邵新娟, 張永福, 陳文倩, 鄭 麗, 雷亞君, 王文杰

(1.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院, 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學 綠洲生態(tài)教育部重點實驗室, 烏魯木齊 830046)

?

基于最小累計阻力的農(nóng)村居民點整治優(yōu)化研究

邵新娟1,2, 張永福1,2, 陳文倩1,2, 鄭 麗1, 雷亞君1,2, 王文杰1,2

(1.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院, 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學 綠洲生態(tài)教育部重點實驗室, 烏魯木齊 830046)

農(nóng)村居民點的現(xiàn)狀適宜性評價是進行整治優(yōu)化的基礎，合理的整治范圍為居民點的優(yōu)化提供遷村合并的具體方案。以伊犁河谷察布查爾錫伯自治縣為研究區(qū)，結合研究區(qū)實際地形特點，綜合運用最小阻力模型、GIS空間分析和變異系數(shù)等方法構建了基于察縣居民點的整治阻力及現(xiàn)狀適宜性評價體系，并且將獲得的察縣綜合累計阻力面與居民點現(xiàn)狀適宜評價結果疊加，確定察縣農(nóng)村居民點整治類型，結合加權Voronoi圖進行居民點的整治分區(qū)。結果表明：地勢較陡且距大型水系越近的區(qū)域整治阻力越大，居民點現(xiàn)狀適宜性越低。通過對居民點進行整治分類，對重點發(fā)展、內部改造、建議保留和遷移合并4種不同的整治分區(qū)進行初步整合，進而對農(nóng)村居民點優(yōu)化布局進行合理的引導，為農(nóng)村居民點的整治優(yōu)化提供決策支持。

農(nóng)村居民點; 最小阻力模型; 累計阻力面; 加權Voronoi; 整治分區(qū)

農(nóng)村居民點是農(nóng)村人口居住在一起進行經(jīng)濟、政治和文化等活動而聚集的定居場所[1-2]。由于我國長期處于農(nóng)村居民點建設缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和管控的階段，因而引起農(nóng)村居民點空間布局散亂，集聚能力差的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象不利于土地集約利用和城鄉(xiāng)一體化建設。

目前進行居民點整治布局方面的評價案例較多，各學者運用不同的評價方法對不同的研究區(qū)進行評價。如馮電軍等[3]運用加權Voronoi圖擴展斷裂點模型，確定被遷移居民點的遷移方向和范圍；石詩源等[4]運用人均建設用地標準法測算江蘇省農(nóng)村居民點整治的潛力；孔雪松等[5]進行平原地區(qū)農(nóng)村居民點用地適宜性評價的整治分區(qū)研究；朱曉華等[6]使用遙感判斷法測算了山東省禹城市農(nóng)村居民點整治潛力。朱雪欣等[7]利用GIS的空間分析和統(tǒng)計功能進行了不同整理類型的農(nóng)村居民點空間格局優(yōu)化研究；李鑫等[8]運用構建的限制修正系數(shù)來修正理論潛力值，進而獲得居民點實際整理潛力，對研究區(qū)進行整治分區(qū)；劉超等[9]從自然、社會、經(jīng)濟和生態(tài)角度出發(fā)分析了農(nóng)村居民點的影響力及其等級劃分，結合加權Voronoi圖等空間分析技術確定各居民點的整理方向；張穎等[10]利用最小累積阻力模型進行農(nóng)村居民點適宜性分區(qū)，且為金牛湖街道未來居民點整理和村鎮(zhèn)建設提供了科學依據(jù)。

基于以上研究成果來看，對于最小累積阻力模型結合加權Voronoi圖農(nóng)村居民點整治優(yōu)化的研究較少，本文結合研究區(qū)地形特點綜合運用最小阻力模型、GIS空間分析和變異系數(shù)等方法構建了察縣居民點的整治阻力面體系和居民點現(xiàn)狀適宜性評價體系，疊加居民點整治綜合累計阻力面與居民點現(xiàn)狀適宜評價結果，確定察縣農(nóng)村居民點的整治類型，并且結合加權Voronoi圖對不同整治類型的居民點進行分區(qū)，制定明確的居民點整治優(yōu)化方案，為察縣未來移民安置及新增居名點選址提供一定依據(jù)和借鑒。

1　研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.1研究區(qū)概況

察布查爾錫伯自治縣(本文簡稱為“察縣”)位于新疆西天山支脈烏孫山北麓，伊犁河以南遼闊的河谷盆地。地形東窄西寬，南高北低，由東南向西北傾斜。地理位置位于東經(jīng)80°30′00″—81°45′00″，北緯43°15′00″—43°57′30″。

全縣土地總面積364 041.95 hm2(不含兵團面積)，轄2鎮(zhèn)、11鄉(xiāng)、5場、1軍分區(qū)，2013年末全縣地方常住人口16.73萬人，其中戶籍農(nóng)業(yè)人口11.16萬人，GDP達39.89億元，地方財政總收入9.99億元。根據(jù)察縣土地利用變更數(shù)據(jù)庫，全縣2013年農(nóng)村居民點用地8 314.34 hm2，占全縣土地總面積的2.28%，按常住人口計算，人均農(nóng)村居民點用地高達496.74 m2，遠遠高于國家標準規(guī)定的上限，農(nóng)村居民點整理的理論潛力較大，因此選用該研究區(qū)為靶區(qū)進行探討。

1.2理論基礎及數(shù)據(jù)處理

物種景觀特征的分布，是通過對不同阻力的控制和覆蓋來實現(xiàn)的，進而阻力面可以用來反映物種空間的分布變化趨勢，農(nóng)村居民點的分布受到來自自然、社會、生態(tài)等多方面因素的影響，故本文運用最小累計阻力模型(Minimum Cumulative Resistance，簡稱MCR[11-12])建立阻力面，通過阻力面來反映物種運動的潛在性和趨勢。將Knanpen等[11]的最小累計阻力模型結合地理信息系統(tǒng)的費用距離[12]，重點考慮源、距離及景觀的基面特征。公式如下：

(1)

式中：f——反映空間任意一點最小阻力與到源的距離和景觀基面特征的正相關的未知函數(shù)；Dij——指物種從源j到某一點所經(jīng)過的景觀基面i的空間距離；Ri——景觀i對某物種運動的阻力。

本文以農(nóng)村居民點整治阻力及其現(xiàn)狀適宜性為研究對象，研究中用到的數(shù)據(jù)主要來源于察縣1∶100 000土地利用現(xiàn)狀圖(2013年)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)DEM、察縣城市總體規(guī)劃(2012—2030年)、察縣土地利用總體規(guī)劃(2010—2020年)以及察縣基本農(nóng)田保護區(qū)圖(2013年)等。

首先將柵格圖件掃描幾何校正進行矢量化然后將不同的矢量數(shù)據(jù)類型利用ArcGIS 9.3統(tǒng)一轉為shp格式進而提取本研究所需的數(shù)據(jù)信息，主要包括農(nóng)村居民點、建制鎮(zhèn)、基本農(nóng)田等面狀要素，交通、水系等線狀要素以及地形高程、坡度等數(shù)據(jù)。

1.3源的確定

城市源，以2013年察縣土地利用現(xiàn)狀中城鎮(zhèn)用地，包括察縣中心城區(qū)及愛新舍里鎮(zhèn)城鎮(zhèn)建設用地。農(nóng)村居民點源，以2013年全縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)場農(nóng)村居民點，包括轄2鎮(zhèn)、11鄉(xiāng)、5場、1軍分區(qū)。

2　結果與分析

2.1阻力面及阻力系數(shù)的建立

農(nóng)村居名點的分布是與眾多自然、社會和生態(tài)因素都有極其密切的關系，而居名點的整治優(yōu)化是改善居民生活、生產(chǎn)的過程，其受多種因子的制約和影響，要結合研究區(qū)未來規(guī)劃模式與區(qū)位要求，按照因地制宜及效益兼并的原則，對影響農(nóng)村居民點各種限制及驅動因子進行評價，本文主要針對地形地貌、用地阻力、區(qū)位阻力方面來建立阻力面，研究一些自然環(huán)境對居民點分布的驅動及趨勢。

(1) 地形地貌主要選取了高程、坡度和坡向。由于察縣位于新疆西天山支脈烏孫山北麓、伊犁河以南遼闊的河谷盆地，可見察縣地形分布復雜多變，研究表明地形復雜且坡度較大的地區(qū)容易發(fā)生地質災害，而在比較平坦的土地上建設可以減少其工程量與經(jīng)濟投入，因此居民點的布局與地勢的起伏具有明顯的關聯(lián)性[13-14]，一般高程越高坡度越大的地形，農(nóng)村居民點適宜性越低，其阻力值越大。

(2) 用地阻力主要選取水體、土地利用類型、保護區(qū)和耕居面積比。水體包括內部河流與伊犁河河面。察縣濱臨伊犁河且位于天山山麓地帶，縣內有諸多冰川河流穿流。研究表明河流對居民點的建設不僅有關聯(lián)性也存在水體污染等限制性，從古至今居民點大多依水而建，鄰近河流生產(chǎn)、生活方便快捷，但是隨著科技的發(fā)展，根據(jù)生態(tài)環(huán)境保護要求居名點建設應該與河流保持距離[15]。不同的土地利用類型影響到居民點整治規(guī)劃的便利性和可行性。

為保證建設不破壞生態(tài)且保障基本農(nóng)田不占用的前提下，將基本農(nóng)田、生態(tài)保護區(qū)、人文景觀保護區(qū)定為本研究的保護區(qū)范圍。基本農(nóng)田作為不可建設區(qū)，為保障國家糧食安全的特殊用地，故在基本農(nóng)田中禁止居民點的布局建設。生態(tài)保護區(qū)是為保護生態(tài)環(huán)境而設立的禁止建設區(qū)，且在保護區(qū)周圍一定區(qū)域內要保證其生態(tài)的原始性，不易就近建設居民點。人文景觀保護區(qū)作為人類發(fā)展的瑰寶，我們應該傳承下去，故居民點的建設應該遠離保護區(qū)，保證不破壞保護區(qū)的原始建設面貌，可見距離保護區(qū)越近農(nóng)村居民點的建設阻力越大。

察縣作為伊犁河谷沿岸干渠土地整治重點區(qū)域，全縣第一產(chǎn)業(yè)比重較高，研究表明耕地質量及耕作面積越高的地方居民點的分布越密集，一般耕居面積比越大，居民點分布越密集，整治阻力越小。

(3) 區(qū)位阻力選取道路及村鎮(zhèn)極點的緩沖距離。交通的便利程度直接影響到居民的生產(chǎn)和出行，進而影響著居民點經(jīng)濟和生活水平。交通便捷度的衡量可以根據(jù)不同半徑緩存區(qū)分析，劃分不同的適應性等級，距離道路越近的，道路便捷度越高，其適應性越大，整治阻力越小。村鎮(zhèn)極點的分析是根據(jù)選取特定的極點，根據(jù)這些極點利用緩沖區(qū)分析，研究不同等級極點在不同緩存距離內對居民點建設的影響分值大小。本文選取建制鎮(zhèn)及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心村為極點，據(jù)對不同等級的極點設定不同的緩沖區(qū)半徑，用于了解不同等級極點對居名點建設的影響度和適應性。按指標等級劃分5個阻力系數(shù)：1，2，3，4，5。在此基礎上根據(jù)察縣居民點現(xiàn)狀分布情況，結合專家及相關部門的意見運用變異系數(shù)法確定不同阻力等級指標權重與量化標準(表1)。

表1　農(nóng)村居民點評價因子整治阻力系數(shù)

(4) 綜合阻力面通過柵格計算。本文統(tǒng)一采用30×30的柵格進行計算得到綜合阻力面，再利用ArcGIS的Reclassify工具將綜合阻力面劃分為5個等級，分別為最小阻力區(qū)、低度阻力區(qū)、中度阻力區(qū)、高度阻力區(qū)和最大阻力區(qū)(圖1)。

2.2農(nóng)村居民點現(xiàn)狀評價

只有清楚了解居民點的分布現(xiàn)狀，才能制定具有針對性的整治方案。根據(jù)察縣農(nóng)村居民點的現(xiàn)狀，建立評價體系，來確定農(nóng)村居民點的現(xiàn)狀適宜性等級。本文選取地形、居民點數(shù)據(jù)、區(qū)位影響因素，構建農(nóng)村居民點現(xiàn)狀適宜性評價體系。

圖1研究區(qū)農(nóng)村居民點整治阻力分區(qū)

現(xiàn)有居民點的分布地勢高低決定了居民點是否會由于地勢過于陡峭而進行遷移或限制發(fā)展，而相較于陡峭的區(qū)域，地勢平坦的地區(qū)，居民點的集聚發(fā)展的可能就越大。針對農(nóng)村居民點的整治，其自身現(xiàn)狀數(shù)據(jù)是確定居民點整治方向的基礎，選定居民點的經(jīng)濟、人口及用地規(guī)模來綜合表示居民點現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，居民點自身條件越優(yōu)越其發(fā)展的可能性越大。區(qū)位因素可以表達現(xiàn)有居民點是否具有繼續(xù)發(fā)展的潛力，若區(qū)位條件較好的地區(qū)更能吸引居民點在此集聚，反而區(qū)位較差的居民點搬遷的可能性越大。

根據(jù)各居民點實際情況，結合當?shù)赜嘘P部門及專家意見并且綜合運用變異系數(shù)法確定農(nóng)村居民點現(xiàn)狀適宜性評價體系權重(表2)。

表2　農(nóng)村居民點分布現(xiàn)狀適宜性評價因子體系

在ArcGIS當中對各單因子的分布圖進行疊加分析得到察縣農(nóng)村居民點現(xiàn)狀分布評價圖層，最后運用最小累計阻力模型且結合實際情況將察縣現(xiàn)有居民點分為最適宜區(qū)、高度適宜區(qū)、中度適宜區(qū)、低度適宜區(qū)、不適宜區(qū)5個分區(qū)(圖2)。如圖2所示，察縣在北部沿伊犁河較為平坦的區(qū)域內居民點現(xiàn)狀適宜性分值較高，而且建設面積越大的居民點其適應性分值越高；而南部一些零散分布的居民點適宜性分值較低。

2.3居名點整治分區(qū)方法

2.3.1農(nóng)村居民點等級劃分及整治分區(qū)策略將農(nóng)村居民點現(xiàn)狀適宜性評價結果與察縣農(nóng)村居民點整治阻力面進行疊加分析，將現(xiàn)有農(nóng)村居民點分為重點發(fā)展、內部改造、建議保留和遷移合并4種整治類型。

未來居民點的發(fā)展趨勢是由規(guī)模小、分布離散的居民點逐漸向規(guī)模較大、連片的區(qū)域集聚。在重點發(fā)展區(qū)，作為未來居民點發(fā)展的重點，應提高其基礎設施的完善度，提高居民生活質量，加速城鎮(zhèn)化的發(fā)展；內部改造區(qū)應優(yōu)化其內部用地結構，同時提高基礎設施投入力度，為整治并村提供支持；建議保留區(qū)除政策保留具有民族特色、歷史文化底蘊或旅游特色的農(nóng)村居民點斑塊外，一些位于整治阻力大區(qū)域的已經(jīng)成規(guī)模且適宜性較低的居民點，為保證整治的成本，建議保留其規(guī)模，發(fā)展好其自身即可，不做遷并村處理；遷移合并區(qū)居民點，需根據(jù)整治遷并方向進行整理。

2.3.2被遷移的農(nóng)村居民點的遷移方向從重點發(fā)展區(qū)農(nóng)村居民點中，選取優(yōu)勢居民點作為加權Voronoi圖發(fā)生源，以該居民點的現(xiàn)狀評價權重值，生成加權Voronoi圖[16]，建立其對居民點空間影響區(qū)域，將分布于該范圍內被遷移合并的農(nóng)村居民點遷移至附近重點發(fā)展及內部改造的農(nóng)村居民點(圖3)。

圖2研究區(qū)農(nóng)村居民點現(xiàn)狀適宜性評價分區(qū)

圖3研究區(qū)農(nóng)村居民點整治分區(qū)規(guī)劃

3　結 論

可以看出察縣北部靠近伊犁河較為平坦的地區(qū)，這里交通便利，河流密布并且距察縣縣城較近，利于居民點的建設，這里的整理阻力最小并且農(nóng)村居民點現(xiàn)狀適宜性最高，該區(qū)內規(guī)模較大的居民點基本為重點發(fā)展；而察縣中部地勢較為平緩的地區(qū)，這里主要地類為未利用草地等，且這里河流相對減少，對居民的生活和生產(chǎn)有一定的限制，故該區(qū)主要為中度阻力區(qū)，部分高度阻力區(qū)，該區(qū)居民點大多為建議保留或需要遷并處理，但該區(qū)有部分居民點其規(guī)模較大且處于在阻力值較小區(qū)域，故這部分居民點可以作并村的中心；最大阻力區(qū)主要分布在南部地勢陡峭的山區(qū)及伊犁河沿岸一些濕地灘涂等不利于建設的區(qū)域，該區(qū)域農(nóng)村居民點的適宜性也普遍較低，用地規(guī)模較小，適合遷并處理。

(1) 地形起伏及多樣性與居民點的分布具有高度相關性。高程和坡度較大不僅會造成滑坡、泥石流等自然災害，對居民點的建設成本等要求也比較高，而且復雜的地形不利于農(nóng)作物的種植，進而一定程度制約了居民點集聚。研究表明，察縣位于天山山麓，地勢南高北低，故察縣南部整治阻力都較大。

(2) 由于察縣整治阻力最小區(qū)及居民點現(xiàn)狀適宜區(qū)均分布在北部靠近伊犁河較為平坦的地區(qū)，故重點發(fā)展的農(nóng)村居民點大多分布在此處，少數(shù)分布在察縣中部的中度適宜居民點，由于北部這些居民點用地規(guī)模較大且區(qū)域整治阻力值較小其可以作為重點發(fā)展區(qū)?？梢娋用顸c的整治分區(qū)與原有居民點用地規(guī)模具有很大關聯(lián)性。

本文通過對察縣農(nóng)村居民點進行現(xiàn)狀評價分等并且結合綜合整治阻力面對察縣初步整治分區(qū)，為察縣未來居民點的整治優(yōu)化提供科學依據(jù)。論文中由于數(shù)據(jù)的因素，綜合阻力面的確定及農(nóng)村居民點現(xiàn)狀評價考慮的因素還有待于進一步完善。

[1]孫華生,黃敬峰,金艷,等.基于GIS技術的縣域居民點空間分布特征分析及其優(yōu)化布局[J].浙江大學學報:農(nóng)業(yè)與生命科學版,2007,33(3):348-354.

[2]柏延臣,李新,馮學智.空間數(shù)據(jù)分析與空間模型[J].地理研究,1999,18(2):185-190.

[3]馮電軍,沈陳華.基于擴展斷裂點模型的農(nóng)村居民點整理布局優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2014,30(8):201-209.

[4]石詩源,張小林.江蘇省農(nóng)村居民點用地現(xiàn)狀分析與整理潛力測算[J].中國土地科學,2009,23(9):52-58.

[5]孔雪松,劉耀林,鄧宣凱,等.村鎮(zhèn)農(nóng)村居民點用地適宜性評價與整治分區(qū)規(guī)劃[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2012,28(18):215-222.

[6]朱曉華,陳秧分,劉彥隨,等.空心村土地整治潛力調查與評價技術方法:以山東省禹城市為例[J].地理學報,2010,65(6):736-744.

[7]朱雪欣,王紅梅,袁秀杰,等.基于GIS的農(nóng)村居民點區(qū)位評價與空間格局優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2010,26(6):326-333.

[8]李鑫,甘志伍,歐名豪,等.農(nóng)村居民點整理潛力測算與布局優(yōu)化研究:以江蘇省江都市為例[J].地理科學,2013,33(2):150-156.

[9]劉超,楊海娟,龍冬平,等.基于加權Voronoi圖的農(nóng)村居民點等級評價與整理方向研究[J].陜西師范大學學報:自然科學版,2014,42(3):91-96.

[10]張穎,徐輝.基于MCR模型的農(nóng)村居民點布局適宜性分區(qū)及優(yōu)化模式研究:以南京市六合區(qū)金牛湖街道為例[J].長江流域資源與環(huán)境,2014,23(11):1485-1492.

[11]Knaapen J P, Scheffer M, Harms B. Estimating habitat isolation in landscape planning[J]. Landscape and Urban Planning,1992,23(1):1-16.

[12]Yu K J. Security Patterns in Landscape Planning: With a Case In South China[D]. Cambridge: Harvard University,1995.

[13]李勝坤,張毅,閆欣,等.竹溪縣農(nóng)村居民點景觀格局及空間分布特征[J].水土保持研究,2014,21(4):203-218.

[14]姜磊,雷國平,張健,等.農(nóng)村居民點空間布局及優(yōu)化分析[J].水土保持研究,2013,20(1):224-229.

[15]李珊珊,曹廣超,趙鵬飛.秦巴山區(qū)農(nóng)村居民點空間分布及其影響因素分析:以陜西省寧強縣為例[J].水土保持研究,2014,21(3):186-191.

[16]Dong Pinliang. Generating and updating multiplicatively weighted Voronoi diagrams for point, line and polygon features in GIS[J]. Computers & Geosciences,2008,34(4):411-421.

Research for Regulation Optimization of Rural Residential Areas Based on the Model of Least Resistance

SHAO Xinjuan1,2, ZHANG Yongfu1,2, CHEN Wenqian1,2, ZHENG Li1, LEI Yajun1,2, WANG Wenjie1,2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China;2.KeyLaboratoryofOasisEcologyMinistryofEducation,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China)

The status suitability evaluation of rural residential areas is the foundation of optimization for remediation. A reasonable range of remediation can provide specific solution for optimizing rural residential areas. We took Qapqal Xibe Autonomous County in Yili River Valley as the study area, combined with the actual terrain characteristics of the research area, integrated the method of the model of least resistance, GIS spatial analysis, and coefficient of variation and other methods to construct the status suitability evaluation system of residential areas renovation resistance based on the Qapqal Xibe Autonomous County, and superposed the result of integrated cumulative resistance surface and status suitability evaluation of residential areas to determine the type of residential areas renovation resistance, combined with weighted Voronoi diagram to regulate partition of residential areas. The results show that the terrain is steep and near the large river, the greater the resistance is, the lower the status suitability evaluation of residential areas is. Through the renovation and classification of residential areas，the preliminary integration of four different remediation divisions focusing on key development, internal transformation, suggestion retention and migration and consolidation was carried out, and then the reasonable optimizing layout of rural residential areas was guided, optimized layout, decision support for remediation optimization of rural residential areas was offered.

rural residential areas; the model of least resistance; cumulative resistance surface; weighted Voronoi; different remediation divisions

2015-05-14

2015-06-02

察布查爾錫伯自治縣國土資源局“察布查爾錫伯自治縣土地利用總體規(guī)劃(2010—2020年)中期評估項目”

邵新娟(1990—),女,新疆阿勒泰人,碩士研究生,研究方向為土地資源規(guī)劃、土地資源評價。E-mail:sxjxl_15@sina.com

張永福(1964—),男,新疆烏魯木齊人,副教授,碩士生導師,主要從事土地資源評價及土地利用規(guī)劃、土地整治開發(fā)研究。E-mail:zyf431@sina.com

F301.2

A

1005-3409(2016)03-0309-05