基于生态安全格局的农村居民点布局优化研究

邵新娟

摘要：农村居民点潜力评价是进行居民点优化布局的基础，良好的居民点生态安全水平有利于居民点未来的发展。以伊犁河谷察布查尔锡伯自治县（下文简称为“察县”）为研究区，结合研究区实际地形特点，综合应用最小累计阻力模型、GIS空间分析和层次分析法等方法，建立基于水土保持、生物多样性、风景名胜三个方面的居民点优化生态安全阻力面；并且运用地形、居民点数据、区位影响因素，建立农村居民点优化潜力评价体系，进行察县农村居民点潜力评价分等；最后利用引力模型计算城镇引力分值，并结合居民点优化潜力分值及生态安全格局，进行居民点的优化分区。研究结果表明，地势较陡且距大型水系越近的区域生态安全阻力越大，居民点优化潜力越低。通过初步整治分类，将居民点主要划分为城镇化区、重点发展区、内部改造区和迁移并点区，进而对农村居民点优化布局进行合理的引导，为农村居民点的整治优化提供决策支持。

关键词：农村居民点；最小阻力模型；潜力评价；引力模型；布局优化

中图分类号：K928.5；X171.1 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2018）17-0099-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.17.026 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： The potential evaluation of rural residential areas is the basis of optimized layout， quantified ecological security level of residential area is conducive to the development of residential areas in the future. Taking the Ili river valley Qapqal xibe autonomous county（this article is referred to as "Cha county"） as the study area， combining with the characteristics of the terrain in the study area， comprehensively applying the minimum cumulative resistance model， GIS spatial analysis and analytic hierarchy process（ahp） method， based on soil and water conservation， biodiversity and scenic spot， the resistance surface to optimize ecological security was established； And by using of topography， settlement data， geographical factors， the optimized potential evaluation system of rural residential areas set up to conduct the rural residential areas potential evaluation grading Qapqal xibe autonomous county； Finally the gravity model is used to calculate gravity score in cities and towns， combing with optimized potential score and ecological security pattern of residential area， the division of residential areas was optimized. Research results showed that， when the topography is steep and nearer to the large drainage， the resistance of regional ecological security was greater， settlement optimization potential lower. Through preliminary remediation and classification， the residential areas was mainly divided into the urbanization area， the key development area， internal transformation area and migration merge area， so the optimized layout of rural residential areas could be reasonably guided， so as to provide decision support for the regulation optimization of rural residential areas.

Key words： rural residential area； the model of least resistance； potential evaluation； gravity model； layout optimization

農村居民点是农村人口居住在一起进行经济、政治和文化等活动而聚集的定居场所[1，2]。中国长期处于农村居民点的建设缺乏统一规划和管控的阶段，因而引起农村居民点空间布局散乱、集聚能力差的现象，这种现象不利于土地集约利用和城乡一体化建设。

目前进行居民点优化布局方面的评价案例较多，学者们运用不同的评价方法对不同的研究区进行评价。部分学者针对自然、社会、经济等方面多重影响因子，确定其权重，运用多因素综合评价法、SPSS聚类分析、AVC理论、MCR模型等方法，进行农村居民点适宜性评价，并且根据评价结果进行居民点优化分区[3-8]；部分学者运用定量分析、因子分析、可达性计算、景观格局分析、距离制图法、加权Voronoi图、扩展断裂点模型、最小限制因素等方法判定居民点优化方向，确定优化方案[9-15]。基于以上研究成果来看，对于应用生态安全格局确定居民点优化生态阻力方面的研究较少，为此，本文结合研究区地形特点，运用最小累计阻力模型建立在水土保持、生物多样性、风景名胜方面的居民点生态安全指数面，计算得出农村居民点建设生态安全综合阻力面；叠加农村居民点生态安全综合阻力面及农村居民点优化潜力评价图，并结合引力模型计算城镇引力值，确定察布查尔锡伯自治县（下文简称为“蔡县”）各农村居民点优化分区，并且结合行政界限确定居民点的整治优化方案，为察县未来移民安置及新增居民点选址提供一定依据和借鉴。

1 研究区概况与数据处理

1.1 研究区概况

察县位于新疆西天山支脉乌孙山北麓、伊犁河以南辽阔的河谷盆地。地形东窄西宽，南高北低，由东南向西北倾斜。地理位置介于东经80°30′00″-81°45′00″，北纬43°15′00″-43°57′30″之间。

察县土地总面积364 041.95 hm2（不含兵团面积），辖2镇、11乡，5场、1军分区，2015年末全县地方常住人口16.73万人，其中户籍农业人口11.16万人，GDP达47.64亿元。根据察县土地利用变更数据库数据，全县2015年农村居民点用地8 314.34 hm2，占全县土地总面积的2.28%，按常住人口计算，人均农村居民点用地高达496.74 m2/人，远高于国家标准规定的上限，农村居民点整理的理论潜力较大，因此选用该研究区为靶区进行探讨。

1.2 数据处理

以察县农村居民点布局优化为研究对象，研究中用到的数据主要来源于察县1∶100 000土地利用现状图（2015年）、数字高程模型数据DEM、察县ETM+遥感数据（2015年）、察县城市总体规划（2012-2030年）以及察县土地利用总体规划（2010-2020年）等。

首先将栅格图件扫描几何校正进行矢量化，然后将不同的矢量数据类型利用ArcGIS 9.3统一转为.shp格式，进而提取本研究所需的数据信息，主要包括农村居民点、建制镇等面状要素，交通、水系等线状要素以及地形高程、坡度等数据；由遥感影像混合像元解译提取察县植被覆盖度。

1.3 研究思路

农村居民点是村镇人口主要生产、生活的基础，其受到自然、社会、经济及生态环境的影响，同时居民点的发展也会对其所在的自然、生态环境进行反馈，所以当前农村居民点的布局优化，必须结合生态安全格局与居民点优化潜力，综合分析察县农村居民点布局优化方案。本研究从确定生态安全阻力源及生态安全指数面，研究全县生态安全格局分布；进行察县农村居民点的现状适宜性评价，确定居民点布局优化潜力。

1.4 研究方法

1.4.1 最小累计阻力模型 物种景观特征的分布可以通过对不同阻力的控制和覆盖来实现，进而阻力面可以用来反映物种空间的分布变化趋势，生态安全格局的分布受到来自水土流失、物种多样性降低、名胜景观保护等多方面因素的影响，故本文运用最小累计阻力模型（Minimum Cumulative Resistance，简称MCR[16，17]）确定生态安全格局，通过生态安全指数面来反映察县生态风险的潜在性和趋势。将Knaapen等[16]的最小累计阻力模型结合地理信息系统的费用距离[17，18]，重点考虑源、距离及景观的基面特征。公式如下：

式中，f是反映空间任意一点最小阻力与到源的距离和景观基面特征的正相关的未知函数；Dij是指物种从源j到某一点所经过的景觀基面i的空间距离；Ri是景观i对某物种运动的阻力。

1.4.2 源的确定 本研究选取察县坡度大于35°和植被覆盖率小于0.192的区域为水土保持源；将察县生态保护区及湿地保护区作为生物多样性保护源；将察县国家级、省级文物保护单位及国家级、省级旅游风景区作为风景名胜保护源。

1.4.3 多因素综合评价法 根据选取评价居民点综合发展实力影响因子，结合察县实际情况，综合运用层次分析法及专家打分法确定各评价因子指标及权重，利用加权分值和公式计算，得出每个居民点综合发展分值，确定每个居民点优化潜力。

1.4.4 引力模型 农村居民点的发展与城镇的发展具有密切的关系，一般区域城镇越发达对其邻近居民点自身的发展具有一定的阻碍，使其往往成为城镇发展的主要扩展区域。因此在进行农村居民点优化规划时，要先将受城镇影响大的居民点划出，列为城镇化区，不再进行居民点的整治迁并。本文引入基于牛顿引力的负幂式引力模型[19]，具体公式如下：

式中，Iij为居民点j受到城镇i的影响引力；Mi、Mj分别为城镇i与居民点j的影响质量；G为经验系数，取1；r为城镇i与居民点j的影响半径；b为距离摩擦系数，取2。

2 研究区案例研究

2.1 生态安全面及安全系数的建立

2.1.1 水土保持安全指数面 一般居民点的建设都要保证其地势环境的稳定性。水土流失产生土地利用环境的不稳定，而且严重区域极易引发坍塌、山体滑坡等灾害，不仅使周边的居民产生诸多生产、生活的不便，甚至会危害到居民的生命安全，故在居民点的分布区域一定要具有较强水土保持能力。研究表明，水土流失与坡度、土地利用类型、植被覆盖度等因素具有高度相关性。故选取坡度、土地利用类型、植被覆盖度及距离伊犁河距离来研究察县基于居民点建设的水土保持安全格局。一般区域坡度越小，其水土安全分值越高，水土安全稳定性越高；由于不同土地利用类型生态服务功能有所不同，其水土保持效果也不同，一般森林的生态服务价值最高，水土保持能力越高，生态安全分值越高，建设用地生态服务价值最低，生态安全分值最小；植被可以调节气候、涵养水源、改善土壤成分等，故区域植被覆盖指数越高，其水土保持能力越高，生态安全分值越高；由于察县位于伊犁河南岸，察县的发展与伊犁河具有紧密的联系，一般距离大型水体一定距离内，河流的侵蚀较为严重，水土不稳定，故距离水体较远的区域其水土相对较稳定，生态安全分值较高。

2.1.2 生物多样性安全指数面 生物的多样性是维持自然生态系统平衡的基础，而人类的生活对野生动植物的生长具有一定的影响，处理不当将造成生态系统的失衡，进而危害整个人类的生活。故居民点建设的选址要保证远离动植物的生活环境。选取植被覆盖指数、土地利用类型和距离伊犁河距离来反映区域生物多样性安全指数。植被覆盖指数越大，植被总量也就相对较多，动物生活及迁徙都比较容易，物种越复杂，区域生态安全分值越高；不同土地利用类型具有不同的生态服务价值，生态服务价值越高其生态稳定性越高，物种越复杂，生态安全分值越高；由于靠近伊犁河的区域具有较多湿地滩涂区域，这些区域不利于人类的生产生活，但是物种较多，生态安全分值较高。

2.1.3 风景名胜保护安全指数面 与生物多样性相同，居民的日常生产、生活难免对风景名胜产生影响，为保护自然、人文景观的原始性，居民点的建设应该远离风景名胜保护区。一般风景名胜区选址多在自然景观丰富、河流、湖泊、森林等地。因此选取土地利用类型、植被覆盖指数建立生态安全指数面。根据有关研究，植被覆盖指数越高的区域，安全指数越高；根据各地类不同生态服务价值的娱乐价值高低，确定土地利用类型的风景名胜保护指数的高低。

按指标等级划分9个安全等级分数：1、2、3、4、5、6、7、8、9。

在此基础上根据察县居民点分布现状，结合专家及相关部门的意见运用层次分析法及专家打分法，确定不同生态安全等级指标权重与量化标准，见表1。

2.2 农村居民点优化潜力评价

只有对居民点分布的现状有清楚的了解，才能制定具有针对性的整治优化方案。根据察县农村居民点的现状建立评价体系，来确定农村居民点的优化潜力等级。选取地形、居民点数据、区位影响因素，构建农村居民点优化潜力评价体系。

居民点分布地势的高低，决定了居民点是否会由于地势过于陡峭而进行迁移或限制发展，而相较于陡峭的区域，地势平坦的地区居民点集聚发展的可能性就越大。针对农村居民点的整治优化，其自身现状数据是确定居民点优化方向的基础，选定居民点的经济、人口及用地规模来综合表示居民点现状数据，居民点自身条件越优越其发展的可能性越大，整治优化潜力越高。区位因素可以表达现有居民点是否具有继续发展的潜力，区位条件较好的地区更能吸引居民点在此集聚，区位较差的居民点搬迁的可能性越大。

根据各居民点实际情况，结合当地有关部门及专家意见并且综合运用变异系数法确定农村居民点现状优化潜力评价体系权重，见表2。

2.3 居民点整治优化

农村居民点的发展在一定程度上受到城镇的影响，一般城镇经济的发展带动区域居民收入的提高，进而可以促进农村居民点的发展，但当居民点受城镇影响因子超过一定限度，会制约居民点的进一步发展，使其并入城镇区。因此在进行农村居民点整治优化时，要先将受城镇影响大的居民点划出，列为城镇化区，不再进行居民点的整治迁并。

根据有关研究表明[19]，引力模型中的质量M通常与聚落的规模、人口、收入有一定的联系。选取察县主要城镇与居民点的常住人口、建设用地规模及经济收入为影响因子，通过层次分析法结合有关专家意见确定质量影响因子的权重（表3），影响半径取居民点与城镇最近距离，其中有距离值为0的城中村，将其直接划分为城镇化区。

未来居民点的发展趋势是由规模小、分布离散的居民点逐渐向规模较大、连片的区域集聚。将农村居民点现状优化潜力评价结果与察县农村居民点生态安全格局面进行叠加分析，并且结合城镇影响引力计算结果，将察县农村居民点划分为城镇化区、重点发展区、内部改造区、迁移并点区。

2.3.1 城镇化区 根据城鎮影响引力计算结果将城镇影响引力值通过量化，运用空间叠加频率直方图统计分析，以频率突变点划分等级，将受城镇引力值最大等级的居民点划为城镇化区，在该区应不断提高区域城镇化水平，降低第一产值的比重，为城镇进一步的发展打下基础。

2.3.2 重点发展区 将居民点优化潜力较高且位于生态阻力较小的区域、居民点优化潜力一般但城镇引力较大的区域、居民点优化潜力中等但其建设生态阻力较小且具有一定用地面积的区域划为重点发展区，作为未来居民点发展的重点和整治并村的中心区域，重点发展区应加强基础设施的完善，提高居民生活质量，加速居民点的集聚发展。

2.3.3 内部改造区 将居民点优化潜力一般但其建设生态阻力较小且具有一定面积的区域、居民点优化潜力较好但生态阻力较大的区域划为内部改造区。内部改造区的居民点应优化其内部用地结构，同时提高基础设施投入力度，内部发展为主，为居民点优化布局提供支持。

2.3.4 迁移并点区 将居民点优化潜力较差、建设生态阻力较大的区域、用地规模较小的居民点划为迁移并点区。迁移并点的居民点需根据整治迁并方向进行整理。

3 结果与分析

3.1 生态安全格局

根据生态安全指数因子及其指标权重，通过栅格计算（本文统一采用30×30的栅格进行计算）分别得到各指标安全分值面；运用最小累计阻力模型且结合实际情况，分别得到水土保持安全格局面、生物多样性保护安全格局面、风景名胜保护安全格局面以及根据相同权重建立的综合生态安全格局面；最后利用ArcGIS的Reclassify工具将各安全格局面划分为4个等级，分别为低等生态安全区、中等生态安全区、高等生态安全区、最高生态安全区，见图1。

从图1可以看出，察县北部区域靠近伊犁河、地势较为平坦，植被密集，故该区域水土保持水平较高；中部区域地势起伏平缓，远离伊犁河，主要地类为草地，植被覆盖率较大，且区域远离风景名胜、湿地等保护区，所以其居民点的建设综合生态阻力相对较小，其中生物多样性保护安全指数最高；察县南部为天山山麓，地势变化较大，且多数生态保护区、森林公园分布在此处，故区域居民点优化综合生态阻力最大，生态安全水平最低，不利于居民点的建设。

3.2 居民点优化潜力评价

在ArcGIS当中对各单因子的分布图进行叠加分析得到察县农村居民点优化潜力评价图层，最后运用上述居民点优化方法且结合实际情况将察县现有居民点分为最高潜力区、高度潜力区、中度潜力区、低度潜力区4个分区，见图2。

从图2可以看出，察县南部靠近伊犁河较为平坦的地区，交通便利，河流密布并且距察县县城较近，利于居民点的建设，农村居民点现状适宜性最高，优化潜力最大。而察县中南部地区，由察县北向南地势变化不断加强，主要地类为未利用草地，河流相对减少，且远离中心城区，对居民的生活和生产有一定的限制，故居民点现状优化潜力较小。

3.3 居民点布局优化

将农村居民点现状优化潜力评价结果与察县农村居民点生态安全格局面进行叠加分析，并且结合城镇影响引力计算结果，将察县农村居民点划分为城镇化区、重点发展区、内部改造区、迁移并点区，见图3。

图3结果表明，居民点重点发展区主要集中在察县北部平坦的区域，这里居民点优化潜力及生态安全水平均较高，适合居民点的建设，且邻近察县县城经济中心区，利于居民的生产、生活水平的提高；察县中南部区域由于远离经济中心区域，居民点优化潜力值相较北部低，但总体距离北部的重点发展区较远，迁并成本较高，而且在区域中大多居民点集聚建设，可以选取其中规模较大，潜力较高的居民点作为主要发展区域，进行居民点迁并优化。

4 小结

结合察县具体数据，通过针对水土保持、生物多样性、风景名胜方面来建立生态安全指数面，通过栅格计算得出农村居民点建设生态安全综合阻力面；运用地形、居民点数据、区位影响因素，建立农村居民点优化潜力评价体系，运用ArcGIS建立察县农村居民点潜力评价图；将农村居民点优化生态安全综合阻力面及农村居民点优化潜力评价图进行叠加，并结合引力模型计算城镇引力值，确定察县各农村居民点优化分区，并且结合行政界限确定居民点的整治优化方案。分析结果如下。

1）根据居民点优化生态安全格局研究，察县地势南高北低，全县多数森林生态保护区分布于地势较高的山脉区域内，因此该区域对于居民点布局的生态安全阻力最大；而在伊犁河沿岸分布部分湿地保护区及部分公园景区，这些区域不适宜居民点的建设，故其生态安全水平较低，安全阻力较大。

2）根据居民点优化潜力评价，可以看出察县居民点优化潜力值主要是北高南低，这主要因为察县地势南高北低，且北部河网密布，离中心城区较近，交通便利经济发达，利于居民生产生活，居民点发展潜力较高；而中部面积广阔，但河网较少，大多居民点都是集中于部分冰川河流附近，且由于远离经济发达区域，故总体发展潜力较低。

3）由于察县居民点优化生态安全水平及居民点优化潜力分布均北高南低，故重点发展区多集中在北部平坦区域，而由于中部土地面积较大，选取区域优化潜力相对较高的居民点作为重点迁并中心，重点发展带动整体区域的发展。

本文通过对察县农村居民点优化潜力评价分等、建立综合生态安全阻力面并且结合城镇引力分值对居民点进行初步优化分区，为察县未来居民点的整治优化提供科学依据。由于数据的因素，生态安全指数的确定及农村居民点优化潜力评价考虑的因素等还有待于进一步完善。

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