基于ArcGIS距離制圖和空間數(shù)據(jù)層次組織的統(tǒng)籌城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局研究——以陜西志丹縣旦八鎮(zhèn)為例

吳金華，李紀(jì)偉，馮艷斌，王 淼

（長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西西安710054）

1 引言

在國(guó)家統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展戰(zhàn)略、第三輪土地利用規(guī)劃修編和城鄉(xiāng)建設(shè)用地增減掛鉤的背景下提出統(tǒng)籌城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局研究，對(duì)于統(tǒng)籌城鄉(xiāng)一體化發(fā)展、合理利用土地資源和科學(xué)編制土地利用規(guī)劃等都具有現(xiàn)實(shí)意義。城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局規(guī)劃主要包括國(guó)土資源管理部門主導(dǎo)的土地利用規(guī)劃和城鄉(xiāng)規(guī)劃管理部門主導(dǎo)的城鎮(zhèn)村體系規(guī)劃等。

土地利用規(guī)劃方面，經(jīng)過(guò)多年的理論研究和實(shí)踐探索，立足中國(guó)基本國(guó)情和借鑒國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)，逐步形成了以用地指標(biāo)管理和用途空間管制為基礎(chǔ)的管理體系。在分區(qū)方法方面，宏觀方法較為常見和成熟，有聚類法、疊置法和星座法等[1]，其中聚類法得到了廣泛應(yīng)用。相比而言，鮮見縣鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）級(jí)特別是鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）級(jí)微觀方法的研究，現(xiàn)實(shí)規(guī)劃中土地利用用途區(qū)大多以定性為主，具有很大的隨意性，分區(qū)方案是否科學(xué)合理、是否有利生產(chǎn)和方便生活無(wú)從評(píng)價(jià)。

城鎮(zhèn)體系規(guī)劃方面，顧朝林結(jié)合中國(guó)實(shí)際提出了“三個(gè)結(jié)構(gòu)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)”的城鎮(zhèn)體系規(guī)劃理論[2]，已成為中國(guó)城鎮(zhèn)體系規(guī)劃的框架性內(nèi)容。在定量研究方面，分形理論在城鎮(zhèn)體系等級(jí)結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)等方面應(yīng)用取得一些成果[3-5]，適合于刻畫和評(píng)價(jià)城鎮(zhèn)的空間形態(tài)與過(guò)程，但分形性質(zhì)只是檢驗(yàn)城鎮(zhèn)體系是否合理的必要不充分條件，不能直接用于城鎮(zhèn)體系優(yōu)化。而村鎮(zhèn)體系規(guī)劃起步較晚，理論方法體系正在逐步完善[6]，定量研究上大多從耕作距離、搬遷成本和綜合評(píng)價(jià)等方面展開，缺點(diǎn)是缺乏從居民點(diǎn)空間關(guān)系統(tǒng)籌考慮。

本文以統(tǒng)籌城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局和節(jié)約集約用地為導(dǎo)向，采用ArcGIS距離制圖和空間數(shù)據(jù)層次組織等方法，通過(guò)居民點(diǎn)撤留判斷和空間等級(jí)體系建立，嘗試構(gòu)建一種基于成本效益和空間關(guān)系的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局優(yōu)化方法。

2 研究方法

2.1 理論基礎(chǔ)

2.1.1 距離制圖原理 距離制圖（Distance Mapping）即根據(jù)每一柵格相距其最鄰近要素（源）的距離來(lái)進(jìn)行分析制圖，從而反映出每一柵格與其最鄰近源的相互關(guān)系。通過(guò)距離制圖可以獲得很多相關(guān)信息，指導(dǎo)人們進(jìn)行資源的合理規(guī)劃和利用[7]。在ArcGIS中，距離制圖分析主要通過(guò)距離制圖函數(shù)完成，包括直線距離函數(shù)（Straight Line）、分配函數(shù)（Allocation）、成本距離加權(quán)函數(shù)（CostWeighted）和最短路徑函數(shù)（Shortest Path）4部分，可以很好地實(shí)現(xiàn)常用距離制圖分析。其中，直線距離函數(shù)測(cè)量每一柵格單元到最近源的直線距離；成本距離加權(quán)函數(shù)采用函數(shù)因子（單元成本）修正直線距離，可計(jì)算出每個(gè)柵格距離成本最低源的最少累計(jì)成本，這里的成本可以是時(shí)間、摩擦和消耗等，該函數(shù)考慮了事物的復(fù)雜性，對(duì)于基于復(fù)雜地理特性的分析非常有用，如其在最小累計(jì)阻力模型（MCR）中常用來(lái)進(jìn)行景觀生態(tài)安全格局規(guī)劃[8-9]。本文采用距離制圖得到農(nóng)村居民點(diǎn)理論耕作范圍（成本分配）和平均耕作成本距離。

2.1.2 Voronoi圖理論與空間數(shù)據(jù)層次組織 一組空間對(duì)象（發(fā)生元）的Voronoi區(qū)域組成的集合稱為Voronoi圖，Voronoi圖的應(yīng)用原理是：一個(gè)Voronoi圖內(nèi)某個(gè)Voronoi多邊形內(nèi)的任意一點(diǎn)到該多邊形發(fā)生元的距離都小于其到其他Voronoi多邊形發(fā)生元的距離[10]。Voronoi圖有普通Voronoi圖和加權(quán)Voronoi圖等多種類型，其中加權(quán)Voronoi圖是考慮了發(fā)生元“影響能力”生成的Voronoi圖。Voronoi圖的空間格局是由發(fā)生元分布決定的，如果發(fā)生元按照克里斯泰勒中心地理論的三角形中心地分布和六邊形市場(chǎng)區(qū)分布，則得到的Voronoi圖的空間格局亦為正六邊形格局。由于Voronoi圖具有勢(shì)力范圍、側(cè)向鄰近、局部動(dòng)態(tài)性等多項(xiàng)實(shí)用特性，以及較為完善的理論體系，在區(qū)域分析和規(guī)劃、地理信息系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

王新生等借鑒Okabe和Sadahiro提出的一種利用Voronoi圖有層次地組織空間數(shù)據(jù)的方法[11]，提出用Voronoi圖確定城市空間影響范圍，并利用Voronoi多邊形鄰居關(guān)系的性質(zhì)確定城市體系中不同等級(jí)城市之間的空間組織關(guān)系。該方法的基本原理是，存在一具有數(shù)量屬性值的空間點(diǎn)集，首先找到空間點(diǎn)集中第一級(jí)局部中心（最低級(jí)中心），局部中心定義為那些屬性值大于或等于其Voronoi多邊形鄰居屬性值的那些空間點(diǎn)。同樣，用第一級(jí)局部中心Voronoi圖定義第二級(jí)局部中心，用第k級(jí)局部中心Voronoi圖定義第（k+1）級(jí)局部中心，重復(fù)進(jìn)行這個(gè)過(guò)程，直至僅剩一個(gè)點(diǎn)為止。最后，空間點(diǎn)集的等級(jí)層次關(guān)系可以用一個(gè)有向圖來(lái)闡述，在這個(gè)有向圖中，第（k+1）級(jí)局部中心包含第k級(jí)局部中心[10]。采用該方法進(jìn)行空間數(shù)據(jù)層次組織，不僅考慮了空間點(diǎn)的“影響能力和范圍”，而且考慮了空間點(diǎn)的空間相鄰關(guān)系，符合中心地系統(tǒng)模型的空間等級(jí)特性，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。本研究城鄉(xiāng)居民點(diǎn)空間等級(jí)體系構(gòu)建借鑒了這種方法。

2.2 研究方法

本文以志丹縣旦八鎮(zhèn)為例進(jìn)行城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局優(yōu)化研究，主要步驟見圖1。（1）居民點(diǎn)撤留初步判斷：筆者認(rèn)為農(nóng)村居民點(diǎn)服務(wù)周圍農(nóng)地（為方便研究將耕地和園地統(tǒng)稱為農(nóng)地）的平均耕作成本距離越小越好，以減少耕作成本，農(nóng)民人均農(nóng)地面積越大越好以獲得規(guī)模效益。利用ArcGIS成本距離函數(shù)和Zonal Statistics工具得到居民點(diǎn)平均耕作成本距離和人均農(nóng)地面積，以此為依據(jù)進(jìn)行居民點(diǎn)撤留初步判斷。（2）居民點(diǎn)空間等級(jí)體系構(gòu)建：依據(jù)測(cè)算的居民點(diǎn)發(fā)展能力指數(shù)，根據(jù)空間數(shù)據(jù)層次組織方法，在ArcGISModel Builder中結(jié)合Spatial Join、Dissolve、Join和Field Calculator等工具實(shí)現(xiàn)該過(guò)程（圖2），最終構(gòu)建居民點(diǎn)空間等級(jí)體系。（3）統(tǒng)籌城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局：結(jié)合居民點(diǎn)撤留初步判斷和空間等級(jí)體系，根據(jù)中心地理論和交通連通性等進(jìn)行居民點(diǎn)布局優(yōu)化。

3 實(shí)例研究

3.1 研究區(qū)概況

圖1 統(tǒng)籌城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局方法Fig.1 The layout method of urban-rural settlements

圖2 ArcGISModel Builder構(gòu)建居民點(diǎn)空間等級(jí)體系Fig.2 The spatial hierarchical system of settlements based on ArcGIS Model Builder

圖3 城鄉(xiāng)居民點(diǎn)撤留初步判斷Fig.3 The initial decision on relocation urban-rural settlements

旦八鎮(zhèn)位于陜西省志丹縣洛河沿岸，鎮(zhèn)域總面積319.31 km2，屬陜北黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地勢(shì)可分為“四嶺三川兩條溝”，北暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候。2009年全鎮(zhèn)轄18個(gè)村委會(huì)，100個(gè)農(nóng)村居民點(diǎn)，總?cè)丝?.10萬(wàn)人，人口密度34.39人/km2，非農(nóng)化率10.64%。全鎮(zhèn)農(nóng)用地31085.8 hm2、建設(shè)用地440.5 hm2，分別占土地總面積的97.35%和1.38%；農(nóng)用地中，耕地、園地分別為4362.3 hm2、94.8 hm2，分別占農(nóng)用地面積的14.03%、0.31%；建設(shè)用地中，城鄉(xiāng)建設(shè)用地377.4 hm2，占建設(shè)用地總規(guī)模的85.67%。

3.2 城鄉(xiāng)居民點(diǎn)撤留初步判斷

采用ArcGIS成本距離函數(shù)以成本柵格數(shù)據(jù)和居民點(diǎn)布局?jǐn)?shù)據(jù)生成各居民點(diǎn)成本距離數(shù)據(jù)和分配數(shù)據(jù)（圖3（a）），成本距離根據(jù)烏爾曼（E.L.Ullman）空間相互作用理論由中心地環(huán)境條件和輻射能力構(gòu)成[12]，其中，環(huán)境條件由坡度數(shù)據(jù)和交通數(shù)據(jù)疊加構(gòu)成，輻射能力由居民點(diǎn)人口規(guī)模加權(quán)Voronoi圖構(gòu)成，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化采用極值法（式1）、因素確權(quán)采用變異系數(shù)法（式2），再利用Zonal Statistics工具求取居民點(diǎn)平均耕作成本距離和人均農(nóng)地面積。

式 1中，y為標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值，x為原始數(shù)值，i=1，2，3，4。

圖4 居民點(diǎn)空間等級(jí)體系構(gòu)建Fig.4 The spatial hierarchical system of settlements

式2中，W為評(píng)價(jià)因子權(quán)重；V為評(píng)價(jià)因子變異系數(shù)；S為評(píng)價(jià)因子標(biāo)準(zhǔn)差為評(píng)價(jià)因子均值；i=1，2，3，4。

居民點(diǎn)撤留判斷標(biāo)準(zhǔn)為：居民點(diǎn)平均耕作成本距離越小、人均農(nóng)地面積越大則應(yīng)作為保留發(fā)展型，平均耕作成本距離越大、人均農(nóng)地面積越小則應(yīng)作為撤銷搬遷型，而平均耕作成本距離和人均農(nóng)地面積同小或同大則應(yīng)作為控制發(fā)展型。這里將居民點(diǎn)平均耕作成本距離和人均農(nóng)地面積的均值作為大小判定標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果如圖3（b）所示，共有保留發(fā)展型13個(gè)、撤銷發(fā)展型14個(gè)和控制發(fā)展型73個(gè)。

根據(jù)居民點(diǎn)發(fā)展類型及其特點(diǎn)，制定差別化政策，進(jìn)行居民點(diǎn)布局調(diào)整：（1）保留發(fā)展型：一般地形較好、交通便利、生產(chǎn)和生活方便，具有以一定聚集效應(yīng)和發(fā)展?jié)摿Γ瑪M作為發(fā)展對(duì)象，逐步完善基礎(chǔ)設(shè)施，滿足科學(xué)發(fā)展用地需求。（2）控制發(fā)展型：一般在地形、交通、生產(chǎn)和生活等方面有所限制，聚集效應(yīng)和發(fā)展?jié)摿τ邢蓿唐趦?nèi)不宜遷并，擬作為控制對(duì)象，逐步優(yōu)化用地布局，促進(jìn)建設(shè)用地和農(nóng)地規(guī)模聚集，用地以內(nèi)涵挖潛為主，原則上不提供新增建設(shè)用地指標(biāo)。（3）撤銷遷并型：一般在地形、交通、生產(chǎn)和生活等方面有較大限制，不具有發(fā)展?jié)摿?，短期?nèi)應(yīng)遷并，擬作為撤銷對(duì)象，是土地整理和增減掛鉤的重點(diǎn)。

統(tǒng)籌城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局是一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題，最終如何調(diào)整要從統(tǒng)籌區(qū)域角度加以考慮，應(yīng)參考區(qū)域居民點(diǎn)空間等級(jí)體系的構(gòu)建結(jié)果。

3.3 城鄉(xiāng)居民點(diǎn)空間等級(jí)體系構(gòu)建

以旦八鎮(zhèn)居民點(diǎn)人口規(guī)模、居民點(diǎn)用地規(guī)模、平均耕作成本距離和人均農(nóng)地面積4項(xiàng)因素綜合加權(quán)構(gòu)建居民點(diǎn)發(fā)展能力指數(shù)，其中數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化采用極值法（式1）、因素確權(quán)采用變異系數(shù)法（式2）。按照?qǐng)D2采用ArcGIS Model Builder構(gòu)造模型，以居民點(diǎn)發(fā)展能力指數(shù)為依據(jù)做空間分析，經(jīng)過(guò)6次循環(huán)（圖4），構(gòu)建了旦八鎮(zhèn)7層居民點(diǎn)空間等級(jí)體系。根據(jù)中心地理論，高級(jí)中心地不僅有低級(jí)中心地所具有的職能，而且具有低級(jí)中心地所沒(méi)有的高級(jí)職能，按照各居民點(diǎn)在體系中所處的最高層次確定其級(jí)別，可以得到1級(jí)居民點(diǎn)1個(gè)、2級(jí)1個(gè)、3級(jí)1個(gè)、4級(jí)3個(gè)、5級(jí)7個(gè)、6級(jí)18個(gè)、7級(jí)69個(gè)（圖5（a））。

3.4 統(tǒng)籌城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局方案

本文擬定鎮(zhèn)域“鎮(zhèn)中心—中心村—基層村”三層城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局結(jié)構(gòu)，結(jié)合旦八鎮(zhèn)居民點(diǎn)撤留判斷和空間等級(jí)體系成果，按照以下原則構(gòu)建：（1）旦八鎮(zhèn)鎮(zhèn)中心為全鎮(zhèn)的政治、經(jīng)濟(jì)、文化、教育、商業(yè)和交通中心，負(fù)擔(dān)輻射帶動(dòng)全鎮(zhèn)、提供高級(jí)公共產(chǎn)品和服務(wù)的功能，是重點(diǎn)支持和建設(shè)的對(duì)象，應(yīng)提供政策、財(cái)政、土地等全方位要素支持。（2）根據(jù)中心地理論和管理幅度理論，中心村選擇數(shù)量不宜過(guò)多，按照發(fā)展能力較強(qiáng)、交通條件便利、輻射范圍較大和鎮(zhèn)域統(tǒng)籌分布的原則，主要在5級(jí)及其以上居民點(diǎn)中選擇；中心村的輻射范圍應(yīng)綜合考慮交通連貫性，即中心村輻射的基層村所處的地形應(yīng)相近，依靠的主要交通線應(yīng)相同，同時(shí)要參考居民點(diǎn)空間等級(jí)體系的構(gòu)建過(guò)程。中心村是鎮(zhèn)片區(qū)中心，承擔(dān)鎮(zhèn)中心為周圍基層村提供一般性公共服務(wù)的部分職能，同時(shí)也具有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能，應(yīng)作為適度發(fā)展對(duì)象，以提高農(nóng)民公共產(chǎn)品和服務(wù)享有水平為重點(diǎn)，保障其科學(xué)發(fā)展用地。（3）基層村為中心村以外的農(nóng)村居民點(diǎn)，本身公共服務(wù)功能較弱，需要依靠中心村和鎮(zhèn)中心的公共服務(wù)才能維持正常地生產(chǎn)和生活需要，主要承擔(dān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能。根據(jù)居民點(diǎn)撤留初步判斷，大部分為控制發(fā)展型，撤銷遷并型也基本包含在內(nèi)，因此，基層村應(yīng)作為控制發(fā)展對(duì)象，優(yōu)化其用地布局，促進(jìn)規(guī)模聚集效益，用地需求也應(yīng)以內(nèi)部挖潛為主。

圖5 旦八鎮(zhèn)城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局Fig.5 Layout of urban-rural settlement in Danba town

按照以上原則進(jìn)行旦八鎮(zhèn)城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局效果見圖5（b），選取了中心村9個(gè)，基層村78個(gè)，撤消13個(gè)居民點(diǎn)。《志丹縣縣域村莊布局規(guī)劃（2006—2025年）》中，確定了19個(gè)中心村，13個(gè)撤銷遷并村，本研究確定的9個(gè)中心村有5個(gè)包含在其中，13個(gè)撤銷遷并村中有8個(gè)包含在其中，兩者具有較好的兼容性。且相比之下，原方案確定了過(guò)多的中心村，一方面不易管理，另一方面難以產(chǎn)生規(guī)模聚集效益，不利于統(tǒng)籌城鄉(xiāng)一體化實(shí)現(xiàn)，也不利于土地利用效益的提高。因此，優(yōu)化后的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局相對(duì)科學(xué)，應(yīng)結(jié)合居民點(diǎn)發(fā)展類型及差別化發(fā)展政策，統(tǒng)籌城鄉(xiāng)用地布局，獲得規(guī)模聚集效益，提高公共產(chǎn)品和服務(wù)共享水平，有利生產(chǎn)、方便生活，逐步實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)統(tǒng)籌一體化，促進(jìn)土地資源合理利用。

4 研究結(jié)論

（1）以旦八鎮(zhèn)為例采用ArcGIS距離制圖和空間數(shù)據(jù)層次組織的方法進(jìn)行統(tǒng)籌城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局研究，撤銷了13個(gè)居民點(diǎn)，形成了以鎮(zhèn)中心為區(qū)域中心，由9個(gè)中心村和78個(gè)基層村構(gòu)成的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局方案，同現(xiàn)有布局規(guī)劃具有較好的兼容性，同時(shí)兼顧了成本效益、空間關(guān)系和管理幅度等重要因素，更有利于統(tǒng)籌城鄉(xiāng)一體化的實(shí)現(xiàn)和土地資源的合理利用。

（2）研究在居民點(diǎn)撤留初步判斷中，運(yùn)用了ArcGIS成本距離加權(quán)函數(shù)實(shí)現(xiàn)居民點(diǎn)平均耕作成本距離測(cè)算；在居民點(diǎn)空間等級(jí)體系構(gòu)建中，運(yùn)用了ArcGIS的Model Builder和Spatial Join等工具實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)層次組織，考慮了局部空間相關(guān)，比以往方法更加精確實(shí)用。

（3）根據(jù)烏爾曼提出的空間相互作用基于互補(bǔ)性、可轉(zhuǎn)移性和介入機(jī)會(huì)3個(gè)前提條件的理論，構(gòu)建了由中心地環(huán)境條件（可轉(zhuǎn)移性）和輻射能力（介入機(jī)會(huì)）組成的成本柵格數(shù)據(jù)，其中，中心地環(huán)境條件由自然地形條件和交通設(shè)施條件構(gòu)成，輻射能力由加權(quán)Voronoi圖構(gòu)成。與以往區(qū)位理論關(guān)于“均質(zhì)平原”的假設(shè)不同，本研究成本柵格是非均質(zhì)的。

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