基于ArcGIS距離制圖和空間數據層次組織的統籌城鄉居民點布局研究——以陜西志丹縣旦八鎮為例

吳金華，李紀偉，馮艷斌，王 淼

（長安大學地球科學與資源學院，陜西西安710054）

1 引言

在國家統籌城鄉發展戰略、第三輪土地利用規劃修編和城鄉建設用地增減掛鉤的背景下提出統籌城鄉居民點布局研究，對于統籌城鄉一體化發展、合理利用土地資源和科學編制土地利用規劃等都具有現實意義。城鄉居民點布局規劃主要包括國土資源管理部門主導的土地利用規劃和城鄉規劃管理部門主導的城鎮村體系規劃等。

土地利用規劃方面，經過多年的理論研究和實踐探索，立足中國基本國情和借鑒國外成功經驗，逐步形成了以用地指標管理和用途空間管制為基礎的管理體系。在分區方法方面，宏觀方法較為常見和成熟，有聚類法、疊置法和星座法等[1]，其中聚類法得到了廣泛應用。相比而言，鮮見縣鄉（鎮）級特別是鄉（鎮）級微觀方法的研究，現實規劃中土地利用用途區大多以定性為主，具有很大的隨意性，分區方案是否科學合理、是否有利生產和方便生活無從評價。

城鎮體系規劃方面，顧朝林結合中國實際提出了“三個結構一個網絡”的城鎮體系規劃理論[2]，已成為中國城鎮體系規劃的框架性內容。在定量研究方面，分形理論在城鎮體系等級結構和空間結構等方面應用取得一些成果[3-5]，適合于刻畫和評價城鎮的空間形態與過程，但分形性質只是檢驗城鎮體系是否合理的必要不充分條件，不能直接用于城鎮體系優化。而村鎮體系規劃起步較晚，理論方法體系正在逐步完善[6]，定量研究上大多從耕作距離、搬遷成本和綜合評價等方面展開，缺點是缺乏從居民點空間關系統籌考慮。

本文以統籌城鄉居民點布局和節約集約用地為導向，采用ArcGIS距離制圖和空間數據層次組織等方法，通過居民點撤留判斷和空間等級體系建立，嘗試構建一種基于成本效益和空間關系的城鄉居民點布局優化方法。

2 研究方法

2.1 理論基礎

2.1.1 距離制圖原理 距離制圖（Distance Mapping）即根據每一柵格相距其最鄰近要素（源）的距離來進行分析制圖，從而反映出每一柵格與其最鄰近源的相互關系。通過距離制圖可以獲得很多相關信息，指導人們進行資源的合理規劃和利用[7]。在ArcGIS中，距離制圖分析主要通過距離制圖函數完成，包括直線距離函數（Straight Line）、分配函數（Allocation）、成本距離加權函數（CostWeighted）和最短路徑函數（Shortest Path）4部分，可以很好地實現常用距離制圖分析。其中，直線距離函數測量每一柵格單元到最近源的直線距離；成本距離加權函數采用函數因子（單元成本）修正直線距離，可計算出每個柵格距離成本最低源的最少累計成本，這里的成本可以是時間、摩擦和消耗等，該函數考慮了事物的復雜性，對于基于復雜地理特性的分析非常有用，如其在最小累計阻力模型（MCR）中常用來進行景觀生態安全格局規劃[8-9]。本文采用距離制圖得到農村居民點理論耕作范圍（成本分配）和平均耕作成本距離。

2.1.2 Voronoi圖理論與空間數據層次組織 一組空間對象（發生元）的Voronoi區域組成的集合稱為Voronoi圖，Voronoi圖的應用原理是：一個Voronoi圖內某個Voronoi多邊形內的任意一點到該多邊形發生元的距離都小于其到其他Voronoi多邊形發生元的距離[10]。Voronoi圖有普通Voronoi圖和加權Voronoi圖等多種類型，其中加權Voronoi圖是考慮了發生元“影響能力”生成的Voronoi圖。Voronoi圖的空間格局是由發生元分布決定的，如果發生元按照克里斯泰勒中心地理論的三角形中心地分布和六邊形市場區分布，則得到的Voronoi圖的空間格局亦為正六邊形格局。由于Voronoi圖具有勢力范圍、側向鄰近、局部動態性等多項實用特性，以及較為完善的理論體系，在區域分析和規劃、地理信息系統等領域得到了廣泛應用。

王新生等借鑒Okabe和Sadahiro提出的一種利用Voronoi圖有層次地組織空間數據的方法[11]，提出用Voronoi圖確定城市空間影響范圍，并利用Voronoi多邊形鄰居關系的性質確定城市體系中不同等級城市之間的空間組織關系。該方法的基本原理是，存在一具有數量屬性值的空間點集，首先找到空間點集中第一級局部中心（最低級中心），局部中心定義為那些屬性值大于或等于其Voronoi多邊形鄰居屬性值的那些空間點。同樣，用第一級局部中心Voronoi圖定義第二級局部中心，用第k級局部中心Voronoi圖定義第（k+1）級局部中心，重復進行這個過程，直至僅剩一個點為止。最后，空間點集的等級層次關系可以用一個有向圖來闡述，在這個有向圖中，第（k+1）級局部中心包含第k級局部中心[10]。采用該方法進行空間數據層次組織，不僅考慮了空間點的“影響能力和范圍”，而且考慮了空間點的空間相鄰關系，符合中心地系統模型的空間等級特性，具有較強的應用價值。本研究城鄉居民點空間等級體系構建借鑒了這種方法。

2.2 研究方法

本文以志丹縣旦八鎮為例進行城鄉居民點布局優化研究，主要步驟見圖1。（1）居民點撤留初步判斷：筆者認為農村居民點服務周圍農地（為方便研究將耕地和園地統稱為農地）的平均耕作成本距離越小越好，以減少耕作成本，農民人均農地面積越大越好以獲得規模效益。利用ArcGIS成本距離函數和Zonal Statistics工具得到居民點平均耕作成本距離和人均農地面積，以此為依據進行居民點撤留初步判斷。（2）居民點空間等級體系構建：依據測算的居民點發展能力指數，根據空間數據層次組織方法，在ArcGISModel Builder中結合Spatial Join、Dissolve、Join和Field Calculator等工具實現該過程（圖2），最終構建居民點空間等級體系。（3）統籌城鄉居民點布局：結合居民點撤留初步判斷和空間等級體系，根據中心地理論和交通連通性等進行居民點布局優化。

3 實例研究

3.1 研究區概況

圖1 統籌城鄉居民點布局方法Fig.1 The layout method of urban-rural settlements

圖2 ArcGISModel Builder構建居民點空間等級體系Fig.2 The spatial hierarchical system of settlements based on ArcGIS Model Builder

圖3 城鄉居民點撤留初步判斷Fig.3 The initial decision on relocation urban-rural settlements

旦八鎮位于陜西省志丹縣洛河沿岸，鎮域總面積319.31 km2，屬陜北黃土高原丘陵溝壑區，地勢可分為“四嶺三川兩條溝”，北暖溫帶半干旱大陸性季風氣候。2009年全鎮轄18個村委會，100個農村居民點，總人口1.10萬人，人口密度34.39人/km2，非農化率10.64%。全鎮農用地31085.8 hm2、建設用地440.5 hm2，分別占土地總面積的97.35%和1.38%；農用地中，耕地、園地分別為4362.3 hm2、94.8 hm2，分別占農用地面積的14.03%、0.31%；建設用地中，城鄉建設用地377.4 hm2，占建設用地總規模的85.67%。

3.2 城鄉居民點撤留初步判斷

采用ArcGIS成本距離函數以成本柵格數據和居民點布局數據生成各居民點成本距離數據和分配數據（圖3（a）），成本距離根據烏爾曼（E.L.Ullman）空間相互作用理論由中心地環境條件和輻射能力構成[12]，其中，環境條件由坡度數據和交通數據疊加構成，輻射能力由居民點人口規模加權Voronoi圖構成，數據標準化采用極值法（式1）、因素確權采用變異系數法（式2），再利用Zonal Statistics工具求取居民點平均耕作成本距離和人均農地面積。

式 1中，y為標準化數值，x為原始數值，i=1，2，3，4。

圖4 居民點空間等級體系構建Fig.4 The spatial hierarchical system of settlements

式2中，W為評價因子權重；V為評價因子變異系數；S為評價因子標準差為評價因子均值；i=1，2，3，4。

居民點撤留判斷標準為：居民點平均耕作成本距離越小、人均農地面積越大則應作為保留發展型，平均耕作成本距離越大、人均農地面積越小則應作為撤銷搬遷型，而平均耕作成本距離和人均農地面積同小或同大則應作為控制發展型。這里將居民點平均耕作成本距離和人均農地面積的均值作為大小判定標準，結果如圖3（b）所示，共有保留發展型13個、撤銷發展型14個和控制發展型73個。

根據居民點發展類型及其特點，制定差別化政策，進行居民點布局調整：（1）保留發展型：一般地形較好、交通便利、生產和生活方便，具有以一定聚集效應和發展潛力，擬作為發展對象，逐步完善基礎設施，滿足科學發展用地需求。（2）控制發展型：一般在地形、交通、生產和生活等方面有所限制，聚集效應和發展潛力有限，短期內不宜遷并，擬作為控制對象，逐步優化用地布局，促進建設用地和農地規模聚集，用地以內涵挖潛為主，原則上不提供新增建設用地指標。（3）撤銷遷并型：一般在地形、交通、生產和生活等方面有較大限制，不具有發展潛力，短期內應遷并，擬作為撤銷對象，是土地整理和增減掛鉤的重點。

統籌城鄉居民點布局是一個復雜問題，最終如何調整要從統籌區域角度加以考慮，應參考區域居民點空間等級體系的構建結果。

3.3 城鄉居民點空間等級體系構建

以旦八鎮居民點人口規模、居民點用地規模、平均耕作成本距離和人均農地面積4項因素綜合加權構建居民點發展能力指數，其中數據標準化采用極值法（式1）、因素確權采用變異系數法（式2）。按照圖2采用ArcGIS Model Builder構造模型，以居民點發展能力指數為依據做空間分析，經過6次循環（圖4），構建了旦八鎮7層居民點空間等級體系。根據中心地理論，高級中心地不僅有低級中心地所具有的職能，而且具有低級中心地所沒有的高級職能，按照各居民點在體系中所處的最高層次確定其級別，可以得到1級居民點1個、2級1個、3級1個、4級3個、5級7個、6級18個、7級69個（圖5（a））。

3.4 統籌城鄉居民點布局方案

本文擬定鎮域“鎮中心—中心村—基層村”三層城鄉居民點布局結構，結合旦八鎮居民點撤留判斷和空間等級體系成果，按照以下原則構建：（1）旦八鎮鎮中心為全鎮的政治、經濟、文化、教育、商業和交通中心，負擔輻射帶動全鎮、提供高級公共產品和服務的功能，是重點支持和建設的對象，應提供政策、財政、土地等全方位要素支持。（2）根據中心地理論和管理幅度理論，中心村選擇數量不宜過多，按照發展能力較強、交通條件便利、輻射范圍較大和鎮域統籌分布的原則，主要在5級及其以上居民點中選擇；中心村的輻射范圍應綜合考慮交通連貫性，即中心村輻射的基層村所處的地形應相近，依靠的主要交通線應相同，同時要參考居民點空間等級體系的構建過程。中心村是鎮片區中心，承擔鎮中心為周圍基層村提供一般性公共服務的部分職能，同時也具有農業生產功能，應作為適度發展對象，以提高農民公共產品和服務享有水平為重點，保障其科學發展用地。（3）基層村為中心村以外的農村居民點，本身公共服務功能較弱，需要依靠中心村和鎮中心的公共服務才能維持正常地生產和生活需要，主要承擔農業生產功能。根據居民點撤留初步判斷，大部分為控制發展型，撤銷遷并型也基本包含在內，因此，基層村應作為控制發展對象，優化其用地布局，促進規模聚集效益，用地需求也應以內部挖潛為主。

圖5 旦八鎮城鄉居民點布局Fig.5 Layout of urban-rural settlement in Danba town

按照以上原則進行旦八鎮城鄉居民點布局效果見圖5（b），選取了中心村9個，基層村78個，撤消13個居民點。《志丹縣縣域村莊布局規劃（2006—2025年）》中，確定了19個中心村，13個撤銷遷并村，本研究確定的9個中心村有5個包含在其中，13個撤銷遷并村中有8個包含在其中，兩者具有較好的兼容性。且相比之下，原方案確定了過多的中心村，一方面不易管理，另一方面難以產生規模聚集效益，不利于統籌城鄉一體化實現，也不利于土地利用效益的提高。因此，優化后的城鄉居民點布局相對科學，應結合居民點發展類型及差別化發展政策，統籌城鄉用地布局，獲得規模聚集效益，提高公共產品和服務共享水平，有利生產、方便生活，逐步實現城鄉統籌一體化，促進土地資源合理利用。

4 研究結論

（1）以旦八鎮為例采用ArcGIS距離制圖和空間數據層次組織的方法進行統籌城鄉居民點布局研究，撤銷了13個居民點，形成了以鎮中心為區域中心，由9個中心村和78個基層村構成的城鄉居民點布局方案，同現有布局規劃具有較好的兼容性，同時兼顧了成本效益、空間關系和管理幅度等重要因素，更有利于統籌城鄉一體化的實現和土地資源的合理利用。

（2）研究在居民點撤留初步判斷中，運用了ArcGIS成本距離加權函數實現居民點平均耕作成本距離測算；在居民點空間等級體系構建中，運用了ArcGIS的Model Builder和Spatial Join等工具實現了空間數據層次組織，考慮了局部空間相關，比以往方法更加精確實用。

（3）根據烏爾曼提出的空間相互作用基于互補性、可轉移性和介入機會3個前提條件的理論，構建了由中心地環境條件（可轉移性）和輻射能力（介入機會）組成的成本柵格數據，其中，中心地環境條件由自然地形條件和交通設施條件構成，輻射能力由加權Voronoi圖構成。與以往區位理論關于“均質平原”的假設不同，本研究成本柵格是非均質的。

（References）：

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