基于ArcGIS距离制图和空间数据层次组织的统筹城乡居民点布局研究——以陕西志丹县旦八镇为例

吴金华，李纪伟，冯艳斌，王 淼

（长安大学地球科学与资源学院，陕西西安710054）

1 引言

在国家统筹城乡发展战略、第三轮土地利用规划修编和城乡建设用地增减挂钩的背景下提出统筹城乡居民点布局研究，对于统筹城乡一体化发展、合理利用土地资源和科学编制土地利用规划等都具有现实意义。城乡居民点布局规划主要包括国土资源管理部门主导的土地利用规划和城乡规划管理部门主导的城镇村体系规划等。

土地利用规划方面，经过多年的理论研究和实践探索，立足中国基本国情和借鉴国外成功经验，逐步形成了以用地指标管理和用途空间管制为基础的管理体系。在分区方法方面，宏观方法较为常见和成熟，有聚类法、叠置法和星座法等[1]，其中聚类法得到了广泛应用。相比而言，鲜见县乡（镇）级特别是乡（镇）级微观方法的研究，现实规划中土地利用用途区大多以定性为主，具有很大的随意性，分区方案是否科学合理、是否有利生产和方便生活无从评价。

城镇体系规划方面，顾朝林结合中国实际提出了“三个结构一个网络”的城镇体系规划理论[2]，已成为中国城镇体系规划的框架性内容。在定量研究方面，分形理论在城镇体系等级结构和空间结构等方面应用取得一些成果[3-5]，适合于刻画和评价城镇的空间形态与过程，但分形性质只是检验城镇体系是否合理的必要不充分条件，不能直接用于城镇体系优化。而村镇体系规划起步较晚，理论方法体系正在逐步完善[6]，定量研究上大多从耕作距离、搬迁成本和综合评价等方面展开，缺点是缺乏从居民点空间关系统筹考虑。

本文以统筹城乡居民点布局和节约集约用地为导向，采用ArcGIS距离制图和空间数据层次组织等方法，通过居民点撤留判断和空间等级体系建立，尝试构建一种基于成本效益和空间关系的城乡居民点布局优化方法。

2 研究方法

2.1 理论基础

2.1.1 距离制图原理 距离制图（Distance Mapping）即根据每一栅格相距其最邻近要素（源）的距离来进行分析制图，从而反映出每一栅格与其最邻近源的相互关系。通过距离制图可以获得很多相关信息，指导人们进行资源的合理规划和利用[7]。在ArcGIS中，距离制图分析主要通过距离制图函数完成，包括直线距离函数（Straight Line）、分配函数（Allocation）、成本距离加权函数（CostWeighted）和最短路径函数（Shortest Path）4部分，可以很好地实现常用距离制图分析。其中，直线距离函数测量每一栅格单元到最近源的直线距离；成本距离加权函数采用函数因子（单元成本）修正直线距离，可计算出每个栅格距离成本最低源的最少累计成本，这里的成本可以是时间、摩擦和消耗等，该函数考虑了事物的复杂性，对于基于复杂地理特性的分析非常有用，如其在最小累计阻力模型（MCR）中常用来进行景观生态安全格局规划[8-9]。本文采用距离制图得到农村居民点理论耕作范围（成本分配）和平均耕作成本距离。

2.1.2 Voronoi图理论与空间数据层次组织 一组空间对象（发生元）的Voronoi区域组成的集合称为Voronoi图，Voronoi图的应用原理是：一个Voronoi图内某个Voronoi多边形内的任意一点到该多边形发生元的距离都小于其到其他Voronoi多边形发生元的距离[10]。Voronoi图有普通Voronoi图和加权Voronoi图等多种类型，其中加权Voronoi图是考虑了发生元“影响能力”生成的Voronoi图。Voronoi图的空间格局是由发生元分布决定的，如果发生元按照克里斯泰勒中心地理论的三角形中心地分布和六边形市场区分布，则得到的Voronoi图的空间格局亦为正六边形格局。由于Voronoi图具有势力范围、侧向邻近、局部动态性等多项实用特性，以及较为完善的理论体系，在区域分析和规划、地理信息系统等领域得到了广泛应用。

王新生等借鉴Okabe和Sadahiro提出的一种利用Voronoi图有层次地组织空间数据的方法[11]，提出用Voronoi图确定城市空间影响范围，并利用Voronoi多边形邻居关系的性质确定城市体系中不同等级城市之间的空间组织关系。该方法的基本原理是，存在一具有数量属性值的空间点集，首先找到空间点集中第一级局部中心（最低级中心），局部中心定义为那些属性值大于或等于其Voronoi多边形邻居属性值的那些空间点。同样，用第一级局部中心Voronoi图定义第二级局部中心，用第k级局部中心Voronoi图定义第（k+1）级局部中心，重复进行这个过程，直至仅剩一个点为止。最后，空间点集的等级层次关系可以用一个有向图来阐述，在这个有向图中，第（k+1）级局部中心包含第k级局部中心[10]。采用该方法进行空间数据层次组织，不仅考虑了空间点的“影响能力和范围”，而且考虑了空间点的空间相邻关系，符合中心地系统模型的空间等级特性，具有较强的应用价值。本研究城乡居民点空间等级体系构建借鉴了这种方法。

2.2 研究方法

本文以志丹县旦八镇为例进行城乡居民点布局优化研究，主要步骤见图1。（1）居民点撤留初步判断：笔者认为农村居民点服务周围农地（为方便研究将耕地和园地统称为农地）的平均耕作成本距离越小越好，以减少耕作成本，农民人均农地面积越大越好以获得规模效益。利用ArcGIS成本距离函数和Zonal Statistics工具得到居民点平均耕作成本距离和人均农地面积，以此为依据进行居民点撤留初步判断。（2）居民点空间等级体系构建：依据测算的居民点发展能力指数，根据空间数据层次组织方法，在ArcGISModel Builder中结合Spatial Join、Dissolve、Join和Field Calculator等工具实现该过程（图2），最终构建居民点空间等级体系。（3）统筹城乡居民点布局：结合居民点撤留初步判断和空间等级体系，根据中心地理论和交通连通性等进行居民点布局优化。

3 实例研究

3.1 研究区概况

图1 统筹城乡居民点布局方法Fig.1 The layout method of urban-rural settlements

图2 ArcGISModel Builder构建居民点空间等级体系Fig.2 The spatial hierarchical system of settlements based on ArcGIS Model Builder

图3 城乡居民点撤留初步判断Fig.3 The initial decision on relocation urban-rural settlements

旦八镇位于陕西省志丹县洛河沿岸，镇域总面积319.31 km2，属陕北黄土高原丘陵沟壑区，地势可分为“四岭三川两条沟”，北暖温带半干旱大陆性季风气候。2009年全镇辖18个村委会，100个农村居民点，总人口1.10万人，人口密度34.39人/km2，非农化率10.64%。全镇农用地31085.8 hm2、建设用地440.5 hm2，分别占土地总面积的97.35%和1.38%；农用地中，耕地、园地分别为4362.3 hm2、94.8 hm2，分别占农用地面积的14.03%、0.31%；建设用地中，城乡建设用地377.4 hm2，占建设用地总规模的85.67%。

3.2 城乡居民点撤留初步判断

采用ArcGIS成本距离函数以成本栅格数据和居民点布局数据生成各居民点成本距离数据和分配数据（图3（a）），成本距离根据乌尔曼（E.L.Ullman）空间相互作用理论由中心地环境条件和辐射能力构成[12]，其中，环境条件由坡度数据和交通数据叠加构成，辐射能力由居民点人口规模加权Voronoi图构成，数据标准化采用极值法（式1）、因素确权采用变异系数法（式2），再利用Zonal Statistics工具求取居民点平均耕作成本距离和人均农地面积。

式 1中，y为标准化数值，x为原始数值，i=1，2，3，4。

图4 居民点空间等级体系构建Fig.4 The spatial hierarchical system of settlements

式2中，W为评价因子权重；V为评价因子变异系数；S为评价因子标准差为评价因子均值；i=1，2，3，4。

居民点撤留判断标准为：居民点平均耕作成本距离越小、人均农地面积越大则应作为保留发展型，平均耕作成本距离越大、人均农地面积越小则应作为撤销搬迁型，而平均耕作成本距离和人均农地面积同小或同大则应作为控制发展型。这里将居民点平均耕作成本距离和人均农地面积的均值作为大小判定标准，结果如图3（b）所示，共有保留发展型13个、撤销发展型14个和控制发展型73个。

根据居民点发展类型及其特点，制定差别化政策，进行居民点布局调整：（1）保留发展型：一般地形较好、交通便利、生产和生活方便，具有以一定聚集效应和发展潜力，拟作为发展对象，逐步完善基础设施，满足科学发展用地需求。（2）控制发展型：一般在地形、交通、生产和生活等方面有所限制，聚集效应和发展潜力有限，短期内不宜迁并，拟作为控制对象，逐步优化用地布局，促进建设用地和农地规模聚集，用地以内涵挖潜为主，原则上不提供新增建设用地指标。（3）撤销迁并型：一般在地形、交通、生产和生活等方面有较大限制，不具有发展潜力，短期内应迁并，拟作为撤销对象，是土地整理和增减挂钩的重点。

统筹城乡居民点布局是一个复杂问题，最终如何调整要从统筹区域角度加以考虑，应参考区域居民点空间等级体系的构建结果。

3.3 城乡居民点空间等级体系构建

以旦八镇居民点人口规模、居民点用地规模、平均耕作成本距离和人均农地面积4项因素综合加权构建居民点发展能力指数，其中数据标准化采用极值法（式1）、因素确权采用变异系数法（式2）。按照图2采用ArcGIS Model Builder构造模型，以居民点发展能力指数为依据做空间分析，经过6次循环（图4），构建了旦八镇7层居民点空间等级体系。根据中心地理论，高级中心地不仅有低级中心地所具有的职能，而且具有低级中心地所没有的高级职能，按照各居民点在体系中所处的最高层次确定其级别，可以得到1级居民点1个、2级1个、3级1个、4级3个、5级7个、6级18个、7级69个（图5（a））。

3.4 统筹城乡居民点布局方案

本文拟定镇域“镇中心—中心村—基层村”三层城乡居民点布局结构，结合旦八镇居民点撤留判断和空间等级体系成果，按照以下原则构建：（1）旦八镇镇中心为全镇的政治、经济、文化、教育、商业和交通中心，负担辐射带动全镇、提供高级公共产品和服务的功能，是重点支持和建设的对象，应提供政策、财政、土地等全方位要素支持。（2）根据中心地理论和管理幅度理论，中心村选择数量不宜过多，按照发展能力较强、交通条件便利、辐射范围较大和镇域统筹分布的原则，主要在5级及其以上居民点中选择；中心村的辐射范围应综合考虑交通连贯性，即中心村辐射的基层村所处的地形应相近，依靠的主要交通线应相同，同时要参考居民点空间等级体系的构建过程。中心村是镇片区中心，承担镇中心为周围基层村提供一般性公共服务的部分职能，同时也具有农业生产功能，应作为适度发展对象，以提高农民公共产品和服务享有水平为重点，保障其科学发展用地。（3）基层村为中心村以外的农村居民点，本身公共服务功能较弱，需要依靠中心村和镇中心的公共服务才能维持正常地生产和生活需要，主要承担农业生产功能。根据居民点撤留初步判断，大部分为控制发展型，撤销迁并型也基本包含在内，因此，基层村应作为控制发展对象，优化其用地布局，促进规模聚集效益，用地需求也应以内部挖潜为主。

图5 旦八镇城乡居民点布局Fig.5 Layout of urban-rural settlement in Danba town

按照以上原则进行旦八镇城乡居民点布局效果见图5（b），选取了中心村9个，基层村78个，撤消13个居民点。《志丹县县域村庄布局规划（2006—2025年）》中，确定了19个中心村，13个撤销迁并村，本研究确定的9个中心村有5个包含在其中，13个撤销迁并村中有8个包含在其中，两者具有较好的兼容性。且相比之下，原方案确定了过多的中心村，一方面不易管理，另一方面难以产生规模聚集效益，不利于统筹城乡一体化实现，也不利于土地利用效益的提高。因此，优化后的城乡居民点布局相对科学，应结合居民点发展类型及差别化发展政策，统筹城乡用地布局，获得规模聚集效益，提高公共产品和服务共享水平，有利生产、方便生活，逐步实现城乡统筹一体化，促进土地资源合理利用。

4 研究结论

（1）以旦八镇为例采用ArcGIS距离制图和空间数据层次组织的方法进行统筹城乡居民点布局研究，撤销了13个居民点，形成了以镇中心为区域中心，由9个中心村和78个基层村构成的城乡居民点布局方案，同现有布局规划具有较好的兼容性，同时兼顾了成本效益、空间关系和管理幅度等重要因素，更有利于统筹城乡一体化的实现和土地资源的合理利用。

（2）研究在居民点撤留初步判断中，运用了ArcGIS成本距离加权函数实现居民点平均耕作成本距离测算；在居民点空间等级体系构建中，运用了ArcGIS的Model Builder和Spatial Join等工具实现了空间数据层次组织，考虑了局部空间相关，比以往方法更加精确实用。

（3）根据乌尔曼提出的空间相互作用基于互补性、可转移性和介入机会3个前提条件的理论，构建了由中心地环境条件（可转移性）和辐射能力（介入机会）组成的成本栅格数据，其中，中心地环境条件由自然地形条件和交通设施条件构成，辐射能力由加权Voronoi图构成。与以往区位理论关于“均质平原”的假设不同，本研究成本栅格是非均质的。

（References）：

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［5］ 刘继生，陈彦光.城镇体系空间结构的分形维数及其测算方法［J］.地理研究，1999，（2）：60-67.

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［12］ 刘艳芳.经济地理学：原理方法与应用［M］.北京：科学出版社，2006.