基于GIS的北川县乡村聚落空间分布及演变特征

2019-02-17吴彩燕贾菊桃

西南科技大学学报 2019年3期

廖军吴彩燕吕波贾菊桃

(西南科技大学环境与资源学院四川绵阳 621010)

乡村聚落是指乡村人口居住和从事生产劳动的地方，是人们聚集定居而在空间区域上形成的场所，其空间分布和聚集特征体现了不同生产力水平下人类生产生活与周围环境的关系[1]。乡村聚落的形成和发展受到社会人文因素和自然因素的影响，自然因素直接控制了乡村聚落的空间分布，而社会人文因素推动着乡村聚落格局演变和发展。

国外早在1820年就提出了对乡村聚落的研究[2-4]，研究内容包括乡村聚落形成发展的影响因素、聚落类型和演变等。其研究发展过程主要经历了从宏观转向微观、自然选择转向社会人文、由单学科定性为主转变为多学科定性与定量相结合。1990年以后，乡村聚落的研究转向后现代，文献[5]以多伦多为例对小城镇外围的乡村聚落的变化和演变机制进行研究，研究表明地理位置、人口迁徙、工业经济发展等因素对聚落的发展和演变有着刺激作用；文献[6]以南澳大利亚地区为例，着重研究了人口密度对乡村地理分布、农村规划实践的重要性，并对不同时期进行了假设检验，结果表明人口密度在乡村演变中是一个重要的解释变量；文献[7]采用调查和访谈的方法研究了苏格兰农村人口的再定居问题，研究表明农村社会转型和农村居民的社会迁移与中产阶级化有着直接关系。

国内对乡村聚落的研究起步较晚，主要分为两个阶段。1990 年以前中国乡村聚落的研究多集中在聚落的体系、形态与类型。随着中国改革发展以后，伴随着新农村建设和城乡统筹发展政策的出台，乡村聚落研究内容开始向聚落的空间格局、时空演变等方向发展[8-9]。21世纪以来，虽然城镇化进程不断推进，但是从整体来看，乡村聚落仍旧占据我国主体地位，其中山地乡村聚落占了相当大的比重，为此我国众多学者对其进行了深入研究。尹怀庭等[10]以陕西三大地区为研究区，对近 30 年以来各地区乡村聚落空间分布和结构进行对比研究，并总结了目前乡村聚落的空间演变趋势；郭晓东等[11]采用景观指数和GIS空间统计分析等方法，分析了黄土丘陵区乡村聚落分布和演变的特征以及影响的驱动机制；李阳兵等[12]对贵州省的岩溶山地区域的乡村聚落进行了研究，探讨了岩溶山地人口与聚落演化的模式；张荣天等[13]以镇江市为研究区，运用景观生态学等方法分析了丘陵地区乡村聚落空间格局的东西分异特征；李全林[14]运用空间插值、空间关联指数等空间测度模型探讨了苏北地区乡村聚落空间格局特征，研究表明苏北地区乡村聚落呈现“南密北疏”的特征，并且其规模分布上空间自相关性十分明显。但是，国内对乡村聚落研究仍然存在一些不足，现有对乡村聚落的研究多从自然因素出发，未充分考虑社会经济因素，并且从单一时期对其研究较多，而对一段时期内乡村聚落时空演变规律研究较少。

北川县是受汶川地震影响的极重灾区之一，震后国家积极开展灾后重建工作并发布了再造一个新北川的号召，对北川的行政区划进行了重新规划。北川重建和发展如今已过去10年，为此，本文基于DEM数据和2007年、2017年谷歌影像数据，应用GIS空间分析、景观格局分析、核密度分析等方法，对2007年、2017年两个时期北川县的乡村聚落空间格局及演变进行研究，旨在揭示乡村聚落空间分布特征和规律，并为今后北川县科学规划与建设乡村聚落、促进城乡统筹发展提供一定的决策依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

北川羌族自治县位于四川盆地西北部(图1)，地理坐标东经103°44′～104°42′，北纬31°14′～32°14′，属于亚热带湿润季风气候区，气候温和，多年平均气温15.6 ℃，年均降雨量1 399.1 mm，水资源丰富，有一江五河四大沟[15]。北川地形地貌较为复杂，北川-映秀断裂带穿过北川，西部属于岷山山脉，东部是龙门山脉，整体地势呈现出西北高东南低的趋势，相对高差4 229 m。东接江油市，南邻安州区，西靠茂县，北抵松潘、平武县，面积为3 084 km2。

图1 北川县地理位置

1.2 数据来源

(1) 北川县DEM数据(30 m×30 m)，来源于网络地理空间数据云。从DEM数据中提取地形地貌因子和主要水系。

(2) 北川县2007年和2017年谷歌影像(分辨率4 m)，主要是利用LocaSpace Viewer软件在线下载所得，使用Arcgis10.2对影像进行目视解译，获得聚落数据主要为城镇和农村居民点，并进行筛分处理，使解译的聚落总面积与统计数据聚落总面积的比值为90%，达到研究精度的需要[16-18]。

(3) 北川县乡镇行政区划及交通矢量数据，从北川县1∶200 000行政区划图矢量化所得。

(4) 人口、经济和气候概况数据来源于《北川羌族自治县年鉴》。

1.3 研究方法

1.3.1 景观格局分析

景观格局是指大小和形状各异的景观要素在空间上的结构和形态特征[16-17]，而景观指数是对景观格局信息进行高度概括，是探索景观空间格局的有效指标。利用景观格局指数可以揭示不同景观在区域上的多样性和聚散性以及单一景观的数量、密度等。在对乡村聚落空间的研究中，景观格局指数是一个优良的衡量指标。本文从北川县实际情况出发，选取以下景观指数探讨乡村聚落的数量、规模、形态和邻近情况。

(1)斑块数量(NP)：用来反映乡村聚落的数目。

(2)斑块总面积(PS)：用来反映乡村聚落的规模。

(3)斑块密度(PD)：用来反映单位面积内乡村聚落的数量。

(4)平均斑块面积(MPS)：用来反映乡村聚落的平均规模。

1.3.2 核密度分析

核密度分析是一种非参数估计方法[18]，不需要对数据分布有先验知识，也不需要对数据分布进行假设，是从数据本身出发去研究数据的分布特征。在核密度分析中，是以每个已知数据点所在的位置为圆心赋予不同的权重，与圆心的距离越小，赋予的权重越大，反之亦然。然后将相同位置密度值叠加后得到像元最终的密度值(KDE)。

(1)

1.3.3 最近邻分析

最近邻分析是以随机分布的状况作为一种标准去衡量点状目标的空间分布[19-20]，测算地理空间中每个点状目标与其最邻近点状目标之间的欧氏距离，取其平均值，称为最邻近距离。平均最近邻指数则指实际最邻近距离与理论最邻近距离之比。

(2)

(3)

(4)

式中，DO是实际的每个要素与其最近要素之间的平均距离，DE为随机模式下斑块质心的期望平均距离，n为乡村聚落的斑块总数，di为最邻近距离，SE为最邻近点平均距离的标准误差，A为研究区面积，Z得分反映数据离散程度。

当ANN=1时，点状目标呈随机型分布；当ANN>1 时，点状目标趋于均匀分布；当ANN<1 时，点状目标趋于集群分布。

2 结果与分析

2.1 乡村聚落空间分布

2.1.1 聚落总体分布特征

北川县历史悠久，人少地多是北川地区的一个明显特征。目前，县域总面积308 370.7 hm2，建设用地面积为5 916.27 hm2，占总面积的1.92%，其中乡村聚落用地5 291.69 hm2。根据2017年谷歌影像提取乡村聚落斑块分析，北川县现有1 580个聚落斑块，斑块密度达到0.51个/km2。由于自然条件的空间差异，乡村聚落在分布上也呈现明显空间差异。地势平坦、水系交通便利的区域，聚落密度较高，平均分布有3个/km2以上的聚落，聚落和居住人数较为集中；地势陡峭、水系交通不便的区域，平均聚落分布个数不足1个/km2，聚落和人口密度都较低。

2.1.2 聚落景观格局特征

根据2007年和2017年谷歌影像数据提取并生成乡村聚落斑块分布图，计算并统计出NP，PS，MPS，PD等聚落景观指数。从表1中分析，北川震后发展至今乡村聚落变化明显，从聚落数量和面积来看，境内聚落数量和总面积均有增加，聚落数量和总面积分别增加了482个和2 035.72 hm2；从最大和最小斑块面积分析，2017年的聚落面积相较于2007年增幅趋势明显。上述分析表明，近10年来，北川县乡村聚落的密度在不断扩大，空间扩展特征较为显著。空间扩展主要有两种方式：一方面是聚落斑块数量的增加，另一方面是单个聚落斑块面积增加。

2.1.3 聚落密度分布特征

本文运用Arcgis10.2中的Feature To Point模块，提取2007年与2017年乡村聚落斑块的中心点，再采用Kernel方法生成北川县乡村聚落空间密度分布图(图2)。总体来看，2007年北川县乡村聚落空间分布已经形成沿道路和水系聚集分布的格局；2017年聚落分布较2007年更为密集，整体呈现“线型”状，并呈现东南密集、西北稀疏的态势。

图2 2007年和2017年北川县乡村聚落密度比较

2.2 北川县乡村聚落的演变特征

2.2.1 乡村聚落总体演变特征

在arcgis10.2中使用平均最近邻工具分别对生成的2007年和2017年乡村聚落点进行空间统计。该工具将返回5个值：平均观测距离、预期平均距离、最近邻比率、Z得分和P值[19-20]。Z得分反映了数据的离散程度，Z的临界值是[-2.58,2.58]，P值反应了数据是随机分布的概率，其临界值是0.01。

从Z得分和P值来看，Z得分已经超过了临界值，P值小于0.01，表明聚落呈现聚集分布且概率较大；从最近邻比率来看，最近邻比率值均小于1，说明北川聚落点呈现为聚集模式；从不同时期来看，2017年的最近邻比率小于2007年最近邻比率，表明近10年来北川乡村聚落的聚集趋势在不断增大。

表2 北川县2007年和2017年平均最近邻指数比较

2.2.2 基于地形特征的演变特征

北川复杂的自然地貌影响和控制着乡村聚落的空间分布，本文选取了高程和坡度两个因素对聚落分布的影响进行探讨。根据研究区的地形特征，首先对DEM数据和坡度数据进行分级[16-18]，然后将2007年和2017年的聚落斑块与高程图、坡度图相叠加，统计和计算两个时期聚落斑块在不同高程与坡度的数量和面积，并绘制聚落斑块和数量随海拔和坡度变化的趋势图(图3)。

(1)高程

由图3、图4可知，从空间分布上来看，聚落在低海拔地区聚集分布，高程小于1 500 m的区域，聚落斑块的数量和面积都高于其他区域。从时间分布上来看，不同高程分级下2017年的聚落斑块数量和面积比2007年均有增加。海拔小于1 500 m的区域内，2007年和2017年聚落数量占总数的比重分别为87.80%和88.35%，其面积占聚落总面积的比重在2007年和2017年分为79.15%和82.07%。

(2)坡度

由图3、图5可知，聚落斑块的数量和面积在坡度上的分布趋势与海拔较为相似，坡度小于25°的区域，聚落斑块的数量和面积都高于其他区域。在坡度小于25°的区域内，2007年和2017年聚落数量占总数的比重分别为74.23%和75.53%，其面积占聚落总面积的比重在两个时期分别为78.51%和79.34%。

图3 聚落斑块数量和面积随高程和坡度变化趋势

图4 北川乡村聚落斑块在不同高程上的分布变化

图5 北川乡村聚落斑块在不同坡度上的分布变化

2.2.3 基于水系与路网的演变特征

水系和路网是影响聚落空间分布和演变的重要因素。人们的生产生活都离不开水，道路则是人们获取信息、物质、能量的重要途径，但受到地形限制，乡道、村道为北川交通的主要道路。从北川县的乡村聚落分布来看，县域内乡村聚落沿道路和河流分布的趋势十分显著，呈现“线型条带”分布(图2)。

(1)河流水系

运用arcgis10.2对北川的主干水系进行提取，根据研究区的特征，以半径500 m为间隔创建缓冲区[18-20]，并叠加乡村聚落斑块，统计不同河流缓冲区内的聚落斑块的分布情况。

从表3中可以看出，聚落斑块数量和面积均随缓冲区距离增大而逐渐减小。从整体分布来看，距离河流500 m以内，聚落斑块分布面积最多，此区域分布的斑块数量占比接近50%。从不同时期分析，2017年和2007年相比，距河流500 m区域内的斑块数量的比例明显增加，距离大于1 000 m的斑块数量占比逐渐减小。综合上述分析，聚落沿河流聚集分布，并朝着河流方向不断迁移。

(2)交通网络

根据研究区的特征，以半径150 m为间隔对北川道路做缓冲区分析[18-20]，并与乡村聚落斑块相叠加，得到不同道路缓冲区内斑块面积和斑块数量的统计表。

从表3可以看出，北川县乡村聚落随道路的分布与河流的分布具有空间指向上的一致性，在小于150 m道路缓冲区内斑块数量和面积所占比例最大，说明道路是影响乡村聚落空间分布的重要因素。从斑块面积来看，300 m缓冲区内聚落分布最多，半径大于300 m范围的斑块面积大幅度下降，表明在距离道路300 m以内土地利用率较高。从两个时期不同道路缓冲区内的乡村聚落变化可以看出2007-2017年间，各个道路缓冲区内聚落斑块数量均表现出增加趋势，新增聚落逐渐向距离道路近的周围分布。

表3 2007-2017年河流和道路缓冲区乡村聚落面积与数量统计表

综合上述分析，北川县乡村聚落沿河流和道路的分布具有一致性，聚落沿道路与河流集聚分布。由于县内经济发展是以农业为主，农业的发展需要充足的水源，大量的居民依附河流形成聚落，进而推动交通路网的建设。

2.3 聚落空间演变的影响因素分析

2.3.1 自然因素

自然因素是乡村聚落空间发展演变的基础，其中地形地貌、水文因素是乡村聚落空间演变的两个主要方面[11-13]。在地形平坦、坡度平缓地区形成的乡村聚落规模较大且数量多。汶川地震导致北川境内的地形地貌发生了显著变化，乡村聚落也随之发生改变。从图3、图4、图5可以看出，在海拔小于1 500 m和坡度小于25° 的区域内，乡村聚落的数量和面积占比接近70%，这表明平坦的地形条件是北川县乡村聚落演变的主要因素。此外，北川境内水系密集，丰富的水资源为人类生产生活提供了便利的条件，因此乡村聚落选址大多在距离河流较近的区域。

2.3.2 社会人文因素

社会人文因素包括了人口、经济、规划、政策等，对乡村聚落发展演变起着重要的推动作用。政策制度对北川乡村聚落的演变起着调控作用。国家对震后的北川行政区进行了重新规划，加上灾后重建的快速发展，引起乡村聚落在空间上不断扩展与扩散。同时国家先后发布城镇化战略和强化新农村建设，加剧城乡间人口的流动，进城务工人员返乡后纷纷在原来的村庄盖起了新房，聚落空心化问题日益凸显出来。此外，人口增长会产生新的住房需求，经济发展为房屋建设提供了条件，因此必然引起聚落的空间扩展与扩散。