基于地形起伏度的高原山地鄉村聚落分布特征研究

唐富茜 徐堅 楊敏艷

摘 要：鄉村聚落的選址是村民在長期與自然適應協調過程所作出的選擇，是人居環境與自然環境相互適應的體現。地形起伏度作為影響人居環境的重要自然環境要素之一，在高原山地地區的作用力尤為顯著。該研究以云南省石屏縣為例，選用窗口分析法，以最佳分析窗口計算地形起伏度，并通過統計鄉村聚落在不同地形起伏度區域內的分布密度，分析得出石屏縣鄉村聚落分布密度差異顯著，隨地形起伏度增加呈棱形空間分布特征，旨在為高原山地人居環境建設可持續性發展提供科學依據。

關鍵詞：地形起伏度；高原山地；鄉村聚落；石屏縣

【文章編號】1627-6868（2016）01-0001-05

Abstract： The location of rural settlements is the choice of villagers who coordinate with natural in long-term， and the embodiment that human environment and natural environment adapt to each other. As one of the important natural environment factors which affect the human environment， relief amplitude has more significant force in plateau mountain area. The paper takes Shiping County in Yunnan province as an example， chooses the method of window analysis， and calculates the relief amplitude by best analysis window. What's more， through the statistics of the distribution density of rural settlements in different relief amplitude area， it analyzes that there is a significant difference in the distribution density of rural settlements in Shiping County. And with the increasing of relief amplitude， the space distribution characteristic of rural settlements is prismatic. The paper aims at providing a scientific basis for the sustainable development of human environment construction in plateau mountain area.

Keywords：relief amplitude； plateau mountain； rural settlements； Shiping County

地形起伏度，又稱地表起伏度，是區域海拔高度和地表切割程度的綜合表征，在不同空間尺度上，影響著水、熱、光照、植被、地質災害等的分布與發展，同時制約著農業、水利、交通與城市建設、人口分布等[1-2]。封志明等學者認為地形起伏度是影響人口、經濟分布的重要因素之一，并把其納入了中國人居環境自然適宜性評價指標體系。

高原山地兼具山地和高原的特征，具有大面積的隆起，同時表面形態奇特多樣，既受到因高度引起的垂直地帶性規律的制約，又受各種地形、坡度和山脈走向的影響，所處自然環境更為復雜、惡劣[3]。因此，高原山地地區地形起伏度，相較于平原或一般山地地區，對建設活動影響作用力更大，造成建設難度高、成本大、工程處理復雜等問題。

高原山地鄉村聚落的分布是村民在與自然長期適應協調過程中，綜合考慮自然環境與人居環境而選定的，其分布規律反映了人居環境與自然環境相互適應關系，體現了村民在選址中樸素的可持續發展觀，受政策及規劃建設的影響最小[4]。

對高原山地地形起伏度與鄉村聚落分布的關系進行深入研究，將強化建設活動對自然生態環境的保護意識，優化鄉村聚落空間布局，為高原山地人居環境建設可持續發展提供科學依據。

1.研究區概況

石屏縣地處云南省南部，紅河州西北部，位于東經102°08′～102°43′，北緯23°19′～24°06′之間。石屏縣歷史悠久，在西漢時稱“舊欣”，至今已有數千年的歷史；文化積淀深厚，明清兩代即被稱為“文獻在茲”、“文獻名區”、“文學南滇第一州”。1999年石屏古城被評為云南省省級歷史文化名城；2015年古城街區被評為國家級歷史文化街區；現已有15個鄉村聚落被評為國家級傳統村落。

石屏全縣總面積3037km2，其中：山地面積占總面積的94.65%，“九分山有余，一分壩不足”。縣境內地貌始于喜馬拉雅造山運動，形成山間斷陷盆地。地勢以山多地少、山河相間、嶺谷并列、高差懸殊、起伏大、垂直明顯為特點。大橋河以南、五郎溝河以北為中山湖盆地貌，五郎溝河以南屬巖溶山原地貌。北、西、南三面受河流強烈切割，多高山深谷，群峰突起，山勢陡峻[5]。

2.數據來源與研究方法

2.1 數據的來源與預處理

2.1.1 數據的來源

本研究所使用的數據包括石屏縣行政區劃圖、ASTER GDEM數據、石屏縣1：500分幅遙感影像以及部分村莊規劃數據。其中，ASTER GDEM數據是由日本METI和美國NASA聯合研制并免費面向公眾分發，投影方式是WGS84，空間分辨率為30m，來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站（http：//www.gscloud.cn）；矢量化的石屏縣行政區劃圖、村莊規劃數據和1：500分幅遙感影像均由云南省山地城鎮區域規劃設計研究院提供。

2.1.2 數據的預處理

為確保輸出的圖形是統一的投影方式和精度，本研究均采用通用橫軸墨卡托投影（WGS_1984_UTM_Zone_48N），柵格大小為30m×30m。借助ArcGIS10.2軟件對所有圖形數據進行投影、配準、拼接、裁剪、柵格重采樣、矢量化等預處理。

2.2 石屏縣地形起伏度的計算

2.2.1 地形起伏度的計算公式

公式（1）中，RDLS表示地形起伏度，ALT代表以某一柵格單元為中心的一定區域內的平均海拔（m），Max（H）、Min（H）分別表示該區域內的最高海拔（m）和最低海拔（m），P（A）為該區域內的平地面積（km2），A則為區域總面積（km2）[6]。

2.2.2 窗口分析

地形起伏度的計算通常是借助窗口分析法得以實現。分析窗口形狀、大小的變化，都將影響到所研究區域內地形起伏度的結果。因此，確定一個最佳大小的分析窗口是地形起伏度提取算法中的核心步驟和決定區域地形起伏度提取效果與有效性的關鍵[7]。本研究結合規則窗口遞增法和均值變點分析法確定最佳分析窗口。

將分析窗口設置為3×3、5×5……69×69的一系列分析尺度，依次得到各分析窗口尺度下 [Max（H）- Min（H）]數據層平均值，以此獲得分析窗口單元面積與最大高差均值的關系（表1），并對其進行對數方程擬合，得出擬合曲線（圖1）。

根據以往的研究表明，該擬合曲線呈邏輯斯蒂克曲線，最佳分析窗口即在該曲線變化由陡變緩的拐點處[8]。判定拐點應用較多的方法為均值變點分析法。計算方法為：一組數據數列{xi}，其中i= 1，2…N，N為樣本數。以樣本xi點為界分為兩段，分別計算每段樣本及總樣本的算術平均值xi1、xi2、x，并計算統計量：

公式（2）、（3）中，下腳標 t1=1，2，…，i-1；t2=i，i+1，…，N. Si和S為均值變點分析法的中間計算值。變點的存在會使S和Si的差距增大，在兩者差值（S-Si）最大時所對應的點即為變點[1、9]。

通過均值變點分析法計算得到圖2所示的曲線。從圖中曲線可以確定當序列點i=11時，S-Si為最大值，即石屏縣地形起伏地最佳分析窗口大小為23dpi×23dpi，面積0.47km2。

2.2.3 地形起伏度各因子數據層的提取

（1）平均海拔和最大高差的提取

運用ArcGIS的 Block Statistics工具統計最佳分析窗口內海拔的平均值，生成ALT數據層。最大高差[Max（H）- Min（H）]數據層在提取最佳分析窗口時已經獲取。

（2）平地面積的提取

根據用地建設對坡度的要求，該研究定義坡度在8%以下的區域視為平地，其他的區域為非平地。運用Slope工具得到坡度數據層，再利用Reclassify工具對坡度數據層進行重分類，把不參與分析的非平地區域設置為Nodata，然后將單個柵格面積乘以平地柵格個數，即為平地面積P（A）數據層[10]。

2.2.4地形起伏度的提取

按照公式（1）將前面各步驟所得到的數據層輸入到Raster Calculator工具中，實現石屏縣地形起伏度的提取。

2.3 石屏縣鄉村聚落分布密度計算

綜合村莊規劃、影像圖等數據，在石屏縣行政區劃圖中標注鄉村聚落分布的位置，并賦予國土面積等相關屬性，得到石屏縣鄉村聚落布點數據層。將其與地形起伏度數據層疊加，再運用Extract Value to point工具提取鄉村聚落所在地的地形起伏度，分類統計不同地形起伏度的鄉村聚落數量。對地形起伏度進行重分類，統計面積，計算鄉村聚落分布密度。

3.結果分析

3.1 石屏縣地形起伏地的分布特征

由圖3可知，石屏縣的地形起伏度值介于0.26-3.08之間，區域差異明顯，總體呈現由中部湖盆地區向南北兩向遞增的趨勢，西部、北部以及南部地區的地形起伏度值高于東部地區。其中，地形起伏度高值區主要位于北部坡龍山、尼白木山和南部大冷山三大山系，其次是東北部的老黑山、西部大梁子山以及中部的硯瓦山地區，低值區主要分布于大橋河、八抱樹河、大塘河、五郎溝河、小河底河、元江等河谷地帶。

3.2石屏縣鄉村聚落分布特征

3.2.1 鄉村聚落空間分布集散性差異顯著

石屏縣鄉村聚落主要集中分布在中部異龍湖周邊的湖盆地區以及高山與河流、山谷相間的緩沖地帶，地形起伏度較大的高山地區相對較少。受地形起伏度的影響，鄉村聚落空間分布集散表現出顯著的差異性（圖4）。

中部湖盆地區是沿東西向延伸呈塊狀分布的區域，面積較大，整體地形起伏度變化較小，適合人居環境建設，是全縣范圍內鄉村聚落分布集聚性最大的區域，包括異龍鎮的北部、寶秀鎮的東部、壩心鎮的中部和大橋鄉的東南地區；山河相間、嶺谷并列地區，地形起伏度變化較大，鄉村聚落多分布于高山與河流、山谷相間、地形起伏度適中的緩沖地帶，呈帶狀分布。其中，山河相間地區的鄉村聚落分布的集聚性要高于嶺谷并列的地區。集聚性較大的區域包括新城鄉的中部、牛街鎮的鎮區周邊以及龍武鎮的北部地區，其他區域分布較為分散；地形起伏度較大的高山地區，受地形起伏度等因素的制約，鄉村聚落零星分布，包括北部的尼白木山、坡龍山和南部大冷山等地區。

3.2.2鄉村聚落密度分布差異顯著

由于石屏縣境內多山地，地形起伏度較大，居民居住較為分散，鄉村聚落數量較少，全縣鄉村聚落平均分布密度僅為0.29個/km2，且鄉村聚落密度分布差異顯著（圖5）。

石屏縣鄉村聚落密度由中部湖盆地區向南北兩側遞減。環異龍湖周邊地區，鄉村聚落分布密度較大，形成了密度為0.64-2.22個/km2的密集中心區，呈環狀逐步向外圍遞減。北部的尼白木山和坡龍山、西部大梁子山以及南部大冷山等地形起伏度較大的地區以及元江沿江地帶，鄉村聚落分布密度較小，密度均小于0.1個/km2。

3.2.3鄉村聚落分布隨地形起伏度的遞增，呈棱形的分布特征

石屏縣鄉村聚落分布在地形起伏度值介于0.67-2.49之間的區域。隨著地形起伏度的遞增，鄉村聚落分布密度呈現出先增后減的趨勢。地形起伏度值在0.67-1.40之間，鄉村聚落的分布密度上下波動，總體呈上升趨勢；地形起伏度值在1.41時，鄉村聚落的分布密度陡然增加。地形起伏度值在1.41-1.48之間，鄉村聚落的分布密度變化趨于平緩，且分布密度處于全縣范圍內的最大值；地形起伏度值在1.49-1.98之間，鄉村聚落的分布密度開始呈下降趨勢；地形起伏度值在1.99-2.49之間，鄉村聚落的分布密度變化趨于平緩，分布密度居于全縣最低值（圖6）。

4.結論與討論

4.1 結論

（1）通過地形起伏度的計算得出，石屏縣地形起伏度呈現中間低，南北高的空間格局，與石屏南北山區、中部壩區的高-低-高的地形空間特征吻合。

（2）通過鄉村聚落布點及其在地形起伏度上的分布密度計算，分析得出石屏縣鄉村聚落分布特征：①鄉村聚落主要集中分布在中部異龍湖周邊的湖盆地區以及高山與河流、山谷相間的緩沖地帶；②地形起伏度變化越小的地區，鄉村聚落分布越集聚；③鄉村聚落密度分布差異顯著，由中部湖盆地區向南北兩側遞減，受地形起伏度作用明顯；④鄉村聚落分布隨地形起伏度的增加，呈棱形分布特征。在地形起伏度適中的區域，地形起伏度值介于1.41-1.48之間，鄉村聚落分布密度最大。并隨著地形起伏度的增加或減少，鄉村聚落分布密度開始減小。

4.2 討論

在研究過程中，因部分遙感影像圖云量較大以及配準過程中存在的誤差，鄉村聚落的數量與分布位置與實際存在有一定的誤差。鄉村聚落的分布規模受地形起伏度影響較大，是描述鄉村聚落的分布特征之一，在本研究中未有涉及，需要在未來進一步研究。

高原山地地區高原呈波濤狀、高山峽谷相間、地勢隨地形地貌呈階梯（大幅）遞降、眾多斷陷盆地星羅棋布、山川湖泊縱橫，生境復雜多樣[11]。在開發建設過程中，如果不注重對生態環境的保護，容易造成“破壞性建設”和“建設性破壞”。高原山地地區地形起伏度對人居環境建設制約作用尤為明顯，研究其與鄉村聚落分布的關系，既有利于鄉村聚落空間布局優化，又為高原山地的開發建設提供理論指導。

參考文獻

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