长沙市农村居民点空间格局特征研究

2015-03-20谭雪兰朱红梅包春红

地域研究与开发 2015年1期

胡鑫，谭雪兰，朱红梅，包春红

(湖南农业大学资源环境学院土地资源管理系，长沙410128)

0 引言

农村居民点是农村居民生产和生活活动的主要场所，也是农村土地组成中的重要部分。作为农村聚落地理研究的核心，农村居民点研究也是人地关系地域体系研究的重要问题之一。

国外农村居民点研究始于19世纪，早期研究主要集中在居民点形成、空间布局和发展的自然因素方面。20世纪80年代以来，西方乡村地理学者的研究表现出与其他相关学科交叉与融合的趋势，研究范式开始从空间分析逐渐向社会和人文方向转型;研究内容从居民点影响因素、空间结构等扩展到社会经济转型时期的居民点重构、居民点景观、居民点聚落的人口结构等方面;研究方法逐步向定性与定量相结合的方向转变［1-3］。

国内关于居民点方面的研究起步于20世纪90年代，虽然起步较晚但研究进展较快，研究内容不断拓宽，从最初的居民点调查与描述为主发展到居民点的形态、位置、景观、演变、规划、结构等方面［4-5］，同时多种新技术与新方法也逐渐融入到研究中，遥感、GIS、数学模型、分形理论和其他计算机软件开始得到广泛的应用，从而使研究更加方便与准确［6-7］。特别是随着我国村庄“荒芜化”和“空废化”、村庄建设分散无序、资源环境压力及乡村景观破坏、“城中村”等问题的日益凸显，农村居民点研究逐渐成为相关领域学者研究的热点与焦点［8-9］。与城市居民点空间格局的研究相比，国内农村居民点空间格局的研究相对滞后，现有研究多关注沿江及沿海的平原地区、城市郊区及少数民族地区等特殊地域，研究尺度较小且缺乏不同研究尺度之间的转换［9-13］。

本研究利用空间插值、空间相关性、空间半变异函数等测度模型，分析长沙市农村居民点的规模结构、形态分异以及空间分布的格局特征，揭示现阶段长沙市农村居民点空间格局的特征与规律，为新农村的科学发展与建设提供参考。

1 研究区域概况

长沙市位于湖南省东部偏北，地处洞庭湖平原的南端向湘中丘陵盆地过渡地带，地理位置为东经111°53'～114°15'、北纬 27°51'～28°41'。东西长约 230 km，南北宽88 km，呈东西向长条形状。东、西、南缘为山地，东南以丘陵为主，东北以岗地为主。属亚热带季风湿润气候区，平均气温为17.2℃，全年无霜期平均275 d，年积温为5 457℃，年平均日照数为1 677 h，年降水量1 390 mm。水资源充足，年均地表径流量达808亿m3［14］。除了湘江外，还有汇入湘江的支流15条，主要有浏阳河、捞刀河、靳江和沩水河。2013年，全市土地面积和人口总量分别占全省5.58%，10.79%，农林牧渔业增加值291.20亿元，是湖南省经济发展水平最高的地区，在长株潭城市群乃至湖南省占据举足轻重的地位。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

运用2013年的Landsat TM遥感影像图及长沙市的行政区划图，利用ENVI 4.8先对遥感影像进行坐标转换、几何校正等处理，结合第二次土地利用调查数据，对长沙市农村居民点进行人机交互式判别解译，最小上图图斑为600 m2，制作长沙市2013年农村居民点用地分布图，作为该区域农村居民点空间格局的基础数据。

2.2 研究方法

2.2.1 空间关联指数。运用Moran’s I和Geti-Ord G来测度全局空间自相关性，用Getis-Ord G*测度局域空间自相关性。全局空间自相关用于描述变量在研究区域的整体空间特征;局域空间自相关性用于描述属性值在不同空间位置上的高值簇和低值簇分布情况。

① 全局Moran’s I。全局Moran’s I的公式为:

式中:n为空间单元总数;xi，xj分别代表空间要素在空间单元i，j的观察值;wij为研究单元的空间权重，代表空间单元i，j之间的影响程度;x为空间单元x的平均数。I的取值范围为-1～1:越接近-1代表空间单元间的差异越大或分布越不集中;越接近1则代表空间单元的关系越密切，性质越相似;接近于0则代表空间单元间不相关［15］。

②全局Geti-Ord G。全局Getis-Ord G的公式为:

式中:wij是xi与xj点之间的距离权重;xi，xj分别代表空间要素在空间单元i，j的观察值;与全局Moran指数相似，G为正则代表存在高值聚集，G为负则表示存在低值聚集，但G并不能判定空间模式的相似性或异质性［16］。

③局部Getis-Ord G*。为进一步观测整个区域中各个区域对于全局空间自相关的影响程度，以及各个区域中的反常或不稳定性，就需进行局部空间自相关分析。局部空间自相关主要分析各个单元变量在异质性空间的分布格局，用以测量各个区域与周边区域之间的局部空间自相关程度。其常用的数学公式如下:

局部Getis-Ord G*的检验值为:

式中:E(G)是Getis-Ord G*的数学期望;VAR(G)是Getis-Ord G*的数学方差。如果Z(G)为正且显著，表明i的测度值属于高值集聚空间;相反，若Z(G)为负且显著则表明i的测度值属于低值集聚空间［17］。

2.2.2 空间半变异函数。区域变化量具有随机性和结构性特点，半变异函数能够很好地反映其空间分布的随机性和结构性两方面的变化;半变异函数分析可以从各个参数、各个异性特征方面定量描述空间异质性。其公式为［18-20］:

式中:N是样本数据的总量;h是样本数据的分隔距离;Z(xi)和Z(xi+h)是第i个样本在空间位置xi和空间位置xi+h上的测度值。可以假设空间半变异函数为区域变化量且满足平稳条件和本征假设的基本前提。因此，随着半变异函数的值增加，其空间相关性则不断减弱。

2.2.3 景观形状指数(LSI)。主要用于分析农村居民点斑块与相同面积的正方形相比，其形态的复杂程度。计算公式为:

式中:E为所有农村居民点边界的总长度;A为农村居民点的总面积。系数0.25是由栅格的基本形状正方形的定义所确定的［21-23］。

2.2.4 斑块面积标准差(PSSD)。区域中某类景观斑块规模的变异程度可以通过斑块面积标准差来反映。公式为:

式中:Aj为研究区所有农村居民点的平均面积;Aij为i农村居民点斑块j的面积;N为农村居民点的斑块数量。

3 农村居民点格局

3.1 空间分布特征

通过ArcGIS软件，提取农村居民点的几何中心，采用核密度方法绘制长沙市农村居民点分布密度图(图1)，可以发现以下特征:(1)长沙市农村居民点分布总体呈现“西密东疏”的空间分布格局，平均密度为18.90个/km2，且空间分布密度区域差异显著，其中，湘江两岸及长沙市市区周边的农村居民点非常密集，然后向东呈阶梯状稀疏。(2)湘江两岸及长沙市市区周边区域为农村居民点的高密度分布区，密度基本上高于28.40个/km2。其中环绕市区西部的雷锋镇、东方红镇、天顶乡与湘江以东、捞刀河以北的新港镇、捞刀河镇形成密度值高于37.86个/km2的2个农村居民点密集核心区。主要原因在于该区域为河流两岸的泛滥平原，加之开发时间早、经济发达、人烟稠密致使大量农村居民点在此聚集。(3)长沙市西部地区在宁乡县西南部区域形成次一级的农村居民点密集区，其均值一般达到18.93～47.33个/km2。该区域中农村居民点集中分布于沩水和靳江流域以及S208和S209公路沿线。(4)在长沙市广大东部地区的浏阳市，由于该地域四面环山，其中山地、丘陵、岗地占土地总面积的85.85%，平原仅占13.15%，水面约占1%;农村居民点在山地丘陵和岗地区域呈现零星分布状态。加之该区域河网稀疏，农村居民点的分布与浏阳河、捞刀河、南川河的分布大体一致。总体上，这些地域的农村居民点分布密度在9.46～28.40个/km2;受地形与耕地资源约束，该区域农村居民点分布较为分散，属于长沙市农村居民点分布较为稀疏区。

图1 长沙市农村居民点分布密度Fig.1 The density of rural settlements in Changsha City

3.2 规模分布特征

计算各乡镇的斑块面积标准差(patch size standard deviation，PSSD)，并以此为变量进行长沙市农村居民点规模的全局自相关分析和局部自相关分析(表1)，生成全局自相关散点图(图2)与农村居民点规模分布的热点格局分布图(图3)。

表1 长沙市农村居民点斑块面积标准差的Moran’s I和Getis-Ord G估计值Tab.1 Estimation of Moran’s I and General G for PSSD of rural settlement in Changsha City

图2 长沙市农村居民点斑块面积标准差Moran散点图Fig.2 Moran scatter plot for PSSD of rural settlements in Changsha City

图3 长沙市农村居民点斑块面积标准差的Getis-Ord G*分异Fig.3 Local Getis-Ord G*for PSSD of rural settlements in Changsha City

(1)长沙市农村居民点的面积斑块标准差的Moran指数为正，且观测值Z(I)大于期望值E(I)，检验结果较显著。从农村居民点面积标准差的数据散点图可以看出，第一、第三象限的数据较第二、第四象限的数据多。如果数据大多集中于第一、第三象限的正空间上则揭示了变量在区域中的集聚和相似性;而如果数据大多集中于第二、第四象限的负空间上则揭示了变量在区域中的异质性［19，22］。这也表明长沙市农村居民点的规模分布虽然存在一定的空间聚集性特征，但Moran指数仅为0.107 8，表明区域化分异结构特征并不明显。

(2)Moran指数全局相关性反映的是变量在整体区域中的相似程度。但不能判断空间数据是高值聚集还是低值聚集，因此，引入Getis-Ord G进行全局空间自相关分析来判别高值聚集和低值聚集。相关数据结果显示，长沙市农村居民点斑块面积标准差的全局G统计指标的观测值G(d)大于期望值E(d)，检验结果显著;表明检测区高值的集聚现象较为显著，即长沙市农村居民点规模分布出现多个高值聚簇区。

(3)局部空间自相关分析表明，长沙市农村居民点规模分布存在一定的空间分异(图3)。长沙市农村居民点的值簇分布中，高值簇区绝大多数集中于以浏阳市西北部的焦溪乡、淳口镇、北盛镇、山田乡等地为中心的周边区域;而广大宁乡、长沙县及市区等地大多处于低值簇区。这说明在长沙市农村居民点规模的分布格局中，浏阳市西北部地区的农村居民点规模的空间相关性较强;原因在于该地区虽然地形较复杂，山地与平原皆有，但平原范围狭小且沿河流呈带状分布，耕地资源大多集中于平原和河流沿线;绝大部分农村居民点为农业生产条件所限制集中于地形平坦和地势较低的沿河流平原地带，又加之河网稀疏，为农村居民的聚集布局创造了条件;除此之外319国道和106国道等道路系统的建设使得一些农村居民点为取得相对有利的位置而将农村居民点迁移到主要道路的沿线或道路交叉口位置，从而使得农村居民点由分散布局向集中布局转变。因此，随着农村居民点沿道路聚集其用地规模相对增大。而广大宁乡、长沙县及市区环周边区域的农村居民点规模空间相关性较弱，主要原因是由于市区和城区周边随着城市化进程的快速推进，城市规模不断扩展，从而使得其周边区域的农村居民点在城市化过程中消失或转变为城镇，农村居民点变得零星、分散，其规模也大小不一，但广大宁乡、长沙县的各乡镇则表现出随着离河流和公路的距离增加农村居民点规模也不断增大。

3.3 农村居民点的形态分布特征

变差函数模型可以很好地表达空间相关性和空间变异性。利用各乡镇景观形状指数(LSI)作为计算变差函数的空间变量，以每个乡镇的邻接乡镇制作空间权重矩阵，步长定为3 000 m，分别计算变差函数，并用球体模型、高斯模型、线性模型、幂函数模型等进行拟合。选择拟合度最高的球状模型(表2)，计算不同方向上的分维数(表3)，同时进行泛克里格插值(图4)，得到长沙市农村居民点形态空间分布格局(图5)。

表2 长沙市农村居民点分布格局的变差拟合模型参数Tab.2 The parameters of variogram model on spatial pattern for shape of rural settlements in Changsha City

表3 长沙市农村居民点分布格局的变差函数分维数Tab.3 The fractal of variogram on spatial pattern for shape of rural settlements in Changsha City

图4 长沙市农村居民点克里格插值3D图Fig.4 Variogram on spatial pattern for shape of rural settlements in Changsha City

图5 长沙市农村居民点形态空间分布Fig.5 Spatial distribution for shape of rural settlements in Changsha City

(1)从半方差函数测度出的基台值、块金值、块金系数分析可以发现，长沙市农村居民点的形态存在明显的空间差异，其基台值(C+C0)为0.530 5，而块金值C0仅为0.154 2，块金系数为0.696 2，说明长沙市农村居民点形态的空间格局同时受结构性因子以及随机因素的影响。此外，利用最小二乘法对空间变差函数拟合模型进行选择，为球状模型，其决定系数为0.451 3，拟合效果并不理想。这表明长沙市农村居民点形态的空间分布格局表现出较强的随机性和独立性。空间相关性引起的结构性分异对长沙市农村居民点形态的影响很弱，其随机独立分布和空间差异性较为明显。

(2)通过对半方差函数在不同方向上的变化拟合趋势进行分析，可发现长沙市农村居民点的形态分布沿各个方向表现出一定变异性。从变差函数的分维数来看全方向，全方向的分维数为1.947，其决定系数为0.170，拟合程度较差，可见长沙市农村居民点形态的空间分布均质程度不高。再分别从4个方向上的分维数来看，0°和135°方向的维数值较低，而45°和90°方向的维数值相对较高，分别达到了1.976和1.955，这说明农村居民点形态沿45°和90°方向分布的均质性相对较好，空间差异较小。相对而言，沿0°和135°方向分布的均质性相对较差，空间差异较大。

(3)观察克里格插值3D拟合图可以发现，半方差函数曲线的走势均具有一定的规律性。总体来说，拟合图呈现以中间区域为顶点向周边方向倾斜的结构，距中间越远则高度越低，这表明长沙市农村居民点形态分布的空间结构性差异明显。结合图5分析，可得出这种渐变性具体表现为:沿湘江两岸的泛滥平原，因河网密集，致使农村居民点沿河道带状伸展，加之环绕市区的诸多乡镇道路网完善，从而使得农村居民点呈带状延伸的形态。在宁乡县西南部地区S209省道和S312省道都经过该区域，农村居民点为利用交通道路上的区位优势沿道路呈带状分布。浏阳全市地势东高西低，农村居民点在东部的山地丘陵区域受地形与地貌条件的约束呈散点状的零星分布。

4 结论与讨论

以长沙市为例，运用GIS空间分析技术，通过空间半变异函数、空间插值、空间自相关分析等空间测度模型，深入分析农村居民点的空间分布、规模分布及形态分布特征。

(1)空间分布。长沙市农村居民点分布总体呈现“西密东疏”的空间分布格局，尤其是湘江两岸及长沙市市区周边区域的农村居民点非常密集，然后向周边地区呈阶梯状分布。

(2)规模分布。长沙市农村居民点的规模分布存在明显的空间随机独立特征，农村居民点规模分布存在一定空间分异性，高值聚簇区主要集中于以焦溪乡、淳口镇、北盛镇、山田乡等地为中心的周边区域，而广大宁乡、长沙市区等大多处于低值簇区。

(3)形态分布。长沙市农村居民点的形态存在显著的空间分异格局，但是受空间相关性引起的结构性分异的影响较弱。其形态分布的均质程度不高，其中沿45°和90°方向上，农村居民点形态分布的均质性较好，空间差异较小。沿0°和135°方向上，农村居民点形态分布的空间均质性较差。总体来说，长沙市农村居民点形态呈现以中间区域为顶点向周边倾斜的结构，距离中间越远高度越低，这表明长沙市农村居民点形态分布的空间结构性差异明显。

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