摘要
基于土地覆盖数据集(CLCD)产品和轮廓提取算法,系统开展了1990―2020年中国乡村聚落建筑形态、面积扩展及其时空变化研究。通过深入分析乡村聚落时空变化特征发现:在快速城镇化进程中,中国乡村人口不断减少的同时,乡村聚落呈现持续扩张的态势。2020年中国乡村聚落面积约是1990年的2倍。小面积的乡村聚落拥有更快的扩张速度,在面积到达特定阈值后开始逐渐放缓。乡村聚落扩张速度具有明显的空间差异性,西部地区的扩张速度快于东部地区。乡村聚落的持续扩张和规模扩大,一方面反映了中国城乡平衡发展取得了可喜进展,另一方面也反映了城乡建设用地“双增长”可能对农业及生态用地产生负面影响,对此应当引起高度重视。
聚落是人类各种形式的聚居地的总称,一般可以将聚落分为城市和乡村两大类。乡村聚落是村民生存、生活、生产的物质载体,乡村聚落空间可以分为乡村建筑空间、社会生活空间、农业生产空间三部分。伴随乡村的工业化、产业多元化发展,农业生产空间在评价乡村发展程度上的作用逐渐弱化;乡村建筑空间则是村民维持基本生存的根基,同时也是村民进行日常社会生活的载体,乡村建筑空间的演化过程一定程度上反映了乡村产业发展、人地关系变化和乡村地域系统转型的时代进程。
1990―2020年,是中国改革开放,飞速发展的一段时间,伴随着快速城镇化、新农村建设、城乡发展一体化、乡村振兴等相关重大战
国内外关于乡村聚落的研究由来已久,主要包括探究自然环境地理与聚落分布的关系,经济社会发展与聚落扩张的影响,以及不同阶段乡村人地系统耦合与可持续发展途径等问题,近年来,伴随着快速城镇化和城乡发展转型,乡村地域类型与空间格局演化研究受到广泛关注,更强调用量化分析方法来揭示乡村聚落的空间形态及其变化特
研究数据来自于CLCD土地覆盖分类数据
聚落在空间形态上表现为建筑物的集聚,本研究采用机器识

图1 聚落边界提取流程
Fig.1 Settlement boundary extraction process
膨胀运算是图像处理最常用的算法之一,在本文中使用膨胀运算对二值化的建筑物‒非建筑物产品进行相邻元素的连接,即我们认为,在空间上集聚的建筑物如果靠得足够近,则将其视为一个聚落处理。在进行膨胀之间,先用
(1)定义一个卷积核,可以是任意的形状和大小,卷积核的大小决定了连接相邻元素的阈值,本文将其设置为5,由于CLCD图像分辨率为30m,因此这一设置代表我们假设距离在150m之内的两个建筑物集群可以被视为同一个聚落。
(2)将卷积核与图像进行卷积运算,计算卷积核覆盖区域的像素点最大值。
(3)将这个最大值赋值给该区域中央点指定的要素。
基于二值化图像的轮廓提取,通过传统边缘检测算法便可以进行计算,最简单的检测边缘的方式是微分算子法,对图像运用导数算子来衡量边界强度,通过对计算得到导数值设置阈值,从而提取边界的点集。一阶导数是最简单的导数算子,如
(1) |
式中:为在点(x,y)处的梯度。和则分别为该点在x方向和y方向的一阶导数。这种方式需要对每个像素值进行计算,会带来巨大的时间损耗。因此,在实际应用中,常用小区域模板进行卷积运算来近似计算。
本文采用Canny边缘检
(1)使用2D高斯滤波模板进行卷积以消除噪声,这一部分同样也用来消除面积较小的建筑物集群,高斯滤波模板函数如下:
(2) |
(2)使用
(3)计算出梯度的方向,即
(3) |
(4)将边缘的梯度方向大致分为4种:水平、竖直、45°方向、135°方向。通过梯度的方向,就可以找到这个像素梯度方向的邻接像素。
(5)遍历图像,若某个像素的灰度值与其梯度方向上前后两个像素的灰度值比较不是最大的,那么这个像素值置为0,即不是边缘。反之,则置为1,是边缘。
得到边缘提取结果之后,将提取到的每个聚落边缘赋予地理坐标信息,并向外制作150m的缓冲区,通过这个缓冲区得到最小外接矩形,制作缓冲区是为了确保该矩形囊括该区域的所有聚落建筑物信息,而用最小外接矩形则是为了减少储存空间。
乡村聚落提取结果分布如

图2 各省份成功识别的乡村聚落数量
Fig.2 Number of rural settlements identified by province
本文通过对遥感影像的样本选取和目视解译,选择了合适的边界面积阈值,从提取结果之中剔除了面积过小(可能为离散的建筑物)和面积过大(可能为城市、乡镇)的聚落边界。其中,面积过小的阈值是通过目视解译从遥感影像上随机选取100个极小面积村落,统计其面积最小值而得出。面积过大的阈值则来源于中国各县级以上城市的最小面积,这一阈值定为10 k
将边界提取结果与原始CLCD产品进行叠加,以利用分区统计方法统计每个乡村聚落每年的建设用地面积。为了消除CLCD产品的统计误差,需要对统计得到的建设用地面积进行校正,本研究从乡村聚落点中随机选取200个样本点,并通过目视解译的方法,在卫星遥感影像上勾画聚落边界并计算面积,与CLCD产品统计计算的边界面积(在0.05的置信度下通过单样本t检验,认为其样本均值和总体均值相等)进行比较并矫正,矫正公式如下:
(4) |
式中:为通过遥感影像目视解译计算的面积,为通过CLCD产品计算的面积,为待矫正面积,为矫正结果。
为了更好地反映乡村聚落的扩张和萎缩,本文定义聚落膨胀率指标如下:
(5) |
式中:和分别是第m年和第n年的聚落建设用地面积;为聚落m年到n年的膨胀率,膨胀率为正时,代表聚落面积扩张;为负时,代表聚落面积萎缩。一般来说,膨胀率越大,代表该聚落面积扩张越快,发展速度就越快。
通过观察聚落扩张曲线拟合结果,本文将聚落扩张类型分为凸扩张、凹扩张两种类型,凹扩张的类型代表聚落的扩张速度先慢后快,凸扩张则反之,增长类型如

图3 扩张类型示例
Fig.3 Examples of extended types
用来区别扩张类型的公式如下:
(6) |
(7) |
式中:为第m个聚落第i年的建设用地面积;和分别为需要计算的起始年份和终止年份;是用来判别属于凹扩张还是凸扩张的值。为第m个聚落的扩张类型,和分别为凹扩张和凸扩张。
传统研究指出,由于城市对乡村的吸引效应,乡村往往会遭遇人才流失等负面影响,从而导致发展速度减
通过对提取结果的分析发现,1990―2020年期间,全国共增长乡村聚落面积约50 000 k

图4 每年乡村聚落面积与膨胀率变化
Fig.4 Annual change of rural settlement area and expansion rate
为了更好地揭示乡村聚落的空间变化,本文将聚落面积分为11个大小不等的面积范围,基于这些面积范围,

图5 乡村聚落空间分布
Fig.5 Spatial distribution of rural settlements
诸如山东、河南、河北三省,都是人口众多的农业大省,农业发达,又位于京津冀都市圈辐射范围,因此这些区域的乡村聚落拥有更高的发展程度。高速发展的城市群虽然对乡村有人口迁移的拉力作用,但同时其经济发展的辐射带动作用也影响了周边乡村的飞速扩张,因此,扩张迅速的乡村往往围绕于大型的城市群,并呈现集聚现象,如在2020年,东北地区、长江中下游地区、新疆天山山脉、四川盆地均出现了大型乡村聚落的空间集聚。东南区域受限于多山和丘陵的地形,发展程度较高的乡村成离散的分布形态,且大面积的乡村集中于海岸线周边。

图6 各省份1990―2020年乡村聚落面积总膨胀率
Fig.6 Total expansion rate of rural settlement area by province, 1990―2020
为了更好地表现不同区域之间的差异,本文结合自然环境、行政划分,将中国划分为东北、华北、东南、西南、西北五个区域,划分方式如
如

图7 各区域1990―2020年乡村聚落膨胀率变化
Fig.7 Changes in the expansion rate of rural settlement area in different regions, 1990―2020
从聚落尺度来看,聚落面积在1 k

图8 1990、2005和2020年不同建设用地面积的乡村聚落数量变化
Fig.8 Changes of the number of rural settlements with different building areas, 1990, 2005, 2020
对于乡村聚落的扩张类型,经过计算,94.5%的乡村聚落在1990―2020年期间建设用地的面积保持增长状态,在这之中,有45%的聚落为凹增长类型,55%的聚落为凸增长类型。

图9 不同扩张类型占比和聚落面积范围(以初始年份1990年为准)的关系
Fig.9 The relationship between the proportions of different expansion types and the area of settlement (based on the initial year 1990)
根据
无论是从总体还是地域角度,乡村聚落在1990―2020年期间呈现持续的扩张态势。相关研究指出,乡村面积的增长很有可能是由于城市发展过程之中衍生的社会福利问题、交通拥堵、住房紧张、环境污染等问题,让很多农村户口的人们更愿意拿在城市赚到的钱在自己老家农村建宅基地,而不是选择在城市买房居
乡村聚落的扩张揭示了中国乡村平稳向好的发展环境,但也带来了不少的问题,大多数研究将关注点聚焦于城市扩张对耕地的侵
基于现有的土地覆盖产品,本文对全国范围内的乡村聚落进行了识别和面积提取,时间跨度为1990―2020年。主要结论如下:
(1)技术方法方面,将计算机图形学中的轮廓检测算法应用到遥感数据产品的处理过程之中,充分利用了遥感数据产品大尺度、大体量的特征,首次尝试在全国的尺度范围内精细化提取海量的乡村聚落的空间形态信息,为新型遥感产品应用、环境智能感知、地理数据生产提供了新的方法尝试和研究思路。
(2)研究发现了中国乡村聚落扩张的一个关键点:乡村建设用地面积以0.057 5 k
(3)从空间上来看,面积较大的乡村聚落往往集聚于大型城市周边,在农业人口众多、农业产值较高的中国东北和华北地区,乡村聚落的面积比其他区域的更大,经济发达程度更高。不同区域的乡村面积增长有着不同的模式,由于土地资源的紧缺和严重的人口外流问题,东北和华北地区的乡村聚落扩张速度常年居于末位,进入了发展的“瓶颈期”;相反地,在西部大开发政策扶持下,加之有丰富的未开发土地资源,西北和西南地区的乡村聚落30年来一直保持高速的发展速度。
(4)在这30年期间,中国乡村聚落在乡村人口不断减少的前提下,呈现平稳扩张、平衡发展趋势,低发展程度的乡村正在蓬勃发展,高发展程度的乡村则逐渐放慢发展速度,这反映了中国致力于解决发展不平衡不充分问题过程中所取得的显著成效。另一方面,和乡村人口减少同步进行的乡村聚落面积扩张,可能会对农业用地面积带来额外的侵占损失,这是我们在促进中国新时代城乡融合发展、乡村振兴战略实施时所需要重点考虑的问题。
尽管本文提取了海量的乡村聚落,但主要提取方式是识别乡村聚落建筑面积,而不同乡村之间地域发展模式差异较大,建筑物的集聚并不能和乡村聚落画等号。因此后续研究将会考虑引入更多评判指标,如建筑密度、集聚程度、周边环境等,对局部的乡村聚落进行更加精细化的提取。
作者贡献声明
张立强:论文修订与审核,论文命题提出与构思。
耿昊:方法提出,制图结果分析,主要内容撰写。
刘彦随:论文命题修订与补充,论文修订与审核。
李新港:数据预处理。
辛奇:协助数据处理工作。
彭淑雯:协助数据处理工作。
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