基于村域空間網絡化的農村居民點布局優化

宿　瑞， 王　成， 李顥穎

(西南大學地理科學學院/巖溶環境重慶市重點實驗室，重慶 400715)

農村居民點空間布局不僅反映了農村聚落的生產關系與社會文化，而且決定了農村土地利用系統的功能結構與綜合效益，其布局優化已成為新農村建設和土地整治的重要內容[1]。伴隨“四化”的快速推進，農村居民點空間布局呈現形態多樣、整體分散、發展無序、內部集約度低等用地態勢，加之各農村居民點的區位因素、資源稟賦、經濟發展等條件不同，致使其在區域空間結構中的物質、信息、能量等交流方式呈現多樣性和差異化特征，對周圍農村居民點的吸引程度亦不同[2]。因此，如何通過挖掘農村居民點自身潛力、強化相互聯系、優化網絡結構，促進農村居民點空間布局優化，以改善農村人居環境、實現可持續發展已成為當前研究的重要方向。

目前，對于農村居民點空間布局研究多圍繞農村居民點空間特征[3-4]、演變機制[5-6]和空間重構[7-8]等方面開展了較為深入的研究，并結合農戶意愿[9]、居住場勢[10]及區位條件[11]等因素，融入生態位[12]、共生[13]等理論厘定出農村居民點布局優化方案，豐富了農村居民點布局優化研究的內容和方法體系。然而，現有研究側重揭示農村居民點與周圍環境的關系[14]，對農村居民點自身布局及相互聯系所表現出的網絡特征研究較少。引力模型是利用廣義上的質量和距離表征區域之間依存關系的一種地理空間分析模型[15]，能較好地評價節點間的相互作用程度。復雜網絡本質上的非同質拓撲結構，決定了網絡中每個節點的重要程度存在差異[16]。辨識網絡的中心點及其輻射域，繼而有效地進行保護、利用，對于網絡可靠性的提升有著重要意義。

因而，本試驗將復雜網絡理論引入到農村居民點空間布局研究中，將農村居民點視為節點，基于改進的引力模型測度農村居民點之間的聯結強度并將其作為連接邊，結合UCINET網絡分析和GIS空間分析工具，構建村域空間網絡。根據網絡節點重要度，識別中心點及其輻射范圍，厘定布局原則和優化模式，促進域內農村居民點布局優化，為村鎮規劃和新農村建設提供理論參考。

1　研究區域與數據整理

1.1　研究區概況

燕壩村(106°07′13″～106°08′56″E、29°08′44″～29°08′45″N)位于重慶市江津區龍華鎮西南部，屬于重慶現代農業園區核心展示區，毗鄰長江和渝瀘高速公路，區位條件優越。域內幅員面積11.12 km2，以低山丘陵兼河谷平壩地形為主，屬亞熱帶濕潤季風氣候，全村轄6個合作社，2015年全村農戶2 279戶，人口6 407人，農民人均純收入11 169元。村內農村居民點呈“大分散，小集中”分布，占地面積169.62 hm2；全村住宅建筑結構多樣，其中鋼混18.50%、磚混31.60%、磚瓦44.50%、土坯5.40%。2010年燕壩村作為重慶市整村推進國土整治共建示范村，現已建成“巴渝新居”共計8.65 hm2，基礎設施和公共服務設施配備齊全。燕壩村著力打造農業現代產業集群和農村觀光休閑中心，目前已有瀚陽、亨嘉、渝欣牧業等15家外資企業入駐，促進了1 000多名農戶就近為業。受資源稟賦、區位條件與農戶生計分異等影響，各社農村居民點分布形態和相互聯系存在差異，不同類型農戶的住居訴求亦千差萬別，為此，本試驗選取燕壩村為典型案例，開展農村居民點空間布局研究。

1.2　數據收集與處理

本研究數據主要包括2部分，其中空間數據來源于研究區2015年土地利用現狀圖(1 ∶2 000)及高清遙感影像(精度為0.25 m)；屬性數據中，社會經濟數據來源于燕壩村2015年農村經濟報表，農戶數據來源于2015年4月至2016年4月間筆者所在課題組多次對研究區的駐村調研。

以村域土地利用現狀圖為底圖，采用空間數據與屬性數據并舉的方法進行農戶調查，具體步驟如下：(1)問卷初設計與完善。首先，通過文獻梳理和走訪龍華鎮人民政府和鎮國土資源管理所了解的當地人口就業、社會經濟等基礎信息，設計初步問卷，包括區位條件、住居環境、服務體系、農戶特征4個大項22個小項的問卷；其次，選取燕壩村的村干部、新居住戶、專業大戶、家庭散戶(15戶)進行初步調查，根據初調成果，修改、完善調查問卷，確定問卷內容。(2)調查培訓與劃片。借助Quickbird衛星影像，依據農村居民點布局形態，將研究區劃分為4個片塊，每小組負責1個片塊，調查人員須事先進行培訓、演練，統一調查標準與口徑。(3)實地調查。首先通過GPS定位獲取每個農戶宅基地的地理坐標，確定土地利用現狀圖上農村居民點圖斑和農戶宅基地一一對應，運用參與式農戶調查法采訪農戶，獲取農戶及農村居民點屬性數據。本次調查共發放問卷566份，剔除無效問卷49份，有效問卷517份，有效率91.34%。為保證數據的有效性，運用SPSS 22.0統計軟件進行信度檢驗，Cronbach’s Alpha系數值為 0.826>0.8，KMO值為0.816>0.8，Bartlett球型檢驗的顯著性水平P<0.001，說明問卷設計合理、數據具有較高的效度。

“點-線-面”要素數據庫的建立。采用“PRA+3S”結合的方法，空間數據來源于實測地形圖，屬性數據來源于參與式農戶調查與統計年鑒、農村經濟報表，以ArcGIS 10.2為軟件平臺，以GPS獲取的農村居民點地理坐標為標識碼，構建農村居民點空間數據與屬性數據相鏈接的“點-線-面”要素數據庫。

2　研究方法

2.1　空間網絡模型構建

2.1.1引力模型及改進引力模型是基于距離衰減原理與萬有引力公式構建的數理模型，用于衡量2個區域之間空間相互作用強度[17]。農村居民點作為人地關系的核心，其質量是指影響空間相互作用的節點屬性；距離表示節點間的最短路徑及到達所需成本，即各節點間的空間可達性。現有研究多以區域的總人口、地區生產總值等單一指標表征區域質量，以歐式距離描述距離。但區域是由自然、社會經濟、文化等要素共同組成的復雜系統，單一化的指標難以準確全面地刻畫其綜合特征。同時，歐式距離單純考慮空間直線距離，對影響2個區域之間通行難度的交通、地形等條件未作考慮，在反映2個區域之間通行的真實成本方面存在一定的片面性。因此，須要對引力模型中的質量參數和距離參數進行改進[18]。首先，從農村居民點的區位條件、住居環境、服務體系及農戶特征等4個方面建立農村居民點質量評價指標體系以測度各農村居民點質量，作為綜合實力的表征；其次，借助于空間可達性將距離這一空間度量概念轉變為時間成本概念，以農村居民點之間的最小時間成本作為聯系強度的表征。改進后的引力模型為：

(1)

式中：Iij為i農村居民點的引力強度，即i點與其他農村居民點的聯結強度；G為介質常數，通常取1；wi和wj為i農村居民點和j農村居民點的質量；Tij為2個農村居民點間的的時間距離；k為距離摩擦系數，表示引力隨距離衰減的速度，通常取1或2。參照已有相關研究，k值實際上指示了引力作用范圍的尺度差異，本研究區為村域范圍尺度較小，故取k=1。

2.1.2農村居民點質量測算農村居民點質量受到村域自然、人文、人工環境的共同影響和作用，依據實現“生產發展、生活富裕、生態文明”的發展目標，參照已有相關研究的指標體系[19-20]，遵循科學性、可操作性和系統性等原則，結合實地調研情況和“點-線-面”要素數據庫，構建農村居民點質量評價指標體系(表1)。區位條件表示農村居民點在區域中所處的位置，優越的區位條件便于信息、資源的獲取，利于增加農戶生產、生活的便捷度；住居環境刻畫了農村居民點的資源稟賦，展示農村居民點的發展基礎；服務體系考慮的是農村居民點自身功能和服務設施的完善程度；農戶特征反映農戶的生產生活狀況以及對農村居民點承載功能、空間分布的滿意程度。本研究使用熵權法確定指標權重，并對結果進行一致性檢驗，統計值<0.1，符合檢驗要求。隨后使用極差轉換法對指標進行標準化處理，消除量綱，采用綜合因素法計算農村居民點質量。

2.1.3空間可達性厘定由于村域路網密度較低，各農村居民點間聯系不完整[21]。因此，本研究基于“點-線-面”要素數據庫采用柵格分析法來測度各農村居民點間的可達性，具體步驟如下：(1)借助 ArcGIS 9.3軟件，提取數據庫中需要柵格分析的點圖層，賦予單位距離通行時間成本后重分類，生成時間成本柵格，本研究確定的柵格大小為10 m×10 m；(2)借助路徑距離工具(path distance)，以農村居民點為源，高程為修正因素，計算到各農村居民點的時間距離；(3)基于VBA(visual basic for applications)編程實現農村居民點之間兩兩時間成本的提取，最終得到空間可達性矩陣。

2.1.4村域空間網絡構建根據復雜網絡的特點和分析思路，將各個農村居民點抽象為節點、農村居民點之間的引力強度設為連接邊，構建村域空間網絡。具體步驟：(1)網絡節點定位，將節點設置在各農村居民點；(2)村域聯結強度矩陣，根據農村居民點質量測度數據，標準化后，采用層次分析法確定指標權重，通過改進的引力模型構建村域聯結強度矩陣；(3)村域空間網絡構建，將村域聯結強度矩陣標準化處理，并可視化為網絡連接邊。

2.2　空間網絡中心性分析

2.2.1節點度節點i的度(degree)[22]定義為該節點的鄰居數目。具體表示為：

(2)

式中：G是節點i的鄰居節點集合。節點度指標反映1個節點對于網絡其他節點的直接影響力。節點度及其鄰居節點度越大即度數中心度越大，節點就越重要，表明該節點在網絡中的地位越重要。

2.2.2基于網絡凝聚度的節點收縮法網絡凝聚度是測度網絡節點、鄰邊的相互關系與重要程度。當網絡中個體越少，距離越近，聯系越緊密，凝聚度越高。其數學定義為：假設網絡G=(V,E)是由|V|=N個節點與|E|=NE條邊共同構成的無向網絡。各節點由于聯結強度和區位差異，其承擔功能略有不同，但節點間功能通過網絡拓撲結構相互作用并共同服務于整個網絡體系。

節點收縮法[23]是假設Vi是網絡G=(V,E)的1個節點，

表1　農村居民點質量測算指標體系

所謂將節點Vi收縮是指將與節點Vi直接相連、作用較強的Li個節點都與其融合，即用1個新節點代替這Li+1個節點，原先與它們關聯的邊都與新節點關聯。直觀上理解“節點收縮”就是通過收縮融合，節點與周圍的連接點“凝聚成1個新節點”。

假設網絡有x個節點，則圖G的網絡凝聚度為：

(3)

式中：x=1時，令?=1；x≥2時，dij代表節點i和j之間的最短距離。

基于此，定義

(4)

為節點Vi的重要度，其中G×Vi表示將節點Vi收縮后的圖。

從定義可知，節點重要度取決于節點聯結度和所在位置。若節點聯結度越強，位置越關鍵，則該節點收縮后網絡凝聚度越大，其越重要；反之，則相反。

2.2.3基于加權Voronoi圖的節點空間影響范圍劃分Voronoi圖在空間分析和優化中具有明顯優勢。本研究以中心點重要度的平方根為權重，將斷裂點理論與加權Voronoi圖相結合，以中心點的質心作為發生元向周圍擴展，生成多個閉合單元的加權Voronoi圖輻射域[24]。將處于該范圍內的其他節點，采取一定原則和方法，進行空間布局優化。

3　結果與分析

3.1　村域空間網絡結構分析

將燕壩村農村居民點抽象為節點，農村居民點之間聯結強度矩陣設為連接邊構建村域空間網絡。為分析網絡節點度的分布格局和復雜性特征，首先，對賦值矩陣進行極值標準化處理；然后，經過多次敏感性測試，選擇“0.018”為切分點進行二值矩陣轉化，共得到401條邊；最后，通過UCINET軟件對二值矩陣進行對稱化處理，以 ArcGIS 10.2為平臺實現網絡結構圖的可視化表達。采用自然斷裂法，結合網絡節點度的分布特征，將節點度分為高 (>15) 、中(8～15) 、低(<8)這3級(圖1)。

網絡以高節點度農村居民點為核心形成“核心-邊緣”的格局特征。(1)高節點度農村居民點390、391、1 066號處于網絡的核心位置，貫穿村域中部、形成橫向潛能流動網絡密集區。根據節點度的大小和相聯系節點的分布，3個核心節點的輻射區域存在差異：390號節點度最大，相聯系節點分布較均勻且其區位優越、交通便利，成為全村網絡的核心；391號節點受所處位置和長江影響，多與五、六社節點有潛能交流，為西區網絡的核心；1 066號節點處于村域東部、臨近公路，受城鎮發展輻射較大，影響范圍集中于一社和二社部分地區，屬于東區網絡核心。(2)中節點度農村居民點主要分布于村域邊緣地帶，區位條件一般，聯系范圍小于高節點度居民點；大多集聚分布，相互聯系密切、基礎設施共享程度較高，且靠近農村道路、交通較為便利，故其輻射強度具有“疊加效應”，成為周邊居民點間的核心和高節點度居民點與周邊居民點聯系的“中介”與“橋梁”。(3)低節點度農村居民點廣泛分布于整個村域，節點之間聯結度較低。因區位條件較差或位于農業生產區而分布零散等，導致這些農村居民點之間聯系較少，節點度較低。

3.2　中心點重要度及輻射域厘定

核心節點在整個網絡中具有很強的影響力，是區域農村居民點體系空間組織的主導載體。考慮到相互空間距離因素，一些節點個體發展良好，即區位條件優越、服務體系完善、住居環境良好，且與其他居民點聯系緊密，對其他節點的空間影響力較大，故在網絡體系中居于核心位置。而一些節點區位條件較好且相互聯系緊密，組成網絡凝聚子群，空間疊加作用強烈，故其空間影響力較高。基于各核心節點區位條件和節點度，采用節點收縮法和擴展斷裂點模型，凝聚中心點、厘定節點重要度和空間輻射范圍，并將其劃分為一級、二級中心點2個等級(表2、圖2)。

表2　農村居民點中心點空間輻射域情況

一級中心點390、391、1066號，空間輻射域面積共計684.32 hm2，節點重要度共計2.498，域內共包含1 277戶農戶，對其他節點吸引能力較強，主要由于其良好的基礎條件和發展環境。刁燕公路貫穿其中，出行交通便利，公共設施配套齊全，域內小學、衛生中心、超市、飯店、郵政所等均有分布，為周圍農戶提供了良好的居住環境和就業機會，區位優勢較為突出。中心點內農戶屬于非農專業化發展型，即已完全脫離農業生產，受城市輻射與鄉鎮企業的吸引，外出務工且長期從事穩定的非農職業，生計來源主要為工資性收入，家庭資產得到有效積累，經濟發展水平較高，充分共享農村社區的便利服務。同時，中心點內定期舉行趕場、下鄉宣傳和職業培訓等活動，促進了中心點與周圍節點農戶的交流，滿足了周圍農戶的生產生活需求，擴大了中心點的影響力和聯結度。

二級中心點為中節點度農村居民點歸并形成的1 102、789、234、561、591號，位于村域邊緣的淺丘地區，農業生產環境和出行條件較方便、輻射環境較相似，其總輻射面積達427.66 hm2，占全村總面積的38.46%。域內農戶共計1 002戶，主要以兼業化發展和非農多樣化發展為主。兼業化農戶兼顧農業生產與非農活動，即農忙時務農，農閑時在本村產業園或附近城鎮務工；非農多樣化農戶多以從事運輸、建筑、餐飲等非農經營項目為主，收入相對穩定，生活需求基本滿足。中心點由多個中節點度節點組成，其內部親緣地緣關系顯著，相互交流頻繁，基礎設施共享程度較高，同時，為周圍農戶提供了生活便利，鄰里關系較為融洽，成為農戶間信息交流的重要場所。

3.3　農村居民點布局優化策略

3.3.1空間布局原則堅持“點面結合、散中有聚”的原則，為提高土地利用效率、降低基礎設施投入，鼓勵農村居民點適度集聚尤為必要。而綜合考慮地形條件和農業生產特征，為提高農業生產效率，要求勞動力和生產資料盡可能接近生產地點，故決定了其分散特征。因此，應尊重農戶意愿、避免隨機分布，實行集中居住和分散布局相結合，促進農村居民點間互聯互通、協調發展。

3.3.2農村居民點優化模式根據村域資源稟賦、生產生活條件以及社會經濟發展基礎差異，將農村居民點布局優化分為重點發展型、內部挖潛型、搬遷合并型和自然保留型等4種類型。

重點發展型。一級中心點為重點發展型，以“完善功能、健全服務、擴大規模”為導向，構建便民服務社區，凸顯區位優勢。一方面，積極承接鄉鎮輻射，借助資金、信息和政策優勢，進一步完善基礎設施與公共服務體系，提升門檻人口和影響范圍；加強社區管理和文化建設，重構域內社會網絡和鄰里關系。另一方面，便民服務社區以從事非農發展的農戶為主要服務對象，滿足其對便捷舒適生活的追求，同時引導輻射域內農戶采取多種形式的土地流轉，獲得土地收益，促進土地的規模化經營和產業發展，吸引周邊農戶向社區集聚，引導域內農村居民點搬遷。一級中心點定位于中心村，通過健全設施、優化服務，發揮其引致作用。

內部挖潛型。二級中心點為內部挖潛型，依據各社區位條件和農戶生計狀況，具體設計服務中心。1102號和234號中心點靠近農業產業園區，域內的農業技術和生產資料等交流較頻繁，為擴大產業園就地吸引勞動力的容量，保障農戶經濟來源，提高土地集約化水平，將其建設為生產服務中心。561號和591號中心點受鄉鎮輻射和交通指向顯著，將其定位于信息交流中心，為鄉鎮政策傳播、農戶務工交流等提供服務。789號中心點所在社地形起伏較大、交通較為閉塞，且農戶多外出務工，大量居民點閑置，基于此，應注重其環境保護，引導集中居住，構建生態保護中心。二級中心點應通過內部挖掘方法，提升自身服務質量，強化域內物質、信息等流質聯系，同時，承接中心村輻射帶動，定位于基層村建設。

搬遷合并型。基于村域整體發展、中心點輻射和農戶搬遷意愿，對位于環境脆弱、交通閉塞和生產發展內的農村居民點采取補貼引導、就近搬遷、鄰近管理形式，調整農村居民點布局。同時，將閑置居民點復墾，以增加村域用地指標。

自然保留型。綜合考慮村域承載力和“點面結合”原則，保留除拆并和擴建的農村居民點以外的現狀農村居民點，以整改優化為主，控制發展規模。

總之，村域農村居民點呈現“核心-邊緣”特征，通過辨識、優化村域空間網絡中心點，利于提升網絡整體的可靠性和魯棒性。本研究摒棄大拆大建和追求集聚的思想，充分考慮村域資源稟賦、尊重農戶意愿，針對中心點自身屬性、聯結強度的差異，提出以“點面結合、散中有聚”為指導，通過重點建設、內部挖潛、搬遷合并、自然保留等4種方式，優化農村居民點空間布局，提升村域人居環境。

4　結論

本研究將復雜網絡的研究理論和分析方法應用到村域空間網絡研究中，基于農村居民點質量和空間可達性的引力模型測度節點之間作用強度和方向，以農村居民點為網絡節點，農村居民點之間聯結強度為連接邊，構建村域空間網絡，并借助UCINET軟件進行可視化表達。運用節點度量測和節點收縮法，確定村域空間網絡的兩級中心點。基于中心點輻射能力和輻射域內條件的多樣性，兼顧村域環境條件和農戶意愿需求，厘定出布局原則和優化模式。本研究有助于為村鎮規劃編制和產業結構調整提供決策依據。

本試驗從地塊尺度出發研究村域范圍內節點間的相互作用和空間聯系，根據各中心點輻射能力和輻射范圍厘定以中心村為核心、基層村為輔助的“中心-基層”2個等級的農村居民點體系，為燕壩村居民點體系規劃與建設提供依據。但村域作為村鎮等級體系的基本單元，其經濟發展和功能定位較大地受到鄉鎮輻射帶動和區域規劃布局的動態影響。因而，如何綜合考慮政策、風俗等因素豐富和完善村域居民點體系規劃將是以后研究的重點。

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