GIS支持下山区县域农村居民点分布特征研究_以栖霞市为例

第27卷 第3期2011年5月地理与地理信息科学

G eog raphy and Geo -Info rmation Science V o l.27 No.3M ay 2011

收稿日期:2011-01-06; 修订日期:2011-03-03 基金项目:山东省科技攻关项目(2009GG10009062)

作者简介:李云强(1985-),男,硕士研究生,研究方向为国土资源信息化。*通讯作者E -mail:qiwei@https://www.360docs.net/doc/277420957.html,

GIS 支持下山区县域农村居民点分布特征研究

)))以栖霞市为例

李云强,齐 伟*

,王 丹,闫 勇,路 超,王娜娜,秦天天

(山东农业大学资源与环境学院,山东泰安271018)

摘要:运用GIS 空间分析技术、景观指数法和Vo rono i 图Cv 值相结合的分析方法,研究了胶东山区栖霞市农村居民点的空间均匀性特征,并探讨了农村居民点在地形梯度上的分布特征。结果表明:全市农村居民点分布的Cv 值为58184%,空间分布表现为随机分布;唐家泊镇、松山镇、臧家庄镇和翠屏街道4个乡镇的农村居民点呈集群分布,其他乡镇为随机分布;农村居民点分布的优势区间在1~3地形位,随着地形位的增大农村居民点的优势度降低;农村居民点的面积、斑块数目和平均斑块面积随地形位的增大而减少,平均斑块形状指数和平均斑块分维数随地形位的增大而增大;同时,公路是影响山区农村居民点空间布局的重要因素。研究反映了栖霞市农村居民居住习惯的差异,为农村居民点的整治和规划提供了依据。

关键词:Vo ro no i 图;农村居民点;景观指数;山区县域;G IS;地形位指数

中图分类号:F301.23 文献标识码:A 文章编号:1672-0504(2011)03-0073-05

农村居民点是农业劳动者共同居住,并进行经济、政治和文化等活动而聚集的定居场所[1,2]。农村居民点建设长期处于农民的自发选择状态,导致目前农村居民点空间布局零乱分散,集聚能力差,这种松散无序的农村居民点空间分布不利于土地的节约集约利用和农村基础设施建设[3],影响农村产业化、城镇化和现代化进程。随着经济社会的发展和人民生活水平的日益提高,迫切需要对农村居民点进行规划,加强生产生活基础设施、服务设施建设,以满足人们对居住环境改善的需求。近年来,不少学者对不同地域内的居民点空间分布特征进行了研究[4-11],但对低山丘陵区农村居民点分布规律的研究较少。地形因子是农村居民点空间分异的重要影响因素,在山区其影响更为突出。为此,本文利用Vor onoi 图法和景观指数法,结合地形位指数,研究栖霞市农村居民点空间布局的均匀性、数量、规模、用地比例和形状以及影响因素,为该区农村居民点整治和规划提供依据。

1 研究区概况与数据来源

栖霞市位于胶东半岛中部,东经120b 33c ~121b 15c ,北纬37b 05c ~37b 32c ,土地总面积201717km 2,辖12个镇、3个街道、953个行政村,总户数2315万户,总人口66万人。栖霞市地处暖温带湿润半湿润季风气候区,四季分明,光照充足,年均气温1113e ,年均

降水量684158mm 。全市海拔30~815m,境内群山起伏,丘陵连绵,地形复杂,大小山峰2500余座,海拔400m 以上的低山118座,属典型山地丘陵地形,素有

/六山一水三分田0之说和/胶东屋脊0之称。

本研究采用的数据资料包括栖霞市1B 215万地形图(等高线间距为5m)、2005年土地利用现状数据库和2005年栖霞市统计年鉴。将全市36幅1B 215万栖霞市地形图扫描,在M APGIS 下对等高线进行屏幕跟踪矢量化,把矢量化线文件拼接生成拓扑关系完整的矢量图,再通过文件转化,在ArcGIS 下建立T IN 模型,经过网格化处理得到栅格大小为25m @25m 的全市DEM 模型;农村居民点、公路和行政界线提取自2005年土地利用现状数据库。

2 基于Voronoi 图的农村居民点分布特征

选取农村居民点Vor ono i 图Cv 值、用地面积、用地比例、密度、平均面积及人均面积等分析农村居民点的空间分布特征。2.1 Voronoi 图的基本原理

采用计算几何学中Voronoi 图的变异系数(Cv )对农村居民点空间分布的类型进行分析,Voronoi 图的定义如下[12]:设平面上的一个控制点集p ={p 1,p 2,,,p n },其中任意两点都不共位,且任意四点都不共圆,则任意点p i 的Vo ronoi 图定义为:

T i ={x B d(x ,p i }

(1)

式中:d 为欧式距离,x 表示集合T i 中的元素。T i 是一个凸多边形,而且在特殊情况下是一个具有无限

边界的凸多边形。Voro noi 图是对平面的一种剖分,在任意一个凸Voro no i 多边形中,任意一个内点到该凸多边形的发生点p i 的距离都小于该点到其他任何发生点p j 的距离,这些发生点也称作Voro no i 图的质心或发生元。Cv 值是Vo ronoi 多边形面积的标准差与平均值的比值,其计算公式为[11]:

Cv =标准差/平均值@100%

(2)

Cv 值可以衡量现象在空间上的相对变化程度。当某个点集的空间分布为均匀分布时,其Voro no i 多边形面积的可变性小,Cv 值低;当空间分布为集群分布时,在集群内(/类0内)的Voro no i 多边形面积较小,而在集群间(/类0间)的Voro no i 多边形面积较大,Cv 值高。但是,规则的周期结构和周期性重复出现的集群分布也会形成较高的Cv 值[13]。Duyckaerts 等提出了3个建议值[14]:当点集为随机分布时,Cv 为57%(包括33%~64%的值);当点集为集群分布时,Cv 为92%(包括大于64%的值);当点集为均匀分布时,Cv 为29%(包括小于33%的值)。

农村居民点用地比例(P R )、农村居民点密度(P D )、农村居民点平均面积(P V )的计算公式分别为

[11]

:

P R =a j /A i (3)P D =n i /A i (4)P V =a j /n j

(5)

式中:a j 为农村居民点用地面积(km 2

);A i 为研究区面积(km 2

);n j 为研究区农村居民点斑块数。

在ArcGIS 中提取每个农村居民点斑块的质心,获得每个农村居民点的中心点。以栖霞市每个乡镇为设置目标,创建以每个农村居民点中心点为发生元的Voronoi 多边形集合,生成栖霞市农村居民点的Vo ronoi 图(图1),从而计算Cv

值。

图1 栖霞市农村居民点V o ronoi 多边形集合

Fig.1 Voronoi diagram set of rural s ettlements in Q ixia C ity

2.2 基于Voro noi 图的农村居民点分布特征分析根据前述Cv 值的分类标准,农村居民点空间分布类型有集群型、随机型和均匀型3种。其中集群型往往与特定资源的聚集分布有关,均匀分布则体现了资源条件的均匀性或人类活动水平的相似性,随机分布表明农村居民点用地分布受资源条件与人类活动影响不明显。栖霞市农村居民点总面积7582139hm 2

,有960个农村居民点斑块,人均面积158148m 2,分布密度为0148个/km 2,用地比例为3175%,Cv 为54184%(表1),农村居民点属于随机分布。农村居民点空间分布特征是该区地域条件综合作用的结果,栖霞市地处暖温带湿润半湿润季风气候区,地貌以低山丘陵为主,平原较少,没有大的水系,自然条件相差不大,社会经济发展模式和发展水平趋同,所以农村居民点在全市分布的概率基本相等,形成随机分布。

表1 栖霞市各乡镇(街道)农村居民点空间分布

T able 1 Sp atial distribution of rural s ettlements

in various towns in Q ixia City

地区

总面积(hm 2)斑块数人均面积(m 2)密度(km -2)用地比例(%)平均面积(hm 2)Cv 值(%)

栖霞市7582.39960158.480.48 3.757.9054.84翠屏街道241.5241117.070.46 2.69 5.8964.63观里镇502.8055166.690.57 5.199.1459.43官道镇537.2650181.200.44 4.6810.7557.35庙后镇247.2833132.110.39 2.907.4959.57蛇窝泊镇737.9890123.330.45 3.668.2054.34寺口镇331.4745165.500.49 3.587.3759.72松山镇485.8960148.290.44 3.558.1071.52苏家店镇472.6557139.820.42 3.468.2960.76唐家泊镇327.9570127.780.50 2.35 4.6875.63桃村镇1027.57119300.880.43 3.718.6450.83亭口镇467.3876142.010.50 3.09 6.1563.50西城镇380.1659153.010.51 3.29 6.4462.47杨础镇390.6149165.910.56 4.477.9742.83臧家庄镇1197.05113163.730.51 5.3510.5966.69庄园街道234.8443126.180.60 3.28 5.4659.04 乡镇尺度上,唐家泊镇、松山镇、臧家庄镇和翠屏街道4个乡镇的Cv >64%,空间分布类型属于集群分布,其他乡镇的空间分布为随机分布。唐家泊镇农村居民点总面积327195hm 2,有70个农村居民点斑块,平均面积为4168hm 2

,Cv 为75163%,表现为集群分布,这是因为镇内有牙山、老虎窝和望母顶3座海拔较高的山,地貌差别较大,农村居民点多选址在西南部地势比较平坦的区域,受地形限制,村庄规模较小;松山镇农村居民点总面积485189hm 2,有60个农村居民点斑块,平均面积为8110hm 2

,Cv 为71152%,表现为集群分布,原因是该镇东北和西南

地势较高,白洋河从中流过,河谷地带地势平坦、水

资源丰富,居民点集中在河谷地带;臧家庄镇农村居民点总面积1197105hm 2,有113个农村居民点斑

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块,平均面积为10159hm2,用地比例最大,Cv为66169%,表现为集群分布,主要因为该镇地形平坦并有白洋河流过,居民点多分布在白洋河两侧以及城镇周围;翠屏街道位于栖霞市市区,农村居民点总面积241152hm2,有农村居民点斑块41个,平均面积为5189hm2,Cv为64163%,表现为集群分布,农村居民点布局受主干道路和城镇发展的影响。观里镇、官道镇、庙后镇、蛇窝泊镇、寺口镇、苏家店镇、桃村镇、亭口镇、西城镇、杨础镇和庄园街道11个乡镇的农村居民点总面积5329199hm2,占全市居民点面积的70129%,Cv<64%,空间分布属于随机分布,主要因为其所在的区域基本属于低丘陵地形,居民点选址的限制不大,布局相对自由。

3基于地形位的农村居民点分布特征

311地形位指数

地形位指数可综合描述高程和坡度属性,其计算公式如下[15]:

T=lo g[(E

E

+1)@(

S

S

+1)](6)

式中:T为地形位指数;E、E分别代表空间任一栅格的高程值和栖霞市平均高程值;S、S分别代表空间任一栅格的坡度值和栖霞市平均坡度值。利用式(6)转换后,空间上每一栅格都有一个地形位,原来的高程和坡度属性即可由地形位综合描述。高程低、坡度小的区域地形位小,而高程高、坡度大的区域地形位大。将栖霞市境内的地形位指数(0115~ 3185)按从小到大等分为10个级别(图2)。

图2栖霞市地形位指数

Fig.2Distribution map of terrain niche index in Q ixia City 3.2分布指数

为了消除不同地形位区段面积差异的影响,引入分布指数(P)来描述农村居民点在地形位上的分布情况,计算公式如下[15]:

P=(S ie/S I)/(S e/S)(7)式中:S ie为e地形位下农村居民点的面积,S I为栖霞市农村居民点的总面积,S e表示栖霞市内e种地形位的总面积;S为栖霞市的土地面积。当P=1时,表示农村居民点在某地形位上的比重与栖霞市内该地类的比重相等;若P>1,表示农村居民点在某地形位上的比重大于栖霞市内农村居民点的比重,则该地形位是农村居民点分布的优势地形位,P越大,优势越明显;若P<1,表示农村居民点在某地形位上的比重小于栖霞市内农村居民点的比重,则该地形位是农村居民点分布的非优势地形位。

3.3农村居民点分布指数在地形位上的分布

分别计算农村居民点斑块在10个地形位上的分布指数(图3),其中,P

>1的地形位区间设定为优势地形位区间。

图32005年农村居民点在地形位指数梯度上的分布

Fig.3Distribution of rural s ettlements with different terrain

niche index grad ient in2005

由图3可知,栖霞市农村居民点分布指数随地形位指数增大表现为波动下降趋势,在1~2级地形位上趋势线平缓上升,2~4级地形位趋势线陡降,在4~5级地形位趋势线又平缓上升,5级以后趋势线随地形位增大而下降,9级以后分布指数降为0。农村居民点分布的优势区间在1~3地形位,随着地形位的增大农村居民点的优势度降低。这主要因为地形位小的区域,土地平坦,交通方便,有利于农业发展,便于居民的生活和生产,适合居民点的布局。3.4农村居民点景观特征在地形位上的分布

选取栖霞市农村居民点总面积(CA)、居民点斑块数目(NP)、平均斑块面积(AREA_M N)、平均形状指数(SH APE_M N)和平均斑块分维数(FRAC_ M N)等景观指数研究农村居民点在不同地形位的分布特征。由表2可知,随着地形位的增大,农村居民点总面积逐渐减小,在1~4级地形位的区域,分布了86169%的农村居民点;农村居民点斑块数目整体上表现为下降趋势,在第2级地形位上分布最多,为269块,2级以上呈下降趋势,9级以上地形位没有农村居民点斑块;农村居民点平均斑块面积随着地形位增大而减小,1级地形位上最大为1018hm2,在第8级地形位上最小为2107hm2。这主要因为地形位小的区域地势较低,坡度相对平缓,交通便利,水热

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第3期李云强等:GIS支持下山区县域农村居民点分布特征研究

条件好,适宜农业耕作与人类居住。综上,地形位小的地区居民点总面积大、数量多、斑块大;随着地形位的增大,土地变得细碎,交通越来越不便,环境变得脆弱,限制了农村居民点的规模和布局。

表2农村居民点分布与地形位指数的关系

Table2Relationship between the distribution of rural settlements and terrain niche index

地形位分级总面积(C A)斑块数目(NP)平均斑块面积(AREA_M N)平均形状指数(SH APE_M N)平均斑块分维数(FRAC_M N) 11296.2512010.80 1.37 1.05

22505.162699.31 1.39 1.06

31799.292267.96 1.44 1.06

4972.61153 6.36 1.50 1.07

5654.19115 5.69 1.57 1.08

6274.5453 5.18 1.59 1.09

774.1421 3.53 1.63 1.09

8 6.213 2.07 1.71 1.10

900---

1000---

随着地形位的增大,平均斑块形状指数随之增

大,说明地形位越大斑块的形状越复杂,越不规则;

地形位的平均斑块分维数较小,不超过1110,原因在

于农村居民点属于人工斑块,受人为影响大,形状较

规则,近似于方形,具有一定的稳定性,随着地形位

的增大,分维数增大。地形的复杂程度影响农村居

民点的形状,地形位越大,农村居民点形状越复杂和

不规则,稳定性越差。

4农村居民点空间分布与公路的关系

交通条件是农村居民点形成的重要影响因素,

公路是人们生产、生活过程中获取物质流、能量流和

信息流的重要联结纽带,农村居民点往往分布在公

路能够到达的地区。本文所选公路包括国道与省干

线公路和县乡公路。由表3可知,农村居民点的大

小、分布与交通状况有密切关系。距公路500m范

围内的农村居民点总面积最大,斑块数最多,2005年

分别达到了3315179hm2和403个,占全市农村居

民点面积的43173%。距公路越远,农村居民点总面

积越小,斑块数越少,距离公路2500m以外的农村

居民点总面积为529166hm2,占全市农村居民点总

面积的6199%,斑块数有72个,大部分分布在偏远

山地区;农村居民点沿公路分布的特征,一方面由于

人们倾向于居住在交通方便的区域,另一方面由于

栖霞市村村通公路等活动的开展。从平均斑块面积

表3农村居民点分布与距公路距离的关系

Table3Relationship between the distribution of rural

s ettlements and the distance from rural settlements to road

距公路距离

(m)总面积

(CA)

占农村居民点

总面积比例(%)

斑块数

(NP)

平均斑块面积

(AREA_M N)

<500331517943.734038.73 500~10001393.2718.381758.29 1000~1500985.6213.001327.52 1500~2000810.6310.691117.44 2000~2500547.427.22678.55 >2500529.66 6.99727.46看,农村居民点分布规律不明显,因为农村居民守土观念较强,村庄与村庄之间的人口迁移较少。公路是影响山区发展的关键因素,对偏远的农村居民点,要加强基础设施建设或进行村庄迁移。

5结论与讨论

栖霞市农村居民点众多,个体差异较大,布局受山体、公路、河流等因素影响明显。全市居民点Cv值为58184%,空间分布表现为随机分布,具体到乡镇,唐家泊镇、松山镇、臧家庄镇和翠屏街道的分布呈集群分布,其他乡镇空间分布为随机分布。根据Vo ronoi图的Cv值可以很好地分析农村居民点空间分布特征,是度量农村居民点空间分布均匀性的有效指标,但其分类界定标准还需进一步讨论。

农村居民点分布与地形位指数和公路关系的定量研究表明:地形是影响栖霞市农村居民点空间分布的主要因素,农村居民点主要分布在地形位较小的区域;公路是影响农村居民点空间分布的重要因素,农村居民点呈现沿公路分布的特点。农村居民点的整治和规划活动应充分把握农村居民点的分布规律,根据区域经济社会条件,选择适宜的整治模式,引导农村居民点向自然条件以及生活、生产条件较好的地区转移。

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Research on Spatial Distribution Characteristics of Rural Settlements in Mountainous

Areas at C ounty Level Based on GIS:A C ase Study in Qixia City

LI Y un-qiang,QI Wei,WA N G Dan,Y A N Yong ,L U Chao ,W A NG N a-na,QI N T ian-tian (College of Resour ces and E nv ironment ,S hand ong A gr icul tur al Univer sity ,T ai c an 271018,China)

Abstract:T he r esear ch on spatial distributio n characterist ics of r ur al settlements is o ne of the fundamental tasks o f rural settle -ments conso lidation.Based o n GIS technolog y,landscape ecolo g y metho d and Cv value,taking the mountainous ar ea of Q ix ia Cit -y as a case,t his pa per studied the unifor mity of spatial distr ibution in rural settlements and discussed the influence o f ter rain niche index on rural resident ial dist ributio n.T he results show ed that the Cv o f r ural settlements in Q ix ia City was 58.84%,w hich demonstrated the distr ibut ion of rur al settlements in Q ix ia City was rando m;ho wev er,that o f fo ur t owns c rural settle -ments w ere clustered dist ribution.With the ter rain niche index incr easing ,t he averag e patch shape index and averag e patch fr ac -tal dimension incr eased;inver sely ,the area o f rural settlements,the number of patches and the averag e area o f patches de -creased.It was also concluded that highro ad was the influence fact or of rura l settlements spatia l distr ibut ion.It was pr oposed that the differences of inhabitant custo m in rural settlements which prov ided an academic basis fo r r ural settlements consolida -tio n and planning.

Key words:V or onoi diag ram;rural settlement;landscape index ;co unties in mo untainous area;GIS;ter rain niche index

(上接第68页)

Research on Water Resources C arrying C apacity of Liaoning C oastal Economic Zone

SU N Cai-zhi 1,2,CH EN Y u-juan 1

(1.Center f or Studies of M arine E conomy and Sustainable D evelop ment ,L iaoning N or mal Univ er sity ,Dalian 116029;2.L iao ning K ey L abor ato ry of Phys ical Geogr ap hy and Geomatics ,Liaoning N or mal Univers ity ,D alian 116029,China)Abstract:T he pr oblem of w ater sho rtag e is v ery serio us in L iao ning co astal zone,when the development strateg y of Liaoning coastal zo ne w as det ermined to be t he national str ategy ,the significance o f w ater car ry ing ca pacity study become mo re and mo re obv ious.In view of t he higher -o rder,no nlinear and mult-i feedback character istics ex isted in the water r eso ur ces carr ying capacity system,a sy stem dynamics model has been established for assessing w ater r eso ur ces carr ying ca pacity.U nder four scenar ios named the cur rent situatio n o f dev elo pment ty pe,eco nomical do minant t ype,w ater -saving ty pe and sustainable develo pment ty pe,the w ater resources car ry ing capacity o f six cities lo cat ed in L iao ning coastal zone was simulated from 2005to 2020.T he r esult s show ed that the ty pe of sustainable dev elopment is the feasible scheme to impro ve w ater resources carr ying capacity in L iaoning coastal zone,and these cities should focus on the development and ut ilization o f non -convent ional w ater resources in or -der to achieve w ater r eso urces,socio -eco no mic and ecolo gica l sustainable development.Key words:coastal zone;w ater resources ca rry ing capacity;L iaoning Pr ovince;sy stem dynamics

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李云强等:GIS 支持下山区县域农村居民点分布特征研究