基于多源時空數據的村鎮聚落等級規模研究
——以重慶永川為例

陳春蒲倩華翁順燦

(1.重慶交通大學智慧城市學院，重慶 400074；2.重慶交通大學生態人居與綠色交通研究中心，重慶 400074)

引言

隨著我國新時期城鎮化的推進以及鄉村振興戰略的發展，村鎮區域功能的調整與重構迫在眉睫，科學識別并整合村鎮區域空間布局是戰略實施的關鍵，而科學識別并整合村鎮空間布局首先表現在村鎮等級與規模分布問題上[1]。村鎮聚落等級規模是指區域內村鎮用地規模的組合特征，反映了村鎮內的序列與其用地規模大小的關系，揭示了區域內地塊在村鎮聚落中的分布特征[2]。然而在聚落等級規模研究領域，大量的研究集中在城市。西方學者將目光凝聚于城市擴張、人口增長、規則方法比對等諸多方面[3-5]，國內學者從國家層面、城市群、城市規模、城鎮體系等諸多角度對城市等級規模進行剖析闡述[6,7]。隨著研究進程的推進，學者們對城鎮體系等級規模的研究逐漸深入，研究區域放大，研究內容向等級劃分、時空分布、空間模型等研究領域細化[8-11]。但很少考慮村鎮聚落等級規模，僅有少量面向村鎮體系等級等方面的研究。村鎮聚落體系的研究多數聚集于等級規模與空間結構演化，等級規模通常從特征演化角度切入進行分析，而空間結構演化圍繞空間格局、空間分異等多重方面展開[12,13]。基于多種理論方法也將產生不一致的分析結果。目前,盡管已采用應用熵值法、K-means聚類等方法對聚落體系進行分析[14]，但等級規模特征表現不夠突出，而位序-規模法則能直觀具體地展現區域在某一個時間截面的規模分布狀況，使等級規模特征的展現更具顯著性。

隨著大數據時代的到來，多源時空數據資源更加豐富，其中基于移動通信的手機信令時空大數據應用也越來越廣。當前，手機信令數據的相關研究多數聚焦于城市層面，如城市人口時空分布、出行特征研究等方面[15-17]；隨著研究區域的擴散，部分學者將手機信令數據應用于村鎮規劃、村鎮聚落網絡等方面，但相對缺乏對于縣域村鎮體系識別的探索研究[18,19]。

綜上所述，目前基于多源數據的村鎮聚落分析相對較少，尤其缺乏基于大數據與傳統數據相結合的村鎮聚落等級規模研究。在此背景下，本文對于完善村鎮聚落等級規模的格局演變及驗證分析具有重要意義。

等級規模法則可以看作是解釋城市體系的一種等級規律，眾多學者以此來測度城市人口的規模分布，隨著城市化進程的發展，部分學者也將其用于用地規模的刻畫。位序規模理論可描述城市體系中不同的聚落規模與位序之間的關系，被諸多學者運用于城鎮聚落規模分布狀況的刻畫[20]。近年來，位序規模法則被學者們廣泛應用于城市規模等級結構變化、空間演變等諸多方面，并取得豐碩的研究成果。但等級理論的相關研究多數聚集于城市規模，聚焦于村鎮聚落演變等級結構的研究相對較少，那么位序-規模法則是否適用于村鎮聚落等級規模的探討，手機信令數據驗證村鎮體系等級規模是否可行，這些問題有待商榷。

基于上述原因，本文選取重慶市永川區為案例，采用1980—2018年的村鎮斑塊數據進行等級規模變化研究，主要研究目的：分析1980—2018年永川區村鎮聚落規模變化；揭示1980—2018年永川區村鎮體系等級規模演化特征；利用手機信令數據對永川區村鎮體系等級規模進行驗證。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區域

重慶市永川區位于長江上游北岸、重慶西部，東距重慶市區56km，西離成都市區276km，地處E105°38′～106°05′,N28°56′～29°34′，總面積1576km2。截至2019年，永川下轄7個街道、16個鎮、55個社區居委會、206個行政村，常住人口114.9萬人，中心城區面積82.8km2、人口80萬人，城鎮化率71.14%。永川區作為國家城鄉融合發展試驗區，鄉村的規劃建設尤其重要。本文研究區域在空間范圍上屬于縣域，縣域規模雖小，但舍去縣城鎮將破壞縣域空間完整性。因此本文的村鎮范圍包含縣城鎮、建制鎮、集鎮和村莊4種類型。

圖1 永川區區位示意圖

1.2 數據來源

本文采取數據為多源時空數據，包括本文采用的遙感影像數據源自地理空間數據云平臺與國家自然科學基金委員會“中國西部環境與生態科學數據中心”，其中1980年是60m×60m的Landsat-MSS衛星數字產品，1990年、2000年、2010年為30m×30m分辨率的Landsat4-5 TM衛星數字產品，2018年為30m×30m分辨率的Landsat 8 OLI衛星數字產品；由于村落的人口數據不易獲取，本文結合文獻資料[21]，用村鎮斑塊面積表示村鎮規模的大小，斑塊數據源于筆者自行解譯的土地利用數據，再用目視判讀的方法刪除了交通用地工礦用地之后提取了縣鎮及農村居民點的圖斑；手機信令數據來源于中國聯通公司，以250m×250m的格網為統計單元，統計2021年6月1—30日研究區域內常住人口的出行總量。

2 研究方法

2.1 村鎮聚落位序規模

位序規模理論是城市規模分布研究的理論基礎，可直觀闡釋城市體系中不同的聚落規模與按人口規模排序的位序之間的關系，被學者們廣泛應用于城鎮聚落規模分布領域。近年來，位序規模理論在時空演變、空間結構等方面的實證取得一定的研究成果[22]。位序規模理論一般表達式為[33]:

L(r)=L1r-q

(1)

式中，r為位序；L(r)為位序r的城鄉聚落斑塊規模；L1為首位聚落斑塊的規模；而q統稱為Zipf指數。為計算方便，通常對式(1)進行自然對數變化：

lnLi=lnL1-qlnri

(2)

通過齊普夫指數的計算可以宏觀分析研究內城市規模在某一時間截面的分布狀況：當q=1時，表示研究區內的高位序聚落規模與低位序聚落規模擬合，形成理想的城鎮聚落規模與體系；當q<1時，表示研究區內聚落規模呈集中趨勢，中位序的聚落相對較多；當q>1時，表示研究區內聚落規模呈分散趨勢，聚落規模整體分布不均衡；當q→∞和q→0時，此種規模分布情況較為極端，一般不存在于實證分析中。

2.2 村鎮聚落中心地等級體系

克里斯泰勒中心地理論最初由克里斯·泰勒于1933年提出，其思維方法引入城市空間法則與原理、等級劃分、時空分布、空間模型等研究領域，為現代地理學奠定理論基礎。中心地理論作為區域經濟學理論研究的基礎，對解釋聚落體系的空間結構具有重要意義。以克里斯泰勒中心地理論市場原則下的中心地系統為基準，對于永川區的村鎮聚落中心地體系等級規模與其動態變化進行分時段分析。市場原則下的中心地數量與區域服務范圍的幾何數據變化見表1。

表1 市場原則下中心地等級系統及其服務范圍

考慮到各期村鎮聚落人口規模數據的可獲取性，決定基于不同時期的人口數據將其與各時期城鄉建筑用地面積結合，進而推算各個時段，市場原則下的永川區各等級中心地規模大小推演公式：

Un=P1n/(P2i/Mi)

(3)

式中，Un為中心地等級面積規模，m2；P1n為中心地標準人口；n為中心地等級；P2i為第i年的總人口數；Mi為第i年的聚落斑塊總面積。

2.3 出行起訖點模型

起訖點指起訖點矩陣，是指以所有交通分區按行(起點區)與列(訖點區)排序，以任意兩分區之間的居民或車輛出行量(OD量)為元素的矩陣[23]。在本文研究中利用手機信令數據獲取居民出行的起點與終點，統計2021年6月1—30日研究區內常住人口跨鄉鎮出行的通勤總量，假設手機活躍用戶每天只有1個跨鄉鎮出行目的地。因此，本文采用單一的城鎮出行方向數量計算公式:

(4)

式中，Njk指由鄉鎮j至鄉鎮k的手機活躍用戶數；Tijk指第i天由鄉鎮j出行至鄉鎮k的手機活躍用戶數；a為出行天數。

3 空間等級規模演化特征

3.1 村鎮聚落規模分異與變化

以永川區內的村鎮聚落斑塊數據為基礎，對于區域內的聚落景觀指數進行分析發現，見表2，永川區的村鎮聚落總面積大幅度增長。從時間段上看，1990—2000年這一時期增加幅度較大，2000年之后有小幅度的增加。同時，永川區村鎮聚落斑塊平均面積在總體上也有小幅度的增長，研究時段內總計增加0.1189hm2，1980—1990年斑塊平均面積有所下降，隨后呈穩步上升態勢。從最大斑塊指數上來看，總體上上升態勢較為明顯，從1980年的10.86%到2018年30.47%，這一現象表明，研究區的聚落斑塊在空間布局上呈現集聚狀態，并伴隨聚落斑塊規模的擴大，最大聚落斑塊面積所占得研究區聚落斑塊總面積比例也逐步上升。隨著村鎮聚落斑塊規模的增加，研究區的聚落斑塊總數量也在增加。

表2 1980—2018年永川區村鎮聚落斑塊規模統計

將永川區村鎮聚落斑塊數據劃分為8個區間模塊，對于1980—2018年5個年份的規模區間的聚落斑塊數量進行統計，分別繪制頻數分布圖，然后分析各研究時段內的村鎮聚落規模頻數分布變化。對村鎮聚落斑塊規模進行了不同規模區間的統計分類，得出規模頻數圖，可以看出，雖然村鎮聚落斑塊的數量總體增加且增幅明顯，但是大規模的聚落斑塊增長較緩，小規模的聚落數量較多。5個年份的永川區村鎮聚落斑塊都大多分布在5000m2以下的區域，呈現山區聚落的普遍特征，相較于平原地區的聚集分布，山區聚落更多的是零星分布，因此5000m2以下的小規模聚落斑塊比較多。其次，在5×105m2以上的聚落斑塊數量較少，由最初的1個變成9個，且1980—2000年最大聚落斑塊個數沒有變化，這說明2000年后是永川快速發展的時期。總的來說，永川區的村鎮聚落大部分由小規模的聚落斑塊構成，且小規模聚落之間的差距甚小。大規模斑塊之間的差距較大，但占比小。

3.2 村鎮聚落位序規模變化

通過位序-規模模型分析1980年、1999年、2000年、2010年以及2018年等5個年份的聚落斑塊面積數據，得到不同研究時段的永川區位序-規模分布散點圖與擬合方程，見圖3。研究區域內的聚落斑塊呈現數量多、規模小等特性，因此在研究區聚落斑塊面積測度的位序規模模型的雙對數坐標圖上容易顯現垂尾分布特征。

總體來看，除了1980年之外，其余年份擬合程度較好，均在0.9以上。其中1980年的齊夫指數大于1，聚落規模呈分散趨勢，其分布特征差異表現得較為顯著。而1990年、2000年、2010年、2018年的其夫指數均小于1，這表示研究區內村鎮聚落中低位次的中小聚落較多。齊夫指數增長較快。除1980年之外，1990年后，起伏指數逐步增長，且慢慢趨近于1。隨著時間的推移，高位序聚落之間差距越漸明顯，異常值特征在尾部顯現，意味著小位序聚落發育不良好，從整體上看聚落的形式正在逐步由農村聚落向城鎮聚落演化。

圖2 1980—2018年永川區村鎮聚落規模頻數變化

3.3 村鎮聚落中心地等級體系演變

結合歷年統計資料得知，永川區1980—2018年的人口數據在90萬～115萬。已經遠大于市場原則下中心地等級系統中的G級中心地的服務人口數，從2000年開始人口數量也已超過P級，但直至2018年人口數據離L級中心地的服務人口數量還相差甚遠，若要達到L級中心地需要很長的時間，因此此處將永川區中心地等級劃分為P級高級中心城鎮、G級中心城鎮、B級次中心城鎮、K級中心村、A級次中心村、M級基層村。

根據永川區人口、中心地規模等級劃分數據將永川區村鎮聚落面積進行中心地等級體系劃分，得到如下數量，見表3。可以看到，隨著時間的推移，城鎮化、工業化進程的推進，中心地數量在逐步增長，其服務職能需求也在不斷顯現，村鎮聚落等級呈金字塔型式；永川區中心地等級體系在逐步由低層級向高層級發展并不斷完善，但是并不符合市場原則基礎上形成的以3的倍數遞增的理想數量關系。

3.4 基于手機信令的村鎮聚落等級規模驗證

由上述統計得知永川區村鎮聚落數量眾多，數據分析量龐大，本文選取P級高級中心城鎮為例，利用手機信令數據對等級規模進行驗證分析。在研究進程中發現，永川區存在1個P級高級中心城鎮，由中山路街道、勝利路街道、南大街街道三者共同組成。以手機信令數據表達出行總量，統計2021年6月1—30日研究區域內常住人口的出行總量，并采用自然斷點法將各鄉鎮中心到P級高級中心城鎮的出行量劃分為5個等級。

圖3 1980—2018年永川區村鎮聚落面積位序-規模模型

表3 永川區中心地等級體系數量表

經數據統計分析得到圖4，由圖4可看出,中山路街道、勝利路街道、南大街街道三者之間出行量最為顯著，且三者之間呈現穩固的三角關系，與劃分的村鎮等級體系相符合。P級高級中心城鎮對周邊區域輻射范圍的影響呈現“西強東弱”趨勢。東部地區僅大安街道、陳食街道受P級高級中心城鎮的輻射影響較為顯著；西部地區則以P級高級中心城鎮為中心向四周進行發散，輻射范圍較廣。各鄉鎮中心到P級高級中心城鎮的聯系強度總體呈現“東強西弱”趨勢。東部地區的大安街道、陳食街道對P級高級中心城鎮呈現三級聯系強度、二級聯系強度，其余地區呈現一級聯系強度；西部多數區域對呈現P級高級中心城鎮二級聯系強度，部分區域呈現一級聯系強度。

4 結論與建議

4.1 結論

本文以重慶永川區聚落等級結構演變為主線，基于永川區村鎮聚落空間分布數據，研究永川區村鎮體系空間演化特征，主要研究成果如下。

圖4 鄉鎮中心至P級高級中心城鎮的出行量

永川區村鎮聚落總面積增加。在整體布局上來看，永川區研究范圍內的聚落斑塊呈現聚集勢態，且隨著聚落斑塊規模的增長，最大的聚落斑塊面積占聚落斑塊總面積的比例也在逐步增加。隨著村鎮聚落斑塊規模的擴張，聚落斑塊的總體數量也在不斷增長。盡管村鎮聚落用地整體大幅度增長，但其小規模的特征顯著。總的來說，永川區村鎮聚落以小斑塊為主且各聚落斑塊差距較小，而大規模斑塊的占比小，差距較大。

永川區聚落斑塊面積測度的位序規模模型的雙對數坐標圖上出現垂尾分布的特征。隨著時間的推移，高位序聚落之間規模差別增加，首位分布特征開始呈現，表明城鎮化進程加快，開始從農村聚落向城鎮聚落發展。尾部表現為異常值特征，表明小位序聚落發育較差。自1990年開始聚落的實際值大于擬合值，且隨著時間推移差距越發明顯，這說明城鎮的發展正處于加速階段,2018年的小位序規模聚落未呈現垂尾特征，這表明永川區聚落中小位序規模的聚落發育良好。

永川區中心地等級體系逐步向高層級演變。隨著城鎮化進程的推進，研究區內中心地數量不斷上升，其職能也在不斷增強，永川區中心地等級體系呈現由低層級向高層級演變的趨勢并逐步完善，直至2018年，永川區村鎮聚落中心地體系趨于完整，需要完善的地方在于中心地數量上，高級中心地之間呈1∶1∶3的結構，仍不符合市場原則基礎上形成的以3的倍數遞增的理想數量關系。

P級高級中心城鎮的中山路街道、勝利路街道、南大街街道三者之間出行量最為顯著，且三者之間呈現穩固的三角關系，與劃分的村鎮等級體系相符合。西部地區受P級高級中心城鎮輻射影響的區域總體高于東部區域，但P級高級中心城鎮對于東部地區的聯系強度更顯著。

4.2 建議

村鎮聚落的形成與發展具有其獨特性，是多方因素交互的結果，且是一個長期的過程，本文以永川區為研究區域，對于村鎮體系進行探索，研究結果發現永川區作為山地地區，存在著村鎮空間布局分散，居民點眾多，規模小等特性，因此，在未來發展過程中應注意以下幾點。

完善村鎮體系規模等級。永川中心城區較為突出，中心鎮、一般鎮初步形成，但是體系中的村這一層級尚待發展。因此，應該對這些散落的自然村以及空心村進行合理調整規劃。可以選擇將散落的自然村與其他基層村或中心村進行拆解合并，對于空心村的解決方案傾向于將該類用地轉為建設用地并以相應比例在原址進行安置補償，形成完備的五級規模等級結構。

提高中心城鎮發展能力與承載力。中心城區是縣域的政治經濟文化中心，是產業和空間發展的核心載體。永川中心城區主要包括中山路街道、勝利路街道、南大街街道等區域。可通過產業發展，持續吸引人口與資源到中心城區聚集，進而提高其整體發展能力和承載能力。

多區域協調發展，加強區域聯系性。目前永川除了P級高級中心城鎮以外出現3個較為聚集的區域：南部港橋新城、北部三教工業園,以及位于大安街道的永川工業園。可以看出永川的聚集的空間區域是隨著工業布局發展的，而各村鎮之間聯系性較弱，就導致P級高級中心城鎮以及重點工業鎮對其他村鎮的輻射能力不強，出現較大的差距。因此應該利用好永川區工業發展的良好布局，輔以重要交通道路，加強對周邊村鎮的輻射能力。

以發展和變化的眼光看待村鎮聚落等級規模可以發現，長時間序列遙感數據的動態變化能夠直觀展現區域發展歷程，而手機信令數據能反映現下區域的發展狀況。目前永川區存在一個P級高級中心城鎮，除此之外，南部港橋新城、北部三教工業園、永川工業園3處居民點較為聚集，根據手機信令數據對于居民出行目的進行提取得知多數居民出行目的為通勤，建議以通勤為著手點，提供通勤便利，優化通勤設施，用以吸引人群定居，促使區域向下一個P級高級中心城鎮靠齊。長時間傳統數據比對出總體趨勢，大數據因地制宜分析發展特征，二者結合，對村鎮聚落等級規模進行不同維度的分析及驗證研究，豐富了現有村鎮聚落研究方法，對于完善村鎮聚落等級規模的格局演變及驗證分析具有重要意義。