基于GIS的喀斯特地區(qū)聚落水平空間演變特征研究
——以畢節(jié)市為例

張興菊，王 琦

(1.貴州省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，貴州 貴陽 550003；2.貴州省林業(yè)勘察設(shè)計(jì)有限公司，貴州 貴陽 550001)

1 引言

聚落是人類作用于自然環(huán)境的結(jié)果，其在人與自然共同作用下發(fā)展，是人地關(guān)系系統(tǒng)研究的核心[1～5]。19世紀(jì)至今，關(guān)于聚落的研究角度、方法等多樣化[6～10]，從多角度、多領(lǐng)域?qū)勐溲葑冞M(jìn)行探討，始終是各研究者關(guān)注的課題?？λ固氐貐^(qū)聚落演變受到自然環(huán)境的制約，具有顯著的喀斯特特征，不同程度的喀斯特環(huán)境聚落呈現(xiàn)不同的空間演變趨勢(shì)，體現(xiàn)了喀斯特地區(qū)人地關(guān)系發(fā)展。

本文選取貴州省典型喀斯特地區(qū)——畢節(jié)市為研究區(qū)域，基于GIS技術(shù)，從2000年、2005年、2010年、2015年4個(gè)時(shí)期遙感影像中采用目視解譯的方式提取研究區(qū)聚落數(shù)據(jù)，運(yùn)用定性分析和定量分析，并結(jié)合其特殊的自然環(huán)境背景[11]，科學(xué)研究喀斯特聚落水平空間特征，探討聚落在喀斯特水平空間分布規(guī)律，為聚落良好發(fā)展提供科學(xué)的依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

貴州省畢節(jié)市位于貴州省西北部(圖1)，地處川、滇、黔三省交界處(103°36～106°43，26°21～27°46)，海拔介于457～2900.6 m之間，喀斯特地貌發(fā)育形態(tài)多樣，區(qū)域內(nèi)裸露巖石以碳酸鹽巖類沉積巖為主，是貴州省典型的喀斯特發(fā)育地區(qū)之一。研究區(qū)域下轄8個(gè)區(qū)(縣)，即織金縣、赫章縣、大方縣、納雍縣、金沙縣、黔西縣、威寧彝族回族苗族自治縣和七星關(guān)區(qū)，地區(qū)面積26848.5 km2，占貴州省總面積的15.25%；以畢節(jié)市為例具有如下特點(diǎn)：①研究區(qū)受到地形地貌的制約，生活生產(chǎn)方式與自然環(huán)境有著密切聯(lián)系，經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)滯后，聚落空間分布具有顯著地域分異特征，是貴州省喀斯特地區(qū)的典型代表。②區(qū)域內(nèi)居住著漢族、白族、彝族、布依族等45個(gè)民族，少數(shù)民族人口占25.88%，是一個(gè)多人口、多民族雜居的區(qū)域。

圖1 畢節(jié)市區(qū)位

2.2 數(shù)據(jù)來源及處理

為探討研究區(qū)聚落空間演變規(guī)律，聚落數(shù)據(jù)主要以2000年TM影像、2005年CBERS影像、2010年ALOS影像、2015年資源二號(hào)、資源三號(hào)等影像為基準(zhǔn)提取。利用ERDAS軟件對(duì)各年份遙感影像進(jìn)行幾何校正、波段融合以及拼接等處理，基于遙感影像的基礎(chǔ)上進(jìn)行人工目視判別提取研究區(qū)喀斯特聚落數(shù)據(jù)。

3 研究方法

3.1 相關(guān)性驗(yàn)證

聚落之間是否存在相互影響關(guān)系，則通過相關(guān)性驗(yàn)證其分布規(guī)律，分析研究區(qū)聚落演變?cè)谒缴系奶卣?。采用空間關(guān)聯(lián)維數(shù)對(duì)聚落相關(guān)性進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)其聚落系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行描述，研究聚落各用地之間存在的空間相關(guān)性，討論研究區(qū)聚落水平空間分布特征，表達(dá)公式如下[12]。

(1)

(2)

C(r)∝rD

(3)

lnC(r)=Dlnr+b

(4)

式(1)～(4)中，C(r)為聚落空間關(guān)聯(lián)維數(shù)；r為碼尺；N為研究區(qū)內(nèi)聚落點(diǎn)數(shù)量，dij表示第i個(gè)聚落到第j個(gè)聚落的直線距離；H(x)為Heaviside函數(shù)，若x>0，函數(shù)值為1，若x≤0，函數(shù)值為0；D為關(guān)聯(lián)維數(shù)值。

3.2 核密度估計(jì)

核密度估計(jì)主要用于分析聚落水平空間分布的聚集程度，以計(jì)算后核密度數(shù)值大小表達(dá)聚落水平空間分布聚集與離散程度，其表達(dá)式如下：

(5)

式(5)中：f(x,y)為某一聚落點(diǎn)(x,y)的核密度，n為聚落數(shù)量，h為評(píng)價(jià)范圍半徑，k為核密度函數(shù)，di是指兩個(gè)聚落點(diǎn)之間的距離。

3.3 演變?cè)u(píng)判

聚落演變?cè)u(píng)判主要以聚落演變重心為依據(jù)，對(duì)其各時(shí)期演變重心進(jìn)行分析，繪制多時(shí)期聚落重心變化軌跡，反映聚落水平空間變化方向，是常用評(píng)判聚落水平空間分布特征方法之一，其表達(dá)式如下：

(6)

式(6)中：(X，Y)為聚落的重心點(diǎn)，Pi為聚落數(shù)量，Xi為第i個(gè)聚落所在的經(jīng)度，Yi為第i個(gè)聚落所在的緯度。

4 數(shù)據(jù)分析

以2000～2015年遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提取2000、2005、2010、2015年4個(gè)時(shí)期研究區(qū)域內(nèi)8個(gè)縣聚落數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS空間分析工具，并結(jié)合研究區(qū)內(nèi)各縣實(shí)際情況對(duì)其聚落水平空間分布特征進(jìn)行分析探討。

4.1 聚落結(jié)構(gòu)形態(tài)特征

本文采用相關(guān)性驗(yàn)證的方法，探討研究區(qū)域內(nèi)8個(gè)縣聚落結(jié)構(gòu)形態(tài)特征，利用ArcGIS軟件分別計(jì)算研究區(qū)域內(nèi)8個(gè)縣空間關(guān)聯(lián)維數(shù)值D，表達(dá)各縣域內(nèi)聚落結(jié)構(gòu)形態(tài)特征?？臻g關(guān)聯(lián)維數(shù)值D范圍為0～2之間，當(dāng)D趨于0時(shí)，則表明聚落在水平空間分布越集中，相互作用越大，相關(guān)性越強(qiáng)；反之，則表明聚落在水平空間分布越分散，相互作用越小，相關(guān)性越弱。

從結(jié)果來看，2000～2015年期間，研究區(qū)域內(nèi)各縣關(guān)聯(lián)維數(shù)值D逐漸增加，則表明各縣域內(nèi)聚落在水平空間分布上越來越離散，并以任一點(diǎn)為中心呈現(xiàn)平均分布趨勢(shì)，聚落間相互作用越來越小，相關(guān)性弱。

4.2 聚落聚集程度

如圖2所示，2000～2010年期間，聚落核密度值增加較大，但威寧彝族回族苗族自治縣和金沙縣城鎮(zhèn)區(qū)域聚落密度值變小，即兩者城鎮(zhèn)區(qū)域聚落分布區(qū)域離散；2005～2010年期間，由于新農(nóng)村運(yùn)動(dòng)的影響聚落變化明顯，水平空間變化較2000～2005年大；2010～2015年期間，隨著聚落發(fā)展對(duì)周圍環(huán)境的影響，人們開始注重生態(tài)環(huán)境問題，更多關(guān)注人與自然可持續(xù)發(fā)展關(guān)系，聚落演變趨于平緩，聚落密度變化較小。2000～2015年期間，赫章縣和織金縣在四個(gè)時(shí)期聚落水平空間分布離散，在聚落核密度值較其他縣域小，聚落水平空間分布面積整體增加，聚落密度增加，聚落發(fā)展分別向各縣城鎮(zhèn)區(qū)域聚集并向縣城鎮(zhèn)區(qū)域范圍外擴(kuò)展的趨勢(shì)，說明在此期間當(dāng)?shù)胤鲐毎徇w工作成效明顯，居民對(duì)當(dāng)?shù)卣卟扇∠鄳?yīng)措施，聚落向各縣城鎮(zhèn)區(qū)域方向遷移。

圖2 畢節(jié)市2000～2015年聚落密度分布

4.3 聚落水平演變方向

聚落的重心位置體現(xiàn)了聚落發(fā)展方向，在一定程度上表明其空間發(fā)展，是體現(xiàn)人地關(guān)系的一種方式。如表1所示，在2000～2015年期間，研究區(qū)域內(nèi)8個(gè)縣域內(nèi)聚落重心存在不同程度偏移，其中七星關(guān)區(qū)聚落重心偏移距離最大，為3574.23 m；納雍縣聚落重心偏移距離最小，為678.09 m。

從各時(shí)期來看，2005～2010年期間，受新農(nóng)村運(yùn)動(dòng)的作用，研究區(qū)各縣域聚落向城鎮(zhèn)區(qū)域聚集，聚落重心偏移程度最大；2010～2015年期間，城鎮(zhèn)聚落發(fā)展達(dá)到飽和，生態(tài)環(huán)境問題出現(xiàn)，為協(xié)調(diào)人與自然關(guān)系，發(fā)展策略更為合理，不再是盲目集中于城鎮(zhèn)區(qū)域，更多是協(xié)調(diào)區(qū)域發(fā)展，研究區(qū)各縣聚落重心偏移較小。

表1 畢節(jié)市2000～2015年聚落重心偏移距離統(tǒng)計(jì) m

5 結(jié)論

本文選取貴州省黔西北地區(qū)——畢節(jié)市為研究區(qū)，以GIS技術(shù)為技術(shù)支撐，采用水平空間相關(guān)性、核密度以及聚落發(fā)展重心的方法進(jìn)行研究，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際發(fā)展情況對(duì)其聚落水平空間演變特征進(jìn)行探討，結(jié)果表明：研究區(qū)聚落水平空間演變特征明顯，受當(dāng)?shù)卣哂绊懶Ч@著，不同時(shí)期聚落水平空間分布呈現(xiàn)不同變化趨勢(shì)。

聚落的發(fā)展受自然條件的限制以及人為主觀意識(shí)能動(dòng)的影響，具有一定水平空間分布特征，喀斯特地區(qū)聚落水平空間分布特征顯著，是表現(xiàn)人地關(guān)系的一種方式。因此，合理推進(jìn)聚落發(fā)展是協(xié)調(diào)人地關(guān)系、可持續(xù)發(fā)展的必要途徑。