三生空间视角下基于最小阻力模型的农村居民点布局优化——以吉林省辉南县为例

朱晓琳，郄瑞卿，张文琦

（1.吉林农业大学林学与草学学院，长春 130118；2.吉林农业大学经济管理学院，长春 130118）

农村居民点是农村人口空间活动的场所[1]，其空间形态往往受到生产、生活、生态因素的影响，进而呈现一定的空间布局规律。受经济发展和城镇化的影响，农村建设用地需求量与土地资源供应量匹配失衡，建设用地不断侵占农用地和生态用地，导致生产、生活、生态用地矛盾日益突出。随着越来越多的人口向城镇迁移，农村“空心化”、农村居民点布局散乱、土地利用效率低等问题出现，农村经济发展面临巨大挑战。农村发展过程中遇到的“空心化”、布局散乱、土地利用效率低等问题是推进乡村振兴必须解决的问题，但乡村振兴战略的实施不能照搬国外经验，要结合我国乡村发展具体情况，走符合国情的农村发展道路。针对农村居民点发展过程中遇到的问题，需要在乡村振兴战略指引下，寻找农村居民点布局优化的最佳方案，促进农村的健康发展。

在实施乡村振兴战略的背景下，农村居民点布局优化已经形成较为丰富的理论及方法体系[2-3]。起初主要是根据农村居民点适宜性进行评价，比如依据自然、社会经济和生态因子构建农村居民点用地适宜性评价指标体系，运用适宜性评价量化方法进行赋值，采用专家打分法确定权重，根据农村居民点的适宜性评价结果，提出农村居民点整治分区规划的方向[4]；或者采用生态位适宜度模型和GIS 栅格技术将指标量化进行评价，得出不同等级的农村居民点适宜性用地，通过聚类分析划分出不同的农村居民点类型进行分区调控[5]。近年来有学者从生产、生活和生态因素方面构建评价指标体系，如基于“三生”空间协调度模型进行农村居民点布局优化[6]，从生产-生活-生态空间的功能角度出发，运用GIS 空间分析、熵权法和景观生态学等方法对农村居民点的特征演变进行研究[7]。在农村居民点布局优化方法中，一些研究考虑了多种评价结果的组合，如运用核密度估计、生态系统服务价值评价等方法分析乡村聚落空间分布特征，进行乡村聚落重构[8]，以及应用加权Voronoi图的宏观空间分割结合微观的“居住场势”测算，得出合理的农村居民点重构方案[9]。

农村居民点布局优化是受生产、生活和生态多个因素影响的过程。农村居民点作为农户适应生产和生活需求在一定环境空间形成的重要场所，其所处的生产、生活和生态空间的优越性及协调性直接决定了乡村人居环境的优劣程度[6]。农村居民点的布局需要空间组合特征作为基础，其中合理的空间关系不仅是自然环境与农村居民点相互作用的结果，也是农村居民点与农村居民点之间相互作用的结果，这种空间组合特征是进行布局优化的关键。东北地区黑土地资源丰富，是我国重要的商品粮生产基地，然而由于土地资源利用不合理，农用地（尤其是耕地）被侵占，生态环境比较脆弱，恢复周期长，土地资源不能满足当地生产建设用地的发展，导致人地关系紧张，生产、生活和生态空间与土地需求的矛盾不断加剧。

本研究基于最小阻力模型等多种空间组合评价方法，同时结合生产、生活、生态因素，以吉林省辉南县为例，在“三生”空间视角下，基于最小阻力模型等多种空间组合评价方法，划分村庄组团类型及其内部组合特征，在宏观层面上探讨促进村庄布局优化的影响特征与机理，丰富与深化农村居民点用地布局优化研究，指导农村居民点用地内部结构调整，实现农村建设用地集约高效利用，制定符合当地发展的策略，以期为吉林省落实农业农村优先发展、城乡融合发展，创新村庄规划编制提供参考，进而为促进乡村振兴提供新思路，有助于实现土地集约利用，保障粮食安全，激发区域活力。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区为吉林省辉南县（图1），地处吉林省东南部、通化市东北部，位于长白山脉与松辽平原交界地带，是进出长白山的必经之地（125°58'49″～126°44'39″E，42°16'19″～42°49'15″N）。整体地势东高西低，海拔271～1 226 m，属于北温带大陆性季风气候，年平均气温5 ℃，年均降水量737.4 mm。辉南县东西长为66 km，南北宽为60 km，总面积2 278.7 km2，相邻区县为通化市靖宇县、梅河口市、柳河县、桦甸市。辉南县下辖10 个镇、1 个民族乡、1 个省级开发区，共有141 个行政村，县政府位于朝阳镇，农村人口约13万。

图1 研究区位置及农村居民点分布Figure 1 Location of the research area and distributions of rural settlements

1.2 数据来源

①海拔、坡度、坡向等数据来源于地理空间数据云信息平台（https：//www.gscloud.cn）；②医院、学校、旅游景点（不包括城镇）、餐饮、购物等POI 点数据资料来自91卫图（https：//www.91wemap.com）；③人口数据来源于辉南县第七次人口普查数据；④土地利用现状来源于辉南县土地利用调查及年度变更数据（表1）。

1.3 研究方法

1.3.1 研究思路

确定农村居民点规划布局优化策略的具体思路：①建立阻力面和设定阻力系数；②通过K-均值聚类分析划分出村庄组团；③将村庄阻力分区和K-均值聚类分析结果相结合，确定村庄组团类型；④采用多指标综合评价法进行农村居民点结节性指数评价，在此基础上运用改进的空间引力模型计算出各个村庄组团内部农村居民点的引力值关系；⑤用加权Voronoi 图计算农村居民点的实际功能辐射范围，确定村庄组团内部迁移合并的方向；⑥根据村庄组团内部的引力值关系和加权Voronoi图计算结果进一步划分出农村居民点类型；⑦根据不同的农村居民点类型提出不同的治理措施，制定符合当地发展的策略。

1.3.2 建立阻力面和设定阻力系数

农村居民点布局优化受多种因素影响，建立阻力评价体系要结合辉南县具体情况和未来发展需求，在广泛借鉴前人研究[10]的基础上，从生产、生活、生态等方面构建评价指标体系（表2）。

表2 农村居民点布局阻力指标体系和阻力系数Table 2 Resistance index system and resistance coefficient of rural settlement layout

生产指标主要选取传统农业生产用地和新型非农业生产用地。辉南县有丰富的特色旅游景点，这些地方可以作为新型生产用地发展服务产业，带动当地经济发展，服务产业分布越密集的地方，阻力系数越小。传统生产用地中的耕地面积与居住面积的比值可以反映土地的集约利用程度，耕居面积比越大，阻力系数越小[11]。

生活指标主要选取区位作为阻力指标。农村居民点更容易聚集在交通方便的地方。到学校、医院等地方的距离越近，阻力系数越小；到自然保护区距离越近，阻力系数越大，且农村居民点的分布也应考虑耕地距离，便于农民进行农业生产活动[12]。

生态指标主要选取海拔、坡度、坡向和林地、草地、水域面积等作为阻力评价指标[13-14]。从图1 可以看出，辉南县西部地区地形较为平坦，阻力系数小，东部地区地形较为复杂，阻力系数大。林地、草地、水系等自然因素可以表现出对乡村生态景观的塑造。林地、草地和水域面积的大小可以反映当地村庄的生态保育能力，其面积越大，阻力系数越小。

生产、生活、生态等指标的阻力体系用熵权法来进行评价，为了在一定程度上避免主观评价的缺陷，用熵值的思想来确定各指标的权重。具体结果如表2所示。熵权法[7]计算方法如下：

以Xij表示第i个区域第j项指标值（其中i=1，2，…，m；j=1，2…，n）。

①采用归一化法进行指标标准化处理，得到第i个区域第j项指标值Yij。

②计算第i个区域第j项指标值的信息熵Ej，见公式（1）：

③确定各项指标Xij的权重，如公式（2）所示：

通过栅格化处理，将辉南县划分为90 m×90 m 的栅格，通过栅格计算器对农村居民点的综合阻力面进行计算，通过Natural Breaks 法将阻力面划分为最大阻力区、较大阻力区、中度阻力区、较小阻力区和最小阻力区5类。

1.3.3 最小阻力模型

最小阻力（Minimum Cumulative Resistance，MCR）模型适用于农村居民点的布局[15-17]，如公式（3）所示。

式中：MCR为最小阻力值；fmin是从任一点到农村居民点源的距离最小阻力的正相关函数；Ri表示景观i对某种物种运动的阻力；Dij表示物种从村庄源j到某一点经过的景观基面i的空间距离。本研究以辉南县141个农村居民点矢量几何中心点位置确定为源。

1.3.4 K-均值聚类

划分村庄组团由聚类分析（Cluster Analysis）实现[18]。其中K-均值聚类（K-means）是基于距离的迭代式算法，设由n个数据构成的原始数据集X={X1，X2，…，Xi，…，Xn}，将其划分为k类（2≤k≤n），其准则函数：

式中：Xi为原始数据集X的第i个元素；{ωj}为聚类结果数据集{{ω1}，{ω2}，…，{ωj}，…，{ωk}}的类；Cj为类{ωj}的聚类中心。

1.3.5 改进的空间引力模型

村庄组团内部农村居民点之间有不同的联系，这种联系可以用空间引力值体现[18]。空间引力值大小可以表示农村居民点在聚落组团中的位置，空间引力值最大的为中心村，其余的为基层村。

式中：I为i、j两村庄之间的引力值；经验系数G一般取值为1；Mi、Mj代表i、j两个村庄的“质量”，由村庄的结节性表示；距离衰减指数b通常取值为2；r表示两地之间的距离。

结节性表示一个村庄作为节点的相对重要性，可以用来表示村庄的综合质量。构建农村居民点结节性指数评价体系，其指标从生态因素、区位因素、村庄规模等3 个方面获取（表3），生态因素中主要选取林地、草地、水域面积作为评价指标，其面积越大，结节性越大；区位因素中选取村庄距交通干道、学校、城镇的距离作为评价指标，可以反映出村庄受城镇化影响的程度，距离越近，结节性越大；村庄规模中选取农村居民点规模、人口规模、耕地面积作为评价指标，可以反映村庄自身的发展潜力，其中农村居民点规模、人口规模、耕地面积越大，结节性越大，用AHP法确定各指标权重，结节性越大，表示农村居民点越重要[19]。

表3 村庄结节性指数评价指标体系与权重Table 3 Evaluation index system and weight of rural tuberous index evaluation

1.3.6 加权Voronoi图

利用加权Voronoi 图（Weighted Voronoi Diagram，WVD）确定未来农村居民点布局优化的基准点[20-21]，得出农村居民点的实际功能辐射范围，以此确定辉南县村庄的布局优化结果。本研究农村居民点的基准点由村庄的矢量几何中心确定，首先计算出普通Voronoi 图的中心点，然后将计算出的Voronoi 图的中心点再次计算，最后得到加权Voronoi图结果。

2 结果与分析

2.1 最小阻力评价

借助ArcGIS 中的成本距离工具来实现辉南县农村居民点整治阻力评价，结果如图2所示。

从生产阻力值（图2a）可见，样子哨镇的河南村、河北村、和平村，石道河镇大北岔村，抚民镇的南关村、北关村耕居面积比较小，旅游特色景点少，所以生产阻力值较大；辉南镇、楼街朝鲜族乡、团林镇、辉发城镇等地耕居面积比较大，金川镇旅游特色景点多，所以生产阻力值较小，适宜进行乡村特色旅游建设。

从图2b 可见，生活阻力值呈现从西部到东部逐渐增大的特征，辉发城镇北部、石道河镇东北部、抚民镇东部、金川镇东部距城镇中心、交通干线、河流、学校、医院等较远，尤其是金川镇有吉林省龙湾群国家森林公园自然保护区，开发建设难度大，所以生活阻力值较大；朝阳镇、楼街朝鲜族乡全境以及辉南镇、杉松岗镇、样子哨镇中部距交通干线、城镇中心、河流、学校、医院等较近，所以生活阻力值较低，当地居民生活较便利，城镇化潜力较大。

从图2c 可见，生态阻力值呈现从西北到东南逐渐增大的特征，其中石道河镇、抚民镇、金川镇地形复杂，海拔较高，坡度较陡，容易受到自然灾害的影响，所以生态阻力值较大；朝阳镇、团林镇、辉发城镇、楼街朝鲜族乡地形较平坦，不容易受到地质灾害的影响，适宜进行城镇化建设。

从总阻力值来看，将辉南县划分为最小、较小、中度、较大、最大等5 个阻力区（图2d），其中西部、中部地形较平缓，距离交通干线、河流、公共服务区域较近，所以总阻力值较低，当地农村居民点比较容易受到城镇化影响，利于进行城镇化建设；石道河镇、抚民镇、金川镇东部地区海拔较高、地形复杂且有一个自然保护区，所以总阻力值较高，附近居民点城镇化建设开发难度大。

2.2 村庄组团类型划分

将农村居民点斑块数据导入GeoDa 进行K-均值聚类分析，将辉南县141 个村庄分成4 个组团（图3a），其中第Ⅰ组团包括47 个村庄，分别分布在朝阳镇全境、团林镇的中部和西部、楼街朝鲜族乡北部、辉南镇西部、辉发城镇西南部；第Ⅱ组团包括35 个村庄，分布在庆阳镇和辉发城镇大部分区域、辉南镇中部和北部、团林镇东部；第Ⅲ组团包括41 个村庄，分布在金川镇、样子哨镇、杉松岗镇全境，楼街朝鲜族乡、辉南镇南部，抚民镇西部；第Ⅳ组团包括18 个村庄，分布在石道河镇全境、抚民镇西北部和中部、庆阳镇东南部。其中团林镇、辉发城镇、庆阳镇、抚民镇、辉南镇、楼街朝鲜族乡等乡镇被拆分，重新组团。

图3 村庄组团类型划分Figure 3 Village group type division

将阻力分区图与村庄组团划分图重叠区域进行分析（图3b），第Ⅰ组团主要分布在最小阻力区和较小阻力区，村庄组团整体阻力值小，划分为集聚提升类；第Ⅱ组团主要分布在较小阻力区与中度阻力区，村庄组团整体阻力值较小，划分为城郊融合类；第Ⅲ组团主要分布在中度阻力区与较大阻力区，村庄组团整体阻力值较大，划分为特色保护类；第Ⅳ组团主要分布在较大阻力区和最大阻力区，村庄组团整体阻力值最大，划分为稳定改善类（表4）。

表4 农村居民点布局类型汇总Table 4 Summary of rural settlement layout types

2.3 村庄组团内部农村居民点类型分布

基于农村居民点结节性指数评价指标体系（表3）对辉南县农村居民点进行结节性指数计算，将村庄的结节性指数代入改进的空间引力模型中的“质量”参数，算出村庄组团内农村居民点之间的相对引力值（图4a）。

图4 村庄组团内部空间关系Figure 4 Spatial relationships within village group

村庄组团类型的划分与农村居民点之间引力值的计算为村庄体系及结构优化提供了良好的基础，也明确了村庄布局优化的总体方向，但是因为村庄具体的资源分配和服务功能不同，具体规划方案需要根据行政村实际的功能辐射范围来确定。用加权Voronoi图划分出每个农村居民点实际的功能辐射范围（图4b），将141 个农村居民点的几何中心点作为点源，农村居民点实际的功能辐射范围由两次创建泰森多边形得到。由于农村居民点布局调控受空间影响范围的约束，而各类型农村居民点的行政区划范围与实际的功能辐射范围并不一致，这就为村庄布局优化提供了依据。

村庄组团类型的确定为村庄规划提供了良好的基础，但不同类型村庄组团内部布局结构需要进一步探讨。在划分村庄组团的基础上，基于集约化的村庄布局优化理念，考虑村庄之间的影响和联系，根据农村居民点之间引力值大小（图4a）和加权Voronoi 图（图4b）算出的农村居民点实际的功能辐射范围，将不同村庄组团内部的农村居民点进一步划分为重点建设型、一般建设型、迁移合并型3 种类型。每种村庄组团内部类型划分如表5所示。

表5 村庄组团内部农村居民点类型分布Table 5 Distribution of rural settlement types within village group

2.4 各类农村居民点布局优化策略

（1）集聚提升类

集聚提升类包括47 个农村居民点，总规模为1.243×107m2，主要分布在朝阳镇、团林镇、辉南镇、辉发城镇、楼街朝鲜族乡（图5a）。该类型区域地形平缓，区位优势明显，可以当作农村居民点发展的重点区域。集聚提升类村庄人口规模较大，区位优势明显，可以作为重点建设型农村居民点发展。这类农村居民点应当紧跟城镇化发展步伐，加强劳动力凝聚能力，提高服务设施水平，科学引导周边村庄的发展。

图5 村庄组团内部农村居民点类型分布Figure 5 Distribution of rural settlements types within village group

（2）城郊融合类

城郊融合类包括35 个农村居民点，总规模为7.169×106m2，该农村居民点类型主要分布在庆阳镇、辉发城镇、辉南镇、团林镇（图5b）。该区域地形较平坦，距离城镇中心和交通干线较近，拥有较好的发展条件，具有变成集聚提升类村庄的潜力。辉南镇的永兴村、西关村和城关村，辉发城镇的民主村和东胜村，团林镇的兴安村，庆阳镇的大兴村，这7 个村庄引力值相对较大，划分为重点建设型，其余的28个村庄引力值较小，划分为一般建设型。对于该类型村庄，应当积极引导其向集聚提升类村庄发展，应对统筹城乡发展进行深入分析，主要包括一二三产融合、村庄发展需求、基础设施互联互通、公共服务共建共享情况等。

（3）特色保护类

特色保护类包括41 个农村居民点，总规模为1.252×107m2，主要分布在杉松岗镇、样子哨镇、金川镇、楼街朝鲜族乡、辉南镇、抚民镇（图5c）。其中金川镇有吉林龙湾群国家森林公园，在进行经济建设活动开发时，应注意保护自然保护区，发展特色旅游经济。金川镇的金川村和永丰村，样子哨镇的万宝村、小椅山村、碱水顶子村，抚民镇的南关村、北关村，楼街朝鲜族乡的胜利村，辉南镇的大阳村，这9个农村居民点引力值较大，可作为重点建设型农村居民点发展；金川镇的黄泥岗村，样子哨镇的河南村、河北村、常兴堡村，金川镇的龙湾村，这5 个农村居民点引力值较小，实际功能辐射范围小于行政区范围，划分为迁移合并型，建议迁移到附近引力值大的农村居民点进行建设；其余的27 个农村居民点归为一般建设型。该类型村庄应注意生态环境与经济协调发展，对历史文化、特色产业及景观风貌进行深入分析，主要包括文物保护单位、历史建筑、历史环境要素和民俗活动、礼仪节庆、传统表演艺术和手工技艺等非物质文化要素，如金川村的吉林龙湾群国家森林公园需要配合村庄规划发展。

（4）稳定改善类

稳定改善类包括18 个农村居民点，总规模为4.201×106m2，主要分布在石道河镇和抚民镇（图5d），这种类型农村居民点自身经济发展比较薄弱，容易受自然灾害侵袭。抚民镇的铺板石村和四平街村，石道河镇大场院村、西南岔村引力值较大，可作为重点建设型村庄发展；石道河镇的爱林村、二岔村、三岔村，抚民镇的榆树岔村等村庄虽然地域面积广阔，但是地形复杂，不适合大量人口聚集，因此划分为迁移合并型农村居民点，根据加权Voronoi 图可以看出抚民镇的榆树岔村实际影响范围远远小于行政区面积，可以将其合并到附近的铺板石村进行建设，或者几个邻近的基层村庄迁移合并，比如石道河镇的爱林村、二岔村、三岔村可以迁移合并到一起进行建设开发；其他10 个农村居民点划分为一般建设型。应对该类型村庄的稳定发展、村民生活等进行深入分析，包括村民居所原拆原建、人居环境整治、基础设施建设等，从而对这类村庄进行拆分整合，达到对资源的高效利用，促进乡村建设发展。

3 讨论

3.1 生产、生活和生态因素组合评价对农村居民点布局优化的影响

生产-生活-生态空间评价指标体系可以较好地反映外界因素组合对辉南县农村居民点布局的影响，为农村居民点布局提供科学依据。“三生”空间评价受到经济发展、城镇化、自然资源要素等多种因素的影响，其地区差异明显。与东南沿海地区不同的是，东北地区土地利用格局复杂多样，因此本研究在构建指标体系时，突出了海拔、坡度、坡向、土地利用等因素对生产、生活、生态空间评价的影响，为构建指标体系提供科学依据。本研究在以往农村居民点适宜性评价的基础上，构建了“三生”空间评价指标体系，对农村居民点进行全面的评价，进而科学地划分农村居民点类型。

3.2 基于最小阻力模型的多种空间分析方法对农村居民点布局优化的作用

在社会经济条件和自然条件的影响下，农村居民点之间在规模和发展状况上存在很大差异。然而，现有的研究忽略了这些差异以及它们之间的相互作用。因此本研究采用最小阻力模型、K-均值聚类、改进的空间引力模型、加权Voronoi 图等方法来计算村庄之间的相互作用。根据最小阻力模型计算结果，得出辉南县的阻力分区，采用K-均值聚类方法基于农村居民点之间的距离关系进行迭代计算，用于村庄组团的划分，采用改进的空间引力模型测算出农村居民点之间的相对引力值，得出农村居民点之间的空间联系，通过加权Voronoi 图得出农村居民点实际的功能辐射范围。

考虑到生态因素、区位因素和村庄规模在农村发展中的影响，本研究从这3 个方面选取指标对村庄结节性指数进行评价。将村庄的结节性指数代入改进的空间引力模型中的“质量”参数，以弥补以往单一指标无法全面衡量两个实体之间相互作用的不足。基于空间组合特征的分析方法既考虑了村庄之间的社会经济联系，又考虑了村庄的空间分布特征，为农村居民点布局优化提供了科学的参考。

3.3 村庄组团内部农村居民点类型分布与村庄组团类型之间的关系

村庄组团类型的划分和村庄组团内部农村居民点的空间分布特征决定了农村居民点的类型和布局优化方向，为农村居民点布局优化提供了一种新的思路。具体而言，划分村庄组团类型的作用体现在特色保护类村庄的识别和稳定改善类村庄重构方向的确定，这也是农村居民点搬迁与疏散的重点。村庄组团内部农村居民点类型分析是揭示农村居民点空间分布特征的有效方法，从空间分布特征上可以科学地识别出农村居民点的发展建设和迁移合并的具体方向。在划分村庄组团内部的3 种农村居民点类型时，主要考虑了村庄自身的相对引力值大小与村庄实际的功能影响范围，从而在科学合理的范围内进行迁移合并型农村居民点的安置。村庄组团类型和村庄组团内部组合特征将村庄建设阻力与农村居民点影响范围相结合，用于农村居民点布局优化。

3.4 村庄布局优化策略

根据各类型的特点，本研究提出了相应的发展重点和布局优化策略。集聚提升类发展重点是适度扩大规模，提高农村居民点集聚程度，提升基础设施建设。城郊融合类村庄应完善产业结构和服务功能，带动周边居民点发展。特色保护类村庄是基于辉南县丰富的旅游资源条件所确定，其发展重点是促进关联产业发展，改善人居环境和生态环境。稳定改善类村庄存在分布分散、环境条件差等问题，应在考虑农村居民意愿的前提下，将农村居民点向最近的发展型农村居民点集中，或将几个邻近的农村居民点进行合并。

4 结论

（1）本研究提出了划分村庄组团类型及其内部组合特征的理论分析框架，在划分村庄组团类型上，通过构建“三生”空间评价指标体系，基于最小阻力模型等多种空间分析方法，按照综合阻力分区与K-均值聚类分区叠加结果将辉南县划分为集聚提升类、城郊融合类、特色保护类、稳定改善类4 种村庄组团类型。在村庄组团内部组合特征上，依据农村居民点结节性评价体系，计算农村居民点之间不同的空间引力关系和空间功能影响范围，在村庄组团内部进一步划分出重点建设型、一般建设型、迁移合并型3 种农村居民点类型，并针对不同类型提出了布局优化方向和相应的发展重点。

（2）本研究综合分析了生产、生活、生态因素和农村居民点空间分布特征，考虑了农村居民点之间的相互作用，划分了村庄组团类型及其内部组合特征。其中“三生”空间评价体系的构建与村庄组团类型及其内部组合特征是农村居民点布局优化的关键，“三生”空间指标与农村居民点结节性指数评价体系指标需要根据东北地区实际情况来确定，在此基础上根据不同的农村居民点类型提出不同的治理措施，制定符合当地发展的策略，以期为吉林省落实农业农村优先发展、城乡融合发展，创新村庄规划编制提供参考。