基于K均值空间聚类的集体建设用地质量评价研究

徐先斌，聂艳，邓玉琴，何新莹，郭永瑞

(华中师范大学城市与环境科学学院，湖北 武汉 430079)

质量作为衡量土地在某一特定用途时好坏的标志时，代表土地的综合属性[1]，目前主流评估对象为农用地和国有建设用地，对集体建设用地的评价还处于探索研究阶段.随着2020年1月1日新的《土地管理法》的实施，城乡统一的建设用地市场被提到重要议程，其中包括农村土地的盘活和管理，作为“三农”重要部分的集体建设用地，对其进行科学的质量评价是解决闲置低效利用问题、乡村空间规划及高质量发展的重要基础[2-4].目前学者们针对集体建设用地评价的研究，主要集中在集体经营性建设用地入市机制、入市主体、增值收益分配和宅基地三权分置等方面，如魏来等[5]以土地发展权为切入点对集体建设用地入市进行了四维分析并展望了未来的前景；
刘晓萍[6]纵观集体土地流转全貌，探索提出了流转机制、入市主体以及增值收益分配的整套方案；
孙秋鹏[7]以集体经营性建设用地入市中的地方政府的行为为契机，探索了政府在流转过程中的角色和功能.而在集体建设用地适宜性、承载力、可持续利用、集约利用、土地利用变化动态监测等方面还处于探索阶段，部分学者[8-11]也对农村集体建设用地定级与基准地价评估开展了一系列研究和探讨，但质量等级差异多以综合指数为依据，存在片面追求土地质量而未考虑空间异质性的问题.

K均值聚类算法是一种基于异质划分的聚类算法，目前已在多个领域中有广泛应用.何琪琳等[12]在耕地领域运用K均值聚类算法，对东北黑土区坡耕地土壤侵蚀的影响因素进行了定量分析；
黄雨薇等[13]在电力邻域运用K均值聚类算法，对于光伏功率进行精准的预测；
刘家佳等[14]在建设用地邻域运用K均值聚类算法，对我国建设用地典型节地模式进行聚类分析.

本文中以咸安区集体建设用地为研究对象，探索以土地质量为基础，结合空间区位和景观破碎度，提出一种集体建设用地质量评价的新方法.该方法充分考虑集体建设用地的“质优”与“集中”，为集体建设用地质量评价提供新思路，其结果对划分村庄类型、激活乡村振兴内生动力具有一定的指导意义.

咸安区位于湖北省东南部的长江中游南岸，地处114°11′ ～ 114°73′ E、29°66′ ～ 30°04′ N，下辖3个街道、9个镇、1个乡，总人口62.846 5万人.根据咸安区第三次全国国土调查数据统计，咸安区集体建设用地9 998 hm2，占总面积的6.65%.随着社会经济的发展，目前咸安区集体建设用地流转市场较活跃，如贺胜桥镇以鸡汤为特色打造贺胜鸡汤小镇，涌现出一大批农家乐和民俗，但同时也存在一些问题.例如市场流转监管体系不够健全，导致集体土地所有者流转意识较薄弱、流转手续不规范；
统一的基准地价标准落实程度不高，流转价格跨度大，相互之间参考价值较低；
流转形式多样，主体多元，很难进行科学高效的管理.为建设统一规范的集体建设用地流转市场，亟需开展集体建设用地质量评价.

2.1 数据来源空间数据：主要来源于咸安区自然资源和规划局、交通运输局、农业农村局等部门，包括咸安区第三次国土调查数据库、土地利用现状变更调查数据库、交通规划资料等，借助ArcGIS10.2软件从数据库提取出集体建设用地、县界、村界、河流水面、村域等要素.

属性数据：实地调查访问数据；
咸安区统计年鉴(2019—2020年)、2020年咸安区国民经济和社会发展统计公报及咸安区第三次全国土地调查数据.

2.2 研究方法根据集体建设用地的宏观区位、交通条件、基础设施等条件，采用综合指数模型对集体建设用地评价单元进行总分值计算：

Ps=∑Wi×Fis

(1)

式中：Ps为评价单元s的总分值；
Fis为评价单元i指标的分值；
Wi为i指标的权重.

选用K均值聚类法划分集体建设质量级别，其基本思想为：首先将16 369个集体建设用地聚类地块随机分为K组，再选取K个地块作为初始的聚类中心，然后计算每个对象与各聚类中心之间的距离，把每个对象分配给距离它最近的聚类中心，最后将全部对象划分为K个区域；
然后重复上述过程采用迭代的方法，将聚类中心不断移动修正划分.通过穷举所有可能的划分使各聚类内部紧凑、聚类间相异[15].

为了使最终结果既考虑土地属性变量内部的差异，又能体现空间相似性的重要特征，在进行K均值聚类计算时，对土地属性和空间区位两个因子进行修正，K均值聚类过程借助SPSS 25和ArcGIS实现，具体计算方法如下：

(2)

式中：Dij为第i个地块到第j个地块的距离；
wa为空间区位特征坐标权重值；
wb为土地属性特征权重值；
xi和yi为第i个地块中心的坐标值；
aik为第i个地块第k个属性值；
wk为第i个地块第k个属性特征的权重值；
其中wa+wb=1，wk之和为1.

3.1 评价单元总分值的计算

3.1.1 指标体系的构建 随集体建设用地入市的逐步推进和全国33个农村宅基地制度改革试点的探索，对集体建设用地进行科学合理的质量评价是高质量利用土地资源的基础.依据集体建设用地的功能和服务的特点以及《农村集体土地价格评估技术指引》、《城镇土地分等定级规程》中的可选因子，并遵循以下原则确定评价指标：

1)因地制宜原则.评价时充分体现区域优势及特点，咸安区温泉、竹林资源丰富，且现已开发形成多个具有地方特色的旅游景点.本次在构建评价指标体系时选择旅游景点，对其进行量化分析，以体现咸安区独具特色的旅游景点对土地综合利用的影响.

2)针对性原则.评价指标体系中的因素因子尽可能直接客观地反映评价区域土地级别的高低，如商服中心、离中心城镇的距离等因子能直接客观地反映土地利用程度的高低及区位条件.本次在构建评价指标体系时，保证因素因子具有针对性这一原则.

3)现状与规划相结合的原则.城镇规划对土地的利用程度、方式和类型均能产生非常直观的影响，为评价结果更具科学和较长期的参考价值，研究选取城市规划这一因子，从城镇重点规划建设方面进行分析，综合评价土地质量，最终参考咸安区自然资源和规划局、当地土地评估机构及相关高校的17位专家的意见，确定评价指标体系，见表1.

根据层析分析法原理，采用特尔斐法，经两轮征询17位专家的意见构建层次矩阵，借助Excel计算各特征向量即权系数，然后进行一致性检验，一致性比率CR均小于0.1，通过检验，得到各指标的权重(表1).指标权重值指影响集体建设用地质量评价的重要程度，即所占比例分值，对各评价指标标准化过后的结果进行加权求和.权重值对最终的评价结果将产生直接的影响.表1中区位和交通权重值较高，实际情况表明，优质集体建设用地主要体现在良好的区位和方便的交通，这类地区基础设施完善度高且发展潜力大，因此表1中的权重符合实际.

表1 集体建设用地质量评价指标及权重表

3.1.2 指标数据的获取与标准化 根据影响因子的分布类型和对土地影响方式，将指标分为3类，分别获取对应的属性数据：1)点状因素：该类因子为点状分布，对土地质量级别的影响既与因子的设施规模有关，又与距因子的相对距离有关.属于该类型因子的有商服中心、距离中心城镇的距离、旅游景点、火车站、客运站、高速收费站、中小学和医院.2)线状因素：该类因子呈线状分布，对土地级别的影响与点状因子类似，既与设施规模有关，又与距因子的相对距离有关.属于该类型因子的有道路等级.3)面状因素：该类因子呈片状均匀分布，具有全域覆盖性质，对土地质量级别的影响仅与因子指标有关系.属于该类型因子的有供水、供电、森林覆盖率、水域覆盖率、地形状况、地质状况、人口密度和重点建设区规划.

根据因子属性收集资料，参考《农村集体土地价格评估技术指引》及《城镇土地分等定级规程》等，对各个类型的指标进行处理，计算出各指标的作用半径[16-17]，利用ArcGIS将其叠加到评价单元.由于指标性质不同、量纲不一且值域相差很大，为了能比较并衡量其对集体建设用地质量的影响程度，需要对各指标属性值进行归一化处理到[0，1].最后结合综合指数模型对各评价指标的标准化属性值进行加权求和，得出16 369个定级单元的质量综合指数分值，最大值为68.98，最小值为14.40.图1为部分影响因子作用分值图.

图1 部分影响因子作用分值图

3.2K均值空间聚类

3.2.1K均值分类数的确定 景观破碎度表征景观被分割的破碎程度，为体现集体建设用地集中连片和破碎化的空间异质性，根据集体建设用地集中连片的理念，借助景观破碎度指数的变化趋势确定K均值空间聚类的分类数，确保空间聚类结果的精度和准确度.景观破碎度指数公式如下：

Ci=Ni/Ai,

式中：Ci为景观i的破碎度，Ni为景观i的斑块数，Ai为景观i的总面积.

破碎度指数越小表明图斑聚集度越高.图2空间聚类分类数与景观破碎度的关系图，由图2看出，当分为4类时，破碎度指数最低，随分类数增大或减少，破碎度都逐渐增大，即空间聚类分4类时图斑聚集度最高，集体建设用地质量等级结果最佳.同时参照《城镇土地分等定级规程》和《农村集体土地价格评估技术指引》中小城市土地定级数目范围为3 ～ 5，故确定集体建设用地的分类数为4类，满足相关规程的同时定级结果图斑聚集度最高.

图2 空间聚类分类数与景观破碎度的关系图

3.2.2K均值空间聚类结果 借助ArcGIS的计算几何获取集体建设用地图斑的中心点x、y坐标，然后与图斑ID、规模指数总分值一同导出，再在SPSS25进行K均值聚类分析，其中空间坐标的权重(wa)定义为0.3、综合指数总分值的权重(wb)定义为0.7，本次研究是在保证集体建设用地质量的前提下结合图斑的聚集度对其进行等级分析，确保以质量为本、以高效利用为核心，最后SPSS25结果显示迭代次数Step=44时，所有中心的最大绝对坐标变动为0，实现收敛.得到集体建设用地图斑的聚类结果后，根据图斑ID关键字段将类别导回到ArcGIS空间数据图层中，获取聚类的空间分布图以及各个聚类的图斑数.图3为K均值空间聚类结果图.

图3 K均值空间聚类结果图

K均值空间聚类结果，宏观上将所有集体建设用地分成聚集度较高的4类，让零散无序的集体建设用地图斑在确保质量相当的前提下具备一定的空间规律，综合考虑质量与区位两大因素，为高效合理利用土地奠定基础.

4.1 集体建设用地级别的确定从图3可以看出，1号聚类地主要分布在城区中心附近，范围内国有建设用地较多，经济较发达，对外交通便利，基础设施较完善，土地市场相对较活跃；
2号聚类地主要分布在1类地周边和各乡镇中心，交通区位好，环境质量优，集体建设用地流转用于经营农家乐和民宿的现象较为普遍，有利于乡村振兴，发展潜力大；
3号聚类地主要分布于2类地外围及各乡镇城乡结合部区域，集体建设用地分布零星，区位条件较差，土地资源利用程度不太高；
4号聚类地主要分布在3类地的外围，区域内以农用地和未利用土地为主，区位条件差，发展潜力低.整体分析，1类地到4类地的分布客观反映从城镇中心到城镇边缘的等级落差，反映土地级别与经济、区位、交通等社会发展水平的相关关系.K均值空间聚类详细结果如表2.

表2 K均值空间聚类结果表

综上分析得出，1、2、3、4号聚类的建设用地质量逐渐降低，区位依次变差，发展潜力依次变低；
当空间聚类分4类时，综合景观破碎度指数分最低，为0.84，集体建设用地聚集度最高，最终确定1、2、3、4号空间聚类的结果依次为集体建设用地质量的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级.

结合表2可知，咸安区集体建设用地Ⅰ级3 306.20 hm2，占33.07%，占比最大；
Ⅱ级2 303.22 hm2，占23.04%，仅次于Ⅰ级地；
Ⅲ级2 157.74 hm2，占21.58%，占比最少；
Ⅳ级2 230.84 hm2，占22.31%，次于Ⅰ、Ⅱ极地.总体上，咸安区集体建设用地以Ⅰ、Ⅱ级地为主，整体质量较好，发展潜力较高.

4.2 质量级别结果检验1)基于集体建设用地综合指数分值检验.综合指数法计算出的各单元质量指数分值范围为68.98～14.40，最终确定的各级别分值分别为Ⅰ级68.98～47.55、Ⅱ级43.06～33.08、Ⅲ级33.07～25.32、Ⅳ级20.87～14.40，随级别降低综合分值呈递减趋势，逻辑合理且与集体建设用地分布的实际状况符合.

2)基于各级别空间分布检验.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级地分别占33.07%、23.04%、21.58%、22.31%，占比合理，分布特点为城镇中心到城镇边缘逐级降低的等级落差，表明结果符合实际情况.

3)基于景观破碎度的分析.在集体建设用地质优的基础上考虑空间聚类的因素，通过空间区位和景观破碎度修正后的K均值空间聚类分析实现集中，最后结合空间区位将其分为4类，此时的景观破碎度既低于自然间断法的结果也低于其他分类数的破碎度指数，使各级别的集体建设用地更为集中分布.

4.3 讨论1)本研究从集体建设用地的空间聚集度和综合指数质量入手，提出基于综合指数和K均值空间聚类评价用地质量的新方法，结合空间区位和景观破碎度指数对K均值空间聚类的重要参数进行修正，使空间聚类结果更为优化，相比传统单一的综合指数法，评价结果更具科学性和可利用性.结合咸安区实际情况看，最终结果与实际实况比较符合，高级别的建设用地土地市场活跃、流转几率大；
低级别的土地区位差、分布零散、发展潜力小.

2)确定集体建设用地评价的指标是集体建设用地质量评价的核心.习近平总书记指出，进一步发挥区域自身禀赋所形成的比较优势，宜农则农，宜产则产，宜创则创，形成区域特色.因此，在进行指标体系构建时，要充分考虑区域特点、因地制宜，对集体建设用地质量进行客观、科学的评价，避免片面、人为主观等因素的影响.

3)集体建设用地是农村土地的主要组成部分，新《土地管理法》允许集体经营性建设用地入市，通过科学评价后找到集体建设用地最适宜的使用方式至关重要，应因地制宜，提高人居环境，走具有中国特色的高质量发展之路.目前农用地评价与国有建设用地评价方法成熟，但集体建设用地质量评价方法缺乏，主要参照国有建设用地评价方法，随集体建设用地入市的逐渐盛行和全国33个农村宅基地制度改革试点的探索[18-20]，产生对一套成熟的集体建设用地评价方法的迫切需求，今后的研究中可以加深对集体建设用地评价方法的研究.

1)统筹兼顾土地质量、区位条件和景观破碎度等，耦合综合指数法和K均值空间聚类法划分集体建设用地质量空间差异，实现集中管理，一定程度上避免片面追求集体建设用地的质优，达到“优质集中”的标准，是一种比较理想的评价方法，对今后集体建设用地的科学评价和利用管理具有一定的指导作用.

2)实证结果显示，咸安区集体建设用地质量较优，以Ⅰ、Ⅱ级为主，约占56.11%，且级别的空间分布呈现从城镇中心到城镇边缘的环状规律，为今后集体建设用地的科学管理和高质量利用提供参考.

3)在高质量发展观和乡村振兴等指导思想的背景下，构建规范的集体建设用地的质量评价方法以及入市机制，盘活农村土地资产，将是今后的研究重点.