秦岭山区路网空间格局及其对乡村聚落破碎化的影响分析

刘 超，杨海娟，王子侨，杨庆会

西北大学城市与环境学院,陕西西安 710127

目前，中国仍有7.13×108农村人口以及上百万个村落与集镇，农村人口占全国总人口的比重仍高达53.4%，乡村聚落依然是中国人口的主要聚居形式[1-2]。但农村居民点存在的的建设缺乏规划、一户多宅、闲置土地比重高、空心村等问题严重制约了当地经济和基础设施建设的发展[3]。城市化离不开对乡村尤其是城郊乡村所产生的影响,道路作为城乡物质与能量交换的桥梁，是城市带动农村发展的重要媒介，作为城市与农村共享的基础设施，其不断完善是农村城镇化的重要标志，是城乡统筹发展的有效推动力。与此同时，交通发展改变了道路沿线原有土地的价值，增值后的土地吸引资本投入，进而促进沿线土地利用方式的转变，使农户“沿路建房”的现象日益增多[4,5],给乡村聚落的布局带来了新的变化。

学者对道路的研究主要集中在以下三方面：第一，道路网络的分布特征研究。如曹龙熹等研究了黄土高原典型小流域内各级道路的分布规律[6]，刘世梁等研究了纵向岭谷区云南核心区道路网络的空间分布差异[7]；第二，道路带来的生态效应研究。如李双成等统计分析了中国道路网与生态系统破碎化关系[8]，刘世梁等研究了道路对景观的影响及其生态风险评价[9]，张世远等对城市道路两侧土壤重金属污染进行了评价[10]；第三，道路产生的社会效应研究。如王红等分析了道路对县域人口分布的影响[11]，杨忠臣等探讨了高速公路建设与区域城镇分布的相互影响[12]，卢青等研究了经济发达区道路对两侧农村居民点演变的影响[13]。这些研究为本研究提供了一定的理论基础，本研究利用GIS技术中核密度估算法求得道路网络密度，以此为指标反映道路空间分布特征，并研究该区路网分布特征对乡村聚落景观破碎度的影响，这不仅是道路发展带来的景观效应研究有效补充，而且为山地路网建设与规划、农村居民点用地集约利用提供理论依据和技术支持，从而加强城镇建设，推动城乡一体化发展。

1 研究区概况

商州区位于陕西省的东南部、地处秦巴山区，山地较多，是商洛市政府所在地，是全市的政治、经济、文化和交通中心。该区域地理区位优越，地处西安—武汉—郑州大经济圈的中心部位，是关中经济带和西安都市宜居圈的重要组成部分。境内已形成以铁路、公路为主的交通网络，2010年底，境内铁路里程60 km，公路里程2007 km，其中高等级公路92.3 km。全区辖4个街道办事处、16个建制镇和10个乡，总人口55.01万人，占全市的22.47%，其中农业人口36.14万。土地总面积为2644.36 km2，农村居民点用地面积为53.04km2，占全区面积的2.01%。地势西北高、东南低，其中山地丘陵占土地面积的80.8%，河谷川塬地区所占比重小，以中、低山体的土石山区的地貌给商州区的道路建设带来一定的困难。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

社会经济数据来源于2010年商州区统计年鉴，采用的影像数据是通过中国科学院国际信息数据服务平台网站获取的Landsat TM遥感数据（分辨率30 m）。通过Erdas软件以1:75000地形图为参考基准，对影像进行几何纠正、精度评估、分幅裁切和真彩色合成得到2010年商州区影像图，并进行目视解译法，获取道路（不含村道）和乡村聚落空间信息。利用商州区1:75000地形图在ArcGIS中矢量化等高线，转换为 TIN，再插值为DEM，基于Zonal Statistics工具统计各镇（乡）的平均海拔高度。

2.2 研究方法

2.2.1 核密度(KDE)估算方法 核密度估算法[14-15](kernel density estimation,KDE)主要是借助一个移动窗口，计算并输出每个栅格单元的点或线密度。一般定义为:设x1，…，xn是从分布密度函数为 f的总体中抽取的独立同分布(iid)样本，估计 f在某点x 处的值 f(x)，通常有Rosenblatt-Parzen核估计:

每个事件对圆域内各个栅格的密度贡献值；4)对每个栅格的密度值进行赋值，其值为该栅格搜索半径范围内各个事件对该栅格的密度贡献值的累加；5)输出每个栅格的密度值。

2.2.2 乡村聚落景观破碎度计算 乡村聚落是聚落景观的重要组成部分，景观破碎化常表现为景观斑块密度的增加、斑块面积的减小、边界密度的增加以及斑块集聚度的降低等，因此可以用景观格局指数法中斑块密度(PD)、平均斑块面积(MPS)、边界密度(ED)以及斑块聚集度(CI)等指数作为景观破碎化的指标[16]，公式如下：在KDE估算中，带宽h的确定或选择对于计算结果影响很大，随着 h的增加，空间上点密度的变化更为光滑，但会掩盖密度的结构；h减小时，估计点密度变化突兀不平。在具体的应用中需根据不同的h值进行试验，以寻求能与实际情况较吻合的核密度曲面。具体方法是:1)定义一个搜索半径，以滑动的圆来统计出落在圆域内的事件数量；2)根据密度精度要求，确定输出栅格大小；3)通过核函数计算出

上述式中,E为乡村聚落斑块的边界长度,N表示研究区乡村聚落斑块总数,A表示研究区乡村聚落总面积,Pij是随机选择的两个相邻栅格单元属于类型i与j的概率。

3 结果与分析

3.1 最佳带宽的选择

本文选择带宽1km、2 km和3km进行对比(图1)，从而确定最佳的带宽来分析商州区的路网格局特征。从图中可以得出,带宽为1 km的最大密度值是3.5,带宽为2 km的最大密度值是2.79,带宽为3 km的最大密度值是1.75。在核密度(KDE)估算中，带宽越小,在带宽内的密度值就越大,密度值曲线越突兀；带宽越大,在带宽内的密度值就越小,密度值曲线越光滑。以2 km作为带宽,能清晰的辨别出路网的密度中心,比较明显的反映路网核密度的等级差异。

3.2 道路空间格局特征

由路网核密度图与行政区图叠加分析数据可看出，商州区绝大部分地区的道路密度低于全国平均水平0.2 km/km2［17］，少部分地区的道路核密度较高，道路交通对这些地区的发展有很高的支撑能力和保障水平。由道路核密度的空间分布（如图2）可以看出:板桥镇、白杨店镇、夜村镇和孝义镇为道路密度高值集聚区，这些乡镇主要分布在河谷川塬地区，地势平坦，施工难度小。其次是刘湾街道办事处、城关街道办事处、大赵峪街道办事处、沙河子镇、杨峪河镇等乡镇，这些乡镇是商州区的中心城区，经济较发达，人口密度高，交通发展迅速。腰市镇、牧护关镇及砚池河乡、黑山镇等是道路密度低值区，这些乡镇多处山区，地势起伏大，人口较少,交通发展滞后。这从总体上揭示了商州区道路网络在空间分布上具有不均衡性，呈现一“核”（板桥镇）多“极”（大赵峪街道办事处、白杨店镇、夜村镇等乡镇）的态势，道路网络发达的地区集聚于中部及东南部，道路网络稀疏的地区则聚集在北部、西南部；且道路密度高值集聚区的乡镇内部公路网密度差异也相对显著，如沙河子镇、白杨店镇、夜村镇和孝义镇等乡镇，这些地区路网尚未连接成面，内部未能完全均质化，并且覆盖面积小。

图2 商州区路网空间格局Fig.2 Spatial distribution of road network in Shangzhou Distrcit

3.3 不同辐射范围的景观破碎度

利用GIS中的空间分析技术，参考国内外学者对道路影响带的界定,并结合秦岭山区的实际特点，选取了500 m道路等距缓冲区作为景观分析的范围[18]，划分为500、500～1000、1000～1500、1500～2000、2000～2500、2500～3000、3000～3500、3500～4000、4000～4500、>4500km等10个缓冲带，与乡村聚落图层叠加分析，获取在各缓冲带的乡村聚落斑块，利用景观结构分析软件 Fragstats 4.0计算相关指数，对其破碎度进行分析，得到的结果如表1所示。可以看出在道路缓冲区半径为500m时,乡村聚落平均斑块面积7.83hm2，斑块密度为0.13个/hm2，边界密度18.38 km/km2，聚集度91.25；随着缓冲区半径的增加平均斑块面积逐渐减少，斑块密度、边缘密度不断增大，聚集度也不断下降。这反映了道路辐射范围不同，乡村聚落的景观破碎度不同，即随着道路辐射能力的减弱，乡村聚落的景观破碎度逐渐加剧。这是因为距离道路近，居民出行方便，有利于与外界进行物质、信息的交换。随着距离道路越远，居民出行成本增加，乡村聚落布局就越分散。

表1 不同道路缓冲区的景观破碎化指数Table 1 Landscape fragmentation index in different buffer zones of distance

3.4 不同路网密度的景观破碎度

根据 KDE估算所得的区域道路核密度分布，将区域路网按照道路密度值划分为连续的0～0.2、0.21～0.55、0.56～0.83、0.84～1.11、1.12～1.39、1.40～1.67、1.68～1.95、1.96～2.23、2.24～2.51、2.52～2.79等 10个等级，与乡村聚落图层叠加分析后，求得不同等级区域内的景观破碎度指数（表2）。

表2 不同路网等级的乡村聚落景观破碎化指数Table 2 Landscape fragmentation index in different grades of road network

可以得出：随着路网密度等级的提高，景观斑块密度、边界密度逐渐减少，平均斑块面积和景观聚集度指数均呈现不同程度的上升。从景观破碎度水平上看，平均斑块面积在道路密度等级1（0～0.27）的区域中最小，为4.095 hm2,等级2～10的区域平均斑块面积逐步增加；斑块密度在道路密度等级1～3级(0～0.83)中的变化幅度不大，略有所减少；从第4个等级开始，景观斑块密度明显减少，路网密度越高，斑块密度变化越明显；类似的规律同样出现在边界密度的变化上。而景观聚集度方面，在1～5级等级密度路网变化不显著，随着路网密度的增加，景观聚集度都有不同程度的上升。这从整体上说明了不同道路密度下乡村聚落景观破碎度具有空间差异性，随着路网密度的增加，景观破碎度不断下降。

4 结论

道路和乡村聚落是陆地生态系统最重要的人文景观,本文采用核密度估算法、GIS空间分析技术与景观指数方法，探讨商州区的路网空间分布特征及其对乡村聚落景观破碎度产生的影响,能在一定层面上揭示秦岭山区道路发展状况及乡村聚落的空间布局特征,为山区路网科学合理的规划与建设提供借鉴。结果表明：

（1）基于带宽h=2 km的KDE的道路密度能直观、形象地反映秦岭山区道路网络的空间分布特征，且与区域乡村聚落景观破碎度之间存在较强的相关性。

（2）商州区的路网在空间分布上具有不均衡性，总体上呈分支状分布，呈现一“核”多“极”的发展态势，道路高密度区集中在中部、东南部，而东部和西南部的路网密度较低，这与该研究区的地形有着密不可分的联系。

（3）对道路做缓冲区来研究道路辐射能力范围对乡村聚落景观破碎度的影响，结果表明不同缓冲区内的乡村聚落景观破碎度指数（PD、MPS、ED和CI）均有显著差异，即随着道路辐射能力的减弱，乡村聚落的景观破碎度逐渐加剧。

（4）商州区路网密度对乡村聚落景观破碎度，随着路网密度等级的提高,景观斑块密度和边界密度不断减小并且变化幅度逐渐加强，平均斑块面积和景观聚集度指数均呈现不同程度的上升，即随着路网密度等级的提高，景观破碎度逐渐下降。

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