基于Voronoi圖與景觀指數法的山區農村居民點空間分布特征及其影響因素

鐘紫玲, 王占岐, 李偉松

(中國地質大學(武漢) 公共管理學院, 武漢 430074)

基于Voronoi圖與景觀指數法的山區農村居民點空間分布特征及其影響因素

鐘紫玲, 王占岐, 李偉松

(中國地質大學(武漢) 公共管理學院, 武漢 430074)

農村居民點用地空間結構反映著人地關系演變趨勢的同時，也影響著區域經濟的發展。研究農村居民點空間分布特征及其影響因素對開展土地整治活動具有重要意義。運用Voronoi圖和生態景觀指數法，以湖北省神農架林區為研究區域，全面分析了山區農村居民點空間分布特征，同時運用數據統計分析方法對農村居民點空間分布影響因素進行了探究。結果表明：山區農村居民點集聚型分布現象明顯，表現出大聚居、小散居的分布特征，整體呈現破碎度低、分布零散、分維數小、斑塊穩定的景觀格局；山區居民點空間分布格局主要影響因素為海拔、坡度、水系、道路交通等，其中受地形和道路交通影響尤其明顯，呈現出較強的地形和道路交通指向。研究對目前新一輪土地整治規劃的科學開展具有引導作用，同時可為政府部門實施農村居民點整理提供決策支持。

農村居民點; 空間分布; 山區; Voronoi圖; 景觀指數

農村居民點是人類社會發展到一定階段的產物，是農村人地關系的核心表現。然而由于缺乏統一規劃，我國農村居民點發展長期處于無序狀態，農村居民點普遍存在著分布零散、集約利用程度低、土地資源浪費、基礎設施不完善等問題。近年來，不少學者對農村居民點存在的這些問題進行了多角度研究。研究主要集中在三個方面：農村居民點整理潛力測算[1-4]、農村居民點空間分布特征與布局優化[5-9]和農村居民點用地適宜性評價[10-11]。從已有的研究成果可以發現，當前大多數學者研究農村居民點空間分布特征時均是從較為宏觀的角度來分析，忽略了相鄰農村居民點間相互作用的微觀力量對其空間布局的影響，而且少有學者綜合運用多種方法分析農村居民點空間分布特征，揭示農村居民點空間分布規律。

基于此，本文選取具有典型地貌的山區地域——湖北省神農架林區作為研究對象，綜合運用Voronoi圖和景觀指數法來揭示農村居民點的空間分布特征、規律及其影響因素，以期為山區農村居民點的整治與優化布局提供參考，為政府部門決策提供一定的科學依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

神農架林區位于湖北省西部邊陲，地跨東經109°56′—110°58′，北緯31°15′—31°75′。屬典型的中緯度北亞熱帶季風區，年降水量900～1 000 mm。地形西南高東北低，平均海拔1 700 m。林區山巒疊嶂，溝壑縱橫，河谷深切，山坡陡峻，地貌復雜多樣。神農架山脈近東西向橫垣于神農架林區西南部，以神農頂最高，高程為3 105.4 m。轄區交通以公路為主，209國道及多條省道貫穿境內。轄區共5鎮3鄉：松柏、木魚、紅坪、陽日鎮，新華、宋洛、九湖、下谷土家族鄉，總人口8.2萬人，土地總面積為3 233 km2，農村居民點圖斑共計4 615個。

1.2 數據來源與處理

本文以農村居民點空間分布特征為研究對象，研究中用到的數據主要來源于：神農架林區1∶10 000土地利用現狀圖(2009年)及1∶50 000地形圖、交通現狀及規劃圖，數字高程模型數據(DEM)和《神農架志》，《神農架林區統計年鑒》以及神農架林區土地利用總體規劃(2006—2020年)等。

研究首先將柵格圖件掃描、幾何校正，進行矢量化，然后將不同的矢量數據類型利用ArcGIS 9.3統一轉為shp格式，進而提取本研究所需的數據信息。主要信息包括面狀農村居民點要素、線狀交通及水系要素、地形高度及坡度數據等。

2 研究方法

2.1 Voronoi圖

運用計算幾何學中Voronoi圖的變異系數(Cv)對農村居民點空間分布類型進行探討分析，Voronoi圖的定義如下[12-15]：

設平面上的一個離散發生點集S={P1，P2，…，Pn}，則任意點Pi的Voronoi圖定義為：

Ti={x:d(xpi)

(1)

式中：d——歐式距離。由定義(1)可知，Ti是一個凸多邊形。Voronoi圖是對平面的一種剖分，在任意一個凸Voronoi多邊形中，任意一個內點到該凸多邊形的發生點Pi的距離都小于該點到其他任何發生點Pj的距離，這些發生點也叫Voronoi圖的質心或發生元。Cv值是Voronoi多邊形面積的標準差與平均值，其計算公式為：

Cv=標準差/平均差×100%

(2)

Cv值可以衡量現象在空間上的相對變化變化程度。當某個點集的空間分布為均勻分布時，其Voronoi多邊形面積的變化性小，Cv值是低的；當為集群分布時，在集群內(“類”內)的Voronoi多邊形面積較小，而在集群間(“類”間)的Voronoi多邊形面積較大，Cv值是高的。但是，應該注意到規則的周期結構也會導致較高的Cv值，周期性重復出現的集群分布也會形成較高的Cv值[16]。

DUYCKAERTS提出了3個建議值：當點集為隨機分布時，Cv值為57%(包含33%～64%)；當點集為集群分布時，Cv值為92%(包括大于64%的值)；當點集為均勻分布時，Cv值為29%(包括小于33%的值)[17]。

農村居民點用地比例(PR)、農村居民點密度(PD)、農村居民點平均面積(PV)的計算公式分別為：

PR=a/A

(3)

PD=n/A

(4)

PV=a/n

(5)

式中：a——農村居民點用地面積(km2)；A——研究區面積(km2)；n——研究區域內農村居民點斑塊數。

該方法以居民點地理位置坐標作為質心來研究居民點分布特征，具有較強的空間尺度效應，其中Cv值是度量點狀目標農村居民點集群度的有效指標。

2.2 景觀指數法

景觀指數是指能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結構組成和空間配置某些方面的簡單定量指標[18-23]。本文在景觀空間格局分析軟件Fragstas 4.1支持下，綜合考慮山區農村居民點自身特點，選取最具代表性的7項生態景觀度量指標(見表1)，采用景觀指數分析法研究農村居民點分布特征。該方法從生態景觀學的角度對農村居民點分布特征進行剖析，可以有效地揭示農村居民點的景觀格局。

3 山區農村居民點分布特征分析

3.1基于Voronoi變異系數的居民點特征分析

通過統計分析，得出農村居民點相關的各項參數值(表2)。由表2可知，神農架林區農村居民點總面積為663.39 hm2，共有1 404個居民點斑塊，用地比例為0.21%，平均用地面積為0.47 hm2，基于Voronoi圖的農村居民點空間分布Cv值為233.44%，遠大于64%，表明林區整體空間分布類型屬集聚型。這與區內氣候及地形有關，由于研究區屬于北亞熱帶季風氣候區，氣候垂直分帶明顯；地貌復雜多樣，多為高山，平均海拔1 700 m，農村居民點多呈集聚型分布。

表2 神農架林區各鄉鎮農村居民點空間分布

參照DUYCKAERTS提出的3個建議值[17]，由神農架林區5鎮3鄉計算得出的值可知，除紅坪鎮與木魚鎮Cv值小于64%，空間分布類型為隨機分布型以外，其余6個鄉鎮的農村居民點空間分布類型均為集聚型。其中林區政府所在地松柏鎮的農村居民點斑塊數最多，有275個，農村居民點平均斑塊面積也最大，為0.65 hm2，密度為1.53，Cv值為202.96%，表現為集聚分布。這主要是由于該鎮是地區政治、經濟、文化的中心，綜合對比神農架林區2009第二次農村土地調查成果以及數字高程模型(DEM)，可發現該鎮地形地勢較平坦，且307省道橫穿轄區，居民點多分布在城鎮周圍或者靠近水源的地方且大多數村莊連片性較好，規模較大。而新華鎮、陽日鎮、宋洛鄉、下谷坪鄉、大九湖鄉五鄉鎮Cv值也均大于64%，分布類型均為集聚型。結合社會經濟數據可知，五鄉鎮經濟發展較慢，人口較少，居民點多分布在主干道旁或者河流兩側，受地形約束較為明顯，居民點規模較小，多在0.4 hm2左右。紅坪鎮農村居民點總面積為54.41 hm2，斑塊個數為225，用地比例為0.07%，農村居民點空間分布Cv值為37.70%，表現為隨機型分布；木魚鎮農村居民點斑塊個數為120，用地比例為0.17%，農村居民點空間分布Cv值為45.97%，同樣表現為隨機分布，原因在于兩鄉鎮地貌類型相似均為河谷型，且高程變化不大，公路分布合理，居民點選址布局相對自由。

總體來看，鄉鎮尺度下的神農架林區農村居民點空間分布類型主要以集聚型分布為主，整體表現出大散居、小聚居的分布特征。借助Voronoi圖的Cv值可以從定量和定性兩方面很好地揭示農村居民點空間分布的集群度，具有較強的空間尺度效應。

3.2 基于景觀生態的農村居民點分布特征分析

運用ArcGIS軟件和景觀分析軟件Fragstas測算神農架5鎮3鄉的景觀生態指標，計算結果如表3所示。由表3可知斑塊密度(PD)指標中，陽日鎮和紅坪鎮較高，新華鄉、下谷坪鄉較低，表明陽日鎮和松柏鎮的農村居民點的景觀破碎度高，而新華鄉、下谷坪鄉農村居民點的景觀破碎度低。景觀破碎度越低，則空間分布形態越穩定越好，新華鄉和下谷坪鄉的農村居民點空間分布形態上處于連片狀態。從最大斑塊指數(LPI)指標來看，宋洛鄉最大，新華鄉、紅坪鎮較小；景觀形態指數(LSI)指標中，陽日鎮和松柏鎮較大，新華鄉最小，分析表明陽日鎮和松柏鎮的農村居民點受人類活動干擾較大，新華鎮的農村居民點受人類活動干擾較小；斑塊分維數(FRAC)指標中，紅坪鎮和九湖鄉的值較接近于1，表明紅坪鎮和九湖鄉的農村居民點形狀較規則；平均形狀指數(SHAPE)指標中，松柏鎮最大，木魚鎮最小，表面松柏鎮的農村居民點大部分都呈不規則狀，而木魚鎮的農村居民點大都呈規則狀，這與木魚鎮作為神農架風景旅游區的旅游接待中心鎮相關。

表3 神農架林區各鄉鎮農村居民點景觀指數分布

神農架林區農村居民點景觀指數結果從景觀學的角度表明：除了松柏鎮、陽日鎮以外，其他鄉鎮的景觀破碎度都較低，表明神農架林區農村居民點空間形態穩定，自然景觀保護較好，受人類干擾較少；居民點的形狀除了旅游集鎮——木魚鎮、紅坪鎮以外，其他鄉鎮形狀大都不規則，反映了農村居民居住習慣的差異。

4 山區農村居民點空間分布影響因素

根據上述鄉鎮尺度下的山區農村居民點特征分析，可知山區居民點空間分布特征影響因素主要包括自然環境因素和社會經濟因素。自然環境因素是農村居民點形成和發展的基礎，自然環境因素決定的地形地貌條件是影響居民點空間布局的重要因素。社會經濟因素則是農村居民點后期擴張的重要驅動力。結合山區農村居民點自身特點，考慮到數據采集的可行性和定量數據的可操作性，選取海拔、坡度、距河流距離三方面對自然環境因素進行反映，社會經濟因素則選取距城鎮距離、距道路距離兩方面加以刻畫。

為定量分析研究影響居民點空間分布特征的自然環境因素和社會經濟因素，選取以下7項景觀指數：斑塊總面積(CA)、斑塊所占景觀比例(PLAND)、斑塊個數(NP)、景觀形態指數(LSI)、斑塊密度(PD)、距離指數(E)、分散度(RC)。利用景觀分析軟件Fragstas按分類級別計算各項景觀指數值，計算結果如表4所示。

4.1 自然環境因素分析

(1) 居民點空間分布與海拔的關系。隨著海拔的增加，居民點的各項景觀指數呈逐漸遞增或遞減的變化趨勢，并在平均海拔高度附近范圍內達到極大值或極小值。當海拔為1 000～1 500 m時，斑塊總面積CA，PLAND，NP，LSI，PD最大，該區域農村居民點分布的總量最大，形狀最復雜。海拔處于小于1 000 m和1 000～1 500 m兩個范圍時，居民點分散度RC均小于0.1，表明居民點集聚度較高。距離指數E隨著海拔的增加逐漸增大，農村居民點的分散度逐漸加大，海拔越高，居民點空間布局表現越零亂。上述分析表明在海拔較高的地區，居民點較少有分布。而在海拔相對較低的地區，居民點空間分布相對密集。這主要是因為較低的海拔有利于基礎設施的建設和農作物的生長，更適合居民點的聚居。

(2) 居民點空間分布與坡度的關系。隨著坡度的增加，居民點景觀指數CA，NP，PLAND值逐漸減小，而PD，LSI，E，RC呈現先增大后減小的總體趨勢。78.82%的農村居民點分布在0～5°相對平緩的區域，當坡度超過25°時，已經基本上不適合人類居住，較少有居民點分布在該區域。當坡度為5°～15°時，景觀形態指數LSI值和距離指數最大，RC值較大，表明居民點斑塊形狀復雜，空間分布零散，集聚程度低。上述分析表明坡度的變化是影響農村居民點布局的重要因素，坡度越小，工程建設成本越低，更容易進行基礎設施的建設，因此居民點易集聚分布。

(3) 居民點空間分布與河流的關系。隨著居民點與河流距離的增加，居民點的數量明顯下降，景觀指數CA，PLAND，NP，LSI，PD值逐漸降低，E和RC值逐漸升高。在距離河流300 m的范圍內，居民點斑塊密度最大，分散度最小，居民點集約利用程度高。表明這個距離是山區農村居民點聚居的最佳位置。當居民點距河流300～600 m和大于600 m時，居民點距離指數相等，說明在這兩個區域范圍內居民點斑塊面積平均大小接近。上述分析表明神農架林區農村居民點分布顯示出強烈的河流指向，距離水源越近，生產生活用水越方便，越適宜于居民點分布。

表4 神農架林區農村居民點影響因子景觀指數分析

4.2 社會經濟因素分析

(1) 居民點空間分布與城鎮距離的關系。隨著居民點與城鎮距離的增加，居民點分布的數量越來越多，景觀指數CA、PLAND、NP、LSI、PD、E值也逐漸升高，RC值逐漸降低。當農村居民點處于距離城鎮5 000 m以上的范圍時，距離指數E值最大，而分散度RC值最小。表明在該區域農村居民點總體呈離散分布，局部呈集聚狀。上述分析表明，農村居民點的數量與距城鎮距離呈“負相關”的關系。與城鎮距離越遠，農村居民點反而越多。這主要是由于神農架林區整體城鎮化程度很低，除了林區政府所在地松柏鎮和旅游中心集散地木魚鎮的城鎮用地規模較大，其他鄉鎮的城鎮用地規模都很非常小，導致大部分農村居民點距離城鎮較遠。

(2) 居民點空間分布與道路交通的關系。隨著居民點與道路距離的增加，居民點分布越來越少，所有選取的景觀指數都隨之減小。距離道路越近，居民點斑塊總面積越大，數量越多，斑塊所占景觀面積越高，當居民點距離道路100 m范圍內，各項景觀指數達到極值。在距離道路只有100 m的范圍內，景觀指數分散度值只有0.03，居民點沿著道路集聚分布狀態明顯。上述分析表明山區農村居民點分布的道路指向性明顯，居民點離道路距離越近，居民點集聚程度越高。這主要是由于研究區屬高山區，道路兩側較為平坦，這有利于農村居民點的選址建設，同時靠近公路定居也有利于人們的交通出行。

5 結論與討論

本文從山區農村居民點自身的特點出發，運用Voronoi圖與景觀指數法相結合的分析方法，從鄉鎮尺度上多角度揭示區域農村居民點空間布局特征，為典型高山地貌類型區域進行居民點科學合理的空間布局規劃提供參考。

(1) 借助Voronoi圖的Cv值可以從定量和定性兩方面確定農村居民點的集群程度，景觀指數法則可以從生態學的角度描述農村居民點的景觀格局特征。基于兩者相結合的分析方法能夠綜合考慮相鄰農村居民點間相互作用的微觀力量對居民點空間布局的影響，很好地刻畫山區農村居民點分布特征，揭示山區農村居民點分布規律。

(2) 自然環境因素中的海拔、坡度、距河流距離等因子和社會經濟因素中的道路交通、城鎮輻射距離等因子是山區農村居民點空間分布格局的主要影響因素。其中地形和道路交通因素對山區居民點分布影響顯著，居民點分布呈現出較強的地形和道路交通指向。

(3) 農村居民點影響因子眾多，限于數據獲取的難度，本文在選取影響因子時存在一定的主觀性，僅考慮了自然環境因素和社會經濟因素中的主要影響因子。在實際應用中，應同時考慮農村人口、人均純收入、居住習慣、地方政策等因子對農村居民點空間布局的影響，這在今后的研究中有待不斷完善。

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SpatialDistributionCharacteristicsandAffectingFactorsofRuralResidentialLandintheMountainousAreaBasedonVoronoiandLandscapeIndices

ZHONG Zi-ling, WANG Zhan-qi, LI Wei-song

(SchoolofPublicAdministration,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

Rural residential land spatial structure not only reflects the evolution trend of relationship between human and land, but also affects the regional economic development. Taking the typical mountainous landform Shennongjia district as the study area, Voronoi diagram and ecological landscape index were applied in this paper. The result revealed that the rural settlement distribution pattern presented agglomerative type in general and the spatial landscape pattern showed low fragmentation, scattered distribution and stable plaque. The main influence factors are the terrain, the river distribution, transportation. What′s more, the spatial layout of rural residential land is particularly affected by terrain and transportation. It offers theoretical support in renovation of the village residential area.

rural settlement; spatial distribution; mountainous area; voronoi diagram; landscape indices

2013-07-24

：2013-08-07

國家自然科學基金委員會科學部主任基金項目(41140014);國家科技支撐計劃項目(2012BAB11B04)

鐘紫玲(1991—),女,湖北云夢人,碩士生,主要研究方向為土地利用規劃與土地信息系統。E-mail:cuglws@126.com

王占岐(1965—),男,陜西岐山人,教授,博導,主要從事土地經濟與土地利用的教學和研究。E-mail:zhqwang@cug.edu.cn

F301.23

：A

：1005-3409(2014)02-0211-06