基于esda的乡村聚落空间分布研究镇江市乡村聚落的形态分异与类型划分

基于esda的乡村聚落空间分布研究镇江市乡村聚落的形态分异与类型划分

农村村庄也被称为农村居民点，是居民以农业为最重要的经济活动形式的村庄。这是农村地理的重要研究对象。本文主要研究乡村村庄的形成、发展、形态发展以及与地理环境的相互作用和关系。国内外学者对乡村聚落的研究已形成了较丰富的成果,国外学者J.G.Kohl首次对乡村聚落的形成进行了系统阐述,并分析乡村聚落分布与地理环境及交通之间的关系,Demangeon、Brunhes、Hoffman等分别以法国、德国、保加利亚等国的乡村聚落空间分布及演变特征作了实证探讨,20世纪60年代后乡村聚落社会文化转向,Cater、John等以社会学视角对乡村聚分布进行了研究,类型划分上,Pacione、Hill进行了较为全面的分析与总结;国内关于乡村聚落的相关研究较晚,起步阶段主要集中在农村聚落、农业区划及农业土地利用等方面上,近些年来,随着我国城乡统筹发展进程加快,以及社会主义新农村建设影响下,农村城镇化、乡村聚落演化、乡村“空心化”及乡村聚落格局优化调控的研究日益增多,有的学者开始运用3S技术、数学模型(CA、CLUE-S等)及景观格局等定量的手段来分析乡村聚落的空间分布特征、影响因素及格局优化,但乡村聚落相关研究定性分析层面居多,定量分析仍显不足;国内关于乡村聚落类型划分的理论探讨与实证逐渐增多,并对东南沿海、江苏省、苏北地区等地域大空间尺度的划分作了探讨,但是对于中观及微观尺度的乡村聚落划分仍显不足。目前国内关于乡村聚落的相关理论探讨与实践研究还较为薄弱,而乡村聚落类型划分、区域差异总结、空间整合规划及空间转型重构等是当前需要进一步强化的重点内容。尤其党的十八以后,对新型城镇化、农村综合整治关注提到一个更高层次,其中重要的方面就是治理“乡村病”以及乡村聚落重构与整治,而格局分析与类型划分是乡村聚落整理的重要前提工作,探讨的实践意义更大。鉴于此,本文以镇江市为研究案例地,基于镇江市的第二次全国土地利用调查数据资料,首先选取相关景观指数,运用软件FRAGSTATS3.3,计算出乡村聚落的各空间韵律指数;其次基于ArcGIS9.3的软件平台,运用ESDA分析模型及空间变差函数,对乡村聚落的形态分异特征进行分析;最后基于SPSS17.0软件,通过系统聚类法划分镇江市乡村聚落的基本类型(图1所示),以期为镇江市乡村聚落整治规划及空间重构提供有益参考。1研究方法和数据来源1.1学习方法1.1.1行政视角下的行政群落空间格局乡村聚落空间格局主要是通过乡村聚落规模分布、空间分布及形态分布等方面特征来进行表征,故本文采用与之相关的空间韵律指数来定量地反映镇江市乡村聚落空间格局的基本特征(表1所示)。本文选用平均斑块面积(AREA_MN)、斑块面积标准差(PSSD)、斑块密度(PD)、平均最邻近指数(ANN)、形状指数(SHAPE)、分维指数(FRAC)来反映乡村聚落的规模、空间及形态分布特征,指数通过Fragstat3.3软件计算。1.1.2“小区内”的空间集聚型全局空间自相关是对研究对象属性值在整个区域空间特征的描述,可以衡量乡村聚落分布整体的空间关联特征;局部自相关分析描述乡村聚落分布局部空间异质性,识别乡村聚落在不同空间位置上的“高值区”与“低值区”的分布规律。(1)Moran’sI指数式中,Xi为区域的观测值,Xj为区域的观测值,Wij为空间权重矩阵,区域和区域空间相邻为1,不相邻为0。当I(d)<0时,表示区域与其周边地区的乡村聚落分布具有显著的空间差异;I(d)>0时,表示乡村聚落空间分布上呈现显著集聚特征。(2)Gi*指数式中,Wij为空间权重矩阵,空间相邻为1,不相邻为0。如果Gi*为正且显著,表明位置周围的乡村聚落分布相对较高(高于均值),属高值空间集聚;反之,如果Gi*为负且显著,则表明位置周围的乡村聚落分布相对较低(低于均值),属低值空间集聚。1.1.3空间变差函数空间变差函数是一个关于数据点的半变异值与数据点间距离的函数,是描述区域化变量随机性和结构性特有的有效手段。假设Z(xi)和Z(xi+h)分别是Z(x)在空间位置xi和xi+h上的观测值(i=1,2,…,N(h)),运用空间变差函数可以有效地解释乡村聚落形态分布格局的特征,计算公式如下:空间变差函数是一定滞后变量h的变差函数值γ(h)与该h的对应图,它是在区域化变量满足平稳和本征假设条件下来定义的。当半变异函数γ(h)增大时,则表示分布的空间自相关减弱,以此来判断乡村聚落形态分布格局的连续性及稳定性;另外,方向也是一个重要特征量,即分布的各向同性和各向异性,通过方向可以反映乡村聚落形态分布的空间差异。1.1.4基于欧氏距离的聚类分析系统聚类分析(HierarchicalClusterAnalysis)是定量化研究多要素事物的分类及地理现象地域分区的一种多元统计方法,本文利用系统聚类分析方法,采用欧氏距离对镇江市乡村聚落进行聚类,从而划分出这一区域乡村聚落地域类型。其基本原理:1)将N个样本各自分别看成一类,并规定好样本之间距离和类与类之间距离,因每个样本各自形成一类,故类之间距离与样本之间距离是相同的;2)在所有的类中,选择欧氏距离最小的两个类合并成一个新类,并计算新类与其他各类之间的距离;3)接着再将距离最近的两类进行合并,按照这个计算方式每一次合并两个小类,如此循环,直至将N个样本都合并成一类为止。1.2抗土地利用现状数据文中的分析数据来自于镇江市第二次全国土地利用调查数据(2009年),分析数据为shp矢量文件格式。根据我国土地利用现状分类系统(GB/T21010-2007)标准,并结合镇江市域土地利用的现实情况,将镇江市土地利用现状数据划分为8大类用地,依次分别是耕地、园地、林地、其它农用地、城镇用地、乡村聚落、交通水利用地及水域用地,并基于ArcGIS9.3分析软件,对镇江市域范围内的乡村聚落斑块进行提取处理,形成镇江市镇域尺度的乡村聚落分布格局图;另外,镇江市1∶250000地形数据(2009年),来源于镇江市测绘局;文中分析涉及到的水系及道路均从镇江市第二次土地利用调查数据中获取。2不同农村村庄的形态2.1．乡村聚落规模分布的非均衡性引入平均斑块面积(AREA_MN)、斑块面积标准差(PSSD)空间韵律指数分析乡村聚落规模分布;另外,并以斑块面积标准差(PSSD)为指标,测度出空间关联指数Moran’sI、Gi*指数来探索镇江市乡村聚落规模分布及空间自相关性的基本特征。(1)乡村聚落规模整体上非均衡显著,存在东西分异。镇江市各镇的乡村聚落斑块平均斑块面积(AREA_MN)为6.12,标准差PSSD为3.05,表明乡村聚落规模分布与均值的离散程度较为显著,整体上镇江市乡村聚落规模分布的非均衡性较为显著;镇江市东部地区的平均斑块面积(AREA_MN)要总体上高于镇江中西部地区,东部地区乡村聚落斑块的平均规模较大;而中西部地区的乡村聚落斑块平均规模整体较小。总体上讲,镇江市乡村聚落数量规模上呈现出“东部地区聚落规模大,而中西部聚落规模小”的分异规律。(2)乡村聚落规模上具有空间集聚的自相关特征。运用GeoDA095软件,并以斑块面积标准差(PSSD)为指标,计算全局自相关的Moran’sI指数(表2所示),Moran’sI估计值在0.1%的显著水平上为0.3921,表明镇江市乡村聚落呈现出正的空间相关性,即相邻乡村聚落规模大的地区或小的地区出现相对集聚的空间分布现象,但Moran’sI估计值趋近于0,远远小于1,表明乡村聚落规模格局上呈现显著的弱集聚分布态势。(3)乡村聚落规模分布呈“东高西低”的特征。以斑块面积标准差(PSSD)为指标,基于ArcGIS9.3空间统计模块(SpatialStatisticsTools)计算出各镇乡村聚落的Gi*指数,运用Jenks自然断裂点法将Gi*指数由低到高划分为4种类型:低值区、次低区、次高区、高值区(图2所示)。通过图2可知:1)乡村聚落规模分布的高值区主要分布在镇江东部的扬中市域范围内,乡村聚落规模分布的低值区主要集中在镇江市的市区附近的地域,以及句容市内的北部地区;2)乡村聚落规模分布的次高区主要集中在丹阳市的东南部及新区的一些乡镇;而次低区集中分布在镇江的丹徒区及句容市的南部地区;3)总体上而言,镇江市乡村聚落规模分布Gi*指数演化呈现出“东高西低”的分布态势。2.2．乡村聚落空间分布密度klus-pcr法选用平均最邻近指数(ANN)和斑块密度(PD)空间韵律指数来分析镇江市乡村聚落的空间分布特征,其中,平均最邻近指数(ANN)能够反映乡村聚落间空间分布的相互邻近程度,若ANN值越小,表明乡村聚落空间分布越密集;另外,并根据斑块密度PD值,基于ArcGIS9.3软件平台,运用空间分析模块,提取镇域乡村聚落中心点,通过Kernel空间内插法生成镇江市乡村聚落空间分布密度图(图3所示)。(1)乡村聚落空间分布总体上呈集聚分布模式。通过空间韵律指数计算软件FRAGSTATS3.3,得出镇江市乡村聚落的平均最小邻接指数(ANN)为0.56,表明市域乡村聚落整体上呈现出集聚式的空间分布结构;另外,镇江市东部扬中、新区的乡村聚落平均最小邻接指数ANN(0.61)要整体上高于西部地区(0.52),说明镇江市东部乡村聚落空间分布集聚的态势高于西部地区。(2)乡村聚落空间分布呈“东密西疏”特征。1)通过乡村聚落空间分布密度图可知,镇江市乡村聚落空间分布的总体密度大致为5.8个/km2,这就说明整体上镇江市属于乡村聚落空间分布密集区域;2)镇江市东部地区扬中、新区平均分布密度在6.5~8.7个/km2之间波动,表明东部乡村聚落空间分布密集程度较高;镇江市中西部地区的丹徒、丹阳及句容乡村聚落平均分布密度大致在3.5~4.5个/km2左右,说明中西部乡村聚落空间分布较为稀疏密集程度较低;3)整体上来讲,镇江市乡村聚落分布密度呈现出“东密西疏”的空间格局。2.3基本方法学拟合frac利用分维指数(FRAC)和形状指数(SHAPE)空间韵律指数来探讨乡村聚落形态分布规律,其中,分维数(FRAC)表示乡村聚落形态分布规则性程度,若乡村聚落FRAC值越大,说明乡村聚落的形状不规则程度越大,破碎化程度越高;另外,并以形状指数(SHAPE)为指标,通过变差函数来表达乡村聚落形态分布的空间变异性特征。(1)乡村聚落形态分布规则程度呈东西分异特征。整体上,镇江市各镇的乡村聚落斑块FRAC数值在1.02~1.08之间波动;从地域上看,东部地区扬中、新区的乡村聚落的斑块FRAC数值较小,基本在1.02~1.04之间变化,而中西部句容、丹徒及丹阳等地的乡村聚落FRAC数值则较大,大致在1.04~1.08之间波动,表明镇江市中西部地区的乡村聚落形态的不规则性程度要高于东部地区,西部地区的乡村聚落形态较为破碎。(2)乡村聚落形态分布具有较好的连续性,也呈现一定的各向异性。以各镇乡村聚落的形状指数(SHAPE)为指标,将其作为属性数据赋予各镇几何中心点,将采样步长定为2000m,分别计算实验变差函数,对样点数据采用高斯模型、对数模型、指数模型等分别进行拟合,选择效果最好的模型,并其进行Kriging插值,拟合结果如表3及图4所示。通过拟合结果可知:1)从基台值、块金值等指标来看,基台值C+C0为0.0387,而块金值C0仅为0.0311,块金系数也只有0.804,表明镇江市乡村聚落形态分布由数据变异等随机成分引起的分异不强,而由空间自相关引起的结构化分异则较为显著;2)从拟合选用的模型来看,通过最小二乘法选择的空间拟合模型为高斯模型(Gaussian),且决定系数R2达到0.853,说明镇江市乡村聚落形态分布格局具有较好的稳定性及连续性,乡村聚落形态分布的空间自组织较强;3)从Kriging插值拟合图来看,各个方向上的γ(h)曲线走势均具有一定的规律性,说明乡村聚落形态分布格局具有自相关性特征;另外,空间分布形态存在特有的内部结构,以东北方向为顶点,距离东北向越远,高度越低,呈现出“山坡型”的演化特征,这与这一方向上乡村聚落形态结构变化有着直接关联,东北部的扬中地区乡村聚落整体上规则呈条带状,中部地区乡村聚落不规则加大呈团簇及散点状,到西南部句容地区乡村聚落的破碎化程度更大呈散点分布形态。3基本类型划分由于受到自然地理环境(地形、地貌、气候、水系等)以及社会经济条件(人口、产业及民俗等)差异不同程度的影响,会导致研究区域范围内乡村聚落地域类型会存在较大的空间分异特征。目前乡村聚落划分标准具有多个维度,可以按照聚落规模(大型、中型及小型)、形态(集聚型、分散型)、密度(高密度、中密度及低密度)、地形(河谷、山丘及平原)及经济(农业、工业及商业主导)等多层面进行综合划分,本文以镇江地区乡村聚落平均斑块面积(AREA_MN)、斑块面积标准差(PSSD)、斑块密度(PD)、平均最邻近指数(ANN)、形状指数(SHAPE)及分维指数(FRAC)6大空间韵律指数为指标变量,以乡镇级行政地域单元为分析的空间尺度,基于SPSS17.0软件平台,运用系统聚落的分析方法,用标准差对6项指标的原始数据进行标准化处理,采用欧氏距离测度53个乡镇之间的样本间距离,生成聚类分析谱系图,并基于ArcGIS9.3分析平台,对53个乡镇的聚类结果进行空间可视化处理,形成镇江市乡村聚落基本类型划分图(图5所示)。整体上将镇江市乡村聚落类型划分为Ⅰ镇东平原区高密度条状型、Ⅱ镇中过渡区