归一化指标-学术百科-知网空间
归一化指标
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基于GIS的农村居民点人居适宜性评价及整治分区研究
　　中图分类号：K928.5 文献标识码：A 文章编号：（9-07
　　DOI：10.ki.issn16.12.062
　　Abstract： Human settlement suitability research of rural residential areas is the basis of consolidation division of residential areas， it is also an important way to improve production and living conditions of rural areas and balance the urban and rural development. Taking Qapqal xibe autonomous county of Ili river valley as the study area，combined with its terrain characteristics， the human settlement suitability evaluation system of rural residential areas in Ili river valley was established with distribution index method，GIS spatial analysis and structure entropy weight method，and using the gravity model to calculate the influence scores of the residential areas. The results showed that，the steeper the topography， and the closer the residential area was near to water system，the lower the suitability of human settlements. The distribution indexes of suitability indicated that， 73.41% of the rural residential areas of Qapqal county located in the most suitable region. The rural residential areas should be reasonably guide through the preliminary integration of different consolidation divisions such as internal transformation areas，migration and fixed-point areas，to provide decision support for the regulation and optimization of rural residential areas.
　　Key words： rural residential areas； distribution index method； suitability evaluation； gravity model； consolidation division
　　1 研究背景
　　居民点是居住在一起进行、和等活动而聚集的定居场所[1，2]。由于中国长期对农村居民点的建设缺乏统一规划和管控，因而引起农村居民点空间布局散乱、集聚能力差的现象，这种现象不利于土地集约利用和城乡一体化建设。
　　目前进行居民点适宜性方面的评价案例较多，各学者运用不同的评价方法对不同的研究区进行了评价。如程文仕等[3]运用SPSS聚类分析等多种研究方法对西南山区丘陵区进行适宜性评价及分区优化研究；郭月婷等[4]运用多因素综合评价法对三峡库区的农村居民点用地进行适宜性评价；孔雪松等[5]对平原地区农村居民点用地适宜性评价的整治进行了分区研究；李四高等[6]使用多指标综合评价法结合层次分析法，研究了土石山区人居适宜性分布规律及其评价体系；孟霖等[7]选取自然、、、政府和农户意愿5方面12个指标对江苏省徐州市农村居民点进行了整理适宜性评价；朱亮等[8]从高分辨率遥感影像提取的居民点数据结合多指标综合评价法和层次分析法对三峡典型区进行了人居适宜性评价；双文元等[9]利用AVC理论构建农村居民点适宜性评价体系，根据吸引力、生命力和承载力评价值和其适宜性综合值，对大同市南郊区居民点进行了适宜分区；张颖等[10]利用最小累积阻力模型进行农村居民点适宜性分区，为金牛湖街道未来居民点整理和村镇建设提供了依据。
　　从以上研究成果来看，对于河谷地区的农村居民点人居适宜性的研究较少，本研究结合研究区地形特点，综合运用分布指数法、GIS空间分析法和结构熵权法确定各影响因子的指标权重与量化标准，建立了伊犁河谷地区农村居名点人居适宜性评价体系，并引用引力模型计算城镇影响力，将其结合适宜性评价结果对研究区农村居民点进行初步整治分区，为新增居名点选址及移民安置提供了一定依据和借鉴。
　　2 研究区概况与数据处理
　　2.1 研究区概况
　　察布查尔锡伯自治县（此后称为“察县”）位于新疆西天山支脉乌孙山北麓伊犁河以南辽阔的河谷盆地。地形东窄西宽，地势南高北低，由东南向西北倾斜。位置介于东经80°30′00″-81°45′00″、北纬43°15′00″-43°57′30″之间，东邻巩留县，南与乌孙山分水岭与特克斯县、昭苏县接壤，北与伊宁市、伊宁县、霍城县与伊犁河隔水相望，西与哈萨克斯坦共和国接壤。全县土地总面积364 041.95 hm2（不含兵团面积），辖2镇、11乡、5场、1军分区。2013年末全县地方常住16.73万人，其中农业户籍人口11.16万人，GDP达39.89亿元，地方总收入9.99亿元。根据察县土地利用变更数据库，全县农村居民点用地8 314.34 hm2，占全县土地总面积的2.28%，按常住人口计算，人均农村居民点用地高达496.97 m2/人，远远高于国家标准规定的上限，农村居民点整理的理论潜力较大，因此选用该研究区为靶区进行探讨。
　　2.2 数据来源及处理
　　本研究以农村居民点人居适宜性为研究对象，研究中用到的数据主要来源于察县1∶100 000土地利用现状图（2013年）、数字高程模型数据DEM、察县城市总体规划（年）、察县土地利用总体规划（年）以及察县基本农田保护区图（2013年）等。
　　本研究首先将栅格图件扫描几何校正进行矢量化，然后将不同的矢量数据类型利用ArcGIS 9.3统一转为shp格式进而提取本研究所需的数据信息，主要信息包括面状农村居民点、建制镇及基本农田等面状要素、线状及水系要素以及地形高度、坡度数据等信息。
　　3 研究方法
　　3.1 分布指数法
　　由于研究区因子特殊，而地理因子受面积影响较大，无法直接反应其对农村居名点分布的影响，因此本研究采用分布指数法[11]，计算公式为：
　　Qr=（SiA/Si）/（SA/S） （1）
　　式中，Qr为r类分布等级的分布指数；SiA为A因子在r类分布等级下农村居名点的面积；Si为察县农村居名点的面积；SA为A因子在r类分布等级下的总面积；S为察县行政区总面积。
　　当Qr=1时，表示A因子的r类分布等级在农村居民点与在全县分布的影响比重上相同；若Qr>1时，表示A因子对全县农村居民点的分布影响比重较大，说明r类分布等级是农村居民点分布的优势影响因子，Qr越大，优势越显著；若Qr<1，说明r类分布等级是农村居民点分布的非优势影响因子。
　　3.2 结构熵权法
　　结构熵权法是一种定性与定量相结合的权重系数确定法，其结合特尔斐与模糊分析法确定“典型排序”，通过熵值计算和盲度分析，并对数据进行归一化处理得到指标权重值。具体步骤如下：
　　1）特尔斐法确定“典型排序”。
　　2）对“典型排序”进行盲度分析。对“典型排序”进行定性与定量，隶属度函数为：
　　式中，？琢ij是指专家i对第j个指标的评价定性排序数，m=j+2为转化参量；bij为？琢ij的定量转化值，bij=μ（aij），计算隶属度矩阵B=（bij）k×n。
　　将k个专家对指标j的一致看法记为bj，称为评价认识度，
　　记专家对因素j由认知产生的不确定性为认识盲度，记作Qj，
　　Qj=|{[max（b1j，b2j，…，bkj）-bj]+[min（b1j，b2j，…，bkj）-bj]}/2| （4）
　　显然Qj≥0。定义全体k个专家对指标j的总体认识度为xj，则：
　　xj=bj（1-Qj），xj>0 （5）
　　即得到全体专家对指标j的评价向量X=（x1，x2，…，xn）。
　　3）归一化处理。对xj=bj（1-Qj）进行归一化处理，得到指标的权重，
　　即得到指标集U={u1，u2，…，un}的权重集W={w1，w2，…，wn}。
　　3.3 人居适宜性评价
　　3.3.1 人居适宜性评价体系建立 农村居名点的分布与众多自然、和生态因素有极其密切的关系，而居名点的整治规划是改善居民生活、生产的过程，受多种因子的制约和影响，要结合研究区未来规划模式与区位要求，按照因地制宜及效益兼并的原则，对影响农村居名点的各种限制及驱动因子进行评价。本研究根据察县农村居民点现状众因子的分布指数选取部分自然、社会和生态因子建立农村居民点人居适宜性评价体系。
　　1）自然因子。主要选取了地形、水系和土地利用类型。由于察县位于新疆西天山支脉乌孙山北麓、伊犁河以南辽阔的河谷盆地，地形分布复杂多变，且坡度较大的地区容易发生灾害，而地势比较平坦的土地可以减少建设的工程量与经济投入。察县不仅滨临伊犁河，而且其所位于的天山山麓地带县内有诸多冰川河流穿流，河流对居民点的建设不仅有关联性，也存在水体污染等限制性。从古至今居民点大多依水而建，邻近河流生产、生活方便快捷，但是随着的发展，根据生态环境保护要求，居民点建设应该与河流保持距离。不同的土地利用类型影响到居民点整治规划的便利性和可行性，一般在原农村居民点上进行居民点整治投入低，且居民满意度高；而对于已经是城镇及其他建设用地或冰川水域等地类，若拆迁改造进行居民点建设则成本高，难以实现。
　　2）社会因子。主要选取道路和城镇极点缓冲区进行分析。的便利程度直接影响居民的生产和出行，进而影响到居民点的经济和生活水平。交通便捷度的衡量可以根据不同半径缓存区来分析，以划分不同的适应性等级，距离道路越近便捷度越高，其适应性越大。城镇极点的分析根据是选取特定的极点，根据这些极点利用缓冲区分析，研究不同等级极点在不同缓存距离内对居民点建设的影响分值大小。本研究选取已建成城镇、斑块面积大且位于众多基础村包围的居民点为中心村以及中心村周围的基础村三种级别的极点，根据对不同等级的极点设定不同的缓冲区半径，用于了解不同等级极点对居民点建设的影响度和适应性。
　　3）生态因子。选取那些对居民点整治具有限制性的因子。根据建设不破坏生态且保障基本农田不被占用的前提，本研究选取基本农田、生态保护区、景观保护区等生态因子作为评价指标。基本农田作为保障国家粮食安全的特殊用地是不可建设区，故在基本农田中禁止居民点的布局建设。生态保护区是为保护生态环境而设立的禁止建设区，且在保护区周围一定区域内要保证其生态的原始性，不易就近建设居民点。景观保护区作为人类发展的瑰宝，应该传承下去，故居民点的建设也应该远离保护区，保证不破坏保护区的原始建设面貌。
　　3.3.2 指标量化方法 根据居民点人居适应性评价要求，需要将各指标因子划分为不同的适应性等级，并对其赋予不同的分值，本研究将分值等级分为1～5分，适应性等级随分值升高而上升。根据不同因子的适宜性分值划分单因子适宜性等级图。本研究在给不同因子赋值时，根据各因子分布指数并且结合相应的规程要求进行量化赋值。高程、坡度主要根据其分布指数高低进行赋值，将其分布指数大小划分为5个等级，分布指数越高赋值越高。适应性影响因子中城镇极点、道路、河流等的缓冲距离按照《水土保持技术规范》及相关研究[12-18]结合研究区实际情况进行赋值。考虑到基本农田和生态保护区的禁止建设性以及已建成城镇建设用地转变为农村居名点的可行性与经济性，在对这些区域赋值时赋为空值。
　　在此基础上根据察县居民点分布现状，结合专家及相关部门的意见，运用结构熵权法确定不同等级指标权重与量化标准，见表1。
　　3.3.3 评价方法 本研究中人居适宜性主要采用多指标法通过累加各个因素的加权分值计算得出，其公式为：
　　式中，Rij为第ij个栅格人居适宜性的总分值； f（ij）r为第r个地理因子在第ij个栅格的分值；wr为第r个地理因子的相对权重，在ArcGIS当中对各单因子的分布图进行叠加分析得到察县人居综合适宜度图层，最后结合实际情况将察县分为最适宜区、高度适宜区、中度适宜区、低度适宜区、不适宜区5个分区，绘制出地理因子的分级表。
　　3.4 居民点整治分区方法
　　农村居民点的发展在一定程度上受到城镇的影响，一般城镇经济通过带动区域居民收入的提高进而可以促进农村居民点的发展，但一旦居民点受城镇影响因子超过一定限度，将会制约居民点的进一步发展，使其不断并入城镇区或停止不前。因此在进行农村居民点整治规划时，要先将受城镇影响大的居民点划出，列为城镇化区，不再进行居民点的整治迁并。本研究引入基于牛顿引力的负幂式引力模型，具体公式为：
　　式中，Iij为居民点j受到城镇i的影响引力；Mi、Mj分别为城镇i与居民点j的影响质量；G为经验系数，本研究取1；r为城镇i与居民点j的影响半径；b为距离摩擦系数，本研究取2。
　　根据有关研究表明[19]，质量M通常与聚落的规模、人口、收入有一定的联系。本研究选取城镇与居民点的建设用地规模、常住人口及经济收入为影响因子，通过熵权法结合有关专家意见确定质量影响因子的权重（表2）。影响半径取居民点与城镇最近距离，其中将距离值为0的“城中村”直接划分为城镇化区。
　　根据城镇影响引力计算结果与本次适宜性评价结果，将城镇影响引力值通过量化，运用空间叠加频率直方图分析，以频率突变点划分等级，将受城镇引力值最大等级的居民点划为城镇化区；将适宜性评价结果与城镇影响引力进行叠加，将位于最适宜区、高度适宜区且城镇影响引力相对较大的居民点划为可以进行迁村并点的中心内部改造区；将剩余的适宜性较低、城镇影响引力较小的零星居民点划为迁移并点区。
　　4 结果与分析
　　4.1 人居适宜性评价分析
　　结合察县具体数据，将各个影响因子图层按等级分类标准进行重分类，运用栅格运算及叠加分析各个影响因子适宜性等级图，生成察县适宜性分布图，对适宜性图进行重分类，计算各个等级的居民点分布指数（图1）。由图1可以看出，察县农村居民点最适宜区和高度适宜区主要分布在察县南部靠近伊犁河较为平坦的地区，这里交通便利、河流密布并且距察县县城较近，利于居民点的建设，在察县北部分布有少量最适宜和高度适宜区域，主要是这些地方虽然地势较高，但冰川河流密布，利于居民的生活与生产；而中度适宜区主要分布于察县中部地势较为平缓的地区，这里主要地类为未利用草地等，且河流相对减少，对居民的生活和生产有一定的限制；低度适宜区主要分布在北部地势陡峭的山区；不适宜建设区主要分布在伊犁河沿岸一些湿地滩涂等不利于建设的区域。运用分布指数法结合察县农村居民点分布现状计算出各个适宜性等级的居民点分布指数（表3），可以看出察县分布在最适宜区的居民点最多，其分布指数高达19.22，分布面积占整个县农村居民点的73.41%，但仍然有26.59%的居民点没有达到最适宜建设的条件，需要进行优化调整。
　　4.2 居民点整治分区分析
　　根据前述居民点整治分区方法，运用引力模型计算出城镇对居民点的影响引力，结合ArcGIS 9.3的图层重分类及叠加处理分析，得到察县农村居民点整治分区图（图2）。从图2可以看出，城镇化区主要集中在察县各乡镇已建成的城镇建设用地四周，其中纳达齐牛录乡、堆依齐牛录乡所占比重较大，主要是因为这两个乡距离察县中心城区较近，受到城镇引力值较大；迁移并点区主要分布在察县北部地势较高的区域及南部沿伊犁河区域离散分布的居民点，建议这些离散的居民点以基础村为迁并中心，并根据就近原则进行迁村并点整理，统筹内部改造和城镇化区，提高农村居民点集约利用。按乡镇情况来看，孙扎齐牛录乡、托博种羊场这些乡镇南部分布有大量草地，居民大多以放牧为主，故居民点分布较为零散，需要对规模较小且分散的居民点进行迁并整理，提高居民点土地集约利用率，改善居民生产生活水平；对于内部改造区的居民点需要发挥城镇集聚和中心村的牵引作用，兼顾迁并及内部改造，加强基础设施建设，实现城乡统筹发展。按乡镇情况来看，阔洪奇乡、扎库齐牛录乡需内部改造的居民点较多，主要是因为这两个乡均位于中心城区东部，靠近伊犁河平坦的区域，居民点适宜性较高，中心城区可以影响带动其中具有一定规模的居民点的发展，因此这些居民点可作为重点发展区及用于迁并的中心区域。
　　5 结论
　　本研究从察县的自然、社会和生态三个方面对伊犁河谷农村居民点进行适宜性分析，综合运用分布指数法、GIS空间分析法和结构熵权法实现了对察县农村居民点人居适宜性评价分级。通过分布指数法对适宜性分级结果进行分布指数分析，并结合引力模型对察县已建成的农村居民点进行整治规划分区，得到如下结果：
　　1）地形起伏及多样性与居民点的人居适宜性具有高度相关性。邻大型水系发展的地区为保证生态环境的影响，要求距河流200 m以内为禁止建设区，高程和坡度不仅会造成滑坡泥石流等自然灾害，对居民点的建设成本等要求也比较高，而且复杂的地形不利于农作物的种植，进而一定程度制约了居民点集约。由于察县位于天山山麓，依伊犁河畔而居，其地型复杂多变，故本次自然因子的权重较社会与生态因子的权重大一些。
　　2）通过对适宜性分级结果进行分布指数分析，可知察县73.41%的农村居民点分布在最适宜区，19.04%的农村居民点分布在高度适宜区，7.55%的居民点分布在中、低度适宜区，没有居民点分布在不适宜建设区。
　　3）城镇的建设与人居适宜性的高低直接影响着居民点整理规划的布局和方向。居民点整治规划与城镇建设是一个时间同步、空间相连的相互作用，本研究依据城镇影响引力的大小及适宜性分区结果确定了居民点城镇化区、内部改造区和迁移并点区。
　　通过对察县农村居民点进行适宜性评价并且通过评价结果对察县初步整治分区，可以为察县未来居民点的整治优化提供依据。但居民点空间结构的复杂多变及其众多因子的相互影响会加大居民点适宜性与整治分区之间关系的复杂性；如何在居民点整治的过程中更好地体现不同村镇整治意愿，以加大整体整治力度，提高整治水平，这方面的研究还需要在今后的研究中加强，以进一步完善农村居民点的整治分区体系。
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基于GIS和BP神经网络的土地适应性评价摘要：通过运用GIS技术和BP神经网络理论，力图用新的研究方法对土地的适应性进行分析和评价。将土地适应性评价指标标准作为BP神经网络的学习样本，利用GIS的Union工具将各指标图层进行叠加，选取合适的评价单元，以单元的属性数据作为训练好的BP神经网络的输入，进行了土地适应性等级的划分。将评价等级划分为高度适宜S1、中度适宜S2、勉强适宜S3以及不适宜N四个等级。最后发现该研究方法具有简单方便和客观性强等优点。关键词：GIS;BP神经网络;土地适应性评价0引言GIS和BP神经网络应用到土地适应性评价中是科技进步的必然趋势。以往对土地评价的研究中，大部分研究都运用到了GIS技术，特别是运用其强大的空间分析能力，但运用到神经网络的却不是很多。将两者结合起来运用到土地适应性评价中更是甚少。针对以上研究的不足，本研究力图将两者结合起来应用到土地适应性评价中，以寻求新的方法[1-5]。1指标体系及评价等级土地适宜性评价即评定土地在一定经营管理水平下对确定利用类型的适宜状况。本文将这里的利用类型限定为宜耕地类型。根据指标选取原则并结合贵州省毕节市鸭池镇为例，选取土壤酸碱度、年均降水量、土壤厚度、海拔、坡度以及交通区位作为影响土地适应性评价的因子。本文将耕地类型的土地适应性评价等级划分为高度适宜S1、中度适宜S2、勉强适宜S3以及不适宜N四个等级。1.1GIS的应用将以上6个指标体系在ArcGIS10.0中分别以独立图层表示，然后利用ArcGIS10.0的叠加分析中的Union工具将以上6个指标图层进行合并，在合并的同时也进行了相应的属性合并，即每个栅格单元都具有土壤酸碱度、年均降水量、土壤厚度、海拔、坡度以及交通区位等属性。在将指标图层进行叠加分析后，需要将研究区域划分为许多评价单元。因为评价单元是土地适应性评价的最小评价单位。这也将成为后文中运用BP神经网络进行评价的基础。这里根据研究区域的面积，将整个研究区域分为2374个单元。1.2BP神经网络的应用在运用BP神经网络时[6]，需要确定输入层、隐藏层和输出层的确定以及每一层的单元数，训练样本的选取;有关BP神经网络的算法和知识将参考有关书籍[7-8]。在本文研究中，根据相关理论以及不断试验确定了BP神经网络的层数为3层，其结构为6-9-4，采用Sigmoid作为激活函数。要对土地适应性进行评价，还需要以下步骤：（1）确定BP神经网络的训练样本集。本文将以上六个指标作为输入值，即X=[土壤酸碱度，降水量，土壤厚度，海拔，坡度，交通区位]T，其中T表示向量X的转置。输出值为相应的4个评价等级，即D=[高度适宜S1，中度适宜S2，勉强适宜S3，不适宜N]T，同样T表示向量D的转置。具体见表1。为了获得训练样本集的输入向量X，将表1中的数据进行归一化处理，我们将归一化后的每个等级区间按线性插值的方法等比例划分为10个训练样本，这样，最后就会有40个输入训练样本，1-10号样本为高度适宜S1，11-20号样本为中度适宜S2，21-30号样本为勉强适宜S3，31-40号样本为不适宜N。当得到输入向量X后，我们还需要知道期望值向量D。由于将评价等级划分为4个等级，我们可以将高度适宜S1表示为（1，0，0，0），中度适宜S2表示为（0，1，0，0），勉强适宜S3表示为（0，0，1，0），不适宜N表示为（0，0，0，1）。（2）对土地适应性进行评价。通过上面建立的训练样本集，选取合适的训练误差（这里选取训练差r=0.0005），对建立好的BP神经网络进行训练，经过1049次的训练，训练结果满足训练误差的要求。此时，可以对土地适应性进行评价。在评价之前，需要将通过ArcGIS10.0划分的2374个单元的属性导出到表格中，并对表格中的数据进行归一化处理。将这些数据作为训练好后的BP神经网络的输入，最终测算出每个评价单元的评价等级（见表2）。最后一步就是利用ArcGIS10.0将这些评价结果数据通过表格的形式以对每个评价单元以追加字段的方式导入图层上（见下图）。2结论基于GIS和BP神经网络在土地适应性评价中的应用，有以下几个优点：（1）直观形象：通过GIS的使用，能将评价结果以图形的形式展现出来，直观形象。（2）信息获取的简易性：通过利用GIS，能方便地获取BP神经网络需要的训练样本，而且，对于信息的处理特别是空间信息的处理具有强大的功能。（3）计算简单：只需要确定训练样本集，BP神经网络会自动进行学习，不需要人为的大量计算。（4）客观性强：利用BP神经网络对土地适应性进行评价，不像其他文献中需要对指标求权重值。通过将两者结合起来运用于土地适应性评价中，得到了预期的效果，说明本文使用的方法具有可行性。参考文献：[1]侯文广，江聪世，熊庆文等.基于GIS的土壤质量评
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