禹城市農村居民點空間分布模式和景觀格局

張宇，董菡，李洋洋

(德州學院資源環境與規劃學院，山東 德州 253023)

0 引言

隨著我國城市化建設的快速推進，城鎮建設用地需求旺盛，土地資源的供給越來越緊張。長期以來，我國農村居民點的布局忽視系統的控制和引導，其籌建以農民自主選擇為主。自然村普遍形成了“星空”分散布局的現象，同時“空心村”問題逐年加劇，土地資源浪費嚴重，不利于土地集約利用和農村基礎設施建設[1]。隨著鄉村振興戰略、新農村建設、城鄉融合發展、供給側結構性改革及美麗鄉村建設的深入[2-3]，迫切需要從整體出發，合理布局農村居民點，構建良好的人地居住環境。當前國內關于農村居民點開展了相應的研究，通過ArcGIS根據坡度、道路、水源等指標體系對農村居民點進行等級劃分，并做出布局優化[4-7]；通過將環境因素、經濟因素、社會因素等賦予不同的權重對農村居民點進行用地適宜性評價[8-9]；通過景觀生態學中的景觀格局指數來說明農村居民點數十年的演變狀況[10-13]等。

禹城市是德州市“兩區同建”的重要組成部分，近年來，兩區同建項目通過合理規劃，明確城鎮化的空間格局，取得較好進展，減少了“空心村”現象，對土地資源的利用也更加合理。因此，基于遙感數據和地理信息系統，在生態學景觀格局的定量研究方法下，將禹城市面狀分布的農村居民點抽象成點的分布模式，以此來反映農村居民點的空間分布特征，為土地資源的合理利用、農村居民點的合理布局提供科學依據。

1 研究區與數據來源

1.1 區域概況

禹城市，隸屬于山東省德州市，地理位置優越，屬于環渤海經濟圈(圖1)。自東北部順時針依序與臨邑縣、齊河縣、茌平縣、高唐縣、平原縣五縣相接，面積約990hm2。2018年禹城市人口總數為54.1萬，其中鄉村人口29.59萬人，占人口總數的一半以上。下轄9鎮、1鄉、2街道和1處國家級高新技術產業開發區，該區光熱資源豐富，地形平坦，自然生產條件優越，是山東省優質糧食生產基地，德州市農業經濟發展區與農副產品的重要供給地。但由于禹城市農村居民點缺乏有序規劃以及當地歷史文化原因使農村“一戶多宅”現象突出，同時城鎮化建設的快速推進使農村勞動力季節性外出就業頻繁，造成禹城市鄉村聚落荒廢嚴重，“空心村”問題日益凸顯。

1.2 數據來源

該研究以空間分辨率為30m的Landsat影像作為基礎影像，選取的遙感影像云量均小于5%，遙感影像質量較好，同時使用遙感圖像處理軟件ENVI對獲取的影像數據進行輻射定標，大氣校正等數據預處理，并按照行政區劃圖裁剪得到禹城市影像數據。表1為研究區Landsat數據簡介：

表1 Landsat數據

1.3 農村居民點提取

當前，基于像素分類提取農村居民點用地的方法主要有監督分類、非監督分類以及基于專家知識的決策樹分類，同時也存在指數模型法等新型提取法[14]。該研究同時選用多種方法對比提取農村居民點效果，選取分類精度較高的方法來提取農村居民點，通過對比分析發現監督分類的最大似然法分類效果最佳，與農村居民點契合度最佳，但同時由于農村居民點與裸土地、裸巖石礫地存在比較嚴重的“同譜異物”現象[15]，所以該研究結合了Google Earth歷史影像進行精度矯正，得到高質量的農村居民點分布數據。提取的居民點如圖2所示：

2 研究方法

2.1 樣方分析法

樣方分析法是根據研究區面積和點的數量確定樣方大小后，統計每個樣方中點的個數與隨機模式下點的個數相比較是否符合隨機分布，通過點的分布模式來判斷其空間分布特征。樣方的尺寸大小采用以下公式：

(1)

式中：s—樣方大小；A—研究區域面積；r—農村居民點的個數。

如果是采取雙樣本檢驗，選用K-S統計檢驗法進行檢驗[16]。若計算出K-S檢驗的D統計量大于比較基準的臨界值Da=0.05，則可以認為存在顯著差異。算式如下：

D=max|Qi-Ei|

(2)

圖2 禹城市農村居民點分布圖

(3)

式中：Qi，Ei—來自任意2個觀測分布的第i組累計比率，而n1，n2為2組中的點數。

2.2 最近鄰點統計量

最鄰近統計量是兩點之間的最近距離與理論模式下的點與點最小距離相比較后，是否具有點的某些空間分布特征。算式如下：

(4)

(5)

(6)

式中：robs，rexp，di，n，A分別表示實際兩點觀測值，期望距離值，最近鄰點距離，農村居民點點數以及研究區的面積。

如果R>1，則表明觀測模式比隨機模式分散，反之則說明聚集。R統計量的取值為0

(7)

(8)

式中:在α=0.05顯著性水平下，若Z>1.96或Z<-1.96，說明觀測模式與隨機模式之間存在顯著差異；反之，說明不存在統計顯著性。

2.3 景觀格局指數

景觀格局指數是景觀格局信息的高度濃縮，而這種簡單量化指標可以反映景觀結構組成以及空間配置特征[19]。農村居民點經過長時期的發展，其形狀、規模皆發生了顯著的變化，因此，從景觀生態學的角度出發，運用斑塊面積(CA)、斑塊數量(NP)、最大斑塊指數(LPI)、平均形狀指數(MSI)、面積加權平均斑塊分維數(FRAC_AM)和聚集指數(AI)等景觀生態指數可以較好地闡釋農村聚落近幾十年的演變規律。

3 結果與分析

3.1 樣方分析法

根據禹城市農村居民點提取結果與禹城市行政區劃圖可得，2000年禹城市共有938個農村居民點，2017年居民點總數為860個，而禹城市的行政區劃面積約為990km2，根據公式(1)將會得到2個大小不一的樣方，為了數據結果的準確性和可對比性，將2個時期居民點取平均，進行計算。每個農村居民點的平均面積為2.22km2，樣方大小為1490m×1490m，從而對禹城市居民點空間分布特征進行分析。根據禹城市的行政邊界對建立的樣方進行空間查詢，可得研究區被512個樣方完全覆蓋，消除邊界效應的樣方，最后剩余373個有效樣方。結果如表2所示：

表2 禹城市2000年與2017年居民點樣方分析結果

與2017年相比，2000年禹城市包含0～4個居民點的樣方總數較多，而2017年禹城市包含5～7個農村居民點的樣方數比2000年的樣方總數多。這表明較多的樣方覆蓋了相對較少的居民點，而較少的樣方卻覆蓋了較多的農村居民點。在高度密集點的分布模式下，一個或幾個樣方會覆蓋較多的農村居民點；在相對分散點的分布模式下，較多的樣方會覆蓋相對較少的農村居民點，因此，相比2000年來說，2017年的農村居民點更加集聚。同時D統計量為0.0938(表2)，根據公式(3)，在α=0.05的顯著水平下，比較基準的臨界值是0.0642，D>Dα=0.05，說明禹城市2個時期居民點空間分布特征存在顯著差異，且2017年禹城市居民點空間集聚態勢更加顯著。但將農村居民點樣方圖可視化后，如圖3所示，可以看出禹城市農村居民點總體分布較為分散，聚集程度高的農村居民點樣方少，多以分散為主，這主要是由禹城市的地形特征導致的，禹城市地形平坦，耕地面積廣大，受地形的影響很小，農村居民點具有相對均勻分布的特征。

3.2 最近鄰點統計量

通過ArcGIS軟件將農村居民點斑塊提取為面狀要素，并通過轉換工具中的要素轉點工具將其轉化為點要素分布，之后基于最鄰近點統計量原理，使用ArcGIS中的最近鄰分析工具，分別得出2000年和2017年禹城市居民點之間的相距最近距離，之后通過公式(4)～(7)分別計算得出R統計量以及標準化Z值(表3)。

圖3 禹城市農村居民點樣方分析

表3 2000年和2017年禹城市居民點R統計量與Z值

從R統計量來看，禹城市2000年的R統計量為1.016>1，而2017年的R統計量為0.908>1，說明2000年居民點的分布呈現分散趨勢，而2017年的農村居民點呈集聚態勢；從標準化Z值出發，禹城市2000年的標準化Z值為0.927，(-1.96

3.3 景觀格局

農村居民點作為農村人口聚居的主要場所，經過長時間的發展，在規模、數量、形態等方面發生了顯著的變化，而景觀格局指數可以較好地反映農村居民點的發展變化情況。表4為2000年和2017年農村居民點的景觀格局指數數值：

禹城市農村居民點雖然總體用地規模減少，農村居民點數量下降，但部分居民點用地規模增加明顯。近20年，禹城市農村居民點用地發生了顯著的變化，根據表4可知，農村居民點總面積由12796.74hm2減少到10710.36hm2，同比下降16.3%，農村居民點總個數由938下降到860個，下降8.3%。根據表5可知，市中街道和房寺鎮2個鄉鎮居民點數量下降最多，主要是由于禹城市積極實施“兩區同建”，推進新型城鎮化建設，將一些面積小，空心化嚴重的村莊進行合并，農村居民點數量逐漸減少。但同時最大斑塊指數卻從0.0336增長到0.0534，說明局部居民點逐漸集聚的趨勢，新老農村居民點結合在一起，增大了斑塊的面積，這與德州市近些年經濟發展水平和當地的生活方式密不可分。

農村居民點斑塊形狀由復雜化向規則化轉化，邊界形狀趨于簡單。從禹城市2個時期農村居民點形狀指標來看，平均形狀指數降低了0.069，面積加權平均斑塊分維數由1.0478下降至1.0375(表4)，說明禹城市農村居民點斑塊形狀從破碎化、復雜化走向完整化、規則化。近20年來各個鄉鎮的平均形狀指數與面積加權平均斑塊分維數都呈下降趨勢(表5)，說明近20年來禹城市各個鄉鎮農村居民點的發展沒有紊亂的進行，而是沿著村莊的原有規劃，按照一定形狀，一定規則有序的發展，其中禹城市當地土地資源保護政策起到很大的作用。

表4 禹城市2000年和2017年居民點景觀格局指數

表5 禹城市各鄉鎮農村居民點景觀格局指數

農村居民點分布趨向更加密集。AI集聚指數由2000年的90.04增加至90.26(表4)，表明2017年農村居民點分布具有更加聚集的態勢。但是從各個鄉鎮來看，聚集的態勢不夠顯著，說明禹城市實施“兩區同建”雖然取得了一定進展，但禹城市農村居民點規模小，布局分散，在下一步的推進新型城鎮化建設時，應進一步加強統籌規劃。

4 結論

以RS和GIS為技術手段，采用樣方分析法和最近鄰點統計量深入研究禹城市農村居民點空間模式分布及其演進規律，并從景觀生態學的角度，進一步闡釋農村居民點的演變特征，研究結論如下：

(1)禹城市2個時期農村居民點空間分布存在顯著差異。與2000年相比，2017年相對較少的樣方數覆蓋了相對較多的農村居民點，說明2017年禹城市農村居民點總體上呈現集聚分布的趨勢。從統計學方面來說，2000年禹城市農村居民點雖然呈現空間分散的趨勢，但卻不具有顯著性，而2017年農村居民點聚集程度更高，呈現出顯著的空間集聚趨勢。

(2)禹城市農村居民點雖然總體用地規模減少，農村居民點數量下降，但部分居民點用地規模增加明顯，同時農村居民點分布具有更加聚集的態勢，農村居民點斑塊形狀由復雜化向規則化轉化，邊界形狀趨于簡單。

綜上，禹城市2000年農村居民點空間分布與2017年農村居民點分布具有顯著差異，并且2017年農村居民點集聚態勢更加明顯，說明禹城市進行“兩區同建”取得初步成效，對于合理配置基礎設施資源，促進土地資源的高效利用以及集約化經營土地具有重要意義，但農村居民點聚集程度不夠，說明在實施“兩區同建”時仍具有部分問題。在接下來的“兩區同建過程” 中，應統籌規劃，優先推進經濟相對落后、居民點規模小、分散度高的地區，優化當地用地布局結構，同時發展當地的特色產業，促進經濟的可持續發展能力，提高人民的物質與精神文化水平，建設美麗鄉村，實現鄉村振興。