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        泰森多邊形在居民點(diǎn)空間分布特征分析中的應(yīng)用研究——以海南省臨高縣為例

        2013-10-12 06:19:38宋潔華李少偉趙志忠吳淑蕾
        關(guān)鍵詞:臨高縣鄰點(diǎn)泰森

        宋潔華,李少偉,趙志忠,吳淑蕾

        (1.海南師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院,海南 ???571158;2.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機(jī)工程學(xué)院,廣東 廣州 510650)

        隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,土地的節(jié)約集約利用受到越來越多的學(xué)者關(guān)注,農(nóng)村居民點(diǎn)布局優(yōu)化一直是土地利用問題研究的重點(diǎn).目前,國外研究主要集中于從社會經(jīng)濟(jì)學(xué)角度分析農(nóng)村居民點(diǎn)空間布局的合理性[1-2].國內(nèi)學(xué)者則主要從驅(qū)動因子、景觀指數(shù)、樣方分析、空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等對居民點(diǎn)的演變機(jī)制、潛力及模式進(jìn)行統(tǒng)計分析[3-8].這些研究主要是從概念層面對鄉(xiāng)鎮(zhèn)級居民點(diǎn)分布格局進(jìn)行宏觀研究,沒有從圖斑的微觀角度考慮居民點(diǎn)間相互影響作用的力量對其布局優(yōu)化的影響.本文以海南省臨高縣為例,利用泰森多邊形模型研究居民點(diǎn)斑塊間的空間分布特征,為促進(jìn)土地合理利用及居民點(diǎn)空間布局優(yōu)化以及城鎮(zhèn)化提供科學(xué)依據(jù).

        1 研究區(qū)概況

        臨高縣,位于海南島西北部,屬瓊北臺地,地勢平緩,自南向北緩慢傾斜,面積1317 km2.轄11個鎮(zhèn):臨城鎮(zhèn)、波蓮鎮(zhèn)、東英鎮(zhèn)、博厚鎮(zhèn)、皇桐鎮(zhèn)、多文鎮(zhèn)、和舍鎮(zhèn)、南寶鎮(zhèn)、新盈鎮(zhèn)、調(diào)樓鎮(zhèn)、加來鎮(zhèn)[9].

        2 研究方法

        通常將點(diǎn)狀空間目標(biāo)分為“均勻分布”、“隨機(jī)分布”和“集群分布”三種空間分布類型.目前,測度點(diǎn)狀空間分布格局的方法主要有最近鄰點(diǎn)指數(shù)、鄰點(diǎn)平均數(shù)的方法[10-12],以及采用柯爾摩哥夫-史密爾諾夫公式和羅倫茲曲線,利用格網(wǎng)中目標(biāo)個體數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計的方法[13].最常用的是最近鄰點(diǎn)指數(shù)方法,但這種方法有兩個不足之處:一是當(dāng)點(diǎn)集數(shù)量較多時,查找點(diǎn)的空間最近鄰點(diǎn)效率較低;二是3種點(diǎn)集空間分布有不同的最近鄰點(diǎn)指數(shù)分類標(biāo)準(zhǔn)[14-16],這些不同的標(biāo)準(zhǔn)也會產(chǎn)生不同的分類結(jié)果.因此本文提出應(yīng)用泰森多邊形圖來確定點(diǎn)集空間分布特征,并用該方法分析海南省臨高縣居民點(diǎn)的空間分布特征.

        2.1 泰森多邊形

        泰森多邊形是對空間平面的一種剖分.其特點(diǎn)是多邊形內(nèi)的任何位置離該多邊形的樣點(diǎn)(如居民點(diǎn))的距離最近,離相鄰多邊形內(nèi)樣點(diǎn)的距離遠(yuǎn),且每個多邊形內(nèi)含且僅包含一個樣點(diǎn).由于泰森多邊形在空間剖分上的等分性特征,因此可用于解決最近點(diǎn)、最小封閉圓等問題,以及許多空間分析問題,如鄰接、接近度和可達(dá)性分析等.

        2.2 基于泰森多邊形面積的方法

        由于泰森多邊形面積隨點(diǎn)集的分布而發(fā)生變化,因此可用多邊形面積的變異系數(shù)CV值(即泰森多邊形面積的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比)來衡量凸多邊形面積的變化程度,從而評估樣點(diǎn)的分布類型.CV值公式見式(1)、式(2):

        式中,Si是第i個多邊形的面積,S為多邊形面積的平均值,n是多邊形面積的個數(shù),R為方差.當(dāng)點(diǎn)集分布類型為“均勻”時,多邊形面積變化小,CV值就小,當(dāng)點(diǎn)集為“集群”分布時,集群內(nèi)的多邊形面積較小,而集群間的多邊形面積較大,CV值也大.Duyckaerts提出了三個建議值[17]:當(dāng)點(diǎn)集為“隨機(jī)分布”時,CV=57%(包括33%~64%);當(dāng)點(diǎn)集為“集群”分布時,CV=92%(包括>64%);當(dāng)點(diǎn)集為“均勻分布”時,CV=29%(包括<33%).要注意的是,位于邊緣上的點(diǎn)的泰森多邊形面積直接受到人為劃定邊界的影響[18-20],邊界越大,邊緣點(diǎn)的泰森多邊形面積也越大,反之邊緣點(diǎn)的泰森多邊形面積越小,所以在計算泰森多邊形面積的CV值時,要考慮邊界的影響.如果是計算居民點(diǎn)泰森多邊形面積的CV值,由于居民點(diǎn)密度較大且具有行政邊界,所以受邊界影響不大,在實際應(yīng)用中可忽略其影響.

        3 研究結(jié)果及分析

        3.1 數(shù)據(jù)來源及研究結(jié)果

        本文采用的數(shù)據(jù)為2010年臨高縣國土資源局土地變更調(diào)查現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、臨高縣第六次人口普查數(shù)據(jù)及2010年臨高縣等高線圖.根據(jù)土地現(xiàn)狀數(shù)據(jù)提取出居民點(diǎn)用地數(shù)據(jù),由于居民地在土地利用數(shù)據(jù)中表現(xiàn)為多邊形形式,為了研究居民點(diǎn)的空間分布特征,首先要將各塊居民地多邊形轉(zhuǎn)化為能反映居民點(diǎn)位置的點(diǎn)坐標(biāo),通過計算多邊形的幾何中心使對多邊形的研究轉(zhuǎn)化為點(diǎn)集的研究,再根據(jù)點(diǎn)集生成泰森多邊形圖.圖1、圖2分別為利用Arc-GIS10.0軟件生成的臨高縣居民點(diǎn)分布圖及其泰森多邊形圖.

        圖1 臨高縣居民點(diǎn)分布圖Fig.1 Residents distribution map of Lingao county

        根據(jù)臨高縣居民點(diǎn)的泰森多邊形圖(見圖2)可計算出各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的CV值.另外,根據(jù)臨高縣第六次人口普查數(shù)據(jù)及臨高縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的面積,可計算出各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人口密度,按人口密度高低可分為高、中、低三個等級,結(jié)果見表1.

        圖2 臨高縣居民點(diǎn)泰森多邊形圖Fig.2 Thiessen polygon of residents in Lingao county

        表1 計算結(jié)果Tab.1 The calculation results

        3.2 臨高縣居民點(diǎn)空間分布特征

        圖3 臨高縣地形圖Fig.3 TIN of Lingao county

        圖4 臨高縣人口密度圖Fig.4 Population density map of Lingao county

        根據(jù)CV值的分類標(biāo)準(zhǔn)可得出,臨高縣所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)均為集群分布.這是因為臨高縣地屬瓊北臺地,地勢平緩,自南向北緩慢傾斜(見圖3).具有發(fā)展農(nóng)業(yè)的優(yōu)越地理條件,土地富饒,水利灌溉條件好,居民點(diǎn)主要集中分布于生產(chǎn)條件較好的區(qū)域.另外,結(jié)合臨高縣人口密度圖(見圖4)可知:1)臨城、新盈、調(diào)樓等三個鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口密度較高.這是因為這三個縣位于臨高縣北部,地勢較低,且為平原地貌,土地資源豐富,地勢開闊平坦,特產(chǎn)豐富,雨量充沛,非常適宜居住.2)東英、加來、和舍、博厚、菠蓮等五個鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口密度中等.這幾個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水陸交通比較便利,土壤條件好,氣候宜人,因此較適宜居住.其中,加來鎮(zhèn)是臨高縣的重鎮(zhèn).新盈鎮(zhèn)是臨高縣第二大鎮(zhèn),是一個比較繁榮富裕的濱海小城鎮(zhèn).3)南寶、多文、皇桐等三個鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口密度較低.其中南寶鎮(zhèn)位于西南部,屬丘陵地帶,淺層沙質(zhì)土較廣,土地貧瘠,是典型的“老邊窮”地區(qū),省定的貧困鄉(xiāng)鎮(zhèn),因此人口密度較低.多文鎮(zhèn)與南寶鎮(zhèn)相鄰,由于境內(nèi)地勢分布不均勻,中間低兩頭高,人口密度也相對較低.

        4 結(jié)論

        為了驗證利用泰森多邊形判斷點(diǎn)集的分布類型的可靠性,可將最近鄰點(diǎn)指數(shù)與泰森多邊形面積的CV值進(jìn)行相關(guān)性分析,其相關(guān)系數(shù)為-0.86101.查表可知,在置信度為0.001的水平下,兩者呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明該方法能夠有效地反映點(diǎn)狀空間目標(biāo)的空間分布特征.因此,通過構(gòu)建居民點(diǎn)分布的泰森多邊形,并計算其面積的變異系數(shù),結(jié)合人口密度及地形模型來分析海南省臨高縣居民點(diǎn)的空間分布特征及原因是可行的.研究結(jié)果表明,臨高縣各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的居民點(diǎn)的空間分布均為集群分布,該縣的居民點(diǎn)分布受地形限制較少,但受到土壤、交通、氣候、水文等因素的影響,居民點(diǎn)往往分布在有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的區(qū)域,因此不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人口密度也有所差異.

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