青藏高寒區隆子縣居民點空間分布及其與地形地貌關系

呂麗花，陳俊旭**，胡智文，趙志芳，邵畢濤，馬少杰，彭鈺博

(1.云南大學 地球科學學院，云南 昆明 650500；2.中國電建集團 昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051；3.云南省地礦測繪院有限公司，云南 昆明 650218)

居民點用地是土地利用現狀分類體系重要組分之一[1]，其空間分布與地形地貌具有高度耦合性.地貌類型、地形條件決定著居民點空間分布及其演變格局，掌握不同地形地貌下居民點空間分布格局及其兩者的關系對區域經濟發展、國土空間布局優化、村莊布局規劃與鄉村振興等具有重要意義[2].

居民點空間分布格局及其影響因素研究一直是聚落地理、景觀生態和GIS 應用等眾多領域關注的熱點和焦點問題.國外對于居民點的研究主要是關注典型地形區居民點地理特征與發展規律[3]、居民點空間分布特征[4]及其影響因素[5]、居民點時空演變特征及其驅動因素[6-7]、居民點擴張機制[8]等方面；國內則多探討居民點分布時空熱點及空間驅動[9]、分布關系[10]及格局[11]、分布景觀和分布多樣化[12]、分布特征[13]，以及居民點的分區規劃和優化布局[14]等.研究方法則多以空間熱點探測[9-10]、最近鄰指數法[10]、核密度分析[11]、景觀指數法[12]和Voronoi 圖[13]等方法進行居民點空間分布格局及其特征分析，以局部線性地理加權回歸模型（Local Linear Geographically Weighted Regression,LLGWR）[15]、緩沖區分析[16]和地理探測器[12]等進行居民點空間分布影響因素的研究.研究的對象以交通較為便利、城鎮化快速發展或社會經濟驅動較為明顯的區域為主，研究要素則對于交通驅動、居民點較為密集、城鄉融合水平等關注較多.居民點在形成初期或自然限制更為明顯區域的研究不多見，特別是缺乏社會經濟低擾動下居民點形成與分布的追源討論.綜合來看，國內外研究更傾向于城市尺度及熱點區域居民點分布及影響因素的研究，宏觀分析和特點表征的研究較多，但對交通欠發達、區域居民點自然受限較多、經濟落后區域居民點建設及分布的研究和探討較少.青藏高寒區是中國重要的四大地理區域之一，面積與南方地區相當，但兩地區人口差距懸殊，該現象的產生與兩區域地形地貌差異的關系密切.地形要素是影響青藏高原地區居民居住環境最主要的因素[9]，同時地形地貌對于交通和區位等條件處于劣勢地區的居民點空間分布起決定性作用[17].隆子縣屬喜馬拉雅山北麓藏南地區，地勢連綿起伏，山嶺河流縱橫交錯，是開展居民點空間分布格局與地形地貌關系研究的理性區域[18-19].本研究從隆子縣居民點分布的空間熱點探測開始，以分布指數和信息熵分析隆子縣居民點空間分布格局，利用變維分形理論探討居民點分布受不同地形地貌因子的影響排序，從而揭示隆子縣居民點空間分布格局與地形地貌的關系.研究成果以期為高原山地村莊布局布點規劃、居民點空間分布格局優化以及統籌城鄉發展提供理論支撐.

1 研究區概況

隆子縣位于青藏高原西藏自治區東南部山南市境內，東與墨脫縣相鄰，西與措美縣相接，南與錯那縣相鄰，西北與乃東區、曲松縣相接.全縣轄2鎮9 鄉（圖1）.隆子縣地形地貌極為復雜，地勢西高東低，連綿起伏，地形起伏較大，縣域內最高海拔達6 626 m，地貌類型豐富；境內河流水系較為發達，山嶺間河流縱橫交錯；內有崇山峻嶺、山川峽谷，多呈“V”型河谷.

圖1 研究區概況Fig.1 Location of research area

2 研究數據與方法

2.1 數據來源本文使用的居民點數據是利用Landsat 8/OLI 影像，通過Envi 軟件進行預處理，采用最大似然法監督分類獲取.獲取居民點數據采用野外驗證和室內其他數據源數據比對等方式進行驗證和修正，野外實地驗證通過2019 年10 月組織的西藏項目科考進行，室內輔助Google Earth 影像下的91 衛圖高清影像，采取目視解譯對分類結果進行修正，分類Kappa 系數達88%.高程等地形地貌因子[17,20]通過隆子縣數字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）數據提?。╤ttp://www.gscloud.cn/），影像與DEM 數據空間分辨率均為30 m×30 m.

2.2 研究方法

2.2.1 空間熱點探測 空間熱點探測可用于檢驗居民點規模在局部位置上是否存在有顯著的高值區（熱點區）和低值區（冷點區）[10]，通過計算每一個居民點規模的Getis-Ord統計：

式中：xj是第j個居民點面積（單位：hm2），wij為居民點i和j以距離定義的空間權重，n為居民點總數，為居民點面積的均值，S為其標準差.統計結果即為z得分，對于具有顯著統計意義的z得分，z得分為正時，居民點規模是顯著高值的熱點區；反之，則為冷點區.

2.2.2 分布指數Pe分布指數Pe可用于表征居民點在各地形地貌因子上的分布情況，分布指數曲線的彎曲程度可反映居民點在各地形位上分布頻率的大小[17]：

式中：Pe為第e地形位上居民點的分布指數；Mke為居民點在k地形地貌因子上第e級地形位上的面積（單位：hm2）；Mk為居民點總面積（單位：hm2）；Me為隆子縣8 個因子上特定第e級地形位的面積（單位：hm2）；M為隆子縣總面積（單位：hm2）.若Pe值大于1，則表明居民點具有分布優勢，Pe值越大則優勢越明顯[17].

2.2.3 信息熵He信息熵He可用以表征居民點分布結構特征的有序性，信息熵值越低，表明有序程度越高[17]：

式中：He為居民點在第e級地形位上的信息熵，n為地形地貌因子k所劃分的等級.

2.2.4 變維分形 引入變維分形[21]探究各地形地貌因子對居民點空間分布的影響程度，對于任意分形維數D，在雙對數坐標下分形的非線性表征關系可轉化為線性表征關系.

隆子縣某地形位或地貌類型上分布的居民點數量為N(r)，各地形因子的分級或地貌類別數為r，計算各階的累積和，通過構建各階累積和變維分形，從而將非線性表征的關系轉化為可線性表征的關系[21].系列變換如下：

步驟1原始數據對為（Nm，rm）,其中rm為各地形地貌因子的等級數，Nm為各地形地貌因子等級上的居民點數.通過一次累積和得到S1m，即：

式中：S11=N1，S12=N1+N2，S1n=N1+N2+N3+···+Nn，m為各因子的等級，m=1，2，3，···，n.

步驟2以此類推，重復第1 步的步驟，得到第2 階、第3 階、···、第n階累積和序列，即：S2、S3、···、Sn.即：

步驟3將（Snm，rm）數據在雙對數坐標中標注，統計居民點與各因子變維分形后的分維值，分維值越大，則該因子對居民點分布的影響程度越大.

3 結果與分析

3.1 居民點規模分布特征隆子縣居民點共計526 個（剔除小于0.1 hm2的圖斑），總面積為1 908.68 hm2，單個最大面積為115.41 hm2，最小值為0.12 hm2.我們將隆子縣居民點面積按[0.10，5.00）、[5.00，25.00）和[25.00，115.50）hm2分為小、中、大型3 種類型[圖2（a）]，各類型居民點分別有425 個、94 個和7 個，分別占居民點總數的80.80%、17.87%和1.33%.3 個大型規模居民點分布在日當鎮，2 個分布在玉麥鄉，2 個分布在隆子鎮.整體上隆子縣居民點以小型規模居民點為其主要形式存在，大型規模的居民點數量最少；受地形條件限制，居民點主要沿河流呈條帶狀分布.

圖2 隆子縣居民點規模及規?！袄錈狳c”Fig.2 Size of the residential area and the size of the ＂cold hot spot＂ in Longzi County

利用GIS“熱點”探測工具得到隆子縣居民點規模的分布“熱點”[圖2（b）].“熱點”主要分布在隆子鎮，少量分布在日當鎮、玉麥鄉和列麥鄉，其中隆子鎮最具顯著性；“冷點”分布較少，主要分布在雪薩鄉，少量分布在加玉鄉.總之，隆子縣居民點規模冷熱點的空間分異特征較為明顯.

3.2 居民點空間分布與地形地貌的關系

3.2.1 居民點分布優勢與有序程度 從居民點在各因子上的分布情況看，居民點主要分布在較低等級地形位和平原地貌上.239 個居民點分布在高程4 000～4 500 m 的地形位上，占居民點總數的45.44%；坡度為8°～15°的地形位上，分布有146 個居民點，占居民點總數的27.76%；坡向上，居民點在8 個坡向上均有分布且個數上較為均勻；地形起伏度方面，122 個居民點分布在小于15 m 的地形位上；坡向變率上，居民點主要分布在坡向變率5°～10°和≥25°的地形位上；地面粗糙度方面，433個居民點分布在小于1.05 的2 個地形位上，占整個縣域居民點總數的82.32%；高程變異系數方面，居民點主要集中在小于0.010 的3 個地形位上，數量為449 個，占整個縣域居民點總數的85.36%.267 個居民點分布在僅占縣域總面積4.27%的砂礫質沖洪積平原上，占整個縣域居民點總面積的59.84%.

基于各地形地貌因子等級及其居民點分布數據，計算居民點在各地形地貌因子地形位上的分布指數和信息熵，進而分析隆子縣居民點分布的優勢地形位及有序度.由于基巖剝蝕臺地、砂土質湖積平原、泥砂質湖積平原3 種地貌類型上居民點分布個數為0，因此對于居民點在該3 種地貌類型上的分布特征不進行分析.

3.2.1.1 居民點分布的優勢地形位 居民點在高程上分布指數（Pe）峰值出現在3 500～4 000 m 地形位上，Pe值為3.58，表明居民點在該地形位上最具分布優勢；該地形位上農業基礎條件較好，且水源充足，為農業集聚區，居民點在該地形位上也形成了集聚分布[圖3（a）].居民點在坡度上分布指數呈遞減趨勢，且在小于2°的地形位上分布優勢最明顯，主要原因是坡度小，地勢平坦的區域有利于房屋建造、居民點布局及其附屬設施的配套[圖3（b）].居民點在北、東北、東南、南、西南5 個坡向上分布指數值均大于1，該5 個坡向為居民點分布的優勢地形位[圖3（c）].居民點在地形起伏度小于60 m 的地形位上分布指數均大于1，且峰值出現在小于15 m 的區間上，Pe值為15.67，說明居民點在地形起伏度小于15 m 的地形位上最具分布優勢，且分布指數隨著地形起伏度的增加而減小，也進一步表明地勢平坦地區為居民點集聚的首選區域[圖3（d）].在坡向變率上，居民點分布的優勢地形位為10°～15°、15°～20°和≥25°的3 個地形位區間[圖3（e）].居民點在地面粗糙度上的分布指數也呈下降趨勢，在地面粗糙度小于1.01 的第一地形位上最具分布優勢[圖3（f）].居民點在高程變異系數小于0.005 的區間上Pe值均大于1，表明居民點在小于0.005 的區間上具有分布優勢，主要原因是這樣的地形位上地形垂直變化不大，耕作條件較好，同時有利于各類生產生活活動開展[圖3（g）].地貌類型上，居民點在泥砂質河谷平原、砂礫質沖洪積平原、低山和砂礫質沖洪積臺地地貌上均具有分布優勢，且在泥沙質河谷平原上最具分布優勢，主要原因是平原區為居民點分布的理想區，河谷地區占有光照、水分等眾多居民點分布的優勢條件，使之成為居民點布局的理想場所[圖3（h）].

圖3 隆子縣居民點在各地形地貌因子上分布指數與信息熵Fig.3 Distribution index and information entropy of residential area on each terrain-landscape factor in Longzi County

3.2.1.2 居民點分布的有序度 高程上，信息熵（He）的最小值出現在3 500～4 000 m 的地形位上，He值為0.85，說明隆子縣居民點在該區間上分布的有序性最強，居民點在該地形位上也最具分布優勢，該地形位為農業集聚帶，進而形成了居民點的集聚[圖3（a）].坡度上，居民點在坡度小于15°的地形位上均具有分布優勢，且當坡度小于2°時，He最小值為1.30，居民點在坡度小于2°的區間上分布的有序程度最高，地勢平坦，有利于居民點的集中規劃布局，該地形位上的居民點較為規整，且分布也最具優勢[圖3（b）].坡向上，在北坡向上居民點分布的信息熵最小，He值為1.69，且各坡向上的信息熵相對于其它地形因子各地形位的信息熵而言均較大，說明居民點隨坡向布局的有序程度并不高[圖3（c）].地形起伏度上，居民點信息熵呈現隨著地形起伏度的增大而逐漸增大，He最小值為0.98，分布在地形起伏度小于15 m 的區域，主要原因是該地形位地形平緩，有利于居民點的集中建設且居民點分布規整集中[圖3（d）].坡向變率上，居民點信息熵的最小值分布在第2 地形位上，且He值為1.33，居民點在坡向變率為5°～10°的區間上分布的有序性最強[圖3（e）].地面粗糙度上，He最小值為0.45，分布在地面粗糙度小于1.01 的區間上，且該區間上居民點分布的優勢度也最大[圖3（f）].高程變異系數信息熵值最小值分布在第2 地形位上，He值為0.97，表明居民點在高程變異系數為0.001～0.005 的區間上分布的有序程度最高[圖3（g）].地貌類型上，He最小值為0.51，位于砂礫質沖洪積平原地貌類型上，該地形位也是居民點分布的優勢地形位，但并不是其最具分布優勢的地形位，主要原因是居民點用地沿中心城區的邊緣交錯分布，居民點在其最具分布優勢的地貌上集聚性和有序性并不高[圖3（h）].

上述結果表明，居民點空間分布格局與地形地貌具有高度的關聯性，在居民點分布的優勢地形位上，居民點分布的有序性也相對較強.

3.2.2 地形地貌與居民點分布的變維分形特征 地形地貌因子對隆子縣居民點空間分布的影響程度大小可通過分維值大小反映，分維值越大則影響程度越大[21].隆子縣各地形地貌因子與居民點的變維分形均較為復雜，8 個因子中均無一階累積和分形變換（圖4）.由圖5 可知，地貌類型的分維值最大（2.36），表明地貌類型對隆子縣居民點形成和發育的影響最大.高程和坡度次之，分維值分別為2.11 和1.81；地面粗糙度的分維值最?。?.38），即隆子縣居民點空間分布對地面粗糙度的敏感性最弱.綜上所述，地形地貌對隆子縣居民點分布及其發展影響的降序排序依次為地貌類型＞高程＞坡度＞高程變異系數＞坡向變率＞坡向＞地形起伏度＞地面粗糙度.

圖4 隆子縣居民點與地形地貌因子變維分形特征Fig.4 Variable-dimensional fractal characteristics of residential area and topographic landform factors in Longzi County

圖5 隆子縣居民點與地形地貌因子變維分形的分維值Fig.5 Variable-dimensional fractal sub-dimensional values of topographic and geomorphic factors and residential area in Longzi County

4 結論與討論

4.1 結論

（1）隆子縣居民點整體上以小型規模居民點為其主要形式存在，大型規模的居民點數量最少；居民點主要沿河流呈條帶狀分布；規模分布“冷熱點”分異明顯，“熱點”主要分布在隆子鎮，冷點主要分布在雪薩鄉.

（2）居民點在高程3 000～4 500 m、坡度小于15°，北、東北、東南、南、西南5 個坡向，地形起伏度60 m 以下，坡向變率為10°～15°、15°～20°和大于25°的3 個地形位、地面粗糙度小于1.05、高程變異系數小于0.005 的地形位和泥砂質河谷平原、砂礫質沖洪積平原、低山、砂礫質沖洪積臺地地貌上具有分布優勢.居民點在高程3 500～4 000 m，坡度小于2°、北坡坡向、地形起伏度15 m 以下、坡向變率為5°～10°、高程變異系數為0.001～0.005和地面粗糙度小于1.01 的地形位和砂礫質沖洪積平原地貌上有序性最強.綜上，居民點在其分布的優勢地形位上，其有序程度也相對較高.

（3）隆子縣各地形地貌因子與居民點的變維分形均較為復雜，8 個因子中均無一階累積和分形變換，地形地貌對隆子縣居民點分布及其發展影響的降序排序依次為地貌類型＞高程＞坡度＞高程變異系數＞坡向變率＞坡向＞地形起伏度＞地面粗糙度.

4.2 討論地形地貌對居民點空間分布與布局具有重要影響，尤其是在交通和區位等條件處于劣勢地區，地形地貌對居民點的分布起著決定性作用.本文的研究結果體現了隆子縣居民點與地形地貌的關聯性，然而考慮高寒山區、高原山地及復雜地形等對交通區位、水文水資源、地質災害等的限制[22]將促進居民點的分布及影響因素的研究更為深入及細化[5]，疊加區域社會經濟、生產方式及社會發展的多樣化影響[6,8]將完善居民點分布與地形地貌的關系的結論.同時，從地形地貌與居民點分布的關系出發，深入考慮居民點布局規劃，統籌考慮社會經濟條件、生產條件和政策驅動等因素的疊加效應將完善本研究的結論并為進一步研究探討提供支撐.