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    基于MCR模型和加權(quán)Voronoi圖的農(nóng)村居民點(diǎn)空間布局優(yōu)化

    2018-04-13 00:37:45趙小敏孫見偉
    江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018年6期
    關(guān)鍵詞:都昌縣居民點(diǎn)阻力

    許 婷, 饒 磊, 趙小敏, 孫見偉, 孫 凱, 郭 熙

    (江西農(nóng)業(yè)大學(xué)鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西南昌 330045)

    農(nóng)村居民點(diǎn)作為農(nóng)村人口聚居的場所,是農(nóng)民生產(chǎn)和生活的載體,是農(nóng)村人地關(guān)系的核心表現(xiàn)[1-2]。目前農(nóng)村居民點(diǎn)存在著布局分散、規(guī)模小、數(shù)量大、滿天星的格局,并且分布形態(tài)呈向外蔓延的趨勢,在一定程度上造成土地的粗放利用和耕地?cái)?shù)量的下降[3-4]。研究農(nóng)村居民點(diǎn)布局優(yōu)化是集約利用建設(shè)用地、增加耕地面積、優(yōu)化土地資源空間結(jié)構(gòu)的重要內(nèi)容[5]。近年來,許多學(xué)者站在不同角度對農(nóng)村居民點(diǎn)的布局調(diào)整進(jìn)行了大量研究。一些學(xué)者從農(nóng)村居民點(diǎn)所處地形區(qū)不同的角度來進(jìn)行研究,如平原區(qū)[6]、丘陵區(qū)[7]、低山丘陵區(qū)[8-9]、低山-丘陵-平原交錯區(qū)[10]、黃土高原丘陵溝壑區(qū)[11]等;一些學(xué)者對不同尺度的評價(jià)單元進(jìn)行研究,如沈陳華等以鄉(xiāng)(鎮(zhèn))為評價(jià)單元對農(nóng)村居民點(diǎn)進(jìn)行研究[1,12-13],而曲衍波等以村鎮(zhèn)為評價(jià)單元分別以北京市平谷區(qū)和江蘇省南京市六合區(qū)為研究區(qū)域?qū)r(nóng)村居民點(diǎn)整理類型和時(shí)序進(jìn)行研究[5,14];還有些學(xué)者通過利用不同的研究方法進(jìn)行探索,如沈陳華應(yīng)用地理信息系統(tǒng)(geographic information system,簡稱GIS)空間分析方法和Ripley’s K函數(shù)分析法研究農(nóng)村居民點(diǎn)空間布局特征[1];朱彬等采用柵格成本加權(quán)距離算法研究農(nóng)村居民點(diǎn)空間格局可達(dá)性[15];王陽等用Topsis法和時(shí)間管理優(yōu)先矩陣法研究農(nóng)村居民點(diǎn)的整理時(shí)序[16];石詩源等利用人均用地指標(biāo)法和限制條件修正系數(shù)法對農(nóng)村居民點(diǎn)整理潛力進(jìn)行測算[17]。

    本研究在前人的基礎(chǔ)上,以典型的鄱陽湖地區(qū)水域占地面積較大的江西省都昌縣為研究對象,以農(nóng)村居民點(diǎn)現(xiàn)狀為源,建立最小累計(jì)阻力模型,研究都昌縣農(nóng)村居民點(diǎn)的擴(kuò)張阻力并劃分研究區(qū)居民點(diǎn)布局適宜性。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合加權(quán)Voronoi多邊形的勢力范圍規(guī)劃農(nóng)村居民點(diǎn)的安置,從而優(yōu)化農(nóng)村居民點(diǎn)的空間布局,對開展土地整治、提高土地資源的有效利用具有重要意義。

    1 材料與方法

    1.1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)處理

    都昌縣(28°50′28″~29°38′00″N,116°01′34″~116°38′27″E)位于江西省九江市,地處鄱陽湖東北部,包含鄱陽湖1/3的水域,陸地部分以平原、丘陵為主,地勢北高南低,逐次為低山-

    高丘-低丘-平原-湖泊。2014年年末,全縣人口總數(shù)為810 480人,占全市人口總數(shù)的16.86%,其中農(nóng)業(yè)人口為 683 419人,非農(nóng)業(yè)人口為127 061人;縣域下轄24個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn)),包括1個(gè)縣直轄鄉(xiāng),另外還有2個(gè)林場、1個(gè)良種場和鄱陽湖部分水域。全縣土地總面積為222 685.78 hm2,其中農(nóng)村居民點(diǎn)用地面積為8 527.42 hm2,占城鄉(xiāng)建設(shè)用地總面積的79.86%??紤]到農(nóng)村居民點(diǎn)建設(shè)的成本和居民安全性,本研究扣除不能作為農(nóng)村居民點(diǎn)選址的水域和水庫水面面積,最終研究區(qū)的土地凈面積為186 054.96 hm2。

    本研究使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括都昌縣1 ∶10 000土地利用變更數(shù)據(jù)(2014年)、都昌縣土地利用總體規(guī)劃(2006—2020年)、都昌縣基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)圖(2014年)、江西省 1 ∶75 000 地形圖以及都昌縣統(tǒng)計(jì)年鑒(2014年)。

    本研究采用以下方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理:(1)運(yùn)用ArcGIS 10.2軟件從土地利用變更數(shù)據(jù)中提取都昌縣行政界線、農(nóng)村居民點(diǎn)以及建制鎮(zhèn)、水源、道路等的shp文件;(2)利用3D Analyst模塊,將江西省地形圖轉(zhuǎn)換成不規(guī)則三角網(wǎng)(triangulated irregular network,簡稱TIN)文件,再由TIN文件轉(zhuǎn)成20 m×20 m的柵格數(shù)據(jù)并生成數(shù)字高程模型(digital elevation model,簡稱DEM))數(shù)據(jù),最終生成都昌縣坡度、坡向、高程圖。

    1.2 研究方法

    1.2.1最小累計(jì)阻力模型最小累計(jì)阻力模型(minimal cumulative resistance,簡稱MCR)是指以源為到達(dá)目的地,在運(yùn)動過程中克服阻力所要耗費(fèi)的最小代價(jià),由源、阻力面、阻力系數(shù)等3部分組成[11-12],已被廣泛應(yīng)用于物種保護(hù)、景觀格局等多個(gè)領(lǐng)域[13],其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

    MCR=fminHij×Ri。

    式中:MCR為最小累計(jì)阻力值,MCR值越小,表示源j在阻力面體系下越容易擴(kuò)張;f是一個(gè)單調(diào)遞增的未知函數(shù),表示最小累計(jì)阻力值和源擴(kuò)張易達(dá)度的負(fù)相關(guān)關(guān)系;Hij為源j擴(kuò)張到任一點(diǎn)i的空間距離;Ri為點(diǎn)i對源j運(yùn)動過程的阻力系數(shù);Hij×Ri表示源j擴(kuò)張到點(diǎn)i過程中的阻力值。

    1.2.2加權(quán)Voronoi圖Voronoi圖法別稱垂直平分法,是一種空間剖分和聚類的方法,其數(shù)學(xué)定義為:設(shè)平面有n個(gè)離散點(diǎn),對于任意點(diǎn)P1,P2,P3,P4,…,Pn∈P,因此,Voronoi圖為所有到點(diǎn)P距離最小點(diǎn)Pi的集合[18-19]。常表示為:

    V(Pi)={P/d(P,Pi)≤d(P,Pj),i≠j,j=1,2,3,4,…,n}。

    而加權(quán)Voronoi圖是對Voronoi圖的擴(kuò)展,除考慮點(diǎn)的空間距離外,還考慮各點(diǎn)之間的差異[20],被廣泛應(yīng)用于數(shù)學(xué)、城市地理學(xué)、選址和提高集聚等方面[21]。其數(shù)學(xué)定義為:設(shè)任意點(diǎn)P1,P2,P3,P4,…,Pn∈P,且各自有權(quán)Ki,則加權(quán)Voronoi圖為所有到點(diǎn)P加權(quán)距離最小點(diǎn)Pi的集合,可見當(dāng)點(diǎn)的權(quán)都相等時(shí),Voronoi圖是加權(quán)Voronoi圖的特例。

    V(Pi)={P/Kid(P,Pi)≤Kjd(P,Pj),i≠j,j=1,2,3,4,…,n}。

    本研究根據(jù)加權(quán)Voronoi圖的影響勢力范圍,規(guī)劃農(nóng)村居民點(diǎn)的安置方向,從而最大程度地優(yōu)化農(nóng)村居民點(diǎn)的空間布局。目前該研究方法在農(nóng)村居民點(diǎn)布局優(yōu)化上的應(yīng)用較少,因此,鑒于Voronoi圖具有較強(qiáng)的科學(xué)性、應(yīng)用性、簡易性的特點(diǎn),將其運(yùn)用到農(nóng)村居民點(diǎn)空間布局適宜性的研究中具有較強(qiáng)的可操作性和一定的創(chuàng)新性。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 源的選取

    農(nóng)村居民點(diǎn)源以江西省都昌縣4 235個(gè)農(nóng)村居民點(diǎn)為源,總面積為8 527.42 hm2,其中居民點(diǎn)的最小面積為 0.2 hm2,最大面積為34.79 hm2,平均面積為2.0 hm2(圖1)。

    2.2 阻力面和阻力系數(shù)的構(gòu)建

    農(nóng)村居民點(diǎn)的布局受自然、經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)等因素制約,本研究選取地形、區(qū)位、用地等3個(gè)阻力因素9個(gè)評價(jià)因子建立阻力面(圖2),并按等級劃分10、20、30、40、50等5個(gè)阻力系數(shù)。同時(shí),由專家和相關(guān)部門確定各指標(biāo)權(quán)重和量化標(biāo)準(zhǔn),評價(jià)因子賦值見表1。

    2.2.1地形阻力本研究選取高程、坡度、坡向等3個(gè)因素分析地形阻力對農(nóng)村居民點(diǎn)布局適宜性的影響。高程、坡度和地勢的起伏具有一定的關(guān)聯(lián)性,決定著農(nóng)村居民點(diǎn)建設(shè)的成本和居民交通的便捷度;坡向與人們所必需的光、熱、水條件息息相關(guān)。一般情況下,高程高、坡度大地形的生產(chǎn)生活基礎(chǔ)配套設(shè)施建設(shè)的經(jīng)濟(jì)投入大且易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害;而陰坡和半陰坡地形的生產(chǎn)生活因受光照和熱的限制,農(nóng)村居民點(diǎn)空間布局阻力系數(shù)大。

    2.2.2區(qū)位阻力區(qū)位阻力因素主要選取公路、鐵路和建制鎮(zhèn)。研究表明,越靠近公路和建制鎮(zhèn)人們獲取物質(zhì)、信息、能量越便利,經(jīng)濟(jì)和生活水平越高,農(nóng)村居民點(diǎn)布局的適宜性阻力越小;鐵路不但不能給人提供直接的便利,反而會給靠近火車軌道的居民造成一定的噪聲污染[22],適宜性阻力大。本研究根據(jù)緩沖區(qū)分析功能作不同的緩沖半徑來表示不同的阻力系數(shù)(表1)。

    2.2.3用地阻力本研究主要以水源、耕作距離、保護(hù)區(qū)和土地資源類型作為用地阻力因素。離水源較近的地方能提供人們生產(chǎn)生活上的便捷,但也存在水源污染和洪澇災(zāi)害等限制,有研究表明,距離水源200 m以內(nèi)的區(qū)域農(nóng)村居民點(diǎn)擴(kuò)張阻力最大[23];耕地和園地作為資源關(guān)系著農(nóng)戶的生計(jì),一般情況下,距離資源越近的地方居民點(diǎn)分布越密集,且研究表明,農(nóng)戶可接受600 m以內(nèi)的耕作距離[23];不同的土地資源類型可影響農(nóng)村居民點(diǎn)建設(shè)的成本和便利性,具體阻力系數(shù)見表1。

    2.3 研究區(qū)適宜性分區(qū)

    最小累計(jì)綜合阻力值的計(jì)算公式為:

    S=∑aij×qij。

    式中:S表示最小累計(jì)綜合阻力值;aij表示第i個(gè)阻力因子的阻力系數(shù);qij表示第i個(gè)阻力因子的權(quán)重。最后,采用自然斷點(diǎn)法將研究區(qū)分為5種適宜性分區(qū),即高度適宜區(qū)(10.8≤S<17.3)、較適宜區(qū)(17.3≤S<21.2)、一般適宜區(qū)(21.2≤S<25.4)、較不適宜區(qū)(25.4≤S<30.3)、高度不適宜區(qū)(30.3≤S<42.0),如圖3所示。

    從總體上看,較適宜區(qū)的面積最大,占總面積的 32.23%;除春橋鄉(xiāng)和紅光林場幸福分場、武山林場外,每個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))都有高度適宜區(qū),其中東南部的薌溪鄉(xiāng)、中館鎮(zhèn)、蔡嶺鎮(zhèn)的高度適宜區(qū)達(dá)到30%以上。由于受到地形和水源的影響,江西省都昌縣呈現(xiàn)出南部適宜性高于北部的特征, 而高度不適宜區(qū)主要集中在東北部的大港鎮(zhèn)、鳴山鄉(xiāng)、武山林場、紅光林場幸福分場以及縣域中部地區(qū)。

    表1 阻力體系

    2.4 農(nóng)村居民點(diǎn)布局優(yōu)化

    通過ArcGIS 10.2軟件將農(nóng)村居民點(diǎn)現(xiàn)狀圖層與適宜性分區(qū)圖層疊加,再利用自然斷點(diǎn)法將江西省都昌縣的4 235個(gè)農(nóng)村居民點(diǎn)劃分為高等農(nóng)村居民點(diǎn)(10.8≤S<16.5)、中等農(nóng)村居民點(diǎn)(16.5≤S<20.8)和低等農(nóng)村居民點(diǎn)(20.8≤S<39.9)。經(jīng)統(tǒng)計(jì),高等、中等、低等農(nóng)村居民點(diǎn)分別有 1 194、2 105、936個(gè),面積分別為2 437.67、4 381.88、1 707.94 hm2,分別占都昌縣農(nóng)村居民點(diǎn)總面積的28.59%、51.39%、20.03%??梢?,都昌縣高等居民點(diǎn)占現(xiàn)有農(nóng)村居民點(diǎn)的比例不到30%;中等居民點(diǎn)數(shù)量最多、面積最大。本研究利用ArcGIS軟件中的Calculate Geometry模塊獲取各個(gè)等級農(nóng)村居民點(diǎn)圖層的質(zhì)心并形成點(diǎn)文件,以綜合阻力值的平方根為權(quán)重生成加權(quán)Voronoi圖的勢力范圍。

    本研究發(fā)現(xiàn),就加權(quán)Voronoi多邊形而言,每一個(gè)加權(quán)Voronoi多邊形中包含的居民點(diǎn)數(shù)越多,居民點(diǎn)越集中,因此可以以高等向低等靠攏,零散向集中靠攏為原則,結(jié)合加權(quán)Voronoi多邊形的空間關(guān)系確定高等以外的農(nóng)村居民點(diǎn)安置方向(表2)。

    據(jù)統(tǒng)計(jì),有1 194個(gè)重點(diǎn)發(fā)展型農(nóng)村居民點(diǎn)斑塊,面積占縣域農(nóng)村居民點(diǎn)總面積的28.59%,主要集中在蔡嶺鎮(zhèn)、周溪鎮(zhèn)、南峰鎮(zhèn)、萬戶鎮(zhèn)和蘆溪鄉(xiāng),這些居民點(diǎn)大多位于地形平坦、離水源近、交通便利以及農(nóng)業(yè)資源豐富的地區(qū),是未來農(nóng)村居民點(diǎn)發(fā)展的重點(diǎn)方向。優(yōu)先發(fā)展型農(nóng)村居民點(diǎn)面積最大,占縣域農(nóng)村居民點(diǎn)總面積的37.44%,均處在高級農(nóng)村居民點(diǎn)勢力范圍內(nèi)且處于高等居民點(diǎn)集中區(qū),生產(chǎn)生活優(yōu)勢較明顯,是以后農(nóng)村居民點(diǎn)發(fā)展的主要選址。有1 085個(gè)內(nèi)部整理型居民點(diǎn)斑塊,應(yīng)該充分挖掘這部分居民點(diǎn)的潛力,使其達(dá)到高級居民點(diǎn)水平,可通過拆遷合并居民點(diǎn)的方式來改善人們的生活條件,包括拆遷合并至高級居民點(diǎn)和中級居民點(diǎn)等2種。

    表2 江西省都昌縣農(nóng)村居民點(diǎn)空間布局優(yōu)化模式

    3 結(jié)論與討論

    本研究以水域面積較大的江西省都昌縣為例,從農(nóng)村居民點(diǎn)現(xiàn)狀出發(fā),以地形阻力(高程、坡度、坡向)、區(qū)位阻力(公路、鐵路、建制鎮(zhèn))、用地阻力(水源、耕作距離、土地資源利用)等3個(gè)因素構(gòu)建最小累計(jì)阻力模型,能較好地反映不同阻力因子在農(nóng)村居民點(diǎn)擴(kuò)張過程中產(chǎn)生的影響,同時(shí)也反映都昌縣農(nóng)村居民點(diǎn)的實(shí)際分布情況,即多集中在地形平坦、交通便利、離耕地園地等資源較近的地方。

    本研究根據(jù)評價(jià)結(jié)果將江西省都昌縣全域劃分為高度適宜區(qū)、較適宜區(qū)、一般適宜區(qū)、較不適宜區(qū)、高度不適宜區(qū),并將農(nóng)村居民點(diǎn)劃分為高等、中等、低等3個(gè)等級,其面積比例分別占都昌縣農(nóng)村居民點(diǎn)總面積的28.59%、51.39%、20.03%。

    本研究結(jié)合加權(quán)Voronoi多邊形的勢力范圍內(nèi)居民點(diǎn)是否重疊對農(nóng)村居民點(diǎn)去向作出空間優(yōu)化,將江西省都昌縣農(nóng)村居民點(diǎn)分為重點(diǎn)發(fā)展、優(yōu)先發(fā)展、內(nèi)部整理和拆遷合并等4種類型,這種方法是對居民點(diǎn)量化的創(chuàng)新,可為土地整治提供依據(jù),同時(shí)對完善農(nóng)村聚落規(guī)劃具有重要意義。

    本研究在選取阻力因子時(shí)由于受資料限制,沒有考慮到社會經(jīng)濟(jì)、基本農(nóng)田保護(hù)和生態(tài)保護(hù)的影響;同時(shí)在農(nóng)村居民點(diǎn)優(yōu)化方案中農(nóng)戶拆遷沒有考慮到諸如資金、公共服務(wù)、法律等因素的影響,也沒有將方案與鄉(xiāng)(鎮(zhèn))規(guī)劃、土地整治規(guī)劃等進(jìn)行進(jìn)一步的對比分析,因此還須進(jìn)行下一步的探討。

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