張宇，董菡，李洋洋

(德州學(xué)院資源環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，山東 德州 253023)

0 引言

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的快速推進(jìn)，城鎮(zhèn)建設(shè)用地需求旺盛，土地資源的供給越來(lái)越緊張。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)農(nóng)村居民點(diǎn)的布局忽視系統(tǒng)的控制和引導(dǎo)，其籌建以農(nóng)民自主選擇為主。自然村普遍形成了“星空”分散布局的現(xiàn)象，同時(shí)“空心村”問(wèn)題逐年加劇，土地資源浪費(fèi)嚴(yán)重，不利于土地集約利用和農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)[1]。隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、新農(nóng)村建設(shè)、城鄉(xiāng)融合發(fā)展、供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革及美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的深入[2-3]，迫切需要從整體出發(fā)，合理布局農(nóng)村居民點(diǎn)，構(gòu)建良好的人地居住環(huán)境。當(dāng)前國(guó)內(nèi)關(guān)于農(nóng)村居民點(diǎn)開(kāi)展了相應(yīng)的研究，通過(guò)ArcGIS根據(jù)坡度、道路、水源等指標(biāo)體系對(duì)農(nóng)村居民點(diǎn)進(jìn)行等級(jí)劃分，并做出布局優(yōu)化[4-7]；通過(guò)將環(huán)境因素、經(jīng)濟(jì)因素、社會(huì)因素等賦予不同的權(quán)重對(duì)農(nóng)村居民點(diǎn)進(jìn)行用地適宜性評(píng)價(jià)[8-9]；通過(guò)景觀(guān)生態(tài)學(xué)中的景觀(guān)格局指數(shù)來(lái)說(shuō)明農(nóng)村居民點(diǎn)數(shù)十年的演變狀況[10-13]等。

禹城市是德州市“兩區(qū)同建”的重要組成部分，近年來(lái)，兩區(qū)同建項(xiàng)目通過(guò)合理規(guī)劃，明確城鎮(zhèn)化的空間格局，取得較好進(jìn)展，減少了“空心村”現(xiàn)象，對(duì)土地資源的利用也更加合理。因此，基于遙感數(shù)據(jù)和地理信息系統(tǒng)，在生態(tài)學(xué)景觀(guān)格局的定量研究方法下，將禹城市面狀分布的農(nóng)村居民點(diǎn)抽象成點(diǎn)的分布模式，以此來(lái)反映農(nóng)村居民點(diǎn)的空間分布特征，為土地資源的合理利用、農(nóng)村居民點(diǎn)的合理布局提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 區(qū)域概況

禹城市，隸屬于山東省德州市，地理位置優(yōu)越，屬于環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈(圖1)。自東北部順時(shí)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(shù)為54.1萬(wàn)，其中鄉(xiāng)村人口29.59萬(wàn)人，占人口總數(shù)的一半以上。下轄9鎮(zhèn)、1鄉(xiāng)、2街道和1處國(guó)家級(jí)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)，該區(qū)光熱資源豐富，地形平坦，自然生產(chǎn)條件優(yōu)越，是山東省優(yōu)質(zhì)糧食生產(chǎn)基地，德州市農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)與農(nóng)副產(chǎn)品的重要供給地。但由于禹城市農(nóng)村居民點(diǎn)缺乏有序規(guī)劃以及當(dāng)?shù)貧v史文化原因使農(nóng)村“一戶(hù)多宅”現(xiàn)象突出，同時(shí)城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速推進(jìn)使農(nóng)村勞動(dòng)力季節(jié)性外出就業(yè)頻繁，造成禹城市鄉(xiāng)村聚落荒廢嚴(yán)重，“空心村”問(wèn)題日益凸顯。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

該研究以空間分辨率為30m的Landsat影像作為基礎(chǔ)影像，選取的遙感影像云量均小于5%，遙感影像質(zhì)量較好，同時(shí)使用遙感圖像處理軟件ENVI對(duì)獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)，大氣校正等數(shù)據(jù)預(yù)處理，并按照行政區(qū)劃圖裁剪得到禹城市影像數(shù)據(jù)。表1為研究區(qū)Landsat數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介：

表1 Landsat數(shù)據(jù)

1.3 農(nóng)村居民點(diǎn)提取

當(dāng)前，基于像素分類(lèi)提取農(nóng)村居民點(diǎn)用地的方法主要有監(jiān)督分類(lèi)、非監(jiān)督分類(lèi)以及基于專(zhuān)家知識(shí)的決策樹(shù)分類(lèi)，同時(shí)也存在指數(shù)模型法等新型提取法[14]。該研究同時(shí)選用多種方法對(duì)比提取農(nóng)村居民點(diǎn)效果，選取分類(lèi)精度較高的方法來(lái)提取農(nóng)村居民點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)監(jiān)督分類(lèi)的最大似然法分類(lèi)效果最佳，與農(nóng)村居民點(diǎn)契合度最佳，但同時(shí)由于農(nóng)村居民點(diǎn)與裸土地、裸巖石礫地存在比較嚴(yán)重的“同譜異物”現(xiàn)象[15]，所以該研究結(jié)合了Google Earth歷史影像進(jìn)行精度矯正，得到高質(zhì)量的農(nóng)村居民點(diǎn)分布數(shù)據(jù)。提取的居民點(diǎn)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(jù)研究區(qū)面積和點(diǎn)的數(shù)量確定樣方大小后，統(tǒng)計(jì)每個(gè)樣方中點(diǎn)的個(gè)數(shù)與隨機(jī)模式下點(diǎn)的個(gè)數(shù)相比較是否符合隨機(jī)分布，通過(guò)點(diǎn)的分布模式來(lái)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??；A—研究區(qū)域面積；r—農(nóng)村居民點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

如果是采取雙樣本檢驗(yàn)，選用K-S統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法進(jìn)行檢驗(yàn)[16]。若計(jì)算出K-S檢驗(yàn)的D統(tǒng)計(jì)量大于比較基準(zhǔn)的臨界值Da=0.05，則可以認(rèn)為存在顯著差異。算式如下：

D=max|Qi-Ei|

(2)

圖2 禹城市農(nóng)村居民點(diǎn)分布圖

(3)

式中：Qi，Ei—來(lái)自任意2個(gè)觀(guān)測(cè)分布的第i組累計(jì)比率，而n1，n2為2組中的點(diǎn)數(shù)。

2.2 最近鄰點(diǎn)統(tǒng)計(jì)量

最鄰近統(tǒng)計(jì)量是兩點(diǎn)之間的最近距離與理論模式下的點(diǎn)與點(diǎn)最小距離相比較后，是否具有點(diǎn)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(shí)際兩點(diǎn)觀(guān)測(cè)值，期望距離值，最近鄰點(diǎn)距離，農(nóng)村居民點(diǎn)點(diǎn)數(shù)以及研究區(qū)的面積。

如果R>1，則表明觀(guān)測(cè)模式比隨機(jī)模式分散，反之則說(shuō)明聚集。R統(tǒng)計(jì)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(shuō)明觀(guān)測(cè)模式與隨機(jī)模式之間存在顯著差異；反之，說(shuō)明不存在統(tǒng)計(jì)顯著性。

2.3 景觀(guān)格局指數(shù)

景觀(guān)格局指數(shù)是景觀(guān)格局信息的高度濃縮，而這種簡(jiǎn)單量化指標(biāo)可以反映景觀(guān)結(jié)構(gòu)組成以及空間配置特征[19]。農(nóng)村居民點(diǎn)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期的發(fā)展，其形狀、規(guī)模皆發(fā)生了顯著的變化，因此，從景觀(guān)生態(tài)學(xué)的角度出發(fā)，運(yùn)用斑塊面積(CA)、斑塊數(shù)量(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、平均形狀指數(shù)(MSI)、面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)(FRAC_AM)和聚集指數(shù)(AI)等景觀(guān)生態(tài)指數(shù)可以較好地闡釋農(nóng)村聚落近幾十年的演變規(guī)律。

3 結(jié)果與分析

3.1 樣方分析法

根據(jù)禹城市農(nóng)村居民點(diǎn)提取結(jié)果與禹城市行政區(qū)劃圖可得，2000年禹城市共有938個(gè)農(nóng)村居民點(diǎn)，2017年居民點(diǎn)總數(shù)為860個(gè)，而禹城市的行政區(qū)劃面積約為990km2，根據(jù)公式(1)將會(huì)得到2個(gè)大小不一的樣方，為了數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可對(duì)比性，將2個(gè)時(shí)期居民點(diǎn)取平均，進(jìn)行計(jì)算。每個(gè)農(nóng)村居民點(diǎn)的平均面積為2.22km2，樣方大小為1490m×1490m，從而對(duì)禹城市居民點(diǎn)空間分布特征進(jìn)行分析。根據(jù)禹城市的行政邊界對(duì)建立的樣方進(jìn)行空間查詢(xún)，可得研究區(qū)被512個(gè)樣方完全覆蓋，消除邊界效應(yīng)的樣方，最后剩余373個(gè)有效樣方。結(jié)果如表2所示：

表2 禹城市2000年與2017年居民點(diǎn)樣方分析結(jié)果

與2017年相比，2000年禹城市包含0～4個(gè)居民點(diǎn)的樣方總數(shù)較多，而2017年禹城市包含5～7個(gè)農(nóng)村居民點(diǎn)的樣方數(shù)比2000年的樣方總數(shù)多。這表明較多的樣方覆蓋了相對(duì)較少的居民點(diǎn)，而較少的樣方卻覆蓋了較多的農(nóng)村居民點(diǎn)。在高度密集點(diǎn)的分布模式下，一個(gè)或幾個(gè)樣方會(huì)覆蓋較多的農(nóng)村居民點(diǎn)；在相對(duì)分散點(diǎn)的分布模式下，較多的樣方會(huì)覆蓋相對(duì)較少的農(nóng)村居民點(diǎn)，因此，相比2000年來(lái)說(shuō)，2017年的農(nóng)村居民點(diǎn)更加集聚。同時(shí)D統(tǒng)計(jì)量為0.0938(表2)，根據(jù)公式(3)，在α=0.05的顯著水平下，比較基準(zhǔn)的臨界值是0.0642，D>Dα=0.05，說(shuō)明禹城市2個(gè)時(shí)期居民點(diǎn)空間分布特征存在顯著差異，且2017年禹城市居民點(diǎn)空間集聚態(tài)勢(shì)更加顯著。但將農(nóng)村居民點(diǎn)樣方圖可視化后，如圖3所示，可以看出禹城市農(nóng)村居民點(diǎn)總體分布較為分散，聚集程度高的農(nóng)村居民點(diǎn)樣方少，多以分散為主，這主要是由禹城市的地形特征導(dǎo)致的，禹城市地形平坦，耕地面積廣大，受地形的影響很小，農(nóng)村居民點(diǎn)具有相對(duì)均勻分布的特征。

3.2 最近鄰點(diǎn)統(tǒng)計(jì)量

通過(guò)ArcGIS軟件將農(nóng)村居民點(diǎn)斑塊提取為面狀要素，并通過(guò)轉(zhuǎn)換工具中的要素轉(zhuǎn)點(diǎn)工具將其轉(zhuǎn)化為點(diǎn)要素分布，之后基于最鄰近點(diǎn)統(tǒng)計(jì)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(diǎn)之間的相距最近距離，之后通過(guò)公式(4)～(7)分別計(jì)算得出R統(tǒng)計(jì)量以及標(biāo)準(zhǔn)化Z值(表3)。

圖3 禹城市農(nóng)村居民點(diǎn)樣方分析

表3 2000年和2017年禹城市居民點(diǎn)R統(tǒng)計(jì)量與Z值

從R統(tǒng)計(jì)量來(lái)看，禹城市2000年的R統(tǒng)計(jì)量為1.016>1，而2017年的R統(tǒng)計(jì)量為0.908>1，說(shuō)明2000年居民點(diǎn)的分布呈現(xiàn)分散趨勢(shì)，而2017年的農(nóng)村居民點(diǎn)呈集聚態(tài)勢(shì)；從標(biāo)準(zhǔn)化Z值出發(fā)，禹城市2000年的標(biāo)準(zhǔn)化Z值為0.927，(-1.96

3.3 景觀(guān)格局

農(nóng)村居民點(diǎn)作為農(nóng)村人口聚居的主要場(chǎng)所，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，在規(guī)模、數(shù)量、形態(tài)等方面發(fā)生了顯著的變化，而景觀(guān)格局指數(shù)可以較好地反映農(nóng)村居民點(diǎn)的發(fā)展變化情況。表4為2000年和2017年農(nóng)村居民點(diǎn)的景觀(guān)格局指數(shù)數(shù)值：

禹城市農(nóng)村居民點(diǎn)雖然總體用地規(guī)模減少，農(nóng)村居民點(diǎn)數(shù)量下降，但部分居民點(diǎn)用地規(guī)模增加明顯。近20年，禹城市農(nóng)村居民點(diǎn)用地發(fā)生了顯著的變化，根據(jù)表4可知，農(nóng)村居民點(diǎn)總面積由12796.74hm2減少到10710.36hm2，同比下降16.3%，農(nóng)村居民點(diǎn)總個(gè)數(shù)由938下降到860個(gè)，下降8.3%。根據(jù)表5可知，市中街道和房寺鎮(zhèn)2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民點(diǎn)數(shù)量下降最多，主要是由于禹城市積極實(shí)施“兩區(qū)同建”，推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)，將一些面積小，空心化嚴(yán)重的村莊進(jìn)行合并，農(nóng)村居民點(diǎn)數(shù)量逐漸減少。但同時(shí)最大斑塊指數(shù)卻從0.0336增長(zhǎng)到0.0534，說(shuō)明局部居民點(diǎn)逐漸集聚的趨勢(shì)，新老農(nóng)村居民點(diǎn)結(jié)合在一起，增大了斑塊的面積，這與德州市近些年經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和當(dāng)?shù)氐纳罘绞矫懿豢煞帧?/p>

農(nóng)村居民點(diǎn)斑塊形狀由復(fù)雜化向規(guī)則化轉(zhuǎn)化，邊界形狀趨于簡(jiǎn)單。從禹城市2個(gè)時(shí)期農(nóng)村居民點(diǎn)形狀指標(biāo)來(lái)看，平均形狀指數(shù)降低了0.069，面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)由1.0478下降至1.0375(表4)，說(shuō)明禹城市農(nóng)村居民點(diǎn)斑塊形狀從破碎化、復(fù)雜化走向完整化、規(guī)則化。近20年來(lái)各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的平均形狀指數(shù)與面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)都呈下降趨勢(shì)(表5)，說(shuō)明近20年來(lái)禹城市各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村居民點(diǎn)的發(fā)展沒(méi)有紊亂的進(jìn)行，而是沿著村莊的原有規(guī)劃，按照一定形狀，一定規(guī)則有序的發(fā)展，其中禹城市當(dāng)?shù)赝恋刭Y源保護(hù)政策起到很大的作用。

表4 禹城市2000年和2017年居民點(diǎn)景觀(guān)格局指數(shù)

表5 禹城市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村居民點(diǎn)景觀(guān)格局指數(shù)

農(nóng)村居民點(diǎn)分布趨向更加密集。AI集聚指數(shù)由2000年的90.04增加至90.26(表4)，表明2017年農(nóng)村居民點(diǎn)分布具有更加聚集的態(tài)勢(shì)。但是從各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)來(lái)看，聚集的態(tài)勢(shì)不夠顯著，說(shuō)明禹城市實(shí)施“兩區(qū)同建”雖然取得了一定進(jìn)展，但禹城市農(nóng)村居民點(diǎn)規(guī)模小，布局分散，在下一步的推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)統(tǒng)籌規(guī)劃。

4 結(jié)論

以RS和GIS為技術(shù)手段，采用樣方分析法和最近鄰點(diǎn)統(tǒng)計(jì)量深入研究禹城市農(nóng)村居民點(diǎn)空間模式分布及其演進(jìn)規(guī)律，并從景觀(guān)生態(tài)學(xué)的角度，進(jìn)一步闡釋農(nóng)村居民點(diǎn)的演變特征，研究結(jié)論如下：

(1)禹城市2個(gè)時(shí)期農(nóng)村居民點(diǎn)空間分布存在顯著差異。與2000年相比，2017年相對(duì)較少的樣方數(shù)覆蓋了相對(duì)較多的農(nóng)村居民點(diǎn)，說(shuō)明2017年禹城市農(nóng)村居民點(diǎn)總體上呈現(xiàn)集聚分布的趨勢(shì)。從統(tǒng)計(jì)學(xué)方面來(lái)說(shuō)，2000年禹城市農(nóng)村居民點(diǎn)雖然呈現(xiàn)空間分散的趨勢(shì)，但卻不具有顯著性，而2017年農(nóng)村居民點(diǎn)聚集程度更高，呈現(xiàn)出顯著的空間集聚趨勢(shì)。

(2)禹城市農(nóng)村居民點(diǎn)雖然總體用地規(guī)模減少，農(nóng)村居民點(diǎn)數(shù)量下降，但部分居民點(diǎn)用地規(guī)模增加明顯，同時(shí)農(nóng)村居民點(diǎn)分布具有更加聚集的態(tài)勢(shì)，農(nóng)村居民點(diǎn)斑塊形狀由復(fù)雜化向規(guī)則化轉(zhuǎn)化，邊界形狀趨于簡(jiǎn)單。

綜上，禹城市2000年農(nóng)村居民點(diǎn)空間分布與2017年農(nóng)村居民點(diǎn)分布具有顯著差異，并且2017年農(nóng)村居民點(diǎn)集聚態(tài)勢(shì)更加明顯，說(shuō)明禹城市進(jìn)行“兩區(qū)同建”取得初步成效，對(duì)于合理配置基礎(chǔ)設(shè)施資源，促進(jìn)土地資源的高效利用以及集約化經(jīng)營(yíng)土地具有重要意義，但農(nóng)村居民點(diǎn)聚集程度不夠，說(shuō)明在實(shí)施“兩區(qū)同建”時(shí)仍具有部分問(wèn)題。在接下來(lái)的“兩區(qū)同建過(guò)程” 中，應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，優(yōu)先推進(jìn)經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后、居民點(diǎn)規(guī)模小、分散度高的地區(qū)，優(yōu)化當(dāng)?shù)赜玫夭季纸Y(jié)構(gòu)，同時(shí)發(fā)展當(dāng)?shù)氐奶厣a(chǎn)業(yè)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展能力，提高人民的物質(zhì)與精神文化水平，建設(shè)美麗鄉(xiāng)村，實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興。