基于Voronoi圖的農(nóng)村居民點(diǎn)空間布局模式分析及優(yōu)化建議以上海市松江區(qū)為例

謝萌秋

（1. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072；2. 上海市國土資源調(diào)查研究院， 上海 200072）

上海作為超大城市，在建設(shè)卓越的全球城市過程中，面臨著人口持續(xù)增長，土地資源緊約束的發(fā)展瓶頸問題，上海的鄉(xiāng)村是城市核心功能的重要承載地，是提升城市能級和核心競爭力的重要戰(zhàn)略空間。農(nóng)村居民點(diǎn)的空間布局類型分析對于農(nóng)村居民點(diǎn)規(guī)劃具有重要意義，為農(nóng)村地區(qū)建設(shè)用地合理布局和整治提供支撐作用。

近年來，學(xué)者們采用不同的方法對不同地域內(nèi)農(nóng)村居民點(diǎn)布局進(jìn)行了研究，主要包括空間分布規(guī)律、演變特征分析、變化驅(qū)動機(jī)制以及優(yōu)化對策等方面，采用Arcgis的空間分析技術(shù)、景觀格局指數(shù)、景觀生態(tài)學(xué)等多種方法[1-3]。傳統(tǒng)空間分析方法中，在空間的分割中會造成重疊、空白，Voronoi圖是一種空間分割技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)局域動態(tài)調(diào)整，對空間區(qū)域進(jìn)行合理劃分，被廣泛應(yīng)用在地圖制圖、生態(tài)和城市規(guī)劃等方面，一般用于研究地理事物的分布密度程度[4]。基于Voronoi圖空間分析方法的優(yōu)勢，本文應(yīng)用該方法對上海市松江區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)空間分布特征進(jìn)行了研究，并在此基礎(chǔ)上提出了不同類型空間分布的優(yōu)化措施對策。

1 研究區(qū)概況

松江區(qū)位于北緯31°，東經(jīng)121°45'，地處上海市西南部、黃浦江上游，東與閔行區(qū)、奉賢區(qū)為鄰，南與金山區(qū)交界，西北與青浦區(qū)接壤，是上海西南的重要門戶。行政區(qū)總面積604.6km2，2017年戶籍人口63.14萬人。松江區(qū)下轄九亭、泗涇、洞涇、新橋、車墩、佘山、小昆山、石湖蕩、新浜、泖港、葉榭等11個(gè)鎮(zhèn)和方松、中山、岳陽、永豐、廣富林、九里亭等6個(gè)街道。

2 研究方法

2.1 資料來源及數(shù)據(jù)處理

本研究所用數(shù)據(jù)來源于2017年1:2000土地利用現(xiàn)狀圖，以行政村為基本研究單元利用已形成的2017年松江區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)矢量圖和行政村劃矢量圖，提取松江區(qū)各村農(nóng)村居民點(diǎn)分布的空間信息，利用ArcGIS將各村面狀農(nóng)村居民點(diǎn)轉(zhuǎn)化為點(diǎn)狀格式，構(gòu)建各村點(diǎn)狀農(nóng)村居民點(diǎn)的泰森多邊形，計(jì)算各村泰森多邊形的面積平均值以及面積標(biāo)準(zhǔn)差，從而得到各村Voronoi圖的變異系數(shù)，并根據(jù)此劃分松江區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)空間分布的類型。

2.2 研究方法

運(yùn)用上述數(shù)據(jù)，通過Voronoi圖的變異系數(shù)Cv進(jìn)行松江區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)空間分布模式分析。

早在1908年，俄國數(shù)學(xué)家G.Voronoi在對二次型的研究中首先使用了這種圖，后被學(xué)者們稱為Voronoi圖。1944年，笛卡爾使用Voronoi圖顯示太陽系內(nèi)部和外部物質(zhì)的性質(zhì)。Voronoi圖在許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，如天文學(xué)領(lǐng)域研究宇宙結(jié)構(gòu)，氣象學(xué)領(lǐng)域研究估算降雨量，城市規(guī)劃者用來進(jìn)行設(shè)施定位。近年來，Voronoi圖成為計(jì)算幾何的一個(gè)重要分支，它已經(jīng)成功找最近點(diǎn)、求最大空圓，求最小樹等問題，在空間布局模式識別中也有很大的優(yōu)勢[5]。

Voronoi圖的定義如下：

設(shè)平面上的一系列離散點(diǎn)群G={P1,P2…,Pn}，其中任意兩點(diǎn)都不共位，并且任意四點(diǎn)都不共圓，則任意點(diǎn)Pi的Voronoi圖定義為：

式中：d為歐式距離，x表示集合Ti中的元素。Pi是一個(gè)凸多邊形，而且在特殊情況下是一個(gè)具有無限邊界的凸多邊形。Voronoi圖是對平面的一種剖分，在任意一個(gè)凸Voronoi多邊形中，任意一個(gè)內(nèi)點(diǎn)到該凸多邊形的發(fā)生點(diǎn)pi的距離都小于該點(diǎn)到其他任何發(fā)生點(diǎn)pj的距離，這些發(fā)生點(diǎn)叫Voronoi圖的質(zhì)心或發(fā)生元。發(fā)生元除了點(diǎn)集以外，還有可能是線、面集等其他更復(fù)雜圖形的集合。

Voronoi圖多邊形面積的變化性是通過方差來估計(jì)的，變異系Cv( Coefficient of variation, CV) 值是Voronoi多邊形面積的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值，其計(jì)算公式為[4]：

Cv值可以衡量現(xiàn)象在空間上的相對變化程度。當(dāng)某個(gè)點(diǎn)集的空間分布為均勻分布時(shí)，其Voronoi多邊形面積的可變性小，Cv值比較低；當(dāng)空間分布為集群分布時(shí)，在集群內(nèi)(“類”內(nèi))的Voronoi 多邊形面積較小，而在集群間(“類”間)的Voronoi 多邊形面積較大，Cv值較高。但是，規(guī)則的周期結(jié)構(gòu)和周期性重復(fù)出現(xiàn)的集群分布也會形成較高的Cv值[5]（OKABE A，2000）。DUYCKAERTS 提出了 3 個(gè)建議值[6]：當(dāng)Cv值小于33%時(shí)，點(diǎn)集為均勻分布；當(dāng)Cv值介于33%和64%之間時(shí)，點(diǎn)集為隨機(jī)分布；當(dāng)Cv值大于64%時(shí)，點(diǎn)集為集群分布。

3 結(jié)果與分析

松江區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)的總斑塊個(gè)數(shù)為1813塊，全區(qū)區(qū)域面積為604.6km2，計(jì)算得出全區(qū)的變異系數(shù)（CV）為65.98%，屬于典型的隨機(jī)分布模式。松江區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)Voronoi多邊形具體見圖1。

圖1 松江區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)Voronoi多邊形集合Fig.1 Voronoi polygonal collection of rural residential sites in Songjiang district

以松江區(qū)各村為研究單元，統(tǒng)計(jì)松江區(qū)域內(nèi)各村農(nóng)村居民點(diǎn)的斑塊個(gè)數(shù)、農(nóng)村居民點(diǎn)的平均面積、農(nóng)村居民點(diǎn)面積的標(biāo)準(zhǔn)差等數(shù)據(jù)，采用Voronoi圖的變異系數(shù)Cv計(jì)算公式，統(tǒng)計(jì)得出全區(qū)各鎮(zhèn)以及113個(gè)行政村的變異系數(shù)值，具體情況見表1、表2。

表1 松江區(qū)各街鎮(zhèn)農(nóng)村居民點(diǎn)空間布局相關(guān)指數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics on the spatial distribution of rural settlements in various streets and towns in Songjiang District

表2 松江區(qū)各村農(nóng)村居民點(diǎn)空間布局模式統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of the spatial layout patterns of rural settlements in villages in Songjiang District

從街鎮(zhèn)尺度上分析，葉榭鎮(zhèn)、新浜鎮(zhèn)的Cv值小于33%，屬于均勻布局類型，佘山鎮(zhèn)、九亭鎮(zhèn)的Cv值在33%附近，趨向于均勻布局類，小昆山鎮(zhèn)、泖港鎮(zhèn)、泗涇鎮(zhèn)、洞涇鎮(zhèn)、車墩鎮(zhèn)的Cv值在33%和64%之間，屬于隨機(jī)性布局模式，新橋鎮(zhèn)、廣富林街道、永豐街道、石湖蕩鎮(zhèn)、中山街道的Cv值大于64%，屬于聚集性分布模式，街道城鎮(zhèn)化水平高，農(nóng)村居民點(diǎn)都屬于城中村，因此聚集性程度高。

從行政村尺度上分析，在研究的109個(gè)行政村單元中，包括了均勻布局型、隨機(jī)布局型和聚集布局型三個(gè)類型，各村的社會經(jīng)濟(jì)條件差異、基礎(chǔ)設(shè)施布局差異是導(dǎo)致松江區(qū)空間布局模式多元化的主要原因。Cv值小于33%的行政村有6個(gè)，分別是黃家埭村、湯村村、泖新村、葉家村、南山村和小寅村，主要分布在葉榭鎮(zhèn)、新浜鎮(zhèn)，屬于均勻型布局模式，Cv值介于33%和64%之間的行政村個(gè)數(shù)為62，占總村數(shù)的57%，屬于隨機(jī)型布局模式，該區(qū)域內(nèi)農(nóng)村居民點(diǎn)分布沒有一定的規(guī)律，在布局上呈現(xiàn)出部分區(qū)域分布較聚集，另外部分區(qū)域則分布較分散；Cv值大于64%的行政村個(gè)數(shù)為41個(gè)，占總村個(gè)數(shù)的38%，屬于聚集型布局模式。松江區(qū)大部分農(nóng)村居民點(diǎn)屬于隨機(jī)型分布模式，農(nóng)村居民點(diǎn)空間布局通常會選擇自然和社會經(jīng)濟(jì)條件較好的區(qū)域分布，比如地勢較平坦處，交通道路條件便捷處，城市化發(fā)展較快處等，松江區(qū)區(qū)域內(nèi)交通水系條件以及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展存在著比較明顯的地域差異，因此松江區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)大部分屬于隨機(jī)型分布模式。

4 不同空間布局模式優(yōu)化措施

根據(jù)松江區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)的具體空間布局模式，綜合松江區(qū)各街鎮(zhèn)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展導(dǎo)向、區(qū)位因素、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、農(nóng)村人口規(guī)模、用地規(guī)模以及空間布局模式，提出不同分布模式的優(yōu)化路徑和對策。

4.1 均勻分布模式優(yōu)化措施

均勻分布模式的鄉(xiāng)村主要分布在新浜鎮(zhèn)、葉榭鎮(zhèn),位于松江浦南片區(qū)，該區(qū)域內(nèi)屬于黃浦江水源保護(hù)區(qū)，區(qū)內(nèi)生態(tài)基地良好。受黃浦江水源地保護(hù)生態(tài)保護(hù)方面的要求和約束，該區(qū)域的非農(nóng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到限制。根據(jù)《松江區(qū)總體規(guī)劃暨土地利用總體規(guī)劃（2017-2035）》，浦南片區(qū)的功能定位是以現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、鄉(xiāng)村旅游為特色的上海綠色發(fā)展的實(shí)踐區(qū)，該區(qū)域結(jié)合郊野公園、鄉(xiāng)野公園以及田園綜合體的建設(shè)，為鄉(xiāng)村旅游項(xiàng)目預(yù)留空間。按照該片區(qū)整體發(fā)展的功能導(dǎo)向，新浜鎮(zhèn)、葉榭鎮(zhèn)的農(nóng)村居民點(diǎn)在現(xiàn)狀均勻分布的基礎(chǔ)上，應(yīng)適度增加農(nóng)村居民點(diǎn)布局的集聚度，依托生態(tài)項(xiàng)目的布局，增加公共服務(wù)設(shè)施和基礎(chǔ)設(shè)施，并引導(dǎo)農(nóng)村居民點(diǎn)集中安置，使農(nóng)村居民點(diǎn)的布局與該區(qū)域的產(chǎn)業(yè)功能結(jié)構(gòu)相契合。

4.2 隨機(jī)性分布模式優(yōu)化措施

隨機(jī)性分布模式的鄉(xiāng)村主要分布在佘山鎮(zhèn)、九亭鎮(zhèn)、小昆山鎮(zhèn)、泖港鎮(zhèn)、泗涇鎮(zhèn)、洞涇鎮(zhèn)、車墩鎮(zhèn)，大部分位于松江東北片區(qū)以及西北片區(qū)。該區(qū)域的農(nóng)村居民點(diǎn)現(xiàn)狀分布沒有一定規(guī)律性，缺乏規(guī)劃引導(dǎo)，結(jié)合這兩個(gè)片區(qū)的功能定位以及現(xiàn)狀布局特征，提出差異化的布局優(yōu)化措施。

對于松江區(qū)西北片區(qū)的農(nóng)村居民點(diǎn)，該片區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)布局多趨于交通干道周邊，局部較分散。該區(qū)域生態(tài)本底較好，旅游資源豐富，下一步應(yīng)該完善旅游休閑配套服務(wù)設(shè)施，形成功能復(fù)合功能的市郊型旅游度假創(chuàng)新示范區(qū)。該區(qū)域布局優(yōu)化應(yīng)在農(nóng)村居民點(diǎn)沿交通線布局的基礎(chǔ)上，將與道路交通周邊細(xì)碎的農(nóng)村居民點(diǎn)斑塊與鄰近的農(nóng)村居民點(diǎn)斑塊進(jìn)行合并。結(jié)合片區(qū)旅游資源，綜合考慮交通條件和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，優(yōu)化農(nóng)村居民點(diǎn)選址布局，與旅游資源相協(xié)調(diào)。

松江東北片區(qū)的農(nóng)村居民點(diǎn)布局沒有規(guī)律性，呈現(xiàn)零散布局，并且大部分布局在城市開發(fā)邊界內(nèi)。該片區(qū)緊鄰中心城區(qū)，工業(yè)園區(qū)密集，經(jīng)濟(jì)水平較高。該區(qū)域的農(nóng)村居民點(diǎn)布局優(yōu)化應(yīng)在目前農(nóng)村居民點(diǎn)分布比較零散的現(xiàn)狀情況下，城市開發(fā)邊界內(nèi)的農(nóng)村居民點(diǎn)以撤并為主，促進(jìn)區(qū)域整體更新升級和整合提升，對于開發(fā)邊界外的農(nóng)村居民點(diǎn)，用于歸并整理，選擇適宜居民點(diǎn)的地方，規(guī)劃建設(shè)新型村莊。

4.3 集聚分布模式優(yōu)化措施

集聚型分布模式的鄉(xiāng)村主要分布在岳陽街道、廣富林街道、永豐街道、中山街道、石湖蕩鎮(zhèn)，基本上位于松江的新城片區(qū)，該區(qū)域是城市建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域，城鎮(zhèn)化水平高，農(nóng)村居民點(diǎn)集聚在一兩個(gè)村，鄉(xiāng)村基本上呈現(xiàn)城中村的面貌，影響城市品質(zhì)。

對于該區(qū)域內(nèi)的農(nóng)村居民點(diǎn)，原則以撤并為主，加快推進(jìn)減量化和集中上樓安置，推進(jìn)新城片區(qū)的城鎮(zhèn)化，拆除后的農(nóng)村居民點(diǎn)可以整理復(fù)墾成農(nóng)用地，與新城周邊的生態(tài)旅游資源統(tǒng)籌聯(lián)動，塑造城市生態(tài)景觀，促進(jìn)新城生態(tài)文明建設(shè)。

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