CN112733237A - 一种基于乡村聚落空间形态模型的构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于乡村聚落空间形态模型的构建方法，包括步骤1.定量识别乡村聚落规模、密度和形状空间形态特征；步骤2.利用自然断点法将规模和密度分为三类；步骤3.形状特征分为规则和不规则两类；步骤4.利用组合矩阵法将空间形态特征进行组合。本发明集成模型可以有效识别乡村聚落的空间形态，在连续数据支持下可以动态观测乡村聚落的空间演变态势，为农村土地整理、乡村规划提供重要支撑。
Description
技术领域
本发明属于建模技术领域，尤其涉及一种基于乡村聚落空间形态模型的构建方法。
背景技术
随着城镇化和工业化的快速推进，社会经济发展取得了历史性成就。城镇化率在短时期内快速提升，据最新数据显示，2019年人口城镇化率首次超过60％，初步完成了从乡村社会到城市社会的转型，进入城市社会时代。但是，有专家学者认为城镇化进程中出现了土地扩张快于人口增长的“冒进式倾向”，制约着经济发展与城乡发展的转型，并且这种大规模的持续开发建设活动促使人与自然之间、城市与乡村以及城镇、农业、生态之间出现不可协调的矛盾，衍生出城镇用地无序扩张、农村“空心化”、宅基地闲置等一系列问题，与国土资源集约利用理念相悖。另外，农村用地布局和建设缺乏有效的管理和约束，农村居民点空间分布长期处于农民自发选择的状态，致使农村居民点无序扩张，“一户多宅”、“建新不拆旧”、布局散乱等现象十分常见。为此，乡村聚落空间是农村人地关系的核心表现，是农村居民生产生活的重要空间载体，更是乡村振兴的重要抓手。从定量的角度对乡村聚落空间形态进行识别就显得尤为重要。目前，关于乡村聚落空间形态的识别多利用数理统计学方法，如形状指数、分维数、斑块密度、平均最邻近指数等方法测度乡村聚落空间形态。
目前，利用数理统计方法应用于乡村聚落空间形态识别上的较多，且比较成熟，但也存在明显的不足：
(1)多侧重于单一方法识别乡村聚落某一方面空间形态特征。
(2)乡村聚落具有空间上的尺度效应，应从“点-线-面”等不同维度对其进行识别并划分乡村聚落不同组合特征。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提出一种基于乡村聚落空间形态模型的构建方法。利用核密度估计、景观形状指数等方法集成模型识别乡村聚落空间形态并利用组合矩阵方法划分形态组合特征。
本发明采用如下技术方案：
一种基于乡村聚落空间形态模型的构建方法，包括：
步骤1.定量识别乡村聚落规模、密度和形状空间形态特征；
步骤2.利用自然断点法将规模和密度分为三类；
步骤3.形状特征分为规则和不规则两类；
步骤4.利用组合矩阵法将空间形态特征进行组合。
进一步的，步骤1具体包括：(1)利用核密度估计法、(2)景观格局指数法、(3)空间叠加分析法。
进一步的，(1)利用核密度估计法，是根据输入的要素数据集计算整个区域的数据聚集状况，从而产生一个连续的密度表面，核密度估计值反映乡村聚落空间分布密度值和空间结构特征，计算公式如下：
式中，f(x，y)为位于(x，y)位置的密度估计；n为观测数量；h为带宽；k为核函数；di为(x，y)位置距第i个观测位置的距离。
进一步的，(2)景观格局指数法，景观格局指数指能够高度浓缩景观格局信息，反映景观结构组成和空间配置某些方面特征的简单定量指标，选取景观形状指数来表征研究区农村居民点空间形态，计算公式如下：
式中，LSI是景观形状指数，反映乡村聚落矢量图版的复杂程度，值越大，乡村聚落形状越不规则，边界曲折度越大；E为格网内乡村聚落斑块周长，A为格网内所有乡村聚落图斑总面积。
进一步的，(3)空间叠加分析法，乡村聚落空间形态具有复杂多维度特征，仅从其中一个维度识别无法全面揭示乡村聚落空间布局的客观规律，因此从多维度出发构建乡村聚落空间形态组合特征，并用组合举证将乡村聚落空间形态特征进行组合。
本发明的有益效果：
采用该集成模型可以有效识别乡村聚落的空间形态，在连续数据支持下可以动态观测乡村聚落的空间演变态势，为农村土地整理、乡村规划提供重要支撑。
附图说明
图1为本发明的乡村聚落空间形态类型组合特征；
图2为本发明的步骤流程图；
图3(a)为乡村聚落规模特征图；
图3(b)为乡村聚落密度特征图；
图3(c)为乡村聚落形态特征图；
图4为乡村聚落空间形态特征图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
研究思路：针对现有研究方法存在缺陷，本发明提出了一种基于乡村聚落空间形态模型的构建方法。首先，利用核密度估计、景观格局指数和空间叠加分析等方法，定量识别乡村聚落规模、密度和形状空间形态特征，并利用自然断点法将规模和密度分为三类，形状特征分为规则和不规则两类。然后利用组合矩阵法将空间形态特征进行组合，理论上组合类型应有18种，如图1所示。
如图2所示，本发明的一种基于乡村聚落空间形态模型的构建方法，包括：
(1)核密度估计
核密度估计(KDE)是一种用于估计概率密度函数的非参数方法，可以根据输入的要素数据集计算整个区域的数据聚集状况，从而产生一个连续的密度表面。核密度估计值可以较好的反映乡村聚落空间分布密度值和空间结构特征。计算公式如下：
式中，f(x，y)为位于(x，y)位置的密度估计；n为观测数量；h为带宽；k为核函数；di为(x，y)位置距第i个观测位置的距离。
(2)景观格局指数
景观格局指数指能够高度浓缩景观格局信息，反应景观结构组成和空间配置某些方面特征的简单定量指标。选取景观形状指数(LSI)来表征研究区农村居民点空间形态，计算公式如下：
式中，LSI是景观形状指数，反映乡村聚落矢量图版的复杂程度。值越大，乡村聚落形状越不规则，边界曲折度越大；E为格网内乡村聚落斑块周长，A为格网内所有乡村聚落图斑总面积。
(3)乡村聚落空间形态组合特征
乡村聚落空间形态具有复杂多维度特征，仅从其中一个维度识别无法全面揭示乡村聚落空间布局的客观规律，因此从多维度出发构建乡村聚落空间形态组合特征，并用组合矩阵将乡村聚落空间形态特征进行组合。
实施例
研究区概况
都江堰市隶属于四川省成都市，位于成都平原西北边缘，地处岷江出山口，介于北纬31°02′09″-31°44′54″、东经103°25′42″-103°47′0″之间，属亚热带季风性湿润气候，平均年降雨量为1243.80mm。地跨川西龙门山地带和成都平原岷江冲积扇扇顶部位，属于中国大地貌划分的三个阶段的第一个阶梯的东缘，即从第一个阶梯的青藏高原向位于第二阶梯的四川盆地过渡的典型山地平原过渡带。
境内东西向高程变化剧烈，地势由西北到东南呈阶梯分布，依次为高山、中山、低山、丘陵和平原，海拔540-4678m，最大相对高度差4138m。境内山地丘陵占65.79％，平坝占34.21％，素有“六山一水三分田”之说。
全市总面积1208平方公里，辖1个街道办事处、17个镇、2个乡。2015年底，户籍人口62.05万人，常住人口68.02万人，其中农业人口近38万人(常住人口)，农村常住居民人居可支配收入16505元。自2005年以来，随着都江堰市城镇化率的不断上升和农村土地综合整治、增减挂钩等工作有序推进，特别是在汶川地震之后，农村居民点空间布局和形态发生较大变化，但人均用地面积依然远超国家最高标准。同时，都江堰市属于生态环境脆弱的地质灾害多发区。因此，面对生态移民、灾害搬迁和土地整治等一系列需求，农村居民点优化布局成为统筹城乡发展、协调人地关系的重要举措。
识别过程
首先，在ArcGIS10.2中建立地理数据库，其中主要包括都江堰市2015年土地利用现状图与都江堰市行政区划边界，另外为了保证数据格式统一，将统一使用GCW_Xian_1980坐标系。再以都江堰市土地利用现状图为本研究底图，从中提取乡村聚落斑块，并转换成点状矢量数据，作为下一步识别乡村聚落空间形态的基础数据。
然后，在ArcGIS10.2中，利用统计分析工具和自然断点法将乡村聚落规模划分为小规模、中规模、大规模；再利用点密度分析工具，识别都江堰市乡村聚落密度空间分布，并以村为研究单元，利用自然断点法将乡村聚落密度划分低密度、中密度、高密度；最后，在乡村聚落图斑属性表中，借助景观形状指数计算公式，再利用空间分析工具和自然断点法，以村为单元将乡村聚落形状指数划分为规则和不规则，如图3(a)-图3(c)所示。
最后，在ArcGIS10.2中，利用空间叠加分析识别都江堰市农村聚落空间组合形态，如图4所示。
结果分析
(1)都江堰市乡村聚落规模和密度空间分异明显，乡村聚落规模和密度较大的村集中分布在都江堰市东部和东南部平原地区。尤其是密度特征聚集非常明显，呈现两个集中分布的热点区域。该区域属于岷江冲积平原，土壤肥沃、耕地资源丰富，是典型的传统农耕地区，居民点密度较大，同时也是都江堰市对外开放的门户，交通便利、基础设施较为完善。因此在都江堰市东部和东南部地区农村居民点分布密集且规模较大；反观北部和西南部山区和丘陵地带，一方面，该区域人口密度较低；另一方面，自然环境因素对山区农村居民点空间选址具有关键决定力，可供农户建房选址的地域有限，导致农村居民点用地数量少、规模小。
(2)都江堰市乡村聚落形状特征分异与规模和密度特征相异，乡村聚落形状规则的主要分布在都江堰市中心城区以北和周边区域。主要是因为中心城区附近由于受城镇辐射影响较大，未来有城镇化趋势。另外受城镇规划影响，对于城镇周边的农民建房相对来说监管更为严格。而北部地区由于受地形地貌等自然环境因素的影响，可供农户建房选址的地域有限，导致农村居民点用地数量和规模较小。因此，形状指数也较小，相对较为规则。
(3)都江堰市乡村聚落空间形态组合类型有17种。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种基于乡村聚落空间形态模型的构建方法，其特征在于，
步骤1.定量识别乡村聚落规模、密度和形状空间形态特征；
步骤2.利用自然断点法将规模和密度分为三类；
步骤3.形状特征分为规则和不规则两类；
步骤4.利用组合矩阵法将空间形态特征进行组合。
2.根据权利要求1所述的基于乡村聚落空间形态模型的构建方法，其特征在于，步骤1中，定量识别乡村聚落规模、密度和形状空间形态特征的方法具体包括：(1)核密度估计法、(2)景观格局指数法、(3)空间叠加分析法。
3.根据权利要求2所述的基于乡村聚落空间形态模型的构建方法，其特征在于，(1)核密度估计法，是根据输入的要素数据集计算整个区域的数据聚集状况，从而产生一个连续的密度表面，核密度估计值反映乡村聚落空间分布密度值和空间结构特征，计算公式如下：
式中，f(x，y)为位于(x，y)位置的密度估计；n为观测数量；h为带宽；k为核函数；di为(x，y)位置距第i个观测位置的距离。
4.根据权利要求2所述的基于乡村聚落空间形态模型的构建方法，其特征在于，(2)景观格局指数法，景观格局指数指能够高度浓缩景观格局信息，是反映景观结构组成和空间配置特征的简单定量指标，选取景观形状指数来表征研究区农村居民点空间形态，计算公式如下：
式中，LSI是景观形状指数，反映乡村聚落矢量图版的复杂程度，值越大，乡村聚落形状越不规则，边界曲折度越大；E为格网内乡村聚落斑块周长，A为格网内所有乡村聚落图斑总面积。
5.根据权利要求2所述的基于乡村聚落空间形态模型的构建方法，其特征在于，(3)空间叠加分析法，乡村聚落空间形态具有复杂多维度特征，仅从其中一个维度识别无法全面揭示乡村聚落空间布局的客观规律，因此从多维度出发构建乡村聚落空间形态组合特征，并用组合矩阵将乡村聚落空间形态特征进行组合。
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