陳偉強(qiáng)，劉耀林，銀超慧，荊 瑩，關(guān)小克

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基于迭代評(píng)價(jià)法的農(nóng)村居民點(diǎn)優(yōu)化布局與整治策略

陳偉強(qiáng)1，劉耀林2，銀超慧2，荊 瑩2，關(guān)小克3

（1. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450002； 2. 武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，武漢 430079；3. 鄭州輕工業(yè)學(xué)院社會(huì)發(fā)展研究中心，鄭州 450002）

科學(xué)進(jìn)行農(nóng)村居民點(diǎn)優(yōu)化布局，對(duì)實(shí)施農(nóng)村居民點(diǎn)整治，實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)一體化發(fā)展意義重大。該文以河南省新鄭市為例，研究了農(nóng)村居民點(diǎn)優(yōu)化布局的方法和分區(qū)整治策略?；谥行牡乩碚摚O(shè)計(jì)了農(nóng)村居民點(diǎn)理想布局模型，在農(nóng)村居民點(diǎn)適宜性評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了農(nóng)村居民點(diǎn)適宜性迭代評(píng)價(jià)的方法，設(shè)計(jì)了程序算法，利用Python語言和ArcPy類庫(kù)實(shí)現(xiàn)了軟件工具開發(fā)。研究結(jié)果表明：根據(jù)農(nóng)村居民生產(chǎn)和生活需求設(shè)計(jì)的理想村莊布局模型參數(shù)為：村莊之間的標(biāo)準(zhǔn)距離2.5 km，最大耕作半徑為1.44 km，聚落腹地面積541.27 hm2。新鄭市農(nóng)村居民點(diǎn)適宜性評(píng)價(jià)綜合分值呈現(xiàn)出東高西低的非均勻分布，而迭代評(píng)價(jià)結(jié)果呈現(xiàn)出相對(duì)均勻的分布，利用該結(jié)果進(jìn)行村莊布局優(yōu)化更加合理。進(jìn)行村莊優(yōu)化布局，設(shè)置了17個(gè)中心村，103個(gè)基層村，其余為拆遷村，并將拆遷村劃分為政府主導(dǎo)型和規(guī)劃引導(dǎo)型2類，針對(duì)不同類型的村莊提出了對(duì)應(yīng)的整治策略。研究結(jié)論認(rèn)為，農(nóng)村居民點(diǎn)迭代評(píng)價(jià)方法得到的結(jié)果，更加科學(xué)合理，該結(jié)果通過規(guī)劃引導(dǎo)，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)村居民點(diǎn)的合理演化，該文的方法可為相關(guān)研究提供參考和借鑒。

土地利用；優(yōu)化；農(nóng)村；居民點(diǎn)；適宜性評(píng)價(jià)；迭代評(píng)價(jià)

0 引 言

隨著工業(yè)化與城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，農(nóng)村的勞動(dòng)力和土地等生產(chǎn)要素大量非農(nóng)化，農(nóng)村“空心化”問題日趨嚴(yán)重[1-2]。由于農(nóng)村居民點(diǎn)用地的騰退機(jī)制短缺和半城市化現(xiàn)象普遍存在，農(nóng)村居民點(diǎn)用地面積并未伴隨農(nóng)村勞動(dòng)力非農(nóng)化而隨之減少[1]。針對(duì)農(nóng)村居民點(diǎn)利用、管理中存在的問題，眾多專家基于不同的視角對(duì)其進(jìn)行了廣泛而深入的探討[3-9]，均認(rèn)為在科學(xué)布局的基礎(chǔ)上，開展農(nóng)村居民的有序整治是解決這一問題的關(guān)鍵所在，并隨之成為廣大學(xué)者們的研究熱點(diǎn)[10-13]。

土地適宜性評(píng)價(jià)是土地利用優(yōu)化布局的前提基礎(chǔ)，農(nóng)村居民點(diǎn)優(yōu)化布局也離不開適宜性評(píng)價(jià)[6]。農(nóng)村居民點(diǎn)適宜性評(píng)價(jià)時(shí)主要考慮的因素有耕作半徑[14]、生產(chǎn)生活可達(dá)性[3-4]、村莊發(fā)展適宜性[15-16]、微觀農(nóng)戶意愿[13,17]等。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)村居民點(diǎn)適宜性評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)中引入了大量地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）空間分析方法[18-19]，對(duì)于要素之間空間相互作用的認(rèn)識(shí)也不斷深入[20]，基于適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行空間優(yōu)化布局時(shí)，更適合單一目標(biāo)的選優(yōu)，而農(nóng)村居民點(diǎn)優(yōu)化布局的難點(diǎn)在于多點(diǎn)的組合優(yōu)化。根據(jù)克里斯塔勒的中心地理論，同級(jí)別的農(nóng)村居民點(diǎn)之間，存在對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)和服務(wù)共享的協(xié)作，每個(gè)村莊均需要一定量的耕作腹地支撐，同時(shí)又要與臨近村莊共享公共服務(wù)設(shè)施，農(nóng)村居民點(diǎn)布局是多次競(jìng)爭(zhēng)后的均衡狀態(tài)，這一過程映射到算法中則是一個(gè)反復(fù)迭代的平衡過程。因此，空間優(yōu)化布局在方法上也逐步向動(dòng)態(tài)模型化與空間決策化方向發(fā)展[7]，比如利用模擬退火算法、遺傳算法等進(jìn)行用地優(yōu)化布局[21-23]，這些動(dòng)態(tài)模型最主要的特點(diǎn)是利用計(jì)算機(jī)快速迭代技術(shù)，動(dòng)態(tài)計(jì)算模型目標(biāo)函數(shù)，不斷優(yōu)化組合，得到比較優(yōu)化的空間布局方案。本文基于中心地理論和迭代計(jì)算技術(shù)，提出農(nóng)村居民點(diǎn)適宜性迭代評(píng)價(jià)方法，以河南省新鄭市為例，進(jìn)行農(nóng)村居民點(diǎn)優(yōu)化布局和整治策略研究。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

新鄭市是隸屬河南省鄭州市的縣級(jí)市，地勢(shì)西高東低，西南部為淺山丘陵，西北部為丘崗，東部為平原。面積873 km2，人口78.6萬，轄14個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)），337個(gè)行政村，市域內(nèi)無國(guó)家級(jí)和省級(jí)的傳統(tǒng)村落。新鄭市東北部為中國(guó)首個(gè)國(guó)家級(jí)航空港經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)，北部龍湖鎮(zhèn)被鄭州市確定為組團(tuán)城市。新鄭市是國(guó)家級(jí)城鄉(xiāng)一體化試點(diǎn)縣（市），也是全國(guó)中小城市綜合實(shí)力百?gòu)?qiáng)縣。根據(jù)2015年第二次全國(guó)土地調(diào)查變更數(shù)據(jù)，農(nóng)村居民點(diǎn)面積為120.78 km2，人均居民點(diǎn)用地面積約349.98 m2，遠(yuǎn)高于國(guó)家人均150 m2的標(biāo)準(zhǔn)上限，用地浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。全區(qū)共有2 486個(gè)農(nóng)村居民點(diǎn)斑塊，平均斑塊面積為2.92 hm2，空間分布散亂。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為新鄭市2015年第二次土地調(diào)查變更數(shù)據(jù)，從中提取出各行政村的農(nóng)用地、耕地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)用地和道路等專題數(shù)據(jù)。各村人口、人均純收入等來源于《2015年新鄭市統(tǒng)計(jì)年鑒》和由新鄭市國(guó)土部門提供的調(diào)查數(shù)據(jù)。遙感影像圖和數(shù)字高程數(shù)據(jù)（digital elevation model，DEM）來自谷歌地球，分辨率分別為0.98 m × 0.98 m和7.88 m × 7.88 m。學(xué)校等公共服務(wù)設(shè)施的分布數(shù)據(jù)來自百度興趣點(diǎn)（point of interesting，POI）數(shù)據(jù)。城市擴(kuò)展邊界數(shù)據(jù)來自新鄭市土地利用總體規(guī)劃（2010－2020年）、鄭州航空港經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)土地利用總體規(guī)劃（2010－2020年）。

2 研究思路與方法

2.1 總體思路

農(nóng)村居民點(diǎn)的產(chǎn)生，是農(nóng)戶生存需求的結(jié)果，這種需求主要分生活和生產(chǎn)2個(gè)方面。本研究的目標(biāo)是尋找一種能最大滿足農(nóng)村居民生活和生產(chǎn)需求的農(nóng)村居民點(diǎn)布局方案。由于長(zhǎng)期以來的城鄉(xiāng)二元經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)政策，廣大農(nóng)民普遍存在兼業(yè)化，農(nóng)村居民點(diǎn)除了生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能外，也具有非農(nóng)生產(chǎn)功能[24]，但隨著城鄉(xiāng)一體化的實(shí)施，農(nóng)村居民點(diǎn)的核心功能將回歸第一產(chǎn)業(yè)，農(nóng)民將向職業(yè)化發(fā)展。因此，本研究在進(jìn)行農(nóng)村居民點(diǎn)布局優(yōu)化時(shí)，基于以下3方面的前提假設(shè)，一是以克里斯塔勒的中心地理論為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)農(nóng)村居民點(diǎn)的空間結(jié)構(gòu)；二是假設(shè)取消了城鄉(xiāng)二元結(jié)構(gòu)，實(shí)行了城鄉(xiāng)統(tǒng)籌一體化發(fā)展，以追求城鄉(xiāng)同質(zhì)生活為發(fā)展目標(biāo)；三是工業(yè)集中布局在產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，基礎(chǔ)設(shè)施和公共服務(wù)設(shè)施的配置兼顧公平與效率，以滿足農(nóng)村居民生存需求為標(biāo)準(zhǔn)，判定農(nóng)村居民點(diǎn)存在的合理性。

首先從農(nóng)村居民生活與生產(chǎn)的需求出發(fā)，推算農(nóng)村居民點(diǎn)的理想耕作腹地規(guī)模，以及生產(chǎn)與生活可達(dá)性約束，設(shè)計(jì)理想的農(nóng)村居民點(diǎn)空間布局模型參數(shù)；其次是利用多因素評(píng)價(jià)法，計(jì)算各農(nóng)村居民點(diǎn)發(fā)展適宜性；第三是根據(jù)村莊之間資源競(jìng)爭(zhēng)與服務(wù)共享的空間關(guān)系，通過迭代計(jì)算，得到農(nóng)村居民點(diǎn)的適宜性迭代評(píng)價(jià)結(jié)果；最后是利用Voronio多邊形，對(duì)比分析適宜性評(píng)價(jià)和迭代評(píng)價(jià)結(jié)果的優(yōu)劣，并制定農(nóng)村居民點(diǎn)優(yōu)化布局方案和分區(qū)整治策略。技術(shù)流程如圖1所示。

2.2 農(nóng)村居民點(diǎn)理想布局模型

2.2.1 耕作半徑設(shè)計(jì)

耕作半徑主要受自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)以及土地利用現(xiàn)狀等多方面因素的影響[14]。劉艷芳等[25]認(rèn)為，最大耕作半徑范圍應(yīng)不超2.5 km，陳曉健等[26]認(rèn)為中國(guó)農(nóng)村居民一般以步行運(yùn)輸方式為主，時(shí)間距離為15～30 min，聚落半徑約為1.5～5 km。時(shí)間與出行速度最終決定耕作半徑的大小，因此將影響因素歸并為時(shí)間因子和速度因子，構(gòu)建耕作半徑計(jì)算模型，量化耕作半徑的大小。農(nóng)民出行耕作可接受時(shí)間按15 min，如果采用自行車出行，平均時(shí)速按10 km，則耕作半徑最高不超2.5 km。可預(yù)見的未來，農(nóng)民出行耕作將是以農(nóng)機(jī)運(yùn)輸支撐下的規(guī)模經(jīng)營(yíng)，農(nóng)機(jī)平均時(shí)速按25 km，則耕作半徑最高可達(dá)6.25 km。對(duì)新鄭市實(shí)際的耕作距離進(jìn)行分析，目前平均的耕作距離為0.74 km，最大耕作距離為2.3 km，在以農(nóng)機(jī)耕作為主的規(guī)模經(jīng)營(yíng)規(guī)模下，最大耕作距離還會(huì)擴(kuò)大，綜合考慮到步行、自行車和農(nóng)業(yè)機(jī)械3種情況，本研究認(rèn)為新鄭市耕作半徑在2.5～5 km之間較為合理。

圖1 技術(shù)流程圖

2.2.2 公共服務(wù)設(shè)施服務(wù)半徑

隨著農(nóng)村居民生活水平的提高，將對(duì)設(shè)施服務(wù)條件產(chǎn)生更高需求，在此重點(diǎn)討論學(xué)校和社區(qū)醫(yī)療2方面的服務(wù)半徑，其他方面的公共服務(wù)會(huì)隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展，弱化其空間距離的影響。2012年，教育部在“規(guī)范農(nóng)村義務(wù)教育學(xué)校布局調(diào)整的意見（征求意見稿）”中指出，各地要根據(jù)實(shí)際條件合理確定學(xué)校覆蓋范圍，一般應(yīng)使學(xué)生每天上學(xué)單程步行時(shí)間不超過40 min[27]，據(jù)此推算，如果選擇步行，服務(wù)半徑大概在2.5 km，如果選擇校車或家長(zhǎng)接送，服務(wù)半徑大概在5 km以內(nèi)。經(jīng)分析，新鄭市村莊到小學(xué)的平均距離為1.2 km，最大距離為4.6 km。城市社區(qū)醫(yī)院的服務(wù)半徑大概在2 km左右[28]。經(jīng)分析，新鄭市村莊到診所、醫(yī)院等醫(yī)療服務(wù)點(diǎn)的平均距離為0.9 km，最大距離為3.9 km?？紤]到服務(wù)人口的最低門檻，農(nóng)村地區(qū)的服務(wù)半徑應(yīng)適宜擴(kuò)大，可擴(kuò)大至3～4 km。根據(jù)以上相關(guān)研究和新鄭市的實(shí)際，基礎(chǔ)的公共服務(wù)設(shè)施服務(wù)半徑應(yīng)控制在4 km以內(nèi)為宜。

2.2.3 農(nóng)村居民點(diǎn)布局模型設(shè)計(jì)

注：d1、d2、d3分別指相鄰村莊距離、耕作半徑、中心村之間距離。

根據(jù)聚落腹地可供養(yǎng)的人口，設(shè)計(jì)村莊的人口規(guī)模。村莊能夠保留并發(fā)展的基本條件是要保證農(nóng)村居民可以獲得生存發(fā)展的條件，目前的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)不足以支撐規(guī)模龐大的農(nóng)村人口，雖然可以滿足農(nóng)村居民的吃飯問題，但無法滿足農(nóng)村居民的教育、成家立業(yè)等方面的基本生存需求，因此農(nóng)村居民點(diǎn)人口設(shè)計(jì)要考慮第一產(chǎn)業(yè)的支撐能力。按照城鄉(xiāng)居民收入基本均等的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，河南省大概每戶需求4.0 hm2的耕作土地[29]。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，新鄭市農(nóng)村的現(xiàn)狀耕地面積比例平均為86.23%，其他土地為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)配套的生活與生態(tài)用地，則供養(yǎng)每戶居民的土地標(biāo)為4.64 hm2。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的村莊聚落腹地可供養(yǎng)117戶，468人（每戶按4人計(jì)）。由圖2可以看出，6個(gè)基層村和1個(gè)中心村可形成1個(gè)聚集單元，假設(shè)中心村有1/3的人從事服務(wù)業(yè)，則一個(gè)聚集單元的人口規(guī)模可達(dá)到3 432人。相關(guān)研究表明小學(xué)要求的人口門檻規(guī)模為1 400人，診所要求的人口門檻為1 600人[30]，可見每個(gè)聚集單元的人口可以達(dá)到公共服務(wù)設(shè)施的經(jīng)濟(jì)門檻要求，可以說明圖2所示的農(nóng)村居民點(diǎn)空間布局模型是合理的。

2.3 農(nóng)村居民點(diǎn)適宜性評(píng)價(jià)方法

2.3.1 指標(biāo)體系的確定

農(nóng)村居民點(diǎn)的區(qū)位條件、規(guī)模水平、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件、居住環(huán)境、自然環(huán)境等都是影響其產(chǎn)生與發(fā)展的因素[31]。從資源稟賦、生產(chǎn)生活可達(dá)性和基礎(chǔ)發(fā)展條件3個(gè)方面選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算農(nóng)村居民點(diǎn)發(fā)展?jié)摿?，根?jù)指標(biāo)值與農(nóng)村居民點(diǎn)發(fā)展?jié)摿Φ年P(guān)系，可分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)。

1）資源稟賦

資源稟賦是農(nóng)村居民點(diǎn)發(fā)展的基礎(chǔ)，有足夠的農(nóng)用地（包括耕地、林地、園地和其他農(nóng)用地），特別是耕地，是支撐農(nóng)村持續(xù)發(fā)展的原動(dòng)力。地形條件對(duì)居民點(diǎn)的發(fā)展有較強(qiáng)的約束作用，是影響農(nóng)村居民點(diǎn)發(fā)展的重要指標(biāo)。因此資源稟賦方面選擇農(nóng)用地面積、人均農(nóng)用地面積、耕地比例、平均地形坡度4個(gè)評(píng)價(jià)因子。

2）生產(chǎn)生活可達(dá)性

生產(chǎn)生活可達(dá)性是農(nóng)村居民點(diǎn)空間布局演變的重要驅(qū)動(dòng)力。生產(chǎn)活動(dòng)主要考慮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，包括到耕地、林地、園地和其他農(nóng)用地等地類上從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的活動(dòng)。生活需求方面主要考慮教育和醫(yī)療，經(jīng)對(duì)農(nóng)村實(shí)地調(diào)查，高中以上教育、重大疾病醫(yī)療、貴重物品購(gòu)置等多由城鎮(zhèn)提供相應(yīng)的服務(wù)，初中教育、較嚴(yán)重的疾病醫(yī)療和一般性的商品采購(gòu)等由鄉(xiāng)鎮(zhèn)提供服務(wù)，小學(xué)、幼兒園、一般疾病和日常用品等由中心村或基層村提供服務(wù)。因此生產(chǎn)生活可達(dá)性方面選擇平均耕作距離、到城市距離、到鄉(xiāng)鎮(zhèn)距離、到小學(xué)距離4個(gè)評(píng)價(jià)因子。根據(jù)可達(dá)性的實(shí)際含義，本文的距離采用時(shí)間成本距離表示，參考相關(guān)研究[32]，在非均質(zhì)地表行走距離不同，得到不同空間對(duì)象每100 m的時(shí)間成本：國(guó)道 0.08 min、省道 0.12 min、縣道0.2 min、城鎮(zhèn)建設(shè)用地0.3 min、農(nóng)村道路0.4 min、村莊建設(shè)用地1.50min、其他用地2.00 min、水域不可通行。

3）基礎(chǔ)發(fā)展條件

農(nóng)村居民點(diǎn)的現(xiàn)狀基礎(chǔ)發(fā)展條件，影響其發(fā)展能力、改造難度和拆遷可行性。基礎(chǔ)發(fā)展條件方面選擇居民點(diǎn)用地規(guī)模、人口規(guī)模、村莊規(guī)整度和人均純收入等4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。居民點(diǎn)用地規(guī)模和人口規(guī)模決定村莊拆遷的難度，規(guī)模越大，拆遷難度也越大，拆遷可行性越低。村莊規(guī)整度主要影響改造和拆遷的意愿，規(guī)整度越低，村民對(duì)改造和拆遷的意愿越強(qiáng)，通過高清遙感影像和調(diào)查問詢的方式將村莊的規(guī)整度劃分為5個(gè)級(jí)別，分別用1到5表示，級(jí)別越高越規(guī)整。人均純收入的高低可反映村莊的自我發(fā)展能力。

利用層次分析法，計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果如表1所示，對(duì)農(nóng)村居民點(diǎn)適宜性影響最大的幾個(gè)指標(biāo)分別是人口規(guī)模、平均耕作距離、到小學(xué)距離和人均純收入。

表1 農(nóng)村居民點(diǎn)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及其權(quán)重

注：“+”表示正向指標(biāo)，“-”表示負(fù)向指標(biāo)。

Note: “+” is positive indicator and “-” is negative indicator.

2.3.2 農(nóng)村居民點(diǎn)適宜性評(píng)價(jià)計(jì)算方法

各評(píng)價(jià)指標(biāo)值有不同的量綱，指標(biāo)值的大小對(duì)農(nóng)村居民點(diǎn)適宜性的影響方式也不相同，故首先要對(duì)各類指標(biāo)值作標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后結(jié)合指標(biāo)權(quán)重，加權(quán)求和得到各農(nóng)村居民點(diǎn)適宜性評(píng)價(jià)指數(shù)。指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化公式和適宜性評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算公式如下

式中C為第個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；x為指標(biāo)值；min為該項(xiàng)指標(biāo)最小值；max為該項(xiàng)指標(biāo)最大值；Type為指標(biāo)值對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化值的影響方向；為適宜性評(píng)價(jià)指數(shù)；W為第個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值；為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)量。

2.3.3農(nóng)村居民點(diǎn)適宜性迭代評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算方法

從農(nóng)村居民點(diǎn)的空間相互關(guān)系看，每個(gè)居民點(diǎn)的產(chǎn)生與發(fā)展都要有一定面積的聚落腹地支撐，在優(yōu)化布局過程中，當(dāng)確定一個(gè)保留發(fā)展的基層村時(shí)，就應(yīng)同時(shí)為其分配足額的聚落腹地，在其聚落腹地內(nèi)的其他農(nóng)村居民點(diǎn)的適宜性將受到影響。因此根據(jù)農(nóng)村居民點(diǎn)之間的協(xié)作與競(jìng)爭(zhēng)的空間關(guān)系，動(dòng)態(tài)修正農(nóng)村居民點(diǎn)適宜性指數(shù)，采用如下公式計(jì)算

式中表示確定保留發(fā)展的村莊對(duì)周邊農(nóng)村居民點(diǎn)適宜性的影響系數(shù)；表示受影響農(nóng)村居民點(diǎn)到保留發(fā)展農(nóng)村居民點(diǎn)的距離；min表示農(nóng)村居民點(diǎn)允許最小的耕作腹地六邊形內(nèi)接圓半徑；max表示農(nóng)村居民點(diǎn)允許最大的耕作腹地六邊形外接圓半徑，也即最大耕作半徑；當(dāng)設(shè)定基層村之間距離為最小的2 km時(shí)，則min=1 km，設(shè)置基層村之間距離為最大的3 km時(shí)，則max=3/(2·cos30°)= 1.73 km；同公式（2）；表示農(nóng)村居民點(diǎn)適宜性迭代評(píng)價(jià)指數(shù)。

2.3.4 農(nóng)村居民點(diǎn)迭代評(píng)價(jià)算法

迭代評(píng)價(jià)算法的核心思想是根據(jù)村莊的適宜性值，逐一將適宜性指數(shù)最大的村莊選擇出來，并排序。設(shè)有3個(gè)集合、和，中的元素為現(xiàn)狀的城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和傳統(tǒng)村落，這個(gè)集合中的元素是無可爭(zhēng)議的保留居民地，是農(nóng)村居民點(diǎn)空間優(yōu)化布局的骨架。中的元素為逐一擇優(yōu)選出的村莊，為其他待選擇的村莊。

第一步：初始化3個(gè)集合，將城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和傳統(tǒng)村落放入集合，將其余全部的農(nóng)村居民點(diǎn)放入集合，并設(shè)中各元素的=，集合設(shè)置為空；

第二步：從集合中選出城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)用地min范圍內(nèi)的元素，以及城鎮(zhèn)規(guī)劃擴(kuò)展邊界內(nèi)的元素，將其值設(shè)置為0，因?yàn)檫@些元素確定要進(jìn)行城鎮(zhèn)化轉(zhuǎn)移；

第三步：從集合中取出1個(gè)值最大的元素，放入集合中，根據(jù)式（3）和（4），重新計(jì)算集合中元素的值；

第四步：判斷集合是否為空，如果條件為真，則執(zhí)行下一步，如果條件為假，則轉(zhuǎn)第三步；

第五步：集合中各元素的值即為迭代評(píng)價(jià)的指數(shù)，程序結(jié)束。

農(nóng)村居民點(diǎn)迭代評(píng)價(jià)算法中，涉及空間距離的計(jì)算，因此在現(xiàn)有GIS平臺(tái)上開發(fā)專業(yè)的迭代評(píng)價(jià)軟件工具是一種高效的方法，本研究基于ArcGIS10.2平臺(tái)，利用Python語言，結(jié)合ArcPy類庫(kù)，開發(fā)農(nóng)村居民點(diǎn)適宜性迭代評(píng)價(jià)系統(tǒng)腳本工具。

2.4 農(nóng)村居民點(diǎn)優(yōu)化布局與分類整治

根據(jù)村莊聚落腹地的面積和可分配的土地資源面積（扣除城鎮(zhèn)等非農(nóng)生產(chǎn)用地），計(jì)算中心村和基層村的理論需求數(shù)量，利用農(nóng)村居民點(diǎn)迭代評(píng)價(jià)算法，選擇出中心村和基層村。優(yōu)化布局方案將村莊劃分為4類，分別是中心村、基層村、政府主導(dǎo)拆遷村和規(guī)劃引導(dǎo)自然消亡村。政府主導(dǎo)拆遷村是指城鎮(zhèn)規(guī)劃范圍內(nèi)，隨城鎮(zhèn)的發(fā)展需要拆遷的村莊。規(guī)劃引導(dǎo)自然消亡村是指通過政策和規(guī)劃的引導(dǎo)，使其逐漸消亡的村莊。根據(jù)中心地理論設(shè)計(jì)的理論模型，1個(gè)中心村和6個(gè)基層村構(gòu)成1組，由于城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)，具有更高級(jí)的公共服務(wù)功能，因此城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)可代替中心村為鄰近村莊提供公共服務(wù)。保留村莊生成Voronio多邊形，以城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的布局為骨架，參考Voronio多邊形之間的鄰接關(guān)系，將保留的村莊按最臨近性，7個(gè)村劃分為1組，各組處于中心位置的村設(shè)為中心村，由此得到農(nóng)村居民點(diǎn)優(yōu)化布局方案。

農(nóng)村居民點(diǎn)的形成是一個(gè)長(zhǎng)期的歷史過程，大拆大建會(huì)受到農(nóng)民生活習(xí)慣和情感等方面的排斥，同時(shí)也受經(jīng)濟(jì)能力的限制，因此以發(fā)展基礎(chǔ)較好的村莊為基礎(chǔ)，通過配套完善基礎(chǔ)設(shè)施和公共服務(wù)設(shè)施，引導(dǎo)和吸引附近村莊就近遷并，是實(shí)現(xiàn)其優(yōu)化布局的可行策略，針對(duì)以上4類村莊，采用不同整治策略，逐步推進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)一體化發(fā)展和結(jié)構(gòu)合理的城、鎮(zhèn)、村聚落結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)果與分析

3.1 農(nóng)村居民點(diǎn)適宜性評(píng)價(jià)

采用多因素綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算新鄭市2 486個(gè)農(nóng)村居民點(diǎn)斑塊的適宜性分值，計(jì)算結(jié)果的分值區(qū)間為0.15～0.93。根據(jù)各農(nóng)村居民點(diǎn)斑塊適宜性分值的大小排序，將其分為3類，前120個(gè)村莊為I類，121～240為II類，其余為III類，結(jié)果如圖3a所示，可以直觀的看出，適宜性較高的農(nóng)村居民點(diǎn)主要分布在新鄭市東部、新鄭市市區(qū)周邊和航空港區(qū)周邊，這些村莊現(xiàn)狀規(guī)模較大，區(qū)位條件較好。適宜性較低的村莊主要分布在新鄭市的西部，或現(xiàn)狀規(guī)模較小、區(qū)位條件差的區(qū)域。

3.2 農(nóng)村居民點(diǎn)迭代評(píng)價(jià)

利用農(nóng)村居民點(diǎn)迭代評(píng)價(jià)算法，計(jì)算新鄭市2 486個(gè)農(nóng)村居民點(diǎn)斑塊的迭代評(píng)價(jià)分值，分值區(qū)間位于0～0.87。根據(jù)迭代評(píng)價(jià)結(jié)果的排序，前120個(gè)村莊為I類，121～240為II類，其余為III類，結(jié)果如圖3b所示，從圖中可以看出，I類和II類村莊在城鎮(zhèn)規(guī)劃范圍之外呈相對(duì)均勻的分布。

圖3 農(nóng)村居民點(diǎn)適宜性評(píng)價(jià)和迭代評(píng)價(jià)結(jié)果

3.3 2種評(píng)價(jià)結(jié)果的對(duì)比分析

從圖3中可以直觀的看出，2種評(píng)價(jià)結(jié)果有明顯的不同，圖3a中有些適宜性指數(shù)較大的村莊，由于資源競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，在圖3b中迭代評(píng)價(jià)指數(shù)變得很小，而圖3a中一些適宜性指數(shù)不大，但由于有足夠的耕作腹地支撐，在圖3b中反而有較大的迭代評(píng)價(jià)指數(shù)，比如在新鄭市的西北部，圖3a中幾乎沒有排序進(jìn)入前120名的村莊斑塊，圖3b中卻有10多個(gè)村莊斑塊進(jìn)入了前120名。

Voronoi圖是進(jìn)行空間布局優(yōu)化時(shí)常用的方法，可用于劃分農(nóng)村居民點(diǎn)的發(fā)展范圍區(qū)，對(duì)現(xiàn)有村莊布局進(jìn)行優(yōu)化[8,19]。在此利用Voronoi圖分析2種評(píng)價(jià)結(jié)果的空間特征。在城鎮(zhèn)規(guī)劃邊界之外，分別選取2種評(píng)價(jià)結(jié)果的前120名的農(nóng)村居民點(diǎn)斑塊，依據(jù)斑塊的中心點(diǎn)生成Voronoi圖，結(jié)果如圖4所示，圖中每個(gè)Voronoi多邊形可表示中心村的耕作腹地。直觀的觀察，圖4b中的多邊形大小和形態(tài)比圖4a更均勻、更規(guī)則。

圖4 農(nóng)村居民點(diǎn)基于適宜性評(píng)價(jià)和迭代評(píng)價(jià)結(jié)果的Voronoi圖

選取多邊形面積、形狀指數(shù)和中心點(diǎn)最臨近距離3個(gè)指標(biāo)，分析圖4a和圖4b之間的形態(tài)差異。多邊形面積是指Voronio圖中各多邊形的計(jì)算面積，形狀指數(shù)指各多邊形周長(zhǎng)除以同面積圓的周長(zhǎng)所表示的指數(shù)（見式5），中心點(diǎn)最臨近距離是指村莊斑塊中心點(diǎn)之間的最臨近距離。

式中LSI為第個(gè)多邊形的形狀指標(biāo)，P為第個(gè)多邊形的周長(zhǎng)，A為第個(gè)多邊形的面積，為多邊形的序號(hào)。

計(jì)算結(jié)果如表2所示，從面積指數(shù)看，圖4b中的多邊形面積標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)遠(yuǎn)小于圖4a中的結(jié)果，說明圖4b中的多邊形大小更加均勻。從形狀指數(shù)看，圖4b中多邊形形狀指數(shù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異指數(shù)均小于圖4a，說明圖4b中多邊形更規(guī)格，且更整齊。從最臨近距離指標(biāo)看，圖4b中村莊斑塊中心點(diǎn)之間最臨近距離平均值大于圖4a，說明圖4b中村莊斑塊比圖4a更分散，圖4b的最臨近距離標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)2個(gè)指標(biāo)均小于圖4a，說明村莊之間的最臨近距離差異小于圖4a，說明圖4b比圖4a分布更均勻。由此可見，不論是從資源承載的角度，還是從公共服務(wù)設(shè)施配置的公平與效率的角度，利用迭代評(píng)價(jià)的結(jié)果進(jìn)行農(nóng)村居民點(diǎn)布局優(yōu)化更加合理。

表2 2種評(píng)價(jià)結(jié)果的Voronio圖形態(tài)指數(shù)對(duì)比分析表

3.4 農(nóng)村居民點(diǎn)優(yōu)化布局與分類整治

3.4.1 農(nóng)村居民點(diǎn)優(yōu)化布局

新鄭市扣除城鎮(zhèn)發(fā)展紅線內(nèi)的土地后，土地總面積為64 103.14 hm2，標(biāo)準(zhǔn)的村莊耕作腹地面積按541.27 hm2計(jì)，大約需要配置119個(gè)村莊，考慮邊界的不規(guī)則性，在此設(shè)置120個(gè)村莊。1個(gè)中心村和6個(gè)基層村為一組團(tuán)，則設(shè)17個(gè)中心村，103個(gè)基層村。依據(jù)農(nóng)村居民點(diǎn)迭代評(píng)價(jià)的結(jié)果，選擇前120個(gè)村做為保留發(fā)展的村莊。采用均值聚類法，將120個(gè)村分為17類，將最靠近類中心位置的村莊設(shè)置為中心村，其他為基層村，結(jié)果如圖5所示。其余村莊為拆遷村，并規(guī)劃為2類，城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)1 km范圍內(nèi)，或城市規(guī)劃紅線范圍內(nèi)的農(nóng)村居民點(diǎn)，規(guī)劃為政府主導(dǎo)拆遷村，其余的農(nóng)村居民點(diǎn)規(guī)劃為引導(dǎo)自然消亡村。

圖5 農(nóng)村居民點(diǎn)優(yōu)化布局圖

3.4.2 農(nóng)村居民點(diǎn)分類整治策略

根據(jù)農(nóng)村居點(diǎn)優(yōu)化布局的結(jié)果，為不同類型的村莊制定整治策略。1）中心村的整治策略是預(yù)留足夠的居住用地和發(fā)展用地，科學(xué)編制村莊規(guī)劃，配套建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施、公共服務(wù)設(shè)施，發(fā)揮農(nóng)村居民點(diǎn)中心地職能，吸引周邊農(nóng)村人口向其集聚。2）基層村的整治策略是要依據(jù)村莊規(guī)劃，嚴(yán)格控制其無序擴(kuò)張，通過挖掘內(nèi)部潛力，提高土地集約節(jié)約利用水平，配套基本的基礎(chǔ)設(shè)施和公共設(shè)施，滿足居民生產(chǎn)生活的基本需求。3）政府主導(dǎo)拆遷村的整治策略是在城鎮(zhèn)的輻射帶動(dòng)作用下，人口向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移，生產(chǎn)生活市民化，并重點(diǎn)解決好失地農(nóng)民的土地補(bǔ)償、就業(yè)安置、社會(huì)保障等相關(guān)問題。4）規(guī)劃引導(dǎo)自然消亡村的整治策略是控制對(duì)現(xiàn)在村莊的基礎(chǔ)設(shè)施和公共設(shè)施的投入，利用村民對(duì)公共服務(wù)設(shè)施的渴求，通過規(guī)劃引導(dǎo)，配套人口遷移政策，發(fā)揮農(nóng)民自主的力量，或通過市場(chǎng)機(jī)制，利用社會(huì)融資，引導(dǎo)村民向生產(chǎn)生活條件更好的城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和中心村轉(zhuǎn)移，待時(shí)機(jī)成熟時(shí)，對(duì)村莊進(jìn)行復(fù)墾，讓這類農(nóng)村居民點(diǎn)逐步自然消亡。

4 結(jié)論與討論

通過以上研究，得到如下結(jié)論：

1）以克里斯塔勒的中心地理論為指導(dǎo)，根據(jù)居民生產(chǎn)和生活的需求設(shè)計(jì)了理想的村莊布局模型，即將2個(gè)村莊之間的距離設(shè)計(jì)為2～3 km之間，以2.5 km為標(biāo)準(zhǔn)距離，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，最大耕作半徑為1.44 km，聚落腹地面積541.27 hm2。

2）利用多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)法，從資源稟賦、生產(chǎn)生活可達(dá)性和村莊現(xiàn)狀發(fā)展基礎(chǔ)3個(gè)方面評(píng)價(jià)了2 486個(gè)農(nóng)村居民點(diǎn)斑塊的適宜性，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示出東高西低的非均勻分布規(guī)律。利用迭代算法，對(duì)農(nóng)村居民點(diǎn)適宜性進(jìn)行迭代評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果呈相對(duì)均勻的分布，不論是從資源承載的角度，還是從公共服務(wù)設(shè)施配置的公平與效率看，利用迭代評(píng)價(jià)的結(jié)果進(jìn)行村莊布局優(yōu)化更加合理。

3）利用迭代評(píng)價(jià)的結(jié)果進(jìn)行村莊布局優(yōu)化，設(shè)置了17個(gè)中心村，103個(gè)基層村，其余為拆遷村。中心村與基層村均得到足夠的生產(chǎn)與生活資源，具有自我更新與發(fā)展的能力。將拆遷村劃分為政府主導(dǎo)型和規(guī)劃引導(dǎo)型2類。最后針對(duì)不同類型村莊的特點(diǎn)與功能，提出了對(duì)應(yīng)的整治策略。

本文假設(shè)農(nóng)村居民點(diǎn)存在與發(fā)展，主要取決于第一產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，村莊相互之間有資源競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，而公共服務(wù)設(shè)施的公平與效率又需要農(nóng)村居民點(diǎn)之間進(jìn)行資源共享，在進(jìn)行農(nóng)村居民點(diǎn)優(yōu)化布局時(shí)，要逐次動(dòng)態(tài)的迭代評(píng)價(jià)適宜性。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了迭代評(píng)價(jià)的方法，該方法利用計(jì)算機(jī)快速計(jì)算能力，通過多次迭代計(jì)算得到了空間上相對(duì)均衡的評(píng)價(jià)結(jié)果，更加適合農(nóng)村居民點(diǎn)優(yōu)化布局，可為相關(guān)研究提供參考和借鑒。

依據(jù)第一產(chǎn)業(yè)對(duì)農(nóng)村居民點(diǎn)的支撐能力得出的農(nóng)村居民點(diǎn)優(yōu)化布局方案，可能還不太適用于當(dāng)下城鄉(xiāng)二元體制經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，因?yàn)槟壳稗r(nóng)民大量兼業(yè)化，農(nóng)村居民點(diǎn)也具有很多非農(nóng)生產(chǎn)功能，但隨著城鎮(zhèn)化和城鄉(xiāng)一體化的發(fā)展，大量農(nóng)民將實(shí)現(xiàn)徹底的城鎮(zhèn)化轉(zhuǎn)移，農(nóng)業(yè)向?qū)I(yè)化、產(chǎn)業(yè)化和現(xiàn)代化方向發(fā)展，農(nóng)民向職業(yè)化方向發(fā)展，農(nóng)村居民點(diǎn)將主要取決于第一產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，因此本文提出的新鄭市農(nóng)村居民點(diǎn)優(yōu)化布局方案，可作為一個(gè)長(zhǎng)期的發(fā)展目標(biāo)。目前河南省是全國(guó)的空間規(guī)劃試點(diǎn)省，新鄭市也是國(guó)家級(jí)城鄉(xiāng)一體化試點(diǎn)縣，急需農(nóng)村居民點(diǎn)規(guī)劃方法支撐，本研究成果可為相關(guān)規(guī)劃提供思路與方案參考，通過規(guī)劃引導(dǎo)農(nóng)村居民點(diǎn)合理演化。

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Layout optimization for rural settlements based on iterative evaluation method and its remediation strategies

Chen Weiqiang1, Liu Yaolin2,Yin Chaohui2, Jing Ying2, Guan Xiaoke3

(1.450002,; 2.430079,; 3.,450002,)

The “hollow village” is becoming an increasingly serious problem with the rapid development of industrialization and urbanization, followed by great waste of precious land resource, high cost in rural public resources allocation, hard work, and so on, which finally results in lagging urban-rural integration. However, these problems can be relieved through the rural settlements renovation. And the rural settlements spatial optimization layout is the core issue to be resolved in the rural settlement renovation, which should be valued. The difficulty in the rural settlements layout optimization lies in the combinatorial optimization of multiple locations, rather than the selection of single one. This paper put forward an iteration evaluation method based on iterative calculation of rural settlements development potential and an algorithm of rural settlements layout optimization, which was applied to Xinzheng City, the study area in Henan Province. The purpose of this study is to find a solution to rural settlements layout which can meet the living and production needs of rural settlements. In the optimization of rural settlements layout, it is assumed that the core function of rural settlements eventually returns to the primary industry. Based on this situation, the following steps were in process: First of all, given the needs of living and production, the ideal farming hinterland scale of rural settlements was estimated and the accessibility constraints of the living and production were obtained to design an appropriate model for rural settlements layout. Secondly, we obtained the suitability evaluation results of rural settlements by employing multi-factor evaluation method. Thirdly, the stepwise selection method was used to get the iteration evaluation results of rural settlements through iterative calculation. Finally, the rural settlements optimal layout scheme and partitioning renovation strategies were formulated according to the iteration evaluation results. Some conclusions were drawn in this research as follows: 1) Ideal model parameters of village layout according to living and production needs of rural settlements were proposed including the standard distance of 2.5 km between villages, the largest farming radius of 1.44 km and the settlement hinterland area of 541.27 hm2. 2) The results of rural settlements development potential showed a non-uniform distribution that was a pattern of from high to low from the east to the west using the suitability evaluation method, while the results presented a relatively uniform distribution when taking the iteration evaluation method. Obviously, it is more reasonable to adopt the iteration evaluation method to optimize the village layout. 3) Therefore, taking Xinzheng as an example and using the iteration evaluation results to optimize the village layout, 17 center villages and 103 general villages were set. The rest ones were demolition villages and divided into government leading demolition type and planning guidance demolition type, which were to be cleared away and relocated. The corresponding land management countermeasures are proposed for different types of villages. In a word, the iteration evaluation method for rural settlement can effectively solve the rural settlements layout problem and also provide reference for related research.

land use; optimization; rural areas; settlements; suitability evaluation; iterative evaluation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.17.034

F311

A

1002-6819(2017)-17-0255-09

2017-04-21

2017-07-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41501189）；河南省教育廳科技攻關(guān)項(xiàng)目（14B630002）。

陳偉強(qiáng)，河南安陽人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事資源信息方面研究。鄭州河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，450002。Email：chwqgis@163.com

中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)會(huì)員：陳偉強(qiáng)（E041200576S）