禹城市农村居民点空间分布模式和景观格局

张宇，董菡，李洋洋

(德州学院资源环境与规划学院，山东 德州 253023)

0 引言

随着我国城市化建设的快速推进，城镇建设用地需求旺盛，土地资源的供给越来越紧张。长期以来，我国农村居民点的布局忽视系统的控制和引导，其筹建以农民自主选择为主。自然村普遍形成了“星空”分散布局的现象，同时“空心村”问题逐年加剧，土地资源浪费严重，不利于土地集约利用和农村基础设施建设[1]。随着乡村振兴战略、新农村建设、城乡融合发展、供给侧结构性改革及美丽乡村建设的深入[2-3]，迫切需要从整体出发，合理布局农村居民点，构建良好的人地居住环境。当前国内关于农村居民点开展了相应的研究，通过ArcGIS根据坡度、道路、水源等指标体系对农村居民点进行等级划分，并做出布局优化[4-7]；通过将环境因素、经济因素、社会因素等赋予不同的权重对农村居民点进行用地适宜性评价[8-9]；通过景观生态学中的景观格局指数来说明农村居民点数十年的演变状况[10-13]等。

禹城市是德州市“两区同建”的重要组成部分，近年来，两区同建项目通过合理规划，明确城镇化的空间格局，取得较好进展，减少了“空心村”现象，对土地资源的利用也更加合理。因此，基于遥感数据和地理信息系统，在生态学景观格局的定量研究方法下，将禹城市面状分布的农村居民点抽象成点的分布模式，以此来反映农村居民点的空间分布特征，为土地资源的合理利用、农村居民点的合理布局提供科学依据。

1 研究区与数据来源

1.1 区域概况

禹城市，隶属于山东省德州市，地理位置优越，属于环渤海经济圈(图1)。自东北部顺时针依序与临邑县、齐河县、茌平县、高唐县、平原县五县相接，面积约990hm2。2018年禹城市人口总数为54.1万，其中乡村人口29.59万人，占人口总数的一半以上。下辖9镇、1乡、2街道和1处国家级高新技术产业开发区，该区光热资源丰富，地形平坦，自然生产条件优越，是山东省优质粮食生产基地，德州市农业经济发展区与农副产品的重要供给地。但由于禹城市农村居民点缺乏有序规划以及当地历史文化原因使农村“一户多宅”现象突出，同时城镇化建设的快速推进使农村劳动力季节性外出就业频繁，造成禹城市乡村聚落荒废严重，“空心村”问题日益凸显。

1.2 数据来源

该研究以空间分辨率为30m的Landsat影像作为基础影像，选取的遥感影像云量均小于5%，遥感影像质量较好，同时使用遥感图像处理软件ENVI对获取的影像数据进行辐射定标，大气校正等数据预处理，并按照行政区划图裁剪得到禹城市影像数据。表1为研究区Landsat数据简介：

表1 Landsat数据

1.3 农村居民点提取

当前，基于像素分类提取农村居民点用地的方法主要有监督分类、非监督分类以及基于专家知识的决策树分类，同时也存在指数模型法等新型提取法[14]。该研究同时选用多种方法对比提取农村居民点效果，选取分类精度较高的方法来提取农村居民点，通过对比分析发现监督分类的最大似然法分类效果最佳，与农村居民点契合度最佳，但同时由于农村居民点与裸土地、裸岩石砾地存在比较严重的“同谱异物”现象[15]，所以该研究结合了Google Earth历史影像进行精度矫正，得到高质量的农村居民点分布数据。提取的居民点如图2所示：

2 研究方法

2.1 样方分析法

样方分析法是根据研究区面积和点的数量确定样方大小后，统计每个样方中点的个数与随机模式下点的个数相比较是否符合随机分布，通过点的分布模式来判断其空间分布特征。样方的尺寸大小采用以下公式：

(1)

式中：s—样方大小；A—研究区域面积；r—农村居民点的个数。

如果是采取双样本检验，选用K-S统计检验法进行检验[16]。若计算出K-S检验的D统计量大于比较基准的临界值Da=0.05，则可以认为存在显著差异。算式如下：

D=max|Qi-Ei|

(2)

图2 禹城市农村居民点分布图

(3)

式中：Qi，Ei—来自任意2个观测分布的第i组累计比率，而n1，n2为2组中的点数。

2.2 最近邻点统计量

最邻近统计量是两点之间的最近距离与理论模式下的点与点最小距离相比较后，是否具有点的某些空间分布特征。算式如下：

(4)

(5)

(6)

式中：robs，rexp，di，n，A分别表示实际两点观测值，期望距离值，最近邻点距离，农村居民点点数以及研究区的面积。

如果R>1，则表明观测模式比随机模式分散，反之则说明聚集。R统计量的取值为0

(7)

(8)

式中:在α=0.05显著性水平下，若Z>1.96或Z<-1.96，说明观测模式与随机模式之间存在显著差异；反之，说明不存在统计显著性。

2.3 景观格局指数

景观格局指数是景观格局信息的高度浓缩，而这种简单量化指标可以反映景观结构组成以及空间配置特征[19]。农村居民点经过长时期的发展，其形状、规模皆发生了显著的变化，因此，从景观生态学的角度出发，运用斑块面积(CA)、斑块数量(NP)、最大斑块指数(LPI)、平均形状指数(MSI)、面积加权平均斑块分维数(FRAC_AM)和聚集指数(AI)等景观生态指数可以较好地阐释农村聚落近几十年的演变规律。

3 结果与分析

3.1 样方分析法

根据禹城市农村居民点提取结果与禹城市行政区划图可得，2000年禹城市共有938个农村居民点，2017年居民点总数为860个，而禹城市的行政区划面积约为990km2，根据公式(1)将会得到2个大小不一的样方，为了数据结果的准确性和可对比性，将2个时期居民点取平均，进行计算。每个农村居民点的平均面积为2.22km2，样方大小为1490m×1490m，从而对禹城市居民点空间分布特征进行分析。根据禹城市的行政边界对建立的样方进行空间查询，可得研究区被512个样方完全覆盖，消除边界效应的样方，最后剩余373个有效样方。结果如表2所示：

表2 禹城市2000年与2017年居民点样方分析结果

与2017年相比，2000年禹城市包含0～4个居民点的样方总数较多，而2017年禹城市包含5～7个农村居民点的样方数比2000年的样方总数多。这表明较多的样方覆盖了相对较少的居民点，而较少的样方却覆盖了较多的农村居民点。在高度密集点的分布模式下，一个或几个样方会覆盖较多的农村居民点；在相对分散点的分布模式下，较多的样方会覆盖相对较少的农村居民点，因此，相比2000年来说，2017年的农村居民点更加集聚。同时D统计量为0.0938(表2)，根据公式(3)，在α=0.05的显著水平下，比较基准的临界值是0.0642，D>Dα=0.05，说明禹城市2个时期居民点空间分布特征存在显著差异，且2017年禹城市居民点空间集聚态势更加显著。但将农村居民点样方图可视化后，如图3所示，可以看出禹城市农村居民点总体分布较为分散，聚集程度高的农村居民点样方少，多以分散为主，这主要是由禹城市的地形特征导致的，禹城市地形平坦，耕地面积广大，受地形的影响很小，农村居民点具有相对均匀分布的特征。

3.2 最近邻点统计量

通过ArcGIS软件将农村居民点斑块提取为面状要素，并通过转换工具中的要素转点工具将其转化为点要素分布，之后基于最邻近点统计量原理，使用ArcGIS中的最近邻分析工具，分别得出2000年和2017年禹城市居民点之间的相距最近距离，之后通过公式(4)～(7)分别计算得出R统计量以及标准化Z值(表3)。

图3 禹城市农村居民点样方分析

表3 2000年和2017年禹城市居民点R统计量与Z值

从R统计量来看，禹城市2000年的R统计量为1.016>1，而2017年的R统计量为0.908>1，说明2000年居民点的分布呈现分散趋势，而2017年的农村居民点呈集聚态势；从标准化Z值出发，禹城市2000年的标准化Z值为0.927，(-1.96

3.3 景观格局

农村居民点作为农村人口聚居的主要场所，经过长时间的发展，在规模、数量、形态等方面发生了显著的变化，而景观格局指数可以较好地反映农村居民点的发展变化情况。表4为2000年和2017年农村居民点的景观格局指数数值：

禹城市农村居民点虽然总体用地规模减少，农村居民点数量下降，但部分居民点用地规模增加明显。近20年，禹城市农村居民点用地发生了显著的变化，根据表4可知，农村居民点总面积由12796.74hm2减少到10710.36hm2，同比下降16.3%，农村居民点总个数由938下降到860个，下降8.3%。根据表5可知，市中街道和房寺镇2个乡镇居民点数量下降最多，主要是由于禹城市积极实施“两区同建”，推进新型城镇化建设，将一些面积小，空心化严重的村庄进行合并，农村居民点数量逐渐减少。但同时最大斑块指数却从0.0336增长到0.0534，说明局部居民点逐渐集聚的趋势，新老农村居民点结合在一起，增大了斑块的面积，这与德州市近些年经济发展水平和当地的生活方式密不可分。

农村居民点斑块形状由复杂化向规则化转化，边界形状趋于简单。从禹城市2个时期农村居民点形状指标来看，平均形状指数降低了0.069，面积加权平均斑块分维数由1.0478下降至1.0375(表4)，说明禹城市农村居民点斑块形状从破碎化、复杂化走向完整化、规则化。近20年来各个乡镇的平均形状指数与面积加权平均斑块分维数都呈下降趋势(表5)，说明近20年来禹城市各个乡镇农村居民点的发展没有紊乱的进行，而是沿着村庄的原有规划，按照一定形状，一定规则有序的发展，其中禹城市当地土地资源保护政策起到很大的作用。

表4 禹城市2000年和2017年居民点景观格局指数

表5 禹城市各乡镇农村居民点景观格局指数

农村居民点分布趋向更加密集。AI集聚指数由2000年的90.04增加至90.26(表4)，表明2017年农村居民点分布具有更加聚集的态势。但是从各个乡镇来看，聚集的态势不够显著，说明禹城市实施“两区同建”虽然取得了一定进展，但禹城市农村居民点规模小，布局分散，在下一步的推进新型城镇化建设时，应进一步加强统筹规划。

4 结论

以RS和GIS为技术手段，采用样方分析法和最近邻点统计量深入研究禹城市农村居民点空间模式分布及其演进规律，并从景观生态学的角度，进一步阐释农村居民点的演变特征，研究结论如下：

(1)禹城市2个时期农村居民点空间分布存在显著差异。与2000年相比，2017年相对较少的样方数覆盖了相对较多的农村居民点，说明2017年禹城市农村居民点总体上呈现集聚分布的趋势。从统计学方面来说，2000年禹城市农村居民点虽然呈现空间分散的趋势，但却不具有显著性，而2017年农村居民点聚集程度更高，呈现出显著的空间集聚趋势。

(2)禹城市农村居民点虽然总体用地规模减少，农村居民点数量下降，但部分居民点用地规模增加明显，同时农村居民点分布具有更加聚集的态势，农村居民点斑块形状由复杂化向规则化转化，边界形状趋于简单。

综上，禹城市2000年农村居民点空间分布与2017年农村居民点分布具有显著差异，并且2017年农村居民点集聚态势更加明显，说明禹城市进行“两区同建”取得初步成效，对于合理配置基础设施资源，促进土地资源的高效利用以及集约化经营土地具有重要意义，但农村居民点聚集程度不够，说明在实施“两区同建”时仍具有部分问题。在接下来的“两区同建过程” 中，应统筹规划，优先推进经济相对落后、居民点规模小、分散度高的地区，优化当地用地布局结构，同时发展当地的特色产业，促进经济的可持续发展能力，提高人民的物质与精神文化水平，建设美丽乡村，实现乡村振兴。