柳楊,趙泉華,賈淑涵,李玉

(遼寧工程技術大學 測繪與地理科學學院,遼寧 阜新 123000)

0 引言

農村村落是農戶生產和生活的重要場所,是人們賴以生存的重要載體。了解農村村落空間分布不但能夠推進農業(yè)現(xiàn)代化進程,且對發(fā)展文明建設也具有十分重要的價值[1]。然而隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進展的加快,村落數(shù)量正在逐漸銳減,村落的文明建設和發(fā)展正在面臨著巨大的挑戰(zhàn)[2]。

目前,對于村落的研究主要針對傳統(tǒng)村落并取得了積極的進展。從研究內容上來看,主要側重對傳統(tǒng)村落的振興及保護[3-6]、傳統(tǒng)村落的開發(fā)利用方式[7-10]、傳統(tǒng)村落的評價及其管理體系[11],以及旅游行業(yè)對傳統(tǒng)村落發(fā)展的影響等[12]。其中陳中高等[13]基于CiteSpace的知識圖譜分析傳統(tǒng)村落保護與發(fā)展的367篇文獻,為促進鄉(xiāng)村振興展開進一步探索。黃卉潔等[14]運用GIS軟件的空間分析功能對西北地區(qū)傳統(tǒng)村落進行旅游等級劃分,探索旅游開發(fā)潛力的規(guī)律和原因。結果表明,西北地區(qū)傳統(tǒng)村落潛力區(qū)分布不均,沒有得到有效開發(fā)。邵秀英等[15]從公共管理的視角出發(fā),對傳統(tǒng)村落基本屬性和對傳統(tǒng)村落公共管理的界定等途徑分析,得出傳統(tǒng)村落旅游的核心問題是多方面利益的矛盾,制度約束與規(guī)范管理是現(xiàn)階段傳統(tǒng)村落旅游地治理的重要途徑。盧松等[16]通過實際調研與GIS的空間分析相結合的方式,以徽州地域119個中國傳統(tǒng)村落作為樣本,探討了徽州傳統(tǒng)村落旅游開發(fā)的時空演化過程。從研究尺度上看,高楠等[17]運用GIS的空間分析方法對國家發(fā)布的全國6 819個傳統(tǒng)村落進行空間分布以及影響因素進行研究;孟杰等[18]對黑龍江省的傳統(tǒng)村落的保護與建設進行探究;安乾等[19]和王崢等[20]分別從市級區(qū)域角度對傳統(tǒng)村落的類型及分布機理進行研究,以及付春蕾等[21]利用診斷性評價方法對鄭州市柏石崖村社會經(jīng)濟、環(huán)境狀況進行分析和評價,提出34個基本指標為傳統(tǒng)村落的保護和發(fā)展提供參考。從研究時序來看,柴一涵[22]對1999-2021年的浙江省傳統(tǒng)村落的研究進行系統(tǒng)梳理,總結研究現(xiàn)狀及不足并提出展望。但從村落的空間分布及影響因素研究內容來看存在一些不足。一是傳統(tǒng)村落的空間分布具有一定的重要性,但對于所有類型的農村村落研究是不足的;二是對于村落的研究不單單表現(xiàn)在點狀特征上,應該包含村落規(guī)模特征及面積變化等研究;三是針對遼寧省地區(qū)村落的空間分布及影響因素相關研究較少。據(jù)此,本文以Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源,利用融合多尺度與注意力機制的輕量級DeeplabV3+網(wǎng)絡進行遼寧省地區(qū)村落提取。通過提取結果分析遼寧省村落的空間分布特點以及影響村落空間分布的因素。由于人類是依賴自然界而生存,地形地貌對于村落的分布有著直接的影響;同時,水系是人類賴以生存的重要物質,是人類不可或缺的一部分;并且,隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,道路交通對于村落有著十分重要的影響。因此,本文選取與遼寧省農村村落有關的地形地貌、坡度、坡向、水系、經(jīng)濟、與縣級駐地的距離和道路交通進行影響因素的相關性分析,以此為后續(xù)的研究提供良好的參考價值。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

遼寧省位于我國東北地區(qū)南部,地理坐標為118°E～125°E,38°N～43°N。西與河北省臨界,西北與內蒙古自治區(qū)相鄰,東北與吉林省接壤,南臨黃海、渤海,東與朝鮮一江之隔,與日本、韓國隔海相望。遼寧省全省下設14個省轄市,總面積約1.461×105km2(圖1)。遼寧省東西部是山地丘陵區(qū),中部為沖積平原區(qū)。山地面積約占全省的2/3,平原地區(qū)約為1/3。遼寧省高程主要表現(xiàn)為中間低、兩側高,全省最高峰超過1 300 m,平均海拔高度為230 m。坡度空間特征與高程分布特征基本一致,平均坡度約7.5°。遼寧省河流大小300余條,河流總長度為19 745 km,徑流深223 m,年徑流總量為3.24×1010m3。遼寧省的地理環(huán)境以及各省轄市之間的經(jīng)濟差異等因素是村落分布的重要原因。

圖1 遼寧省區(qū)劃圖

1.2 研究數(shù)據(jù)

本文研究應用數(shù)據(jù)為Landsat 8 OLI多光譜遙感影像數(shù)據(jù),成像時間為2018年8月、9月。地面像元分辨率為30 m,選取其中的紅、綠、藍3個波段合成真彩色作為本文的實驗影像。在成像的過程中,由于傳感器自身原因以及電磁波在傳播中大氣層的吸收和散射作用,導致影像的灰度值與地面的實際輻射亮度值之間存在差異。因此,本文對數(shù)據(jù)進行了一系列預處理操作,其中包括輻射定標、大氣校正、影像增強、影像裁剪和影像拼接等步驟,經(jīng)過全色波段重采樣得到15 m分辨率的影像,最終獲得研究區(qū)域完整遙感影像數(shù)據(jù)。從中選取影像大小為7 831像素×7 941像素,通過ArcMap 10.2軟件制作標簽圖,并將其尺寸裁剪為512像素×512像素的樣本影像圖,共獲得155張。采用旋轉90°、180°、垂直鏡像和水平鏡像的方式進行數(shù)據(jù)增強,擴充數(shù)據(jù)集,共獲得620張標注樣本。圖2為影像和其對應的標簽圖。

圖2 遙感影像及其標簽圖

2 基于DeeplabV3+網(wǎng)絡的村落提取

2.1 網(wǎng)絡結構設計

本文利用融合多尺度與注意力機制的輕量級DeeplabV3+網(wǎng)絡對遼寧省遙感影像進行農村村落提取。網(wǎng)絡結構如圖3所示。

圖3 改進DeeplabV3+網(wǎng)絡的體系結構

DeeplabV3+網(wǎng)絡為經(jīng)典的編碼層-解碼層結構。在編碼層部分,輸入的遙感影像通過主干網(wǎng)絡中不同通道的深度可分離卷積層提取淺層語義特征信息圖Fa,淺層信息特征圖通過空洞空間金字塔池化(atrous spatial pyramid pooling,ASPP)模塊[23]處理。在ASPP模塊中分別利用1×1卷積、空洞速率分別為6、12、18的空洞卷積和全局平均池化處理,而后融合上述操作結果得到深層語義特征信息。深層語義信息通過1×1卷積壓縮,并進行4倍上采樣,最終得到深層信息特征圖Fb。在解碼層部分,由編碼層輸出的淺層信息特征圖Fa被空間注意力模塊處理后經(jīng)過1×1卷積,深層特征圖Fb被通道注意力模塊[24]處理后,再經(jīng)過4倍上采樣恢復邊界細節(jié)信息,輸出后與經(jīng)過1×1卷積后的特征圖Fa通過堆疊的方式融合。最后,經(jīng)過兩個3×3卷積層和4倍雙線性插值上采樣處理后,逐步細化細節(jié)特征,恢復空間信息,最終得到提取結果圖。

2.2 提取結果分析

利用融合多尺度與注意力機制的輕量級遙感影像村落提取方法提取遼寧省村落,將分類結果與人工目視判讀的分類結果進行對比,建立混淆矩陣,進行精度評價。根據(jù)精度評價計算結果,總體精度為98.10%,準確率為91.28%,Kappa系數(shù)為0.859 9。遼寧省村落提取結果如圖4所示,本文共提取農村村落85 630個,提取面積為654 582.7 hm2。

圖4 遼寧省影像及提取結果圖

3 遼寧省村落空間分布影響因素分析

3.1 村落空間分布特征分析

1)規(guī)模特征分析。根據(jù)遼寧省農村村落的特點,將小于50戶的村落定義為小型村落,50～200戶定義為中型村落,200～800戶定義為大型村落,超過800戶為超大型村落。根據(jù)《土地管理法》每戶建設用地和未利用地的占地標準,將農村村落按照面積 (以下簡稱為EA)規(guī)模劃分為4個級別。分別0≤EA<1 hm2為小型村落,1 hm2≤EA<5 hm2為中型村落,5 hm2≤EA<20 hm2為大型村落,EA≥20 hm2為超大型村落。

利用ArcGIS 10.2軟件將提取的遼寧省村落轉化為矢量數(shù)據(jù),按照各市進行面積統(tǒng)計并進行規(guī)模等級劃分。從表1可以看出,遼寧省共計村落85 630個,其中小型村落25 888個,中型村落28 405個,大型村落23 558個,超大型村落7 779個。遼寧省整體以小型、中型以及大型村落為主。地級市中,大連市和丹東市村落最多,分別為16 079個和12 550個。在小型村落中,本溪市和盤錦市最少,僅為264個和425個。中型村落中除本溪市和盤錦市外,其他地區(qū)均超過1 000個。大型村落中遼陽市和撫順市分別為731個和846個。超大型村落中,除沈陽市超過1 000個外,其他均未超過1 000個,最少為本溪市僅有162個。從以上數(shù)據(jù)可以看出,遼寧省農村村落規(guī)模呈現(xiàn)“中間大、兩邊小”的地域分布特點。

表1 遼寧省各市村落等級劃分

從圖5可以看出,在小型村落中,丹東市和大連市占比上最大,在40%～45%之間;中型村落中本溪市、丹東市、朝陽市和營口市占比最大。大型村落中朝陽市、鐵嶺市和鞍山市占比最大,均超過35%。超大型村落整體占比較小,在20%以下。在整個遼寧省中,中型村落占比最大,其次是小型村落,超大型村落占比最低。從以上指標可以看出,遼寧省相對發(fā)達城市小型村落占比較大,特別在沿海地區(qū)表現(xiàn)更為明顯。大型村落占比較大城市多為遼寧西北部地區(qū)城市,此區(qū)域經(jīng)濟相對發(fā)展落后,能夠在基礎設施和建設水平有限的情況下保留村落的原始特點。

圖5 遼寧省各市村落規(guī)模占比

2)空間分布密度分析。利用提取得到的遼寧省面狀要素轉化為點狀要素并建立點密度分布圖。如圖6所示。在點密度估計中,搜索半徑是一個重要的參數(shù)[25]。本文經(jīng)過多次實驗確定搜索半徑為2 km,使遼寧省村落在密度分布圖上能夠得到較好的表達。從圖6可以看出,遼寧省農村村落在空間分布上的整體表現(xiàn)為“南密北疏”。遼寧省南部沿海城市村落分布密集,最大點密度達到6.37個/km2,這與當?shù)氐陌l(fā)展經(jīng)濟與生活習慣密切相關。遼寧西北部地區(qū)村落分布稀疏,該區(qū)域地勢較高,山體較多,不利于村落的分布。

圖6 村落聚集度

3.2 影響因素分析

1)地形地貌。地形地貌是影響村落分布的重要因素之一,遼寧省的地形為中間低兩側高,最高海拔超過1 300 m。根據(jù)地形特點將海拔高度分為 DEM≤200 m、200 m

表2 各等級高程村落分布統(tǒng)計表

圖7 村落與高程疊加圖

2)水系。河流是人類文明發(fā)展的起源地,古代村落多數(shù)以靠近水源而居。距離水源較近的地方具有更好的生產和生活條件,往往村落分布的也更加密集。對于缺水嚴重的遼寧省而言,水源對農村村落分布的影響更為深遠,水源的分布決定了村落的分布。通過對遼寧省5級以上河流每隔0.5 km、1 km、2 km、5 km分別建立緩沖區(qū),生成河流多環(huán)緩沖區(qū)分布圖,然后與村落點狀要素分布圖進行疊加,統(tǒng)計各個緩沖區(qū)內農村村落數(shù)量。通過表3可知,遼寧省村落在靠近河流時分布更加密集,在河流緩沖區(qū)距離為0.5 km時,村落占總村落的4.41%;當河流緩沖區(qū)距離為1 km時,村落占總村落的8.48%;在河流緩沖區(qū)距離為2 km時,村落占總村落的15.88%;在河流緩沖區(qū)距離為5 km時,村落個數(shù)為30 666個,占總村落的35.81%;累計在河流緩沖區(qū)5 km以內的村落為54 900個,占總村落的64.31%。僅僅是靠近河流的村落就超過了64%,而遼寧省南部大多靠海,更臨近水源,整個遼寧省村落靠近水源占更大比例。

表3 水系緩沖區(qū)分布村落統(tǒng)計表

3)坡度。坡度作為農村村落空間分布的宏觀地理背景,對于遼寧省村落分布有著十分重要的影響。將遼寧省的坡度值分為0°≤slope<2°、2°≤slope<5°為緩坡、5°≤slope<15°為中坡、15°≤slope<25°為大坡,slope≥25°為陡坡,共5個級別。通過表4可知,遼寧省村落分布在0°≤slope<2°的村落共有24 036個,占遼寧省總村落的28.07%;村落分布在2°≤slope<5°的村落共有40 144個,占遼寧省總村落的46.88%;村落分布在5°≤slope<15°的村落共有19 286個,占遼寧省總村落的22.52%;當15°≤slope時,生態(tài)環(huán)境比較惡劣,水土流失比較嚴重,對村落的影響較大,分布在其區(qū)域的村落為2 164個,僅占遼寧省整體村落的2.53%。遼寧省坡度與高程分布基本一致,二者共同促成了遼寧省中部地區(qū)村落規(guī)模較大、東西部以小型村落和中型村落分布為主的類型。

表4 各坡度等級分布村落統(tǒng)計表

4)坡向。坡向對于生態(tài)環(huán)境有著較大的作用,間接地影響著農村村落的空間分布情況。根據(jù)遼寧省的坡向特點,利用坡度角分為5個等級,-1°為平坡,0°～45°和315°～360°為陰坡,45°～135°為半陰坡,135°～225°為陽坡,225°～315°為半陽坡。通過表5可知,遼寧省村落分布在平坡的數(shù)量為12 731個,占總體村落的14.87%;分布在陰坡與半陰坡的村落數(shù)量為32 143個,占總體村落的37.53%;分布在陽坡與半陽坡的村落數(shù)量為40 756個,占村落整體的47.60%。可以看出遼寧省村落大部分分布在平坡、陽坡和半陽坡,這跟遼寧省位于北方且冬天相對寒冷有關,在同一高程位置上,冬季位于陽坡與陰坡的溫差在3～4 ℃,這間接地影響著村落的空間分布情況。

表5 各坡向分布村落統(tǒng)計表

5)經(jīng)濟因素。區(qū)域經(jīng)濟情況與地區(qū)發(fā)展水平具有密不可分的關系,和農村村落之間也存在重要的關聯(lián)性。本文收集了遼寧省各地級市的GDP數(shù)據(jù)來表現(xiàn)當?shù)貐^(qū)域的經(jīng)濟發(fā)展水平,與村落的密度分布圖進行疊置分析,如圖8所示。從圖8可以看出,農村村落在不同區(qū)域的經(jīng)濟下具有不同的聚類狀態(tài),可以分為5種類型。一是朝陽市、葫蘆島市、阜新市、盤錦市、鐵嶺市以及錦州市的遼西北地區(qū),相對發(fā)展落后,村落存在多處密集狀態(tài),形成了低聚類類型村落;二是沈陽市的遼中地區(qū),經(jīng)濟發(fā)達,基礎設施條件和城市建設水平比較發(fā)達,村落分布均勻,形成了均勻性類型村落;三是遼陽市、本溪市以及撫順市的經(jīng)濟發(fā)展落后地區(qū),同遼西北相似,屬于基礎設施和城市建設水平落后區(qū)域,但此區(qū)域村落基本沒有聚集狀態(tài),屬于稀疏類型;四是營口市、鞍山市和丹東市三市區(qū)域,此地區(qū)相對遼西北發(fā)展更好,存在較多聚集村落,因而形成中聚集類型村落;五是大連市的遼南地區(qū),是遼寧地區(qū)的最發(fā)達區(qū)域,村落更多且聚集更為密集,屬于高密集類型村落。綜上表明,遼寧省遼中與遼南經(jīng)濟相對發(fā)達,遼西北與遼東較為落后,遼中與遼南村落相較于遼西北與遼東村落分布更加密集,說明村落的密集程度與經(jīng)濟呈正相關。

圖8 遼寧省GDP與村落密集分布圖

6)與縣級駐地的距離分析?？h級駐地的發(fā)展對村落的保護和發(fā)展具有帶動作用,而二者的距離是影響其作用的關鍵因素。利用ArcGIS的鄰域分析,以10 km為間隔對61個縣級駐點做多環(huán)緩沖分析,得到遼寧省農村村落和縣級駐地之間的直線距離。如圖9所示,村落到縣級駐地的距離小于10 km共有9 451個;村落在距離縣級駐地10～20 km區(qū)間內數(shù)量最多,占總量的29.67%;距離在40 km以內的村落占總體村落的88.97%?？偟貋碚f,距離縣級駐地越近,村落越密集,有利于村落的發(fā)展,村落距離縣級駐地較遠能保護和傳承村落最原始的特點,但同時也加大了對當?shù)匚磥戆l(fā)展的難度。

圖9 遼寧省村落與縣級駐地的直線距離

7)道路交通。農村村落的空間分布與道路交通的關系極為密切,多數(shù)情況下,人類聚落選擇便于出行的區(qū)域作為定居地,因此道路是影響村落分布格局的重要因子。通過對遼寧省的主要道路每隔0.5 km、1.0 km、1.5 km、2.0 km分別建立緩沖區(qū),統(tǒng)計不同緩沖區(qū)內農村村落的數(shù)量。由表6可知,在距離道路0.5 km范圍內,農村村落的數(shù)量占總體村落的54.03%;在距離道路2 km范圍內,農村村落的數(shù)量占遼寧省村落總數(shù)的86.55%,遼寧省大多數(shù)村落都在距離道路較近的范圍內。

表6 道路緩沖區(qū)分布村落統(tǒng)計表

從圖10可知,遼寧省農村村落的密度值和道路密度值變化趨勢大體一致,農村村落分布越密集,道路分布相應也越密集。遼寧省整體屬于山地與平原交錯地帶,遼中區(qū)域較為平坦,路網(wǎng)更密集。另外,村落中的居民通向外界的主要方式是公路,隨著與外界經(jīng)濟交往的日益頻繁,村落靠近公路成為一種必然選擇。

圖10 村落與道路緩沖區(qū)疊加圖

4 結束語

本文利用融合多尺度與注意力機制的輕量級DeeplabV3+網(wǎng)絡對遼寧省農村村落進行提取,共提取村落85 630個,提取面積達654 582.7 hm2。利用提取結果分析遼寧省村落空間分布特征及其影響因素。在整個遼寧省中,小型村落、中型村落和大型村落占村落總體90%以上。遼寧省村落點密度最大為6.37個/km2,主要分布在遼南沿海地區(qū),遼西與遼北地區(qū)面對相對較小。遼寧省村落規(guī)模分布呈現(xiàn)“中間大、兩邊小”的特點。對于遼寧省村落空間分布的影響因素分析主要從地形地貌、水系、坡度、坡向、經(jīng)濟因素、與縣級駐地的距離和道路交通7個方面進行分析。在地形地貌上,本文將DEM分為4個等級,其中遼寧省絕大多數(shù)村落分布在遼寧省中部平原地區(qū),海拔大于800 m時,幾乎沒有村落分布。分析得出,遼寧省中部屬于平原聚集類型村落,遼寧省東西部呈現(xiàn)為高聚集性村落。在水系分析上,本文選取了5級以上河流進行分析并建立多級緩沖區(qū)。分析結果表明,遼寧省村落在靠近河流時分布更加密集。在坡度分析中,根據(jù)遼寧省坡度特點分為5個等級,村落分布在2°≤slope<5°的村落占比最大,當15°≤slope時,生態(tài)環(huán)境比較惡劣,水土流失比較嚴重,對村落的影響較大,分布僅占遼寧省整體村落的2.53%。坡度與高程特征基本一致,二者對于村落的分布起著關鍵性的作用。在坡向分析中,將坡向分為平坡、陰坡、半陰坡、陽坡和半陽坡5個等級,受遼寧省的天氣狀況影響,遼寧省村落主要分布在平坡、陽坡和半陽坡上。在經(jīng)濟因素分析中,將遼寧省各地級市的GDP與村落密度分布圖進行疊置分析,發(fā)現(xiàn)遼中與遼南村落相較于遼西北與遼東村落分布更加密集,村落的密集程度與經(jīng)濟呈正相關。在與縣級駐地距離分析中,以10 km為間隔做多環(huán)緩沖區(qū),發(fā)現(xiàn)距離縣級駐地越近,村落越密集,有利于村落的發(fā)展,村落距離縣級駐地較遠能保護和傳承村落最原始的特點,但同時也加大了對當?shù)匚磥戆l(fā)展的難度。在道路分析中,利用遼寧省主要道路建立多重緩沖區(qū),結果說明,遼寧省農村村落的密度值和道路密度值變化趨勢大體一致,農村村落分布越密集,道路分布相應也越密集。本文從以上7個方面分析了遼寧省村落的空間分布影響因素,但村落作為農戶生產和生活的重要場所,影響因素不僅僅局限于以上7個方面,土壤程度等也是重要影響因素,后續(xù)研究將在這方面進一步拓展。