基于POI数据和引力模型的村庄分类方法研究

2020-10-29陈伟强代亚强耿艺伟马月红

农业机械学报 2020年10期

陈伟强代亚强耿艺伟高涵马月红

(河南农业大学资源与环境学院，郑州 450002)

0 引言

农业农村作为我国现代化发展的稳定器、蓄水池[1]，为国家事业全面开创新局面提供了强有力的支撑。党的十八大以来，农业供给侧结构性改革取得新进展，农村改革取得新突破，但我国农村经济社会发展阶段性矛盾仍存在，现代化建设最薄弱的环节依然是农村。2020 年中国城镇化率提升至60%，即便如此，中国仍有5亿多人生活在乡村。为解决乡村发展的弱质性和普遍性问题[2]，党的十九大提出乡村振兴战略，以扭转农村“基础差、底子薄”的落后局面。我国乡村面域辽阔，在多元化的城镇化进程中，乡村多样性分化趋势仍将延续[3]。为此，《乡村振兴战略规划(2018—2022年)》中特别提出“强化规划引领、注重分类施策”的工作要求。2019年1月，中央农办、农业农村部、自然资源部、国家发展改革委、财政部联合发布《关于统筹推进村庄规划工作的意见》，要求开展村庄分类，推进村庄规划。村庄分类是乡村振兴规划编制和分类施策的重要前提，对于有针对性地破解不平衡、不充分矛盾具有重要现实意义。如何构建科学合理、简便易行的村庄分类方法体系已成为当前乡村振兴工作中亟需解决的重要问题。

国内外学者对于村庄分类工作进行了大量的研究探索，MARSDEN[4]分析了欧洲24个样点乡村的不均衡发展状态，并基于发展阶段差异，将乡村划分为边际型、生产型和综合型；YAMAMOTO等[5]则从农业人口就业和城市影响强度两方面体现乡村空间的差异性，将日本乡村划分为都市乡村、郊外乡村、都市外围乡村等7种类型。国内涉及村庄类型研究较多的是在社会学、地理学等领域，众多学者从单一或复合视角出发，进行学科特征鲜明的村庄分类研究[6-7]。社会学家大多研究乡村社会结构、治理方式差异下的村庄分类，如贺雪峰[8]将我国村庄分为南方团结型、北方分裂型、中部原子化村庄，夏国锋等[9]将村庄分为宗族型、宗教型和世俗型村庄。地理学家的相关研究内容多集中在乡村地域多体系统的识别应用[10]、基于转型发展的乡村地域类型划分[11]以及城乡地域特色的乡村分类振兴研究[12-13]等方面。如周扬等[14]以县级行政区为基本单元，从经济、社会等维度构建指标体系，并展开乡村地域类型划分；文琦等[15]以村域为基本单元，基于村庄资源禀赋、人居环境等因素差异划分不同的村庄类型。由于多领域的交叉研究，村庄分类的研究方法也趋于多学科的交叉引用，主要有功能分析法、类型比较法等质性分析方法[16-17]，以及综合指数法[18-19]、SOFM 人工神经网络[20]、BP神经网络[21]等数理分析方法。综上，村庄分类研究多以服务目标为导向，依据经济社会数据和地理信息数据展开特定需求的村庄类型划定，以实现乡村研究对农业农村规划管理的指导和促进。以往研究较少涉及地域空间因素，对村庄周围地理实体的空间作用效应考虑较少。而且，囿于微观尺度的统计数据和基础资料缺乏，以往研究中的数据敏感性和时效性也有待进一步提高。

考虑到村庄分类研究中的地域空间要素，并扩充以往研究中的量化数据来源，本研究从空间相互作用的视角出发，利用兴趣点数据分析和引力模型构建乡村振兴村庄分类方法体系，据此对研究区进行村庄类型划定，并提出相应振兴策略，以期促进研究区的村庄分类振兴、有序发展。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

新郑市位于河南省中部，是河南省省会郑州市的下辖县级市，是郑州航空港经济综合实验区所在地，也是第一批国家新型城镇化综合试点城市。截至2018年，新郑市辖区总面积884.60 km2，常住人口94.81万人，城镇化率58.12%，下辖15个街道、镇、乡，320个行政村。近年来，新郑市充分利用紧邻郑州的区位优势，快速推进城镇化，并于2018年入选全国综合实力百强县市，且辖区内龙湖镇、辛店镇、薛店镇上榜全国“千强镇”。但是，新郑市经济社会不断发展的同时，部分村庄盲目城镇化、无序扩张，同时乡村分化差异日益凸显，乡村发展亟需科学引导。因此，科学开展村庄分类，引导乡村分类振兴、有序发展，是解决研究区现阶段发展弊病的关键举措。

1.2 数据来源与处理

兴趣点(Point of interest，POI)数据是生活中一些学校、医院、商场等地理实体的集合，并包含空间属性信息，相较于大尺度普查数据可以更加精细化地表征人类复杂的社会经济活动趋势[22]。因其精细化、丰富性和易获取[23]等特点，POI作为一种新的空间数据源已被尝试用于城市空间结构分析、商业热点判别、居民消费行为差异等研究[24-25]，利用大数据进行空间分析已逐渐成为区域定量研究的一种新趋势。本研究POI数据是由百度地图提供API接口查询下载的新郑市兴趣点数据(11 593条)，经数据清洗后得到有效数据9 943条。根据在线地图的POI分类体系并结合研究区实际，将9 943条POI数据分为7类：公司企业、教育培训、餐饮美食、生活服务、休闲娱乐、医疗服务、旅游服务(表1)，用以反映新郑市主要的经济社会活动，各类POI空间分布图如图1所示。

表1 新郑市POI数据数量Tab.1 POI data quantity of Xinzheng City

图1 新郑市城市经济社会活动POI的空间分布Fig.1 Spatial distribution of POI in economic and social activities in Xinzheng City

图2 新郑市村庄分类技术流程图Fig.2 Technical processes for classification of villages in Xinzheng City

此外涉及的数据还有土地利用现状数据(2018)和居民点数据(2018)，由新郑市自然资源和规划局提供。人口等经济社会数据来源于新郑市统计年鉴(2018)，村庄的组织、出行方式等数据来源于2018年6月对新郑市各乡镇的实地调研。本研究以新郑市320个行政村为研究对象，以土地利用现状数据为底图，利用ArcGIS 10.2操作平台，将POI、经济社会等数据统一为西安80投影坐标系，构建新郑市村庄分类基础数据库。

2 研究思路与方法

2.1 研究思路

乡村的演变分化受到内在作用和外部联系的共同影响[26]，在产业基础、资源禀赋、区位条件等多重因素综合影响下，形成了村庄的独特发展道路。距离城市较近的村庄主要受到城市活动的外部拉动作用，较大程度地参与城镇化活动，逐渐具备向城市转型的条件。受城市活动影响较小的村庄，主要受到村庄之间的空间相互作用，由于就业发展、生产生活等条件的不同，村庄之间多存在互相竞争，对人口、生产要素等产生不同的吸引力，逐渐形成集聚和萎缩的两极化趋势，以及两者之间相对平稳状态。基于上述分析及研究区实际，可将新郑市村庄分为城郊融合类、集聚提升类、搬迁撤并类、规模控制类。

城郊融合类村庄具有“城市后花园”的区位优势，有望承接城市功能外溢，可为城乡融合发展提供宝贵的实践经验和场所，城郊融合类村庄的划定是村庄分类中的首要问题。将距离城市较近且发展较好的村庄划定为城郊融合类村庄。针对距离城市较远的村庄则依据其自身潜力和空间竞争进行分类。据此展开新郑市村庄分类，技术流程见图2。

首先，从乡村主体、区位条件、资源禀赋等5方面构建乡村振兴潜力评价指标体系，对村庄进行振兴潜力评价。然后，基于新郑市POI数据的空间分析，识别社会经济活动中心区，并与村庄振兴潜力评价成果叠加分析，得到城郊融合类村庄。最后，借助引力模型模拟区域村庄竞争，并基于乡村振兴潜力级别和区域竞争力强弱建立村庄分类矩阵，划定集聚提升类村庄、搬迁撤并类村庄、规模控制类村庄。最终针对4种类型的村庄提出相应的振兴策略。

2.2 研究方法

2.2.1核密度估计法

核密度估计(Kernel density estimation，KDE)法是通过再现实际概率分布曲线、使用平滑的峰值函数拟合已知数据点的非参数方法，常用于分析点状要素的空间分布密度情况。KDE将每个已知数据点设定为中心，用核密度函数计算各个已知点在指定范围内(半径为r的圆)各个网格单元的密度贡献值，与中心点间距越小密度越大，密度与间距成反比，边际点处默认密度为0，若相同位置存在密度重合，则将其贡献密度累计叠加。核密度计算公式为

(1)

式中k(·)——核函数h——带宽

n——已知点数量

x——估计点坐标值

xi——样本点坐标值

fn(·)——核密度函数

考虑地理学第一定律的区位影响，在POI数据分析中，核密度分析比样方密度、Voronoi 图密度等其他密度表达方法更优[27]。依据POI核密度分析结果，提取核密度值强度随距离显著衰减的闭合区域，识别新郑市社会经济活动中心区。

2.2.2乡村振兴潜力评价指标体系的建立

乡村振兴潜力是指乡村能够利用自身各种资源与当前政策环境产生良性互动，并实现全面振兴的能力[28]。乡村振兴过程中的要素配置和政策倾斜需要考虑到村庄自身的振兴潜力，使有限的资源有序、精准地助力乡村发展。乡村振兴希望实现农村各种资源的全面动员，并使其参与到国家现代化发展进程中，但是村庄间获取资源和使用资源的能力差异明显，相同的政策输入可能输出相异的政策结果[29]。村庄的自身资源与利用资源的能力对其振兴具有重要意义，自身资源包括土地资源、生态资源等，利用资源的能力体现在人口、生产方式、交通区位等。为此，本研究构建包括乡村主体、区位条件、资源禀赋、产业基础、生活网络5方面共21个指标的乡村振兴潜力评价体系。

(1)乡村主体

乡村主体用来反映村庄的历史积累和基本现状，可以衡量村庄利用资源能力的大小。具体选取人口数量、空心化比率、村干部素质能力等5个指标。人口基数越大，居民点面积越大，并且空心化比率越低，村庄共同体的凝聚力就越强，空心化比率是闲置废弃宅基地面积和居民点面积的比值。村干部素质能力和村庄社会秩序表现取决于乡镇和农户对其工作的满意度，用来衡量村庄治理是否有效有序，是乡村社会化组织和协调能力的体现。

(2)区位条件

区位条件对于村庄参加城镇化活动具有重要影响，区位优势可以加强村庄与外界系统的联系，提升村庄利用资源的能力。具体选取与县城、乡镇驻地、交通干线(省道及以上道路)的距离3个指标。区域的城镇化活动大都发生在县城、乡镇和交通干线构成的网络体系中，村庄距网络越近，现代化发展的便利程度就越高。

(3)资源禀赋

各类资源是农民赖以生存的物质基础，也是村庄发展转型的前提条件。具体选取耕地资源、园地资源等5个指标。耕地、园地、林地、矿产等传统稀缺资源为特种农业种植和原料开发等产业提供了先天条件。除此之外，在乡村的多元化发展中，人文生态资源逐渐凸显其产业价值。如新郑市域内的裴李岗遗址、黄帝故里以及白龙潭、龙泉湿地等，使当地的文旅市场极为活跃。用村庄内历史文化遗址和自然生态景观的数量和级别(国家级、省级认证或地方认可)来衡量人文生态资源的丰度和价值。

(4)产业基础

产业兴旺是乡村振兴的重要基础，乡村产业发展可以提升各类资源的组织和利用效率，为满足人民美好生活需要创造条件。产业基础的情况体现了村庄利用资源能力的强弱，具体选用企业数量、就业非农化率等4个指标。村庄企业数量越多，村民就业非农化程度越高，说明其产业化和市场化程度越高，村庄产业兴旺的条件就越成熟。村庄集体资产情况表现越好，说明其资源配置效率和执行能力越高，给产业集聚、转型升级奠定了基础。

(5)生活网络

生活网络是满足农民美好生活需要的基本条件，也是农村全面进步的重要体现。具体选用与医疗机构、小学的距离等4个指标。自来水入户率和厕改比例越高，距医疗机构、小学越近，说明村庄生活网络越高效化、人性化，村庄的软性实力就越强。

在评价过程中，对村干部素质能力、村庄社会秩序、可利用人文生态资源3个指标，依据其表现划分5个等级，并对各级别赋予相应的作用分。对于其余指标则采用0-1标准化法进行标准化处理。通过层次分析法确定指标的权重，表2即为新郑市乡村振兴潜力评价指标体系及其权重。本研究采用多因素综合评价法计算乡村振兴潜力指数，计算式为

表2 新郑市乡村振兴潜力评价指标体系及其权重Tab.2 Evaluation index system and its weight of rural revitalization potential in Xinzheng City

(2)

式中M——乡村振兴潜力指数

si——第i个指标的标准化值

wi——第i个指标的权重

2.2.3引力模型

空间相互作用理论最早应用于城市体系研究中，常用于城市空间结构分析、影响范围识别等。随着乡村研究的发展，空间相互作用理论方法已经开始应用到乡村场景中[30]。本研究中，村庄在一定空间范围内，与周围村庄进行相互作用、互相竞争，竞争结果取决于乡村振兴潜力指数和空间距离。引力表达式为

(3)

式中Eij——村庄i与村庄j之间的空间引力

mi、mj——村庄i与村庄j的乡村振兴潜力指数

dij——村庄i与村庄j之间的距离

l——经验常数

b——距离的摩擦系数

考虑到研究区交通运输情况，l和b分别取1和2，这也与牛顿的万有引力模型具有一致性。

3 结果与分析

3.1 基于POI数据分析的城郊融合类村庄划定

3.1.1乡村振兴潜力评价

采用多因素综合评价法求得新郑市320个村庄的乡村振兴潜力指数M，并利用自然段点法将其分为3级，得到新郑市乡村振兴潜力级别图(图3)。3级村庄的各类资源没有明显优势，或者利用资源的能力欠缺，此级村庄乡村振兴的可能较小。1级村庄的资源、能力整体较优，更有可能实现乡村振兴发展。3级村庄和1级村庄分别处于萎缩和集聚的发展态势，而2级村庄则处在两者之间的平衡状态。新郑市拥有1级村庄71个，2级村庄148个，3级村庄101个，分别占比22.2%、46.3%、31.5%，2级村庄最多，3级和1级村庄数量较少。新郑市乡村振兴潜力整体较好，但村庄发展已初显两极化态势，亟需通过乡村振兴破解其发展不均衡不充分的难题。

图3 新郑市乡村振兴潜力级别图Fig.3 Map of rural revitalization potential in Xinzheng City

由图3可知，新郑市乡村振兴潜力级别较高的村庄大都位于城市近郊区和主要道路附近，如县城城区和龙湖镇周围的荆垌村和胡庄村，以及纵贯新郑市南北的107国道、S60省道附近的王毕庄和牛村。此外，乡镇企业发达的薛店镇和新店镇的村庄振兴潜力级别也比较高。从空间上看，乡村振兴潜力级别较高的村庄多位于新郑市西北部以及中南部，而西南部的村庄振兴潜力级别较低。

3.1.2社会经济活动中心区

为确定新郑市城市经济社会活动的实际范围，对新郑市POI数据进行核密度分析。在核密度分析中，不同的搜索半径对分析结果有较大影响。若搜索半径过小会导致核密度集中在局部区域，不能很好地体现要素的整体分布规律，若半径过大则导致核密度曲线过于平滑，内部融合程度过高，会使得区域内要素分布的集聚特征被隐藏。因此，经过多次实验优化，设定带宽h为2 km，制得新郑市POI数据核密度分布图(图4)以及细分类别的POI数据核密度分布图(图5)。

图4 新郑市全类别POI数据核密度分布图Fig.4 Kernel density distribution of POI data of all categories in Xinzheng City

由图4可知，新郑市POI空间分布主要形成3个高密度聚集区，分别位于龙湖镇、县城城区(新华街道、新烟街道、新建街道、城关乡)、薛店镇-孟庄镇(以下简称薛孟区)。县城城区作为新郑市政府机构及经济社会团体所在地，对政治、经济、文化活动有着较强的吸引能力。龙湖镇、薛店镇作为全国千强镇，培育了一大批优秀乡镇企业，是新郑二三产业的重要聚集区。不同聚集区也有明显层级差异，县城城区和龙湖镇的核密度强度等级相较于薛孟区更高。所以，新郑市呈现城市多中心、多圈层发展，不过存在发展不均衡问题。

由图5可知，虽然不同类型的POI在空间内的分布和聚集特征存在差异，但是县城城区在不同类型POI分布中均为中心。而且，龙湖镇和薛孟区也均表现较好，这是新郑市多城镇组团共同发展的结果。

图5 新郑市各类别POI数据核密度分析Fig.5 Kernel density analysis of each category of POI data in Xinzheng City

总的来说，新郑市POI分布主要集中在县城城区、龙湖镇、薛孟区3个社会经济活动中心区，其核密度强度随着与中心区距离增加而不断衰减，空间上显示出由中心向外逐级扩散的圈层结构。

3.1.3城郊融合类村庄划定

随着各城镇组团发展，周边村民的就业结构和生活方式已发生极大改变，部分村庄逐渐具备向城市转型的条件。因此，考虑到村庄发展不均衡问题，将社会经济活动中心区与乡村振兴潜力1级村庄进行叠加分析(图6)，得到新郑市城郊融合类村庄，共28个。由于各中心区的等级和圈层范围不同，各中心区所包含的城郊融合类村庄数量略有差异：县城城区13个，龙湖中心区10个，薛孟中心区5个。

图6 新郑市城郊融合类村庄划定图Fig.6 Suburban fusion village delimiting in Xinzheng City

3.2 基于引力模型的非城郊融合类村庄类型划定

在一定区域内的村庄间存在相互作用，围绕人口、生产要素等资源进行竞争。利用引力模型模拟村庄竞争，计算村庄与其作用半径内其他村庄的相互作用力，并确定对其吸引力最大的村庄。最终基于村庄竞争结果与乡村振兴潜力评价，展开新郑市村庄类型划定。

村庄的作用半径即村民出行半径。经实地调研，新郑市村民出行工具主要有自行车(15 km/h)、电动自行车(20 km/h)、摩托车(40 km/h)、汽车(60 km/h)，其占比分别为32%、41%、19%、8%，可接受出行时间为20 min，所以确定出行半径为8.4 km。利用式(3)求得村庄与其周围8.4 km范围内所有村庄的引力，筛选出最大引力对象并建立引力指向(依据M值，由小指向大)，得到村庄空间引力指向图(图7)。

图7 新郑市村庄空间引力指向图Fig.7 Space gravitation map of villages in Xinzheng City

新郑市村庄被指向次数大多落在0～3之间，某些村庄被指向次数在3次以上。村庄被指向次数越多，说明其能成为区域核心的可能性越大。依据被指向次数对村庄的区域竞争力进行分级：2次及以上为优越，1次为一般，0次为较弱。经统计，有151个村庄在空间相互作用中都是被吸引的状态，成为区域核心的可能性较小，有86个村庄在区域间竞争中表现优越，可以吸引到周边2个及以上村庄。

综合考虑村庄在整体和局部表现，基于乡村振兴潜力级别和区域竞争力强弱建立村庄分类矩阵(表3)。

表3 新郑市村庄分类矩阵Tab.3 Classification matrix of village types in Xinzheng City

依据表3对新郑市村庄进行分类，得到集聚提升类村庄95个，搬迁撤并类村庄78个，规模控制类村庄141个。其中，有22个集聚提升类村庄也是城郊融合类村庄，考虑到其已具备向城市转型条件，将其设定为城郊融合类村庄，未来以城乡融合的发展方式实现对周围资源要素的吸引。新郑市村庄的最终分类结果如表4和图8所示。

表4 新郑市不同类别的村庄数量Tab.4 Number of villages of different types in Xinzheng City

新郑市城郊融合类村庄数量最少，规模控制类村庄最多，而集聚提升类和搬迁撤并类村庄数量相当，呈两极化的发展局面。从空间上看，搬迁撤并类村庄多位于距离县城城区和乡镇较远的周边地区，集聚提升类村庄多位于新郑市南部地区，规模控制类村庄则是西部多于东部，而城郊融合类村庄主要分布于北部和中部地区。从行政区上看，搬迁撤并类村庄主要分布在辛店镇、孟庄镇等镇，集聚提升类村庄主要分布在观音寺镇、八千乡等镇，规模控制类村庄主要分布在辛店镇、郭店镇等镇，而城郊融合类村庄主要分布在龙湖镇和城关乡等镇。

3.3 新郑市乡村振兴策略

3.3.1城郊融合类村庄

该类型村庄是承接城乡的“桥梁”，在新型城镇化和乡村振兴的双轮驱动下，有望成为城乡融合的优先试验区。未来城市圈内的环保、能源、用地成本压力不断上升，此类村庄承接城市外迁产业将会成为普遍趋势，部分村庄可能为了经济增长，对污染企业疏于防控，使生态环境承受巨大压力。而且，随着商业市场蔓延，此类村庄的区位优势进一步显现，容易出现“私拉乱建”、“违法占地”等行为。此类村庄发展的核心在于盘活土地价值，提升可持续发展能力。因此，上级政府应该成立相应的环保监管部门，对承接企业加强污染防控，并不断促进城市和此类村庄的基础设施互联互通、公共服务共建共享。同时，需要妥善解决失地农民的社会保障、城乡边界的社会治安等问题。

3.3.2集聚提升类村庄

该类型村庄是未来城乡结构体系的重要支撑，是乡村能量的聚集节点。应在自身基础上提质改造，促进村庄良性发展。与城市各类产业集聚区相比，此类村庄的地理位置、基础设施都缺乏优势，内部的中小企业也大多面临人才、资金等不稳定因素，核心竞争力容易受到影响。此类村庄的工作重点在于政策引导、技术援助与利益保障机制等软件设施的建设上。考虑到新郑市实际情况，为推进地方产业的转型升级，扩大“好想你”枣制品、“郑风”莲藕、“龙湖”樱桃等优质农产品的品牌优势，政府可为当地投资主体提供政策优惠，鼓励其积极参与到本土产业建设，还需要为村民提供专业培训机会，建立农村人才后备库。作为未来区域的发展极，还需注重基础设施和公共服务设施的规划和配套，以真正发挥中心地功能。

3.3.3搬迁撤并类村庄

此类村庄不具备乡村振兴基础，不适宜进行大规模的资金投资。该类村庄最重要的是做好生态保护和搬迁安置工作，可通过异地扶贫搬迁、增减挂钩、宅基地置换等政策组合，切实改善农民生产生活状况。考虑到地方政府的财政压力，尽量分步推进迁撤并，可以制定相关优惠政策，鼓励社会资本积极参与。在搬迁撤并过程中，可根据空间相互作用的引力指向，引导农户向集聚提升类村庄集聚，以提高区域基础设施和公共设施使用效率。

3.3.4规模控制类村庄

此类村庄需严格控制其无序扩张，可通过内部挖潜提升土地利用效率，尽可能改善人居环境、配备重要设施以满足本村基本需求。此类村庄可作为耕地保护和现代化农业经营主体，应注重优化农业种植模式和农业生产结构。而且，新郑市本身就拥有优越的农业品牌和产销体系，对农业存在规模化需求。此类村庄还可尝试建立诸如金融互助社、各类专业合作组织等，实现农业农村的创新自主发展。另外，随着城镇化的进一步推进，此类村庄避免不了人口流失、老龄化，还应进一步提升农业机械化程度以适应老年农业发展。

4 讨论

本研究基于乡村振兴新时代的村庄分类要求，尝试构建符合研究区实际的村庄分类方法体系，对新郑市乡村振兴规划编制和分类施策具有重要实践意义。在研究分析过程中，通过利用POI数据的空间分布规律，反映人为经济社会活动的聚集性和差异性，有助于改善以往研究中数据的敏感性、时效性问题。同时，也拓宽了空间相互作用理论的应用场景。

需要指出的是，本研究旨在助力乡村振兴有的放矢，精准振兴，主要是解决效率问题。对于传统村落、历史文化名村以及特色景观旅游名村等的保护问题，还考虑不够，对此类村庄的精准识别和切实保护将是下一步工作的重点。