秦嶺山區(qū)路網(wǎng)空間格局及其對鄉(xiāng)村聚落破碎化的影響分析

劉 超，楊海娟，王子僑，楊慶會(huì)

西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,陜西西安 710127

目前，中國仍有7.13×108農(nóng)村人口以及上百萬個(gè)村落與集鎮(zhèn)，農(nóng)村人口占全國總?cè)丝诘谋戎厝愿哌_(dá)53.4%，鄉(xiāng)村聚落依然是中國人口的主要聚居形式[1-2]。但農(nóng)村居民點(diǎn)存在的的建設(shè)缺乏規(guī)劃、一戶多宅、閑置土地比重高、空心村等問題嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展[3]。城市化離不開對鄉(xiāng)村尤其是城郊鄉(xiāng)村所產(chǎn)生的影響,道路作為城鄉(xiāng)物質(zhì)與能量交換的橋梁，是城市帶動(dòng)農(nóng)村發(fā)展的重要媒介，作為城市與農(nóng)村共享的基礎(chǔ)設(shè)施，其不斷完善是農(nóng)村城鎮(zhèn)化的重要標(biāo)志，是城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展的有效推動(dòng)力。與此同時(shí)，交通發(fā)展改變了道路沿線原有土地的價(jià)值，增值后的土地吸引資本投入，進(jìn)而促進(jìn)沿線土地利用方式的轉(zhuǎn)變，使農(nóng)戶“沿路建房”的現(xiàn)象日益增多[4,5],給鄉(xiāng)村聚落的布局帶來了新的變化。

學(xué)者對道路的研究主要集中在以下三方面：第一，道路網(wǎng)絡(luò)的分布特征研究。如曹龍熹等研究了黃土高原典型小流域內(nèi)各級(jí)道路的分布規(guī)律[6]，劉世梁等研究了縱向嶺谷區(qū)云南核心區(qū)道路網(wǎng)絡(luò)的空間分布差異[7]；第二，道路帶來的生態(tài)效應(yīng)研究。如李雙成等統(tǒng)計(jì)分析了中國道路網(wǎng)與生態(tài)系統(tǒng)破碎化關(guān)系[8]，劉世梁等研究了道路對景觀的影響及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[9]，張世遠(yuǎn)等對城市道路兩側(cè)土壤重金屬污染進(jìn)行了評價(jià)[10]；第三，道路產(chǎn)生的社會(huì)效應(yīng)研究。如王紅等分析了道路對縣域人口分布的影響[11]，楊忠臣等探討了高速公路建設(shè)與區(qū)域城鎮(zhèn)分布的相互影響[12]，盧青等研究了經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)道路對兩側(cè)農(nóng)村居民點(diǎn)演變的影響[13]。這些研究為本研究提供了一定的理論基礎(chǔ)，本研究利用GIS技術(shù)中核密度估算法求得道路網(wǎng)絡(luò)密度，以此為指標(biāo)反映道路空間分布特征，并研究該區(qū)路網(wǎng)分布特征對鄉(xiāng)村聚落景觀破碎度的影響，這不僅是道路發(fā)展帶來的景觀效應(yīng)研究有效補(bǔ)充，而且為山地路網(wǎng)建設(shè)與規(guī)劃、農(nóng)村居民點(diǎn)用地集約利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，從而加強(qiáng)城鎮(zhèn)建設(shè)，推動(dòng)城鄉(xiāng)一體化發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

商州區(qū)位于陜西省的東南部、地處秦巴山區(qū)，山地較多，是商洛市政府所在地，是全市的政治、經(jīng)濟(jì)、文化和交通中心。該區(qū)域地理區(qū)位優(yōu)越，地處西安—武漢—鄭州大經(jīng)濟(jì)圈的中心部位，是關(guān)中經(jīng)濟(jì)帶和西安都市宜居圈的重要組成部分。境內(nèi)已形成以鐵路、公路為主的交通網(wǎng)絡(luò)，2010年底，境內(nèi)鐵路里程60 km，公路里程2007 km，其中高等級(jí)公路92.3 km。全區(qū)轄4個(gè)街道辦事處、16個(gè)建制鎮(zhèn)和10個(gè)鄉(xiāng)，總?cè)丝?5.01萬人，占全市的22.47%，其中農(nóng)業(yè)人口36.14萬。土地總面積為2644.36 km2，農(nóng)村居民點(diǎn)用地面積為53.04km2，占全區(qū)面積的2.01%。地勢西北高、東南低，其中山地丘陵占土地面積的80.8%，河谷川塬地區(qū)所占比重小，以中、低山體的土石山區(qū)的地貌給商州區(qū)的道路建設(shè)帶來一定的困難。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于2010年商州區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒，采用的影像數(shù)據(jù)是通過中國科學(xué)院國際信息數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)網(wǎng)站獲取的Landsat TM遙感數(shù)據(jù)（分辨率30 m）。通過Erdas軟件以1:75000地形圖為參考基準(zhǔn)，對影像進(jìn)行幾何糾正、精度評估、分幅裁切和真彩色合成得到2010年商州區(qū)影像圖，并進(jìn)行目視解譯法，獲取道路（不含村道）和鄉(xiāng)村聚落空間信息。利用商州區(qū)1:75000地形圖在ArcGIS中矢量化等高線，轉(zhuǎn)換為 TIN，再插值為DEM，基于Zonal Statistics工具統(tǒng)計(jì)各鎮(zhèn)（鄉(xiāng)）的平均海拔高度。

2.2 研究方法

2.2.1 核密度(KDE)估算方法 核密度估算法[14-15](kernel density estimation,KDE)主要是借助一個(gè)移動(dòng)窗口，計(jì)算并輸出每個(gè)柵格單元的點(diǎn)或線密度。一般定義為:設(shè)x1，…，xn是從分布密度函數(shù)為 f的總體中抽取的獨(dú)立同分布(iid)樣本，估計(jì) f在某點(diǎn)x 處的值 f(x)，通常有Rosenblatt-Parzen核估計(jì):

每個(gè)事件對圓域內(nèi)各個(gè)柵格的密度貢獻(xiàn)值；4)對每個(gè)柵格的密度值進(jìn)行賦值，其值為該柵格搜索半徑范圍內(nèi)各個(gè)事件對該柵格的密度貢獻(xiàn)值的累加；5)輸出每個(gè)柵格的密度值。

2.2.2 鄉(xiāng)村聚落景觀破碎度計(jì)算 鄉(xiāng)村聚落是聚落景觀的重要組成部分，景觀破碎化常表現(xiàn)為景觀斑塊密度的增加、斑塊面積的減小、邊界密度的增加以及斑塊集聚度的降低等，因此可以用景觀格局指數(shù)法中斑塊密度(PD)、平均斑塊面積(MPS)、邊界密度(ED)以及斑塊聚集度(CI)等指數(shù)作為景觀破碎化的指標(biāo)[16]，公式如下：在KDE估算中，帶寬h的確定或選擇對于計(jì)算結(jié)果影響很大，隨著 h的增加，空間上點(diǎn)密度的變化更為光滑，但會(huì)掩蓋密度的結(jié)構(gòu)；h減小時(shí)，估計(jì)點(diǎn)密度變化突兀不平。在具體的應(yīng)用中需根據(jù)不同的h值進(jìn)行試驗(yàn)，以尋求能與實(shí)際情況較吻合的核密度曲面。具體方法是:1)定義一個(gè)搜索半徑，以滑動(dòng)的圓來統(tǒng)計(jì)出落在圓域內(nèi)的事件數(shù)量；2)根據(jù)密度精度要求，確定輸出柵格大?。?)通過核函數(shù)計(jì)算出

上述式中,E為鄉(xiāng)村聚落斑塊的邊界長度,N表示研究區(qū)鄉(xiāng)村聚落斑塊總數(shù),A表示研究區(qū)鄉(xiāng)村聚落總面積,Pij是隨機(jī)選擇的兩個(gè)相鄰柵格單元屬于類型i與j的概率。

3 結(jié)果與分析

3.1 最佳帶寬的選擇

本文選擇帶寬1km、2 km和3km進(jìn)行對比(圖1)，從而確定最佳的帶寬來分析商州區(qū)的路網(wǎng)格局特征。從圖中可以得出,帶寬為1 km的最大密度值是3.5,帶寬為2 km的最大密度值是2.79,帶寬為3 km的最大密度值是1.75。在核密度(KDE)估算中，帶寬越小,在帶寬內(nèi)的密度值就越大,密度值曲線越突兀；帶寬越大,在帶寬內(nèi)的密度值就越小,密度值曲線越光滑。以2 km作為帶寬,能清晰的辨別出路網(wǎng)的密度中心,比較明顯的反映路網(wǎng)核密度的等級(jí)差異。

3.2 道路空間格局特征

由路網(wǎng)核密度圖與行政區(qū)圖疊加分析數(shù)據(jù)可看出，商州區(qū)絕大部分地區(qū)的道路密度低于全國平均水平0.2 km/km2［17］，少部分地區(qū)的道路核密度較高，道路交通對這些地區(qū)的發(fā)展有很高的支撐能力和保障水平。由道路核密度的空間分布（如圖2）可以看出:板橋鎮(zhèn)、白楊店鎮(zhèn)、夜村鎮(zhèn)和孝義鎮(zhèn)為道路密度高值集聚區(qū)，這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要分布在河谷川塬地區(qū)，地勢平坦，施工難度小。其次是劉灣街道辦事處、城關(guān)街道辦事處、大趙峪街道辦事處、沙河子鎮(zhèn)、楊峪河鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)是商州區(qū)的中心城區(qū)，經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)，人口密度高，交通發(fā)展迅速。腰市鎮(zhèn)、牧護(hù)關(guān)鎮(zhèn)及硯池河鄉(xiāng)、黑山鎮(zhèn)等是道路密度低值區(qū)，這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)多處山區(qū)，地勢起伏大，人口較少,交通發(fā)展滯后。這從總體上揭示了商州區(qū)道路網(wǎng)絡(luò)在空間分布上具有不均衡性，呈現(xiàn)一“核”（板橋鎮(zhèn)）多“極”（大趙峪街道辦事處、白楊店鎮(zhèn)、夜村鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)）的態(tài)勢，道路網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)的地區(qū)集聚于中部及東南部，道路網(wǎng)絡(luò)稀疏的地區(qū)則聚集在北部、西南部；且道路密度高值集聚區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)部公路網(wǎng)密度差異也相對顯著，如沙河子鎮(zhèn)、白楊店鎮(zhèn)、夜村鎮(zhèn)和孝義鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，這些地區(qū)路網(wǎng)尚未連接成面，內(nèi)部未能完全均質(zhì)化，并且覆蓋面積小。

圖2 商州區(qū)路網(wǎng)空間格局Fig.2 Spatial distribution of road network in Shangzhou Distrcit

3.3 不同輻射范圍的景觀破碎度

利用GIS中的空間分析技術(shù)，參考國內(nèi)外學(xué)者對道路影響帶的界定,并結(jié)合秦嶺山區(qū)的實(shí)際特點(diǎn)，選取了500 m道路等距緩沖區(qū)作為景觀分析的范圍[18]，劃分為500、500～1000、1000～1500、1500～2000、2000～2500、2500～3000、3000～3500、3500～4000、4000～4500、>4500km等10個(gè)緩沖帶，與鄉(xiāng)村聚落圖層疊加分析，獲取在各緩沖帶的鄉(xiāng)村聚落斑塊，利用景觀結(jié)構(gòu)分析軟件 Fragstats 4.0計(jì)算相關(guān)指數(shù)，對其破碎度進(jìn)行分析，得到的結(jié)果如表1所示。可以看出在道路緩沖區(qū)半徑為500m時(shí),鄉(xiāng)村聚落平均斑塊面積7.83hm2，斑塊密度為0.13個(gè)/hm2，邊界密度18.38 km/km2，聚集度91.25；隨著緩沖區(qū)半徑的增加平均斑塊面積逐漸減少，斑塊密度、邊緣密度不斷增大，聚集度也不斷下降。這反映了道路輻射范圍不同，鄉(xiāng)村聚落的景觀破碎度不同，即隨著道路輻射能力的減弱，鄉(xiāng)村聚落的景觀破碎度逐漸加劇。這是因?yàn)榫嚯x道路近，居民出行方便，有利于與外界進(jìn)行物質(zhì)、信息的交換。隨著距離道路越遠(yuǎn)，居民出行成本增加，鄉(xiāng)村聚落布局就越分散。

表1 不同道路緩沖區(qū)的景觀破碎化指數(shù)Table 1 Landscape fragmentation index in different buffer zones of distance

3.4 不同路網(wǎng)密度的景觀破碎度

根據(jù) KDE估算所得的區(qū)域道路核密度分布，將區(qū)域路網(wǎng)按照道路密度值劃分為連續(xù)的0～0.2、0.21～0.55、0.56～0.83、0.84～1.11、1.12～1.39、1.40～1.67、1.68～1.95、1.96～2.23、2.24～2.51、2.52～2.79等 10個(gè)等級(jí)，與鄉(xiāng)村聚落圖層疊加分析后，求得不同等級(jí)區(qū)域內(nèi)的景觀破碎度指數(shù)（表2）。

表2 不同路網(wǎng)等級(jí)的鄉(xiāng)村聚落景觀破碎化指數(shù)Table 2 Landscape fragmentation index in different grades of road network

可以得出：隨著路網(wǎng)密度等級(jí)的提高，景觀斑塊密度、邊界密度逐漸減少，平均斑塊面積和景觀聚集度指數(shù)均呈現(xiàn)不同程度的上升。從景觀破碎度水平上看，平均斑塊面積在道路密度等級(jí)1（0～0.27）的區(qū)域中最小，為4.095 hm2,等級(jí)2～10的區(qū)域平均斑塊面積逐步增加；斑塊密度在道路密度等級(jí)1～3級(jí)(0～0.83)中的變化幅度不大，略有所減少；從第4個(gè)等級(jí)開始，景觀斑塊密度明顯減少，路網(wǎng)密度越高，斑塊密度變化越明顯；類似的規(guī)律同樣出現(xiàn)在邊界密度的變化上。而景觀聚集度方面，在1～5級(jí)等級(jí)密度路網(wǎng)變化不顯著，隨著路網(wǎng)密度的增加，景觀聚集度都有不同程度的上升。這從整體上說明了不同道路密度下鄉(xiāng)村聚落景觀破碎度具有空間差異性，隨著路網(wǎng)密度的增加，景觀破碎度不斷下降。

4 結(jié)論

道路和鄉(xiāng)村聚落是陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要的人文景觀,本文采用核密度估算法、GIS空間分析技術(shù)與景觀指數(shù)方法，探討商州區(qū)的路網(wǎng)空間分布特征及其對鄉(xiāng)村聚落景觀破碎度產(chǎn)生的影響,能在一定層面上揭示秦嶺山區(qū)道路發(fā)展?fàn)顩r及鄉(xiāng)村聚落的空間布局特征,為山區(qū)路網(wǎng)科學(xué)合理的規(guī)劃與建設(shè)提供借鑒。結(jié)果表明：

（1）基于帶寬h=2 km的KDE的道路密度能直觀、形象地反映秦嶺山區(qū)道路網(wǎng)絡(luò)的空間分布特征，且與區(qū)域鄉(xiāng)村聚落景觀破碎度之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性。

（2）商州區(qū)的路網(wǎng)在空間分布上具有不均衡性，總體上呈分支狀分布，呈現(xiàn)一“核”多“極”的發(fā)展態(tài)勢，道路高密度區(qū)集中在中部、東南部，而東部和西南部的路網(wǎng)密度較低，這與該研究區(qū)的地形有著密不可分的聯(lián)系。

（3）對道路做緩沖區(qū)來研究道路輻射能力范圍對鄉(xiāng)村聚落景觀破碎度的影響，結(jié)果表明不同緩沖區(qū)內(nèi)的鄉(xiāng)村聚落景觀破碎度指數(shù)（PD、MPS、ED和CI）均有顯著差異，即隨著道路輻射能力的減弱，鄉(xiāng)村聚落的景觀破碎度逐漸加劇。

（4）商州區(qū)路網(wǎng)密度對鄉(xiāng)村聚落景觀破碎度，隨著路網(wǎng)密度等級(jí)的提高,景觀斑塊密度和邊界密度不斷減小并且變化幅度逐漸加強(qiáng)，平均斑塊面積和景觀聚集度指數(shù)均呈現(xiàn)不同程度的上升，即隨著路網(wǎng)密度等級(jí)的提高，景觀破碎度逐漸下降。

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