基于GIS的農(nóng)村居民點分布特征及景觀格局研究
——以揭陽市為例

張煒康 ，鄭榮寶*，洪潤平

(1.廣東工業(yè)大學 管理學院, 廣州 510520; 2.廣東國地規(guī)劃科技股份有限公司，廣州 510075)

國民經(jīng)濟以農(nóng)業(yè)為基礎(chǔ)，農(nóng)村是農(nóng)民生產(chǎn)生活不可缺少的重要載體。隨著自然和歷史的發(fā)展，農(nóng)村居民點成為農(nóng)村土地利用的重要組成部分[1]。受不同社會、經(jīng)濟、自然和文化等因素的影響，中國農(nóng)村居民點的選址和布局多是農(nóng)民自主選擇的，因而存在分散布局、部分聚居等問題。村莊大小和分布參差不齊,有些存在比較嚴重的臟亂差現(xiàn)象[2]。但隨著中國城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)人口比例不斷上升，農(nóng)村人口向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象日益顯著。農(nóng)村居民的規(guī)模、形態(tài)也因人口結(jié)構(gòu)的變化而產(chǎn)生相應(yīng)變化，出現(xiàn)“空心村”等不良現(xiàn)象[3]。過去農(nóng)村居民點管制不嚴，出現(xiàn)農(nóng)民自建與零散布局的局面，導(dǎo)致大量優(yōu)質(zhì)耕地被占用的同時[4]，阻礙了農(nóng)村規(guī)劃建設(shè)和城鎮(zhèn)化的進度，與適應(yīng)社會經(jīng)濟發(fā)展的“節(jié)約集約利用”理念相沖突[5]。國內(nèi)的研究按橫向和縱向兩大方向劃分[5]：對規(guī)模、形態(tài)[6]、空心村[7]等的研究為橫向研究；縱向研究則主要集中于國家級[8]、省級[9]、縣級[10]等。多數(shù)以山區(qū)和近城鎮(zhèn)區(qū)域為研究范圍。將農(nóng)村居民點進行集聚化與規(guī)?；l(fā)展管理，能夠使土地進一步節(jié)約集約利用，并且在節(jié)約資源的同時集中完善農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施，促進農(nóng)村人口生活質(zhì)量提高[11]。并且，針對目前中國農(nóng)村居民點土地利用較為粗放的問題，對農(nóng)村居民點的研究也開始多角度化[5]，主要有以下3個方面：農(nóng)村居民點整治潛力的研究[12-14]；農(nóng)村居民點空間布局及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[15-17]；農(nóng)村居民點用地及選址的適宜性評價[18-19]。因此，隨著社會逐漸進入“大數(shù)據(jù)時代”，對農(nóng)村居民點空間分布特征進行研究，對推動城鄉(xiāng)一體化建設(shè)和美麗鄉(xiāng)村建設(shè)等政策的理論研究和實踐開展，促進農(nóng)村土地節(jié)約集約利用有重要意義。

圖 1 揭陽市高程Figure 1 Elevation map of Jieyang city

圖 2 揭陽市農(nóng)村居民點分布 Figure 2 Distribution of rural settlements of Jieyang city

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

揭陽市地跨東經(jīng)115°36′24″～116°37′39″，北緯22°53′20″～23°46′47″，位于廣東省的東南部。全境內(nèi)土地總面積達5 265.38 km2，全市大陸海岸線長136.90 km。揭陽市境內(nèi)地勢自西向東傾斜，低山、丘陵以及河谷平原三者相間分布，其中境內(nèi)總面積約60%是山地、丘陵，且分布不均，如圖1所示。其中中部、南部和東南部地區(qū)被譽為“魚米之鄉(xiāng)”，因其處于榕江沖積平原和濱海沉積平原范圍，地形平坦廣闊，土壤肥沃；而丘陵、山地多分布于西北部和西南部。

揭陽市境內(nèi)現(xiàn)有公路總里程7 209.69 km(其中境內(nèi)通車高速公路201.854 km)，廣梅汕鐵路、廈深高速鐵路和深汕高速公路穿境而過，是粵東、閩西南和贛南的交通樞紐。此外，境內(nèi)河網(wǎng)密布，河流總長達1 097.5 km，多年平均本地河川徑流總量65.75億m3，以榕江、龍江和練江三大水系為主，其中流域面積最大的當屬榕江。地表水資源較充足，榕江南北河是廣東省著名的深水內(nèi)河，被譽為“黃金水道”。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

采用揭陽市2017年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫對村莊位置進行提取，通過要素轉(zhuǎn)換工具將面狀圖斑轉(zhuǎn)換為點狀要素(即農(nóng)村居民點)，并剔除0.1 hm2以下的農(nóng)村居民點(實際為耕地、養(yǎng)殖場等)；再通過結(jié)合數(shù)據(jù)庫、揭陽市城市總體規(guī)劃(2011—2035年)，提取出主要道路和河流，且河流只選取面積大于1.5 hm2作為分析要素。相關(guān)文字資料來源于揭陽市相關(guān)部門統(tǒng)計的社會經(jīng)濟資料, 如圖2所示。

2 研究方法

2.1 Ripley’s K 函數(shù)

Ripley’sK函數(shù)是一種常用來對空間點模式進行分析的方法，借此判斷出點要素在空間上的分布格局。農(nóng)村居民點的空間分布可能因研究尺度的變化而改變,若尺度較小則會呈集聚分布，而隨著研究尺度的增大，可能呈均勻分布或隨機分布狀態(tài)。Ripley’sK函數(shù)可分析任何尺度下的空間分布格局，因此成為分析農(nóng)村居民點空間分布格局的重要方法[20]。計算公式如下:

(1)

式(1)中：研究范圍的面積表示為A；農(nóng)村居民點數(shù)量總和為N；dij表示的是兩個農(nóng)村居民點之間的距離，即農(nóng)村居民點i與農(nóng)村居民點j之間的距離；h則表示空間尺度大?。籌(h)為指示函數(shù)，如果dij

用K函數(shù)計算出的結(jié)果來表明農(nóng)村居民點的空間集聚程度，農(nóng)村居民點空間集聚程度越高則K值越大；相反，若空間分布越分散，得出的K值就越小。但居民點的分布性質(zhì)難以在結(jié)果中直接體現(xiàn)[21]。因此Besag等[22]提出對K(h)進行一個開方變換，即用L(h)代替K(h)，令結(jié)果線性化并保持方差穩(wěn)定性。

(2)

式(2)中：若L(h)的結(jié)果為0，則表明這一尺度上的農(nóng)村居民點分布狀態(tài)為空間完全隨機分布。若在相應(yīng)的空間尺度中農(nóng)村居民點的分布呈集聚分布狀態(tài),則L(h)的結(jié)果將會大于0；反之，L(h)的結(jié)果小于0時，農(nóng)村居民點的分布在對應(yīng)空間尺度上呈分散趨勢。

2.2 核密度估計法

空間分析方法中，核密度估計法(KDE)是最常用的一種非參數(shù)估計法,對空間點位的密度的估算是在一個動態(tài)的窗口中進行的,以期以事件的空間密度分析表明事件的空間點模式[23]。KDE的空間可視化強、計算方便。本研究將居民點的空間集散情況以KDE進行可視化表達。居民點在空間區(qū)域分布越密集，則核密度值將會越大,反之，空間區(qū)域分布越稀疏則越小。

2.3 景觀格局指數(shù)

農(nóng)村景觀由不同的元素部分構(gòu)成，而農(nóng)村居民點是其中不可或缺的部分，而所處地域的坡度作為農(nóng)村居民點選址的重要因素之一，與居民點分布的空間格局結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。為分析道路和河流等環(huán)境因素對農(nóng)村居民點分布的影響程度，總結(jié)他人研究[24]，選取平均斑塊面積(MPA)、斑塊密度(PD)、斑塊數(shù)(NP)、斑塊面積(CA)作為指標。其中PD主要用來反映農(nóng)村居民點在空間上的分布狀態(tài)。PD值越大，區(qū)域內(nèi)居民點的空間分布越密集，農(nóng)村居民點的用地規(guī)模通過NP和MPA來反映，CA則反映農(nóng)村居民點斑塊面積的總和[25]。

3 結(jié)果與分析

3.1 Ripley’s K 函數(shù)

利用ArcGIS 10.2的空間統(tǒng)計中的多距離空間聚類分析(Ripley’sK函數(shù))工具，計算得出L(h)的函數(shù)值。計算時設(shè)置5 km為空間尺度，邊界校正選用Simulate Outer Boundary Values,置信度設(shè)置99%。

從圖3可以看出,揭陽市農(nóng)村居民點分布的L(h)函數(shù)值結(jié)果均大于0,結(jié)果說明揭陽市農(nóng)村居民點的集聚分布現(xiàn)象顯著, 同時農(nóng)村居民點的聚集度也隨著空間尺度的增加而增加。

3.2 核密度估計法

利用軟件平臺的Kernel Density模塊，對農(nóng)村居民點分布進行核密度空間分析，如圖4。

(1)揭陽市農(nóng)村居民點空間布局呈現(xiàn)出“東部、東北密，中部南部較分散”的狀況，且在不同行政區(qū)劃范圍內(nèi)空間密度差異性比較顯著,有多個核心熱點區(qū)同時存在。

圖 3 Ripley’s K 函數(shù)值Figure 3 Ripley’s K function value

圖 4 揭陽市農(nóng)村居民點核密度分布Figure 4 Nuclear density distribution of rural residential areas in Jieyang city

(2)揭陽市各行政區(qū)的政府駐地周邊鎮(zhèn)的核密度值基本都高于7.45個/km2，分別形成了各自的農(nóng)村居民點高密度區(qū)域,其中空港經(jīng)濟區(qū)的溪南街道、榕城區(qū)梅云街道、下架山鎮(zhèn)為區(qū)域內(nèi)密度值最高的區(qū)域，密度值均大于14.90個/km2，其主要原因在于這一區(qū)域為政府駐扎地或交通便捷度較高區(qū)域,故而人口較其他地區(qū)稠密,農(nóng)村居民點密度也相應(yīng)較高。

(3)農(nóng)村居民點分布集中的區(qū)域，受地形和交通區(qū)位的影響顯著,因其多數(shù)分布在地勢平坦區(qū)域以及道路兩旁。

(4)由于西部、南部及西北部地區(qū)低山環(huán)繞,山地、丘陵等交錯分布，地形較復(fù)雜，地勢較東部、東北密，中部南部較陡峭,交通等基礎(chǔ)設(shè)施不夠健全,可耕種區(qū)域較小，離經(jīng)濟、行政中心較遠，導(dǎo)致了該區(qū)域內(nèi)農(nóng)村居民點布局呈零散、稀疏狀，因此核密度值很低。

3.3 農(nóng)村居民點格局分析

道路分別按500、1 000、1 500、2 000 m的半徑做緩沖區(qū)分析，得到道路緩沖區(qū)；河流干流及其較大的支流等構(gòu)成的水系進行相同處理，得到農(nóng)村居民點在緩沖區(qū)范圍中的分布圖(圖5、圖6)，最后分別計算得到距離道路和河流不同范圍為基礎(chǔ)的農(nóng)村居民點的景觀格局指數(shù)(表1、表2)。

圖 5 道路緩沖區(qū)農(nóng)村居民點分布Figure 5 Distribution of rural residential areas in road buffer zone

圖 6 不同河流緩沖區(qū)農(nóng)村居民點分布Figure 6 Distribution of rural residential areas in different river buffer zones

3.3.1不同道路緩沖區(qū)范圍農(nóng)村居民點景觀格局指數(shù)

表 1 道路對農(nóng)村居民點分布影響的景觀格局指數(shù)統(tǒng)計 Table 1 Landscape pattern index statistics of the influence of roads on the distribution of rural settlements

表 2 河流對農(nóng)村居民點分布影響的景觀格局指數(shù)統(tǒng)計 Table 2 Landscape pattern index statistics of the influence of rivers on the distribution of rural settlements

通過圖5 可知揭陽市農(nóng)村居民點分布受道路交通的影響明顯，基本集聚在道路2 km的距離范圍內(nèi)，其中道路交匯區(qū)的交通條件相對較為優(yōu)良，故而居民點集聚程度最高。此外，由表1可知，農(nóng)村居民點斑塊數(shù)分布在距離較大道路(公路)500 m范圍內(nèi)的數(shù)量最多，其面積也最大，分別占了總量的39.02%和38.40%；伴隨著居民點和道路的距離的增加，農(nóng)村居民點分布的數(shù)量呈減少趨勢，其中在0～1 000 m的緩沖區(qū)范圍內(nèi)，呈大幅下降趨勢，從1 000～2 000 m的范圍內(nèi)則開始緩和。500～1 000 m范圍內(nèi)的平均斑塊面積增幅較大，從500 m范圍內(nèi)的1.47 hm2增加到了1.54 hm2，而后隨距離增加呈下降趨勢，整體呈先增加再減少的態(tài)勢；斑塊密度表現(xiàn)出先下降后上升的態(tài)勢。

3.3.2 不同河流緩沖區(qū)范圍農(nóng)村居民點景觀格局指數(shù)

揭陽市農(nóng)村居民點的分布為離河流越近，分布越多越密集，隨著距離增加相對分散減少(圖4)。由表2的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可更直觀地看出，距離河流1 000 m的范圍內(nèi)，農(nóng)村居民點的分布比例高達60%，在500 m范圍內(nèi)的分布數(shù)量最多，農(nóng)村居民點斑塊個數(shù)超過了總量的1/3，分布比例達到37.88%。距河流越近，農(nóng)村居民點斑塊數(shù)越多，斑塊的面積越大。此外，分布于500～1 000 m范圍內(nèi)的平均斑塊面積大于其他距離范圍內(nèi)的面積，達到1.86 hm2，但其斑塊密度最小，只有0.54個/hm2。4個范圍區(qū)內(nèi)的平均斑塊面積變化呈先增后減的態(tài)勢，而斑塊密度則呈先減后增的態(tài)勢。

4 結(jié)論

(1)從L(h)的函數(shù)值所繪制成的散點圖可以看出，揭陽市農(nóng)村居民點的集聚分布現(xiàn)象顯著。

(2)基于核密度分析結(jié)果得出，揭陽市農(nóng)村居民的分布主要集中在距離行政中心較近的區(qū)域，其中共同特征主要有：道路系統(tǒng)完善，交通網(wǎng)集中，交通條件好；在河流主干道范圍內(nèi)，供生產(chǎn)和生活的水源充足地區(qū)；地形相對不復(fù)雜，地勢平坦；集中分布于鎮(zhèn)區(qū)周圍，基礎(chǔ)設(shè)施完善，生活條件良好等。

(3)從空間區(qū)位的角度來看，農(nóng)村居民點主要集聚在揭陽市中部的普寧市和東北部的榕城、揭東、藍城和空港經(jīng)濟區(qū)的縣區(qū)范圍, 則道路通達對農(nóng)村居民點布局影響十分顯著。其中在0～1 000 m的緩沖區(qū)范圍內(nèi)，呈大幅度下降趨勢，而1 000～2 000 m的范圍內(nèi)則開始緩和。

(4)從自然因素的角度來看，揭陽市自西向東傾斜，山地丘陵面積較廣但地形分布不均，而中部、南部和東南部是土壤肥沃，水源充足，地形較為平坦的榕江沖積平原和濱海沉積平原。水源自始至終都是人類生產(chǎn)和生活的重要因素，有超過60%的農(nóng)村居民點集中分布在由榕江、龍江和練江三大水系構(gòu)成的河網(wǎng)體系周邊。