划分4个土地利用功能区，为了严格保护耕地特别是基本农田，控制非农业建设占用耕地；提高土地的集约利用和土地利用效率；保护和改善生态环境，保障土地资源的可持续发展优化土地利用；便于行政部门对土地的管制，实施差别化管理，对不同的功能区采用不同的土地利用和经济发展方式。

优先建设区域是根据当地的社会经济发展需要以及生态环境的保护下，优先发展的区域。东门镇作为罗城县优先建设区，统筹土地利用时可以适当倾斜用地。它是罗城县政府所在地，是全县的政治和经济中心，交通便利，基础设施完善，优先发展和建设该地区，提高土地利用集约程度，进一步发挥其在全县的带头示范和辐射作用。

重点建设区域是根据当地的社会经济及生态环境各方面的发展规划，需要重点建设和发展的区域。小长安镇位于罗城仫佬族自治县东部，与东门镇相邻，境内有丰富的旅游资源，基础设施建设日臻完善，服务体系齐全，主要发展甘蔗、水果、山野毛葡萄、种草养牛为农业发展支柱产业；四把镇位于罗城县南部，是出入罗城县的南大门，是罗城的交通枢纽，四周分别与东门镇、天河镇、宜州市祥贝乡和刘三姐乡接壤，境内有丰富的无烟煤、石灰石、粘土等资源。两个乡镇既承载着与其他地区的沟通和联系，又在罗城县内部作为东门镇的辅佐地区，加强该地区的建设，发挥其交通和区位优势。

引导建设区域主要是农业用地地区。对于引导建设区需要对用地占用进行一定的控制和引导，相对于重点建设区而言，管制措施要严格一些，对于建设用地占用耕地要进行严格的控制。

限制建设区域是针对牧草地、林地等自然保护区或者生态保护区的建设土地控制和限制。宝坛乡和纳翁乡林业资源丰富，具有较好的自然生态环境，纳翁乡森林覆盖率达到86%，一般情况下，这类地区是主要建设一些景观性和服务性的建筑，不允许建设大规模建筑，不允许占用大量林地。

5 结论

该研究在罗城县的土地利用和社会经济等数据基础上，结合系统聚类分析和定性分析法确定该区域的土地利用功能区，为该地区实施土地差别化管理提供了一定的依据。

1）采用系统聚类分析计算乡镇土地利用的相似度和类别划分，将分区进行定量分析，减少主观因素的影响，为了弥补某些定量的刚性问题，对定量结果进行一定的定性修正，也就是将定量与定性相结合，使得分区结果精确度和准确度有所提高。

2）本研究采用了SPSS等一些统计软件工具，使计算结果简便易行，具有高度操作性，在实际应用中提高效率。

3）本研究结合土地利用分区理论、计量地理模型和先进的科学技术，使分区过程和结果取得了一定的进步，但是在指标体系的确定、模型的选择性、定性修正标准性等方面需要进一步探索和研究，使分区更加科学合理。

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