基于GIS的喀斯特地區聚落水平空間演變特征研究
——以畢節市為例

張興菊，王 琦

(1.貴州省林業調查規劃院，貴州 貴陽 550003；2.貴州省林業勘察設計有限公司，貴州 貴陽 550001)

1 引言

聚落是人類作用于自然環境的結果，其在人與自然共同作用下發展，是人地關系系統研究的核心[1～5]。19世紀至今，關于聚落的研究角度、方法等多樣化[6～10]，從多角度、多領域對聚落演變進行探討，始終是各研究者關注的課題。喀斯特地區聚落演變受到自然環境的制約，具有顯著的喀斯特特征，不同程度的喀斯特環境聚落呈現不同的空間演變趨勢，體現了喀斯特地區人地關系發展。

本文選取貴州省典型喀斯特地區——畢節市為研究區域，基于GIS技術，從2000年、2005年、2010年、2015年4個時期遙感影像中采用目視解譯的方式提取研究區聚落數據，運用定性分析和定量分析，并結合其特殊的自然環境背景[11]，科學研究喀斯特聚落水平空間特征，探討聚落在喀斯特水平空間分布規律，為聚落良好發展提供科學的依據。

2 數據來源與研究方法

2.1 研究區概況

貴州省畢節市位于貴州省西北部(圖1)，地處川、滇、黔三省交界處(103°36～106°43，26°21～27°46)，海拔介于457～2900.6 m之間，喀斯特地貌發育形態多樣，區域內裸露巖石以碳酸鹽巖類沉積巖為主，是貴州省典型的喀斯特發育地區之一。研究區域下轄8個區(縣)，即織金縣、赫章縣、大方縣、納雍縣、金沙縣、黔西縣、威寧彝族回族苗族自治縣和七星關區，地區面積26848.5 km2，占貴州省總面積的15.25%；以畢節市為例具有如下特點：①研究區受到地形地貌的制約，生活生產方式與自然環境有著密切聯系，經濟發展相對滯后，聚落空間分布具有顯著地域分異特征，是貴州省喀斯特地區的典型代表。②區域內居住著漢族、白族、彝族、布依族等45個民族，少數民族人口占25.88%，是一個多人口、多民族雜居的區域。

圖1 畢節市區位

2.2 數據來源及處理

為探討研究區聚落空間演變規律，聚落數據主要以2000年TM影像、2005年CBERS影像、2010年ALOS影像、2015年資源二號、資源三號等影像為基準提取。利用ERDAS軟件對各年份遙感影像進行幾何校正、波段融合以及拼接等處理，基于遙感影像的基礎上進行人工目視判別提取研究區喀斯特聚落數據。

3 研究方法

3.1 相關性驗證

聚落之間是否存在相互影響關系，則通過相關性驗證其分布規律，分析研究區聚落演變在水平上的特征。采用空間關聯維數對聚落相關性進行驗證，對其聚落系統結構形態進行描述，研究聚落各用地之間存在的空間相關性，討論研究區聚落水平空間分布特征，表達公式如下[12]。

(1)

(2)

C(r)∝rD

(3)

lnC(r)=Dlnr+b

(4)

式(1)～(4)中，C(r)為聚落空間關聯維數；r為碼尺；N為研究區內聚落點數量，dij表示第i個聚落到第j個聚落的直線距離；H(x)為Heaviside函數，若x>0，函數值為1，若x≤0，函數值為0；D為關聯維數值。

3.2 核密度估計

核密度估計主要用于分析聚落水平空間分布的聚集程度，以計算后核密度數值大小表達聚落水平空間分布聚集與離散程度，其表達式如下：

(5)

式(5)中：f(x,y)為某一聚落點(x,y)的核密度，n為聚落數量，h為評價范圍半徑，k為核密度函數，di是指兩個聚落點之間的距離。

3.3 演變評判

聚落演變評判主要以聚落演變重心為依據，對其各時期演變重心進行分析，繪制多時期聚落重心變化軌跡，反映聚落水平空間變化方向，是常用評判聚落水平空間分布特征方法之一，其表達式如下：

(6)

式(6)中：(X，Y)為聚落的重心點，Pi為聚落數量，Xi為第i個聚落所在的經度，Yi為第i個聚落所在的緯度。

4 數據分析

以2000～2015年遙感影像數據為基礎，提取2000、2005、2010、2015年4個時期研究區域內8個縣聚落數據，運用ArcGIS空間分析工具，并結合研究區內各縣實際情況對其聚落水平空間分布特征進行分析探討。

4.1 聚落結構形態特征

本文采用相關性驗證的方法，探討研究區域內8個縣聚落結構形態特征，利用ArcGIS軟件分別計算研究區域內8個縣空間關聯維數值D，表達各縣域內聚落結構形態特征。空間關聯維數值D范圍為0～2之間，當D趨于0時，則表明聚落在水平空間分布越集中，相互作用越大，相關性越強；反之，則表明聚落在水平空間分布越分散，相互作用越小，相關性越弱。

從結果來看，2000～2015年期間，研究區域內各縣關聯維數值D逐漸增加，則表明各縣域內聚落在水平空間分布上越來越離散，并以任一點為中心呈現平均分布趨勢，聚落間相互作用越來越小，相關性弱。

4.2 聚落聚集程度

如圖2所示，2000～2010年期間，聚落核密度值增加較大，但威寧彝族回族苗族自治縣和金沙縣城鎮區域聚落密度值變小，即兩者城鎮區域聚落分布區域離散；2005～2010年期間，由于新農村運動的影響聚落變化明顯，水平空間變化較2000～2005年大；2010～2015年期間，隨著聚落發展對周圍環境的影響，人們開始注重生態環境問題，更多關注人與自然可持續發展關系，聚落演變趨于平緩，聚落密度變化較小。2000～2015年期間，赫章縣和織金縣在四個時期聚落水平空間分布離散，在聚落核密度值較其他縣域小，聚落水平空間分布面積整體增加，聚落密度增加，聚落發展分別向各縣城鎮區域聚集并向縣城鎮區域范圍外擴展的趨勢，說明在此期間當地扶貧搬遷工作成效明顯，居民對當地政策采取相應措施，聚落向各縣城鎮區域方向遷移。

圖2 畢節市2000～2015年聚落密度分布

4.3 聚落水平演變方向

聚落的重心位置體現了聚落發展方向，在一定程度上表明其空間發展，是體現人地關系的一種方式。如表1所示，在2000～2015年期間，研究區域內8個縣域內聚落重心存在不同程度偏移，其中七星關區聚落重心偏移距離最大，為3574.23 m；納雍縣聚落重心偏移距離最小，為678.09 m。

從各時期來看，2005～2010年期間，受新農村運動的作用，研究區各縣域聚落向城鎮區域聚集，聚落重心偏移程度最大；2010～2015年期間，城鎮聚落發展達到飽和，生態環境問題出現，為協調人與自然關系，發展策略更為合理，不再是盲目集中于城鎮區域，更多是協調區域發展，研究區各縣聚落重心偏移較小。

表1 畢節市2000～2015年聚落重心偏移距離統計 m

5 結論

本文選取貴州省黔西北地區——畢節市為研究區，以GIS技術為技術支撐，采用水平空間相關性、核密度以及聚落發展重心的方法進行研究，結合研究區實際發展情況對其聚落水平空間演變特征進行探討，結果表明：研究區聚落水平空間演變特征明顯，受當地政策影響效果顯著，不同時期聚落水平空間分布呈現不同變化趨勢。

聚落的發展受自然條件的限制以及人為主觀意識能動的影響，具有一定水平空間分布特征，喀斯特地區聚落水平空間分布特征顯著，是表現人地關系的一種方式。因此，合理推進聚落發展是協調人地關系、可持續發展的必要途徑。