基于地形起伏度的高原山地鄉(xiāng)村聚落分布特征研究

唐富茜 徐堅(jiān) 楊敏艷

摘 要：鄉(xiāng)村聚落的選址是村民在長期與自然適應(yīng)協(xié)調(diào)過程所作出的選擇，是人居環(huán)境與自然環(huán)境相互適應(yīng)的體現(xiàn)。地形起伏度作為影響人居環(huán)境的重要自然環(huán)境要素之一，在高原山地地區(qū)的作用力尤為顯著。該研究以云南省石屏縣為例，選用窗口分析法，以最佳分析窗口計(jì)算地形起伏度，并通過統(tǒng)計(jì)鄉(xiāng)村聚落在不同地形起伏度區(qū)域內(nèi)的分布密度，分析得出石屏縣鄉(xiāng)村聚落分布密度差異顯著，隨地形起伏度增加呈棱形空間分布特征，旨在為高原山地人居環(huán)境建設(shè)可持續(xù)性發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地形起伏度；高原山地；鄉(xiāng)村聚落；石屏縣

【文章編號(hào)】1627-6868（2016）01-0001-05

Abstract： The location of rural settlements is the choice of villagers who coordinate with natural in long-term， and the embodiment that human environment and natural environment adapt to each other. As one of the important natural environment factors which affect the human environment， relief amplitude has more significant force in plateau mountain area. The paper takes Shiping County in Yunnan province as an example， chooses the method of window analysis， and calculates the relief amplitude by best analysis window. What's more， through the statistics of the distribution density of rural settlements in different relief amplitude area， it analyzes that there is a significant difference in the distribution density of rural settlements in Shiping County. And with the increasing of relief amplitude， the space distribution characteristic of rural settlements is prismatic. The paper aims at providing a scientific basis for the sustainable development of human environment construction in plateau mountain area.

Keywords：relief amplitude； plateau mountain； rural settlements； Shiping County

地形起伏度，又稱地表起伏度，是區(qū)域海拔高度和地表切割程度的綜合表征，在不同空間尺度上，影響著水、熱、光照、植被、地質(zhì)災(zāi)害等的分布與發(fā)展，同時(shí)制約著農(nóng)業(yè)、水利、交通與城市建設(shè)、人口分布等[1-2]。封志明等學(xué)者認(rèn)為地形起伏度是影響人口、經(jīng)濟(jì)分布的重要因素之一，并把其納入了中國人居環(huán)境自然適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

高原山地兼具山地和高原的特征，具有大面積的隆起，同時(shí)表面形態(tài)奇特多樣，既受到因高度引起的垂直地帶性規(guī)律的制約，又受各種地形、坡度和山脈走向的影響，所處自然環(huán)境更為復(fù)雜、惡劣[3]。因此，高原山地地區(qū)地形起伏度，相較于平原或一般山地地區(qū)，對(duì)建設(shè)活動(dòng)影響作用力更大，造成建設(shè)難度高、成本大、工程處理復(fù)雜等問題。

高原山地鄉(xiāng)村聚落的分布是村民在與自然長期適應(yīng)協(xié)調(diào)過程中，綜合考慮自然環(huán)境與人居環(huán)境而選定的，其分布規(guī)律反映了人居環(huán)境與自然環(huán)境相互適應(yīng)關(guān)系，體現(xiàn)了村民在選址中樸素的可持續(xù)發(fā)展觀，受政策及規(guī)劃建設(shè)的影響最小[4]。

對(duì)高原山地地形起伏度與鄉(xiāng)村聚落分布的關(guān)系進(jìn)行深入研究，將強(qiáng)化建設(shè)活動(dòng)對(duì)自然生態(tài)環(huán)境的保護(hù)意識(shí)，優(yōu)化鄉(xiāng)村聚落空間布局，為高原山地人居環(huán)境建設(shè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1.研究區(qū)概況

石屏縣地處云南省南部，紅河州西北部，位于東經(jīng)102°08′～102°43′，北緯23°19′～24°06′之間。石屏縣歷史悠久，在西漢時(shí)稱“舊欣”，至今已有數(shù)千年的歷史；文化積淀深厚，明清兩代即被稱為“文獻(xiàn)在茲”、“文獻(xiàn)名區(qū)”、“文學(xué)南滇第一州”。1999年石屏古城被評(píng)為云南省省級(jí)歷史文化名城；2015年古城街區(qū)被評(píng)為國家級(jí)歷史文化街區(qū)；現(xiàn)已有15個(gè)鄉(xiāng)村聚落被評(píng)為國家級(jí)傳統(tǒng)村落。

石屏全縣總面積3037km2，其中：山地面積占總面積的94.65%，“九分山有余，一分壩不足”。縣境內(nèi)地貌始于喜馬拉雅造山運(yùn)動(dòng)，形成山間斷陷盆地。地勢(shì)以山多地少、山河相間、嶺谷并列、高差懸殊、起伏大、垂直明顯為特點(diǎn)。大橋河以南、五郎溝河以北為中山湖盆地貌，五郎溝河以南屬巖溶山原地貌。北、西、南三面受河流強(qiáng)烈切割，多高山深谷，群峰突起，山勢(shì)陡峻[5]。

2.數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)的來源與預(yù)處理

2.1.1 數(shù)據(jù)的來源

本研究所使用的數(shù)據(jù)包括石屏縣行政區(qū)劃圖、ASTER GDEM數(shù)據(jù)、石屏縣1：500分幅遙感影像以及部分村莊規(guī)劃數(shù)據(jù)。其中，ASTER GDEM數(shù)據(jù)是由日本METI和美國NASA聯(lián)合研制并免費(fèi)面向公眾分發(fā)，投影方式是WGS84，空間分辨率為30m，來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站（http：//www.gscloud.cn）；矢量化的石屏縣行政區(qū)劃圖、村莊規(guī)劃數(shù)據(jù)和1：500分幅遙感影像均由云南省山地城鎮(zhèn)區(qū)域規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院提供。

2.1.2 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

為確保輸出的圖形是統(tǒng)一的投影方式和精度，本研究均采用通用橫軸墨卡托投影（WGS_1984_UTM_Zone_48N），柵格大小為30m×30m。借助ArcGIS10.2軟件對(duì)所有圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行投影、配準(zhǔn)、拼接、裁剪、柵格重采樣、矢量化等預(yù)處理。

2.2 石屏縣地形起伏度的計(jì)算

2.2.1 地形起伏度的計(jì)算公式

公式（1）中，RDLS表示地形起伏度，ALT代表以某一柵格單元為中心的一定區(qū)域內(nèi)的平均海拔（m），Max（H）、Min（H）分別表示該區(qū)域內(nèi)的最高海拔（m）和最低海拔（m），P（A）為該區(qū)域內(nèi)的平地面積（km2），A則為區(qū)域總面積（km2）[6]。

2.2.2 窗口分析

地形起伏度的計(jì)算通常是借助窗口分析法得以實(shí)現(xiàn)。分析窗口形狀、大小的變化，都將影響到所研究區(qū)域內(nèi)地形起伏度的結(jié)果。因此，確定一個(gè)最佳大小的分析窗口是地形起伏度提取算法中的核心步驟和決定區(qū)域地形起伏度提取效果與有效性的關(guān)鍵[7]。本研究結(jié)合規(guī)則窗口遞增法和均值變點(diǎn)分析法確定最佳分析窗口。

將分析窗口設(shè)置為3×3、5×5……69×69的一系列分析尺度，依次得到各分析窗口尺度下 [Max（H）- Min（H）]數(shù)據(jù)層平均值，以此獲得分析窗口單元面積與最大高差均值的關(guān)系（表1），并對(duì)其進(jìn)行對(duì)數(shù)方程擬合，得出擬合曲線（圖1）。

根據(jù)以往的研究表明，該擬合曲線呈邏輯斯蒂克曲線，最佳分析窗口即在該曲線變化由陡變緩的拐點(diǎn)處[8]。判定拐點(diǎn)應(yīng)用較多的方法為均值變點(diǎn)分析法。計(jì)算方法為：一組數(shù)據(jù)數(shù)列{xi}，其中i= 1，2…N，N為樣本數(shù)。以樣本xi點(diǎn)為界分為兩段，分別計(jì)算每段樣本及總樣本的算術(shù)平均值xi1、xi2、x，并計(jì)算統(tǒng)計(jì)量：

公式（2）、（3）中，下腳標(biāo) t1=1，2，…，i-1；t2=i，i+1，…，N. Si和S為均值變點(diǎn)分析法的中間計(jì)算值。變點(diǎn)的存在會(huì)使S和Si的差距增大，在兩者差值（S-Si）最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)即為變點(diǎn)[1、9]。

通過均值變點(diǎn)分析法計(jì)算得到圖2所示的曲線。從圖中曲線可以確定當(dāng)序列點(diǎn)i=11時(shí)，S-Si為最大值，即石屏縣地形起伏地最佳分析窗口大小為23dpi×23dpi，面積0.47km2。

2.2.3 地形起伏度各因子數(shù)據(jù)層的提取

（1）平均海拔和最大高差的提取

運(yùn)用ArcGIS的 Block Statistics工具統(tǒng)計(jì)最佳分析窗口內(nèi)海拔的平均值，生成ALT數(shù)據(jù)層。最大高差[Max（H）- Min（H）]數(shù)據(jù)層在提取最佳分析窗口時(shí)已經(jīng)獲取。

（2）平地面積的提取

根據(jù)用地建設(shè)對(duì)坡度的要求，該研究定義坡度在8%以下的區(qū)域視為平地，其他的區(qū)域?yàn)榉瞧降?。運(yùn)用Slope工具得到坡度數(shù)據(jù)層，再利用Reclassify工具對(duì)坡度數(shù)據(jù)層進(jìn)行重分類，把不參與分析的非平地區(qū)域設(shè)置為Nodata，然后將單個(gè)柵格面積乘以平地柵格個(gè)數(shù)，即為平地面積P（A）數(shù)據(jù)層[10]。

2.2.4地形起伏度的提取

按照公式（1）將前面各步驟所得到的數(shù)據(jù)層輸入到Raster Calculator工具中，實(shí)現(xiàn)石屏縣地形起伏度的提取。

2.3 石屏縣鄉(xiāng)村聚落分布密度計(jì)算

綜合村莊規(guī)劃、影像圖等數(shù)據(jù)，在石屏縣行政區(qū)劃圖中標(biāo)注鄉(xiāng)村聚落分布的位置，并賦予國土面積等相關(guān)屬性，得到石屏縣鄉(xiāng)村聚落布點(diǎn)數(shù)據(jù)層。將其與地形起伏度數(shù)據(jù)層疊加，再運(yùn)用Extract Value to point工具提取鄉(xiāng)村聚落所在地的地形起伏度，分類統(tǒng)計(jì)不同地形起伏度的鄉(xiāng)村聚落數(shù)量。對(duì)地形起伏度進(jìn)行重分類，統(tǒng)計(jì)面積，計(jì)算鄉(xiāng)村聚落分布密度。

3.結(jié)果分析

3.1 石屏縣地形起伏地的分布特征

由圖3可知，石屏縣的地形起伏度值介于0.26-3.08之間，區(qū)域差異明顯，總體呈現(xiàn)由中部湖盆地區(qū)向南北兩向遞增的趨勢(shì)，西部、北部以及南部地區(qū)的地形起伏度值高于東部地區(qū)。其中，地形起伏度高值區(qū)主要位于北部坡龍山、尼白木山和南部大冷山三大山系，其次是東北部的老黑山、西部大梁子山以及中部的硯瓦山地區(qū)，低值區(qū)主要分布于大橋河、八抱樹河、大塘河、五郎溝河、小河底河、元江等河谷地帶。

3.2石屏縣鄉(xiāng)村聚落分布特征

3.2.1 鄉(xiāng)村聚落空間分布集散性差異顯著

石屏縣鄉(xiāng)村聚落主要集中分布在中部異龍湖周邊的湖盆地區(qū)以及高山與河流、山谷相間的緩沖地帶，地形起伏度較大的高山地區(qū)相對(duì)較少。受地形起伏度的影響，鄉(xiāng)村聚落空間分布集散表現(xiàn)出顯著的差異性（圖4）。

中部湖盆地區(qū)是沿東西向延伸呈塊狀分布的區(qū)域，面積較大，整體地形起伏度變化較小，適合人居環(huán)境建設(shè)，是全縣范圍內(nèi)鄉(xiāng)村聚落分布集聚性最大的區(qū)域，包括異龍鎮(zhèn)的北部、寶秀鎮(zhèn)的東部、壩心鎮(zhèn)的中部和大橋鄉(xiāng)的東南地區(qū)；山河相間、嶺谷并列地區(qū)，地形起伏度變化較大，鄉(xiāng)村聚落多分布于高山與河流、山谷相間、地形起伏度適中的緩沖地帶，呈帶狀分布。其中，山河相間地區(qū)的鄉(xiāng)村聚落分布的集聚性要高于嶺谷并列的地區(qū)。集聚性較大的區(qū)域包括新城鄉(xiāng)的中部、牛街鎮(zhèn)的鎮(zhèn)區(qū)周邊以及龍武鎮(zhèn)的北部地區(qū)，其他區(qū)域分布較為分散；地形起伏度較大的高山地區(qū)，受地形起伏度等因素的制約，鄉(xiāng)村聚落零星分布，包括北部的尼白木山、坡龍山和南部大冷山等地區(qū)。

3.2.2鄉(xiāng)村聚落密度分布差異顯著

由于石屏縣境內(nèi)多山地，地形起伏度較大，居民居住較為分散，鄉(xiāng)村聚落數(shù)量較少，全縣鄉(xiāng)村聚落平均分布密度僅為0.29個(gè)/km2，且鄉(xiāng)村聚落密度分布差異顯著（圖5）。

石屏縣鄉(xiāng)村聚落密度由中部湖盆地區(qū)向南北兩側(cè)遞減。環(huán)異龍湖周邊地區(qū)，鄉(xiāng)村聚落分布密度較大，形成了密度為0.64-2.22個(gè)/km2的密集中心區(qū)，呈環(huán)狀逐步向外圍遞減。北部的尼白木山和坡龍山、西部大梁子山以及南部大冷山等地形起伏度較大的地區(qū)以及元江沿江地帶，鄉(xiāng)村聚落分布密度較小，密度均小于0.1個(gè)/km2。

3.2.3鄉(xiāng)村聚落分布隨地形起伏度的遞增，呈棱形的分布特征

石屏縣鄉(xiāng)村聚落分布在地形起伏度值介于0.67-2.49之間的區(qū)域。隨著地形起伏度的遞增，鄉(xiāng)村聚落分布密度呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)。地形起伏度值在0.67-1.40之間，鄉(xiāng)村聚落的分布密度上下波動(dòng)，總體呈上升趨勢(shì)；地形起伏度值在1.41時(shí)，鄉(xiāng)村聚落的分布密度陡然增加。地形起伏度值在1.41-1.48之間，鄉(xiāng)村聚落的分布密度變化趨于平緩，且分布密度處于全縣范圍內(nèi)的最大值；地形起伏度值在1.49-1.98之間，鄉(xiāng)村聚落的分布密度開始呈下降趨勢(shì)；地形起伏度值在1.99-2.49之間，鄉(xiāng)村聚落的分布密度變化趨于平緩，分布密度居于全縣最低值（圖6）。

4.結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

（1）通過地形起伏度的計(jì)算得出，石屏縣地形起伏度呈現(xiàn)中間低，南北高的空間格局，與石屏南北山區(qū)、中部壩區(qū)的高-低-高的地形空間特征吻合。

（2）通過鄉(xiāng)村聚落布點(diǎn)及其在地形起伏度上的分布密度計(jì)算，分析得出石屏縣鄉(xiāng)村聚落分布特征：①鄉(xiāng)村聚落主要集中分布在中部異龍湖周邊的湖盆地區(qū)以及高山與河流、山谷相間的緩沖地帶；②地形起伏度變化越小的地區(qū)，鄉(xiāng)村聚落分布越集聚；③鄉(xiāng)村聚落密度分布差異顯著，由中部湖盆地區(qū)向南北兩側(cè)遞減，受地形起伏度作用明顯；④鄉(xiāng)村聚落分布隨地形起伏度的增加，呈棱形分布特征。在地形起伏度適中的區(qū)域，地形起伏度值介于1.41-1.48之間，鄉(xiāng)村聚落分布密度最大。并隨著地形起伏度的增加或減少，鄉(xiāng)村聚落分布密度開始減小。

4.2 討論

在研究過程中，因部分遙感影像圖云量較大以及配準(zhǔn)過程中存在的誤差，鄉(xiāng)村聚落的數(shù)量與分布位置與實(shí)際存在有一定的誤差。鄉(xiāng)村聚落的分布規(guī)模受地形起伏度影響較大，是描述鄉(xiāng)村聚落的分布特征之一，在本研究中未有涉及，需要在未來進(jìn)一步研究。

高原山地地區(qū)高原呈波濤狀、高山峽谷相間、地勢(shì)隨地形地貌呈階梯（大幅）遞降、眾多斷陷盆地星羅棋布、山川湖泊縱橫，生境復(fù)雜多樣[11]。在開發(fā)建設(shè)過程中，如果不注重對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，容易造成“破壞性建設(shè)”和“建設(shè)性破壞”。高原山地地區(qū)地形起伏度對(duì)人居環(huán)境建設(shè)制約作用尤為明顯，研究其與鄉(xiāng)村聚落分布的關(guān)系，既有利于鄉(xiāng)村聚落空間布局優(yōu)化，又為高原山地的開發(fā)建設(shè)提供理論指導(dǎo)。

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