基于TM遙感圖像的農村居民點分布模式研究

崔成　李玉環　高慶宇

摘要 介紹了現階段我國農村居民點空間分布的有關內容，并針對性地根據濟寧市微山縣2012年TM遙感圖像、地形圖等得出研究區居民點空間分布特征信息，然后采用樣方分析（QA）、K（d）函數以及Voronoi圖分析法研究微山縣居民點空間分布的特征。研究結果表明，微山縣農村居民點具有明顯集聚特征的空間分布，并且集聚性指數與研究尺度呈正相關關系；同時具有微觀隨機性、中觀尺帶性、宏觀塊狀集中等特點。

關鍵詞 農村居民點；TM遙感圖像；空間數據分析；分布模式

中圖分類號 S127 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）20-362-04

Abstract The related content of rural residential area distribution in China at the present stage was introduced， according to TM remote sensing image， topographic map in Weishan County in 2012， the residential spatial distribution characters were obtained. By using the kind of square analysis（QA） method， K（d） function and Voronoi chart analysis method to study the rural residential areas space distribution in Weishan County. The results showed that： the spatial distribution of Weishan County settlement has the obvious space dependence， in general， present a concentration distribution characteristic； As research scale change， residential areas， the distribution of agglomeration sex index also increases； Residential space distribution of hot spots in the microscopic scales random medium， in a space scale has the shaft extensibility， macro scale has the characteristics of planar concentration.

Key words Rural residential； TM remote sensing； Spatial data analysis； Distribution pattern

國外對農村居民點的研究重點主要集中在村鎮的規劃和建設兩方面。德國和法國側重于從農業耕作半徑以及區位通達性等方面進行相關研究[1]，美國則是非常重視小村鎮的規劃[2]，同時以縮小城鄉差距為目的的英國則主要進行中心村方面的建設研究[3]。國內第1次提出關于農村居民點用地方面存在問題和解決辦法的見解是在20世紀80年代。有學者將研究重點放在農村居民點的管理方面[4]。也有學者通過對重慶市九龍坡區居民點進行研究，提出了影響農村居民點用地變化的驅動因子體系[5]。有研究認為農村居民點的整理不僅要考慮到各地區農村居民點理論上的整理潛力，還要知道該地區自然條件、社會經濟發展水平以及農業開發挖潛能力的影響[6]。

以濟寧市微山縣為研究對象，對研究區農村居民點空間分布進行分析，探討農村居民點空間模式形成發展的原因，進而提出農村居民點空間調整的具體思路，用于指導微山縣新農村的規劃建設。近年來，不少學者對不同地域內居民點的空間分布特征進行了相關研究 ，包括荒漠中綠洲、黃土高原、谷內盆地以及其他具有典型特征的地方等，研究內容主要涉及土地利用、整理、布局、時空分布和影響因素分析等[7]。筆者基于2012年微山縣TM遙感圖像對微山縣農村居民點的空間分布特征進行分析，研究其集聚、發散程度及變化趨勢，從實踐上指導農村居民點類型劃分，從而服務于微山縣總體規劃，為促進區域農村居民點空間體系建立提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

微山縣位于山東省南部，地處116°34′～117°24′ E，34°26′～35°20′ N，南北長120 km，東西寬8～30 km，總面積1 779.8 km2。2012年總人口69.51萬人，城市人口16.91萬人。全縣平均人口密度388人/km2，陸地平均人口密度1 256人/km2。

1.2 研究方法

樣方分析法是研究空間點模式最常用的方法，其具體做法是用一組樣方覆蓋在研究區域上并作疊置分析，統計落在每一個樣方上的樣本數，通過統計研究區域內不同的具有m點數樣方的頻率及個數，并通過和完全隨機Poisson分布對比來判斷得出樣方的點模式空間分布特征。其結果用方差均值比判斷，具體公式如下：

式中，VAR 為樣方頻率方差，Mean為平均樣方頻率，pi 為含i個點樣方的頻率，xi 為單樣方內的點數，n為樣方總數，m 為點總數。目前一般確定樣方大小采用“拇指規則”，即選用樣方的大小應當是平均每個點所占面積的2倍[8]。

K函數是分析居民點空間分布格局的重要方法。其定義為：

式中，ρ為點的密度，n為點實體的總數，A 為點模式分布的面積，C（Si，d） 表示以第i點Si為圓心、d為半徑的圓，count[S ∈ C（Si，d） ]表示點集S 落在圓C內的點數。K函數為一個單調遞增函數，密度為ρ的點集在均勻分布條件下K′d =πd2。因此如果K（d）>K′d ，表明點集呈集聚分布，如果K（d）

1.3 研究模式及數據介紹

在實際工作中，許多的地理實體現象（如聚落、學校、工廠等）均能被抽象為點，并用點圖來刻畫其空間分布規律，這就是點模式研究，在該研究用來研究居民點在空間分布的總體態勢。點模式研究的方法很多，主要有樣方分析法、最近鄰距離分析法、K函數法、Voronoi圖分析法等。其中，樣方分析法最能直接、形象地反映出分布的集聚與分散狀況；而K函數分析法則能進一步確定其離散與集聚程度隨尺度的變化情況；Voronoi圖分析法則研究自然和社會等條件對農村居民點空間分布的影響。因此，采用以上3種方法能有力地說明居民點的空間分布狀況。

運用ERDAS對微山縣（2個街道、6個鎮、7個鄉）范圍內的2012年的TM遙感影像解譯，得到微山縣農村居民點的空間分布信息特征，進而為整個農村居民點的空間分布模式研究提供數據支持。

1.4 研究區居民點相關信息的提取

因為該研究所用到的圖像已經經過幾何校正與輻射量校正，所以在這直接進行影像增強的處理。

影像增強的目的是為了獲得更好的清晰度，增強在干擾條件下（如雨雪、煙霾等）獲取遙感圖像的真實感。現有的影像增強方法按其計算過程可分為線性變換和非線性變換，按操作對象可分為點運算、局部運算和全局運算[11]。

經過影像增強及其他處理，得到最終TM圖像（圖2）。

圖像分類即基于圖像象元的數據文件值，將象元歸并成有限幾種類型、等級或數據集的過程。常規圖像分類主要有2種方法，分別為非監督分類與監督分類。綜合考慮該研究的實際情況，選用非監督分類的方法進行分類，分類后的遙感圖像見圖3。

因研究所用的遙感圖像范圍較大，不準確，因此在進行分析之前需確定微山縣的縣界，根據微山縣的地形圖（圖4）及地圖（圖5），利用arcgis確定的縣界如圖6所示，再通過空間分析疊加后得到圖7。

2 結果與分析

2.1 樣方法結果分析

通過對微山縣統計年鑒的查閱，結合微山縣的遙感圖像及地形圖可知，微山縣居民點的總數為565個，而微山縣居民點的總面積為9 127.3 hm2（表1）。每個居民點所占平均面積為0.16 km2 ，同時依據拇指規則可以得出樣方面積為0.32 km2 ，因此我們采用600 m×600 m（面積為0.36 km2 ）樣方對微山縣居民點的分布模式進行研究分析。

因為微山縣水面面積大，所以在研究中必須剔除這部分面積。通過疊置分析可知微山縣范圍內總共有788個樣方，刪掉消除邊界效應的樣方，剩余721個樣方。在刪去未被樣方覆蓋的居民點后統計每個樣方內的居民點的數目，結果見表2。

通過計算可知，樣方頻率方差VAR=1.766 1 ，平均樣方頻率Mean=1.858 7，方差均值比VMR=0.955 6<1，因此微山縣居民點的空間分布具有發散分布的趨勢。

2.2 K函數結果分析

利用K函數分析微山縣居民點的空間分布，經過計算，K（d）>πd2，據此可以判斷微山縣居民點的空間分布具有發散的特點。且隨著尺度的增加不斷變大。

2.3 Voronoi圖分析法結果分析 農村居民點的空間分布類型共有集群型、隨機型和均勻型3 種。由微山縣統計年鑒可知，微山縣共有565個農村居民點，其總用地面積比例僅為5.14% ，居民點平均面積為0.16 km2 ，微山縣接近55%的縣區屬于河湖，所以農村居民點大多沿湖分散。因此，農村居民點的空間分布呈分散狀[12]。微山縣地域的自然情況以及高城鎮化導致該地區的農村居民點數量和用地面積比例較小。另一方面，河湖是影響微山縣農村居民點空間分布的重要因素。由表3可以看出，板塊數、用地面積及密度隨著距河湖距離的增加先增后減。

3 問題與對策

3.1 農村空間分布存在的問題

根據以上數據研究結果，結合我國其他地區的居民點分布特點可以總結出當前以微山縣為代表的大批農村居民點空間分布中存在的普遍問題[13]。首先，由于社會經濟和自然地理條件的影響，研究區農村居民點總體布局分散，且占地面積廣，集約利用率低。其次，農村居民點不合理擴張導致了內部過于陳舊而且閑置現象嚴重，整體呈現空心趨勢。最后，村民關注住宅建設，建筑單體面積越來越大，但忽視了生活基礎設施的建設。

3.2 基于微山縣居民點分布問題的調整

基于微山縣農村居民點空間發展與改造中存在的問題和原因，提出了設施集中和綜合整治2種辦法。①設施集中。

設施集中型是針對微山縣經濟水平低導致形成低密度塊狀農村居民點空間模式的調整措施，重點在于突出中心村帶頭作用，形成小規模團狀分布。

②綜合整治。綜合整治是針對微山縣由于水文地理條件導致的高密度條帶狀農村居民點空間模式的調整措施[14]。在綜合整治的過程中既要考慮當地的經濟發展、農村分布，還要考慮到環境和可持續發展問題，最終實現土地的集約利用和農業發展的規模化。

4 結論與討論

空間數據分析是地理信息科學的一個重要的方向，研究中通過樣方分析對微山農村居民點空間分布研究后發現VMR<1，空間分布為整體分散趨勢。通過K函數對微山縣農村居民點研究后可知，其研究尺度、K函數和分散規模三者間呈正相關關系，即尺度減小，分散性減弱。微山縣農村居民點多而小，呈現出延微山湖帶狀延伸的趨勢。從結果圖上看，西南地區居民點用地面積比例高，規模也較大，呈塊狀分布比較多；西北方因為地勢影響，農村居民點用地面積比例較低而且規模小，密度也較低。微山縣農村居民點的空間分布還與河湖存在緊密聯系，因為整個微山縣湖泊的面積占到了總面積的一半，距離河流越遠，農村居民點密度先增后減，農村居民點個數同樣也是先增后減的趨勢。泰森多邊形可以較準確地表達研究區的空間分布特征，因此可以作為點模式研究對象，但是其分界標準還沒有統一。微山縣農村居民點的空間分布特征受水域影響極大。因為農村居民點的研究不僅可以反映當地農村生活居住習慣和現狀，還可以作為政府調整政策的依據，所以對各地區農村居民點的探究具有非常重要的理論和現實意義。

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