基于GIS-AHP的鄉(xiāng)村居民點空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

陳玉山 朱英明

[摘 要] 當(dāng)前我國鄉(xiāng)村出現(xiàn)日趨嚴(yán)峻的“鄉(xiāng)村病”，而加快進行鄉(xiāng)村規(guī)劃建設(shè)，優(yōu)化鄉(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)成為重要任務(wù)。基于GIS-AHP方法，構(gòu)建了鄉(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化的交通便捷因素、環(huán)境適宜因素、鄉(xiāng)村氛圍因素、鄉(xiāng)村地形因素4個二級指標(biāo)因素;用AHP計算出指標(biāo)的權(quán)重和子權(quán)重;用地理信息系統(tǒng)的GIS的緩沖區(qū)技術(shù)，分析了各個影響因素的緩沖區(qū);并用柵格疊加技術(shù)，計算和顯示出優(yōu)化后的鄉(xiāng)村空間區(qū)域。這給我國鄉(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考方法。

[關(guān)鍵詞] GIS;層次分析法;空間結(jié)構(gòu);緩沖區(qū)分析

[中圖分類號] F061.5[文獻標(biāo)識碼] A[文章編號] 1009-6043（2019）12-0020-03

Abstract： At present， there is an increasingly serious "rural disease" in China's rural areas. It is an important task to speed up the rural planning and construction and optimize the rural spatial structure. Based on the method of GIS-AHP， four secondary index factors for rural spatial structure optimization were set up， in terms of traffic convenience factor， environmental suitability factor， rural atmosphere factor and rural terrain factor. The weight and sub weight of the index was calculated with AHP. The buffer zone of each influencing factor was analyzed with GIS buffer zone technology. The best Rural space area after transformation was calculated and displayed with grid superposition technology. This provides a reference method for the optimization of rural spatial structure in China.

Key words： GIS， AHP， spatial structure， buffer zone analysis

一、引言

改革開放以來，伴隨工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，我國經(jīng)濟取得巨大的成就，可是長期以來，城鄉(xiāng)二元體制下偏向城市的發(fā)展戰(zhàn)略和分配制度，使得每年都有近上千萬的鄉(xiāng)村人口離開農(nóng)村進入城市生活;這不僅加深了我國城鄉(xiāng)分割、人地分離的矛盾，也制約了經(jīng)濟發(fā)展、城鄉(xiāng)發(fā)展轉(zhuǎn)型的進程;從而帶來當(dāng)前的“城進村衰”、農(nóng)村空心化和日趨嚴(yán)峻的“鄉(xiāng)村病”[1]。同時，我國鄉(xiāng)村內(nèi)部也出現(xiàn)過度集中和碎片化的極不平衡發(fā)展。十九大報告明確提出了實施“鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略”;2019年中央一號文件再次提出“解決好‘三農(nóng)問題，推動鄉(xiāng)村全面振興，加快推進農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化”。因此，加快進行鄉(xiāng)村規(guī)劃建設(shè)，優(yōu)化鄉(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)，也將成為今后我國農(nóng)村地區(qū)發(fā)展和重點關(guān)注的核心問題。

國內(nèi)外的學(xué)者對于鄉(xiāng)村空間優(yōu)化的文獻比較多，主要有以下幾個方面。一是影響因素研究，Carrion（2004）基于probit模型，認(rèn)為城鎮(zhèn)化背景下農(nóng)村人口的空心化、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、生活方式、農(nóng)村功能等變化，影響鄉(xiāng)村聚落的土地擴張[2]。李紅波等（2012）認(rèn)為耕地是安徽鄉(xiāng)村地區(qū)的景觀基質(zhì)，也是影響農(nóng)村聚落分布格局的重要因素[3]。吳可人（2015）[4]針對長三角地區(qū)鄉(xiāng)村空間土地利用效率較低等深層次問題，探討現(xiàn)有農(nóng)村規(guī)劃建設(shè)政策，構(gòu)建該地區(qū)鄉(xiāng)村空間的建設(shè)布局。二是鄉(xiāng)村聚落空間體系和分布研究，國外鄉(xiāng)村聚落體系與分布深受中心地理論、擴散理論及區(qū)域發(fā)展理論的影響（陳宗興，1990）[5]。Sarly（1972）探討居民點分布的“半徑-成本-距離”模式，研究居民點的選址和半徑與市場的距離之間的關(guān)系，進一步修正A.Loseh的模型[6]。此外，HillM（2003）認(rèn)為村莊分布呈現(xiàn)集聚-分散混合模式的地區(qū)，能夠較好反映克里斯泰勒的中心地等級特征[7]。國內(nèi)主要從中觀和微觀尺度對鄉(xiāng)村聚落空間分布格局進行研究，王傳勝等（2011）利用云南省昭通市坡地鄉(xiāng)村聚落為研究地區(qū)，運用GIS方法和區(qū)域發(fā)展理論，研究其鄉(xiāng)村聚落的空間結(jié)構(gòu)，進一步探討坡地聚落空間的形成[8]。劉彥隨等依據(jù)農(nóng)村聚落的交通條件、制度因素、社會經(jīng)濟與收入等影響空心化因素，提出遏制聚落空心化的有效途徑。三是基于GIS的鄉(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。鄉(xiāng)村空間優(yōu)化的研究轉(zhuǎn)向多角度、多學(xué)科綜合性的視角研究;基于GIS的技術(shù)方法，研究鄉(xiāng)村聚落的空間分布和優(yōu)化規(guī)律上具有良好的應(yīng)用效果，Silberman（2010）運用GIS技術(shù)對石質(zhì)山區(qū)滑雪地的聚落屬性進行分析，篩選出適合成為滑雪度假小鎮(zhèn)的聚落空間[9]。還有利用與模糊數(shù)學(xué)結(jié)合的GIS方法研究地理現(xiàn)象的空間分布和優(yōu)化問題（楊忍等.2013）。四是空間結(jié)構(gòu)分布多因素研究上，朱倩瓊等（2017）利用因子分析方法從鄉(xiāng)村流動人口、鄉(xiāng)村自然條件、都市擴張、工業(yè)化等因素對都市地區(qū)農(nóng)村空間結(jié)構(gòu)進行探討，研究形成機制[10]。

綜上所述，已有學(xué)者對鄉(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)做了影響因素、形態(tài)和類型以及空間優(yōu)化四個方面的研究，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)研究鄉(xiāng)村空間發(fā)展的比較少;從而認(rèn)為該領(lǐng)域研究仍需要進一步挖掘和深化。為此根據(jù)我國鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，運用arc GIS軟件和AHP方法對案例中的鄉(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)的未來發(fā)展進行優(yōu)化討論，也為鄉(xiāng)村改造提供有效的可執(zhí)行方法。

二、研究方法基礎(chǔ)

本研究主要采用層次分析法（AHP）和地理信息系統(tǒng)（GIS）相結(jié)合進行研究鄉(xiāng)村定居點空間結(jié)構(gòu)研究，并利用相關(guān)層次分析軟件YaaHP（V5）和ArcGIS10.0進行運算。

（一）AHP的指標(biāo)體系方法

層次分析法（AHP）是如何建立決策元素的層級關(guān)系以及評價各個層級元素的相對值，是定性與定量相結(jié)合的決策分析評估法。決策過程中可以利用模型量化來分析處理問題。AHP分析問題包括4個部分：明確問題后列出相關(guān)因素建立層級結(jié)構(gòu)模型、建立成對比較矩陣、計算相關(guān)因素的權(quán)重和各方案的相對評估值、驗證一致性。鄉(xiāng)村結(jié)構(gòu)空間評價可以通過AHP對區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境因素作出分析，為了現(xiàn)實與分析更加擬合，指標(biāo)選取應(yīng)當(dāng)遵循如下原則：在可量化的基礎(chǔ)上做到定性與定量結(jié)合;指標(biāo)體系的選取需要具有實用性和可操作性;相關(guān)決策因素的選取要具有層級結(jié)構(gòu)。

其中，在計算相關(guān)因素的權(quán)重過程中，用判斷矩陣進行一致性驗證，公式如下：

CI是一致性指標(biāo)，RI是平均隨機性指標(biāo)，只要CR值要小于0.1時，可以判斷權(quán)重矩陣的一致性可以接受;否則需要對權(quán)重矩陣作適當(dāng)修正。

（二）GIS研究方法

地理信息系統(tǒng)（GIS）的緩沖區(qū)分析，俗稱千層餅?zāi)Ｊ健Ｔ卩l(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，包括對鄉(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)的社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境等因素進行單項空間結(jié)構(gòu)性評價。然后用ArcGIS軟件地圖的疊加技術(shù)生成綜合的適宜性評價結(jié)果。目前利用GIS進行定量的空間結(jié)構(gòu)性評價，正在得到普及。GIS的引入可以綜合更多的鄉(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)評價因子，也可以開展更細(xì)致的子因子進行適應(yīng)性評價。這使得鄉(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以進行得更加深入。

其過程：首先對各個影響因素做適宜性評價，統(tǒng)一分成1至5級，并轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)，然后對影響因素的柵格數(shù)據(jù)進行加權(quán)疊加運算。得到每個柵格代表的空間地塊的綜合評價值。最后，對屬有綜合評價值的柵格數(shù)據(jù)進行重新分類定級，得到定居點鄉(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)綜合評價的可視化圖。其中，對各個單因素的鄉(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)性評價價值分成1至5級，并按需要進行特殊處理分類，5級代表最佳的，1級代表完全不能適用的空間，3級是勉強可以使用的。

（三）基本數(shù)據(jù)

本文研究地區(qū)為我國的一個某山區(qū)Y鎮(zhèn)。該鎮(zhèn)地理環(huán)境和發(fā)展?fàn)顩r的基本情況如圖1。研究地區(qū)的面積為1558公頃，其中，鎮(zhèn)建成區(qū)有41.4公頃。正周邊有2個獨立的工廠和5處較大的農(nóng)村居民點，研究范圍中包括河流、溪流、公路等自然條件。

三、鄉(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)因素的緩沖分析

（一）AHP方法的鄉(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)分析

1.鄉(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)因素選擇

鄉(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)評價指標(biāo)的權(quán)重對整個鄉(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化起重要的作用，權(quán)重越大其作用越大，對最終優(yōu)化結(jié)果的作用就越大。每個因素之間分配不同權(quán)重，將會導(dǎo)致不同的結(jié)果。本文在層級分析法中采用德爾菲法，構(gòu)造兩兩判斷矩陣來判定各個因素之間的相對重要程度，并利用yaahp軟件計算鄉(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)的權(quán)重。

本文選取交通便捷因素、環(huán)境適宜因素、鄉(xiāng)村氛圍因素、鄉(xiāng)村地形因素4個二級指標(biāo)因素;離省道距離、離縣道距離、濱水環(huán)境（河流，溪流）、樹林環(huán)境、遠(yuǎn)離工業(yè)污染、距鎮(zhèn)建成區(qū)（距離鄉(xiāng)鎮(zhèn)）距離、地形坡度、地形高度，共8個三級指標(biāo)因素進行層次分析。

2.AHP的權(quán)重結(jié)果

經(jīng)過yaahp軟件計算，相關(guān)因子權(quán)重結(jié)果如下，并且CR值小于0.1，符合一致性要求。

（二）GIS方法下鄉(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)多種緩沖區(qū)分析

1.影響因素的分類標(biāo)度建立

在層次分析的基礎(chǔ)上，利用GIS緩沖區(qū)分析技術(shù)對Y鎮(zhèn)的鄉(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)中，已經(jīng)選擇的交通便捷因素、環(huán)境適宜因素、鄉(xiāng)村氛圍因素、鄉(xiāng)村地形因素4個二級指標(biāo)的各個子因素（離省道距離、離縣道距離、濱水環(huán)境（河流，溪流）、樹林環(huán)境、遠(yuǎn)離工業(yè)污染、距鎮(zhèn)建成區(qū)（距離鄉(xiāng)鎮(zhèn)）距離、地形坡度、地形高度）單獨進行量化，并通過1-5級的分類標(biāo)度后。

2.鄉(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)因素的緩沖分析

計算出可視化的緩沖范圍，然后各個因素不同的權(quán)重進行柵格數(shù)據(jù)的疊加分析，得出直觀的可視化的柵格數(shù)據(jù)圖。

ARCGIS軟件把各個因素都經(jīng)過把分級轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)，得到單個的緩沖評價圖，相關(guān)主要圖形顯示如下：

3.鄉(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化評價

根據(jù)單個影響因素的評價值，約定3分是可以接受的鄉(xiāng)村優(yōu)化空間結(jié)構(gòu)的最低值，5分代表最佳適宜優(yōu)化值，4分代表較佳適宜優(yōu)化值;1-2分代表不適合和最不適合值。基于高程數(shù)據(jù)的可獲得性，柵格的最小面積為S=100*100。其疊加分析的結(jié)果如圖

從分析結(jié)果顯示上來看，可以擴展建設(shè)的最佳鄉(xiāng)村居民空間，是Y鄉(xiāng)鎮(zhèn)已經(jīng)建設(shè)好的區(qū)域的南部、西部和北部，并且有較大的擴展面積，可以滿足未來鄉(xiāng)村城鎮(zhèn)化人口對居住地的需求，而東部僅有少部分面積可以適用。

三、結(jié)論

第一，對鄉(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化是未來鄉(xiāng)村居民點或者是特色小鎮(zhèn)建設(shè)和總體規(guī)劃的一個重要的前期工作。本文利用GIS-AHP方法構(gòu)建了基于層次分析法的多準(zhǔn)則評價方法，還可以繼續(xù)擴展為依據(jù)不同土地因素，在形成不同的空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化用地方案。

第二，文章合理的選取鄉(xiāng)村結(jié)構(gòu)因素的分級指標(biāo)，運用GIS的緩沖區(qū)方法，優(yōu)選鄉(xiāng)村居民區(qū)的優(yōu)化半徑，使鄉(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)收到影響因素的變化符合實際需求，具有可視化效果，更有研究價值。

第三，從優(yōu)化鄉(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)的影響因素來看，促進鄉(xiāng)村公路、河域等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，能夠加快鄉(xiāng)村城鎮(zhèn)化的進程，促進鄉(xiāng)村的發(fā)展。但是，本研究把Y鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為一個封閉區(qū)域，忽略周邊城市域其他鐵路和機場的影響，只分析了重要交通基礎(chǔ)設(shè)施和自然環(huán)境，從而存在一定的局限性。

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[責(zé)任編輯：王鳳娟]