基于GIS的重庆城口县村落空间分布特征及人居环境适宜性评价研究

唐 倩, 李孝坤, 钟博星, 王科宇

(1.重庆师范大学 地理与旅游学院, 重庆 401331; 2.三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验室, 重庆 401331)

村落是农业劳动者与自然—社会诸因素相互作用、动态选择其居住地形成的各种自然聚居地[1]。在不同的历史时期，因影响村落发展因素的差异，村落处于不断演变之中。长期以来由于我国缺乏乡村发展规划，特别是居民点布局规划，致使村民盲目选择宅基地，导致村落布局松散无序，不利于土地的集约利用和基础设施建设，阻碍国家乡村振兴战略的深入实施。有关村落的研究领域主要集中在空间重构[2-3]、时空演变及格局特征[4-5]、规模布局与优化[6-7]、景观格局[8-9]、用地特征[10-11]、整理模式及潜力估算[12-14]等领域；在研究尺度上，基于宏观、中观层面的省、市域村落空间分布的研究较多，对偏远落后贫困山区中微观层面的村落研究较少，缺乏对贫困山区村落的空间分布规律揭示与优化策略探讨的研究，尤其缺乏地形影响下村落空间分布规律的相关研究；在研究方法上，多静态描述与归纳，少动态演变与机理分析[15]。随着国家扶贫战略的推进，“整村推进”工作模式已成为国家精准扶贫的主要突破口，改善村容、村貌及人居环境成为美丽乡村建设的重要内容。在建设美丽中国、乡村振兴背景下，进行村落格局及人居环境适宜性评价研究尤显必要，为缓解日益严重的人地关系、改善农民生境和提高生活质量[16]，促进该区扶贫脱困奔小康提供决策参考。

秦巴山集中连片特殊困难地区(简称“片区”)跨豫、鄂、川、渝、陕、甘6省市，由于片区生态环境脆弱、地形条件复杂，是国家扶贫开发攻坚战的主战场[17]。城口县坐落于秦巴山腹地，受复杂地形地貌、地质条件制约，公路建设成本高，通行能力不足，村落在中高海拔地区分布集中且缺少规划指导。扶贫30多年来，该区仍呈现出贫困范围广、程度深、生产生活传统落后状态。

鉴于此，本文以典型贫困地区——城口县23个乡镇为例，基于高程、坡度、坡向、地形起伏度、地表粗糙度、平面曲率、剖面曲率和地表切割深度8个地形因子[18]，结合GIS的空间分析方法，研究村落及人居环境适宜性的空间差异，以期探寻人居环境优化的方向，为秦巴山贫困地区美丽乡村建设、生态环境改善和乡村可持续发展提供科学基础和实践依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

城口县(31°38′39″—32°12′11″N，108°15′12″—109°16′44″E)位于我国二、三阶梯交界的大巴山腹地，地处渝、川、陕3省(市)交界处，可东入巫溪出三峡、西出万源连西南、南连万州通重庆、北通安康达西北，是连接川陕渝3地政治、经济、文化的交通重镇。城口幅员面积3 296 km2，全县海拔为466～2 675 m，地势北部较高，南部次之，中部较低。城口县地形地貌特征可以划分为3类[19]：海拔466～1 000 m低山河谷区、海拔1 000～2 000 m中山区、海拔2 000～2 700 m峰丛台地区。截至2015年底，城口县共辖23个乡镇，常住人口19.3万，是集革命老区、生态脆弱区、集中连片贫困区于一体的特殊地区。

1.2 数据来源与预处理

(1) 2015年城口县1∶25万县级行政区划和30 m×30 m栅格大小的DEM，数据来源于地理空间数据云。

(2) 2015年城口县1∶25万农村居民点分布和1 km×1 km栅格大小的城口县2015年土地利用现状和NDVI，数据来源于国家地球系统科学数据共享平台。

(3) 气象数据来源于2015年重庆市34个气象站点数据，温度、湿度和降水量数据运用反距离权重法进行空间内插，用城口县行政矢量边界掩膜提取得到城口县温度、湿度和降水量数据。

(4) 在GIS 技术的支持下，对系列数据进行矢量数据栅格化、投影变换、影像裁剪等处理，建立地形、土地利用、植被、温度、湿度和降水量为1 km×1 km栅格单元的人居环境基础数据库。

1.3 研究方法

1.3.1 村落空间分布特征研究方法 (1) 核密度分析法。核密度分析法是属于非参数密度估计的一种统计方法，可有效表示研究区内地物的空间集聚与分散状况[5]。本文采用由Silverman提出的KDF密度分析法对村落空间分布特征进行分析。在ArcGIS 10.0空间密度分析功能的支持下对城口县的村落数据进行核密度估计。表达式为：

(1)

式中：λ(s)为地点s处的核密度估计值；n为样本数；r为带宽；Φ(dij/r)为点i与点j间距离的权重。被估计点的核密度值越高，其周围的估计核密度越大。

(2) 空间热点探测分析。空间热点探测分析通过计算事件发生频率并准确探测热点区域。因此，运用空间热点探测分析法检测村落在局部区域的冷热状况，直观反映村落分布的集聚状况。表达式为：

(2)

1.3.2 人居环境适宜性评价方法 人居环境是一个复杂的社会—经济—生态系统，在借鉴已有研究成果[21-25]的基础上，选用地形起伏度模型、地被指数模型、温湿指数模型和水文指数模型4个生态指标构建人居环境指数模型，对城口县人居环境适宜性进行评价，结果见图1。

图1 各参评因子现状

(1) 地形起伏度模型。地形起伏度可有效反映研究区地形变化和地貌特征，是评价人居环境适宜性必不可少的重要指标，本文采用封志明等[21]提出的地形起伏度模型，计算得到研究区地形起伏度图：

(3)

式中：RDLS为地形起伏度；H(max)和H(min)表示研究区内海拔的最高值与最低值(m)；A为区域总面积(km2)；P(A)为区域内的平地面积(km2)。评价结果见图1A。

(2) 地被指数模型。地被指数是采用土地利用类型和植被指数共同对地表覆盖特征进行表达的一种指标[22]，它能综合反映区域自然条件的土地利用方式和土地覆被状况[23]。本文通过构建地被指数模型来反映研究区内不同地区地表覆被状况，其公式为：

(4)

(5)

式中：LTi为土地利用类型指数；Li为该区域内的第i种土地利用类型；Gi为研究区内第i种土地利用类型的面积；i=1,2,…,25分别为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6个一级类和25个二级类土地利用类型[24]；G为区域总面积；LCI为地被指数；QLTi和QNDVI分别为采用极差标准化方法得到的标准化后的土地利用类型指数和地被指数[24]。用地类型的权重采用专家打分法确定。评价结果见图1B。

(3) 温湿指数模型。研究区地处高山深处，气候垂直变化显著，本文采用温湿指数综合考虑温度和湿度对人体舒适度的影响。计算公式为:

THI=T-0.55(1-f)(T-58)
T=1.8t+32

(6)

式中：THI为温湿指数；T为月平均华氏温度(℉)；t为月平均气温(℃)；f为月平均空气相对湿度(%)，按照中国气象局规定的标准[25]，当THI小于50时，表明研究区气候不适宜，体感偏凉；当THI介于50～75时，表明研究区气候适宜，体感舒适；当THI大于75时，表明研究区气候不适宜，体感偏热。将人居环境数据库中的温度、湿度数据，按照公式(6)进行地图计算得出温湿指数。评价结果见图1C。

(4) 水文指数模型。水文条件是自然环境的重要组成部分，对经济、人口、社会和居住等产生深刻影响。因此，本文采用封志明等[21]提出的水文指数模型计算得到水文指数：

WRI=αρ+βWa

(7)

式中：WRI为水文指数；ρ和Wa分别为采用极差标准化得到的标准化年降水量和标准化水域面积；α和β分别为年均降水量与水域面积比例的权重[26]。根据城口县实际情况，α取值0.5，β取值0.5。运用公式(7)借助GIS软件中地图计算功能得出水文指数。评价结果见图1D。

(5) 人居环境指数模型。

HEL=α×NRDLS+β×NNDVI+χ×NTHI+δ×NWRI

(8)

式中：HEL为人居环境指数，介于0～100；其中NRDLS，NNDVI，NTHI，NWRI分别为采用极差标准化方法得到的标准化地形起伏度、标准化地被指数、标准化温湿指数和标准化水文指数；α，β，χ，δ分别为4个分指数所对应的标准化后的权重[27-28]，其值参考封志明等[21]的研究。

2 结果与分析

2.1 村落空间分布格局

本文用核密度分析法来表示村落的空间分布。根据公式(1)计算出城口县村落核密度值，运用ArcGIS中Kernel Density功能，绘制出村落核密度分布图(图2)。

由图2可知，城口县境内有一条大致沿“西北—东南”走向的村落高密集带。村落核密度值存在显著的空间差异性，高值区为3.333～5.417个/km2，低值区为0.769个/km2，整体上表现出“西部、南部和中部密集，东部和北部较稀疏”的空间特征。研究区西部和南部的双河镇、周溪乡、明通镇和鸡鸣乡是村落高密度集中的区域，因该区域多处于山体下部河谷地带，地势平坦开阔；从高密度带往东和往北方向村落密度逐渐降低；村落稀疏区则集中于在东部和北部地区，因该区域位于海拔2 000 m左右的峰丛台地区，地势崎岖陡峻。综上，城口县村落密度整体上呈现出由西向东、由南向北降低的特点。

图2 城口县村落核密度分布

2.2 地形影响下的村落空间分布特征

2.2.1 村落数量特征 地形因子作为自然环境中最基础的影响因子，对村落分布有着最直接的影响[18]。将地形因子与村落数据叠置分析，得到不同地形因子分级梯度上的村落数量分布情况(表1)。

由表1可知，村落数量在不同地形位上存在显著差异。高程上，村落数量在800～1 500 m的山体下部河谷地带分布最多，占村落总量的63.91%；在1 500～2 000 m的中山区村落数量分布次多；466～800 m的低山区分布较少；海拔高于2 000 m的峰丛台地区村落数量分布最少，仅占村落总量的2.56%。坡度上，村落数量集中在10°～20°，20°～30°，30°～40°，分别占村落总量的30.24%，40.08%，17.23%，其中有4.62%的村落所在坡度大于40°。坡向上，东北方向村落数量分布最多，占村落总量的21.81%，西南方向次之，占村落总量的19.01%。地表起伏度上，在26～59 m的范围有64.98%的村落分布。地表粗糙度上，在1～1.1的范围有4 448个村落，占村落总量的73.50%。平面曲率上，在0°～20°的范围村落集中分布，占村落总量的53.45%。剖面曲率上，村落集中在0°～10°和10°～20°的范围，分别占村落总量的43.14%和26.87%。地表切割深度上，在10～20 m的范围有48.91%的村落分布。可见，城口县村落分布主要是在中山地形位上，并呈现出随地形因子分级梯度增大而降低的趋势。

2.2.2 村落聚散特征 基于乡镇尺度，以村落数量为变量，依据公式(2)计算得到村落聚散的冷热点分布图(图3)，村落分布的热点区仅有双河镇，“孤岛”分布的特征明显，该区域地处山体下部河谷区，地势平坦，村落集聚现象明显。次热点区包括沿河乡、庙坝镇、周溪乡、蓼子乡、修齐镇、厚坪乡和东安镇等乡镇，在空间上自西向东呈带状分布。次冷点区包括城区(葛城街道、复兴街道)、龙田乡、高燕镇、高观镇、明通镇、鸡鸣乡、咸宜乡和明中乡等乡镇，其中龙田乡、高燕镇、高观镇因临近城区，土地利用方式以城镇建设用地为主，故村落分布较少；在空间上城区、龙田乡和高燕镇小片集聚，明通镇、鸡鸣乡、咸宜乡和明中乡连片集聚。冷点区包括左岚乡、高楠乡、巴山镇、坪坝镇、北屏乡、岚天乡、河鱼乡和治平乡等乡镇，该区域山高坡陡，森林覆盖率高，不可开发区域较多，故村落分布稀疏；在空间上左岚乡、高楠乡、巴山镇和坪坝镇连片集聚，北屏乡、岚天乡和河鱼乡小片集聚，治平乡呈“孤岛”分布，因治平乡处于城口县的高山区，平均海拔950 m，森林资源丰富，人烟稀少，村落稀疏。综上可见，城口县村落分布以带状延伸、片状聚集和“孤岛”零星分布为主要特征。

表1 地形特征与村落分布关系

图3 城口县村落热冷点分布

2.3 人居环境适宜性分析

2.3.1 人居环境适宜性空间差异 根据公式(8)，得到城口县的人居环境指数(图4A)。由图4A可见，城口县的人居环境指数为6.22～94.08，高值分布在中部和西部，从高值区往东和往南逐渐减少。参考已有划分方法[29-32]并结合地域特征，依据人居环境适宜性指数将城口县乡镇划分为不适宜区、临界适宜区、一般适宜区、较高适宜区、高度适宜区5类(图4B)。人居环境适宜性分区与现状的村落数量见表2和图4B。

图4 城口县人居环境指数空间分布

不适宜区，面积为422 km2，占县域总面积的13.92%，村落数量为994个，占村落总数的16.45%；空间上集中分布于高楠乡、北屏乡、河鱼乡、东安乡和明中乡等辖区内。该类型区生态因子限制作用较大，山高坡陡地质灾害频发，多属国家空间管制的核心区域，原则上不能进行大规模开发。

临界适宜区，面积为873 km2，占县域总面积的28.80%，村落数量为2 045个，占村落总数的33.84%；空间上集中分布于左岚乡、龙田乡、岚天乡、高观镇、厚坪乡、治平乡、庙坝镇、周溪乡、明通镇和鸡鸣乡等辖区内。该类型区平均海拔在1 500 m左右，土地开发利用限制性大，不宜大规模建设用地。

表2 城口县村落人居环境适宜性评价统计

一般适宜区，面积为886 km2，占县域总面积的29.23%，村落数量为1 941个，占村落总数的32.12%；空间上集中分布于沿河乡、双河镇、蓼子乡和咸宜乡等辖区内。该类型区地势低缓，环境优美，村落数量分布较多，人类可以居住。

较高适宜区，面积为601 km2，占县域总面积的19.83%，村落数量为805个，占村落总数的13.32%；空间上集中分布在巴山镇、坪坝镇和高燕镇等辖区内。该类型区地势平缓，城市化水平相对较高，适宜人类居住生活。

高度适宜区，面积为249 km2，占县域总面积的8.22%，村落数量为258个，仅占村落总数的4.27%，空间上集中分布在城口县中心城区周边和修齐镇等辖区内。该类型区多处山体下部河谷区，经济相对发达，适宜城镇化建设。

2.3.2 村落现状分布与人居环境适宜性关系分析 以人居环境适宜性评价为基础，结合村落分布现状，作出人居环境指数与村落分布关联图(图5)，城口县人居环境适宜性指数与村落数量之间存在倒“U”型的分布。人居环境指数在6～35的范围内，村落数量整体处于上升趋势；人居环境指数在35左右，村落数量达到峰值，之后村落数量趋于下降；人居环境指数在70左右村落数量降至最小值；人居环境指数与村落数量之间呈倒“U”型分布十分明显，其中，人居环境指数为30～40，村落数量分布最多，集聚程度最高。倒“U”型分布的原因主要是高度适宜区多位于城镇化较高的中心城区及附近区域，该区以城镇建设用地为主，村落数量稀少；不适宜区和临界适宜区多位于“山高、坡陡、闭塞”之地，自然条件限制性作用十分明显，不适宜村落大规模分布。

图5 人居环境指数与村落数量的倒“U”关系

3 结论与讨论

(1) 城口县村落在西部、南部和中部为密集区，东部和北部为稀疏区；密集区多处于山体下部河谷地带，地势平坦开阔；稀疏区多位于海拔2 000 m左右的峰丛台地区，地势崎岖陡峻；村落密度整体上呈现由西向东、由南向北降低的特点。

(2) 村落数量分布与地形关系密切。在高程800～1 500 m、坡度20°～30°、东北—西南方向、地表起伏度26～59 m、地表粗糙度1～1.1、平面曲率0°～20°、剖面曲率0°～10°、地表切割深度10～20 m的地区，为村落优势地形位。

(3) 村落分布在空间上集聚现象明显，以带状延伸、片状集聚和“孤岛”零星分布为主要特征。热点区双河镇“孤岛”分布特征明显，次热点区在空间上自西向东呈带状分布，次冷点区连片集聚，冷点区治平乡呈“孤岛”分布。

(4) 村落人居环境适宜性表现为中部最好、西部次之、南部和东部较差的空间分异特征。

(5) 城口县村落人居环境以临界适宜性和一般适宜性为主要特征，16.54%的村落分布在不适宜区，65.96%的村落分布在临界适宜区和一般适宜区，17.59%分布在较高适宜区和高度适宜区。村落人居环境适宜性指数与村落数量呈倒“U”型的分布，人居环境指数为30～40，村落数量分布最多，集聚程度最高。

城口县有相当部分的村落处于高海拔、大坡度、地表扭曲程度大、阴坡半阴坡的区域，人居环境不适宜和临界适宜区的村落占一半，因此，在为该区村落整理规划时应结合人居环境适宜性状况对现有村落分布进行调整优化，并针对性地加强村落人居环境建设，使减贫脱贫与美丽乡村建设协同共进。

村落是人类在长期的生产生活实践过程中与自然、社会等诸多因素相互适应相互作用而作出的选择。在特殊的自然和社会因素的驱使下，城口县村落分布呈现特有的空间特征，一定程度上也反映了秦巴山区村落空间分布的共同特点。本研究基于生态因子视角评价村落人居环境适宜性，可为城口县及秦巴山区生态扶贫搬迁和环境保护提供科学依据，也可为该区精准扶贫脱贫、美丽乡村建设提供有益参考。本研究以一年数据为基础展开静态研究，对村落动态演变过程的研究尚浅，同时在评价城口县村落人居环境适宜性时，只选用生态因子指标，忽略了人文社会和社会经济状况，研究的不足将在今后进一步探讨。