基于GIS-AHP的乡村居民点空间结构优化研究

陈玉山 朱英明

[摘 要] 当前我国乡村出现日趋严峻的“乡村病”，而加快进行乡村规划建设，优化乡村空间结构成为重要任务。基于GIS-AHP方法，构建了乡村空间结构优化的交通便捷因素、环境适宜因素、乡村氛围因素、乡村地形因素4个二级指标因素;用AHP计算出指标的权重和子权重;用地理信息系统的GIS的缓冲区技术，分析了各个影响因素的缓冲区;并用栅格叠加技术，计算和显示出优化后的乡村空间区域。这给我国乡村空间结构优化提供了参考方法。

[关键词] GIS;层次分析法;空间结构;缓冲区分析

[中图分类号] F061.5[文献标识码] A[文章编号] 1009-6043（2019）12-0020-03

Abstract： At present， there is an increasingly serious "rural disease" in China's rural areas. It is an important task to speed up the rural planning and construction and optimize the rural spatial structure. Based on the method of GIS-AHP， four secondary index factors for rural spatial structure optimization were set up， in terms of traffic convenience factor， environmental suitability factor， rural atmosphere factor and rural terrain factor. The weight and sub weight of the index was calculated with AHP. The buffer zone of each influencing factor was analyzed with GIS buffer zone technology. The best Rural space area after transformation was calculated and displayed with grid superposition technology. This provides a reference method for the optimization of rural spatial structure in China.

Key words： GIS， AHP， spatial structure， buffer zone analysis

一、引言

改革开放以来，伴随工业化和城镇化的快速发展，我国经济取得巨大的成就，可是长期以来，城乡二元体制下偏向城市的发展战略和分配制度，使得每年都有近上千万的乡村人口离开农村进入城市生活;这不仅加深了我国城乡分割、人地分离的矛盾，也制约了经济发展、城乡发展转型的进程;从而带来当前的“城进村衰”、农村空心化和日趋严峻的“乡村病”[1]。同时，我国乡村内部也出现过度集中和碎片化的极不平衡发展。十九大报告明确提出了实施“乡村振兴战略”;2019年中央一号文件再次提出“解决好‘三农问题，推动乡村全面振兴，加快推进农业农村现代化”。因此，加快进行乡村规划建设，优化乡村空间结构，也将成为今后我国农村地区发展和重点关注的核心问题。

国内外的学者对于乡村空间优化的文献比较多，主要有以下几个方面。一是影响因素研究，Carrion（2004）基于probit模型，认为城镇化背景下农村人口的空心化、农业产业结构的调整、生活方式、农村功能等变化，影响乡村聚落的土地扩张[2]。李红波等（2012）认为耕地是安徽乡村地区的景观基质，也是影响农村聚落分布格局的重要因素[3]。吴可人（2015）[4]针对长三角地区乡村空间土地利用效率较低等深层次问题，探讨现有农村规划建设政策，构建该地区乡村空间的建设布局。二是乡村聚落空间体系和分布研究，国外乡村聚落体系与分布深受中心地理论、扩散理论及区域发展理论的影响（陈宗兴，1990）[5]。Sarly（1972）探讨居民点分布的“半径-成本-距离”模式，研究居民点的选址和半径与市场的距离之间的关系，进一步修正A.Loseh的模型[6]。此外，HillM（2003）认为村庄分布呈现集聚-分散混合模式的地区，能够较好反映克里斯泰勒的中心地等级特征[7]。国内主要从中观和微观尺度对乡村聚落空间分布格局进行研究，王传胜等（2011）利用云南省昭通市坡地乡村聚落为研究地區，运用GIS方法和区域发展理论，研究其乡村聚落的空间结构，进一步探讨坡地聚落空间的形成[8]。刘彦随等依据农村聚落的交通条件、制度因素、社会经济与收入等影响空心化因素，提出遏制聚落空心化的有效途径。三是基于GIS的乡村空间结构优化研究。乡村空间优化的研究转向多角度、多学科综合性的视角研究;基于GIS的技术方法，研究乡村聚落的空间分布和优化规律上具有良好的应用效果，Silberman（2010）运用GIS技术对石质山区滑雪地的聚落属性进行分析，筛选出适合成为滑雪度假小镇的聚落空间[9]。还有利用与模糊数学结合的GIS方法研究地理现象的空间分布和优化问题（杨忍等.2013）。四是空间结构分布多因素研究上，朱倩琼等（2017）利用因子分析方法从乡村流动人口、乡村自然条件、都市扩张、工业化等因素对都市地区农村空间结构进行探讨，研究形成机制[10]。

综上所述，已有学者对乡村空间结构做了影响因素、形态和类型以及空间优化四个方面的研究，发现系统研究乡村空间发展的比较少;从而认为该领域研究仍需要进一步挖掘和深化。为此根据我国乡村振兴战略，运用arc GIS软件和AHP方法对案例中的乡村空间结构的未来发展进行优化讨论，也为乡村改造提供有效的可执行方法。

二、研究方法基础

本研究主要采用层次分析法（AHP）和地理信息系统（GIS）相结合进行研究乡村定居点空间结构研究，并利用相关层次分析软件YaaHP（V5）和ArcGIS10.0进行运算。

（一）AHP的指标体系方法

层次分析法（AHP）是如何建立决策元素的层级关系以及评价各个层级元素的相对值，是定性与定量相结合的决策分析评估法。决策过程中可以利用模型量化来分析处理问题。AHP分析问题包括4个部分：明确问题后列出相关因素建立层级结构模型、建立成对比较矩阵、计算相关因素的权重和各方案的相对评估值、验证一致性。乡村结构空间评价可以通过AHP对区域内生态环境因素作出分析，为了现实与分析更加拟合，指标选取应当遵循如下原则：在可量化的基础上做到定性与定量结合;指标体系的选取需要具有实用性和可操作性;相关决策因素的选取要具有层级结构。

其中，在计算相关因素的权重过程中，用判断矩阵进行一致性验证，公式如下：

CI是一致性指标，RI是平均随机性指标，只要CR值要小于0.1时，可以判断权重矩阵的一致性可以接受;否则需要对权重矩阵作适当修正。

（二）GIS研究方法

地理信息系统（GIS）的缓冲区分析，俗称千层饼模式。在乡村空间结构优化过程中，包括对乡村空间结构的社会经济、生态环境等因素进行单项空间结构性评价。然后用ArcGIS软件地图的叠加技术生成综合的适宜性评价结果。目前利用GIS进行定量的空间结构性评价，正在得到普及。GIS的引入可以综合更多的乡村空间结构评价因子，也可以开展更细致的子因子进行适应性评价。这使得乡村空间结构优化，可以进行得更加深入。

其过程：首先对各个影响因素做适宜性评价，统一分成1至5级，并转换成栅格数据，然后对影响因素的栅格数据进行加权叠加运算。得到每个栅格代表的空间地块的综合评价值。最后，对属有综合评价值的栅格数据进行重新分类定级，得到定居点乡村空间结构综合评价的可视化图。其中，对各个单因素的乡村空间结构性评价价值分成1至5级，并按需要进行特殊处理分类，5级代表最佳的，1级代表完全不能适用的空间，3级是勉强可以使用的。

（三）基本数据

本文研究地区为我国的一个某山区Y镇。该镇地理环境和发展状况的基本情况如图1。研究地区的面积为1558公顷，其中，镇建成区有41.4公顷。正周边有2个独立的工厂和5处较大的农村居民點，研究范围中包括河流、溪流、公路等自然条件。

三、乡村空间结构因素的缓冲分析

（一）AHP方法的乡村空间结构分析

1.乡村空间结构因素选择

乡村空间结构评价指标的权重对整个乡村空间结构优化起重要的作用，权重越大其作用越大，对最终优化结果的作用就越大。每个因素之间分配不同权重，将会导致不同的结果。本文在层级分析法中采用德尔菲法，构造两两判断矩阵来判定各个因素之间的相对重要程度，并利用yaahp软件计算乡村空间结构的权重。

本文选取交通便捷因素、环境适宜因素、乡村氛围因素、乡村地形因素4个二级指标因素;离省道距离、离县道距离、滨水环境（河流，溪流）、树林环境、远离工业污染、距镇建成区（距离乡镇）距离、地形坡度、地形高度，共8个三级指标因素进行层次分析。

2.AHP的权重结果

经过yaahp软件计算，相关因子权重结果如下，并且CR值小于0.1，符合一致性要求。

（二）GIS方法下乡村空间结构多种缓冲区分析

1.影响因素的分类标度建立

在层次分析的基础上，利用GIS缓冲区分析技术对Y镇的乡村空间结构中，已经选择的交通便捷因素、环境适宜因素、乡村氛围因素、乡村地形因素4个二级指标的各个子因素（离省道距离、离县道距离、滨水环境（河流，溪流）、树林环境、远离工业污染、距镇建成区（距离乡镇）距离、地形坡度、地形高度）单独进行量化，并通过1-5级的分类标度后。

2.乡村空间结构因素的缓冲分析

计算出可视化的缓冲范围，然后各个因素不同的权重进行栅格数据的叠加分析，得出直观的可视化的栅格数据图。

ARCGIS软件把各个因素都经过把分级转换成栅格数据，得到单个的缓冲评价图，相关主要图形显示如下：

3.乡村空间结构优化评价

根据单个影响因素的评价值，约定3分是可以接受的乡村优化空间结构的最低值，5分代表最佳适宜优化值，4分代表较佳适宜优化值;1-2分代表不适合和最不适合值。基于高程数据的可获得性，栅格的最小面积为S=100*100。其叠加分析的结果如图

从分析结果显示上来看，可以扩展建设的最佳乡村居民空间，是Y乡镇已经建设好的区域的南部、西部和北部，并且有较大的扩展面积，可以满足未来乡村城镇化人口对居住地的需求，而东部仅有少部分面积可以适用。

三、结论

第一，对乡村空间结构优化是未来乡村居民点或者是特色小镇建设和总体规划的一个重要的前期工作。本文利用GIS-AHP方法构建了基于层次分析法的多准则评价方法，还可以继续扩展为依据不同土地因素，在形成不同的空间结构的优化用地方案。

第二，文章合理的选取乡村结构因素的分级指标，运用GIS的缓冲区方法，优选乡村居民区的优化半径，使乡村空间结构收到影响因素的变化符合实际需求，具有可视化效果，更有研究价值。

第三，从优化乡村空间结构的影响因素来看，促进乡村公路、河域等基础设施的建设，能够加快乡村城镇化的进程，促进乡村的发展。但是，本研究把Y乡镇作为一个封闭区域，忽略周边城市域其他铁路和机场的影响，只分析了重要交通基础设施和自然环境，从而存在一定的局限性。

[参考文献]

[1]刘彦随.中国新时代城乡融合与乡村振兴[J].地理学报，2018，73（4）：637-650.

[2]Carrion-Flores C， Irwin E G. Determinants of residential land-use conversion and sprawl at the rural-urban fringe[J]. American Journal of Agricultural Economics， 2004， 86（4）： 889-904.

[3]李红波，张小林，吴江国，等.欠发达地区聚落景观空间分布特征及其影响因子分析——以安徽省宿州地区为例[J].地理科学，2012，32（6）：711-716.

[4]吴可人.长三角地区乡村空间变迁特点，存在的問题及对策建议[J].农业现代化研究，2015，36（4）：666-673.

[5]陈宗兴.关于“地理科学”的随想[J].河南大学学报（自然科学版），1990（4）：14.

[6]Sarly R M. A model for the location of rural settlement[J]. Papers in Regional Science， 1972， 29（1）： 87-104.

[7]Hill M. Rural settlement and the urban impact on the countryside[M]. Hodder & Stoughton， 2003.

[8]王传胜，孙贵艳，孙威，等.云南昭通市坡地聚落空间特征及其成因机制研究[J].自然资源学报，2011，26（2）：237-246.

[9]Silberman J A， Rees P W. Reinventing mountain settlements： A GIS model for identifying possible ski towns in the US Rocky Mountains[J]. Applied Geography， 2010， 30（1）： 36-49.

[10]朱倩琼，郑行洋，刘樱，等.广州市农村聚落分类及其空间特征[J].经济地理，2017，37（6）：206-214.

[责任编辑：王凤娟]