基于改進MCR模型的山區(qū)農(nóng)村居民點空間增長模擬研究

盧德彬,毛婉柳,禹 真,白 彬

(1.銅仁學院 經(jīng)濟與管理學院,貴州 銅仁 554300; 2.華東師范大學 地理科學學院,上海 200241)

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基于改進MCR模型的山區(qū)農(nóng)村居民點空間增長模擬研究

盧德彬1,2,毛婉柳2,禹 真1,白 彬1

(1.銅仁學院 經(jīng)濟與管理學院,貴州 銅仁 554300; 2.華東師范大學 地理科學學院,上海 200241)

對農(nóng)村居民點空間增長進行模擬是了解其增長規(guī)律的重要方法。以貴州省銅仁市環(huán)梵凈山旅游經(jīng)濟區(qū)為例，運用GIS的空間分析功能，計算了農(nóng)村居民點的綜合影響力，并將農(nóng)村居民點劃分為不同的增長類型，賦予相對的增長因子值K，最后應用改進的MCR模型對農(nóng)村居民點的空間增長進行了模擬。結(jié)果表明：考慮生態(tài)障礙約束和農(nóng)村居民點增長能力差別，能夠較好模擬農(nóng)村居民點的空間增長方向和范圍。在土地開發(fā)適宜性限制下，適宜程度越高越適宜農(nóng)村居民點增長。在0.5%，1%，2%和3%增長比例下，該區(qū)域分別提供了0.021，0.042，0.084，0.126 km2的建設用地，其中增長面積較大的農(nóng)村居民點主要集中在城鎮(zhèn)周邊和河谷。受生態(tài)障礙的約束，農(nóng)村居民點遇見生態(tài)障礙沒有實現(xiàn)增長，模擬結(jié)果體現(xiàn)生態(tài)政策調(diào)控方向，有利于保護生態(tài)環(huán)境，但是模型在模擬空間擴展比較有效，在時間增長上的模擬需要結(jié)合其他模型。

農(nóng)村居民點; 改進MCR模型; 土地適宜性; 生態(tài)障礙; 梵凈山

山區(qū)地形復雜、氣候多變，形成的山地生態(tài)系統(tǒng)具有豐富的生物多樣性，是人類食物、水、能量來源的重要場所[1]。在我國西南山區(qū)，山地生態(tài)系統(tǒng)脆弱，易受人類社會經(jīng)濟活動的干擾和破壞，特別是隨著經(jīng)濟發(fā)展水平的提高和城鎮(zhèn)化速度的加快，山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)遭受人類活動的干擾加劇，最重要的體現(xiàn)就是土地覆被的變化。相對于城鎮(zhèn)的研究，人們長期對農(nóng)村居民點的重視不夠，導致了農(nóng)村居民點的研究滯后于城鎮(zhèn)的研究[2]。由于對農(nóng)村居民點研究的不足，在理論上缺乏對其發(fā)展的指導，使得農(nóng)村居民點在很長一段時間處于混亂、無序的發(fā)展狀態(tài)[3]，大量的土地資源被低效利用，得不到合理的配置。因此，從數(shù)量上嚴格控制、在空間分布上合理調(diào)整的農(nóng)村居民點的空間布局將是保護耕地面積、緩解用地矛盾、改善農(nóng)村生活生產(chǎn)條件、保護山地生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性和生態(tài)環(huán)境的有效途徑。

目前，關(guān)于農(nóng)村居民點的研究主要集中在時空變化、驅(qū)動力、尺度特征、選址和布局適宜性等方面[4-9]。也有部分學者從景觀生態(tài)學的角度，采用最小生態(tài)累積阻力值(MCR)模型，評價農(nóng)村居民點的景觀生態(tài)安全格局，對農(nóng)村居民點布局進行優(yōu)化[10]，而關(guān)于農(nóng)村居民點增長模擬研究較為少見，僅有部分學者運用CA-Markov模型、SLEUTH模型和多智能體等方法[11-13]，采用中、小比例尺數(shù)據(jù)對農(nóng)村居民點增長進行模擬，由于數(shù)據(jù)比例尺較小，很難在操作層面實施，而且，在進行農(nóng)村居民點增長模擬時忽略了農(nóng)村居民點增長能力的差異和生態(tài)障礙對增長的約束。在農(nóng)村居民點增長過程中，盡管同為農(nóng)村居民點，但由于自然條件和區(qū)位的差異，不同類型的農(nóng)村居民點其增長能力明顯不同[14]，在研究的時候，需要進行考慮。另外，在增長過程中，會遇到依據(jù)國家或地區(qū)政策法規(guī)確定的絕對保護區(qū)域，如自然保護區(qū)、森林公園等，這些保護區(qū)域構(gòu)成農(nóng)村居民點增長的剛性約束，這些都將對農(nóng)村居民點增長的模擬結(jié)果產(chǎn)生重要的影響。因此，要進一步指導農(nóng)村居民點的發(fā)展，需要更精細的定量研究。經(jīng)過全國第一次和第二次土地調(diào)查，我國大部分地區(qū)已獲得1∶10 000比例尺為主的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)已成為土地利用規(guī)劃和資源管理的基礎數(shù)據(jù)，為進行中小尺度和大比例尺研究提供了數(shù)據(jù)保障。本文以貴州省銅仁市環(huán)梵凈山旅游經(jīng)濟區(qū)為研究區(qū)域，包括江口縣、印江縣和松桃縣3個行政縣，基于ArcGIS軟件平臺和銅仁市2009年第二次全國土地利用調(diào)查現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)比例尺為1∶10 000，運用改進型的MCR模型對該地區(qū)農(nóng)村居民點增長進行模擬，以期為該區(qū)域農(nóng)村居民點發(fā)展科學決策提供理論支撐。

1　研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1研究區(qū)概況

環(huán)梵凈山旅游經(jīng)濟區(qū)包括印江土家族苗族自治縣、松桃苗族自治縣和江口縣3個縣，位于貴州省銅仁市，東臨湖南省，北接重慶市，西臨遵義市，南與碧江區(qū)接壤，距省會貴陽市244.48 km，地理位置為東經(jīng)108°18′0″—109°23′34″，北緯27°28′21″—28°30′10″。地貌以中低山山原峽谷和低山丘陵為主，高差為283～2 558 m，地勢中間高四周低，地形復雜，區(qū)域?qū)僦衼啛釒嘏瘽駶櫦撅L氣候，氣候宜人。水資源比較豐富，以梵凈山為分水嶺分為烏江水系和沅江水系，有烏江和錦江兩大河流。森林資源和生物資源富集，生態(tài)環(huán)境良好，主要自然植被為常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、暖性針葉林、針闊葉混交林、竹林、灌叢和灌草叢等類型，森林覆蓋率較高。核心區(qū)武陵主峰梵凈山為國家級自然保護區(qū)。農(nóng)村居民點總數(shù)為23 046個，面積14 342.78 hm2，其中印江縣7 753個居民點，面積5 395.34 hm2；松桃縣11 199個居民點，共6 724.16 hm2；江口縣4 094個居民點，2 223.28 hm2，農(nóng)村居民點多沿交通干線和河流分布于山間河谷地帶，分布散亂。近年來，隨著旅游業(yè)的發(fā)展，農(nóng)村居民點無序擴展現(xiàn)象比較嚴重，特別是梵凈山國家自然保護區(qū)周邊區(qū)域，對保護區(qū)生態(tài)環(huán)境保護帶來一定壓力。

1.2數(shù)據(jù)來源

本文研究數(shù)據(jù)來自銅仁市國土局2009年度江口縣、印江縣和松桃縣全國第二次土地利用調(diào)查成果庫，比例尺為1∶10 000，經(jīng)過GIS軟件從數(shù)據(jù)庫中提取，并轉(zhuǎn)換為.SHP矢量文件，將數(shù)據(jù)進行空間拼接后采用高斯克呂格3°分帶投影方式，坐標系為Xian 80坐標系。DEM和Landsat遙感影像數(shù)據(jù)從地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)獲取。NDVI由Landsat影像計算獲得。

2　研究方法

2.1農(nóng)村居民點等級評價方法

參考相關(guān)研究[15-17]，結(jié)合環(huán)梵凈山旅游經(jīng)濟區(qū)的實際特點，本文選取坡度、高程、現(xiàn)狀規(guī)模、距建制鎮(zhèn)距離、距水域距離和道路通達度作為影響因子，通過以下模型計算農(nóng)村居民點影響力，依據(jù)自然斷點法將農(nóng)村居民點劃為不同的增長類型。

(1)

式中：Si是指標i的分值；Mi是指標i的權(quán)重；Cj是居民點j的影響力大小。

2.2農(nóng)村居民點增長模擬模型

(2)

式中：MCR和MCR′都表示最小累計阻力面值；f為一個未知的負函數(shù)，表示最小累積阻力與生態(tài)適宜性的負相關(guān)關(guān)系；Dij為從源j到空間某一點所穿越的某景觀基面i的空間距離；Ri是景觀i對該源點運動的阻力系數(shù)。盡管f是一個未知的函數(shù)，但是DijRi的累加值可以視為源點克服基面特性差異，到空間某一點的某一路徑的相對易達性衡量指標。Kj表示源所屬的等級的相對阻力因子，農(nóng)村居民點影響力越大，增長能力越強，其相對阻力因子就越小。源的選取和阻力面體系的構(gòu)建是MCR′模型建立的關(guān)鍵，本研究選擇農(nóng)村居民點作為源，土地開發(fā)適宜性作為阻力值確定的依據(jù)。

3　結(jié)果與分析

3.1源的分級

本文參考相關(guān)文獻[3,15]和研究區(qū)域的實際情況，確定坡度、高程、現(xiàn)狀規(guī)模、距建制鎮(zhèn)距離、距水域距離和道路距離的權(quán)重分別為0.2，0.1，0.2，0.1，0.2，0.2。運用ArcGIS軟件的距離計算和統(tǒng)計分析工具，獲取了各農(nóng)村居民點的指標值，并采用極差方法對指標值進行標準化，根據(jù)公式(1)，計算得到環(huán)梵凈山旅游經(jīng)濟區(qū)農(nóng)村居民點的綜合影響力，本文將農(nóng)村居民點擴展能力劃分三級擴展源，利用自然斷點法，將得分為4.055 6～5.357 7的劃定為中心農(nóng)村居民居民點，得分3.449 8～4.055 5的劃定為二級擴展源，得分1.995 7～3.449 7的劃定為三級擴展源，級別越高擴展能力越強，源等級空間分布如圖1所示。

從圖1可以看出，環(huán)梵凈山地區(qū)一級農(nóng)村居民點主要分布在河谷地區(qū)，二級主要分布在比一級農(nóng)村居民點離水域和道路稍遠的，坡度相對平緩的山丘山，三級主要分布在偏僻的高山地區(qū)。農(nóng)村居民點分布受地形和水源影響較大。各個等級相對阻力因子K，一級擴展源賦值為0.5，二級擴展源賦值為0.7，三級擴展源賦值為0.9，相對阻力因子依次增大表明農(nóng)村居民點的增長能力逐漸減弱。

3.2土地開發(fā)適宜性評價

土地開發(fā)適宜性反映了特定區(qū)域?qū)r(nóng)村居民點增長的適宜程度[19]。一般評價土地開發(fā)適宜性是基于指標選擇后，確定權(quán)重，加權(quán)疊加，最終得出不同程度的土地開發(fā)適宜分布柵格圖。實際上，對于特殊區(qū)域，例如自然保護區(qū)、水域和地質(zhì)災害區(qū)，在分析之前，就已經(jīng)確定不適合用于建設用地的開發(fā)建設，此類區(qū)域一旦劃定，則對農(nóng)村居民點的增長構(gòu)成了剛性的約束。因此，本文在評價土地開發(fā)適宜性時，將此類區(qū)域單獨提取評價。在環(huán)梵凈山旅游經(jīng)濟區(qū)，將梵凈山國家自然保護區(qū)和對水域進行緩沖15 m作為農(nóng)村居民點增長的生態(tài)障礙，此區(qū)域禁止農(nóng)村居民點開發(fā)建設。

圖1　源等級空間分布

在確定生態(tài)障礙基礎上，本文參照相關(guān)文獻[10,14,20-21]和結(jié)合研究區(qū)域的實際情況選取了高程、坡度、植被覆蓋度(NDVI)、土地利用、距水源距離、距公路距離和距城鎮(zhèn)距離7個指標，綜合考慮了自然和社會經(jīng)濟屬性，構(gòu)建評價環(huán)梵凈山區(qū)域農(nóng)村居民點土地開發(fā)建設的適宜性指標體系。每個指標采取5級分類進行標準化處理，分別用1，3，5，7，9表示，一般情況下，地形坡度越陡峻，植被覆蓋度越高，生態(tài)敏感性越強，生態(tài)重要性越高，越不適宜農(nóng)村居民點建設，而距離水源、公路和城鎮(zhèn)越近越適合農(nóng)村居民點建設。除此之外，不同土地利用類型適宜程度也不相同，具體見表1。

在ArcGIS軟件中，利用柵格計算器，將各指標進行疊加，得到環(huán)梵凈山旅游經(jīng)濟區(qū)土地開發(fā)適宜分析結(jié)果。最后，將上述土地開發(fā)適宜分析結(jié)果和生態(tài)障礙相結(jié)合，得到環(huán)梵凈山旅游經(jīng)濟區(qū)土地開發(fā)適宜性綜合評價結(jié)果，見圖2。從圖2可以看出，環(huán)梵凈山自然保護區(qū)，土地開發(fā)適宜性程度較高的主要分布在道路兩旁和地形較平坦，海拔較低的河谷，說明了地形、水源和道路通達性對環(huán)梵凈山農(nóng)村居民點分布有重要影響。

3.3農(nóng)村居民點增長模擬

農(nóng)村居民點增長模擬，采用公式(2)進行模擬。首先，利用ArcGIS空間分析中的Cost Distance模塊分別計算出不同增長源的最小累積阻力值面，并借鑒生態(tài)學的最小限制因子定律，采取極值方法疊加不同增長源的最小累積阻力值面，最終建立農(nóng)村居民點增長最小累積阻力值面，見圖3。

圖2　環(huán)梵凈山旅游經(jīng)濟區(qū)土地適宜性綜合評價結(jié)果

從圖4可以看出，農(nóng)村居民點增長首先占用原有建成區(qū)的臨近空間，其所受的最小累積阻力值較小，隨著農(nóng)村居民點增長強度和面積的增大，向外圍空間擴散，最小累積阻力值呈現(xiàn)不斷增大變化的趨勢，并在很大程度上受基面異質(zhì)性的影響，遇地形或生態(tài)要素阻礙時，阻力迅速增加，遇生態(tài)障礙時，阻力發(fā)生突變。環(huán)梵凈山地形復雜，生態(tài)脆弱性較高，土地開發(fā)利用強度不宜過高，對比參考其他區(qū)域和本地的實際情況，本文假設近期農(nóng)村居民點增長量在原先面積的基礎上，不超過區(qū)域總面積的3%，并選取不同增長強度，分別為0.5%，1%，2%和3%不同增長比例進行定量模擬，見圖4，反映了不同增長強度下農(nóng)村居民點增長用地邊界與空間形態(tài)。

表1　土地開發(fā)適宜性評價指標體系

圖3農(nóng)村居民點增長最小累積阻力值面

圖4不同增長比例下農(nóng)村居民點增長模擬

在土地開發(fā)適宜性限制下，適宜程度越高越適宜農(nóng)村居民點增長。在0.5%，1%，2%和3%增長情況下，分別提供了0.021，0.042，0.084，0.126 km2的建設用地，增長面積較大的農(nóng)村居民點主要集中在城鎮(zhèn)周邊和河谷。由于考慮了生態(tài)障礙，部分農(nóng)村居民點源的等級雖然高，擴展能力強，但發(fā)展空間受生態(tài)障礙的約束，面積沒有增長。見圖5標示的位于梵凈山國家自然保護區(qū)范圍內(nèi)的1—3農(nóng)村居民點，在源等級劃分中，該農(nóng)村居民點屬于中心農(nóng)村居民點，擴展能力強，但因位于自然保護區(qū)內(nèi)，受生態(tài)和政策的限制，模擬時沒有實現(xiàn)面積增長，4處農(nóng)村居民點位于自然保護區(qū)河對岸，受河流的限制，該處農(nóng)村居民點側(cè)向增長，而5處農(nóng)村居民點因不受生態(tài)障礙的約束，呈現(xiàn)圍繞原有農(nóng)村居民點向四周增長。從模擬效果來看，考慮了源的等級和生態(tài)障礙模擬結(jié)果更加符合實際并體現(xiàn)生態(tài)保護的要求。對于環(huán)梵凈山國家自然保護區(qū)地形條件復雜，生態(tài)脆弱的區(qū)域，在農(nóng)村居民點增長過程中，更應注重對生態(tài)的保護。

圖5　生態(tài)障礙約束下農(nóng)村居民點增長類型

4　結(jié) 論

近年來，隨著環(huán)梵凈山地區(qū)旅游經(jīng)濟的快速發(fā)展，區(qū)位條件優(yōu)越和距離景區(qū)較近的農(nóng)村居民點，為發(fā)展鄉(xiāng)村旅游和收入的提高，出現(xiàn)了快速發(fā)展的現(xiàn)象。為了避免農(nóng)村居民點無序增長，對生態(tài)環(huán)境和對風景名勝造成破壞，本文基于全國第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)，利用改進MCR模型，并把土地開發(fā)適宜性作為阻力依據(jù)，在考慮源等級和生態(tài)障礙的情況下，對環(huán)梵凈山國家自然保護區(qū)的農(nóng)村居民點增長進行模擬。結(jié)果表明，改進MCR模型能夠用于農(nóng)村居民點的空間增長模擬，模擬結(jié)果反映了農(nóng)村居民點增長的空間運動趨勢。從農(nóng)村居民點增長的規(guī)模與強度控制來看，由于考慮了源等級和生態(tài)障礙約束，模擬結(jié)果更加符合實際，并體現(xiàn)政策調(diào)控方向，本文揭示了農(nóng)村居民點在土地開發(fā)適宜性限制下增長的規(guī)模和空間形態(tài)，為區(qū)域科學調(diào)控農(nóng)村居民點和制定相關(guān)政策提供了理論支撐。

雖然改進MCR模型能夠模擬農(nóng)村居民點空間增長趨勢和規(guī)模，但在實際的增長過程中，具有增長能力的農(nóng)村居民的增長是隨時間的推進，逐步占領(lǐng)周邊可占領(lǐng)的區(qū)域，而改進的MCR模型無法模擬農(nóng)村居民點增長時首先占領(lǐng)的區(qū)域。因此，該模型在模擬農(nóng)村居民點克服增長阻力，實現(xiàn)向外擴展的空間運動趨勢和劃定建設用地邊界比較有效，在模擬時間上的增長需要結(jié)合其他的模型。

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Simulation Study on the Spatial Growth of Rural Settlements in the Mountainous Area Based on Improved MCR Model

LU Debin1,2,MAO Wanliu2,YU Zhen1,BAI Bin1

(1.School of Economics and Management,Tongren University,Tongren,Guizhou 554300, China; 2.School of Geographic Sciences,East China Normal University,Shanghai 200241,China)

It is an important method to understand the growth patterns of the rural settlements by simulating their spatial growth.Illustrated by the example of the Tourist Economic Area around the Fanjingshan Mountain of Tongren,Guizhou Province,this paper used GIS spatial analysis function to calculate the comprehensive influence of the rural settlements and divide the settlements into different types of growth,and give the relative growth factor K value,and finally simulated the spatial growth using the improved MCR model.The results show that the model can better simulate the spatial growth direction and range of the rural settlements taking the ecological barriers and the different growth ability of the rural settlements into consideration.In the land development suitability of constraint,the higher the suitability degrees are,the more suitable the rural settlements is to grow.Under the growth rates of 0.5%,1%,2% and 3%,the region,respectively,0.021,0.042,0.084 and 0.126 square kilometers of lands are provided for construction.And the rural settlement with larger growth area mainly concentrates in the surrounding towns and the river valley.Restricted by the ecological barrier,the rural settlements do not achieve growth when they meet the ecological barrier.The simulation results show that the direction of ecological policy regulation is conducive to the protection of the ecological environment,but the model is more effective in simulating spatial expansion.And simulation on time growth requires the combination of other models.

rural settlements; improved MCR model; land suitability; ecological barriers; Fanjingshan Mountain

2015-10-01

2015-10-12

貴州科學技術(shù)資助項目(黔科合J字LKT[2012]07號,黔科合J字LKT[2012]25號,黔科合LH字[2014]7472)

盧德彬(1987—),男,貴州荔波人,博士研究生,講師,主要從事城市生態(tài)系統(tǒng)模擬與規(guī)劃研究。E-mail:sooluo@163.com

F301

A

1005-3409(2016)05-0322-05