基于地形起伏度的高原山地乡村聚落分布特征研究

唐富茜 徐坚 杨敏艳

摘 要：乡村聚落的选址是村民在长期与自然适应协调过程所作出的选择，是人居环境与自然环境相互适应的体现。地形起伏度作为影响人居环境的重要自然环境要素之一，在高原山地地区的作用力尤为显著。该研究以云南省石屏县为例，选用窗口分析法，以最佳分析窗口计算地形起伏度，并通过统计乡村聚落在不同地形起伏度区域内的分布密度，分析得出石屏县乡村聚落分布密度差异显著，随地形起伏度增加呈棱形空间分布特征，旨在为高原山地人居环境建设可持续性发展提供科学依据。

关键词：地形起伏度；高原山地；乡村聚落；石屏县

【文章编号】1627-6868（2016）01-0001-05

Abstract： The location of rural settlements is the choice of villagers who coordinate with natural in long-term， and the embodiment that human environment and natural environment adapt to each other. As one of the important natural environment factors which affect the human environment， relief amplitude has more significant force in plateau mountain area. The paper takes Shiping County in Yunnan province as an example， chooses the method of window analysis， and calculates the relief amplitude by best analysis window. What's more， through the statistics of the distribution density of rural settlements in different relief amplitude area， it analyzes that there is a significant difference in the distribution density of rural settlements in Shiping County. And with the increasing of relief amplitude， the space distribution characteristic of rural settlements is prismatic. The paper aims at providing a scientific basis for the sustainable development of human environment construction in plateau mountain area.

Keywords：relief amplitude； plateau mountain； rural settlements； Shiping County

地形起伏度，又称地表起伏度，是区域海拔高度和地表切割程度的综合表征，在不同空间尺度上，影响着水、热、光照、植被、地质灾害等的分布与发展，同时制约着农业、水利、交通与城市建设、人口分布等[1-2]。封志明等学者认为地形起伏度是影响人口、经济分布的重要因素之一，并把其纳入了中国人居环境自然适宜性评价指标体系。

高原山地兼具山地和高原的特征，具有大面积的隆起，同时表面形态奇特多样，既受到因高度引起的垂直地带性规律的制约，又受各种地形、坡度和山脉走向的影响，所处自然环境更为复杂、恶劣[3]。因此，高原山地地区地形起伏度，相较于平原或一般山地地区，对建设活动影响作用力更大，造成建设难度高、成本大、工程处理复杂等问题。

高原山地乡村聚落的分布是村民在与自然长期适应协调过程中，综合考虑自然环境与人居环境而选定的，其分布规律反映了人居环境与自然环境相互适应关系，体现了村民在选址中朴素的可持续发展观，受政策及规划建设的影响最小[4]。

对高原山地地形起伏度与乡村聚落分布的关系进行深入研究，将强化建设活动对自然生态环境的保护意识，优化乡村聚落空间布局，为高原山地人居环境建设可持续发展提供科学依据。

1.研究区概况

石屏县地处云南省南部，红河州西北部，位于东经102°08′～102°43′，北纬23°19′～24°06′之间。石屏县历史悠久，在西汉时称“旧欣”，至今已有数千年的历史；文化积淀深厚，明清两代即被称为“文献在兹”、“文献名区”、“文学南滇第一州”。1999年石屏古城被评为云南省省级历史文化名城；2015年古城街区被评为国家级历史文化街区；现已有15个乡村聚落被评为国家级传统村落。

石屏全县总面积3037km2，其中：山地面积占总面积的94.65%，“九分山有余，一分坝不足”。县境内地貌始于喜马拉雅造山运动，形成山间断陷盆地。地势以山多地少、山河相间、岭谷并列、高差悬殊、起伏大、垂直明显为特点。大桥河以南、五郎沟河以北为中山湖盆地貌，五郎沟河以南属岩溶山原地貌。北、西、南三面受河流强烈切割，多高山深谷，群峰突起，山势陡峻[5]。

2.数据来源与研究方法

2.1 数据的来源与预处理

2.1.1 数据的来源

本研究所使用的数据包括石屏县行政区划图、ASTER GDEM数据、石屏县1：500分幅遥感影像以及部分村庄规划数据。其中，ASTER GDEM数据是由日本METI和美国NASA联合研制并免费面向公众分发，投影方式是WGS84，空间分辨率为30m，来源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站（http：//www.gscloud.cn）；矢量化的石屏县行政区划图、村庄规划数据和1：500分幅遥感影像均由云南省山地城镇区域规划设计研究院提供。

2.1.2 数据的预处理

为确保输出的图形是统一的投影方式和精度，本研究均采用通用横轴墨卡托投影（WGS_1984_UTM_Zone_48N），栅格大小为30m×30m。借助ArcGIS10.2软件对所有图形数据进行投影、配准、拼接、裁剪、栅格重采样、矢量化等预处理。

2.2 石屏县地形起伏度的计算

2.2.1 地形起伏度的计算公式

公式（1）中，RDLS表示地形起伏度，ALT代表以某一栅格单元为中心的一定区域内的平均海拔（m），Max（H）、Min（H）分别表示该区域内的最高海拔（m）和最低海拔（m），P（A）为该区域内的平地面积（km2），A则为区域总面积（km2）[6]。

2.2.2 窗口分析

地形起伏度的计算通常是借助窗口分析法得以实现。分析窗口形状、大小的变化，都将影响到所研究区域内地形起伏度的结果。因此，确定一个最佳大小的分析窗口是地形起伏度提取算法中的核心步骤和决定区域地形起伏度提取效果与有效性的关键[7]。本研究结合规则窗口递增法和均值变点分析法确定最佳分析窗口。

将分析窗口设置为3×3、5×5……69×69的一系列分析尺度，依次得到各分析窗口尺度下 [Max（H）- Min（H）]数据层平均值，以此获得分析窗口单元面积与最大高差均值的关系（表1），并对其进行对数方程拟合，得出拟合曲线（图1）。

根据以往的研究表明，该拟合曲线呈逻辑斯蒂克曲线，最佳分析窗口即在该曲线变化由陡变缓的拐点处[8]。判定拐点应用较多的方法为均值变点分析法。计算方法为：一组数据数列{xi}，其中i= 1，2…N，N为样本数。以样本xi点为界分为两段，分别计算每段样本及总样本的算术平均值xi1、xi2、x，并计算统计量：

公式（2）、（3）中，下脚标 t1=1，2，…，i-1；t2=i，i+1，…，N. Si和S为均值变点分析法的中间计算值。变点的存在会使S和Si的差距增大，在两者差值（S-Si）最大时所对应的点即为变点[1、9]。

通过均值变点分析法计算得到图2所示的曲线。从图中曲线可以确定当序列点i=11时，S-Si为最大值，即石屏县地形起伏地最佳分析窗口大小为23dpi×23dpi，面积0.47km2。

2.2.3 地形起伏度各因子数据层的提取

（1）平均海拔和最大高差的提取

运用ArcGIS的 Block Statistics工具统计最佳分析窗口内海拔的平均值，生成ALT数据层。最大高差[Max（H）- Min（H）]数据层在提取最佳分析窗口时已经获取。

（2）平地面积的提取

根据用地建设对坡度的要求，该研究定义坡度在8%以下的区域视为平地，其他的区域为非平地。运用Slope工具得到坡度数据层，再利用Reclassify工具对坡度数据层进行重分类，把不参与分析的非平地区域设置为Nodata，然后将单个栅格面积乘以平地栅格个数，即为平地面积P（A）数据层[10]。

2.2.4地形起伏度的提取

按照公式（1）将前面各步骤所得到的数据层输入到Raster Calculator工具中，实现石屏县地形起伏度的提取。

2.3 石屏县乡村聚落分布密度计算

综合村庄规划、影像图等数据，在石屏县行政区划图中标注乡村聚落分布的位置，并赋予国土面积等相关属性，得到石屏县乡村聚落布点数据层。将其与地形起伏度数据层叠加，再运用Extract Value to point工具提取乡村聚落所在地的地形起伏度，分类统计不同地形起伏度的乡村聚落数量。对地形起伏度进行重分类，统计面积，计算乡村聚落分布密度。

3.结果分析

3.1 石屏县地形起伏地的分布特征

由图3可知，石屏县的地形起伏度值介于0.26-3.08之间，区域差异明显，总体呈现由中部湖盆地区向南北两向递增的趋势，西部、北部以及南部地区的地形起伏度值高于东部地区。其中，地形起伏度高值区主要位于北部坡龙山、尼白木山和南部大冷山三大山系，其次是东北部的老黑山、西部大梁子山以及中部的砚瓦山地区，低值区主要分布于大桥河、八抱树河、大塘河、五郎沟河、小河底河、元江等河谷地带。

3.2石屏县乡村聚落分布特征

3.2.1 乡村聚落空间分布集散性差异显著

石屏县乡村聚落主要集中分布在中部异龙湖周边的湖盆地区以及高山与河流、山谷相间的缓冲地带，地形起伏度较大的高山地区相对较少。受地形起伏度的影响，乡村聚落空间分布集散表现出显著的差异性（图4）。

中部湖盆地区是沿东西向延伸呈块状分布的区域，面积较大，整体地形起伏度变化较小，适合人居环境建设，是全县范围内乡村聚落分布集聚性最大的区域，包括异龙镇的北部、宝秀镇的东部、坝心镇的中部和大桥乡的东南地区；山河相间、岭谷并列地区，地形起伏度变化较大，乡村聚落多分布于高山与河流、山谷相间、地形起伏度适中的缓冲地带，呈带状分布。其中，山河相间地区的乡村聚落分布的集聚性要高于岭谷并列的地区。集聚性较大的区域包括新城乡的中部、牛街镇的镇区周边以及龙武镇的北部地区，其他区域分布较为分散；地形起伏度较大的高山地区，受地形起伏度等因素的制约，乡村聚落零星分布，包括北部的尼白木山、坡龙山和南部大冷山等地区。

3.2.2乡村聚落密度分布差异显著

由于石屏县境内多山地，地形起伏度较大，居民居住较为分散，乡村聚落数量较少，全县乡村聚落平均分布密度仅为0.29个/km2，且乡村聚落密度分布差异显著（图5）。

石屏县乡村聚落密度由中部湖盆地区向南北两侧递减。环异龙湖周边地区，乡村聚落分布密度较大，形成了密度为0.64-2.22个/km2的密集中心区，呈环状逐步向外围递减。北部的尼白木山和坡龙山、西部大梁子山以及南部大冷山等地形起伏度较大的地区以及元江沿江地带，乡村聚落分布密度较小，密度均小于0.1个/km2。

3.2.3乡村聚落分布随地形起伏度的递增，呈棱形的分布特征

石屏县乡村聚落分布在地形起伏度值介于0.67-2.49之间的区域。随着地形起伏度的递增，乡村聚落分布密度呈现出先增后减的趋势。地形起伏度值在0.67-1.40之间，乡村聚落的分布密度上下波动，总体呈上升趋势；地形起伏度值在1.41时，乡村聚落的分布密度陡然增加。地形起伏度值在1.41-1.48之间，乡村聚落的分布密度变化趋于平缓，且分布密度处于全县范围内的最大值；地形起伏度值在1.49-1.98之间，乡村聚落的分布密度开始呈下降趋势；地形起伏度值在1.99-2.49之间，乡村聚落的分布密度变化趋于平缓，分布密度居于全县最低值（图6）。

4.结论与讨论

4.1 结论

（1）通过地形起伏度的计算得出，石屏县地形起伏度呈现中间低，南北高的空间格局，与石屏南北山区、中部坝区的高-低-高的地形空间特征吻合。

（2）通过乡村聚落布点及其在地形起伏度上的分布密度计算，分析得出石屏县乡村聚落分布特征：①乡村聚落主要集中分布在中部异龙湖周边的湖盆地区以及高山与河流、山谷相间的缓冲地带；②地形起伏度变化越小的地区，乡村聚落分布越集聚；③乡村聚落密度分布差异显著，由中部湖盆地区向南北两侧递减，受地形起伏度作用明显；④乡村聚落分布随地形起伏度的增加，呈棱形分布特征。在地形起伏度适中的区域，地形起伏度值介于1.41-1.48之间，乡村聚落分布密度最大。并随着地形起伏度的增加或减少，乡村聚落分布密度开始减小。

4.2 讨论

在研究过程中，因部分遥感影像图云量较大以及配准过程中存在的误差，乡村聚落的数量与分布位置与实际存在有一定的误差。乡村聚落的分布规模受地形起伏度影响较大，是描述乡村聚落的分布特征之一，在本研究中未有涉及，需要在未来进一步研究。

高原山地地区高原呈波涛状、高山峡谷相间、地势随地形地貌呈阶梯（大幅）递降、众多断陷盆地星罗棋布、山川湖泊纵横，生境复杂多样[11]。在开发建设过程中，如果不注重对生态环境的保护，容易造成“破坏性建设”和“建设性破坏”。高原山地地区地形起伏度对人居环境建设制约作用尤为明显，研究其与乡村聚落分布的关系，既有利于乡村聚落空间布局优化，又为高原山地的开发建设提供理论指导。

参考文献

[1] 丁贤法.基于SRTM DEM与变点分析法的云南省富宁县地貌形态研究[J].测绘与空间地理信息，2014，37（11）：98-100.

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[3] 徐坚、汤晨苏、方芳.高原山地聚落保护与发展的适应性研究——以拖潭村村庄建设规划为例[J].华中建筑，2013（8）：113-118.

[4] 汤晨苏.高原山地人居环境生态适应性土地利用与开发研究[D].昆明：云南大学，2013.

[5] 百度文库.石屏县简介[DB/OL].http：//baike.baidu.com， 2014.

[6] 周自翔、李晶、任志远.基于GIS的关中——天水经济区地形起伏度与人口分布研究[J].地理科学，2012，32（8）：951-957.

[7] 张锦明、游雄.形起伏度最佳分析区域研究[J].测绘科学技术学报，2011，28（5）：369-373.

[8] 陈学兄、常庆瑞、郭碧云.基于SRTM DEM数据的中国地形起伏度分析研究[J].应用基础与工程科学学报， 2013，21（4）：670-677.

[9] 常直杨、王建、白世彪.均值变点分析法在最佳集水面积阈值确定中的应用[J].南京师范大学报（自然科学版），2014， 37（1）：147-150.

[10] 差瑞生、陈梦琳、赵晓雪.基于地形起伏度的南川区人居环境地形适宜性评价[J].西南大学学报（自然科学版），2014，36（10）：150-156.

[11] 徐坚、赵紫辰、汤晨苏.基于生态适应性的云南省山地人居环境建设策略思考[J].中国建筑科学，2012，（1） ：66-67.