基于地理信息系统（GIS）的研究

来源:用户上传      作者: 雷娟

　　摘 要：耕地作为人类不可替代的自然资源的基础，其分布的空间特性决定着一个国家或地区社会经济的可持续发展。本文在地理信息系统（GIS）技术的支持下，探讨了重庆以及重庆内部的三大经济体一圈、东北翼、东南翼，近十年（2001-2010）耕地重心、经济重心的变化，以及二者之间与各自区域几何中心之间的相互关系。结果表明：（1）近十年来，重庆耕地重心和经济重心与几何中心之间的距离相差较大，不平衡性强。（2）各个经济体耕地重心、经济重心、几何中心的空间分布特点不同，主要是受自然条件和经济发展水平的制约。（3）目前重庆经济增长与耕地资源减少的相关性较强，在发展经济的同时，需要注意耕地的可持续发展。
　　关键词：耕地重心；经济重心；几何中心；重庆市
　　中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2013） 09-0000-05
　　土地是最基本的自然资源，保持一定数量的耕地是人类赖以生存和发展的基础。中国是一个人多地少的发展中国家，不仅人均耕地远低于世界平均水平，而且随着经济的快速发展，耕地大量流失在相当长的一段时间内将难以避免。中国耕地资源的稀缺性日益突出，已成为农业生产及国民经济可持续发展的瓶颈因素。近年来，一些学者对全国以及某些典型地区的耕地面积变化过程与经济发展的关系做了研究并已取得不少进展。
　　1 研究区概况
　　重庆市位于东经105°17′-110°11′，北纬28°10′-32°13′之间。处于我国内陆西南部、青藏高原与长江中下游平原的过渡地带，东临湖北、湖南，南接贵州，西靠四川，北连陕西。地形走势从南、北向长江河谷倾斜，起伏较大，最高海拔2797m，最低海拔75m，呈现东南高而西北低的显著的立体地貌特征。地貌类型复杂多样，以山地、丘陵为主，占幅员面积94%，其次是河谷、平原、盆地和高原[1]。
　　重庆市是一个典型的大城市带大农村的直辖市，区域内部经济发展水平极不平衡。耕地总量较少，人均占有量更少；陡坡耕地比重大，耕地质量差，生产率低；耕地后备资源严重不足，生产潜力极为有限。随着重庆政治经济的不断发展变化，重庆市耕地资源利用中存在一些问题，一方面体现在耕地总量呈递减趋势，不同经济体中，耕地面积递减速度有差异；另一方面，耕地质量在不断下降。重庆市在实现建设成为西部地区的重要增长极、长江上游地区的经济中心、城乡统筹发展的直辖市，在西部地区率先实现全面建设小康社会的宏伟目标时，将会给重庆的社会、经济与生态环境带来深刻影响[2]。重庆社会经济的快速发展，使重庆市面临着四大问题：三峡库区的建设，要求保护生态环境；经济地位的提升，城市化速度加快；非农建设用地需求量的迅速增加；农村经济要发展就需要进行农业产业结构的调整，而保护耕地安全又势在必行，必须要严把关口。如何协调四者之间的关系，特别是耕地供求矛盾关系，是实现重庆市经济可持续发展必须要关注的问题[3]。耕地后备资源的区位条件与经济发展的关系非常密切，因此，本文是对重庆市近十年的耕地资源重心和经济重心的演变及其对比分析。
　　2006年，重庆提出“一圈两翼”发展战略，即以主城为核心、以大约1小时通勤距离为半径范围的城市经济区（“一圈”），建设以万州为中心的三峡库区城镇群和以黔江为中心的渝东南城镇群（“东北翼、东南翼”）。此政策的提出，是基于重庆的实际情况：重庆的主城区的发展带动周边农村发展的速度不够，必须通过城市扩张来摆脱贫困和提高竞争力。由于重庆东西方向、南北方向的差异较大，因此，有必要对重庆内部不同发展程度的经济体进行更详细的分析。本文对重庆分区域对比分析也是基于此政策对重庆经济体的划分。
　　2 研究的现状、理论、方法及数据来源
　　2.1 研究现状
　　国内外许多学者利用耕地数量变化的研究显示，耕地流失与经济增长之间存在很强的相关性，并且由于处在不同的经济发展水平及经济增长阶段，相关关系存在不同的特点。而针对重庆市耕地面积变化与经济发展之间的关系进行研究，发现重庆耕地的减少与经济发展具有直接关系，随着经济的快速发展，重庆耕地面积、人均耕地面积均呈现不断下降趋势，但是耕地变化与GDP变化的同步率不稳定[4]。
　　美国学者弗・沃尔克将“重心”方法引入到人口问题研究中，用以分析美国西部开发和阳光地带崛起所引起的美国人口分布变化情况[5]。20世纪70年代以后，我国学者也开始尝试运用重心研究方法分析社会问题，并且在研究经济重心、耕地重心、人口重心、就业重心、能源重心、消费重心等等问题时取得了很多的成果。在空间信息快速发展的年代，GIS技术的应用无疑是解决空间统计、空间分析问题最好的手段和工具[6]。但是将耕地重心与经济重心进行空间上的相关分析却很少有人涉及。
　　2.2 研究的理论
　　“重心”原本是物理学中的概念，是指物体内各点所受重力产生合力的作用点。人流、物流和能量的分布无不在空间上展开，各种物质和能量在空间上聚散和迁移，便产生了某一时刻的重心问题，重心的运动方向、速度和强度是表征某一物质在空间上变化的最好指标。各国学者把此概念的运用延伸到经济、人口、就业、污染重心等等方面研究。当某一空间现象的空间均值显著区别于区域的几何重心时，就指示了这一空间现象的不均衡分布，或者称为“重心偏离”。偏离方向指示了空间现象的“高密度”区域，偏离的距离则指示了均衡程度[7]。
　　“重心”运用到经济学中时，是指在区域经济空间里的某一点，在该点各个方向上的经济力量能够维持均衡[8]。不过，对一个拥有若干个次一级行政区域的省、市来说，计算经济重心通常更多地借用地理坐标来表达空间上的距离概念。在对经济重心进行计算时，基于对前人经验的借鉴，耕地面积的变化对经济发展的贡献主要体现在GDP和各产业值方面[9]，本文运用的数据为重庆各个区县年末人均GDP数量作为耕地经济重心计算的基础指标。 　　同理，区域耕地数量在空间分布上的变化同样导致耕地分布重心的迁移。因此，耕地分布重心表征了区域耕地分布在空间上的集中性特征。本文运用各个区县每年年末的耕地数量作为耕地重心计算的基础指标。
　　2.3 研究方法及数据来源
　　本文根据以上理论，对整个大重庆以及三个经济体分别的（一圈、东北翼、东南翼）经济重心和耕地重心进行计算并分析。具体方法为：（1）建立资源数据库，包括重庆市2001-2010年统计数据尽可能全的10个年份的耕地面积和人均GDP数据[10]；（2）采用ArcGIS空间分析方法，使用Spatial Statistics Tools中Measuring Geographic Distribution下的Mean Center工具计算耕地及经济的重心。据此，获得耕地、经济近十年重心，将它们合并到一个图层上以方便分析。用直线按年份的次序得到的重心连接起来，形成重心变化曲线。（3）利用ArcMap软件的距离测量工具测出各个重心移动和相离的距离。利用GIS技术直观、形象地表示不同年份重庆耕地重心、经济重心的移动轨迹和速度。
　　本文选取重庆市各个区县2001-2010年的逐年年末耕地资料，重庆市各个区县的人均GDP资料，以及重庆行政区划矢量图。这些资料来源于重庆市统计年鉴资料和西南大学地理科学学院。数据的处理和图件的制作主要是运用Microsoft Excel软件、SPSS16.0软件和ArcGIS软件完成。
　　3 大重庆及三大经济体耕地重心、经济重心空间变化
　　3.1 大重庆耕地重心、经济重心空间变化
　　3.1.1 大重庆耕地重心空间变化
　　根据整理的2001-2010年期间重庆各个区县的耕地数据，计算出每年的耕地重心坐标，将其表示在经纬网平面坐标系中，并依年份将各个坐标点连接起来便可得到10年来重庆耕地重心的动态演化（图1）。由图可知：（1）重庆耕地重心一直位于107°26′E以东，29°55′N以南位于涪陵区北部。大大偏离了重庆的几何重心（107°52′，30°3′）位于丰都县内。这说明重庆的耕地分布从十年前就处于不平衡状态，耕地的密度西部高于东部，南部高于北部。东西方向的不平衡性大于南北方向，这样的不平衡性是由自然条件和经济发展共同导致的。（2）由于三峡工程的实施，出于生态保护等等各个方面的需要，重庆东北方向处于三峡库区的区县进行了退耕还林，导致01-04年耕地的不断减少，耕地重心也不断向西南方向移动。
　　图1 大重庆耕地重心
　　Fig1.The Cultivated Land in the center of gravity in Chongqing
　　3.1.2 大重庆经济重心空间变化
　　根据整理的2001-2010年期间重庆各个区县的人均GDP数据，计算出每年的人均GDP重心坐标，将其表示在经纬网平面坐标系中，并依年份将各个坐标点连接起来便可得到10年来重庆经济重心的动态演化（图2）。由图可知：（1）10年来重庆人均GDP重心，在106°48′30″-106°53′30″E、29°40′15″-29°42′30″N之间变动02年从江北区移动到渝北区。相对于几何中心，人均GDP重心一直偏向于西南，即一圈经济体，这说明重庆区域经济发展一直处于不平衡状态。一圈经济体是重庆的经济高密度区。而且东西方向的区域差异要大于南北的差异。（2）从01-04年，人均GDP重心向东北方向移动7.1km，从05年起，重心处于一个相对密集的区域，说明在这一阶段，东北地区的经济有所发展，但是，与经济发展较好的一圈相比，仍然需要一定的时间来发展。
　　图2 大重庆人均GDP重心
　　Fig2.The Economic barycenter in Chongqing
　　3.1.3 大重庆耕地重心与经济重心空间变化关系
　　大重庆内，耕地重心与人均GDP重心都位于重庆几何重心的西南方向，耕地重心距离几何重心41km，人均GDP重心距离几何重心103km。比较两幅图的变化趋势得出结果：（1）01-04年，耕地重心变化方向与人均GDP重心变化方向相反。在一定程度上说明，此时东北方向的经济发展是与耕地数量的减少同步的。在SPSS软件的支撑下分析重庆耕地面积和GDP之间呈现明显的相关关系，Pearson的相关系数达到-0.886，也佐证重庆的经济发展与耕地之间相关性大。（2）05-10年耕地重心变化方向与人均GDP重心变化方向相同。在一定程度上说明，此时，经济的增长对土地的依赖性减小，产业结构得到了升级，各个地区执行退二进三政策，进行土地流转，提高土地集约化使用，避免了土地浪费，土地政策的执行对耕地保护有一定的成效。
　　3.2 一圈耕地重心、经济重心空间变化
　　3.2.1 一圈耕地重心空间变化
　　图3为一圈经济体耕地重心变化图，由图可知：一圈经济体内，耕地重心位于沙坪坝区内，重心由（106°26′30″E，29°33′30″N）向（106°24′0″E，29°34′10″N）呈现缓慢地向西北方向移动的现象。位于一圈的几何重心（九龙坡区内）（106°30′5″E，29°31′20″N）西北方向10.8 km处。耕地重心背离几何重心方向的移动，说明一圈内，耕地的不均衡性正在逐渐变大，并且东西方向的不均衡性大于南北方向。
　　图3 一圈耕地重心
　　Fig3.The Cultivated Land in the center of gravity in the Circle
　　3.2.2 一圈经济重心空间变化
　　图4为一圈经济体经济重心变化图，由图可知：一圈内经济重心一直处于沙坪坝区内，并且在一定的范围内波动，但是总体呈现出向东北移动的现象。与一圈的几何重心距离有所缩短，不均衡性有减弱的趋势。 　　图4 一圈人均GDP重心
　　Fig4.The Economic barycenter in the Circle
　　3.2.3 一圈耕地重心与经济重心空间变化关系
　　一圈内耕地重心与经济重心都位于重庆几何重心的西北方向，耕地重心距离几何重心10.8km，人均GDP重心距离几何重心6.5km。比较两幅图的变化趋势得出结果：一圈内主城内经济基础稳固，使人均GDP重心在较小的范围内波动，但是，仍然有向东方向移动的趋势，这与一圈内耕地重心的移动方向西相反。重庆主城将第二产业向长寿和涪陵（位于重庆一圈的东部）转移，经济得到很快的发展，依赖土地程度比较严重，经济发展与土地相关性强[10] ，SPSS软件分析Pearson相关系数达到-0.886。
　　3.3 东北翼耕地重心、经济重心空间变化
　　3.3.1 东北翼耕地重心空间变化
　　图5为东北翼经济体耕地重心变化图，由图可知：01-08年，东北翼耕地重心在万州区内由（108°26′0″E，30°47′0″N）向（108°22′30″E，30°44′30″N）呈现向西南方向移动的现象，09-10年，耕地重心有向相反方向回移的现象。位于东北翼的几何重心（云阳县内）（108°40′5″E，30°57′55″N）西南方向。
　　图5 东北翼耕地重心
　　Fig5.The Cultivated Land in the center of gravity in the Northeast wing
　　3.3.2 东北翼经济重心空间变化
　　图6为东北翼经济体经济重心变化图，由图可知：东北翼经济重心在万州区内（108°23′25″E，108°25′30″E），（30°47′0″N，30°49′30″N）范围内，整体呈现逆时针变化，01-03向西南方向移动，04向西北移动，05-10向东北方向移动。
　　图6 东北翼人均GDP重心
　　Fig6.The Economic barycenter in the Northeast wing
　　3.3.3 东北翼耕地重心与经济重心空间变化关系
　　东北翼耕地重心与人均GDP重心都位于东北翼几何重心的西南方向，耕地重心距离几何重心32.2 km，人均GDP重心距离几何重心29.5 km。东北翼耕地重心与经济重心相比，01-03年变化方向一致，04-08年变化方向相反，09-10年变化方向一致，耕地重心与经济重心空间变化步调并不完全呈现相同或相反。整个东北翼的不平衡性有逐渐减弱的趋势，西南部的耕地储备资源较东北来说更为丰富。
　　3.4 东南翼耕地重心、经济重心空间变化
　　3.4.1 东南翼耕地重心空间变化
　　图7为东南翼经济体耕地重心变化图，由图可知：东南翼耕地重心位在彭水县（108°27′50″E，108°28′20″E），（29°13′0″N，29°14′0″N）范围内，01-07年，东南翼耕地重心向西北方向移动，09-10年，向东北方向移动。处于东南翼几何中心（彭水县内）（108°28′20″E，29°15′20″N）的南方。总体来说耕地重心向北移动，与几何中心的距离正在逐步减小。
　　图7 东南翼耕地重心
　　Fig7.The Economic barycenter in the South East wing
　　3.4.2 东南翼经济重心空间变化
　　图8为东南翼经济体经济重心变化图，由图可知：东南翼经济重心处于彭水县（108°23′30″E，108°25′35″E），（29°18′50″N，29°19′50″N）范围内。01-04年人均GDP重心在一定区域内波动，05-06年重心向北移动，07-09则向东南方向移动。处于东南翼几何重心西北方向，总体看来人均GDP重心与东南翼几何中心的距离正在减小，东南翼经济发展不平衡性正在逐渐减小。
　　图8 东南翼人均GDP重心
　　Fig8.The Economic barycenter in the South East wing
　　3.4.3 东南翼耕地重心与经济重心空间变化关系
　　东南翼耕地重心位于东南翼几何重心的南方，人均GDP重心都位于东南翼几何重心的西北方向，耕地重心距离几何重心2.6 km，人均GDP重心距离几何重心8 km，相对差距在不断减小，不平衡性不断减弱。耕地在东北翼的分布相对比较平衡，耕地重心向北移。由于黔江区的发展，人均GDP重心东移，即向黔江区移动。
　　3.5 三个经济体耕地重心、经济重心空间变化的相互关系分析
　　三个经济体相互比较，一圈及东南翼的耕地重心和人均GDP重心，与各自区域的几何重心比较，相偏离的距离较小，东北翼偏离的距离更大，分别达到了耕地重心距离几何重心32.2km，人均GDP重心距离几何重心29.5km。导致这种现象的原因可能是东北翼以万州为分界区域的西南方向区县包括梁平、忠县、垫江、丰都的耕地资源，自然条件相比于东北方向的区县包括城口、巫溪、巫山要更好一些。经济方面东北方向的区县包括城口、巫溪、巫山、奉节、云阳、开县包括万州，都是国家级贫困县，经济基础薄弱，西南与东北经济发展失衡，导致人均GDP重心向西南方向偏离几何重心较远。随着建设以万州为中心的三峡库区城镇群发展战略的开展，重庆东北翼经济发展的不均衡性正在逐步减小。但是东北翼的经济发展依然与耕地的相关性很大，SPSS软件分析Pearson相关系数达到-0.899。
　　东南翼是三个经济体中唯一耕地重心和人均GDP重心处于几何重心两侧的区域。并且，两个重心都有向几何重心移动的趋势，从侧面可以分析出，在一定程度上，东南翼的经济发展与土地的挂钩较强，相关性大[11]，SPSS软件分析Pearson相关系数达到-0.865。 　　以重庆2010年耕地数据为基础，利用ArcMap中Symbology中Quantities工具制图，依据各个区县的耕地数量分成五个级别，耕地资源最多的为第一级，资源最少的为第五级，中间按照各个样本间的密集程度划分出三个级别，得到重庆2010年耕地数量分级图9。从图中可以看出：（1）一圈经济体的耕地资源呈圈层结构分布，中间圈层是主城区，耕地资源贫瘠，中间圈层向外，耕地数量逐渐增多，一圈经济体的外圈层耕地资源比主城要丰富。（2）东北翼经济体开县、万州的耕地资源丰富，耕地现有量是最高级别；西南方向的梁平、忠县、垫江、丰都和东面的云阳、丰都耕地资源较丰富；处于第二级别；最北边的城口，最东面的巫溪、巫山耕地资源相对较少，分别是第四和第五级别。（3）东南翼的彭水、酉阳耕地资源较丰富，处于第一级别；而石柱、武隆、黔江、秀山耕地资源则较少，处于第三级别。目前东北翼和东南翼的经济发展对土地的依赖性较强，在合理利用时要注意对耕地质量好的地区进行耕地的保护，保证粮食安全。
　　图9 重庆2010年耕地数量分级图
　　Fig9.2010 The quantity of cultivated land grading figure in Chongqing
　　4 结论
　　重庆整体来说，耕地和经济在各个区域发展不平衡，但在不同的经济体，由于先天的条件不同，经济发展水平及经济增长阶段不同，不平衡的程度不同，重心分布的特点也不同。但是，却都存在经济增长，伴随耕地减少的情况。目前我国处于经济中等发达高增长型，代价性的耕地减少在发展中国家的经济起飞阶段具有一定的普遍性，在这一阶段，耕地面积的减少对经济发展具有一定的积极意义。但是也反映出目前发展阶段对土地的节约集约利用程度不够，产业结构不够完善。为了实现重庆全面发展，实现城市带动农村，在进行产业结构调整转移第二产业时，需要注意对当地耕地生态资源的保护，实现经济科学的可持续发展。
　　不足之处：在解释耕地重心与经济重心移动的根本原因或影响因素方面有待深入的定量研究；在不同属性重心之间互相影响的关系方面，定量分析方面需深入探讨。
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　　作者简介：雷娟（1988-），女，重庆铜梁人，工作单位：重庆市忠县中学校，教师，学士学位，研究方向：地理信息系统。
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