基于房屋基面數據的安徽省金寨縣居民點空間分布特征分析

姚夢園, 晏實江, 吳艷蘭

(1.安徽大學 資源與環境工程學院, 安徽 合肥 230601; 2.安徽省地理信息工程中心, 安徽 合肥 230601)

基于房屋基面數據的安徽省金寨縣居民點空間分布特征分析

姚夢園1,2, 晏實江1,2, 吳艷蘭1,2

(1.安徽大學 資源與環境工程學院, 安徽 合肥 230601; 2.安徽省地理信息工程中心, 安徽 合肥 230601)

[目的] 對安徽省金寨縣居民點空間分布特征進行研究，為統籌規劃山區農村聚落建設、城鎮化建設和居民點優化布局提供科學依據。[方法] 通過目視解譯高分遙感圖像建立金寨縣居民點房屋基面數據，以地形數據作為本底數據，借助GIS空間分析技術提取金寨縣地形屬性特征，并將水系、道路、地形等要素同房屋基面數據進行空間關聯分析。[結果] 金寨縣59.8%的房屋布局在水系附近500 m的范圍內，60.5%的房屋布局在道路附近100 m的范圍內；居民點在海拔400 m，坡度20°和起伏度200 m以下的地區呈現較高的聚集特征，東南、正東和正南3個坡向分布了45.8%的房屋，朝南的房屋數量是所有朝向中最多的。[結論] 水系、道路、地形因子和采光條件是影響金寨縣居民點布局的重要因素，居民點在水系與道路附近、海拔低、坡度低、起伏度低和采光條件好的地區呈現明顯的聚集特征。

GIS; 居民點; 房屋基面; 空間分布特征; 安徽省金寨縣

文獻參數： 姚夢園, 晏實江, 吳艷蘭.基于房屋基面數據的安徽省金寨縣居民點空間分布特征分析[J].水土保持通報，2017,37(1)：143-148.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.026; Yao Mengyuan, Yan Shijiang, Wu Yanlan. Spatial distribution characteristics of settlements in Jinzhai County of Anhui Province based on housing base surface data[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：143-148.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.026

居民點的形成與演變受到自然環境限制、人類活動影響和政策導向等多因素的綜合作用，呈現出差異性的空間布局特征[1-5]。山區居民點的形成與演變主要受制于地理環境條件，表現為較強環境條件的依賴性和適應性，水系、道路、地形因子和采光條件是山區居民點空間布局的主導因素[6]。地形坡度大及通達性條件差，使得山區物質流、信息流閉塞，導致山區居民點呈現自發、分散的特點，居民點缺乏規劃、整體環境較差的問題長期影響經濟社會的和諧發展[7-8]。研究山區居民點布局，揭示居民點布局與地理環境的關聯性，有助于居民點合理布局、土地利用優化、生態環境保護和人居環境改善。

當前對山區居民點的研究主要集中在居民點空間布局[5,9]、演化及驅動機制[10-11]和布局優化策略[12-13]等方面，這些研究多數綜合使用3S技術和景觀斑塊格局等計量化方法進行分析。由于山區交通條件及遙感數據質量的限制，山區居民點格局研究長期缺乏系統性的方法。已有的借助遙感目視解譯，整合GIS(地理信息系統)的空間分析方法，通過提取聚落斑塊進行空間格局分析[14]，然而將聚落斑塊作為分析單元忽視了山區內部居民點的獨立性和分析的尺度效應，只能概略反映聚落斑塊的布局情況，而無法精確反映居民點的布局特征。房屋是居民點的主體，將房屋基面作為研究的分析單元對居民點布局分析具有重要意義。

本研究擬借助高分遙感數據，解譯金寨縣房屋基面數據作為分析單元，結合水文、道路和地形數據進行疊置分析，揭示金寨縣居民點的空間布局特征，探索影響金寨縣居民點空間布局的影響因子，以期為金寨縣城鄉建設、新農村規劃和生態保護提供科學依據。

1 研究區概況與數據處理

1.1 研究區概況

金寨縣位于東經115°22′19″—116°11′52″與北緯31°06′41″—31°48′51″之間，是國家級貧困縣，位于安徽省西部，屬六安市管轄。地處大別山腹地，相對高差達到1 665 m，具有明顯的垂直地勢特征；境內水系豐富、河流縱橫，擁有梅山和響洪甸兩大可通航的水庫；全縣總面積5 408 km2，轄23個鄉鎮、1個經濟開發區、1個現代產業園區，226個行政村，總人口68萬人，是典型的山區縣、庫區縣、生態保護重點縣區和全國精準扶貧開發重點縣區。

1.2 數據來源和預處理

對0.3 m空間分辨率的高分遙感圖像(成像于2014年10月)進行目視解譯，手動提取研究區道路線狀數據和所有房屋的面狀數據(共120 095個房屋基面)；研究所用的水系和行政邊界數據分別來源于“安徽省1∶5萬水系圖”和“安徽省1∶25萬地理背景空間數據(2000年)(數據由國家科技基礎條件平臺建設項目：地球系統科學數據共享平臺—長江三角洲數據共享平臺提供)”；地形數據采用美國NASA的LPDAAC ASTER GDEM，空間分辨率為30 m[15]。

2 研究方法

將水系、道路、海拔、坡度、起伏度、坡向和房屋朝向等因子與房屋基面數據進行空間關聯分析，定量揭示居民點的布局特征并分析布局特征形成的原因。

2.1 緩沖區分析

以水系和道路為中心軸線，自動建立其周圍一定寬度范圍內的緩沖區多邊形圖層。得到距離水系、道路一定寬度的幾個緩沖區并計算各緩沖區內的房屋數量和密度。

2.2 地形要素提取

海拔數據通過ArcGIS平臺對DEM數據進行柵格數據讀取，對海拔數據進行重分類，設置每200 m為一個海拔分區。

坡度是地表面任一點的切平面與水平地面的夾角，表示地表面在該點的傾斜程度，對坡度的計算實際為每個像元計算值在從該像元到與其相鄰的像元方向上的最大變化率公式(1)。設置每10°為一個坡度分區。

(1)

式中：θ——坡度;dz——中心像元與鄰接像元的高差;dx——中心像元與鄰接像元在x軸上的距離;dy——中心像元與鄰接像元在y軸上的距離。

坡向用于識別從每個像元到其相鄰像元方向上值的變化率最大的下坡方向，可以被視為坡度方向。輸出柵格中各像元的值可指示出各像元位置處表面朝向的羅盤方向，按照順時針方向進行測量，角度范圍介于0(正北)到360(仍是正北)之間，即完整的圓，不具有下坡方向的平坦區域將賦值為-1，可分為正北、東北、正東、東南、正南、西南、正西、西北和水平9個坡向。

地形起伏度定義為max(H)-min(H)，即分析窗口內的最高與最低海拔之差[16]，涂漢明等[17]關于中國地勢起伏度最佳統計單元為21 km2，對金寨縣地形起伏度的分析選擇150×150個柵格單位(精度為30 m×30 m的DEM數據)，分析窗口面積為20.25 km2，接近最佳統計單元。對分析結果進行重分類，設置每200 m為一個起伏度分區。

2.3 房屋朝向分析

房屋朝向指建筑物多數采光窗的朝向，是人居環境選擇的一個重要因素。當建筑主體平面基本為矩形時，其主軸方向可反映房屋的方位情況。運用GIS分析提取房屋基面的主軸并計算其角度，平行于緯線的主軸角度為0°，平行于經線的南向主軸角度為90°，北向主軸角度為-90°。將居民點朝向定義為4個方向，分別為正南方向、東南方向、西南方向和正東方向。各房屋朝向所對應的房屋基面主軸角度如表1所示。

表1 研究區房屋朝向對應的房屋基面主軸角度

2.4 疊置分析

疊置分析將代表不同主體的各個數據層面進行疊置產生一個新的數據層面，疊置結果綜合了原來多個層面要素所具有的屬性，產生新的空間關系，并將屬性聯系產生新的屬性關系。

將水系、道路以及轉換的海拔、坡度、坡向、起伏度等地形因子的矢量數據與房屋基面數據進行疊置分析，統計各分區內房屋的數量和密度情況，對數據進行分析和制圖。技術路線如圖1所示。

圖1 居民點布局分析方法流程

3 結果分析

3.1 水系、道路與居民點分布的關系

河流、湖泊等水系為居民生產生活提供了必需的水源，同時是重要的交通方式；河流的緩沖作用形成相對平緩的地形和肥沃的土壤。這些優越的生產生活條件，使河流附近成為人類活動的重要區域。對金寨縣水系(包含河流和水庫)進行緩沖區分析，計算0～500，500～1 000，1 000～1 500，1 500～2 000 m等緩沖半徑內的房屋數量并進行統計分析(表2)。

統計數據表明，在水系緩沖半徑500 m以內，房屋數量最多，占全縣房屋總量的59.8%，在水系緩沖半徑500 ～1 000 m的地區也有較多房屋分布，占全縣房屋總量的25.6%，在水系緩沖半徑1 000 m以外的區域有少量房屋分布，房屋數量僅為全縣的14.6%。房屋在靠近水系的地方較集中，越遠離水系，房屋數量越少，居民點規模越小。金寨縣居民點具有明顯的依水系分布的特征。

表2 研究區水系與居民點分布的關系

道路是居民對外聯系的最便捷路徑，道路的設計不僅要考慮地形、地質、地貌等自然條件，還要盡量穿過人流量大的居民點。對金寨縣道路做緩沖區分析，得到0～100，100～200，200 ～300，…，900～1 000 m等緩沖區，并對房屋數量進行統計分析，結果如表3所示。

在道路緩沖半徑100 m以內，房屋數量占全縣房屋總量的比例高達60.5%，在道路緩沖半徑100 m以外的區域，房屋數量占總量的比例僅為23.5%。在100～200 m的緩沖區內房屋數量呈急劇遞減趨勢；在200 m以外的緩沖區，房屋數量呈緩慢遞減趨勢。距道路200 m以內的區域，居民點規模較大、數量較多；距道路200 m以外的區域，居民點規模較小、數量較少。金寨縣居民點布局與道路具有非常明顯的依賴性。

表3 金寨縣道路與房屋分布的關系

3.2 地形與居民點分布的關系

地形因素是影響居民點布局的重要因素。海拔適宜、坡度低、起伏度低的地方能提供較好的耕作條件和便利的生活條件，坡度高、起伏度高的地方易發生滑坡、泥石流等地質災害。對金寨縣DEM數據進行柵格分析并進行矢量轉換，將海拔、坡度和起伏度等地形數據與房屋基面數據進行疊置分析，統計不同地形區內的房屋數量，并將房屋數量除以相應地形區面積，得到不同地形區內房屋數量的密度情況(圖2)，金寨縣居民點房屋的平均密度為22.21個/km2。

通過對金寨縣DEM數據分析可知(表4)，金寨縣最低海拔為29 m，最高海拔為1 694 m。金寨縣房屋主要分布在海拔400 m以下的丘崗區，本地區的房屋數量占全縣的77.9%；海拔在400～800 m的低山區也有較多房屋分布，房屋數量占全縣的比例達到21.4%；海拔在800 m以上的中山區僅有0.7%的房屋分布，基本無人居住。房屋密度在海拔200 m以下的區域達到最大值，為44.89個/km2；200 ～400 m海拔區域內房屋密度也較高，達到26.11個/km2；海拔超過400 m的地區房屋密度較小，均低于15個/km2。分析結果表明金寨縣房屋數量和密度隨海拔升高而明顯降低，居民點在低海拔地區呈現聚集性的格局。

地形坡度在20°以下的區域面積僅占全縣的62.1%，卻分布著全縣82.3%的房屋；坡度在20°～40°的區域分布全縣17.3%的房屋；在40°～50°的區域分布著全縣0.4%的房屋；坡度在50°以上的區域沒有房屋分布。房屋密度隨著坡度升高而逐漸下降。房屋密度在0°～10°的坡度區域內最大，達到38.17個/km2；在10°～20°坡度區域內密度也較大，達到23.4個/km2；坡度超過20°的區域，房屋密度較小，均小于13個/km2(表5)。

圖2 金寨縣居民點分布與地形的關系

海拔高度/m地區面積/km2房屋數量/個房屋密度/(個·km-2)0～2001115.975010144.89200～4001662.834341826.11400～6001316.041941714.75600～800746.1163428.50800～1000334.237882.361000～1200148.37120.081200～140064.5280.121400～160018.930 01600～18001.3400

金寨縣谷地、平原面積較小，起伏度在400 ～600 m的地區面積最大，占全縣面積接近38%，房屋數量在此地區達到峰值，有超過42%的房屋在此地區分布，遠超過其它地區。其它起伏度地區的房屋數量以400～600 m為中心極點而上下遞減。起伏度小于400 m的地區房屋數量占全縣的比重達到38.4%；起伏度大于600 m的地區房屋數量較少，僅占全縣房屋數量的18.9%。隨著起伏度的升高，房屋密度逐漸下降。在地形起伏度為0～200 m的地區，房屋密度最高，達到50個/km2以上。起伏度大于600 m的地區，房屋數量急劇下降，房屋密度均小于12個/km2(表6)。

表6 金寨縣各地形起伏度區面積、房屋數量及密度

3.3 采光條件與居民點分布的關系

采光條件是居民點房屋布局的一個重要因素。金寨縣是山區縣，房屋采光條件與地形坡向、房屋朝向存在密切關系。對金寨縣DEM數據進行坡向分析、對房屋進行朝向分析，并計算每個坡向的房屋數量和密度以及各朝向的房屋數量。統計結果如表7—8所示。

根據地形分析將金寨縣分為水平、正北、東北、正東、東南、正南、西南、正西和西北9個坡向。對各坡向的房屋數據進行統計，結果顯示東南、正東和正南3個坡向有較多房屋分布，房屋數量占全縣的45.8%，這3個坡向的地區是光照條件最好的，房屋密度均超過26.5個/km2；西北、正西和正北3個坡向由于光照條件較差，房屋數量密度較小，密度均小于20個/km2，房屋數量僅占全部的29.3%；水平坡向的房屋數量最少，僅占全縣房屋數量的0.13%，房屋密度僅為1.94個/km2，原因在于此坡向的地區面積最小且大量水域面積被統計到了此地區中，導致房屋數量和密度遠低于其它地區。由于金寨縣山脈走向大致呈現東北—西南走向，房屋多分布在山脈的陽坡，即東南方向分布較多居民點。

表7 金寨縣各坡向區面積、房屋數量及密度

采光、通風、地形、環境、人文等因素對房屋朝向的選擇有一定影響。根據實地情況，將金寨縣房屋朝向歸納為正南、東南、西南和正東4個方向，各朝向房屋數量大小排序為:正南>正東>東南>西南(表8)。正南方向接收到的太陽光照最充足，是房屋朝向的最佳選擇，金寨縣朝南房屋的數量占全縣的29.3%，是所有朝向最多的；其次是正東方向，房屋數量占全縣的比例為26.5%；東南和西南朝向的房屋數量也超過全縣的20%。

表8 金寨縣各朝向的房屋數量統計

從日照時常來看，各朝向的日照時長排序是:正南>東南>西南>正東。由于金寨縣房屋宅基地分布和形狀受東北—西南走向山脈的影響，東南朝向的房屋通風條件較差，西南朝向的房屋視野開闊性較差，因此東南和西南朝向的房屋少于正東朝向的房屋。但整體來看，各個朝向的房屋數量接近，差異較小。

4 討論與結論

(1) 居民點空間布局受制于重要的交通廊道空間布局。其中道路為居民點提供重要的交通廊道，對居民點布局具有較強的吸引力，越靠近道路的地區，居民點的布局越密集，道路的通達性條件對山區居民點分布具有重要意義，可作為居民點擴張方向的依據。此外，水系為居民生活、農業生產提供了必要的水源，在道路緩沖半徑100 m以內和水系緩沖半徑500 m以內，居民點呈現聚集分布的特征。

(2) 居民點布局受控于地形要素的基礎條件。居民點在海拔400 m、坡度20°和起伏度200 m以下和坡向朝陽的地區呈現較高的聚集特征。而海拔高、坡度高、起伏度高和坡向朝陰的地區不利于進行生產生活，居民點布局相對稀疏。在光照條件和東北—西南走向山脈的影響下，居民點房屋表現出差異性的朝向趨勢，金寨縣房屋多朝向采光和通風條件好的正南和正東方向，各個朝向的房屋數量差異不明顯，朝向最多的正南方向和最少的西南方向的房屋數量差異僅為7.4%。

本研究對金寨縣居民點布局的分析考慮了水系、道路、地形因子和光照條件等重要因素，房屋基面數據使分析具有科學性和準確性。通過計算房屋基面主軸角度確定房屋朝向的方法基本準確的反映了金寨縣居民點的房屋朝向。但少量房屋布局在地形復雜、平地面積小的地區，由于受到地形條件和建設空間的限制，導致房屋基面形狀復雜，此類房屋提取的基面主軸無法準確反映房屋的方位情況，而高分遙感數據投影解譯也難以分辨識別房屋的正面，致使在復雜地形區的房屋朝向判定的準確性有所欠缺。如何準確計算各種復雜地形情況的房屋朝向將是后續研究的重點。

[1] 趙榮,王恩涌,張小林,等.人文地理學[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2] 金其銘.我國農村聚落地理研究歷史及近今趨向[J].地理學報,1988,43(4):311-317.

[3] 陳勇,陳國階,王益謙.山區人口與環境互動關系的初步研究[J].地理科學,2002,22(3):282-287.

[4] 何仁偉,陳國階,劉邵權,等.中國鄉村聚落地理研究進展及趨向[J].地理科學進展,2012,31(8):1055-1062.

[5] Bennett J W. Human Ecology as Human Behavior. Environment and Culture[M]. New York: Springer US, 1980:243-277.

[6] 鄒利林,王占岐,王建英.山區農村居民點空間布局與優化[J].中國土地科學,2012,26(9):71-77.

[7] Long Hualou, Li Yurui, Liu Yansui, et al. Accelerated restructuring in rural China fueled by ‘Increasing vs. decreasing balance’ land-use policy for dealing with hollowed villages[J]. Land Use Policy, 2012,29(1):11-22.

[8] 阮榮平.農村集中居住:發生機制、發展階段及拆遷補償:基于新橋鎮的案例研究[J].中國人口·資源與環境,2012,22(2):112-118.

[9] 劉曉清,畢如田,高艷.基于GIS的半山丘陵區農村居民點空間布局及優化分析:以山西省襄垣縣為例[J].經濟地理,2011,31(5):822-826.

[10] 宋曉英,李仁杰,傅學慶,等.基于GIS的蔚縣鄉村聚落空間格局演化與驅動機制分析[J].人文地理,2015,30(3):79-84.

[11] 王晨懿,稅偉,蘇正安,等.基于地質災害區劃的向峨鄉農村居民點空間布局、用地演化研究[J].中國土地科學,2013,27(3):70-78.

[12] 韋燕飛,陳燕奎,童新華,等.基于改進PSO算法的農村居民點空間優化布局研究[J].地理與地理信息科學,2014,30(2):72-76.

[13] 楊學龍,葉秀英,趙小敏.鄱陽縣農村居民點布局適宜性評價及其布局優化對策[J].中國農業大學學報,2015,20(1):245-255.

[14] 鄒利林,王建英.中國農村居民點布局優化研究綜述[J].中國人口·資源與環境,2015,25(4):59-68.

[15] Aster G V T. ASTER Global DEM Validation Summary Report[EB/OL]. (2009-06-29) [2016-05-20]. http:∥lsiit-miv. u-strasbg. fr/paseo/publis/gdemtagus. pdf.

[16] 封志明,唐焰,楊艷昭,等.中國地形起伏度及其與人口分布的相關性[J].地理學報,2007,62(10):1073-1082.

[17] 涂漢明,劉振東.中國地勢起伏度最佳統計單元的求證[J].湖北大學學報:自然科學版,1990,12(3):266-271.

Spatial Distribution Characteristics of Settlements in Jinzhai County of Anhui Province Based on Housing Base Surface Data

YAO Mengyuan1,2, YAN Shijiang1,2, WU Yanlan1,2

(1.SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering,AnhuiUniversity,Hefei,Anhui230601,China; 2.EngineeringCenterforGeographicInformationofAnhuiProvince,Hefei,Anhui230601,China)

[Objective] The aim of this study is to investigate the spatial characteristics of settlements in Jinzhai County of Anhui Province and provide a scientific support for the overall planning of rural settlement construction and urbanization and optimizing the layout of the settlements in mountainous region. [Methods] Combining settlements’ housing base surface shapes visually interpreted from remote sensing images and terrain properties derived from DEMs, and with the help of GIS spatial techniques, we analyzed the spatial relationships of river system, roads and terrain characteristics with housings in Jinzhai County. [Results] 59.8% of the housings were located in the range of 500 m from the river system, and 60.5% of the housings were in the range of 100 m to the road. Settlements tend to aggregate in the area with altitude below 400 m, slope below 20° and relief amplitude below 200 m. 45.8% of the housings are distributed in southeast, east and south facing aspects, among three aspects the south facing aspect have the highest ratio of housings. [Conclusion] There is strong relationship between river/road and settlements within limited distance. The river, road, terrain morphology and lighting conditions play very important roles in spatial patterns of settlements. The settlements showed obvious aggregation in areas with low elevation, low slope, low relief amplitude and good lighting conditions.

GIS; settlement; spatial distribution; housing base surface data; Jinzhai County in Anhui province

2016-06-14

2016-07-13

國家自然科學基金項目“基于DEM的地形自相似性區域分異特征研究”(41301422); 安徽大學博士科研啟動金項目(33190223,J10118520143); 安徽大學2014級研究生學術創新研究強化項目(yqh100242); 安徽大學大學生科研訓練計劃項目(J18520143); 安徽省國土資源科技項目(2016-K-12)

姚夢園(1992—),男(漢族),河南省遂平縣人,碩士研究生,主要研究方向為GIS空間分析與景觀生態學。E-mail:ymy0396@126.com。

晏實江(1982—),男(漢族),湖北省孝昌縣人,博士,講師,主要從事GIS空間分析、DEM及數字地形分析研究。E-mail:anew101@163.com。

B

1000-288X(2017)01-0143-06

F301.24