论文总字数：9908字

摘 要

以南京市溧水区作为研究区，Landsat TM遥感影像和南京区县行政地图作为主要数据源；在ERDAS软件里用南京地图对遥感图像进行校正并裁剪出南京市溧水区范围，用精度较高的城镇用地指数ULI提取其城镇用地，以Google Earth南京卫星影像为对照，取适当的阈值得到精准的乡村聚落斑块；在ArcGIS软件里将ERDAS格式的栅格图像转换成ESRI格式的栅格文件，同时得到该地区的河流、道路等辅助矢量数据；把得到的乡村聚落栅格图斑，利用与景观生态学相关的Fragstats软件计算出多个乡村聚落的景观格局指数并进行相应的分析。结果表明：研究区内，乡村聚落点大致在空间分布上呈现聚集，从中心向四周散开，中心紧凑，四周零散；聚落图斑分布与道路分布较明显，并沿道路呈带状分布，河流因素影响反而不明显。

关键词：南京溧水，乡村聚落，GIS，景观生态学，Fragstats

Abstract：Nanjing Lishui area as the study area, Landsat TM remote sensing images and topographic maps Nanjing county electronics as the main data source; in Nanjing map, using the software of ERDAS remote sensing image correction and cropping area of Lishui range with high accuracy the index ULI extract its urban land urban land to Google Earth satellite images in Nanjing as a control, to take the appropriate threshold precise rural settlements worth plaques; in software of ArcGIS in the raster image format into ERDAS ESRI raster file formats while getting the region"s rivers, roads and other auxiliary vector data; rural settlements to get raster spots, use and landscape ecology related software calculates multiple Fragstats rural settlements of landscape indices and the corresponding analysis. The results show that: the study area, rural settlements point roughly rendered on the spatial distribution of aggregation, spread from the center to the edges, the center is compact, surrounded by scattered; settlement polygons obvious distribution and road distribution and zonal distribution along the roads, rivers factors but not obvious.

Keywords：Nanjing Lishui, rural settlements, GIS, landscape ecology, Fragstats

1 引言

乡村聚落又可称为乡村居民点，乡村是人口资源的集中地，居民点是乡村的基本单位，是居民以农业为经济活动主要形式的聚落，是指乡村地区人类各种形式的居住场所，即村落，包括所有的村庄和拥有少量工业企业及商业服务设施，但未达到建制镇标准的乡村集镇^[1]。在社会经济的发展面前，乡村聚落的分布布局是当今需要面临的重要问题，这也是影响农村现代化建设即城乡规划的首要因素。乡村聚落空间是研究乡村居民点的形成、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^[2-3]。影响聚落分布的因素主要有人为的社会经济（生产方式、风俗习惯、文化背景等）和非人为的自然环境（地形、气候、水源等）两种。本文倾向研究河流和道路这两种因素对乡村居民点分布的影响。

为了便于农业生产，农民根据自己的需求选择地域，盖建房屋，开垦土地，长期以来乡村建设一直处于农民自己选择和管理的状态，使得农村居民点有了规模小，基数多，分布零散这些特点，大部分农民实行自产自销的运营方式，因此很多农舍房屋被农民废弃，这些居民点随即成为了耕地。近年来，经济发展在迅速加速，特别是南京这一省会城市，表现极为明显。所谓看一个城市是否真正繁荣发达，就得先看看他的乡村建设发展的如何，随着新农村建设和城乡一体化，南京周边郊区乡镇也都开始建设房屋。有研究表明，从农村居民点用地置换出的土地指标可为城市化发展提供有力的建设用地保障^[4]。此时，居民点如何迁移？选址标准该如何评定？这些问题都需要仔细斟酌，在此可见研究乡村聚落空间分布的规律显得尤为重要，对乡村居民点整体调控、统筹发展都具有极高的参考价值。长期来，乡村聚落是我国主要的居住方式，而乡村聚落布局缺少整体的规划和调控，近年来，基于RS和GIS技术对乡村聚落空间结构的定量研究开始增多^[5]。本文通过GIS和RS的空间分析功能来研究南京市溧水区2010年乡村聚落的空间分布规律，为今后几年南京溧水区这种象征性的郊区的乡村建设提供一点学术性参考。

2 研究区选取及数据来源

2.1 研究区选取

南京位于长江下游中部富庶地区，江苏省的西南部（图1）。地处北亚热带，属亚热带季风气候；长江从中穿插而过，总长将近200千米，辖内还有秦淮河、莫愁湖、固城湖、石臼湖、玄武湖等流域水网交织，水域面积占总面积的11%以上。南京道路四通八达，宁合、宁沪、宁滁、宁通、宁连、宁高、宁淮、宁蚌、宁常、宁杭等多条高速公路以南京为中心呈放射状直通江苏省各市及江苏省周边省市。其中，国道4条，国家高速公路5条。可见南京交通发达，山地环绕，河流纵横，地势特征明显，具备作为乡村聚落分布特征研究区域的条件。但是，由于南京地区城市化水平很高，南京主城区占据了区域范围的大部分，乡村聚落用地被挤压在主城区四周。如果以南京市整个区域作为研究区，首先是研究区域范围太大，其次是城市化区域面积大，再次是乡村聚落用地空间结构上不连续。因此，综合考虑，选取南京主城区周边城市化水平相对降低的溧水区作为研究区域。

溧水区位于南京市的中南部，面积大约占据1067平方公里，东邻溧阳市，西接安徽省当涂县，南连高淳，东北与句容市接壤，西北与江宁交界。溧水区属宁镇扬丘陵山区，其地势表现为东南高西北低。溧水是国家重要影视基地和农业科技基地，华东地区重要交通枢纽和物流中心，长三角地区制造业基地和现代化产业集聚区；在农业上已经发展了以茶叶，草莓等水果，中药材，有机食品，禽畜，水产等具有特色的农业生产基地；溧水的稻谷、小麦、油料等粮食产量每年大量递增，其经济正飞速发展。

图 1 研究区域

2.2 数据来源

本文用作研究的数据源分别是从中国科学院数据云（http://www.csdb.cn/）下载的南京市范围2010年8月19日拍摄的Landsat TM遥感影像图（坐标范围东经118°21"48"至119°14"10"，北纬31°13"41"至32°36"51"）；从江苏测绘地理信息局（http://www.jschj.gov.cn/dtll/index.html）下载的1:180000比例尺的南京市各区县行政图。

图2 南京溧水区范围遥感图像

用ERDAS IMAGINE 9.2将南京市遥感地图对照地形图进行几何校正，根据地形图区界限将南京市溧水区范围裁剪出来（图2），城镇提取可以用归一化建筑用地指数NDBI，改进过的归一化建筑用地指数MNDBI，城镇用地指数ULI。归一化建筑指数相对传统方法，提取城镇用地是比较快速有效的，提取精度也相对较高；改进后的归一化建筑用地指数在原来指数的基础上进行了优化，能够更加突出城镇用地信息，但是这两个指数的提取结果包含了大量的低密度植被区和落地信息，而城镇用地指数将前两个指数的优点进行了结合，取长补短，去除了低密度植被区的影响，虽然仍包含了一些裸地信息，但相比之下城镇用地指数的精度相对提高了很多，提取结果客观可信，所以本文选用建筑用地指数ULI进行解译溧水区的城镇用地，公式如下：

（1）

（2）

（3）

其中，NDVI是植被指数，ULI在NDBI的基础上结合了NDVI，将两者求交运算能有效去除低密度植被的干扰，在ERDAS里用上述公式进行建模操作，能够得到城镇信息，再与谷歌地图的卫星图像进行观察比较，发现阈值约取0.5获取的城镇用地图斑更接近事实情况，二值化后得到城镇图斑（图3）；最后用ArcGIS将处理好的图像结果进行数据格式转换，得到FragStats可用的ESRI格式文件。

图3 溧水区城镇用地分布图

3 研究方法

景观生态学是一门新兴的交叉学科，是以整个研究景观为对象，运用生态系统原理和方法，通过生物与非生物或者与人类之间的相互作用转化和物质流、信息流与能量流的传输交换去研究该景观的结构、动态变化以及相互作用、美化和优化其格局和结构、得到合理利用和保护的学科^[6]。现代的景观生态学研究发展分为两个方向，其中一个是强调结合分析研究和综合研究两者，分析研究去解释景观的特征是通过研究对景观的各种组成部分和之间相互关系，综合研究则是强调研究景观整体的特征；另一个是研究讨论如何合理开发利用、保护和治理景观，相当于研究景观的土地结构。本文研究恰是利用景观生态学的第二个方向进行研究，研究溧水区的城镇结构，讨论如何合理开发利用土地，进行乡村建设。

3.1 景观指数

景观指数能够高度浓缩景观格局信息，反映其结构组成和空间配置某些方面特征的简单定量指标^[7]。景观空间格局的变化情况可以由景观指数的变化准确明白地反映出来，所以本文利用景观生态学里的各种景观指数来体现和分析乡村聚落的格局分布、形状和规模等特征（表1）。

表1 本文用到的各种景观指数

景观指数	英文缩写	应用尺度	单位	表示意义
斑块数目	NP	类型/景观	无	单个类型斑块的数量
平均斑块面积	AREA_MN	类型/景观	无	斑块的平均规模
景观形状指数	LSI	类型/景观	无	斑块不规则程度
斑块面积标准差	AREA_SD	类型/景观	Ha	斑块大小和规模的变化趋势
聚集度	CLUMPY	类型/景观	无	斑块与邻近斑块关系
平均最邻近距离	ENN_MNN	类型/景观	m	斑块之间的邻近程度
平均斑块分维数	FRAC_MN	类型/景观	无	斑块的破碎化程度
平均斑块形状指数	SHAPE_MN	类型/景观	无	斑块的破碎化和不规则程度

（1）景观形状指数

景观形状指数用于分析乡村聚落斑块的形状与相同面积的正方形相比，其形态的复杂程度^[7]。计算公式如下：

（4）

式中，A为乡村聚落斑块的面积；P为聚落斑块的周长。LSI即景观形状指数表示斑块形状与正方形相差的程度，如果斑块的形状为正方形，那么其景观形状指数值为1；其指数的数值范围应该是LSI≧1，指数值越大，表示斑块形状与正方形相差得越大，形状越不规则，斑块形状越长；当景观形状指数的数值超过3，就表示斑块是带状分布的^[8]。

（2）斑块面积标准差

斑块面积标准差是指每一个斑块的面积与平均斑块面积之差的平方总和，去除斑块的总数，开方后再转换成平方千米。如果景观区域里只有一个斑块或所有的斑块大小一致时，斑块面积标准差的取值为0。斑块面积标准差越大，就说明乡村聚落斑块规模与平均规模之间的差距越大，取值范围：大于等于0，无上限。当计算公式如下：

（5）

式中，a_ij为斑块的面积；A为研究区聚落斑块的总面积；N为斑块得总个数。

（3）聚集度

聚集度反映斑块在景观中聚集与分散状态，重点表达相同斑块类型之间的相邻关系^[9]。计算公式如下：

（6）

式中，m是斑块类型总数，例如只有城镇斑块，那m就是1；P_ij是两个随机相邻的斑块属于类型i与j的概率。聚集度考量同一类型斑块的聚集程度，如城镇用地的聚集程度，斑块类型数和斑块类型均匀度会影响该指数的取值，其取值范围是0至100之间。如果聚集度值比较小说明该景观是由许多离散的小斑块组成，否则相反。

（4）平均最近邻近距离

平均最近邻近距离能够反映乡村聚落之间的邻近程度，是指景观中每一个斑块与其所有最邻近斑块距离的总和，去除有邻近斑块的斑块总数。公式如下：

（7）

（5）平均斑块分维数

可以用一个斑块的分维数来衡量该斑块形状的复杂程度，公式如下：

（8）

即

（9）

式中，P为单个斑块的周长，k是常数，A为单个斑块的面积；通常常数k值取4，标准几何形状的分维数是1；斑块分维数范围一般是1至2之间，代表斑块是具有复杂边界的，同理分维数越大，表示斑块的形状越脱离标准形状，就越复杂。在用分维数来描述景观的几何形状复杂性的时候，通常采用线性回归法，即：F=2S，其中S是景观中所有斑块的周长和面积的对数回归产生的斜率，可以通过计算不同尺度域上的分维数进行比较来确定其空间自相关性^[10]。

（6）平均斑块形状指数

平均斑块形状指数是指景观中的校正常数乘以所有斑块周长除以对应面积平方根的总和，去除斑块总数，它能辅助反映乡村聚落斑块形状的复杂程度。公式如下：

（10）

其中，0.25为正方形校正常数，P_ij为景观中每个斑块的周长，A_ij为每个斑块的面积，N为斑块总数；如果景观中所有斑块的形状都为正方形，平均斑块形状指数的数值应该为1；平均斑块指数的数值越大表示斑块形状与标准正方形相差越大，聚落斑块的复杂程度越大。

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