山區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)空間布局與優(yōu)化

鄒利林，王占岐，王建英

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院，湖北武漢430074；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，湖北武漢430074）

2010年中國鄉(xiāng)村人口約為6.74億，考慮城市化進(jìn)程和人口增長，預(yù)計(jì)2030年仍將有大約6億人口居住在廣大農(nóng)村地區(qū)[1-2]，可見未來較長一段時(shí)期內(nèi)農(nóng)村居民點(diǎn)仍將是農(nóng)村人口聚居的主要形態(tài)和場所。長期以來，農(nóng)村居民點(diǎn)的空間布局處于農(nóng)民的自發(fā)選擇狀態(tài)，特別是在受自然條件限制更為強(qiáng)烈的山區(qū)更加零亂分散。近年在城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)和新農(nóng)村建設(shè)背景下，國內(nèi)學(xué)者在農(nóng)村居民點(diǎn)的空間布局與優(yōu)化配置理論及實(shí)證研究方面形成了豐富的成果，但對山區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)的研究尚未引起同樣的重視，還沒有形成系統(tǒng)的理論框架。本文在對國內(nèi)有關(guān)山區(qū)居民點(diǎn)文獻(xiàn)成果進(jìn)行回顧和總結(jié)的基礎(chǔ)上，以湖北長陽土家族自治縣為例進(jìn)行實(shí)證研究，試圖全面分析山區(qū)居民點(diǎn)空間分布特征，并提出優(yōu)化策略，以期為中國山區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)的規(guī)劃和整治提供指導(dǎo)。

1 文獻(xiàn)回顧

中國山區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)的空間布局與優(yōu)化研究起源于20世紀(jì)50年代，直到21世紀(jì)初才有學(xué)者從不同角度對該課題展開研究。其文獻(xiàn)成果可大致歸納為4個(gè)方面：一是影響山區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)空間布局的環(huán)境因素。自然環(huán)境是山區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)形成和發(fā)展的基礎(chǔ)，主要包括地形和河流[3]；生產(chǎn)環(huán)境是農(nóng)村居民通過有意識(shí)的社會(huì)勞動(dòng)創(chuàng)造的人工環(huán)境系統(tǒng)，影響其布局的主要是農(nóng)地環(huán)境[4]；社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境對山區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)空間格局的動(dòng)態(tài)遷移具有決定性意義，包括公路[3-5]、農(nóng)村人口[6]、人口密度[7]、農(nóng)民人均純收入[6]、距離城鎮(zhèn)距離[7]、村鎮(zhèn)等級(jí)規(guī)模[3]、土地利用規(guī)劃[8]等。二是山區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)的空間布局特征。目前學(xué)者對這種總體布局特征的描述大體上可歸納為兩類，（1）采取形象描述的方式將其描述為“大散居、小聚居”[9]、“天女散花”[10]、“滿天星”[11]；（2）采取特征聚類的描述方式，如陳振杰等將桐廬縣農(nóng)村居民點(diǎn)空間分布劃分為團(tuán)狀分布、帶狀分布、分散分布3種模式[12]。三是山區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)空間布局研究的技術(shù)方法。從學(xué)科發(fā)展的全過程來看，大致經(jīng)歷了以定性為主、定性與定量相結(jié)合，以定量為主和以GIS技術(shù)大量應(yīng)用為主3個(gè)階段。前兩個(gè)階段的研究成果有限，后一個(gè)階段的研究成果較多，因此可以說山區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)空間布局研究是以GIS技術(shù)為主進(jìn)行量化研究的學(xué)科體系。四是山區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)的布局優(yōu)化。國內(nèi)學(xué)者對其研究的主要思路是從居民點(diǎn)用地整理的空間布局調(diào)整的角度出發(fā)，依據(jù)居民點(diǎn)的自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)等綜合狀況，將其劃分為不同的整理模式，并以此制定相應(yīng)的優(yōu)化策略[13-15]。

盡管國內(nèi)學(xué)者對山區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)空間布局與優(yōu)化研究取得的成果頗豐，特別是對影響其空間布局的各種因素及其影響下的空間形態(tài)的研究已經(jīng)比較全面，采用的技術(shù)方法也比較成熟，但現(xiàn)階段對山區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)的布局優(yōu)化研究還有待加強(qiáng)，大多是從定性的角度出發(fā)，缺乏定量的支持，需在優(yōu)化技術(shù)方法上不斷探索和完善。

2 實(shí)證研究

2.1 研究區(qū)概況

長陽土家族自治縣位于鄂西武陵山區(qū)，地處東經(jīng)110°21＇—111°21＇，北緯30°12＇—30°46＇，縣域東西長94.5 km，南北寬63 km，總面積3420.04 km2?？h域全境為武陵山脈與巫山山脈延伸部，以清江為界，南為武陵山脈，北為巫山山脈，總體地勢西高東低，除清江及其支流的河谷地帶地勢較平坦外，其余均在海拔600—2300 m，低山占總面積的30.6%，半高山占46.1%，高山占23.3%，素有“八山半水一分半田”之稱。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

數(shù)據(jù)來源：長陽2009年第二次土地調(diào)查農(nóng)村土地利用數(shù)據(jù)庫、長陽1∶5萬地形圖、長陽土地利用總體規(guī)劃（2006—2020年）、長陽村莊規(guī)劃（2006—2020年）、長陽示范村土地利用規(guī)劃（2006—2020年）、長陽統(tǒng)計(jì)年鑒（2010年）。數(shù)據(jù)處理：（1）借助ArcGIS 9.3軟件，從長陽二調(diào)庫中提取農(nóng)村居民點(diǎn)，生成農(nóng)村居民點(diǎn)分布專題圖，并保存為Shapefile矢量格式；（2）從長陽二調(diào)庫中提取道路、河流，分別保存為Shapefile矢量格式；（3）在ArcGIS 9.3軟件3D Analyst模塊中，利用等高線創(chuàng)建TIN文件，并將TIN轉(zhuǎn)換為柵格格式后進(jìn)行表面分析，分別得到坡度圖和坡向圖?？紤]計(jì)算機(jī)運(yùn)行能力和所需精度的要求，以上各圖層的柵格單元大小統(tǒng)一設(shè)置為20 m×20 m。

2.3 研究思路

首先對研究區(qū)居民點(diǎn)景觀格局進(jìn)行分析；其次構(gòu)建合理的指標(biāo)體系，利用GIS空間分析模塊獲取各指標(biāo)值；再次對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取權(quán)重；最后引入加權(quán)Voronoi圖對居民點(diǎn)進(jìn)行空間優(yōu)化配置研究（圖1）。

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 居民點(diǎn)景觀格局分析 選取下列指數(shù)來研究居民點(diǎn)斑塊的布局特征：斑塊面積（CA）、景觀面積（TA）、斑塊個(gè)數(shù)（NP）、斑塊所占景觀比例（PLAND）、平均斑塊面積（MPS）、斑塊密度（PD）、斑塊大小標(biāo)準(zhǔn)偏差（PSSD）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、平均形狀指數(shù)（MSI）、平均最鄰近距離（MNN）。利用Fragstats 3.3計(jì)算的結(jié)果見表1。長陽農(nóng)村居民點(diǎn)用地布局呈現(xiàn)如下特征：（1）布局零散，集聚程度低。2009年長陽居民點(diǎn)數(shù)量為53846個(gè)，面積為6118.29 hm2，占土地總面積的1.79%，平均斑塊面積0.11 hm2，按當(dāng)年長陽戶均宅基地面積584.3 m2計(jì)算，每個(gè)居民點(diǎn)斑塊只有2戶，這充分說明長陽農(nóng)村居民點(diǎn)用地布局零散，居民點(diǎn)以散居點(diǎn)為主，集聚程度低，缺乏規(guī)劃整合。（2）用地規(guī)模鄉(xiāng)鎮(zhèn)間差異明顯，但布局差異較小。農(nóng)村居民點(diǎn)斑塊數(shù)最大的都鎮(zhèn)灣鎮(zhèn)多達(dá)8684個(gè)，最小的火燒坪鄉(xiāng)為1506個(gè)，而各鄉(xiāng)鎮(zhèn)間的PLAND、LPI、MPS、PSSD、MSI和MNN等指數(shù)差異較小，這說明景觀面積大小是導(dǎo)致農(nóng)村居民點(diǎn)用地規(guī)模鄉(xiāng)鎮(zhèn)間差異明顯的主要原因，也表明居民點(diǎn)布局鄉(xiāng)鎮(zhèn)間差異不明顯。（3）自然條件、生產(chǎn)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)環(huán)境對居民點(diǎn)空間布局影響較大。從LIP、MPS和PSSD三項(xiàng)指標(biāo)來看，火燒坪鄉(xiāng)均要大于全縣平均水平，這說明火燒坪鄉(xiāng)居民點(diǎn)不僅規(guī)模大，而且各居民點(diǎn)斑塊大小離散程度也最小，這與其作為中國著名的高山反季蔬菜基地所具備的地形條件和耕作條件密切相關(guān)，此外龍舟坪鎮(zhèn)的MPS和MSI最大，而MNN最小，這一方面彰顯其作為縣政府所在地的經(jīng)濟(jì)集聚優(yōu)勢，另一方面揭示其農(nóng)村居民點(diǎn)斑塊的形狀特征最豐富。

圖1 農(nóng)村居民點(diǎn)布局優(yōu)化流程圖Fig.1 Flow chart for layout optimization of rural residential land

表1 2009 年長陽農(nóng)村居民點(diǎn)景觀指數(shù)分析Tab.1 The analysis of landscape index of rural residential land in 2009

2.4.2 居民點(diǎn)空間分布與環(huán)境因子的量化關(guān)系分析 居民點(diǎn)分布與環(huán)境因子的量化關(guān)系研究主要選取海拔、坡度、坡向、河流和公路等因子。海拔、坡度和坡向量化數(shù)據(jù)的獲取是先將處理好的TIN、坡度圖和坡向圖通過ArcGIS 9.3的Reclassify功能，將柵格數(shù)據(jù)按照確定的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行再分類，再利用ArcGIS 9.3的Raster to Features功能將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Shapefile矢量數(shù)據(jù)，最后利用ArcGIS 9.3的Intersect功能將居民點(diǎn)Shapefile矢量數(shù)據(jù)分別與其進(jìn)行疊加分析；河流和公路量化數(shù)據(jù)的獲取是先利用ArcGIS 9.3的Feature to Point功能將處理好的農(nóng)村居民點(diǎn)Shapefile矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后利用ArcGIS 9.3的Buffer功能分別與道路、河流的Shapefile矢量格式進(jìn)行緩沖分析，結(jié)果見表2。長陽農(nóng)村居民點(diǎn)主要分布在海拔200—1500 m之間，該區(qū)間占居民點(diǎn)總面積的82.43%，海拔低于100 m的地區(qū)鮮有居民點(diǎn)分布；坡度量化顯示居民點(diǎn)主要集中在0°—2°和5°—25°兩個(gè)區(qū)間，分別占總面積的35.99%和53.33%，坡度大于25°的陡坡地段也有9.33%的分布；居民點(diǎn)在坡向上的分布則比較均勻，水平向的相對較多，南向其次，西北向最少；河流緩沖分析主要選取清江及其主要支流，結(jié)果顯示1500 m以內(nèi)為33.38%，1500—5000 m以內(nèi)為43.34%，大于5000 m的居民點(diǎn)比例仍占23.28%，這說明農(nóng)民生產(chǎn)生活用水狀況亟待改善；公路緩沖分析主要選取縣級(jí)以上公路，結(jié)果顯示47.23%農(nóng)村居民生活在距離公路1500 m以內(nèi)的區(qū)域，盡管仍有11.75%的農(nóng)村居民生活在距離公路5000 m以外的區(qū)域，但由于“村村通”的普及，公路對居民點(diǎn)總體分布的影響力逐步減弱。

2.4.3 居民點(diǎn)空間分布與生產(chǎn)及社會(huì)因子的定性分析 本研究選取耕地面積和園地面積兩項(xiàng)生產(chǎn)因子以及城鎮(zhèn)距離、居民點(diǎn)用地規(guī)模、農(nóng)村人口、農(nóng)民人均純收入、居民點(diǎn)擴(kuò)張用地需求、村莊規(guī)劃等級(jí)6項(xiàng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子對長陽農(nóng)村居民點(diǎn)的空間布局進(jìn)行研究。在以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)為主的長陽山區(qū)，農(nóng)村的繁衍生息主要依靠耕地和園地的農(nóng)業(yè)產(chǎn)出來維系，也就是說周圍耕地和園地分布是其最主要的生產(chǎn)環(huán)境。此外，從長陽農(nóng)村居民點(diǎn)的分布特征和可獲得的數(shù)據(jù)資料來看，上述6項(xiàng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子最能反映其農(nóng)村居民點(diǎn)的擴(kuò)張潛力和集聚能力。

2.4.4 居民點(diǎn)空間分布影響因子權(quán)重的確定 居民點(diǎn)空間分布影響因子權(quán)重的確定采用4種方法：第一種是海拔、坡度、坡向、河流、公路，根據(jù)專家判斷，確定等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，并采用“九分制”對各影響因素按9、7、5、3、1進(jìn)行賦分；第二種是城鎮(zhèn)距離，按時(shí)間距離計(jì)算，具體依據(jù)山區(qū)農(nóng)民出行主要的交通方式劃分等級(jí)，并采用與方法一相同的賦分方法；第三種是居民點(diǎn)用地規(guī)模、農(nóng)村人口、農(nóng)民人均純收入、居民點(diǎn)擴(kuò)張用地需求、耕地及園地面積采用大量數(shù)據(jù)研究評價(jià)因子和評價(jià)對象之間的定量關(guān)系，并對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將歸一化的結(jié)果作為該因子的權(quán)重；第四種是村莊規(guī)劃等級(jí)采用因子定性分析法，主要依據(jù)縣級(jí)規(guī)劃和村莊規(guī)劃成果對定性描述結(jié)果進(jìn)行賦分，具體采用與方法一相同的賦分方法。各因子與研究對象等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)和賦分情況見表3。

表2 居民點(diǎn)分布與環(huán)境因子的量化關(guān)系Tab.2 Thequantitativerelationshipbetweenruralresidentiallandandenvironment

表3 居民點(diǎn)分布與影響因子的等級(jí)劃分Tab.3 Theclassificationbetweenruralresidentiallandandinfluentialfactors

2.4.5 居民點(diǎn)空間布局的優(yōu)化配置 Voronoi圖作為一種用于空間分割的幾何結(jié)構(gòu)，已經(jīng)在地理、地質(zhì)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，加權(quán)Voronoi圖則是一種賦予常規(guī)Voronoi圖均質(zhì)發(fā)生元不同權(quán)重后新的空間勢力范圍劃分方式。本文采用的發(fā)生元是從居民點(diǎn)Shapefile矢量文件中提取各行政村最大農(nóng)村居民點(diǎn)用地圖斑，并利用ArcGIS 9.3提供的CalculateGeometry功能獲取每個(gè)斑塊的質(zhì)心坐標(biāo)并轉(zhuǎn)換成點(diǎn)，以此作為生成Voronoi圖的發(fā)生元點(diǎn)集。此外，為維護(hù)農(nóng)村土地權(quán)屬在鄉(xiāng)鎮(zhèn)層面上的完整性，本文采用分區(qū)思想構(gòu)建農(nóng)村居民點(diǎn)的加權(quán)Voronoi圖，具體借助美國喬治亞大學(xué)Mu編寫的wvd2009程序?qū)崿F(xiàn)，見圖2。

圖2顯示，每個(gè)居民點(diǎn)都具有獨(dú)立的勢力范圍，居民點(diǎn)的優(yōu)化可以將該范圍內(nèi)所有的散居點(diǎn)都向發(fā)生元集中，并且這種以勢力范圍為調(diào)整區(qū)域的優(yōu)化方案打破了現(xiàn)有的村莊行政界線，最大程度地實(shí)現(xiàn)了居民點(diǎn)的空間優(yōu)化配置。如果借引Okabe和Sadahiro提出的一種利用Voronoi圖有層次地組織空間數(shù)據(jù)的方法，即從空間點(diǎn)集中最低級(jí)中心開始尋找局部中心，局部中心定義為那些屬性值大于或等于其Voronoi多邊形鄰居屬性值的那些空間點(diǎn)[16]，那么分區(qū)搜尋就會(huì)形成如圖3所示的農(nóng)村居民點(diǎn)空間分布等級(jí)體系，各等級(jí)層次的農(nóng)村居民點(diǎn)如表4。不同等級(jí)層次的集聚點(diǎn)采取不同的優(yōu)化策略，如以龍舟坪村、磨市村和賀家坪村為代表的5個(gè)第一等級(jí)村，作為長陽“十二五”規(guī)劃期間“一區(qū)兩園”建設(shè)的重點(diǎn)城鎮(zhèn)村，擁有完善的基礎(chǔ)設(shè)施和優(yōu)越的地理區(qū)位條件，具備引領(lǐng)全縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心競爭力，必將得到大力發(fā)展；以白氏坪村、津洋口村為代表的15個(gè)第二等級(jí)村，或是一般鄉(xiāng)鎮(zhèn)政府所在地，或是規(guī)劃確定的重點(diǎn)村莊，將主要承擔(dān)緩解重點(diǎn)城鎮(zhèn)村擴(kuò)張壓力和推進(jìn)城鄉(xiāng)發(fā)展一體化的重任，該等級(jí)居民點(diǎn)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先發(fā)展；處于第三等級(jí)的17個(gè)村應(yīng)按照規(guī)劃有條件擴(kuò)展，并依托“增減掛鉤”推動(dòng)田、水、路、林、村綜合整治，改善農(nóng)村生產(chǎn)、生活條件和生態(tài)環(huán)境，增強(qiáng)居民點(diǎn)的集聚能力，努力建設(shè)成為更高等級(jí)的居民點(diǎn)；處于第四等級(jí)的119個(gè)一般行政村受地理?xiàng)l件和自然資源的限制，在規(guī)劃期內(nèi)適當(dāng)予以保留，但應(yīng)限制其發(fā)展，更要防止居民點(diǎn)的無序擴(kuò)張，注重內(nèi)涵挖潛，提高集約利用水平；處于第五等級(jí)的自然村和散居點(diǎn)主要分布于遠(yuǎn)離中心村、中心鎮(zhèn)等交通不便、自然條件差的偏遠(yuǎn)地區(qū)，該等級(jí)居民點(diǎn)應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格禁止新增居住用地，并逐步向勢力范圍內(nèi)等級(jí)更高的農(nóng)村集聚點(diǎn)搬遷。

圖2 農(nóng)村居民點(diǎn)分區(qū)加權(quán)Voronoi圖Fig.2 ThepartitionweightedVoronoidiagram ofruralresidentialland

圖3 不同層次等級(jí)農(nóng)村居民點(diǎn)的空間分布Fig.3 Spatialdistributionofdifferenthierarchy ofruralresidentialland

3 結(jié)論與討論

（1）山區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)是山區(qū)農(nóng)村居民在長期的歷史變遷中與周圍自然環(huán)境、社會(huì)環(huán)境及生產(chǎn)環(huán)境相互作用的足跡，其空間布局研究作為農(nóng)村居民點(diǎn)空間分布特征研究的重要組成部分，可為尋找合理的農(nóng)村居民點(diǎn)區(qū)位和實(shí)現(xiàn)農(nóng)村居民點(diǎn)布局優(yōu)化提供依據(jù)。

（2）景觀分析方法能較好地刻畫山區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)分布特征，GIS空間分析技術(shù)則能實(shí)現(xiàn)對山區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)各種自然影響因素的定量分析。海拔、坡度、坡向以及河流等自然環(huán)境因素是決定山區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)空間選址的關(guān)鍵約束力，而后期形成的道路通達(dá)條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件、區(qū)位條件、規(guī)劃條件、耕作條件等社會(huì)經(jīng)濟(jì)及生產(chǎn)環(huán)境因素是決定其規(guī)模擴(kuò)張的重要驅(qū)動(dòng)力。

表4 各行政村居民點(diǎn)的等級(jí)層次Tab.4 Thehierarchyofruralresidentiallandofdifferentadministrativevillages

（3）以Voronoi多邊形為勢力范圍的優(yōu)化方案能較好地實(shí)現(xiàn)農(nóng)村居民點(diǎn)的空間優(yōu)化配置，并且利用Voronoi圖搜尋局部中心作為更高等級(jí)居民點(diǎn)的優(yōu)化策略，不僅是對居民點(diǎn)優(yōu)化配置進(jìn)行量化研究的一種新嘗試，還對完善農(nóng)村聚落地理學(xué)的中心地理論具有重要意義。

（4）由于所選研究區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)過于分散，在選取Voronoi圖發(fā)生元時(shí)又只是提取了各行政村最大集聚點(diǎn)的質(zhì)心，而忽視了其他規(guī)模較大的集聚點(diǎn)，由此產(chǎn)生的結(jié)果偏差必然存在，并且Voronoi圖在搜尋局部中心時(shí)，由于每個(gè)Voronoi多邊形鄰域范圍內(nèi)不可能同時(shí)存在兩個(gè)高等級(jí)的中心（二者選其更高），因此一些條件較好的行政村“被降級(jí)”，這些問題都需在后續(xù)研究中不斷完善。

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