基于GIS的热带县域居民点分布特征及空间格局优化——以海南省陵水黎族自治县为例

茄欢，李亚光

(北京林业大学水土保持学院，100083，北京)

基于GIS的热带县域居民点分布特征及空间格局优化
——以海南省陵水黎族自治县为例

茄欢，李亚光†

(北京林业大学水土保持学院，100083，北京)

为了探究热带地区居民点分布特征及优化模式，采用Voronoi图变异系数与景观格局指数，分析海南省陵水县居民点空间分布特征，利用ArcGIS的空间分析技术，选取高程、坡向、水源、道路、城镇、商业点、居民点规模和聚集度共8个指标，使用多指标综合评价法，进行陵水县居民点人居适宜性评价及空间格局优化。结果显示：1)陵水县居民点在县级和乡镇级别均呈现高度集群模式。2)高程、坡度和道路对居民点分布有显著影响，90%以上的居民点集中在高程低于海拔100 m、坡度<6°的滨海台地及中部平原地区；60%的居民点集中在距道路距离<500 m的范围内；城镇对于农村居民点的吸引力在2 000 m以内逐级增加，2 000 m以外减少，该值可作为城镇划分的参考半径。3)根据人居适宜性，将居民点分为城镇转化型、内部挖潜型、并地改造型和异地迁移型4类，并提出相应优化措施。研究成果将为陵水县居民点空间格局优化，提供可行决策依据。

Voronoi图； 居民点； 景观格局指数； 人居适宜性； 空间格局优化

研究居民点分布，是进行城镇规划、保护水土资源的基础。陵水黎族自治县是海南国际旅游岛的先行试验点，县域土地利用不均匀，用地开发主要集中在沿海地区，西北部为人工槟郎林，种植比例不合理，原生植被退化严重，土地利用效率低，雨季水土流失较为严重，居民点布局随意。当地居民点从自然用地角度和经济需求方面，均有较大的整理需求。

目前对于居民点的研究，主要集中在居民点分布现状[1-3]、居民点发展机制及影响因素[4]、居民点空间格局优化及用地整理等方面[5-6]。陈振杰等[1]使用核密度估计法，分析桐庐县不同时期居民点分布模式及驱动因素。闫庆武等[2]使用核估计法、最邻近距离法，研究桐庐县居民点聚集程度。海贝贝等[3]使用全局聚类检验、热点分析等方法，分析巩义市居民点在不同时期的空间格局演变状况。杨立等[7]以人口、用地规模为指标，分析曲周县各个乡镇发展潜能。朱雪欣等[8]以佛冈县乡镇为评价对象，选择自然经济因子，得出佛冈县居民点优化方案。李四高等[9]研究不同自然因子对驿马图居民点适宜度的影响。综合来看，居民点分布的研究多关注于居民点分布形态特征，居民点优化的研究多以乡镇土地利用状况为评价单元，研究居民点所处乡镇的社会经济环境，较少关注于单个居民点形态特征、所处区位优劣度等微观尺度。研究地主要在西南丘陵及长三角地区，而对于我国独有的热带区域—海南居民点研究较少。

笔者将海南省陵水县居民点作为研究对象，使用Voronoi图及景观格局指数，分析陵水县居民点分布现状，以居民点规模、地理和区位环境为指标，对居民点人居适宜度进行评价，在此基础上进行居民点空间格局优化。

1 研究区概况

海南省陵水黎族自治县位于海南岛的东南部(E109°45′～110°08′，N18°22′～18°47′)，东濒南海，南与三亚毗邻。陵水县区位状况见图1。境内地势西北高，以丘陵和山地为主，东南低，以平原为主。属于热带岛屿性季风气候，全年雨热资源充足。全县陆地面积为1 128 km2，共有11个乡镇、602个自然村，县政府位于椰林镇，总人口约33万，以黎、汉和苗族人口居多，呈“大杂居，小聚居”的状况。

图1 陵水县区位图Fig.1 Location of Lingshui County

2 材料与方法

2.1 数据获取与预处理

由中科院资源环境科学数据中心提供的2015年海南省陵水县1∶1万土地利用类型图，在GIS中提取居民点；陵水县水源、公路、建制镇和商业点矢量图，在GIS中设置缓冲区；地理空间数据库下载的空间分辨率30 m的数字高程模型图，在GIS中与陵水县行政区划图配比切割，生成高程和坡度图。

2.2 居民点分布格局

选取Voronoi图变异系数Cv，研究陵水县居民点集聚特征，景观格局指数研究分布特征[10]。在GIS中求得居民点质心作为发生元，创建Voronoi图。根据C.Duyckaerts和G.Godefroy[11]研究，Cv>64%，点集为集群分布，Cv介于33%～64%，为随机分布，Cv<33%，为均匀分布。将居民点栅格图导入Fragstats，计算景观格局指数。

2.3 居民点空间格局优化

2.3.1 评价指标选取及量化分级 选取评价指标，将指标分为4级，赋值7、5、3和1，分值越高，人居适宜性越好。引入分布指数法，消除不同指标面积差异带来的影响，计算公式如下：

P=(Sie/Si)/(Se/S)。

(1)

式中：P为分布指数；Sie是某因子中居民点占地面积；Si为居民点总面积；Se为某指标因子面积；S为研究区总面积，面积均为km2。当P>1，则该区为居民点分布优势区，反之，则为非优势区。

1)地理条件：陵水县境内地貌差异较大，西北部为山地，东南部为平原，地形条件是居民点形成的基础，地势格局的高低、水热条件的再分配，直接影响土地资源开发的难易程度和利用方式；全县水源丰富，港口众多，为人们生活提供基本保障；通常在不同地理环境下，人居环境适宜性差异较大。故选取高程、坡度和水源作为自然条件评价因子。

2)区位条件：区位条件是影响居民点发展的重要因素。陵水县境内穿233国道，道路是旅游资源和客源运输的纽带；东南沿岸分布酒店、宾馆等商业点，直接带动周围经济联动发展；建制镇是介于城市与乡村之间的一种过渡性居民点，具有独特的经济特征，对周边居民点的分布有着直接影响。故选取道路、建制镇和商业点作为区位条件评价因子。

3)斑块条件：居民点斑块的空间分布和形态直接决定了其人居适宜度。聚集程度和规模越大的居民点，越宜发展为城镇建设区[12]，一般人居适宜性较强地区，居民点斑块面积较大，集聚程度高。故选取面积和聚集度作为斑块条件评价因子。

2.3.2 评价指标权重确定 采用主观赋权法中的层次分析法对因子进行权重赋值，使结果更符合当地特征(表1)。

2.3.3 适宜性评价 在GIS栅格计算器中，采取加权求和法，将各个指标图层叠加，计算陵水县居民点人居适宜性综合分值，按照自然间断点分级法，将分值分为4级[13]。

3 结果与分析

3.1 陵水县居民点分布特征

由图2和表2可知，陵水县居民点Cv值为253.99%，分布为集群型，呈北部空旷，而东南和中部聚集的状态。全县共有298个居民点斑块，用地比例为4.32%。平均居民点密度为0.24个/km2，以乡镇为单元最大密度为0.95 km2，最小为0.10 km2，居民点区域密度差异较大，说明居民点在空间分布上不均衡，区域差异明显。居民点平均面积为17.38 hm2，小于平均规模的居民点有232个，占总数的77.85%，说明居民点较为细碎，整体规模较小。

3.2 陵水县居民点适宜性评价

3.2.1 居民点与各指标因子量化关系

1)地理条件对陵水县居民点分布影响。由表3和图3可知，高程<100 m、坡度<6°的区域，分布了>90%的居民点，分布指数远大于其他区，随着高程和坡度的增加，居民点面积和数量显著减小。这是因为高程和坡度的增大，水土流失加重，坡面变得细碎，农耕与人居用地的开发难度增大。距水源500 m内，分布指数最小，其原因为陵水县部分湖泊设置港口，近距离无法大面积布置居民点；而其余缓冲层居民点分布较为均匀，是因为陵水县水量充沛，对水源的依赖程度无内陆地区明显。

表1评价指标量化分级及权重

Tab.1Levels of evaluation indexes and their weights

评价指标EvaluationindexⅠ级/9分LevelⅠ/9pointsⅡ级/7分LevelⅡ/7pointsⅢ级/5分LevelⅢ/5pointsⅣ级/3分LevelⅣ/3points权重Weight高程Elevation/m0～100100～400400～800>8000.213坡度Slope/(°)0～66～1515～25>250.141距水源距离Watersourcebuffer/m500～15000～5001500～2000>20000.082距道路距离Roadbuffer/m0～10001000～15001500～2000>20000.239距城镇距离Townbuffer/m0～10001000～15001500～2000>20000.111距商业区距离Downtowndistrict/m0～500500～10001000～2000>20000.079居民点规模Settlementscale/hm22.25～20.2520.25～74.2574.25～180180～634.50.086聚合度Aggregation25.00～60.0060.00～78.0478.04～90.9090.90～1000.049

图2 陵水县居民点Voronoi多边形集合Fig.2 Voronoi polygon set of settlements in Lingshui County

研究区Studyarea总面积Totalarea/hm2用地比例Percentageoflanduse/%斑块数Patchnumber密度Density/(个·km-2)平均面积Averagearea/hm2Cv值Cvindex/%陵水县LingshuiCoun-ty4729.104.322980.2417.38253.99本号镇BenhaoTown354.910.87410.108.65207.09提蒙乡TimengTown487.4810.50440.9511.0796.28隆广镇LingguangTown227.332.57320.367.10164.81文罗镇WenluoTown215.133.41270.437.96139.10光坡镇GuangpoTown212.121.89240.218.79107.60三才镇SancaiTown505.7511.23280.6218.04110.01椰林镇YelinTown1493.4021.16470.6731.7383.99英州镇YingzhouTown541.443.92360.2615.0491.92新村镇XincunTown434.6010.27100.1843.4695.60黎安镇Li'anTown354.708.42230.5415.42121.04

表3不同地理环境范围下居民点分布特征

Tab.3Distribution of settlements on different geographical condition

评价指标影Evaluationindex分类Classification总面积Totalarea/hm2数量Number平均面积Meanarea/hm2用地比例Percentageoflanduse/%分布指数DistributionIndex/%0～1004767.4929316.4199.21.58高程Elevation/m100～40017.01223.150.3540.04300～80011.47111.140.2380.03>8000.0310.0260.0520.010～64646.252608.9597.082.02坡度Slope/(°)6～15109.76442.492.290.1215～2523.0073.280.4800.03>257.2961.210.1520.020～500452.149.4038.019.300.06水源Watersourcebuffer/m500～15001255.2325.0921.4526.071.441500～2000446.949.2916.249.281.26>20002661.1365.9825.0055.271.29

图3 不同地理条件下陵水县居民点分布特征Fig.3 Distribution of settlements on different geographical condition

2)区位条件对陵水县居民点分布影响：由表4和图4可知，距道路500 m内，分部了76%的居民点，分布指数远大于其他区，距离道路越远，斑块越细碎和零散。距城镇2 000 m内，居民点面积呈增长趋势，2 000 m以外，居民点逐层减少，城镇吸引力逐渐下降。可见，陵水县城镇点对于农村居民点吸引的优势区间体现在2 000 m内，在日后的居民点优化布局时，可作为吸引半径的参考值。

3.2.2 居民点适宜性评价结果 由表5可知，居民点适宜性评价值的范围为1.74～9.01，平均值为5.54，标准差为1.21。适宜性从优到劣依次为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级。

3.3 基于适宜性评价的陵水县居民点布局优化

根据陵水县居民点适宜性分级，将其划分为城镇转化型、内部挖潜型、控制扩建型和异地迁移型4种类型。

3.3.1 城镇转化型 第Ⅰ级居民点，适宜性值>7.99，占地面积638.97 hm2。居民点主要分布在建制镇周边、平原和滨海台地。区位和地理条件均为优渥，受中心镇辐射作用较大，随着城镇化进程，中心镇向周边蔓延，周边居民点逐渐被吸入中心镇。近年来，陵水县经济发展主要以旅游、休闲服务业为主，第三产业发展带来城镇就业机会及劳务人口需求，可吸纳更多农业户口。建议将此类居民点以农转非、镇改街和村改居的方式向城镇方向转型。

3.3.2 内部挖潜型 第Ⅱ级居民点，适宜性值4.70～7.99，占地面积1 942.95 hm2。居民点主要分布于中部平原地区的行政村或自然村，部分沿路网呈带状分布，占地面积广、用地程度不够集约。区域地形起伏小，水利设施完备，土地自然产值高；周边基础设施较为完善，具有一定人口规模，内部开发潜力大，为陵水县主要生活生产区。按照县域土地利用规划及保证基本农耕用地，建议进行内部土地利用模式再配置，将规模较大的居民点划为中心村，零散居民点向其聚拢，使居民点向集约用地方向发展；同时，预留部分发展用地，以备产业发展及居民点迁入。

表4不同区位条件下陵水县居民点分布特征

Tab.4Distribution characteristics of settlements on different location condition

评价指标Evaluationindex分类Type总面积Totalarea/hm2用地比例Percentageoflanduse/%NPNumber/n平均面积Meanarea/hm2分布指数Distributionindex/%0～5002819.3858.543776.191.62距道路缓冲区>500～1000858.4317.823822.590.09Roadbuffer/m>1000～1500471.929.80607.860.02>1500～2000433.659.00894.870.01>2000232.064.81653.570.010～1000449.1614.292220.411.32距城镇缓冲区1000～1500669.2121.307231.411.44Townbuffer/m1500～2000817.4426.014020.441.012000～2500681.4621.692527.251.11>2500587.4718.704114.320.07

图4 不同区位条件下陵水县居民点分布特征Fig.4 Distribution of settlements in different location condition

项目Item居民适宜性Residentialsuitability居民点分类ClassificationⅠ级LevelⅠⅡ级LevelⅡⅢ级LevelⅢⅣ级LevelⅣ适宜度指数Suitability>7.994.70～7.992.29～4.700～2.29面积Area/hm2638.971942.951429.85810.65比例Percentage/%13.2540.2929.6516.81

3.3.3 控制扩建型 第Ⅲ级居民点，适宜性值2.29～4.70，占地面积1 429.85 hm2。主要分布于西北部山麓地区，分布较为零散，距中心集镇、道路和商业点有一定距离。此类居民点人居适宜性较低，发展中缺乏对周边区域的辐射力，部分居民点随着人口迁移会逐渐消亡。优化过程中，应控制居民点扩张规模，以就地整理和更新为主。通过完善交通设施，加强其与周边中心村的联系，当居民点减小到一定规模时，可引导与周围中心村合并。

3.3.4 异地迁移型 第Ⅳ级居民点，适宜性值0～2.29，占地面积810.65 hm2。主要分布在北部吊罗山地区，规模和密度均较小，交通生活基础措施不完善，人居适宜性低。对其进行设施的建设难度大，且会造成资源浪费，建议进行统一改造和异地迁移，将部分居民点并入邻近的中心村镇。本区为森林保护区，应坚持以林业生产为主，结合陵水县“林胶合一”的方针，合理利用森林资源，保护水源涵养林，明确林地界限，落实山地所有权，加速林区发展。

4 结论及讨论

笔者将GIS的空间分析功能与景观格局指数法结合，对居民点在不同自然和区位条件下的分布，进行定量分析。研究表明：Cv值可定量划分斑块分布的集聚和离散程度。陵水县居民点整体呈现东南密集、西北稀疏的集群分布模式。热带地区居民点分布主要与坡度、高程、道路和城镇等因素相关，与坡向和水源几乎无影响，90%以上的居民点分布在平地缓坡区，随着高程和坡度的增加，呈显著下降趋势，距城镇和道路越远，居民点数量越少，分布规模越小，居民点对水源的依赖程度无内陆地区明显。

根据居民点分异状况，选取指标因子，在ArcGIS中，将指标图层加权叠加，得出陵水县居民点综合人居适宜性评价等级图，用自然间断点法，将居民点按照适宜性值，分成城镇转化型、内部挖潜型、控制扩建型和异地迁移型4种类型。研究方法具有一定可靠性，能为今后同类研究提供一定的借鉴，其结果可为陵水县城镇规划和用地整治提供决策参考。

笔者对于居民点的分布研究，以地理和区位环境为主，缺少经济和社会环境影响下的居民点分布及变化。随着研究区发展成熟，地理环境对居民点分布及适宜性的影响将逐渐减小，经济和社会环境的影响将逐渐变大；且仅选取单一时间的居民点分布状况进行分析，缺乏对居民点沿时间轴变化的分析和对居民点未来格局演变的预测。

预计今后在数据充分的基础上，提取多年居民点逐年用地变化状况，运用灰度模型、线性回归等方法，纵向分析居民点演变趋势，估计居民点今后分布用地状况，对居民点发展趋势进行探究；同时，结合陵水县在海南省城镇规划、用地规划等政策，以及经济和社会背景，对居民点优化布局进行深入研究。

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GIS-basedspatialdistributioncharacteristicsofsettlementsanditsoptimizationinthetropicalLingshuiCountyofHainanProvince

QIE Huan, LI Yaguang

(College of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China)

BackgroundThe spatial distribution pattern of settlements has a significant influence on intensification utilization of land resource and regional economic development. In order to study the distribution characteristics and pattern in tropical area, a case study in Lingshui County of Hainan Province has been addressed.MethodsThe local digital basic map was collected from data center of Chinese academy of sciences. The resident GPS point map was picked out to generate Voronoi diagram and landscape pattern index of Lingshui County. The Voronoi value is an index to classify the distribution situation of point set. Combining Voronoi diagram coefficient variation with landscape pattern index, the aggregation characteristics and distribution pattern of settlements in Lingshui were analyzed. The DEM map and topographic map were used to generate terrain index and buffer map of Lingshui County. Applying GIS spatial analysis, 9 kinds of suitability index: elevation, slope, water source buffer, road buffer, town buffer, downtown district, scale and aggregation of settlements were chosen to study the human settlement suitability in Lingshui County of Hainan Province. Each index was divided into 4 levels (Level I, II, III and IV) according to its correlation with settlement distribution.Results1)TheCvcoefficient of variation value of settlements in Lingshui County was 253.99%, in both town and country level, the spatial pattern of settlements presents cluster. 2) The terrain and road were of significant influences to settlement distribution in Lingshui, more than 90% settlements were located in the southeast of the county, whose elevation was lower than 100 m, and slope was smaller than 6°. About 60% settlements were located within the distance of 500 m from main highway. The attractions of town were gradually increasing within 2 000 m while began to weak out of 2 000 m. Thus, it can be considered as a reference radius for settlement optimization. 3) According to the comprehensive suitability value of human settlements, the settlements in Lingshui was divided into 4 types: urban transformation type, the first level settlement, suitability value was greater than 7.99, area was 638.97 hm2; internal development type, the second level settlement, suitability value was between 4.70-7.99, area was 1 942.95 hm2; development control type, the third level settlement, suitability value was between 2.29-4.70, area was 1 429.85 hm2; and the removal type, suitability value was between 0-2.29, and area was 810.65 hm2.ConclusionsMethod was illustrated according to the suitability level of settlements, and this paper provides efficient information and reasonable practice for settlement arrangements in Lingshui County.

Voronoi diagram; settlements; landscape patter index; residential suitability; spatial distribution

S157

A

2096-2673(2017)05-0078-08

10.16843/j.sswc.2017.05.010

2017-05-08

2017-07-28

项目名称： 水利部水土保持植物开发管理中心，海南省2014年国家水土保持重点建设项目“陵水县小妹西干渠小流域综合治理实施方案”

茄欢(1991—)，女，硕士研究生。主要研究方向：人居环境及GIS应用。 E-mail:qiehuan1991@163.com

†

李亚光(1959—)，男，副教授。主要研究方向：人居环境与GIS应用。E-mail: yiaguang@bjfu.edu.cn