基于GIS的北川縣鄉(xiāng)村聚落空間分布及演變特征

廖 軍 吳彩燕 呂 波 賈菊桃

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 四川綿陽 621010)

鄉(xiāng)村聚落是指鄉(xiāng)村人口居住和從事生產(chǎn)勞動(dòng)的地方，是人們聚集定居而在空間區(qū)域上形成的場(chǎng)所，其空間分布和聚集特征體現(xiàn)了不同生產(chǎn)力水平下人類生產(chǎn)生活與周圍環(huán)境的關(guān)系[1]。鄉(xiāng)村聚落的形成和發(fā)展受到社會(huì)人文因素和自然因素的影響，自然因素直接控制了鄉(xiāng)村聚落的空間分布，而社會(huì)人文因素推動(dòng)著鄉(xiāng)村聚落格局演變和發(fā)展。

國外早在1820年就提出了對(duì)鄉(xiāng)村聚落的研究[2-4]，研究?jī)?nèi)容包括鄉(xiāng)村聚落形成發(fā)展的影響因素、聚落類型和演變等。其研究發(fā)展過程主要經(jīng)歷了從宏觀轉(zhuǎn)向微觀、自然選擇轉(zhuǎn)向社會(huì)人文、由單學(xué)科定性為主轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬W(xué)科定性與定量相結(jié)合。1990年以后，鄉(xiāng)村聚落的研究轉(zhuǎn)向后現(xiàn)代，文獻(xiàn)[5]以多倫多為例對(duì)小城鎮(zhèn)外圍的鄉(xiāng)村聚落的變化和演變機(jī)制進(jìn)行研究，研究表明地理位置、人口遷徙、工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素對(duì)聚落的發(fā)展和演變有著刺激作用；文獻(xiàn)[6]以南澳大利亞地區(qū)為例，著重研究了人口密度對(duì)鄉(xiāng)村地理分布、農(nóng)村規(guī)劃實(shí)踐的重要性，并對(duì)不同時(shí)期進(jìn)行了假設(shè)檢驗(yàn)，結(jié)果表明人口密度在鄉(xiāng)村演變中是一個(gè)重要的解釋變量；文獻(xiàn)[7]采用調(diào)查和訪談的方法研究了蘇格蘭農(nóng)村人口的再定居問題，研究表明農(nóng)村社會(huì)轉(zhuǎn)型和農(nóng)村居民的社會(huì)遷移與中產(chǎn)階級(jí)化有著直接關(guān)系。

國內(nèi)對(duì)鄉(xiāng)村聚落的研究起步較晚，主要分為兩個(gè)階段。1990 年以前中國鄉(xiāng)村聚落的研究多集中在聚落的體系、形態(tài)與類型。隨著中國改革發(fā)展以后，伴隨著新農(nóng)村建設(shè)和城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展政策的出臺(tái)，鄉(xiāng)村聚落研究?jī)?nèi)容開始向聚落的空間格局、時(shí)空演變等方向發(fā)展[8-9]。21世紀(jì)以來，雖然城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，但是從整體來看，鄉(xiāng)村聚落仍舊占據(jù)我國主體地位，其中山地鄉(xiāng)村聚落占了相當(dāng)大的比重，為此我國眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入研究。尹懷庭等[10]以陜西三大地區(qū)為研究區(qū)，對(duì)近 30 年以來各地區(qū)鄉(xiāng)村聚落空間分布和結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比研究，并總結(jié)了目前鄉(xiāng)村聚落的空間演變趨勢(shì)；郭曉東等[11]采用景觀指數(shù)和GIS空間統(tǒng)計(jì)分析等方法，分析了黃土丘陵區(qū)鄉(xiāng)村聚落分布和演變的特征以及影響的驅(qū)動(dòng)機(jī)制；李陽兵等[12]對(duì)貴州省的巖溶山地區(qū)域的鄉(xiāng)村聚落進(jìn)行了研究，探討了巖溶山地人口與聚落演化的模式；張榮天等[13]以鎮(zhèn)江市為研究區(qū)，運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)等方法分析了丘陵地區(qū)鄉(xiāng)村聚落空間格局的東西分異特征；李全林[14]運(yùn)用空間插值、空間關(guān)聯(lián)指數(shù)等空間測(cè)度模型探討了蘇北地區(qū)鄉(xiāng)村聚落空間格局特征，研究表明蘇北地區(qū)鄉(xiāng)村聚落呈現(xiàn)“南密北疏”的特征，并且其規(guī)模分布上空間自相關(guān)性十分明顯。但是，國內(nèi)對(duì)鄉(xiāng)村聚落研究仍然存在一些不足，現(xiàn)有對(duì)鄉(xiāng)村聚落的研究多從自然因素出發(fā)，未充分考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素，并且從單一時(shí)期對(duì)其研究較多，而對(duì)一段時(shí)期內(nèi)鄉(xiāng)村聚落時(shí)空演變規(guī)律研究較少。

北川縣是受汶川地震影響的極重災(zāi)區(qū)之一，震后國家積極開展災(zāi)后重建工作并發(fā)布了再造一個(gè)新北川的號(hào)召，對(duì)北川的行政區(qū)劃進(jìn)行了重新規(guī)劃。北川重建和發(fā)展如今已過去10年，為此，本文基于DEM數(shù)據(jù)和2007年、2017年谷歌影像數(shù)據(jù)，應(yīng)用GIS空間分析、景觀格局分析、核密度分析等方法，對(duì)2007年、2017年兩個(gè)時(shí)期北川縣的鄉(xiāng)村聚落空間格局及演變進(jìn)行研究，旨在揭示鄉(xiāng)村聚落空間分布特征和規(guī)律，并為今后北川縣科學(xué)規(guī)劃與建設(shè)鄉(xiāng)村聚落、促進(jìn)城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展提供一定的決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

北川羌族自治縣位于四川盆地西北部(圖1)，地理坐標(biāo)東經(jīng)103°44′～104°42′，北緯31°14′～32°14′，屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，多年平均氣溫15.6 ℃，年均降雨量1 399.1 mm，水資源豐富，有一江五河四大溝[15]。北川地形地貌較為復(fù)雜，北川-映秀斷裂帶穿過北川，西部屬于岷山山脈，東部是龍門山脈，整體地勢(shì)呈現(xiàn)出西北高東南低的趨勢(shì)，相對(duì)高差4 229 m。東接江油市，南鄰安州區(qū)，西靠茂縣，北抵松潘、平武縣，面積為3 084 km2。

圖1 北川縣地理位置

1.2 數(shù)據(jù)來源

(1) 北川縣DEM數(shù)據(jù)(30 m×30 m)，來源于網(wǎng)絡(luò)地理空間數(shù)據(jù)云。從DEM數(shù)據(jù)中提取地形地貌因子和主要水系。

(2) 北川縣2007年和2017年谷歌影像(分辨率4 m)，主要是利用LocaSpace Viewer軟件在線下載所得，使用Arcgis10.2對(duì)影像進(jìn)行目視解譯，獲得聚落數(shù)據(jù)主要為城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民點(diǎn)，并進(jìn)行篩分處理，使解譯的聚落總面積與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)聚落總面積的比值為90%，達(dá)到研究精度的需要[16-18]。

(3) 北川縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)劃及交通矢量數(shù)據(jù)，從北川縣1∶200 000行政區(qū)劃圖矢量化所得。

(4) 人口、經(jīng)濟(jì)和氣候概況數(shù)據(jù)來源于《北川羌族自治縣年鑒》。

1.3 研究方法

1.3.1 景觀格局分析

景觀格局是指大小和形狀各異的景觀要素在空間上的結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征[16-17]，而景觀指數(shù)是對(duì)景觀格局信息進(jìn)行高度概括，是探索景觀空間格局的有效指標(biāo)。利用景觀格局指數(shù)可以揭示不同景觀在區(qū)域上的多樣性和聚散性以及單一景觀的數(shù)量、密度等。在對(duì)鄉(xiāng)村聚落空間的研究中，景觀格局指數(shù)是一個(gè)優(yōu)良的衡量指標(biāo)。本文從北川縣實(shí)際情況出發(fā)，選取以下景觀指數(shù)探討鄉(xiāng)村聚落的數(shù)量、規(guī)模、形態(tài)和鄰近情況。

(1)斑塊數(shù)量(NP)：用來反映鄉(xiāng)村聚落的數(shù)目。

(2)斑塊總面積(PS)：用來反映鄉(xiāng)村聚落的規(guī)模。

(3)斑塊密度(PD)：用來反映單位面積內(nèi)鄉(xiāng)村聚落的數(shù)量。

(4)平均斑塊面積(MPS)：用來反映鄉(xiāng)村聚落的平均規(guī)模。

1.3.2 核密度分析

核密度分析是一種非參數(shù)估計(jì)方法[18]，不需要對(duì)數(shù)據(jù)分布有先驗(yàn)知識(shí)，也不需要對(duì)數(shù)據(jù)分布進(jìn)行假設(shè)，是從數(shù)據(jù)本身出發(fā)去研究數(shù)據(jù)的分布特征。在核密度分析中，是以每個(gè)已知數(shù)據(jù)點(diǎn)所在的位置為圓心賦予不同的權(quán)重，與圓心的距離越小，賦予的權(quán)重越大，反之亦然。然后將相同位置密度值疊加后得到像元最終的密度值(KDE)。

(1)

1.3.3 最近鄰分析

最近鄰分析是以隨機(jī)分布的狀況作為一種標(biāo)準(zhǔn)去衡量點(diǎn)狀目標(biāo)的空間分布[19-20]，測(cè)算地理空間中每個(gè)點(diǎn)狀目標(biāo)與其最鄰近點(diǎn)狀目標(biāo)之間的歐氏距離，取其平均值，稱為最鄰近距離。平均最近鄰指數(shù)則指實(shí)際最鄰近距離與理論最鄰近距離之比。

(2)

(3)

(4)

式中，DO是實(shí)際的每個(gè)要素與其最近要素之間的平均距離，DE為隨機(jī)模式下斑塊質(zhì)心的期望平均距離，n為鄉(xiāng)村聚落的斑塊總數(shù)，di為最鄰近距離，SE為最鄰近點(diǎn)平均距離的標(biāo)準(zhǔn)誤差，A為研究區(qū)面積，Z得分反映數(shù)據(jù)離散程度。

當(dāng)ANN=1時(shí)，點(diǎn)狀目標(biāo)呈隨機(jī)型分布；當(dāng)ANN>1 時(shí)，點(diǎn)狀目標(biāo)趨于均勻分布；當(dāng)ANN<1 時(shí)，點(diǎn)狀目標(biāo)趨于集群分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 鄉(xiāng)村聚落空間分布

2.1.1 聚落總體分布特征

北川縣歷史悠久，人少地多是北川地區(qū)的一個(gè)明顯特征。目前，縣域總面積308 370.7 hm2，建設(shè)用地面積為5 916.27 hm2，占總面積的1.92%，其中鄉(xiāng)村聚落用地5 291.69 hm2。根據(jù)2017年谷歌影像提取鄉(xiāng)村聚落斑塊分析，北川縣現(xiàn)有1 580個(gè)聚落斑塊，斑塊密度達(dá)到0.51個(gè)/km2。由于自然條件的空間差異，鄉(xiāng)村聚落在分布上也呈現(xiàn)明顯空間差異。地勢(shì)平坦、水系交通便利的區(qū)域，聚落密度較高，平均分布有3個(gè)/km2以上的聚落，聚落和居住人數(shù)較為集中；地勢(shì)陡峭、水系交通不便的區(qū)域，平均聚落分布個(gè)數(shù)不足1個(gè)/km2，聚落和人口密度都較低。

2.1.2 聚落景觀格局特征

根據(jù)2007年和2017年谷歌影像數(shù)據(jù)提取并生成鄉(xiāng)村聚落斑塊分布圖，計(jì)算并統(tǒng)計(jì)出NP，PS，MPS，PD等聚落景觀指數(shù)。從表1中分析，北川震后發(fā)展至今鄉(xiāng)村聚落變化明顯，從聚落數(shù)量和面積來看，境內(nèi)聚落數(shù)量和總面積均有增加，聚落數(shù)量和總面積分別增加了482個(gè)和2 035.72 hm2；從最大和最小斑塊面積分析，2017年的聚落面積相較于2007年增幅趨勢(shì)明顯。上述分析表明，近10年來，北川縣鄉(xiāng)村聚落的密度在不斷擴(kuò)大，空間擴(kuò)展特征較為顯著?？臻g擴(kuò)展主要有兩種方式：一方面是聚落斑塊數(shù)量的增加，另一方面是單個(gè)聚落斑塊面積增加。

2.1.3 聚落密度分布特征

本文運(yùn)用Arcgis10.2中的Feature To Point模塊，提取2007年與2017年鄉(xiāng)村聚落斑塊的中心點(diǎn)，再采用Kernel方法生成北川縣鄉(xiāng)村聚落空間密度分布圖(圖2)。總體來看，2007年北川縣鄉(xiāng)村聚落空間分布已經(jīng)形成沿道路和水系聚集分布的格局；2017年聚落分布較2007年更為密集，整體呈現(xiàn)“線型”狀，并呈現(xiàn)東南密集、西北稀疏的態(tài)勢(shì)。

圖2 2007年和2017年北川縣鄉(xiāng)村聚落密度比較

2.2 北川縣鄉(xiāng)村聚落的演變特征

2.2.1 鄉(xiāng)村聚落總體演變特征

在arcgis10.2中使用平均最近鄰工具分別對(duì)生成的2007年和2017年鄉(xiāng)村聚落點(diǎn)進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)。該工具將返回5個(gè)值：平均觀測(cè)距離、預(yù)期平均距離、最近鄰比率、Z得分和P值[19-20]。Z得分反映了數(shù)據(jù)的離散程度，Z的臨界值是[-2.58,2.58]，P值反應(yīng)了數(shù)據(jù)是隨機(jī)分布的概率，其臨界值是0.01。

從Z得分和P值來看，Z得分已經(jīng)超過了臨界值，P值小于0.01，表明聚落呈現(xiàn)聚集分布且概率較大；從最近鄰比率來看，最近鄰比率值均小于1，說明北川聚落點(diǎn)呈現(xiàn)為聚集模式；從不同時(shí)期來看，2017年的最近鄰比率小于2007年最近鄰比率，表明近10年來北川鄉(xiāng)村聚落的聚集趨勢(shì)在不斷增大。

表2 北川縣2007年和2017年平均最近鄰指數(shù)比較

2.2.2 基于地形特征的演變特征

北川復(fù)雜的自然地貌影響和控制著鄉(xiāng)村聚落的空間分布，本文選取了高程和坡度兩個(gè)因素對(duì)聚落分布的影響進(jìn)行探討。根據(jù)研究區(qū)的地形特征，首先對(duì)DEM數(shù)據(jù)和坡度數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)[16-18]，然后將2007年和2017年的聚落斑塊與高程圖、坡度圖相疊加，統(tǒng)計(jì)和計(jì)算兩個(gè)時(shí)期聚落斑塊在不同高程與坡度的數(shù)量和面積，并繪制聚落斑塊和數(shù)量隨海拔和坡度變化的趨勢(shì)圖(圖3)。

(1)高程

由圖3、圖4可知，從空間分布上來看，聚落在低海拔地區(qū)聚集分布，高程小于1 500 m的區(qū)域，聚落斑塊的數(shù)量和面積都高于其他區(qū)域。從時(shí)間分布上來看，不同高程分級(jí)下2017年的聚落斑塊數(shù)量和面積比2007年均有增加。海拔小于1 500 m的區(qū)域內(nèi)，2007年和2017年聚落數(shù)量占總數(shù)的比重分別為87.80%和88.35%，其面積占聚落總面積的比重在2007年和2017年分為79.15%和82.07%。

(2)坡度

由圖3、圖5可知，聚落斑塊的數(shù)量和面積在坡度上的分布趨勢(shì)與海拔較為相似，坡度小于25°的區(qū)域，聚落斑塊的數(shù)量和面積都高于其他區(qū)域。在坡度小于25°的區(qū)域內(nèi)，2007年和2017年聚落數(shù)量占總數(shù)的比重分別為74.23%和75.53%，其面積占聚落總面積的比重在兩個(gè)時(shí)期分別為78.51%和79.34%。

圖3 聚落斑塊數(shù)量和面積隨高程和坡度變化趨勢(shì)

圖4 北川鄉(xiāng)村聚落斑塊在不同高程上的分布變化

圖5 北川鄉(xiāng)村聚落斑塊在不同坡度上的分布變化

2.2.3 基于水系與路網(wǎng)的演變特征

水系和路網(wǎng)是影響聚落空間分布和演變的重要因素。人們的生產(chǎn)生活都離不開水，道路則是人們獲取信息、物質(zhì)、能量的重要途徑，但受到地形限制，鄉(xiāng)道、村道為北川交通的主要道路。從北川縣的鄉(xiāng)村聚落分布來看，縣域內(nèi)鄉(xiāng)村聚落沿道路和河流分布的趨勢(shì)十分顯著，呈現(xiàn)“線型條帶”分布(圖2)。

(1)河流水系

運(yùn)用arcgis10.2對(duì)北川的主干水系進(jìn)行提取，根據(jù)研究區(qū)的特征，以半徑500 m為間隔創(chuàng)建緩沖區(qū)[18-20]，并疊加鄉(xiāng)村聚落斑塊，統(tǒng)計(jì)不同河流緩沖區(qū)內(nèi)的聚落斑塊的分布情況。

從表3中可以看出，聚落斑塊數(shù)量和面積均隨緩沖區(qū)距離增大而逐漸減小。從整體分布來看，距離河流500 m以內(nèi)，聚落斑塊分布面積最多，此區(qū)域分布的斑塊數(shù)量占比接近50%。從不同時(shí)期分析，2017年和2007年相比，距河流500 m區(qū)域內(nèi)的斑塊數(shù)量的比例明顯增加，距離大于1 000 m的斑塊數(shù)量占比逐漸減小。綜合上述分析，聚落沿河流聚集分布，并朝著河流方向不斷遷移。

(2)交通網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)研究區(qū)的特征，以半徑150 m為間隔對(duì)北川道路做緩沖區(qū)分析[18-20]，并與鄉(xiāng)村聚落斑塊相疊加，得到不同道路緩沖區(qū)內(nèi)斑塊面積和斑塊數(shù)量的統(tǒng)計(jì)表。

從表3可以看出，北川縣鄉(xiāng)村聚落隨道路的分布與河流的分布具有空間指向上的一致性，在小于150 m道路緩沖區(qū)內(nèi)斑塊數(shù)量和面積所占比例最大，說明道路是影響鄉(xiāng)村聚落空間分布的重要因素。從斑塊面積來看，300 m緩沖區(qū)內(nèi)聚落分布最多，半徑大于300 m范圍的斑塊面積大幅度下降，表明在距離道路300 m以內(nèi)土地利用率較高。從兩個(gè)時(shí)期不同道路緩沖區(qū)內(nèi)的鄉(xiāng)村聚落變化可以看出2007-2017年間，各個(gè)道路緩沖區(qū)內(nèi)聚落斑塊數(shù)量均表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，新增聚落逐漸向距離道路近的周圍分布。

表3 2007-2017年河流和道路緩沖區(qū)鄉(xiāng)村聚落面積與數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

綜合上述分析，北川縣鄉(xiāng)村聚落沿河流和道路的分布具有一致性，聚落沿道路與河流集聚分布。由于縣內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展是以農(nóng)業(yè)為主，農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要充足的水源，大量的居民依附河流形成聚落，進(jìn)而推動(dòng)交通路網(wǎng)的建設(shè)。

2.3 聚落空間演變的影響因素分析

2.3.1 自然因素

自然因素是鄉(xiāng)村聚落空間發(fā)展演變的基礎(chǔ)，其中地形地貌、水文因素是鄉(xiāng)村聚落空間演變的兩個(gè)主要方面[11-13]。在地形平坦、坡度平緩地區(qū)形成的鄉(xiāng)村聚落規(guī)模較大且數(shù)量多。汶川地震導(dǎo)致北川境內(nèi)的地形地貌發(fā)生了顯著變化，鄉(xiāng)村聚落也隨之發(fā)生改變。從圖3、圖4、圖5可以看出，在海拔小于1 500 m和坡度小于25° 的區(qū)域內(nèi)，鄉(xiāng)村聚落的數(shù)量和面積占比接近70%，這表明平坦的地形條件是北川縣鄉(xiāng)村聚落演變的主要因素。此外，北川境內(nèi)水系密集，豐富的水資源為人類生產(chǎn)生活提供了便利的條件，因此鄉(xiāng)村聚落選址大多在距離河流較近的區(qū)域。

2.3.2 社會(huì)人文因素

社會(huì)人文因素包括了人口、經(jīng)濟(jì)、規(guī)劃、政策等，對(duì)鄉(xiāng)村聚落發(fā)展演變起著重要的推動(dòng)作用。政策制度對(duì)北川鄉(xiāng)村聚落的演變起著調(diào)控作用。國家對(duì)震后的北川行政區(qū)進(jìn)行了重新規(guī)劃，加上災(zāi)后重建的快速發(fā)展，引起鄉(xiāng)村聚落在空間上不斷擴(kuò)展與擴(kuò)散。同時(shí)國家先后發(fā)布城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略和強(qiáng)化新農(nóng)村建設(shè)，加劇城鄉(xiāng)間人口的流動(dòng)，進(jìn)城務(wù)工人員返鄉(xiāng)后紛紛在原來的村莊蓋起了新房，聚落空心化問題日益凸顯出來。此外，人口增長會(huì)產(chǎn)生新的住房需求，經(jīng)濟(jì)發(fā)展為房屋建設(shè)提供了條件，因此必然引起聚落的空間擴(kuò)展與擴(kuò)散。

3 結(jié)論與討論

(1)北川縣聚落斑塊在各地區(qū)分布差異較為明顯。由于縣域自然條件的差異，東南部平原地區(qū)分布著較為集中且規(guī)模較大的聚落；西部和北部山地以小型聚落為主，空間分布稀疏。

(2)北川縣聚落斑塊隨高程和坡度均呈正相關(guān)分布且表現(xiàn)出明顯的空間集聚特征。不同高程與坡度上分布的聚落斑塊，其數(shù)量與面積均存在明顯的差異，在海拔小于1 500 m及坡度小于25° 的區(qū)域，聚落斑塊的數(shù)量與面積顯著高于其它區(qū)域。

(3)聚落沿道路與河流集聚在空間上呈現(xiàn)明顯的“線型”分布，兩者對(duì)聚落分布的影響具有空間指向的一致性，隨著距離的增加，聚落斑塊數(shù)量迅速減少。

(4)人口增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等社會(huì)人文因素推動(dòng)了北川縣聚落格局的發(fā)展和演化。首先，隨著人口數(shù)量的增長，聚落在空間上表現(xiàn)出明顯的向外擴(kuò)張?zhí)卣鳎黄浯?，北川縣隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人均收入提高，人口流動(dòng)加劇，導(dǎo)致聚落空心化程度也在不斷提高。

需要指出的是，由于數(shù)據(jù)受限，文中僅僅就兩個(gè)時(shí)期對(duì)北川縣鄉(xiāng)村聚落格局現(xiàn)狀進(jìn)行了描述，缺乏長期動(dòng)態(tài)格局的演變分析，下一步將采用多時(shí)期的鄉(xiāng)村聚落的空間分布，并結(jié)合相應(yīng)時(shí)期自然和人文因素的變化，進(jìn)一步探討聚落演化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。