基于多源时空数据的村镇聚落等级规模研究——以重庆永川为例

陈春蒲倩华翁顺灿

(1.重庆交通大学智慧城市学院，重庆 400074；2.重庆交通大学生态人居与绿色交通研究中心，重庆 400074)

引言

随着我国新时期城镇化的推进以及乡村振兴战略的发展，村镇区域功能的调整与重构迫在眉睫，科学识别并整合村镇区域空间布局是战略实施的关键，而科学识别并整合村镇空间布局首先表现在村镇等级与规模分布问题上[1]。村镇聚落等级规模是指区域内村镇用地规模的组合特征，反映了村镇内的序列与其用地规模大小的关系，揭示了区域内地块在村镇聚落中的分布特征[2]。然而在聚落等级规模研究领域，大量的研究集中在城市。西方学者将目光凝聚于城市扩张、人口增长、规则方法比对等诸多方面[3-5]，国内学者从国家层面、城市群、城市规模、城镇体系等诸多角度对城市等级规模进行剖析阐述[6,7]。随着研究进程的推进，学者们对城镇体系等级规模的研究逐渐深入，研究区域放大，研究内容向等级划分、时空分布、空间模型等研究领域细化[8-11]。但很少考虑村镇聚落等级规模，仅有少量面向村镇体系等级等方面的研究。村镇聚落体系的研究多数聚集于等级规模与空间结构演化，等级规模通常从特征演化角度切入进行分析，而空间结构演化围绕空间格局、空间分异等多重方面展开[12,13]。基于多种理论方法也将产生不一致的分析结果。目前,尽管已采用应用熵值法、K-means聚类等方法对聚落体系进行分析[14]，但等级规模特征表现不够突出，而位序-规模法则能直观具体地展现区域在某一个时间截面的规模分布状况，使等级规模特征的展现更具显著性。

随着大数据时代的到来，多源时空数据资源更加丰富，其中基于移动通信的手机信令时空大数据应用也越来越广。当前，手机信令数据的相关研究多数聚焦于城市层面，如城市人口时空分布、出行特征研究等方面[15-17]；随着研究区域的扩散，部分学者将手机信令数据应用于村镇规划、村镇聚落网络等方面，但相对缺乏对于县域村镇体系识别的探索研究[18,19]。

综上所述，目前基于多源数据的村镇聚落分析相对较少，尤其缺乏基于大数据与传统数据相结合的村镇聚落等级规模研究。在此背景下，本文对于完善村镇聚落等级规模的格局演变及验证分析具有重要意义。

等级规模法则可以看作是解释城市体系的一种等级规律，众多学者以此来测度城市人口的规模分布，随着城市化进程的发展，部分学者也将其用于用地规模的刻画。位序规模理论可描述城市体系中不同的聚落规模与位序之间的关系，被诸多学者运用于城镇聚落规模分布状况的刻画[20]。近年来，位序规模法则被学者们广泛应用于城市规模等级结构变化、空间演变等诸多方面，并取得丰硕的研究成果。但等级理论的相关研究多数聚集于城市规模，聚焦于村镇聚落演变等级结构的研究相对较少，那么位序-规模法则是否适用于村镇聚落等级规模的探讨，手机信令数据验证村镇体系等级规模是否可行，这些问题有待商榷。

基于上述原因，本文选取重庆市永川区为案例，采用1980—2018年的村镇斑块数据进行等级规模变化研究，主要研究目的：分析1980—2018年永川区村镇聚落规模变化；揭示1980—2018年永川区村镇体系等级规模演化特征；利用手机信令数据对永川区村镇体系等级规模进行验证。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域

重庆市永川区位于长江上游北岸、重庆西部，东距重庆市区56km，西离成都市区276km，地处E105°38′～106°05′,N28°56′～29°34′，总面积1576km2。截至2019年，永川下辖7个街道、16个镇、55个社区居委会、206个行政村，常住人口114.9万人，中心城区面积82.8km2、人口80万人，城镇化率71.14%。永川区作为国家城乡融合发展试验区，乡村的规划建设尤其重要。本文研究区域在空间范围上属于县域，县域规模虽小，但舍去县城镇将破坏县域空间完整性。因此本文的村镇范围包含县城镇、建制镇、集镇和村庄4种类型。

图1 永川区区位示意图

1.2 数据来源

本文采取数据为多源时空数据，包括本文采用的遥感影像数据源自地理空间数据云平台与国家自然科学基金委员会“中国西部环境与生态科学数据中心”，其中1980年是60m×60m的Landsat-MSS卫星数字产品，1990年、2000年、2010年为30m×30m分辨率的Landsat4-5 TM卫星数字产品，2018年为30m×30m分辨率的Landsat 8 OLI卫星数字产品；由于村落的人口数据不易获取，本文结合文献资料[21]，用村镇斑块面积表示村镇规模的大小，斑块数据源于笔者自行解译的土地利用数据，再用目视判读的方法删除了交通用地工矿用地之后提取了县镇及农村居民点的图斑；手机信令数据来源于中国联通公司，以250m×250m的格网为统计单元，统计2021年6月1—30日研究区域内常住人口的出行总量。

2 研究方法

2.1 村镇聚落位序规模

位序规模理论是城市规模分布研究的理论基础，可直观阐释城市体系中不同的聚落规模与按人口规模排序的位序之间的关系，被学者们广泛应用于城镇聚落规模分布领域。近年来，位序规模理论在时空演变、空间结构等方面的实证取得一定的研究成果[22]。位序规模理论一般表达式为[33]:

L(r)=L1r-q

(1)

式中，r为位序；L(r)为位序r的城乡聚落斑块规模；L1为首位聚落斑块的规模；而q统称为Zipf指数。为计算方便，通常对式(1)进行自然对数变化：

lnLi=lnL1-qlnri

(2)

通过齐普夫指数的计算可以宏观分析研究内城市规模在某一时间截面的分布状况：当q=1时，表示研究区内的高位序聚落规模与低位序聚落规模拟合，形成理想的城镇聚落规模与体系；当q<1时，表示研究区内聚落规模呈集中趋势，中位序的聚落相对较多；当q>1时，表示研究区内聚落规模呈分散趋势，聚落规模整体分布不均衡；当q→∞和q→0时，此种规模分布情况较为极端，一般不存在于实证分析中。

2.2 村镇聚落中心地等级体系

克里斯泰勒中心地理论最初由克里斯·泰勒于1933年提出，其思维方法引入城市空间法则与原理、等级划分、时空分布、空间模型等研究领域，为现代地理学奠定理论基础。中心地理论作为区域经济学理论研究的基础，对解释聚落体系的空间结构具有重要意义。以克里斯泰勒中心地理论市场原则下的中心地系统为基准，对于永川区的村镇聚落中心地体系等级规模与其动态变化进行分时段分析。市场原则下的中心地数量与区域服务范围的几何数据变化见表1。

表1 市场原则下中心地等级系统及其服务范围

考虑到各期村镇聚落人口规模数据的可获取性，决定基于不同时期的人口数据将其与各时期城乡建筑用地面积结合，进而推算各个时段，市场原则下的永川区各等级中心地规模大小推演公式：

Un=P1n/(P2i/Mi)

(3)

式中，Un为中心地等级面积规模，m2；P1n为中心地标准人口；n为中心地等级；P2i为第i年的总人口数；Mi为第i年的聚落斑块总面积。

2.3 出行起讫点模型

起讫点指起讫点矩阵，是指以所有交通分区按行(起点区)与列(讫点区)排序，以任意两分区之间的居民或车辆出行量(OD量)为元素的矩阵[23]。在本文研究中利用手机信令数据获取居民出行的起点与终点，统计2021年6月1—30日研究区内常住人口跨乡镇出行的通勤总量，假设手机活跃用户每天只有1个跨乡镇出行目的地。因此，本文采用单一的城镇出行方向数量计算公式:

(4)

式中，Njk指由乡镇j至乡镇k的手机活跃用户数；Tijk指第i天由乡镇j出行至乡镇k的手机活跃用户数；a为出行天数。

3 空间等级规模演化特征

3.1 村镇聚落规模分异与变化

以永川区内的村镇聚落斑块数据为基础，对于区域内的聚落景观指数进行分析发现，见表2，永川区的村镇聚落总面积大幅度增长。从时间段上看，1990—2000年这一时期增加幅度较大，2000年之后有小幅度的增加。同时，永川区村镇聚落斑块平均面积在总体上也有小幅度的增长，研究时段内总计增加0.1189hm2，1980—1990年斑块平均面积有所下降，随后呈稳步上升态势。从最大斑块指数上来看，总体上上升态势较为明显，从1980年的10.86%到2018年30.47%，这一现象表明，研究区的聚落斑块在空间布局上呈现集聚状态，并伴随聚落斑块规模的扩大，最大聚落斑块面积所占得研究区聚落斑块总面积比例也逐步上升。随着村镇聚落斑块规模的增加，研究区的聚落斑块总数量也在增加。

表2 1980—2018年永川区村镇聚落斑块规模统计

将永川区村镇聚落斑块数据划分为8个区间模块，对于1980—2018年5个年份的规模区间的聚落斑块数量进行统计，分别绘制频数分布图，然后分析各研究时段内的村镇聚落规模频数分布变化。对村镇聚落斑块规模进行了不同规模区间的统计分类，得出规模频数图，可以看出，虽然村镇聚落斑块的数量总体增加且增幅明显，但是大规模的聚落斑块增长较缓，小规模的聚落数量较多。5个年份的永川区村镇聚落斑块都大多分布在5000m2以下的区域，呈现山区聚落的普遍特征，相较于平原地区的聚集分布，山区聚落更多的是零星分布，因此5000m2以下的小规模聚落斑块比较多。其次，在5×105m2以上的聚落斑块数量较少，由最初的1个变成9个，且1980—2000年最大聚落斑块个数没有变化，这说明2000年后是永川快速发展的时期。总的来说，永川区的村镇聚落大部分由小规模的聚落斑块构成，且小规模聚落之间的差距甚小。大规模斑块之间的差距较大，但占比小。

3.2 村镇聚落位序规模变化

通过位序-规模模型分析1980年、1999年、2000年、2010年以及2018年等5个年份的聚落斑块面积数据，得到不同研究时段的永川区位序-规模分布散点图与拟合方程，见图3。研究区域内的聚落斑块呈现数量多、规模小等特性，因此在研究区聚落斑块面积测度的位序规模模型的双对数坐标图上容易显现垂尾分布特征。

总体来看，除了1980年之外，其余年份拟合程度较好，均在0.9以上。其中1980年的齐夫指数大于1，聚落规模呈分散趋势，其分布特征差异表现得较为显著。而1990年、2000年、2010年、2018年的其夫指数均小于1，这表示研究区内村镇聚落中低位次的中小聚落较多。齐夫指数增长较快。除1980年之外，1990年后，起伏指数逐步增长，且慢慢趋近于1。随着时间的推移，高位序聚落之间差距越渐明显，异常值特征在尾部显现，意味着小位序聚落发育不良好，从整体上看聚落的形式正在逐步由农村聚落向城镇聚落演化。

图2 1980—2018年永川区村镇聚落规模频数变化

3.3 村镇聚落中心地等级体系演变

结合历年统计资料得知，永川区1980—2018年的人口数据在90万～115万。已经远大于市场原则下中心地等级系统中的G级中心地的服务人口数，从2000年开始人口数量也已超过P级，但直至2018年人口数据离L级中心地的服务人口数量还相差甚远，若要达到L级中心地需要很长的时间，因此此处将永川区中心地等级划分为P级高级中心城镇、G级中心城镇、B级次中心城镇、K级中心村、A级次中心村、M级基层村。

根据永川区人口、中心地规模等级划分数据将永川区村镇聚落面积进行中心地等级体系划分，得到如下数量，见表3。可以看到，随着时间的推移，城镇化、工业化进程的推进，中心地数量在逐步增长，其服务职能需求也在不断显现，村镇聚落等级呈金字塔型式；永川区中心地等级体系在逐步由低层级向高层级发展并不断完善，但是并不符合市场原则基础上形成的以3的倍数递增的理想数量关系。

3.4 基于手机信令的村镇聚落等级规模验证

由上述统计得知永川区村镇聚落数量众多，数据分析量庞大，本文选取P级高级中心城镇为例，利用手机信令数据对等级规模进行验证分析。在研究进程中发现，永川区存在1个P级高级中心城镇，由中山路街道、胜利路街道、南大街街道三者共同组成。以手机信令数据表达出行总量，统计2021年6月1—30日研究区域内常住人口的出行总量，并采用自然断点法将各乡镇中心到P级高级中心城镇的出行量划分为5个等级。

图3 1980—2018年永川区村镇聚落面积位序-规模模型

表3 永川区中心地等级体系数量表

经数据统计分析得到图4，由图4可看出,中山路街道、胜利路街道、南大街街道三者之间出行量最为显著，且三者之间呈现稳固的三角关系，与划分的村镇等级体系相符合。P级高级中心城镇对周边区域辐射范围的影响呈现“西强东弱”趋势。东部地区仅大安街道、陈食街道受P级高级中心城镇的辐射影响较为显著；西部地区则以P级高级中心城镇为中心向四周进行发散，辐射范围较广。各乡镇中心到P级高级中心城镇的联系强度总体呈现“东强西弱”趋势。东部地区的大安街道、陈食街道对P级高级中心城镇呈现三级联系强度、二级联系强度，其余地区呈现一级联系强度；西部多数区域对呈现P级高级中心城镇二级联系强度，部分区域呈现一级联系强度。

4 结论与建议

4.1 结论

本文以重庆永川区聚落等级结构演变为主线，基于永川区村镇聚落空间分布数据，研究永川区村镇体系空间演化特征，主要研究成果如下。

图4 乡镇中心至P级高级中心城镇的出行量

永川区村镇聚落总面积增加。在整体布局上来看，永川区研究范围内的聚落斑块呈现聚集势态，且随着聚落斑块规模的增长，最大的聚落斑块面积占聚落斑块总面积的比例也在逐步增加。随着村镇聚落斑块规模的扩张，聚落斑块的总体数量也在不断增长。尽管村镇聚落用地整体大幅度增长，但其小规模的特征显著。总的来说，永川区村镇聚落以小斑块为主且各聚落斑块差距较小，而大规模斑块的占比小，差距较大。

永川区聚落斑块面积测度的位序规模模型的双对数坐标图上出现垂尾分布的特征。随着时间的推移，高位序聚落之间规模差别增加，首位分布特征开始呈现，表明城镇化进程加快，开始从农村聚落向城镇聚落发展。尾部表现为异常值特征，表明小位序聚落发育较差。自1990年开始聚落的实际值大于拟合值，且随着时间推移差距越发明显，这说明城镇的发展正处于加速阶段,2018年的小位序规模聚落未呈现垂尾特征，这表明永川区聚落中小位序规模的聚落发育良好。

永川区中心地等级体系逐步向高层级演变。随着城镇化进程的推进，研究区内中心地数量不断上升，其职能也在不断增强，永川区中心地等级体系呈现由低层级向高层级演变的趋势并逐步完善，直至2018年，永川区村镇聚落中心地体系趋于完整，需要完善的地方在于中心地数量上，高级中心地之间呈1∶1∶3的结构，仍不符合市场原则基础上形成的以3的倍数递增的理想数量关系。

P级高级中心城镇的中山路街道、胜利路街道、南大街街道三者之间出行量最为显著，且三者之间呈现稳固的三角关系，与划分的村镇等级体系相符合。西部地区受P级高级中心城镇辐射影响的区域总体高于东部区域，但P级高级中心城镇对于东部地区的联系强度更显著。

4.2 建议

村镇聚落的形成与发展具有其独特性，是多方因素交互的结果，且是一个长期的过程，本文以永川区为研究区域，对于村镇体系进行探索，研究结果发现永川区作为山地地区，存在着村镇空间布局分散，居民点众多，规模小等特性，因此，在未来发展过程中应注意以下几点。

完善村镇体系规模等级。永川中心城区较为突出，中心镇、一般镇初步形成，但是体系中的村这一层级尚待发展。因此，应该对这些散落的自然村以及空心村进行合理调整规划。可以选择将散落的自然村与其他基层村或中心村进行拆解合并，对于空心村的解决方案倾向于将该类用地转为建设用地并以相应比例在原址进行安置补偿，形成完备的五级规模等级结构。

提高中心城镇发展能力与承载力。中心城区是县域的政治经济文化中心，是产业和空间发展的核心载体。永川中心城区主要包括中山路街道、胜利路街道、南大街街道等区域。可通过产业发展，持续吸引人口与资源到中心城区聚集，进而提高其整体发展能力和承载能力。

多区域协调发展，加强区域联系性。目前永川除了P级高级中心城镇以外出现3个较为聚集的区域：南部港桥新城、北部三教工业园,以及位于大安街道的永川工业园。可以看出永川的聚集的空间区域是随着工业布局发展的，而各村镇之间联系性较弱，就导致P级高级中心城镇以及重点工业镇对其他村镇的辐射能力不强，出现较大的差距。因此应该利用好永川区工业发展的良好布局，辅以重要交通道路，加强对周边村镇的辐射能力。

以发展和变化的眼光看待村镇聚落等级规模可以发现，长时间序列遥感数据的动态变化能够直观展现区域发展历程，而手机信令数据能反映现下区域的发展状况。目前永川区存在一个P级高级中心城镇，除此之外，南部港桥新城、北部三教工业园、永川工业园3处居民点较为聚集，根据手机信令数据对于居民出行目的进行提取得知多数居民出行目的为通勤，建议以通勤为着手点，提供通勤便利，优化通勤设施，用以吸引人群定居，促使区域向下一个P级高级中心城镇靠齐。长时间传统数据比对出总体趋势，大数据因地制宜分析发展特征，二者结合，对村镇聚落等级规模进行不同维度的分析及验证研究，丰富了现有村镇聚落研究方法，对于完善村镇聚落等级规模的格局演变及验证分析具有重要意义。