基于ArcGIS距離制圖和空間數(shù)據(jù)層次組織的統(tǒng)籌城鄉(xiāng)居民點布局研究——以陜西志丹縣旦八鎮(zhèn)為例

吳金華，李紀(jì)偉，馮艷斌，王 淼

（長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西西安710054）

1 引言

在國家統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展戰(zhàn)略、第三輪土地利用規(guī)劃修編和城鄉(xiāng)建設(shè)用地增減掛鉤的背景下提出統(tǒng)籌城鄉(xiāng)居民點布局研究，對于統(tǒng)籌城鄉(xiāng)一體化發(fā)展、合理利用土地資源和科學(xué)編制土地利用規(guī)劃等都具有現(xiàn)實意義。城鄉(xiāng)居民點布局規(guī)劃主要包括國土資源管理部門主導(dǎo)的土地利用規(guī)劃和城鄉(xiāng)規(guī)劃管理部門主導(dǎo)的城鎮(zhèn)村體系規(guī)劃等。

土地利用規(guī)劃方面，經(jīng)過多年的理論研究和實踐探索，立足中國基本國情和借鑒國外成功經(jīng)驗，逐步形成了以用地指標(biāo)管理和用途空間管制為基礎(chǔ)的管理體系。在分區(qū)方法方面，宏觀方法較為常見和成熟，有聚類法、疊置法和星座法等[1]，其中聚類法得到了廣泛應(yīng)用。相比而言，鮮見縣鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）級特別是鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）級微觀方法的研究，現(xiàn)實規(guī)劃中土地利用用途區(qū)大多以定性為主，具有很大的隨意性，分區(qū)方案是否科學(xué)合理、是否有利生產(chǎn)和方便生活無從評價。

城鎮(zhèn)體系規(guī)劃方面，顧朝林結(jié)合中國實際提出了“三個結(jié)構(gòu)一個網(wǎng)絡(luò)”的城鎮(zhèn)體系規(guī)劃理論[2]，已成為中國城鎮(zhèn)體系規(guī)劃的框架性內(nèi)容。在定量研究方面，分形理論在城鎮(zhèn)體系等級結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)等方面應(yīng)用取得一些成果[3-5]，適合于刻畫和評價城鎮(zhèn)的空間形態(tài)與過程，但分形性質(zhì)只是檢驗城鎮(zhèn)體系是否合理的必要不充分條件，不能直接用于城鎮(zhèn)體系優(yōu)化。而村鎮(zhèn)體系規(guī)劃起步較晚，理論方法體系正在逐步完善[6]，定量研究上大多從耕作距離、搬遷成本和綜合評價等方面展開，缺點是缺乏從居民點空間關(guān)系統(tǒng)籌考慮。

本文以統(tǒng)籌城鄉(xiāng)居民點布局和節(jié)約集約用地為導(dǎo)向，采用ArcGIS距離制圖和空間數(shù)據(jù)層次組織等方法，通過居民點撤留判斷和空間等級體系建立，嘗試構(gòu)建一種基于成本效益和空間關(guān)系的城鄉(xiāng)居民點布局優(yōu)化方法。

2 研究方法

2.1 理論基礎(chǔ)

2.1.1 距離制圖原理 距離制圖（Distance Mapping）即根據(jù)每一柵格相距其最鄰近要素（源）的距離來進(jìn)行分析制圖，從而反映出每一柵格與其最鄰近源的相互關(guān)系。通過距離制圖可以獲得很多相關(guān)信息，指導(dǎo)人們進(jìn)行資源的合理規(guī)劃和利用[7]。在ArcGIS中，距離制圖分析主要通過距離制圖函數(shù)完成，包括直線距離函數(shù)（Straight Line）、分配函數(shù)（Allocation）、成本距離加權(quán)函數(shù)（CostWeighted）和最短路徑函數(shù)（Shortest Path）4部分，可以很好地實現(xiàn)常用距離制圖分析。其中，直線距離函數(shù)測量每一柵格單元到最近源的直線距離；成本距離加權(quán)函數(shù)采用函數(shù)因子（單元成本）修正直線距離，可計算出每個柵格距離成本最低源的最少累計成本，這里的成本可以是時間、摩擦和消耗等，該函數(shù)考慮了事物的復(fù)雜性，對于基于復(fù)雜地理特性的分析非常有用，如其在最小累計阻力模型（MCR）中常用來進(jìn)行景觀生態(tài)安全格局規(guī)劃[8-9]。本文采用距離制圖得到農(nóng)村居民點理論耕作范圍（成本分配）和平均耕作成本距離。

2.1.2 Voronoi圖理論與空間數(shù)據(jù)層次組織 一組空間對象（發(fā)生元）的Voronoi區(qū)域組成的集合稱為Voronoi圖，Voronoi圖的應(yīng)用原理是：一個Voronoi圖內(nèi)某個Voronoi多邊形內(nèi)的任意一點到該多邊形發(fā)生元的距離都小于其到其他Voronoi多邊形發(fā)生元的距離[10]。Voronoi圖有普通Voronoi圖和加權(quán)Voronoi圖等多種類型，其中加權(quán)Voronoi圖是考慮了發(fā)生元“影響能力”生成的Voronoi圖。Voronoi圖的空間格局是由發(fā)生元分布決定的，如果發(fā)生元按照克里斯泰勒中心地理論的三角形中心地分布和六邊形市場區(qū)分布，則得到的Voronoi圖的空間格局亦為正六邊形格局。由于Voronoi圖具有勢力范圍、側(cè)向鄰近、局部動態(tài)性等多項實用特性，以及較為完善的理論體系，在區(qū)域分析和規(guī)劃、地理信息系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

王新生等借鑒Okabe和Sadahiro提出的一種利用Voronoi圖有層次地組織空間數(shù)據(jù)的方法[11]，提出用Voronoi圖確定城市空間影響范圍，并利用Voronoi多邊形鄰居關(guān)系的性質(zhì)確定城市體系中不同等級城市之間的空間組織關(guān)系。該方法的基本原理是，存在一具有數(shù)量屬性值的空間點集，首先找到空間點集中第一級局部中心（最低級中心），局部中心定義為那些屬性值大于或等于其Voronoi多邊形鄰居屬性值的那些空間點。同樣，用第一級局部中心Voronoi圖定義第二級局部中心，用第k級局部中心Voronoi圖定義第（k+1）級局部中心，重復(fù)進(jìn)行這個過程，直至僅剩一個點為止。最后，空間點集的等級層次關(guān)系可以用一個有向圖來闡述，在這個有向圖中，第（k+1）級局部中心包含第k級局部中心[10]。采用該方法進(jìn)行空間數(shù)據(jù)層次組織，不僅考慮了空間點的“影響能力和范圍”，而且考慮了空間點的空間相鄰關(guān)系，符合中心地系統(tǒng)模型的空間等級特性，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價值。本研究城鄉(xiāng)居民點空間等級體系構(gòu)建借鑒了這種方法。

2.2 研究方法

本文以志丹縣旦八鎮(zhèn)為例進(jìn)行城鄉(xiāng)居民點布局優(yōu)化研究，主要步驟見圖1。（1）居民點撤留初步判斷：筆者認(rèn)為農(nóng)村居民點服務(wù)周圍農(nóng)地（為方便研究將耕地和園地統(tǒng)稱為農(nóng)地）的平均耕作成本距離越小越好，以減少耕作成本，農(nóng)民人均農(nóng)地面積越大越好以獲得規(guī)模效益。利用ArcGIS成本距離函數(shù)和Zonal Statistics工具得到居民點平均耕作成本距離和人均農(nóng)地面積，以此為依據(jù)進(jìn)行居民點撤留初步判斷。（2）居民點空間等級體系構(gòu)建：依據(jù)測算的居民點發(fā)展能力指數(shù)，根據(jù)空間數(shù)據(jù)層次組織方法，在ArcGISModel Builder中結(jié)合Spatial Join、Dissolve、Join和Field Calculator等工具實現(xiàn)該過程（圖2），最終構(gòu)建居民點空間等級體系。（3）統(tǒng)籌城鄉(xiāng)居民點布局：結(jié)合居民點撤留初步判斷和空間等級體系，根據(jù)中心地理論和交通連通性等進(jìn)行居民點布局優(yōu)化。

3 實例研究

3.1 研究區(qū)概況

圖1 統(tǒng)籌城鄉(xiāng)居民點布局方法Fig.1 The layout method of urban-rural settlements

圖2 ArcGISModel Builder構(gòu)建居民點空間等級體系Fig.2 The spatial hierarchical system of settlements based on ArcGIS Model Builder

圖3 城鄉(xiāng)居民點撤留初步判斷Fig.3 The initial decision on relocation urban-rural settlements

旦八鎮(zhèn)位于陜西省志丹縣洛河沿岸，鎮(zhèn)域總面積319.31 km2，屬陜北黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地勢可分為“四嶺三川兩條溝”，北暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候。2009年全鎮(zhèn)轄18個村委會，100個農(nóng)村居民點，總?cè)丝?.10萬人，人口密度34.39人/km2，非農(nóng)化率10.64%。全鎮(zhèn)農(nóng)用地31085.8 hm2、建設(shè)用地440.5 hm2，分別占土地總面積的97.35%和1.38%；農(nóng)用地中，耕地、園地分別為4362.3 hm2、94.8 hm2，分別占農(nóng)用地面積的14.03%、0.31%；建設(shè)用地中，城鄉(xiāng)建設(shè)用地377.4 hm2，占建設(shè)用地總規(guī)模的85.67%。

3.2 城鄉(xiāng)居民點撤留初步判斷

采用ArcGIS成本距離函數(shù)以成本柵格數(shù)據(jù)和居民點布局?jǐn)?shù)據(jù)生成各居民點成本距離數(shù)據(jù)和分配數(shù)據(jù)（圖3（a）），成本距離根據(jù)烏爾曼（E.L.Ullman）空間相互作用理論由中心地環(huán)境條件和輻射能力構(gòu)成[12]，其中，環(huán)境條件由坡度數(shù)據(jù)和交通數(shù)據(jù)疊加構(gòu)成，輻射能力由居民點人口規(guī)模加權(quán)Voronoi圖構(gòu)成，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化采用極值法（式1）、因素確權(quán)采用變異系數(shù)法（式2），再利用Zonal Statistics工具求取居民點平均耕作成本距離和人均農(nóng)地面積。

式 1中，y為標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值，x為原始數(shù)值，i=1，2，3，4。

圖4 居民點空間等級體系構(gòu)建Fig.4 The spatial hierarchical system of settlements

式2中，W為評價因子權(quán)重；V為評價因子變異系數(shù)；S為評價因子標(biāo)準(zhǔn)差為評價因子均值；i=1，2，3，4。

居民點撤留判斷標(biāo)準(zhǔn)為：居民點平均耕作成本距離越小、人均農(nóng)地面積越大則應(yīng)作為保留發(fā)展型，平均耕作成本距離越大、人均農(nóng)地面積越小則應(yīng)作為撤銷搬遷型，而平均耕作成本距離和人均農(nóng)地面積同小或同大則應(yīng)作為控制發(fā)展型。這里將居民點平均耕作成本距離和人均農(nóng)地面積的均值作為大小判定標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果如圖3（b）所示，共有保留發(fā)展型13個、撤銷發(fā)展型14個和控制發(fā)展型73個。

根據(jù)居民點發(fā)展類型及其特點，制定差別化政策，進(jìn)行居民點布局調(diào)整：（1）保留發(fā)展型：一般地形較好、交通便利、生產(chǎn)和生活方便，具有以一定聚集效應(yīng)和發(fā)展?jié)摿Γ瑪M作為發(fā)展對象，逐步完善基礎(chǔ)設(shè)施，滿足科學(xué)發(fā)展用地需求。（2）控制發(fā)展型：一般在地形、交通、生產(chǎn)和生活等方面有所限制，聚集效應(yīng)和發(fā)展?jié)摿τ邢蓿唐趦?nèi)不宜遷并，擬作為控制對象，逐步優(yōu)化用地布局，促進(jìn)建設(shè)用地和農(nóng)地規(guī)模聚集，用地以內(nèi)涵挖潛為主，原則上不提供新增建設(shè)用地指標(biāo)。（3）撤銷遷并型：一般在地形、交通、生產(chǎn)和生活等方面有較大限制，不具有發(fā)展?jié)摿Γ唐趦?nèi)應(yīng)遷并，擬作為撤銷對象，是土地整理和增減掛鉤的重點。

統(tǒng)籌城鄉(xiāng)居民點布局是一個復(fù)雜問題，最終如何調(diào)整要從統(tǒng)籌區(qū)域角度加以考慮，應(yīng)參考區(qū)域居民點空間等級體系的構(gòu)建結(jié)果。

3.3 城鄉(xiāng)居民點空間等級體系構(gòu)建

以旦八鎮(zhèn)居民點人口規(guī)模、居民點用地規(guī)模、平均耕作成本距離和人均農(nóng)地面積4項因素綜合加權(quán)構(gòu)建居民點發(fā)展能力指數(shù)，其中數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化采用極值法（式1）、因素確權(quán)采用變異系數(shù)法（式2）。按照圖2采用ArcGIS Model Builder構(gòu)造模型，以居民點發(fā)展能力指數(shù)為依據(jù)做空間分析，經(jīng)過6次循環(huán)（圖4），構(gòu)建了旦八鎮(zhèn)7層居民點空間等級體系。根據(jù)中心地理論，高級中心地不僅有低級中心地所具有的職能，而且具有低級中心地所沒有的高級職能，按照各居民點在體系中所處的最高層次確定其級別，可以得到1級居民點1個、2級1個、3級1個、4級3個、5級7個、6級18個、7級69個（圖5（a））。

3.4 統(tǒng)籌城鄉(xiāng)居民點布局方案

本文擬定鎮(zhèn)域“鎮(zhèn)中心—中心村—基層村”三層城鄉(xiāng)居民點布局結(jié)構(gòu)，結(jié)合旦八鎮(zhèn)居民點撤留判斷和空間等級體系成果，按照以下原則構(gòu)建：（1）旦八鎮(zhèn)鎮(zhèn)中心為全鎮(zhèn)的政治、經(jīng)濟(jì)、文化、教育、商業(yè)和交通中心，負(fù)擔(dān)輻射帶動全鎮(zhèn)、提供高級公共產(chǎn)品和服務(wù)的功能，是重點支持和建設(shè)的對象，應(yīng)提供政策、財政、土地等全方位要素支持。（2）根據(jù)中心地理論和管理幅度理論，中心村選擇數(shù)量不宜過多，按照發(fā)展能力較強(qiáng)、交通條件便利、輻射范圍較大和鎮(zhèn)域統(tǒng)籌分布的原則，主要在5級及其以上居民點中選擇；中心村的輻射范圍應(yīng)綜合考慮交通連貫性，即中心村輻射的基層村所處的地形應(yīng)相近，依靠的主要交通線應(yīng)相同，同時要參考居民點空間等級體系的構(gòu)建過程。中心村是鎮(zhèn)片區(qū)中心，承擔(dān)鎮(zhèn)中心為周圍基層村提供一般性公共服務(wù)的部分職能，同時也具有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能，應(yīng)作為適度發(fā)展對象，以提高農(nóng)民公共產(chǎn)品和服務(wù)享有水平為重點，保障其科學(xué)發(fā)展用地。（3）基層村為中心村以外的農(nóng)村居民點，本身公共服務(wù)功能較弱，需要依靠中心村和鎮(zhèn)中心的公共服務(wù)才能維持正常地生產(chǎn)和生活需要，主要承擔(dān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能。根據(jù)居民點撤留初步判斷，大部分為控制發(fā)展型，撤銷遷并型也基本包含在內(nèi)，因此，基層村應(yīng)作為控制發(fā)展對象，優(yōu)化其用地布局，促進(jìn)規(guī)模聚集效益，用地需求也應(yīng)以內(nèi)部挖潛為主。

圖5 旦八鎮(zhèn)城鄉(xiāng)居民點布局Fig.5 Layout of urban-rural settlement in Danba town

按照以上原則進(jìn)行旦八鎮(zhèn)城鄉(xiāng)居民點布局效果見圖5（b），選取了中心村9個，基層村78個，撤消13個居民點。《志丹縣縣域村莊布局規(guī)劃（2006—2025年）》中，確定了19個中心村，13個撤銷遷并村，本研究確定的9個中心村有5個包含在其中，13個撤銷遷并村中有8個包含在其中，兩者具有較好的兼容性。且相比之下，原方案確定了過多的中心村，一方面不易管理，另一方面難以產(chǎn)生規(guī)模聚集效益，不利于統(tǒng)籌城鄉(xiāng)一體化實現(xiàn)，也不利于土地利用效益的提高。因此，優(yōu)化后的城鄉(xiāng)居民點布局相對科學(xué)，應(yīng)結(jié)合居民點發(fā)展類型及差別化發(fā)展政策，統(tǒng)籌城鄉(xiāng)用地布局，獲得規(guī)模聚集效益，提高公共產(chǎn)品和服務(wù)共享水平，有利生產(chǎn)、方便生活，逐步實現(xiàn)城鄉(xiāng)統(tǒng)籌一體化，促進(jìn)土地資源合理利用。

4 研究結(jié)論

（1）以旦八鎮(zhèn)為例采用ArcGIS距離制圖和空間數(shù)據(jù)層次組織的方法進(jìn)行統(tǒng)籌城鄉(xiāng)居民點布局研究，撤銷了13個居民點，形成了以鎮(zhèn)中心為區(qū)域中心，由9個中心村和78個基層村構(gòu)成的城鄉(xiāng)居民點布局方案，同現(xiàn)有布局規(guī)劃具有較好的兼容性，同時兼顧了成本效益、空間關(guān)系和管理幅度等重要因素，更有利于統(tǒng)籌城鄉(xiāng)一體化的實現(xiàn)和土地資源的合理利用。

（2）研究在居民點撤留初步判斷中，運用了ArcGIS成本距離加權(quán)函數(shù)實現(xiàn)居民點平均耕作成本距離測算；在居民點空間等級體系構(gòu)建中，運用了ArcGIS的Model Builder和Spatial Join等工具實現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)層次組織，考慮了局部空間相關(guān)，比以往方法更加精確實用。

（3）根據(jù)烏爾曼提出的空間相互作用基于互補(bǔ)性、可轉(zhuǎn)移性和介入機(jī)會3個前提條件的理論，構(gòu)建了由中心地環(huán)境條件（可轉(zhuǎn)移性）和輻射能力（介入機(jī)會）組成的成本柵格數(shù)據(jù)，其中，中心地環(huán)境條件由自然地形條件和交通設(shè)施條件構(gòu)成，輻射能力由加權(quán)Voronoi圖構(gòu)成。與以往區(qū)位理論關(guān)于“均質(zhì)平原”的假設(shè)不同，本研究成本柵格是非均質(zhì)的。

（References）：

［1］ 陳百明.中國土地利用與生態(tài)特征區(qū)劃［M］.北京：氣象出版社，2003.

［2］ 顧朝林.地域城鎮(zhèn)體系組織結(jié)構(gòu)模式研究［J］.城市規(guī)劃匯刊，1987，（2）.

［3］ Batty M, Longley P.Fractal cities：a geometry of form and function［M］.Salt Lake City: Academic Press, 1994.

［4］ 劉繼生，陳彥光.城鎮(zhèn)體系等級結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)及其測算方法［J］.地理研究，1998，（1）：83-90.

［5］ 劉繼生，陳彥光.城鎮(zhèn)體系空間結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)及其測算方法［J］.地理研究，1999，（2）：60-67.

［6］ 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部城鄉(xiāng)規(guī)劃司.縣域村鎮(zhèn)體系規(guī)劃:村鎮(zhèn)與區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的戰(zhàn)略平臺［J］.城鄉(xiāng)建設(shè)，2009，（3）：6-13.

［7］ 湯國安，楊昕.ArcGIS 地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

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

［9］ Kongjian Y.Security patterns and surface model in landscape ecological plannin［J］.Landscape and Urban Planning, 1996, 36（1）：1-17.

［10］ 王新生，劉紀(jì)遠(yuǎn)，莊大方，等.Voronoi 圖用于確定城市經(jīng)濟(jì)影響區(qū)域的空間組織［J］.華中師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2003，（2）：256-260.

［11］Okabe A, Sadahiro Y.An illusion of spatial hierarchy：spatial hierarchy in a random configuration［J］.Environment and Planning A,1996,（28）: 1533-1552.

［12］ 劉艷芳.經(jīng)濟(jì)地理學(xué)：原理方法與應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.