基于GIS的北川縣鄉村聚落空間分布及演變特征

廖 軍 吳彩燕 呂 波 賈菊桃

(西南科技大學環境與資源學院 四川綿陽 621010)

鄉村聚落是指鄉村人口居住和從事生產勞動的地方，是人們聚集定居而在空間區域上形成的場所，其空間分布和聚集特征體現了不同生產力水平下人類生產生活與周圍環境的關系[1]。鄉村聚落的形成和發展受到社會人文因素和自然因素的影響，自然因素直接控制了鄉村聚落的空間分布，而社會人文因素推動著鄉村聚落格局演變和發展。

國外早在1820年就提出了對鄉村聚落的研究[2-4]，研究內容包括鄉村聚落形成發展的影響因素、聚落類型和演變等。其研究發展過程主要經歷了從宏觀轉向微觀、自然選擇轉向社會人文、由單學科定性為主轉變為多學科定性與定量相結合。1990年以后，鄉村聚落的研究轉向后現代，文獻[5]以多倫多為例對小城鎮外圍的鄉村聚落的變化和演變機制進行研究，研究表明地理位置、人口遷徙、工業經濟發展等因素對聚落的發展和演變有著刺激作用；文獻[6]以南澳大利亞地區為例，著重研究了人口密度對鄉村地理分布、農村規劃實踐的重要性，并對不同時期進行了假設檢驗，結果表明人口密度在鄉村演變中是一個重要的解釋變量；文獻[7]采用調查和訪談的方法研究了蘇格蘭農村人口的再定居問題，研究表明農村社會轉型和農村居民的社會遷移與中產階級化有著直接關系。

國內對鄉村聚落的研究起步較晚，主要分為兩個階段。1990 年以前中國鄉村聚落的研究多集中在聚落的體系、形態與類型。隨著中國改革發展以后，伴隨著新農村建設和城鄉統籌發展政策的出臺，鄉村聚落研究內容開始向聚落的空間格局、時空演變等方向發展[8-9]。21世紀以來，雖然城鎮化進程不斷推進，但是從整體來看，鄉村聚落仍舊占據我國主體地位，其中山地鄉村聚落占了相當大的比重，為此我國眾多學者對其進行了深入研究。尹懷庭等[10]以陜西三大地區為研究區，對近 30 年以來各地區鄉村聚落空間分布和結構進行對比研究，并總結了目前鄉村聚落的空間演變趨勢；郭曉東等[11]采用景觀指數和GIS空間統計分析等方法，分析了黃土丘陵區鄉村聚落分布和演變的特征以及影響的驅動機制；李陽兵等[12]對貴州省的巖溶山地區域的鄉村聚落進行了研究，探討了巖溶山地人口與聚落演化的模式；張榮天等[13]以鎮江市為研究區，運用景觀生態學等方法分析了丘陵地區鄉村聚落空間格局的東西分異特征；李全林[14]運用空間插值、空間關聯指數等空間測度模型探討了蘇北地區鄉村聚落空間格局特征，研究表明蘇北地區鄉村聚落呈現“南密北疏”的特征，并且其規模分布上空間自相關性十分明顯。但是，國內對鄉村聚落研究仍然存在一些不足，現有對鄉村聚落的研究多從自然因素出發，未充分考慮社會經濟因素，并且從單一時期對其研究較多，而對一段時期內鄉村聚落時空演變規律研究較少。

北川縣是受汶川地震影響的極重災區之一，震后國家積極開展災后重建工作并發布了再造一個新北川的號召，對北川的行政區劃進行了重新規劃。北川重建和發展如今已過去10年，為此，本文基于DEM數據和2007年、2017年谷歌影像數據，應用GIS空間分析、景觀格局分析、核密度分析等方法，對2007年、2017年兩個時期北川縣的鄉村聚落空間格局及演變進行研究，旨在揭示鄉村聚落空間分布特征和規律，并為今后北川縣科學規劃與建設鄉村聚落、促進城鄉統籌發展提供一定的決策依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

北川羌族自治縣位于四川盆地西北部(圖1)，地理坐標東經103°44′～104°42′，北緯31°14′～32°14′，屬于亞熱帶濕潤季風氣候區，氣候溫和，多年平均氣溫15.6 ℃，年均降雨量1 399.1 mm，水資源豐富，有一江五河四大溝[15]。北川地形地貌較為復雜，北川-映秀斷裂帶穿過北川，西部屬于岷山山脈，東部是龍門山脈，整體地勢呈現出西北高東南低的趨勢，相對高差4 229 m。東接江油市，南鄰安州區，西靠茂縣，北抵松潘、平武縣，面積為3 084 km2。

圖1 北川縣地理位置

1.2 數據來源

(1) 北川縣DEM數據(30 m×30 m)，來源于網絡地理空間數據云。從DEM數據中提取地形地貌因子和主要水系。

(2) 北川縣2007年和2017年谷歌影像(分辨率4 m)，主要是利用LocaSpace Viewer軟件在線下載所得，使用Arcgis10.2對影像進行目視解譯，獲得聚落數據主要為城鎮和農村居民點，并進行篩分處理，使解譯的聚落總面積與統計數據聚落總面積的比值為90%，達到研究精度的需要[16-18]。

(3) 北川縣鄉鎮行政區劃及交通矢量數據，從北川縣1∶200 000行政區劃圖矢量化所得。

(4) 人口、經濟和氣候概況數據來源于《北川羌族自治縣年鑒》。

1.3 研究方法

1.3.1 景觀格局分析

景觀格局是指大小和形狀各異的景觀要素在空間上的結構和形態特征[16-17]，而景觀指數是對景觀格局信息進行高度概括，是探索景觀空間格局的有效指標。利用景觀格局指數可以揭示不同景觀在區域上的多樣性和聚散性以及單一景觀的數量、密度等。在對鄉村聚落空間的研究中，景觀格局指數是一個優良的衡量指標。本文從北川縣實際情況出發，選取以下景觀指數探討鄉村聚落的數量、規模、形態和鄰近情況。

(1)斑塊數量(NP)：用來反映鄉村聚落的數目。

(2)斑塊總面積(PS)：用來反映鄉村聚落的規模。

(3)斑塊密度(PD)：用來反映單位面積內鄉村聚落的數量。

(4)平均斑塊面積(MPS)：用來反映鄉村聚落的平均規模。

1.3.2 核密度分析

核密度分析是一種非參數估計方法[18]，不需要對數據分布有先驗知識，也不需要對數據分布進行假設，是從數據本身出發去研究數據的分布特征。在核密度分析中，是以每個已知數據點所在的位置為圓心賦予不同的權重，與圓心的距離越小，賦予的權重越大，反之亦然。然后將相同位置密度值疊加后得到像元最終的密度值(KDE)。

(1)

1.3.3 最近鄰分析

最近鄰分析是以隨機分布的狀況作為一種標準去衡量點狀目標的空間分布[19-20]，測算地理空間中每個點狀目標與其最鄰近點狀目標之間的歐氏距離，取其平均值，稱為最鄰近距離。平均最近鄰指數則指實際最鄰近距離與理論最鄰近距離之比。

(2)

(3)

(4)

式中，DO是實際的每個要素與其最近要素之間的平均距離，DE為隨機模式下斑塊質心的期望平均距離，n為鄉村聚落的斑塊總數，di為最鄰近距離，SE為最鄰近點平均距離的標準誤差，A為研究區面積，Z得分反映數據離散程度。

當ANN=1時，點狀目標呈隨機型分布；當ANN>1 時，點狀目標趨于均勻分布；當ANN<1 時，點狀目標趨于集群分布。

2 結果與分析

2.1 鄉村聚落空間分布

2.1.1 聚落總體分布特征

北川縣歷史悠久，人少地多是北川地區的一個明顯特征。目前，縣域總面積308 370.7 hm2，建設用地面積為5 916.27 hm2，占總面積的1.92%，其中鄉村聚落用地5 291.69 hm2。根據2017年谷歌影像提取鄉村聚落斑塊分析，北川縣現有1 580個聚落斑塊，斑塊密度達到0.51個/km2。由于自然條件的空間差異，鄉村聚落在分布上也呈現明顯空間差異。地勢平坦、水系交通便利的區域，聚落密度較高，平均分布有3個/km2以上的聚落，聚落和居住人數較為集中；地勢陡峭、水系交通不便的區域，平均聚落分布個數不足1個/km2，聚落和人口密度都較低。

2.1.2 聚落景觀格局特征

根據2007年和2017年谷歌影像數據提取并生成鄉村聚落斑塊分布圖，計算并統計出NP，PS，MPS，PD等聚落景觀指數。從表1中分析，北川震后發展至今鄉村聚落變化明顯，從聚落數量和面積來看，境內聚落數量和總面積均有增加，聚落數量和總面積分別增加了482個和2 035.72 hm2；從最大和最小斑塊面積分析，2017年的聚落面積相較于2007年增幅趨勢明顯。上述分析表明，近10年來，北川縣鄉村聚落的密度在不斷擴大，空間擴展特征較為顯著。空間擴展主要有兩種方式：一方面是聚落斑塊數量的增加，另一方面是單個聚落斑塊面積增加。

2.1.3 聚落密度分布特征

本文運用Arcgis10.2中的Feature To Point模塊，提取2007年與2017年鄉村聚落斑塊的中心點，再采用Kernel方法生成北川縣鄉村聚落空間密度分布圖(圖2)。總體來看，2007年北川縣鄉村聚落空間分布已經形成沿道路和水系聚集分布的格局；2017年聚落分布較2007年更為密集，整體呈現“線型”狀，并呈現東南密集、西北稀疏的態勢。

圖2 2007年和2017年北川縣鄉村聚落密度比較

2.2 北川縣鄉村聚落的演變特征

2.2.1 鄉村聚落總體演變特征

在arcgis10.2中使用平均最近鄰工具分別對生成的2007年和2017年鄉村聚落點進行空間統計。該工具將返回5個值：平均觀測距離、預期平均距離、最近鄰比率、Z得分和P值[19-20]。Z得分反映了數據的離散程度，Z的臨界值是[-2.58,2.58]，P值反應了數據是隨機分布的概率，其臨界值是0.01。

從Z得分和P值來看，Z得分已經超過了臨界值，P值小于0.01，表明聚落呈現聚集分布且概率較大；從最近鄰比率來看，最近鄰比率值均小于1，說明北川聚落點呈現為聚集模式；從不同時期來看，2017年的最近鄰比率小于2007年最近鄰比率，表明近10年來北川鄉村聚落的聚集趨勢在不斷增大。

表2 北川縣2007年和2017年平均最近鄰指數比較

2.2.2 基于地形特征的演變特征

北川復雜的自然地貌影響和控制著鄉村聚落的空間分布，本文選取了高程和坡度兩個因素對聚落分布的影響進行探討。根據研究區的地形特征，首先對DEM數據和坡度數據進行分級[16-18]，然后將2007年和2017年的聚落斑塊與高程圖、坡度圖相疊加，統計和計算兩個時期聚落斑塊在不同高程與坡度的數量和面積，并繪制聚落斑塊和數量隨海拔和坡度變化的趨勢圖(圖3)。

(1)高程

由圖3、圖4可知，從空間分布上來看，聚落在低海拔地區聚集分布，高程小于1 500 m的區域，聚落斑塊的數量和面積都高于其他區域。從時間分布上來看，不同高程分級下2017年的聚落斑塊數量和面積比2007年均有增加。海拔小于1 500 m的區域內，2007年和2017年聚落數量占總數的比重分別為87.80%和88.35%，其面積占聚落總面積的比重在2007年和2017年分為79.15%和82.07%。

(2)坡度

由圖3、圖5可知，聚落斑塊的數量和面積在坡度上的分布趨勢與海拔較為相似，坡度小于25°的區域，聚落斑塊的數量和面積都高于其他區域。在坡度小于25°的區域內，2007年和2017年聚落數量占總數的比重分別為74.23%和75.53%，其面積占聚落總面積的比重在兩個時期分別為78.51%和79.34%。

圖3 聚落斑塊數量和面積隨高程和坡度變化趨勢

圖4 北川鄉村聚落斑塊在不同高程上的分布變化

圖5 北川鄉村聚落斑塊在不同坡度上的分布變化

2.2.3 基于水系與路網的演變特征

水系和路網是影響聚落空間分布和演變的重要因素。人們的生產生活都離不開水，道路則是人們獲取信息、物質、能量的重要途徑，但受到地形限制，鄉道、村道為北川交通的主要道路。從北川縣的鄉村聚落分布來看，縣域內鄉村聚落沿道路和河流分布的趨勢十分顯著，呈現“線型條帶”分布(圖2)。

(1)河流水系

運用arcgis10.2對北川的主干水系進行提取，根據研究區的特征，以半徑500 m為間隔創建緩沖區[18-20]，并疊加鄉村聚落斑塊，統計不同河流緩沖區內的聚落斑塊的分布情況。

從表3中可以看出，聚落斑塊數量和面積均隨緩沖區距離增大而逐漸減小。從整體分布來看，距離河流500 m以內，聚落斑塊分布面積最多，此區域分布的斑塊數量占比接近50%。從不同時期分析，2017年和2007年相比，距河流500 m區域內的斑塊數量的比例明顯增加，距離大于1 000 m的斑塊數量占比逐漸減小。綜合上述分析，聚落沿河流聚集分布，并朝著河流方向不斷遷移。

(2)交通網絡

根據研究區的特征，以半徑150 m為間隔對北川道路做緩沖區分析[18-20]，并與鄉村聚落斑塊相疊加，得到不同道路緩沖區內斑塊面積和斑塊數量的統計表。

從表3可以看出，北川縣鄉村聚落隨道路的分布與河流的分布具有空間指向上的一致性，在小于150 m道路緩沖區內斑塊數量和面積所占比例最大，說明道路是影響鄉村聚落空間分布的重要因素。從斑塊面積來看，300 m緩沖區內聚落分布最多，半徑大于300 m范圍的斑塊面積大幅度下降，表明在距離道路300 m以內土地利用率較高。從兩個時期不同道路緩沖區內的鄉村聚落變化可以看出2007-2017年間，各個道路緩沖區內聚落斑塊數量均表現出增加趨勢，新增聚落逐漸向距離道路近的周圍分布。

表3 2007-2017年河流和道路緩沖區鄉村聚落面積與數量統計表

綜合上述分析，北川縣鄉村聚落沿河流和道路的分布具有一致性，聚落沿道路與河流集聚分布。由于縣內經濟發展是以農業為主，農業的發展需要充足的水源，大量的居民依附河流形成聚落，進而推動交通路網的建設。

2.3 聚落空間演變的影響因素分析

2.3.1 自然因素

自然因素是鄉村聚落空間發展演變的基礎，其中地形地貌、水文因素是鄉村聚落空間演變的兩個主要方面[11-13]。在地形平坦、坡度平緩地區形成的鄉村聚落規模較大且數量多。汶川地震導致北川境內的地形地貌發生了顯著變化，鄉村聚落也隨之發生改變。從圖3、圖4、圖5可以看出，在海拔小于1 500 m和坡度小于25° 的區域內，鄉村聚落的數量和面積占比接近70%，這表明平坦的地形條件是北川縣鄉村聚落演變的主要因素。此外，北川境內水系密集，豐富的水資源為人類生產生活提供了便利的條件，因此鄉村聚落選址大多在距離河流較近的區域。

2.3.2 社會人文因素

社會人文因素包括了人口、經濟、規劃、政策等，對鄉村聚落發展演變起著重要的推動作用。政策制度對北川鄉村聚落的演變起著調控作用。國家對震后的北川行政區進行了重新規劃，加上災后重建的快速發展，引起鄉村聚落在空間上不斷擴展與擴散。同時國家先后發布城鎮化戰略和強化新農村建設，加劇城鄉間人口的流動，進城務工人員返鄉后紛紛在原來的村莊蓋起了新房，聚落空心化問題日益凸顯出來。此外，人口增長會產生新的住房需求，經濟發展為房屋建設提供了條件，因此必然引起聚落的空間擴展與擴散。

3 結論與討論

(1)北川縣聚落斑塊在各地區分布差異較為明顯。由于縣域自然條件的差異，東南部平原地區分布著較為集中且規模較大的聚落；西部和北部山地以小型聚落為主，空間分布稀疏。

(2)北川縣聚落斑塊隨高程和坡度均呈正相關分布且表現出明顯的空間集聚特征。不同高程與坡度上分布的聚落斑塊，其數量與面積均存在明顯的差異，在海拔小于1 500 m及坡度小于25° 的區域，聚落斑塊的數量與面積顯著高于其它區域。

(3)聚落沿道路與河流集聚在空間上呈現明顯的“線型”分布，兩者對聚落分布的影響具有空間指向的一致性，隨著距離的增加，聚落斑塊數量迅速減少。

(4)人口增長、經濟發展等社會人文因素推動了北川縣聚落格局的發展和演化。首先，隨著人口數量的增長，聚落在空間上表現出明顯的向外擴張特征；其次，北川縣隨著經濟的發展，人均收入提高，人口流動加劇，導致聚落空心化程度也在不斷提高。

需要指出的是，由于數據受限，文中僅僅就兩個時期對北川縣鄉村聚落格局現狀進行了描述，缺乏長期動態格局的演變分析，下一步將采用多時期的鄉村聚落的空間分布，并結合相應時期自然和人文因素的變化，進一步探討聚落演化的驅動機制。