基于Voronoi图的农村居民点空间分布特征及其整理潜力评价以福建省德化县为例

资源科学第36卷第11期2014年11月2014,36(11):2282-2290ResourcesScienceVol.36,No.11Nov.,2014文章编号：1007-7588(2014)11-2282-09基于Voronoi图的农村居民点空间分布特征及其整理潜力评价——以福建省德化县为例刘善开卜3，韦素琼1,2,3，陈松林1,2,3，高月华L3（1.福建师范大学地理研究所，福州350007;2.福建师范大学湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室，福州350007;3.福建师范大学地理科学学院，福州350007）摘要：通过Arc,GIS空间分析技术和Voronoi图Cv值相结合的方法，研究福建省德化县农村居民点的空间分布特征。在此基础上，采用人均建设用地标准法测算德化县农村居民点整理后可能增加耕地的理论潜力，并从自然适宜性、生态安全性、经济可行性和社会可接受性4个方面，选取10项评价因子，构建德化县农村居民点整理潜力综合修正指标体系及模型，对其修正。最后采用自然断裂法将现实潜力划分为潜力优势区、潜力内敛区和潜力限制区，分析各区整理潜力的限制因素。结果表明：①德化县农村居民点Voronoi图的Cv值为160%，空间分布类型属于集群型。从乡镇尺度上看，国宝乡和汤头乡农村居民点空间分布类型属于随机型，其他乡镇均为集群型；②德化县各乡镇自然适宜性修正系数为0.0307～0.1309，生态安全性修正系数为0.0188～0.1066，经济可行性修正系数为0.0170～0.2052，社会可接受性修正系数为0.0065～0.3648，综合修正系数为0.2554～0.6040；③德化县农村居民点整理现实潜力为742.60hmz，占理论潜力值的49.95%，说明其整理过程中受各项限制性因素制约潜力释放能力较小；④从空间分布看，潜力优势区主要分布在德化县中部的盆地地区，潜力内敛区主要分布在离县城较近的德化县南部和西南部，潜力限制区主要分布在德化县北部山区乡镇和县城所在地浔中镇与龙浔镇。关键词：农村居民点；综合修正；土地整理潜力；Voronoi图；德化县1引言农村居民点是社会经济发展到一定历史阶段的产物，是农业劳动者进行经济、政治和文化等活动而聚集的定居场所”‘21。农村居民点建设长期处于缺乏统一规划或有规划但执行力度不够的状态，导致目前农村居民点空间布局零乱分散，集聚能力差，“空心村l3‘4”’、闲散地大量存在，用地超标，“一户多宅”普遍”161，这种“小”、“散”、“乱”一·的农村居民点空间分布不利于土地节约集约利用和农村基础设施建设，严重影响了农村产业化、城镇化和现代化进程。农村居民点整理从宏观上对农村居民点的数量、布局进行调整，从微观上对农村居民点的用地规模、内部结构进行调整|s.，是解决以上不合理利用现象的有效措施。近年来，学术界对不同地域内的农村居民点空间分布特征进行研究一“”，研究内容涉及土地整理、土地利用、布局问题、时空分布变化、规模和空间分布特征及影响因素分析等方面n’”l。但对丘陵山区农村居民点的研究略少。在我国进行农村居民点整理潜力评价研究，准确预测其潜力大小及判定潜力级别，是开展农村居民点整理的关键先行环节。我国学者多基于全国或省域尺度ll,13.”.运用不同的测算方法n”“.对农村居民点进行整理潜力评价研究，归纳和总结了一些农村居民点整理潜力测算模收稿日期：2013-11-03；修订日期：2014-09-02基金项目：国家自然科学基金项目（编号：41371145）；福建省白然科学基金项目（编号：2012J01162）；福建省科技厅公益类重点计划项目（编号：2013R01）作者简介：刘善开，男，福建宁化人，硕士生，主要研究方向为经济地理、土地利用与规划。E-mail:[e-mail]通讯作者：韦素琼，E-mail:[e-mail]型l7,18,”1231。但是，我国地域广阔，自然条件复杂，各地区社会经济水平存在很大差异，农村居民点规模、空间分布特征具有明显的区域性。因此，现成的农村居民点整理潜力测算模型固然可供借鉴，但还应根据区域特点的多样性、复杂性和特殊性，因地制宜地选择与之相匹配的农村居民点整理潜力测算模型。德化县是福建省划定的6个土地整治试点县之一，也是典型的东南丘陵山区县份，经济发展水平与泉州市其他县市相比相对较低，社会经济与人口发展呈现典型的“小县城大城关”格局，全县57%的人口、69.2%的劳动力、67%的经济总量集聚于县城，造成农村居民点“空壳”现象频现，在闽东南山区具有一定代表性。随着城镇化、T业化进程加速，建设用地占用农用地，特别是占用耕地的面积日益增多，截至2010年德化县耕地面积仅占全县土地总面积的6.94%，同时，德化县的农村尤其是边远地区，房屋结构以土木、石头为主，相对容易整理为耕地，2010-2012年德化县已通过农村居民点整理新增耕地54.76hm2，是福建省通过农村土地整治新增耕地的重点县份之一。鉴于此，本文以乡（镇）为评价单元，以ArcGIS为操作平台，利用Voronoi图法分析德化县农村居民点空间分布类型，构建农村居民点整理潜力评价模型，探索德化县农村居民点整理潜力的限制因素及其空间分异规律，以期补充丘陵山区农村居民点整理的相关理论体系和科学依据。2研究区概况与数据来源2.1研究区概况德化县位于福建省中部，泉州市西北部，117。55”E-118。32”E，25。23”N-25。56”N，地处福建省第二大山脉戴云山脉主体部分，以中低山地为主，大部分地区海拔在700m以上，为闽中地势最高的县份（图1）。全县土地总面积2232km2，现辖10镇8乡，2010年末全县户籍人口31.7万人，常住人口27.8万人，其中户籍农业人口23.8万人，GDP达102.21亿元，财政总收入8.73亿元。根据德化县土地利用变更数据库，全县农村居民点用地2848.75图1德化县区位示意Fig:.lThelocationofDehuaC.untyinFujianProvincehITI2，占农村建设用地总量的55.77%，占全县土地总面积的2.23%，按常住人口计算，人均农村居民点用地高达377.96m2/人，远远高于国家和泉州市标准规定的上限，农村居民点整理的理论潜力较大。2.2数据来源及处理研究中涉及到的土地面积、农村居民点面积、道路面积以及河网密度均从2009年全国第二次土地地籍变更调查数据库中提取及统计而得，社会经济数据主要来源于《2011年德化统计年鉴》，人口数据来源于2000年和2010年德化县人口普查资料，地形地貌、灌溉、排水条件及农用地质量相关数据来源于2010年德化县农用地分等成果图件和技术报告，水源生态安全等级资料来源于德化县水利规划（2010-2020年），游憩用地生态安全等级来源于德化县旅游网并划分为三等，地质灾害规避安全等级从滑坡、泥石流和1:5万土壤侵蚀等地质灾害分布图提取数据并加权计算后划分为三等，农户整治意愿通过实地走访并将结果划分为“非常强烈”、“强烈”和“一般”三个等级。3基于Voronoi图的农村居民点空间分布特征3.1Voronoi图的基本原理选取农村居民点的空间分布类型、用地比例、密度和平均面积等指标分析农村居民点的空间分布特征。农村居民点用地比例（玮）、农村居民点密度（PD）、农村居民点平均面积(P，)计算公式分别为：P。=cdA(1)P。=n/A(2)P。=a/n(3)式中以为农村居民点用地面积(km2)；4为研究区面积(kITI2)；n为研究区农村居民点斑块数。采用计算几何学中Voronoi图的变异系数Cv值对农村居民点空间分布类型进行探讨，Voronoi图的定义如下”41：给定平面上的点集S={pi，p2，…m。），由下述公式对平面进行分割：T。=戈：d(x，pt)d（戈，p，）(4)pi,[)J∈s，1)L：≠pJ式中d为欧式距离；x为集合T中的元素。变异系数Cv值是Voronoi多边形面积的标准差与平均值的比值，用来衡量现象在空间上的相对变化程度。其计算公式为|，”：C=标准差／平均值×100%(5)利用Cv值分析点模式时，Duyckaets提出3个建议值m”：当C值为33%～64%时，点集为随机分布；当Cv值64%时，点集为集群分布；当Cv值33%时，点集为均匀分布。利用ArcGIS提取德化县每个农村居民点的质心，获得能反映农村居民点位置的中心点。然后以各个乡镇为设置目标，以各个居民点中心点为发生元创建Voronoi多边形集合，形成以各个乡镇为边界的德化县农村居民点Voronoi图（图2）。3.2农村居民点空间分布特征由公式(1)-公式(5)计算出德化县农村居民点用地比例（玮）、农村居民点密度（玮）、农村居民点平均面积(P。)和变异系数（Cv）。德化县共有22187块农村居民点斑块，分布密度为l0.06/kIT12，用地比例仅为1.29%，农村居民点平均用地面积为0.1284km2，基于Voronoi图的Cv值为160.11%，农村居民点属于集群分布。农村居民点空间分布特征与该区特定的地理条件密切相关，德化县地处福建省第二大山脉戴云山脉主体部分，全县地势偏高，地形复杂，以山地为主，其间偶有散布于群山之中的山间盆地和河谷阶地，这里是农村居民点的主要聚集地。此外，发源于戴云山主峰的泸溪和涌溪绕行县境南图2德化县农村居民点Voronoi多边形集合Fig.2VoronoidiagramsetofruralsettlementsinDehuaCounty北，省道S306和S203贯穿全县，农村居民点多聚集分布在沿河、沿山地公路两旁，因此，农村居民点空间分布属于集群型。乡镇尺度上，国宝乡和汤头乡的空间分布类型属于随机型，其他乡镇为集群分布。居民点呈随机分布的国宝乡Cv值为45.04%，该区域以低山丘陵为主，西部水系国宝溪和东部水系格口溪流经境内，省道S306横穿中部，加之山间谷地散布其间，使得国宝乡境内区位条件差异不大；汤头乡居民点的空间分布亦属于随机型，该区域海拔相对较低，为低丘陵地形，居民点选址限制不大，布局相对自由；浔中镇和龙浔镇为德化县城关所在地，三班镇紧邻城关东侧，3个镇的居民点用地比例均超过3%，居民点分布密度和用地比例都较大。农村居民点整理潜力评价受农村居民点空间分布特征的影响，随机型布局的村落，居民点斑块面积相对较小，地形相对破碎，整治的方向应当以村庄合并为主，虽然村庄的整体搬迁受自然条件制约相对较少，但严重受制于社会和经济条件，因此整治难度相对较大，现实潜力较小；而集群型布局的村落，整治的方向主要以通过村庄改造提高土地利用效率为主，因此整治难度相对较小，现实潜力大。基于县域尺度，德化县Voronoi图的Cv值为160.11%，农村居民点属于集群分布，从乡镇尺度上看，88.89%的乡镇农村居民点空间分布类型属于集群型，因此，德化县农村居民点整治方向主要以通过村庄改造提高土地利用效率为主，本文拟采用人均建设用地标准法对德化县农村居民点整理潜力进行评价。4农村居民点整理潜力评价4.1农村居民点整理理论潜力农村居民点整理的理论潜力是指在一定区域内，以既定的规划用地指标为标准，测算理论上可以增加的有效土地面积”剐。采用人均建设用地标准法，计算模型如下：𝑃(𝑇)=𝑀0−𝑀⋅𝑄𝑡(6)式中P(T)为农村居民点整理理论潜力面积；Mo为农村居民点现状用地面积；廊为农村居民点人均建设用地标准；Q，为规划期末的农村人口数。其中，1)福建省住房和城乡建设厅文件（闽建材[2001]8号）农村居民点人均建设用地标准根据《福建省村庄规划导则》¨，本着严格控制用地的原则，结合德化县各乡镇的实际用地情况确定。𝑄𝑡=𝑄0(1+𝑟)𝑡±𝛥𝑄(7)式中Q。为规划基期农村人口数；r为农村人口自然增长率；f为规划期；AQ为机械人口增长量。根据公式(6)与公式(7)，计算得到德化县2020年农村居民点整理理论潜力为1486.42hm2，其中上涌镇、雷锋镇、水口镇和南埕镇较大，均在llOhITI2以上；盖德乡