实验一 基于GIS和Voronoi图的农村居民点空间分布特征及其影响因素研究

实验一、基于GIS和Voronoi图的农村居民点空间分布特征及其影响因素研究一、实验目的与要求1.实验目的：基于GIS和Voronoi图对农村居民点空间分布特征进行分析,研究自然环境、社会经济环境等不同因素对农村居民点空间分布的影响。2.实验要求（1）数据获取：基于1:5万土地利用图提取农村居民点、河流湖泊、公路、行政界线，基于1:5万地形图提取等高线。（2）实验的具体步骤及方法：A、基于Voronoi图的变异系数(CV)对农村居民点空间分布类型进行探讨；B、全县和各乡镇的农村居民点用地比例(PR)、密度(PD)、平均面积(PV)计算；C、分析不同海拔、坡度、坡向对农村居民点空间分布的影响；D、分析河流、公路对农村居民点空间分布的影响。二、实验原理从农村居民点的空间分布类型、用地比例、密度以及平均面积等方面分析农村居民点的空间分布特征。选取自然生产环境中的地形、河流以及社会经济环境中的公路交通等因素,分析这些因素对农村居民点空间分布的影响。1.基于Voronoi图的变异系数(CV)对农村居民点空间分布类型进行探讨Voronoi图是对平面的一种剖分,在任意一个凸Voronoi多边形中,任意一个内点到该凸多边形的发生点pi的距离都小于该点到其他任何发生点pj的距离,这些发生点也叫Voronoi图的质心或发生元。CV值是Voronoi多边形面积的标准差与平均值的比值,其计算公式为:CV值=标准差/平均值×100%CV值可以衡量现象在空间上的相对变化程度。当某个点集的空间分布为均匀分布时,其Voronoi多边形面积的可变性小,CV值低；当空间分布为集群分布时,在集群内(“类”内)的Voronoi多边形面积较小,而在集群间(“类”间)的Voronoi多边形面积较大,CV值高。但是,规则的周期结构和周期性重复出现的集群分布也会形成较高的CV值。DUYCKAERTS提出了3个建议值:当点集为随机分布时,CV值为57%(包括33%～64%的值)；当点集为集群分布时,CV值为92%(包括大于64%的值)；当点集为均匀分布时,CV值为29%(包括小于33%的值)。在ArcGIS中利用创建点功能,获得每个农村居民点多边形的中心点及点位坐标。然后以全县、各乡镇为设置目标,创建以每个居民点中心点为发生元的Voronoi多边形集合,形成以全县、各个乡镇为边界的Voronoi图，再根据Voronoi多边形的面积计算CV值,确定全县农村居民点的空间分布类型。2.全县和各乡镇的农村居民点用地比例(PR)、密度(PD)、平均面积(PV)计算PR=a/APD=n/APV=a/n式中,a为农村居民点用地面积，A为研究区面积,n为研究区农村居民点斑块数。计算全县和各乡镇的农村居民点用地斑块数、用地比例、密度以及平均面积。3.分析地形对农村居民点空间分布的影响基于DEM提取海拔、坡度、坡向，分析不同海拔、坡度、坡向对农村居民点空间分布的影响，计算不同海拔、坡度、坡向区农村居民点用地斑块数、用地比例、密度以及平均面积。4.分析河流、公路对农村居民点空间分布的影响基于河流、公路做缓冲区，分析不同缓冲区农村居民点用地斑块数、用地比例、密度以及平均面积。三、实验数据土地利用图、水系图、公路图、行政界限图、县乡村点位图、等高线。四、实验内容及步骤1.基于Voronoi图的变异系数(CV)在ArcGIS中利用“矢量要素转为点”的功能,获得每个农村居民点多边形的中心点，利用字段的“计算几何值”功能获取点位坐标。然后以全县、各乡镇为设置目标,创建以每个居民点中心点为发生元的Voronoi多边形集合,形成以全县、各个乡镇为边界的Voronoi图，再根据Voronoi多边形的面积计算CV值,确定全县农村居民点的空间分布类型。2.全县和各乡镇的农村居民点用地比例(PR)、密度(PD)、平均面积(PV)计算计算县域面积，计算县域范围内农村居民点斑块数、用地比例、密度以及平均面积。计算各乡镇面积，计算各乡镇内的农村居民点斑块数、用地比例、密度以及平均面积。3.分析地形对农村居民点空间分布的影响基于等高线生成DEM，并提取坡度坡向。运用“重分类”工具进行海拔、坡度、坡向分类分级；分类分级结果进行矢量化，并计算不同类别的面积；与农村居民点图进行“相交”运算，计算不同类别区农村居民点用地斑块数、用地比例、密度以及平均面积。海拔分级：50或100m；坡度分级：0-7、7-15、15-25、25-35、≥35坡向分类：正阳向（157.5°-247.5°）、半阳向（112.5°-157.5°,247.5°-292.5°）、正阴向(337.5°-360°,0°-67.5°)、半阴向组（67.5°-112.5°，292.5°-337.5°）4.分析河流、公路对农村居民点空间分布的影响利用“欧几里得距离”工具，生成河流、公路的缓冲区，输出范围为县域范围；用县域范围裁剪缓冲区（“Extractbymask”工具），得到县域河流、公路缓冲区分布图；根据直方图分布状况，确定县域河流、公路缓冲区分级分类标准（河流缓冲区分级：100、100-500、500-1000、1000-1500、1500-2000、2000-2500、2500-3000、≥3000m，公路缓冲区分级：100、100-300、300-500、500-700、700-1000、1000-1500、≥1500m），运用“重分类”工具进行缓冲区分类分级；分类分级结果进行矢量化，并计算不同级别的面积；县域河流、公路缓冲区矢量图与农村居民点图进行“相交”运算，计算不同缓冲区农村居民点用地斑块数、用地比例、密度以及平均面积。五、实验结果（附图和表格，结果总结分析）1、县域和各乡镇农村居民点空间分布表县域和各乡镇农村居民点空间分布表地区标准差平均值Cv值/%石湾镇5078847.2447215963.16870.38349733魏家楼乡3829131.3466029716.66263.50433297双城乡4662140.78114369260.4732.44523815高镇5542539.87711256084.7249.24038876艾好峁乡4237439.00711965462.7835.41391656塔湾镇6502214.79779120605392.831.55588861石窑沟乡5552094.40149510822669.0751.30060215赵石畔镇972189795.6522362090.6186.1141559韩岔乡7074347.42913343075.0453.01886866武镇3205409.1666315218.40150.75690122南塔乡3481041.747755758.62844.88331712殿市镇4330153.4667524958.18157.54388744党岔镇2261217.6117685973441.30837.85452129响水镇3130352.8857114080.66244.00221242横山镇5962859.5598140925.21273.24547767雷龙湾乡9294235.14614291314.2865.03415267波罗镇3949989.9895984790.25866.00047485白界乡5727472.3537984367.46471.73357663县域6189667.2629065553.19468.276773952、县域农村居民点用地Voronoi图县域和各乡镇居民点空间分布地区斑块数（n）研究区面积（A）/m2农村居民点用地面积（a）/m2用地比例（PR）/%密度（PD）/m-2平均面积（PV）/㎡石湾镇241731831161164855.490.6726149271.38582E-0748535.64542魏家楼乡19114564616.61548182.261.3513616211.65845E-0781483.27684双城乡13186800386.2510528.470.2733016146.9593E-0839271.42077高镇23258889948.61069485.380.413104258.88408E-0846499.36435艾好峁乡18215378330.1866395.030.4022665748.35739E-0848133.05722塔湾镇17350291677.5762591.480.2177018554.8531E-0844858.32235石窑沟乡19205630712.3831848.720.4045352529.23986E-0843781.51158赵石畔镇18231389741.5849346.090.3670629847.77908E-0847185.89389韩岔乡17226832275.6774763.980.3415580867.49452E-0845574.35176武镇402526087361406006.260.5565944721.58348E-0735150.1565南塔乡17131847896.7604294.50.4583269931.28936E-0735546.73529殿市镇31233273703.61372238.540.5882525631.32891E-0744265.75935党岔镇31185176680.53828499.312.0674845771.67408E-07123499.9777响水镇23149395693.91509014.551.0100790131.53954E-0765609.32826横山镇46374482559.83540625.740.9454714641.22836E-0776970.12478雷龙湾乡23328700228.41908952.240.5807578086.99726E-0882997.92348波罗镇52311209093.43785173.611.2162798871.6709E-0772791.80019白界乡45359296535.94569446.131.2717757271.25245E-07101543.2473县域474429707221430902247.780.7191465781.10308E-0765194.615573、县域高程分级图4.坡度分级图5.坡向分类图6.海拔地形因子下县域农村居民点空间分布表海拔斑块个数用地比例/%密度/km-2平均面积/m2874.05-9000000900-1000683.8059803022.15254690481925.511181000-11002521.6985978393.13056122153175.645241100-12002140.4679505748.48986696839728.381211200-1300930.21447404712.5497745426916.009351300-1400370.2759842068.73102695424096.255411400-150040.08385921710.113041618480.71751500-154300007.坡向地形因子下县域农村居民点空间分布表坡向区块个数用地比例/%密度/km-2平均面积/m2正阴向3810.6477129933.16139487320476.77半阴向4320.6708115552.03610260113658.41半阳向4580.769188761.96059562915080.68正阳向4340.7827904393.02916802223712.048.坡度地形因子下县域农村居民点空间分布表坡度/度区块个数用地比例/%密度/km-2平均面积/m20-74630.9721128213.09248884730062.480567-154500.8720806412.46766846821520.05915-253950.5281178462.978