基于ArcGIS的广州市“三生空间”演变及其驱动因素分析

余秋海 林海文

（广东省地质测绘院，广东 广州 510800）

1 引言

随着我国城镇化的快速发展，人口、产业集聚对城市空间产生极大需求，使得我国成为全球城镇用地扩张速度最快的国家之一[1]，快速城镇化造成城镇空间的快速扩大。党的十九大以来，随着乡村振兴战略的提出，生产空间、生活空间和生态空间（以下简称 “三生空间”）概念进入人们视野，作为一个有机的地理空间系统，其国土空间格局的形成和变化更是自然、社会和人文活动共同作用的结果[2]。中央城镇化工作会议提出 ：“按照促进城镇空间宜居适度、农业空间集约高效、生态空间山清水秀的总体要求，形成生产、生活、生态空间的合理结构。”作为城市化重要表征，国内对“三生空间”的研究主要基于相对单一的评价指标体系，例如，城镇建设用地扩张强度指数等方法，揭示生活空间数量上的变化和各驱动力的不同。

近年来，在地理过程模拟、空间优化模型等方法的支撑下，借助3S 技术研究生活空间演变，以揭示其内在变化逻辑[3,4]。因此，从空间角度提高生活空间的配置效率，分析区域在不同经济发展阶段下“三生空间”格局的演变特征，识别其演变的驱动因素，从而进行有针对性的政策引导和调控，对于优化各农业、城镇、生态空间开发利用和实现区域的协调发展具有重要意义。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

广州市，简称“穗”，是广东省辖地级市、广东省省会，首批国家历史文化名城，广府文化的发祥地、国家物流枢纽，国家综合性门户城市、国际性综合交通枢纽。截至2021 年末，广州市实现地区生产总值28231.97 亿元，全市下辖11 个区，总面积为7434.40 平方千米，常住人口为1887.06 万人，城镇人口1626.36 万人，城镇化率为86.46%。

2.2 数据来源与处理

本次研究所用数据分为：土地利用覆盖数据、各基础类空间数据和社会经济数据。其中，土地利用覆盖数据来源“GlobeLand30 全球地理信息公共产品”，包含2000 年、2010 年、2020 年三年度的土地覆盖数据，数据投影方式采用UTM 投影，广州市土地利用覆盖数据如图1 所示。

图1 广州市土地利用覆盖数据

根据数据简介分类，GlobeLand30分为耕地、林地、草地、灌木地、湿地、水体、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久积雪11类，根据刘继来、刘彦随等学者[5]对“三生空间”分类评价体系的研究和此次土地利用分类实际情况，将耕地归为生产空间，人造地表归为生活空间，林地、草地、灌木丛、湿地、水体归为生态空间。各基础类空间数据包括行政边界、路网等数据，从全国地理信息资源目录服务系统下载。社会经济数据来源于广州市及各区政府网站公布数据，以上各空间数据在ArcGIS中统一处理成相同坐标系统。

2.3 研究方法

2.3.1 标准差椭圆分析

标准差椭圆能够反映数据的整体性和格局性，根据标准差椭圆分析工具可以得到生活空间的分布信息，通过其分布的长短轴（X轴和Y轴）、方位角和椭圆质心，可以分析生活空间的总体分布轮廓和主导分布方向[6-8]，计算公式如下：

其中：

公式中，x和y是第i个生活空间要素的横、纵坐标，{x,y}表表示生活空间要素的平均中心，n为生活空间要素总数。

2.3.2 GWR 地理加权回归模型

GWR地理加权回归模型与传统线性回归模型相比，增加了空间局部回归的差异性，即空间本身的异质性和非平稳性对回归结果产生的差异[9,10]，计算公式如下：

公式（5）中，xi、yi分别是回归自变量和因变量；β0（μi，vi）指第i个样本第j个参数的回归系数，反映不同参数对样本影响的空间分异情况，系数正、负号分别表示参数与空间位置的正、负相关性质，（μi，vi）指第i个样本空间坐标，xij指第i个样本第j个参数值；εi代表随机误差项，k代表自变量个数。

3 过程与结果

3.1 空间方向分布演变

借助ArcGIS 空间分析工具，对广州市三期生产空间、生活空间、生态空间标准差椭圆方向进行分析，分析结果如图2 所示。

图2 广州市“三生空间”标准差椭圆变化

从标准差椭圆形态来看，生产空间自2000 年至2020 年长轴沿“东北-西南”、短轴沿“西北-东南”走向；从方向角变化来看，2000～2010 年生产空间方向角36.03°变为35.45°，基本维持稳定，2010～2020年减少到27.36°，椭圆面积先减少后增加，空间格局分布逐渐向东南方向缓慢移动。2000～2020 年，广州市生产空间质心坐标由2000 年的（113.56°、23.36°）转变为2020 年的（113.50°、23.31°），从空间来看，由黄埔区东北部转移至白云区东部。

生活空间由2000 年长轴沿“西北-东南”走向、短轴沿“东北-西南”走向，转变为2010 年以后长轴沿“东北-西南”、短轴沿“西北-东南”走向，说明广州市近10 年生活空间发展方向发生改变。分时间段分析广州市生活空间方向演变规律，2000～2010年生活空间发展方向角由165.53°减少到12.74°，2010～2020 年由12.74°增加到35.14°，生活空间整体往东北方向转移，其质心坐标由2010 年的（113.39°、23.26°）转变为（113.51°、23.39°），从空间来看，生活空间由白云区东部转移至黄埔区北部，研究时间段内质心的移动轨迹为“西北-东北”，说明生活空间发展方向发生转移。椭圆面积先增加后减少，其中椭圆长半轴由29.44km 增加到31.93km，再到最后的33.25km；短半轴先增后减，由2000 年的33.91km 到2010 年的40.92km，再到2020 年的36.46km。从长、短轴变化情况可以看出，生活空间椭圆整体波动趋势减弱，生活空间发展呈约束收紧态势。

相比来看，广州市生态空间整体分布形态稳定，在2000～2020 年生态空间整体椭圆形态沿“西南-东北”分布走向，生态空间方向角逐渐增加，由2000 年的28.44°增加到2020 年的34.74°，同时椭圆标准差长半轴从31.89km 降到2020 年的29.14km。生态空间质心往东北方向转移，质心坐标由（113.50°、23.37°）转变为（113.55°、23.43°），从空间分布位置来看，生态空间质心位置由黄埔区转移到从化区。

3.2 空间变化驱动因素及差异性

经综合考虑，选取第二产业产值（A1）、人均GDP（A2）、城镇人均收入（A3）、固定资产投资额（A4）、城镇人口数（A5）和公路里程总数（A6）6 个指标作为解释生活空间变化的驱动因素（解释变量）。采用地理加权回归模型（GWR），以各年份广州市生产空间、生活空间和生态空间面积为自变量，以6 个驱动因素解释变量（A1-A6）为因变量，在ArcGIS 中对两者进行地理加权回归分析（GWR）。GWR 工具中采用自适应带宽模型计算各模型参数，结果如表1 所示。

表1 地理加权回归（GWR）模型参数估计及检验结果

GWR 模型在不同研究区的回归系数不同，反映不同因素在不同研究区的作用强度有差别。在模型带宽（AICc）相对稳定的前提下，生产空间和生活空间模型拟合R2数值略微上涨，且2010 年和2020 年两年数值趋于稳定，回归系数不断减小，说明农业空间和生活空间用地面积对各影响因子的负向影响增强。从生活空间来看，中心6 城区生活空间斑块趋于规整，与人类生活影响同样密切的农业空间斑块变化不大，而生态空间模型R2数值在邻域值相对稳定的情况下，稳步增加。各影响因子对生态空间有正向影响。在进行GWR 分析后对解释变量进行探索性回归分析，结果如表2 所示。

表2 解释变量探索性回归分析结果

从各因子解释变量回归分析结果来看，人均GDP和城镇人均收入是影响生产空间变化的主要因素；在生活空间中人均GDP、城镇人均收入和公路里程总数解释结果相对较高，说明这3 个驱动因素是影响生活空间变化的主要因素；对于生态空间来说，只有人均GDP 和城镇人均收入解释结果高，说明经济是影响生态空间布局的因素。

4 结论

研究以广州市为例，基于标准差椭圆分析对2000年、2010 年、2020 年三期“三生空间”进行空间方