徐 州, 林孝松, 余 情, 崔夢(mèng)瑞, 彭孟竹
(1.重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院, 重慶 400074; 2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 重慶 400074)
農(nóng)村居民點(diǎn)是農(nóng)村人類社會(huì)和自然環(huán)境關(guān)系的表現(xiàn)核心,其空間分布可綜合反映一定自然經(jīng)濟(jì)條件下鄉(xiāng)村勞動(dòng)者的生活生產(chǎn)活動(dòng)狀況[1-4]。長(zhǎng)期以來,由于缺乏科學(xué)的布局規(guī)劃和統(tǒng)一的規(guī)劃管理,農(nóng)村居民點(diǎn)無序建設(shè)普遍存在,農(nóng)村土地資源大量消耗。地貌是地理環(huán)境中最重要的組成部分之一,對(duì)山區(qū)居民點(diǎn)分布具有深刻的影響,尤其是對(duì)區(qū)位、交通、水源處于劣勢(shì)的農(nóng)村居民點(diǎn)的布局起到關(guān)鍵作用[5-6]。因此,研究農(nóng)村居民點(diǎn)空間分布特征與地形因子關(guān)系,對(duì)于指導(dǎo)農(nóng)村居民點(diǎn)統(tǒng)籌規(guī)劃,促進(jìn)農(nóng)村土地集約利用具有重要意義。近年來,隨著數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用,越來越多的學(xué)者引用地形地貌來分析地形與居民點(diǎn)布局的關(guān)系[7-15]。姚夢(mèng)圓[16]、馬帥[17]、張霞[18]等引入地形因子分別探索了大別山區(qū)、太行山區(qū)和喀斯特槽谷地區(qū)農(nóng)村住房空間分布格局及地形要素的影響。
以重慶市巫山縣為研究區(qū),選取高程、坡度、坡向、地形起伏度、坡度變率和高程變異系數(shù)6個(gè)地形因子,利用GIS空間分析功能,基于分布指數(shù)、信息熵和變維分形理論方法,綜合分析巫山縣鄉(xiāng)村聚落空間分布格局和地形因子之間的關(guān)系,揭示其分布規(guī)律及地形地貌對(duì)農(nóng)村居民點(diǎn)布局的影響,研究成果可為巫山縣農(nóng)村居民點(diǎn)規(guī)劃建設(shè)和農(nóng)村土地整理提供參考。
巫山縣位于重慶市東北部,位于109°33′—110°11′E,30°45′—23°28′N;幅員面積2 958 km2,轄25個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道),340個(gè)村(居委會(huì));境內(nèi)深谷和中低山交錯(cuò)分布,坡度大,大巴山、巫山、七曜山三大山脈交集縣境,最高海拔2 683 m,最低海拔76 m,屬中低山區(qū);巫山縣屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候,垂直差異明顯,具有典型的立體氣候特色,年均氣溫約18.4℃,年平均降水量1 041 mm;2016年末,巫山縣農(nóng)業(yè)人口28.08萬人,非農(nóng)業(yè)人口17.47萬人,人均GDP為22 182元。
研究數(shù)據(jù)主要有2015年巫山縣1∶1萬土地利用現(xiàn)狀圖,從中提取到巫山縣詳細(xì)的農(nóng)村居民點(diǎn)斑塊;巫山縣1∶5萬DEM數(shù)據(jù),從中提取研究區(qū)高程與坡度等地形因子信息;2015年巫山縣行政區(qū)劃圖。
基于巫山縣DEM數(shù)據(jù),選取高程、坡度、坡向、地形起伏度、坡度變率和地形高程變異系數(shù)6個(gè)地形因子作為分析指標(biāo);按照研究區(qū)自然環(huán)境狀況,利用ArcGIS將各地形因子劃分為9個(gè)等級(jí),對(duì)各地形因子進(jìn)行分級(jí)顯示(附圖4)。
農(nóng)村居民點(diǎn)面積比重和不同地形梯度區(qū)段的面積差異容易影響農(nóng)村居民點(diǎn)的分布概率。引入分布指數(shù)(Pe)可消除面積差異量綱,并描述農(nóng)村居民點(diǎn)在不同地形條件下的分布狀況。其計(jì)算公式為[19]:
(1)
式中:Sie表示i地形因子上第e級(jí)地形位農(nóng)村居民點(diǎn)的分布面積;Si表示i地形因子上農(nóng)村居民點(diǎn)的總面積;Se表示某特定地形因子第e種地形位的土地面積;S表示巫山縣的土地總面積。
如果Pe大于1,表明農(nóng)村居民點(diǎn)在第e級(jí)地形位上的分布屬于優(yōu)勢(shì)分布,即該地形位對(duì)農(nóng)村居民點(diǎn)分布占主導(dǎo)地位。Pe值越大,優(yōu)勢(shì)程度越大。
信息熵可量度系統(tǒng)內(nèi)部組態(tài)信息的缺乏程度,引入信息熵(He)可反映巫山縣農(nóng)村居民點(diǎn)分布結(jié)構(gòu)特征的有序性。假定巫山縣農(nóng)村居民點(diǎn)在每種地形位上的分布都為一個(gè)系統(tǒng),那么此系統(tǒng)越有序,信息熵就越低,即在此地形位上有序程度越高。其計(jì)算公式為[3]:
(2)
式中:Sie代表i地形因子上第e級(jí)地形位農(nóng)村居民點(diǎn)的分布面積;Si代表巫山縣農(nóng)村居民點(diǎn)總面積。農(nóng)村居民點(diǎn)分布的有序程度隨著He熵值的減小而增大,反之亦然。
對(duì)于任一分形維數(shù)D在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下分形的非線性問題可通過變維分形將其轉(zhuǎn)化為常維分形的形式[20-22]??梢胱兙S分形探究巫山縣農(nóng)村居民點(diǎn)空間分布與地形因子間的關(guān)系。其表達(dá)式為:
D=F(r)
(3)
以研究區(qū)某地形因子某地形位上農(nóng)村居民點(diǎn)的分布數(shù)目為N(r),以地形位的分級(jí)為r,進(jìn)行1階或多階的累積和系列變換,直到將其轉(zhuǎn)換為常維分形形式。累積和的系列變換過程如下:
(1) 若原始數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)為(Ni,ri),則有基本序列:
Ni=N1,N2,N3,…
(4)
根據(jù)基本序列構(gòu)造,進(jìn)行一次累積和得到序列S1,即:
S1i=S11,S12,…,S1n
=N1,N1+N2,N1+N2+N3,…
(5)
式中:S11=N1,S12=N1+N2,S1n=N1+N2+…+Nn,i=1,2,…,n。
(2) 以此類推,重復(fù)第1步,可得二階、三階、…、n階累計(jì)和序列,S3,…,Sn,即:
S2i=S11,S11+S12,S11+S12+S13,…
S3i=S21,S21+S22,S21+S22+S23,…
…
Sni=S(n-1)1,S(n-1)1+S(n-1)2,S(n-1)1+S(n-1)2+S(n-1)3,…
(6)
(3) 將數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)(Sni,ri)標(biāo)注于雙對(duì)數(shù)坐標(biāo),選擇擬合效果良好的變換,計(jì)算其常分維數(shù)。累積和階數(shù)越高,表明農(nóng)村居民點(diǎn)在相應(yīng)地形因子上的變維分形特征越復(fù)雜,居民點(diǎn)分布與相應(yīng)地形因子的敏感度越低;相同累積和階數(shù)下分維值越大,表明相應(yīng)地形因子對(duì)農(nóng)村居民點(diǎn)分布的影響程度越強(qiáng)。
根據(jù)研究區(qū)地形特點(diǎn)對(duì)各地形因子進(jìn)行重分類,并借助GIS空間分析功能,統(tǒng)計(jì)得到巫山縣農(nóng)村居民點(diǎn)在不同地形因子梯度上的分布情況(表1)。
由表1可知,巫山縣地形因子各地形位分布具有相對(duì)集中特性,以較低級(jí)別地形位為主。高程方面主要集中于250~1 500 m的5個(gè)梯度區(qū)間,占總面積的78.72%;多數(shù)坡度集中在15°~35°的4個(gè)梯度區(qū)間,占比為58.34%;坡向方面,除平地外,各坡向間面積占比差異較小,以北坡和南坡占比較大,分別為16.33%和15.80%;15~60 m地形起伏度區(qū)間占總面積的76.46%;坡度變率以3°~15°系數(shù)值間區(qū)域?yàn)橹?,占比?9.11%;高程變異系數(shù)以0~0.02區(qū)間為主,占比為75.32%。
研究區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)分布具有相對(duì)集中于較低級(jí)別地形位區(qū)間,且隨地形位級(jí)別增高而不斷減少的總體特征。如農(nóng)村居民點(diǎn)在高程方面集中分布于250~1 250 m,占居民點(diǎn)總面積的83.68%,從1 000 m高程開始,居民點(diǎn)分布面積隨高程增加而遞減;在坡度方面,農(nóng)村居民點(diǎn)集中分布于15°~35°的區(qū)間,占比為86.32%,從25°坡度開始,農(nóng)村居民點(diǎn)面積隨坡度增加而減少;在坡向方面,除平地外,各坡向農(nóng)村居民點(diǎn)面積占比差異不明顯,偏南方向農(nóng)村居民點(diǎn)占比較大,分布在南、西南、東南3個(gè)坡向的農(nóng)村居民點(diǎn)面積占比41.12%;在地形起伏度方面,農(nóng)村居民點(diǎn)集中分布較明顯,集中化指數(shù)高達(dá)0.900 5,45 m以下區(qū)間占比高達(dá)91.08%且15~30 m區(qū)間占比達(dá)48.74%;坡度變率方面,居民點(diǎn)集中在系數(shù)0°~12°的4個(gè)梯度區(qū)間,占比為78.58%;高程變異系數(shù)方面,居民點(diǎn)集中分布在系數(shù)值為0~0.02的區(qū)間,總面積為74.34 km2,占比達(dá)83.21%。總體來看,巫山縣農(nóng)村居民點(diǎn)分布與中低級(jí)別地形位間關(guān)系較大,但坡向的影響不顯著。
表1 地形因子及農(nóng)村居民點(diǎn)分布面積統(tǒng)計(jì)
利用公式(1)—(2)計(jì)算得到各地形因子不同級(jí)別地形位農(nóng)村居民點(diǎn)的分布指數(shù)和信息熵值,在此基礎(chǔ)上繪制得到巫山縣農(nóng)村居民點(diǎn)地形因子分布指數(shù)和信息熵圖(圖1),由此可分析農(nóng)村居民點(diǎn)在不同地形因子上分布的優(yōu)勢(shì)地形位及其有序程度。
圖1農(nóng)村居民點(diǎn)地形因子分布指數(shù)及信息熵
3.2.1 農(nóng)村居民點(diǎn)分布的優(yōu)勢(shì)地形位 農(nóng)村居民點(diǎn)各地形因子分布指數(shù)曲線在一定程度上反映了農(nóng)村居民點(diǎn)在各地形位梯度上的優(yōu)勢(shì)分布特征。由圖1A可知,除坡向外,農(nóng)村居民點(diǎn)在各地形因子上的分布指數(shù)均呈現(xiàn)出不同程度下降的總體趨勢(shì)。
農(nóng)村居民點(diǎn)在坡度和地形起伏度等地形位上的分布指數(shù)值隨級(jí)別升高下降幅度最大。其中,農(nóng)村居民點(diǎn)在坡度上的分布指數(shù)峰值出現(xiàn)在10°~15°(Ⅱ級(jí))區(qū)間,當(dāng)坡度大于25°時(shí),分布指數(shù)小于1并持續(xù)減小,這說明巫山縣農(nóng)村居民點(diǎn)在坡度小于25°的地形位區(qū)間具有分布優(yōu)勢(shì),且集中于10°~15°區(qū)間,原因在于坡度相對(duì)平緩的地區(qū)對(duì)房屋建筑施工及基礎(chǔ)設(shè)施布局有利;在地形起伏度上,分布指數(shù)值隨地形位級(jí)別增大而急劇減小,分布指數(shù)在0~15 m區(qū)間最大為1.82。地形起伏度小于30 m占全縣41.46%的區(qū)域分布著65.5%的農(nóng)村居民點(diǎn),這說明,研究區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)分布的優(yōu)勢(shì)地形位為起伏度較小的Ⅰ—Ⅲ級(jí)。
農(nóng)村居民點(diǎn)在坡度變率和高程變異系數(shù)上的分布指數(shù)曲線下降趨勢(shì)相對(duì)較緩。在坡度變率上,分布指數(shù)單調(diào)遞減,在坡度變率小于9°的3個(gè)梯度上分布指數(shù)均大于1,為研究區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)分布的優(yōu)勢(shì)地形位。這是因?yàn)殡S著坡度變率的增大,不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和民宅建筑的施工,從而導(dǎo)致農(nóng)村居民點(diǎn)數(shù)量的減少;在高程變異系數(shù)上,分布指數(shù)呈現(xiàn)出隨地形位級(jí)別增加而先增加后減少的規(guī)律。在高程變異系數(shù)小于0.02的4個(gè)區(qū)間內(nèi),分布指數(shù)均大于1,這是因?yàn)榈匦蔚拇怪弊兓^小,土壤侵蝕強(qiáng)度小,農(nóng)作物耕種條件好,適合農(nóng)村居民點(diǎn)布局。
農(nóng)村居民點(diǎn)在高程上的分布指數(shù)曲線呈倒U字型,即先增大后減小。分布指數(shù)在高程250~500 m,500~750 m和750~1 000 m的值分別為1.45,1.39,1.42,均大于1,說明該區(qū)間為農(nóng)村居民點(diǎn)分布的優(yōu)勢(shì)地形位。當(dāng)高程大于1 000 m時(shí),農(nóng)村居民點(diǎn)的分布指數(shù)小于1并持續(xù)減小,原因在于隨著海拔的增加氣溫降低,再加上山地地形的限制,適宜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的土地大量減少,導(dǎo)致農(nóng)業(yè)人口聚居條件變差,居民點(diǎn)數(shù)量相應(yīng)減少。
農(nóng)村居民點(diǎn)在坡向上的分布指數(shù)上下波動(dòng),變化幅度較小。在東南、南、西南、西北方向分布指數(shù)大于1,說明這4個(gè)坡向?yàn)檠芯繀^(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)分布的優(yōu)勢(shì)地形位。由于巫山縣地處中國(guó)西南,良好的通風(fēng)、采光條件是擇宅的關(guān)鍵,而東南、南、西南坡均屬于陽坡半陽坡,日照時(shí)數(shù)長(zhǎng),光照條件好。
3.2.2 農(nóng)村居民點(diǎn)分布的有序度 農(nóng)村居民點(diǎn)各地形因子信息熵變化曲線在一定程度上反映了農(nóng)村居民點(diǎn)在各地形位級(jí)別上的有序性特征。由圖1A可知,農(nóng)村居民點(diǎn)在各地形因子上的信息熵曲線在前兩級(jí)地形位上均有所下降,之后呈現(xiàn)出不同程度的總體上升趨勢(shì)。
農(nóng)村居民點(diǎn)在高程與地形起伏度上的信息熵值上升幅度最大。在高程上,農(nóng)村居民點(diǎn)的信息熵谷值出現(xiàn)于500~750 m區(qū)間,即在該區(qū)間居民點(diǎn)分布最有序,這與該地形位的優(yōu)勢(shì)分布高度關(guān)聯(lián)。原因在于巫山縣農(nóng)村居民點(diǎn)普遍依山而建,在高程小于500 m的區(qū)域中所占比例相對(duì)較低,因此較低海拔區(qū)域成為農(nóng)村居民點(diǎn)分布最有序的地帶;在地形起伏度上,農(nóng)村居民點(diǎn)信息熵值先遞減后遞增,最小值出現(xiàn)在15~30 m區(qū)間,值為0.72。由于巫山縣起伏度小于15 m的區(qū)域大多已開發(fā)為城市建設(shè)用地,區(qū)域內(nèi)的農(nóng)村居民點(diǎn)分布零碎散亂,面臨被拆遷改造的現(xiàn)實(shí),信息熵和無序度較高。城區(qū)周邊地形起伏度在15~30 m的區(qū)域地勢(shì)較平坦,適宜進(jìn)行鄉(xiāng)村規(guī)劃建設(shè),因此起伏度為15~30 m的低海拔緩坡地區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)分布最有序。
農(nóng)村居民點(diǎn)在坡度、坡度變率和高程變異系數(shù)上的信息熵值上升趨勢(shì)相對(duì)較緩。在坡度上,信息熵值先減少后增加,信息熵最小值出現(xiàn)在15°~20°區(qū)間。最低坡度梯度的區(qū)域上,農(nóng)村居民點(diǎn)分布有序程度并非最高,這是因?yàn)榇蟛糠制露葹?°~10°的區(qū)域?yàn)槌擎?zhèn)建設(shè)用地,坡度為10°~15°的城區(qū)周邊地帶的農(nóng)村居民點(diǎn)較分散且無序,相反15°~20°的耕地集中分布地帶農(nóng)村居民點(diǎn)有序度較高;在坡度變率上,信息熵值總體上先減后增,最小值在3°~6°區(qū)間,值為1.35,說明在坡度變率變化較小的區(qū)域,農(nóng)村居民點(diǎn)分布的有序程度較高,且和其優(yōu)勢(shì)地形位高度關(guān)聯(lián);在高程變異系數(shù)上,信息熵在0.005~0.01,0.01~0.015兩個(gè)區(qū)間較小,分別為1.12,1.41,這與農(nóng)村居民分布的優(yōu)勢(shì)地形位相一致,在高程變化較小的區(qū)域,農(nóng)村居民點(diǎn)的布局越有序。
農(nóng)村居民點(diǎn)在坡向上的分布指數(shù)值先減小,后上下波動(dòng),與其分布指數(shù)曲線類似。平地上居民點(diǎn)分布的信息熵最大,這是由于僅有的平地多被城市建設(shè)用地所占,導(dǎo)致少許零星居民點(diǎn)無規(guī)則地散布在平地區(qū)域,有序度最低。同時(shí),坡向上的農(nóng)村居民點(diǎn)分布信息熵曲線波動(dòng)幅度較小,且熵值也較小,反映出巫山縣農(nóng)村居民點(diǎn)順坡而建現(xiàn)象普遍,各坡向上居民點(diǎn)布局都比較有序。
基于ArcGIS平臺(tái),統(tǒng)計(jì)得到巫山縣農(nóng)村居民點(diǎn)在不同地形因子梯度上的斑塊數(shù)目(表1),在此基礎(chǔ)上,通過累積和的系列變換,計(jì)算得到巫山縣農(nóng)村居民點(diǎn)與各地形因子的分段變維結(jié)果(表2)以及巫山縣農(nóng)村居民點(diǎn)在不同地形因子各地形位梯度上的分段變維序列圖(圖2)。
由表2和圖2可知,經(jīng)過1階或多階累積和變維分形變換后,巫山縣6個(gè)地形因子的分段變維擬合函數(shù)的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.97以上,數(shù)據(jù)點(diǎn)序列呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。各地形因子對(duì)應(yīng)的累積和變換次數(shù)和分維值存在一定的差異,表明巫山縣各地形因子與農(nóng)村居民點(diǎn)分布之間的敏感性及影響程度有較明顯差別。
表2 農(nóng)村居民點(diǎn)與地形因子的分段變維特征匯總
圖2 農(nóng)村居民點(diǎn)分布與各地形因子的分段變維序列
巫山縣農(nóng)村居民點(diǎn)的分布與坡度呈一階累積和分形分布,表明坡度與農(nóng)村居民點(diǎn)的分段變維分形特征較為簡(jiǎn)單,農(nóng)村居民點(diǎn)的分布對(duì)坡度的敏感性最高,是研究區(qū)內(nèi)農(nóng)村居民點(diǎn)分布的主要影響因素;巫山縣農(nóng)村居民點(diǎn)分布與高程、坡度變率、地形起伏度和高程變異系數(shù)之間均呈二階累積和變維分形分布,表明這些因子與農(nóng)村居民點(diǎn)的分段變維分形特征較復(fù)雜。在累積和變換次數(shù)為2的地形因子中,高程的分維值最大,表明其對(duì)農(nóng)村居民點(diǎn)空間格局的形成和發(fā)展影響程度最高,坡度變率和地形起伏度次之,高程變異系數(shù)最低;農(nóng)村居民點(diǎn)與坡向之間呈三階累計(jì)和變維分形分布特征,表明農(nóng)村居民點(diǎn)的分布對(duì)坡向的敏感性最低,這與居民點(diǎn)在坡向上的分布指數(shù)曲線與信息熵曲線呈現(xiàn)上下小幅波動(dòng)的趨勢(shì)相吻合,表明坡向?qū)ξ咨娇h農(nóng)村居民點(diǎn)分布的影響程度相對(duì)較弱。綜上可知,各地形因子對(duì)巫山縣農(nóng)村居民點(diǎn)分布和發(fā)展的影響程度由高到低分別是坡度>高程>坡度變率>地形起伏度>高程變異系數(shù)>坡向。
(1) 農(nóng)村居民點(diǎn)的空間分布充分體現(xiàn)了鄉(xiāng)村聚落和自然環(huán)境的關(guān)系,是對(duì)地形地貌長(zhǎng)期選擇適應(yīng)的結(jié)果。巫山縣農(nóng)村居民點(diǎn)的空間分布在不同地形因子不同地形位梯度上,具有不同的布局特征。農(nóng)村居民點(diǎn)分布的優(yōu)勢(shì)地形位為高程250~1 000 m,坡度0°~25°,東南、南、西南和西北坡向,地形起伏度小于30 m,坡度變率為0°~9°,高程變異系數(shù)0~0.02;同時(shí),農(nóng)村居民點(diǎn)用地規(guī)模和有序程度隨著海拔、坡度、坡度變率、地形起伏度、高程變異系數(shù)地形位的增加而呈現(xiàn)不斷減少趨勢(shì)。
(2) 變維分形值能夠定量揭示各地形因子與農(nóng)村居民點(diǎn)分布之間的敏感關(guān)系。研究區(qū)6種地形因子與農(nóng)村居民點(diǎn)分布均呈現(xiàn)出分段變維分形特征,表明這些地形因子在一定程度上影響了農(nóng)村居民點(diǎn)的分布。研究區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)與坡度呈一階累積和分形分布,表明其對(duì)坡度的敏感性最高;與高程、地形起伏度、坡度變率和高程變異系數(shù)均呈二階累積和分形分布;與坡向則呈三階累積和分形分布,表明其對(duì)坡向的敏感性最低;地形因子對(duì)研究區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)分布的影響程度由高到低分別為坡度>高程>坡度變率>地形起伏度>高程變異系數(shù)>坡向。
研究結(jié)果體現(xiàn)了渝東北典型山區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)分布與地形因子的相互關(guān)系,也在一定程度上反映了農(nóng)村居民點(diǎn)規(guī)劃建設(shè)的局限性。此外還發(fā)現(xiàn)巫山縣在高程大于2 000 m、坡度大于45°的局部區(qū)域依然有部分鄉(xiāng)村聚落分布,這說明研究區(qū)內(nèi)農(nóng)村居民點(diǎn)格局還需進(jìn)一步優(yōu)化。此外,本研究?jī)H從單一多指標(biāo)的地形因子綜合分析了巫山縣農(nóng)村居民點(diǎn)的分布格局,今后需進(jìn)一步結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素和生產(chǎn)條件因素等多指標(biāo),綜合研究巫山縣農(nóng)村居民點(diǎn)的分布格局和演化規(guī)律。
參考文獻(xiàn):
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