山区农村居民点空间布局与优化

2012-11-22邹利林王占岐王建英

中国土地科学 2012年9期

邹利林，王占岐，王建英

（1.中国地质大学（武汉）资源学院，湖北武汉430074；2.中国地质大学（武汉）经济管理学院，湖北武汉430074）

2010年中国乡村人口约为6.74亿，考虑城市化进程和人口增长，预计2030年仍将有大约6亿人口居住在广大农村地区[1-2]，可见未来较长一段时期内农村居民点仍将是农村人口聚居的主要形态和场所。长期以来，农村居民点的空间布局处于农民的自发选择状态，特别是在受自然条件限制更为强烈的山区更加零乱分散。近年在城镇化的快速推进和新农村建设背景下，国内学者在农村居民点的空间布局与优化配置理论及实证研究方面形成了丰富的成果，但对山区农村居民点的研究尚未引起同样的重视，还没有形成系统的理论框架。本文在对国内有关山区居民点文献成果进行回顾和总结的基础上，以湖北长阳土家族自治县为例进行实证研究，试图全面分析山区居民点空间分布特征，并提出优化策略，以期为中国山区农村居民点的规划和整治提供指导。

1 文献回顾

中国山区农村居民点的空间布局与优化研究起源于20世纪50年代，直到21世纪初才有学者从不同角度对该课题展开研究。其文献成果可大致归纳为4个方面：一是影响山区农村居民点空间布局的环境因素。自然环境是山区农村居民点形成和发展的基础，主要包括地形和河流[3]；生产环境是农村居民通过有意识的社会劳动创造的人工环境系统，影响其布局的主要是农地环境[4]；社会经济环境对山区农村居民点空间格局的动态迁移具有决定性意义，包括公路[3-5]、农村人口[6]、人口密度[7]、农民人均纯收入[6]、距离城镇距离[7]、村镇等级规模[3]、土地利用规划[8]等。二是山区农村居民点的空间布局特征。目前学者对这种总体布局特征的描述大体上可归纳为两类，（1）采取形象描述的方式将其描述为“大散居、小聚居”[9]、“天女散花”[10]、“满天星”[11]；（2）采取特征聚类的描述方式，如陈振杰等将桐庐县农村居民点空间分布划分为团状分布、带状分布、分散分布3种模式[12]。三是山区农村居民点空间布局研究的技术方法。从学科发展的全过程来看，大致经历了以定性为主、定性与定量相结合，以定量为主和以GIS技术大量应用为主3个阶段。前两个阶段的研究成果有限，后一个阶段的研究成果较多，因此可以说山区农村居民点空间布局研究是以GIS技术为主进行量化研究的学科体系。四是山区农村居民点的布局优化。国内学者对其研究的主要思路是从居民点用地整理的空间布局调整的角度出发，依据居民点的自然、社会和经济等综合状况，将其划分为不同的整理模式，并以此制定相应的优化策略[13-15]。

尽管国内学者对山区农村居民点空间布局与优化研究取得的成果颇丰，特别是对影响其空间布局的各种因素及其影响下的空间形态的研究已经比较全面，采用的技术方法也比较成熟，但现阶段对山区农村居民点的布局优化研究还有待加强，大多是从定性的角度出发，缺乏定量的支持，需在优化技术方法上不断探索和完善。

2 实证研究

2.1 研究区概况

长阳土家族自治县位于鄂西武陵山区，地处东经110°21＇—111°21＇，北纬30°12＇—30°46＇，县域东西长94.5 km，南北宽63 km，总面积3420.04 km2。县域全境为武陵山脉与巫山山脉延伸部，以清江为界，南为武陵山脉，北为巫山山脉，总体地势西高东低，除清江及其支流的河谷地带地势较平坦外，其余均在海拔600—2300 m，低山占总面积的30.6%，半高山占46.1%，高山占23.3%，素有“八山半水一分半田”之称。

2.2 数据来源与处理

数据来源：长阳2009年第二次土地调查农村土地利用数据库、长阳1∶5万地形图、长阳土地利用总体规划（2006—2020年）、长阳村庄规划（2006—2020年）、长阳示范村土地利用规划（2006—2020年）、长阳统计年鉴（2010年）。数据处理：（1）借助ArcGIS 9.3软件，从长阳二调库中提取农村居民点，生成农村居民点分布专题图，并保存为Shapefile矢量格式；（2）从长阳二调库中提取道路、河流，分别保存为Shapefile矢量格式；（3）在ArcGIS 9.3软件3D Analyst模块中，利用等高线创建TIN文件，并将TIN转换为栅格格式后进行表面分析，分别得到坡度图和坡向图。考虑计算机运行能力和所需精度的要求，以上各图层的栅格单元大小统一设置为20 m×20 m。

2.3 研究思路

首先对研究区居民点景观格局进行分析；其次构建合理的指标体系，利用GIS空间分析模块获取各指标值；再次对指标数据进行处理，获取权重；最后引入加权Voronoi图对居民点进行空间优化配置研究（图1）。

2.4 结果分析

2.4.1 居民点景观格局分析选取下列指数来研究居民点斑块的布局特征：斑块面积（CA）、景观面积（TA）、斑块个数（NP）、斑块所占景观比例（PLAND）、平均斑块面积（MPS）、斑块密度（PD）、斑块大小标准偏差（PSSD）、最大斑块指数（LPI）、平均形状指数（MSI）、平均最邻近距离（MNN）。利用Fragstats 3.3计算的结果见表1。长阳农村居民点用地布局呈现如下特征：（1）布局零散，集聚程度低。2009年长阳居民点数量为53846个，面积为6118.29 hm2，占土地总面积的1.79%，平均斑块面积0.11 hm2，按当年长阳户均宅基地面积584.3 m2计算，每个居民点斑块只有2户，这充分说明长阳农村居民点用地布局零散，居民点以散居点为主，集聚程度低，缺乏规划整合。（2）用地规模乡镇间差异明显，但布局差异较小。农村居民点斑块数最大的都镇湾镇多达8684个，最小的火烧坪乡为1506个，而各乡镇间的PLAND、LPI、MPS、PSSD、MSI和MNN等指数差异较小，这说明景观面积大小是导致农村居民点用地规模乡镇间差异明显的主要原因，也表明居民点布局乡镇间差异不明显。（3）自然条件、生产环境、经济环境对居民点空间布局影响较大。从LIP、MPS和PSSD三项指标来看，火烧坪乡均要大于全县平均水平，这说明火烧坪乡居民点不仅规模大，而且各居民点斑块大小离散程度也最小，这与其作为中国著名的高山反季蔬菜基地所具备的地形条件和耕作条件密切相关，此外龙舟坪镇的MPS和MSI最大，而MNN最小，这一方面彰显其作为县政府所在地的经济集聚优势，另一方面揭示其农村居民点斑块的形状特征最丰富。

图1 农村居民点布局优化流程图Fig.1 Flow chart for layout optimization of rural residential land

表1 2009 年长阳农村居民点景观指数分析Tab.1 The analysis of landscape index of rural residential land in 2009

2.4.2 居民点空间分布与环境因子的量化关系分析居民点分布与环境因子的量化关系研究主要选取海拔、坡度、坡向、河流和公路等因子。海拔、坡度和坡向量化数据的获取是先将处理好的TIN、坡度图和坡向图通过ArcGIS 9.3的Reclassify功能，将栅格数据按照确定的分级标准进行再分类，再利用ArcGIS 9.3的Raster to Features功能将栅格数据转化为Shapefile矢量数据，最后利用ArcGIS 9.3的Intersect功能将居民点Shapefile矢量数据分别与其进行叠加分析；河流和公路量化数据的获取是先利用ArcGIS 9.3的Feature to Point功能将处理好的农村居民点Shapefile矢量数据转换为点数据，然后利用ArcGIS 9.3的Buffer功能分别与道路、河流的Shapefile矢量格式进行缓冲分析，结果见表2。长阳农村居民点主要分布在海拔200—1500 m之间，该区间占居民点总面积的82.43%，海拔低于100 m的地区鲜有居民点分布；坡度量化显示居民点主要集中在0°—2°和5°—25°两个区间，分别占总面积的35.99%和53.33%，坡度大于25°的陡坡地段也有9.33%的分布；居民点在坡向上的分布则比较均匀，水平向的相对较多，南向其次，西北向最少；河流缓冲分析主要选取清江及其主要支流，结果显示1500 m以内为33.38%，1500—5000 m以内为43.34%，大于5000 m的居民点比例仍占23.28%，这说明农民生产生活用水状况亟待改善；公路缓冲分析主要选取县级以上公路，结果显示47.23%农村居民生活在距离公路1500 m以内的区域，尽管仍有11.75%的农村居民生活在距离公路5000 m以外的区域，但由于“村村通”的普及，公路对居民点总体分布的影响力逐步减弱。

2.4.3 居民点空间分布与生产及社会因子的定性分析本研究选取耕地面积和园地面积两项生产因子以及城镇距离、居民点用地规模、农村人口、农民人均纯收入、居民点扩张用地需求、村庄规划等级6项社会经济因子对长阳农村居民点的空间布局进行研究。在以传统农业为主的长阳山区，农村的繁衍生息主要依靠耕地和园地的农业产出来维系，也就是说周围耕地和园地分布是其最主要的生产环境。此外，从长阳农村居民点的分布特征和可获得的数据资料来看，上述6项社会经济因子最能反映其农村居民点的扩张潜力和集聚能力。

2.4.4 居民点空间分布影响因子权重的确定居民点空间分布影响因子权重的确定采用4种方法：第一种是海拔、坡度、坡向、河流、公路，根据专家判断，确定等级划分标准，并采用“九分制”对各影响因素按9、7、5、3、1进行赋分；第二种是城镇距离，按时间距离计算，具体依据山区农民出行主要的交通方式划分等级，并采用与方法一相同的赋分方法；第三种是居民点用地规模、农村人口、农民人均纯收入、居民点扩张用地需求、耕地及园地面积采用大量数据研究评价因子和评价对象之间的定量关系，并对指标数据进行归一化处理，将归一化的结果作为该因子的权重；第四种是村庄规划等级采用因子定性分析法，主要依据县级规划和村庄规划成果对定性描述结果进行赋分，具体采用与方法一相同的赋分方法。各因子与研究对象等级划分标准和赋分情况见表3。

表2 居民点分布与环境因子的量化关系Tab.2 Thequantitativerelationshipbetweenruralresidentiallandandenvironment

表3 居民点分布与影响因子的等级划分Tab.3 Theclassificationbetweenruralresidentiallandandinfluentialfactors

2.4.5 居民点空间布局的优化配置 Voronoi图作为一种用于空间分割的几何结构，已经在地理、地质、医学等领域得到广泛应用，加权Voronoi图则是一种赋予常规Voronoi图均质发生元不同权重后新的空间势力范围划分方式。本文采用的发生元是从居民点Shapefile矢量文件中提取各行政村最大农村居民点用地图斑，并利用ArcGIS 9.3提供的CalculateGeometry功能获取每个斑块的质心坐标并转换成点，以此作为生成Voronoi图的发生元点集。此外，为维护农村土地权属在乡镇层面上的完整性，本文采用分区思想构建农村居民点的加权Voronoi图，具体借助美国乔治亚大学Mu编写的wvd2009程序实现，见图2。

图2显示，每个居民点都具有独立的势力范围，居民点的优化可以将该范围内所有的散居点都向发生元集中，并且这种以势力范围为调整区域的优化方案打破了现有的村庄行政界线，最大程度地实现了居民点的空间优化配置。如果借引Okabe和Sadahiro提出的一种利用Voronoi图有层次地组织空间数据的方法，即从空间点集中最低级中心开始寻找局部中心，局部中心定义为那些属性值大于或等于其Voronoi多边形邻居属性值的那些空间点[16]，那么分区搜寻就会形成如图3所示的农村居民点空间分布等级体系，各等级层次的农村居民点如表4。不同等级层次的集聚点采取不同的优化策略，如以龙舟坪村、磨市村和贺家坪村为代表的5个第一等级村，作为长阳“十二五”规划期间“一区两园”建设的重点城镇村，拥有完善的基础设施和优越的地理区位条件，具备引领全县经济发展的核心竞争力，必将得到大力发展；以白氏坪村、津洋口村为代表的15个第二等级村，或是一般乡镇政府所在地，或是规划确定的重点村庄，将主要承担缓解重点城镇村扩张压力和推进城乡发展一体化的重任，该等级居民点应当优先发展；处于第三等级的17个村应按照规划有条件扩展，并依托“增减挂钩”推动田、水、路、林、村综合整治，改善农村生产、生活条件和生态环境，增强居民点的集聚能力，努力建设成为更高等级的居民点；处于第四等级的119个一般行政村受地理条件和自然资源的限制，在规划期内适当予以保留，但应限制其发展，更要防止居民点的无序扩张，注重内涵挖潜，提高集约利用水平；处于第五等级的自然村和散居点主要分布于远离中心村、中心镇等交通不便、自然条件差的偏远地区，该等级居民点应当严格禁止新增居住用地，并逐步向势力范围内等级更高的农村集聚点搬迁。

图2 农村居民点分区加权Voronoi图Fig.2 ThepartitionweightedVoronoidiagram ofruralresidentialland

图3 不同层次等级农村居民点的空间分布Fig.3 Spatialdistributionofdifferenthierarchy ofruralresidentialland

3 结论与讨论

（1）山区农村居民点是山区农村居民在长期的历史变迁中与周围自然环境、社会环境及生产环境相互作用的足迹，其空间布局研究作为农村居民点空间分布特征研究的重要组成部分，可为寻找合理的农村居民点区位和实现农村居民点布局优化提供依据。

（2）景观分析方法能较好地刻画山区农村居民点分布特征，GIS空间分析技术则能实现对山区农村居民点各种自然影响因素的定量分析。海拔、坡度、坡向以及河流等自然环境因素是决定山区农村居民点空间选址的关键约束力，而后期形成的道路通达条件、社会经济条件、区位条件、规划条件、耕作条件等社会经济及生产环境因素是决定其规模扩张的重要驱动力。

表4 各行政村居民点的等级层次Tab.4 Thehierarchyofruralresidentiallandofdifferentadministrativevillages

（3）以Voronoi多边形为势力范围的优化方案能较好地实现农村居民点的空间优化配置，并且利用Voronoi图搜寻局部中心作为更高等级居民点的优化策略，不仅是对居民点优化配置进行量化研究的一种新尝试，还对完善农村聚落地理学的中心地理论具有重要意义。

（4）由于所选研究区农村居民点过于分散，在选取Voronoi图发生元时又只是提取了各行政村最大集聚点的质心，而忽视了其他规模较大的集聚点，由此产生的结果偏差必然存在，并且Voronoi图在搜寻局部中心时，由于每个Voronoi多边形邻域范围内不可能同时存在两个高等级的中心（二者选其更高），因此一些条件较好的行政村“被降级”，这些问题都需在后续研究中不断完善。

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