中国水利水电科学研究院 第12届青年学术交流会论文 文章编号： 基于GIS的土默特右旗乡村聚落空间演变特征研究
兰小莹，2 马巍1常月明3刘洪4 （1.中国水利水电科学研究院水环境研究所，北京 100038；2.首都师范大学资源环境与旅游学院， 北京100048；3.内蒙古师范大学地理科学学院，呼和浩特 010022；4.四川省平昌县国土资源局,四川 635400；5.） 摘要：以内蒙古自治区包头市土默特右旗（以下简称为土右旗）为研究对象，以地理信息系统（GIS）为技术手段，以1:25万地形图和2000年、2011年土右旗遥感数据为数据源，探讨了2000～2011年期间土右旗乡村聚落的空间分布格局及其时空变化特征。结果表明：①土右旗乡村聚落密度较低，分布较为分散，空间扩展特征显著；②乡村聚落斑块分布（包括数量与面积）具有明显的空间聚集特征，在高程与坡度上差异明显的，并随高程与坡度增加呈递减趋势；③乡村聚落沿道路增加趋向较为明显，但在距离河流1-5km范围内，聚落斑块数量呈现出由近及远逐渐增加趋势，同时在道路两侧2km范围内聚落斑块数量增加最为明显；④地形等自然条件是影响土右旗乡村聚落总体空间分布格局的决定性因素，但人口增长、经济发展、城镇建设、交通条件、政策制度等因素，也对土右旗乡村聚落空间分布格局的演变具有重要的影响。该研究成果可为包头市土右旗城乡统筹规划与科学发展提供决策参考。 关键词：土默特右旗；乡村聚落；空间演变；影响因素
乡村聚落又称乡村居民点，既包含乡村中的独家独院，也包含有多户人家组成的村庄和尚未达到城市建制规模的乡村集镇，主要以农业作为其经济活动的聚落形式［1，2］。乡村居民点的形成、发展、分布和形态变化规律及其与地理环境相互关系的学科，是人地关系地域体系研究的重要领域之一［3-5］。乡村聚落空间分布特点、规模大小、迁移变化等除受到众多环境因子的制约外，还受社会经济发展状况、历史渊源、文化习俗等影响［6-8］。乡村聚落空间变化规律研究对推进新农村建设、城乡一体化发展有着重要的指示作用，对优化乡村居民点空间分布格局、实现城乡统筹发展具有重要意义［9］。李永伟等统计分析了近10年的乡村聚落研究内容，发现乡村聚落空间分布及其影响因素的研究比例占八个研究领域的14.53%［4］。近年来随着3S技术的快速发展与应用，乡村聚落空间结构的定量研究开始不断增多。汤国安等应用GIS的空间分析功能，对陕北榆林地区的乡村聚落空间分布规律进行了研究［8］。于淼利用遥感手段和GIS技术分析了桓仁县乡村聚落景观格局［10］，陈振杰等人基于GIS对桐庐县农村居民点空间格局进行了研究，得出桐庐县的居民点主要分布在河谷平原地区，地形等自然环境条件决定了桐庐县农村居民点的总体空间格局［11］。冯文兰等运用GIS空间分析方法对岷江上游的乡村聚落进行研究，发现58.6%的聚落分布相对集中且水源条件和交通状况良好［12］，郭晓冬等人利用遥感卫星数据和地形数据对甘肃省秦安县乡村聚落空间分布及驱动机制进行研究，发现秦安县人口和聚落斑块密度高，乡村聚落在空间分布上极为分散，聚落斑块分布随高程和坡度均呈正态分布且表现出明显的空间集聚态势，聚落分布与道路和河流有很密切关系［13］。 随着图像分类方法的不断创新，面向对象图像分类技术充分利用高分辨率的全色和多光谱数据的空间、纹理和光谱信息来提取感兴趣的对象，其分类精度高且可获得对象的矢量图层。陈广群等利用高分辨率遥感影像成功的提取农村居民点内部用地信息并且进行了实例研究，验证此方法的有效性［14］。本文利用面向对象图像分类方法在遥感影像中提取农村居民点空间分布信息，应用GIS空间分析方法研究土右旗2000～2011年期间乡村聚落的空间演变特征，通过定量分析得到土右旗乡村聚落斑块分布与高程和坡度的关系，乡村聚落斑块与道路、河流分布关系，以期获得乡村聚落分析与周围环境的关系，为包头市土右旗建设规划、整合提供决策参考。1研究区概况与研究思路 1.1研究区概况 土默特右旗，简称土右旗，地处内蒙古自治区包头市的东南部（图1），位于东经110°14′～111°07′，北纬40°14′～40°51′之间，属典型大陆性半干旱季风气候，区域内过境水资源丰富，境内黄河干流段106km。全旗总面积2368km2，北部为大青山山区，南部是土默川平原，分别占全旗总面积29.3%和70.7%。大青山主峰九峰山海拔高度2337.8m，平原地区海拔高程介于987-1000m之间。全旗管辖5镇、3乡、1个管委会、15个居民委员会、289个自然村。2011年全旗总人口27.7万人。
图1 研究区域位置 Fig.1 Location of study area, the tuyou banner
1.2 数据来源与研究思路 本文利用2000年Landsat5TM遥感数据（分辨率30m）和2011年SPOT5卫星影像（分辨率2.5m）遥感影像，经过几何纠正、图像配准、遥感解译等步骤，提取了土右旗两个时期的乡村聚落斑块及河流、道路分布信息的矢量图层；利用1:25万地形数据（来源于http://www.utexas.edu/）提取等高线获得土右旗DEM数据和坡度数据；利用GIS的空间分析与统计分析等模块，研究2000～2011年土右旗乡村聚落斑块随高程与坡度变化的空间分布特征，以及道路和河流对乡村聚落斑块分布的影响，从而建立乡村聚落属性数据库。结合土右旗经济社会统计数据和其他相关资料进一步分析乡村聚落空间演变的影响因素。总体技术路线见图2。
受权属界线、公路等的分割，相邻的乡村聚落斑块被分割成多个斑块。为了便于研究，在数据预处理阶段，将相邻的乡村聚落斑块进行了合并。因为两期遥感数据分辨率不同会对聚落斑块的数量与面积有一定的影响，但就旗（县）尺度上的研究分析可以整体反映乡村聚落斑块的空间分布特征［13］，基本不影响本文的研究结论。 图2 技术路线图 Fig.2 The working procedure of this research
2 结果与影响因素分析
2.1土右旗的乡村聚落空间分布格局 土右旗现有自然村289个，旗域人口密度为117人/ km2。根据从2011年遥感影像提取的乡村聚落斑块分析，土右旗现有乡村聚落斑块2137个，聚落密度约为0.90个/ km2，空间分布上较为分散。由于旗域自然条件的空间差异，乡村聚落分布也存在明显的空间差异。平原地区地势平坦，交通便利，生产生活方便，聚落密度较高，平均每平方公里分布有1.13个以上的聚落，聚落规模也相对较大；而山区由于地形破碎，交通不便，人口和聚落密度相对较低，平均每平方公里分布的聚落数仅有0.33个，聚落规模也相对更小。
2.2乡村聚落空间演变特征 2.2.1聚落密度不断增大，空间扩展特征显著。根据从2000年Landsat5TM遥感数据和2011年SPOT5卫星影像提取并生成的乡村聚落分布矢量图（图略），计算出斑块数（NP）、斑块总面积（CA）、平均斑块面积（MPS）、最小斑块面积(MINP)、最大斑块面积（MAXP）、斑块密度（PD）等聚落景观指数（表1）。表1 土右旗2000年和2011年乡村聚落景观指数比较 Tab. 1 landscape indices of rural settlements in Tuyou Banner from 2000 to 2011
年份 NP CA/ ha MPS/ha MINP/ha MAXP/ha PD个/ha
2000年 563 8933.85 15.87 0.05 100.99 24 2011年 2137 10953.79 5.13 0.04 133.99 90 差值 1574 2019.94 -10.74 -0.01 33.00 66 由表1中结果分析可知，由于斑块数量增多，2011年土右旗聚落斑块总面积增加了2019.94ha，聚落用地面积占旗域总面积的比重由2000年的3.8%增加到2011年的4.6%，但单个聚落斑块的平均面积减少了10.74ha；从聚落斑块面积的最大与最小值分析，2011年的最大斑块面积比2000年最大斑块面积增加了33ha，最小斑块面积比2000年减少0.01ha。上述分析表明，近11年来，土右旗乡村聚落密度增大，空间扩展特征显著。 本文运用GIS技术，分别提取2000年和2011年乡村聚落斑块的中心点，采用Kernel方法生成土右旗聚落斑块空间分布密度图（图3）。从图3可以看出，2011年聚落斑块高密度显著增加，聚落斑块密度增大趋势十分明显。
图3 2000年与2011年土右旗乡村聚落密度比较 Fig.3 The comparation of rural settlements density in Tuyou Banner from 2000 to 2011
2.2.2 乡村聚落斑块具有明显的空间聚集特征并随高程和坡度增加呈递减趋势。乡村聚落斑块数量随高程与坡度变化是聚落空间分布特征的重要表现。以DEM数据和分级处理后的坡度数据为基础，运用GIS技术将高程图、坡度图分别叠加到2000年和2011年的聚落斑块空间分布图上，统计两个时期不同高程与坡度上聚落斑块的数量与面积，并绘制聚落斑块数量与面积随海拔和坡度的变化过程图（图4、图5）。由图4、图5可知，两个时期不同高程与坡度上分布的聚落斑块，其数量与面积均存在差异，海拔在<1000m 及坡度<2°的区域，聚落斑块的数量与面积明显高于其他区域。海拔<1000m范围内分布的聚落斑块，其数量占旗域斑块总数比重在2000年与2011年分别达到83.1%与77.0%，其面积占旗域聚落斑块总面积比重在2000年与2011年分别达到91.8%与87.2%；坡度<2°范围内分布的聚落斑块，其数量占旗域聚落斑块总数比重在2000年与2011年分别达到84.5%与75.0%，其面积占旗域聚落斑块面积的比重在2000年与2011年分别也达到86.5%与83.7%。海拔>1750m 及坡度>20°的区域内，斑块数量和面积接近于零。