基于GIS的重慶城口縣村落空間分布特征及人居環境適宜性評價研究

唐 倩, 李孝坤, 鐘博星, 王科宇

(1.重慶師范大學 地理與旅游學院, 重慶 401331; 2.三峽庫區地表過程與環境遙感重慶市重點實驗室, 重慶 401331)

村落是農業勞動者與自然—社會諸因素相互作用、動態選擇其居住地形成的各種自然聚居地[1]。在不同的歷史時期，因影響村落發展因素的差異，村落處于不斷演變之中。長期以來由于我國缺乏鄉村發展規劃，特別是居民點布局規劃，致使村民盲目選擇宅基地，導致村落布局松散無序，不利于土地的集約利用和基礎設施建設，阻礙國家鄉村振興戰略的深入實施。有關村落的研究領域主要集中在空間重構[2-3]、時空演變及格局特征[4-5]、規模布局與優化[6-7]、景觀格局[8-9]、用地特征[10-11]、整理模式及潛力估算[12-14]等領域；在研究尺度上，基于宏觀、中觀層面的省、市域村落空間分布的研究較多，對偏遠落后貧困山區中微觀層面的村落研究較少，缺乏對貧困山區村落的空間分布規律揭示與優化策略探討的研究，尤其缺乏地形影響下村落空間分布規律的相關研究；在研究方法上，多靜態描述與歸納，少動態演變與機理分析[15]。隨著國家扶貧戰略的推進，“整村推進”工作模式已成為國家精準扶貧的主要突破口，改善村容、村貌及人居環境成為美麗鄉村建設的重要內容。在建設美麗中國、鄉村振興背景下，進行村落格局及人居環境適宜性評價研究尤顯必要，為緩解日益嚴重的人地關系、改善農民生境和提高生活質量[16]，促進該區扶貧脫困奔小康提供決策參考。

秦巴山集中連片特殊困難地區(簡稱“片區”)跨豫、鄂、川、渝、陜、甘6省市，由于片區生態環境脆弱、地形條件復雜，是國家扶貧開發攻堅戰的主戰場[17]。城口縣坐落于秦巴山腹地，受復雜地形地貌、地質條件制約，公路建設成本高，通行能力不足，村落在中高海拔地區分布集中且缺少規劃指導。扶貧30多年來，該區仍呈現出貧困范圍廣、程度深、生產生活傳統落后狀態。

鑒于此，本文以典型貧困地區——城口縣23個鄉鎮為例，基于高程、坡度、坡向、地形起伏度、地表粗糙度、平面曲率、剖面曲率和地表切割深度8個地形因子[18]，結合GIS的空間分析方法，研究村落及人居環境適宜性的空間差異，以期探尋人居環境優化的方向，為秦巴山貧困地區美麗鄉村建設、生態環境改善和鄉村可持續發展提供科學基礎和實踐依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

城口縣(31°38′39″—32°12′11″N，108°15′12″—109°16′44″E)位于我國二、三階梯交界的大巴山腹地，地處渝、川、陜3省(市)交界處，可東入巫溪出三峽、西出萬源連西南、南連萬州通重慶、北通安康達西北，是連接川陜渝3地政治、經濟、文化的交通重鎮。城口幅員面積3 296 km2，全縣海拔為466～2 675 m，地勢北部較高，南部次之，中部較低。城口縣地形地貌特征可以劃分為3類[19]：海拔466～1 000 m低山河谷區、海拔1 000～2 000 m中山區、海拔2 000～2 700 m峰叢臺地區。截至2015年底，城口縣共轄23個鄉鎮，常住人口19.3萬，是集革命老區、生態脆弱區、集中連片貧困區于一體的特殊地區。

1.2 數據來源與預處理

(1) 2015年城口縣1∶25萬縣級行政區劃和30 m×30 m柵格大小的DEM，數據來源于地理空間數據云。

(2) 2015年城口縣1∶25萬農村居民點分布和1 km×1 km柵格大小的城口縣2015年土地利用現狀和NDVI，數據來源于國家地球系統科學數據共享平臺。

(3) 氣象數據來源于2015年重慶市34個氣象站點數據，溫度、濕度和降水量數據運用反距離權重法進行空間內插，用城口縣行政矢量邊界掩膜提取得到城口縣溫度、濕度和降水量數據。

(4) 在GIS 技術的支持下，對系列數據進行矢量數據柵格化、投影變換、影像裁剪等處理，建立地形、土地利用、植被、溫度、濕度和降水量為1 km×1 km柵格單元的人居環境基礎數據庫。

1.3 研究方法

1.3.1 村落空間分布特征研究方法 (1) 核密度分析法。核密度分析法是屬于非參數密度估計的一種統計方法，可有效表示研究區內地物的空間集聚與分散狀況[5]。本文采用由Silverman提出的KDF密度分析法對村落空間分布特征進行分析。在ArcGIS 10.0空間密度分析功能的支持下對城口縣的村落數據進行核密度估計。表達式為：

(1)

式中：λ(s)為地點s處的核密度估計值；n為樣本數；r為帶寬；Φ(dij/r)為點i與點j間距離的權重。被估計點的核密度值越高，其周圍的估計核密度越大。

(2) 空間熱點探測分析。空間熱點探測分析通過計算事件發生頻率并準確探測熱點區域。因此，運用空間熱點探測分析法檢測村落在局部區域的冷熱狀況，直觀反映村落分布的集聚狀況。表達式為：

(2)

1.3.2 人居環境適宜性評價方法 人居環境是一個復雜的社會—經濟—生態系統，在借鑒已有研究成果[21-25]的基礎上，選用地形起伏度模型、地被指數模型、溫濕指數模型和水文指數模型4個生態指標構建人居環境指數模型，對城口縣人居環境適宜性進行評價，結果見圖1。

圖1 各參評因子現狀

(1) 地形起伏度模型。地形起伏度可有效反映研究區地形變化和地貌特征，是評價人居環境適宜性必不可少的重要指標，本文采用封志明等[21]提出的地形起伏度模型，計算得到研究區地形起伏度圖：

(3)

式中：RDLS為地形起伏度；H(max)和H(min)表示研究區內海拔的最高值與最低值(m)；A為區域總面積(km2)；P(A)為區域內的平地面積(km2)。評價結果見圖1A。

(2) 地被指數模型。地被指數是采用土地利用類型和植被指數共同對地表覆蓋特征進行表達的一種指標[22]，它能綜合反映區域自然條件的土地利用方式和土地覆被狀況[23]。本文通過構建地被指數模型來反映研究區內不同地區地表覆被狀況，其公式為：

(4)

(5)

式中：LTi為土地利用類型指數；Li為該區域內的第i種土地利用類型；Gi為研究區內第i種土地利用類型的面積；i=1,2,…,25分別為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6個一級類和25個二級類土地利用類型[24]；G為區域總面積；LCI為地被指數；QLTi和QNDVI分別為采用極差標準化方法得到的標準化后的土地利用類型指數和地被指數[24]。用地類型的權重采用專家打分法確定。評價結果見圖1B。

(3) 溫濕指數模型。研究區地處高山深處，氣候垂直變化顯著，本文采用溫濕指數綜合考慮溫度和濕度對人體舒適度的影響。計算公式為:

THI=T-0.55(1-f)(T-58)
T=1.8t+32

(6)

式中：THI為溫濕指數；T為月平均華氏溫度(℉)；t為月平均氣溫(℃)；f為月平均空氣相對濕度(%)，按照中國氣象局規定的標準[25]，當THI小于50時，表明研究區氣候不適宜，體感偏涼；當THI介于50～75時，表明研究區氣候適宜，體感舒適；當THI大于75時，表明研究區氣候不適宜，體感偏熱。將人居環境數據庫中的溫度、濕度數據，按照公式(6)進行地圖計算得出溫濕指數。評價結果見圖1C。

(4) 水文指數模型。水文條件是自然環境的重要組成部分，對經濟、人口、社會和居住等產生深刻影響。因此，本文采用封志明等[21]提出的水文指數模型計算得到水文指數：

WRI=αρ+βWa

(7)

式中：WRI為水文指數；ρ和Wa分別為采用極差標準化得到的標準化年降水量和標準化水域面積；α和β分別為年均降水量與水域面積比例的權重[26]。根據城口縣實際情況，α取值0.5，β取值0.5。運用公式(7)借助GIS軟件中地圖計算功能得出水文指數。評價結果見圖1D。

(5) 人居環境指數模型。

HEL=α×NRDLS+β×NNDVI+χ×NTHI+δ×NWRI

(8)

式中：HEL為人居環境指數，介于0～100；其中NRDLS，NNDVI，NTHI，NWRI分別為采用極差標準化方法得到的標準化地形起伏度、標準化地被指數、標準化溫濕指數和標準化水文指數；α，β，χ，δ分別為4個分指數所對應的標準化后的權重[27-28]，其值參考封志明等[21]的研究。

2 結果與分析

2.1 村落空間分布格局

本文用核密度分析法來表示村落的空間分布。根據公式(1)計算出城口縣村落核密度值，運用ArcGIS中Kernel Density功能，繪制出村落核密度分布圖(圖2)。

由圖2可知，城口縣境內有一條大致沿“西北—東南”走向的村落高密集帶。村落核密度值存在顯著的空間差異性，高值區為3.333～5.417個/km2，低值區為0.769個/km2，整體上表現出“西部、南部和中部密集，東部和北部較稀疏”的空間特征。研究區西部和南部的雙河鎮、周溪鄉、明通鎮和雞鳴鄉是村落高密度集中的區域，因該區域多處于山體下部河谷地帶，地勢平坦開闊；從高密度帶往東和往北方向村落密度逐漸降低；村落稀疏區則集中于在東部和北部地區，因該區域位于海拔2 000 m左右的峰叢臺地區，地勢崎嶇陡峻。綜上，城口縣村落密度整體上呈現出由西向東、由南向北降低的特點。

圖2 城口縣村落核密度分布

2.2 地形影響下的村落空間分布特征

2.2.1 村落數量特征 地形因子作為自然環境中最基礎的影響因子，對村落分布有著最直接的影響[18]。將地形因子與村落數據疊置分析，得到不同地形因子分級梯度上的村落數量分布情況(表1)。

由表1可知，村落數量在不同地形位上存在顯著差異。高程上，村落數量在800～1 500 m的山體下部河谷地帶分布最多，占村落總量的63.91%；在1 500～2 000 m的中山區村落數量分布次多；466～800 m的低山區分布較少；海拔高于2 000 m的峰叢臺地區村落數量分布最少，僅占村落總量的2.56%。坡度上，村落數量集中在10°～20°，20°～30°，30°～40°，分別占村落總量的30.24%，40.08%，17.23%，其中有4.62%的村落所在坡度大于40°。坡向上，東北方向村落數量分布最多，占村落總量的21.81%，西南方向次之，占村落總量的19.01%。地表起伏度上，在26～59 m的范圍有64.98%的村落分布。地表粗糙度上，在1～1.1的范圍有4 448個村落，占村落總量的73.50%。平面曲率上，在0°～20°的范圍村落集中分布，占村落總量的53.45%。剖面曲率上，村落集中在0°～10°和10°～20°的范圍，分別占村落總量的43.14%和26.87%。地表切割深度上，在10～20 m的范圍有48.91%的村落分布。可見，城口縣村落分布主要是在中山地形位上，并呈現出隨地形因子分級梯度增大而降低的趨勢。

2.2.2 村落聚散特征 基于鄉鎮尺度，以村落數量為變量，依據公式(2)計算得到村落聚散的冷熱點分布圖(圖3)，村落分布的熱點區僅有雙河鎮，“孤島”分布的特征明顯，該區域地處山體下部河谷區，地勢平坦，村落集聚現象明顯。次熱點區包括沿河鄉、廟壩鎮、周溪鄉、蓼子鄉、修齊鎮、厚坪鄉和東安鎮等鄉鎮，在空間上自西向東呈帶狀分布。次冷點區包括城區(葛城街道、復興街道)、龍田鄉、高燕鎮、高觀鎮、明通鎮、雞鳴鄉、咸宜鄉和明中鄉等鄉鎮，其中龍田鄉、高燕鎮、高觀鎮因臨近城區，土地利用方式以城鎮建設用地為主，故村落分布較少；在空間上城區、龍田鄉和高燕鎮小片集聚，明通鎮、雞鳴鄉、咸宜鄉和明中鄉連片集聚。冷點區包括左嵐鄉、高楠鄉、巴山鎮、坪壩鎮、北屏鄉、嵐天鄉、河魚鄉和治平鄉等鄉鎮，該區域山高坡陡，森林覆蓋率高，不可開發區域較多，故村落分布稀疏；在空間上左嵐鄉、高楠鄉、巴山鎮和坪壩鎮連片集聚，北屏鄉、嵐天鄉和河魚鄉小片集聚，治平鄉呈“孤島”分布，因治平鄉處于城口縣的高山區，平均海拔950 m，森林資源豐富，人煙稀少，村落稀疏。綜上可見，城口縣村落分布以帶狀延伸、片狀聚集和“孤島”零星分布為主要特征。

表1 地形特征與村落分布關系

圖3 城口縣村落熱冷點分布

2.3 人居環境適宜性分析

2.3.1 人居環境適宜性空間差異 根據公式(8)，得到城口縣的人居環境指數(圖4A)。由圖4A可見，城口縣的人居環境指數為6.22～94.08，高值分布在中部和西部，從高值區往東和往南逐漸減少。參考已有劃分方法[29-32]并結合地域特征，依據人居環境適宜性指數將城口縣鄉鎮劃分為不適宜區、臨界適宜區、一般適宜區、較高適宜區、高度適宜區5類(圖4B)。人居環境適宜性分區與現狀的村落數量見表2和圖4B。

圖4 城口縣人居環境指數空間分布

不適宜區，面積為422 km2，占縣域總面積的13.92%，村落數量為994個，占村落總數的16.45%；空間上集中分布于高楠鄉、北屏鄉、河魚鄉、東安鄉和明中鄉等轄區內。該類型區生態因子限制作用較大，山高坡陡地質災害頻發，多屬國家空間管制的核心區域，原則上不能進行大規模開發。

臨界適宜區，面積為873 km2，占縣域總面積的28.80%，村落數量為2 045個，占村落總數的33.84%；空間上集中分布于左嵐鄉、龍田鄉、嵐天鄉、高觀鎮、厚坪鄉、治平鄉、廟壩鎮、周溪鄉、明通鎮和雞鳴鄉等轄區內。該類型區平均海拔在1 500 m左右，土地開發利用限制性大，不宜大規模建設用地。

表2 城口縣村落人居環境適宜性評價統計

一般適宜區，面積為886 km2，占縣域總面積的29.23%，村落數量為1 941個，占村落總數的32.12%；空間上集中分布于沿河鄉、雙河鎮、蓼子鄉和咸宜鄉等轄區內。該類型區地勢低緩，環境優美，村落數量分布較多，人類可以居住。

較高適宜區，面積為601 km2，占縣域總面積的19.83%，村落數量為805個，占村落總數的13.32%；空間上集中分布在巴山鎮、坪壩鎮和高燕鎮等轄區內。該類型區地勢平緩，城市化水平相對較高，適宜人類居住生活。

高度適宜區，面積為249 km2，占縣域總面積的8.22%，村落數量為258個，僅占村落總數的4.27%，空間上集中分布在城口縣中心城區周邊和修齊鎮等轄區內。該類型區多處山體下部河谷區，經濟相對發達，適宜城鎮化建設。

2.3.2 村落現狀分布與人居環境適宜性關系分析 以人居環境適宜性評價為基礎，結合村落分布現狀，作出人居環境指數與村落分布關聯圖(圖5)，城口縣人居環境適宜性指數與村落數量之間存在倒“U”型的分布。人居環境指數在6～35的范圍內，村落數量整體處于上升趨勢；人居環境指數在35左右，村落數量達到峰值，之后村落數量趨于下降；人居環境指數在70左右村落數量降至最小值；人居環境指數與村落數量之間呈倒“U”型分布十分明顯，其中，人居環境指數為30～40，村落數量分布最多，集聚程度最高。倒“U”型分布的原因主要是高度適宜區多位于城鎮化較高的中心城區及附近區域，該區以城鎮建設用地為主，村落數量稀少；不適宜區和臨界適宜區多位于“山高、坡陡、閉塞”之地，自然條件限制性作用十分明顯，不適宜村落大規模分布。

圖5 人居環境指數與村落數量的倒“U”關系

3 結論與討論

(1) 城口縣村落在西部、南部和中部為密集區，東部和北部為稀疏區；密集區多處于山體下部河谷地帶，地勢平坦開闊；稀疏區多位于海拔2 000 m左右的峰叢臺地區，地勢崎嶇陡峻；村落密度整體上呈現由西向東、由南向北降低的特點。

(2) 村落數量分布與地形關系密切。在高程800～1 500 m、坡度20°～30°、東北—西南方向、地表起伏度26～59 m、地表粗糙度1～1.1、平面曲率0°～20°、剖面曲率0°～10°、地表切割深度10～20 m的地區，為村落優勢地形位。

(3) 村落分布在空間上集聚現象明顯，以帶狀延伸、片狀集聚和“孤島”零星分布為主要特征。熱點區雙河鎮“孤島”分布特征明顯，次熱點區在空間上自西向東呈帶狀分布，次冷點區連片集聚，冷點區治平鄉呈“孤島”分布。

(4) 村落人居環境適宜性表現為中部最好、西部次之、南部和東部較差的空間分異特征。

(5) 城口縣村落人居環境以臨界適宜性和一般適宜性為主要特征，16.54%的村落分布在不適宜區，65.96%的村落分布在臨界適宜區和一般適宜區，17.59%分布在較高適宜區和高度適宜區。村落人居環境適宜性指數與村落數量呈倒“U”型的分布，人居環境指數為30～40，村落數量分布最多，集聚程度最高。

城口縣有相當部分的村落處于高海拔、大坡度、地表扭曲程度大、陰坡半陰坡的區域，人居環境不適宜和臨界適宜區的村落占一半，因此，在為該區村落整理規劃時應結合人居環境適宜性狀況對現有村落分布進行調整優化，并針對性地加強村落人居環境建設，使減貧脫貧與美麗鄉村建設協同共進。

村落是人類在長期的生產生活實踐過程中與自然、社會等諸多因素相互適應相互作用而作出的選擇。在特殊的自然和社會因素的驅使下，城口縣村落分布呈現特有的空間特征，一定程度上也反映了秦巴山區村落空間分布的共同特點。本研究基于生態因子視角評價村落人居環境適宜性，可為城口縣及秦巴山區生態扶貧搬遷和環境保護提供科學依據，也可為該區精準扶貧脫貧、美麗鄉村建設提供有益參考。本研究以一年數據為基礎展開靜態研究，對村落動態演變過程的研究尚淺，同時在評價城口縣村落人居環境適宜性時，只選用生態因子指標，忽略了人文社會和社會經濟狀況，研究的不足將在今后進一步探討。