基于GIS的大滁城人居環(huán)境適宜性研究

徐松南

人居環(huán)境是人類聚居生活相關的地表空間，是人類利用自然、改造自然的主要場所。20 世紀50 年代希臘學者道薩迪亞斯首先提出“人居環(huán)境科學” 的概念[1]，在世界范圍內，1976年《溫哥華人類住區(qū)宣言》確立了人類聚居學的基本學術框架，此后的理論建構和實踐探索涵蓋建筑、規(guī)劃、地理、生態(tài)、環(huán)境等學科領域[2]，如霍華德提出的“花園城市”城市，蓋迪斯提出了“生態(tài)城市”等[3]。1993年，國內學者吳良鏞等創(chuàng)立了“人居環(huán)境科學”，提出以人類聚居(包括村莊、集鎮(zhèn)、城市等)為研究對象，著重探討人與環(huán)境相互關系的科學，其研究目的是通過了解、掌握人居現象發(fā)生、發(fā)展的客觀規(guī)律，建設符合人類理想的聚居環(huán)境[2]。自20世紀80年代以來，我國學者研究成果涉及到人居環(huán)境模式、城市人居環(huán)境、社區(qū)人居環(huán)境、小城鎮(zhèn)人居環(huán)境、古城鎮(zhèn)人居環(huán)境以及人居環(huán)境評價等六大領域[4]。

研究尺度從城市尺展到區(qū)域、社區(qū)和小區(qū)，研究方法體現出多學科融合，評價方法從傳統(tǒng)多元統(tǒng)計分析到遺傳算法、模糊評價、神經網絡等方法的應用[5-7]。2007年5月，中國城市科學研究會公布了《宜居城市科學評價標準》，全國各城市均可使用本標準開展“宜居城市”自測工作，標志著人居環(huán)境的研究理論和研究方法日趨成熟。但是由于研究問題的角度及切入點不同，評價指標體系選擇有所不同，評價因子從單一的自然適宜因子，到可持續(xù)發(fā)展評價的社會經濟環(huán)境、自然生態(tài)環(huán)境、公共設施建設、環(huán)境資源保護和環(huán)境管理能力等多因子綜合。人居環(huán)境的適宜性決定于多個方面，以往的研究以城市生態(tài)環(huán)境評價研究居多，主要集中在自然適宜性疊加分析、社會經濟環(huán)境統(tǒng)計指標評價層面，基研究存在一定的局限性的，多數只側重自然適宜性與社會經濟條某一個方面，特別是對城市與區(qū)域發(fā)展的規(guī)劃區(qū)人居環(huán)境適宜性研究不多。

在借鑒國內外前人研究成果的基礎上，嘗試運用RS、GIS等技術手段，利用地學分析方法，針對滁州市的東向發(fā)展戰(zhàn)略的大滁城規(guī)劃區(qū)人居環(huán)境適宜性進行研究，結合本地區(qū)的實際情況，以1km×1km柵格為基本單元,選取交通路網指數、水域指數、學校服務指數、居住影響力指數與地被指數等指標,建立基于GIS的人居環(huán)境指數(HEI)模型,系統(tǒng)評價大滁城規(guī)劃區(qū)內的人居環(huán)境宜性,以定量揭示大滁城人居環(huán)境的適宜程度及其空間規(guī)律性。

1 評價模型的建立和數據來源

1.1 研究區(qū)概況

“大滁城”，位于安徽省東部，長江下游北岸，北緯31°51′一33°13′、東經117°09′一119°13′之間，屬 “南京都市圈”核心層、國家級“皖江城市帶承接產業(yè)轉移示范區(qū)”?！按蟪恰卑l(fā)展戰(zhàn)略的提出源于(滁州市城市總體規(guī)劃(2008～2020))。2008年4月滁州市響應安徽省委、省政府的“東向發(fā)展”決策和部署，正式提出“大滁城”發(fā)展戰(zhàn)略，即以滁城主城區(qū)為中心，以來安、全椒和烏衣為三個副中心，以瑯琊山風景區(qū)為依托，力爭在五年的時間里，打造出一個經濟繁榮、山水相連、生態(tài)優(yōu)美、宜人宜居的新滁城[8]。滁州城建歷史上從未有過的高強度投資和大規(guī)模建設正在實施。未來20年“大滁城”人口會突破100萬，建成區(qū)面積達到100km2。城市不斷膨脹必將引導人居環(huán)境在空間上的再組織。

1.2 評價指標的選取與技術流程

人居環(huán)境系統(tǒng)復雜，涵蓋的指標數量十分龐大，選擇所有指標來反映人居環(huán)境質量狀況是不現實的，也是不實用的。由于研究區(qū)域內，自然影響因子當中的氣候、水文等因素變化不大，不作考慮。在征求 “安徽省人口發(fā)展功能區(qū)”課題組專家的基礎上，本著科學性原則和可操作性原則，本次研究選取道路、水域、學校、居民點、土地利用與土地覆蓋狀況以及區(qū)域人口分布等影響指標，建立大滁城人居環(huán)境基礎地理數據庫，通過ArcGIS為各單項指標進行空間插值，以1km 1km柵格將研究區(qū)空間分割，形成屬性的空間分布梯度，統(tǒng)計柵格單元上各單項指標與人口分布的相關性，以相關系數作為各個指標權重，構建大滁城人居環(huán)境適應性評價指數模型，定量計算大滁城不同地區(qū)的人居環(huán)境指數，揭示了大滁城不同地區(qū)人居環(huán)境的適宜性的空間格局[1]，為規(guī)劃區(qū)內人居環(huán)境的空間再組織服務。其工作流程如(圖1)。

圖1 大滁城人居環(huán)境適宜性研究技術路線圖

1.3 指標選取原則、評價模型的建立以及參數獲取

1.3.1 路網指數模型

各行政區(qū)劃內的公路里程(H)是指在一定時期內達到《公路工程技術標準》(JTG B01-2003)規(guī)定的各等級公路，并經公路主管部門正式驗收交付使用的公路里程數[9]，路網密度反映一個國家或地區(qū)的公路網發(fā)展水平，按分擔對象的不同，可以分為面積密度、人口密度等[10]。本文對大滁城境內的高速公路、國道、省道、城市干道、縣鄉(xiāng)道圖層合并，形成道路圖層，并與行政區(qū)劃疊加，然后進行區(qū)域統(tǒng)計[11]，忽略公路等級和車道數寬度差異， 用各類公路總里程除以大滁城國土面積[12]，求出道路密度，計算公式為：

RD=Hi/AREA

其中，RD為路網密度，Hi為經過某一柵格單元一定區(qū)域內的道路里程，AREA為某一柵格單元的面積，本文確定1km 1km的柵格為區(qū)域單元，即AREA值為1km2。

1.3.2 水域指數模型

在國家環(huán)境保護總局生態(tài)環(huán)境狀況技術評價標準上[13]，考慮到本文研究的是小尺度區(qū)域范圍的差異性以及數據的可獲取性，采用各區(qū)劃內的水域面積與該區(qū)域面積的比重來表示水資源的豐缺程度，顯示了區(qū)域自然供水的能力，方法參考路網密度，得出計算公式：

WAD=Wi/AREA

其中,WAD為水域密度，Wi為某一柵格單元為中心一定區(qū)域內的水域面積，AREA即為柵格單元的面積。

1.3.3 學校指數模型

根據中華人民共和國教育部頒布的《城市普通中小學校校舍建設標準》，要求中學的服務半徑不得大于1000米[14]，結合已獲取到的學校分布點數據，對學校做緩沖區(qū)分析，并與遙感解譯的居民地圖層疊加，將疊加操作后緩沖區(qū)區(qū)域內的居民點面積和該區(qū)域面積的比重來表征該區(qū)域教育資源的優(yōu)劣程度，計算公式：

SD=Si/AREA

其中，SD為學校服務優(yōu)勢度，Si為某一柵格單元為中心一定區(qū)域內的平均學校服務優(yōu)勢程度，AREA即為柵格單元的面積。

1.3.4 居住指數模型

一定區(qū)域范圍內的居民點分布及其分布的稠密程度，是在很長一段時間內形成的居住場所，從側面反映了該地區(qū)的適宜居住程度的大小，通過對遙感解譯的土地利用現狀圖中居民地面域的提取，進而采用各行政區(qū)劃內居民地面域的面積與該地區(qū)總面積的比重來體現適宜居住影響力的大小，并運用空間內插，柵格化，方法同路網密度，計算公式為：

LCD=Li/AREA

其中，LCD指宜居影響力的大小，Li某一柵格單元為中心一定區(qū)域內的平均宜居影響程度的大小，AREA即為柵格單元的面積。

1.3.5 地被指數模型

研究思想來自于國家環(huán)境保護總局《中華人民共和國環(huán)境保護行業(yè)標準：生態(tài)環(huán)境狀況評價技術規(guī)范》中的植被覆蓋指數[13]，本次研究構建大滁城區(qū)域地被指數來表示地表植被的覆蓋狀況，計算公式為：

LCI=NDVILTi

其中，LCI為地被指數，NDVI為該柵格單元格的歸一化植被指數，TLi為各土地利用地形的權重[15]，根據已經獲得的大滁城遙感解譯土地利用類型，其解譯信息中包括耕地、林地、水域、城鄉(xiāng)居民點和獨立工礦用地、未利用地5大用地類型中的水田、旱地、有林地等12類二級土地利用類型，各用地類型的權重參考岳建等的研究[2]。

1.3.6 人居環(huán)境指數模型

在路網、水域、學校、居住、植被指數等單因子適宜程度評價基礎上，考慮到大滁城總體規(guī)劃中以滁州為中心，來安、全椒、烏衣為三個副中心，所以在本次研究中將大滁城劃為四個區(qū)域，構建人居環(huán)境適適宜性評價模型，根據各個單因子指標與人口的相關性，計算各個區(qū)域內的人居環(huán)境指數。同時為了增進各指標之間的可比性，需要對各個單指標進行標準化處理。計算公式：

HEI=ai×NRD+bi×NWAD+ci×NSD+di×NLCD+ei×NLCI，i=1,2,3,4

其中：HEI為人居環(huán)境指數，NRD、NWAD、NSD、NLCD、NLCI分別為采用標準化方法得到的標準化路網指數、水域指數、學校指數、居住指數、地被指數；a、b、c、d、e分別為5個分指標的所對應的權重，本次研究對各指標與人口密度的相關性進行了分析，在此基礎上根據單項指標與人口密度的相關系數占該區(qū)相關系數總和的比例確定了大滁城各個區(qū)劃內單項指標的權重[1]，相關性和權重參看表1。

在人居環(huán)境指數模型中，各項分指數的權重取值受人口密度模擬精度的影響，人口數據的行政統(tǒng)計單位越小，越有利于提高人口密度模擬精度[16，17]，研究中以2007年大滁城各鄉(xiāng)鎮(zhèn)數據為基礎,建立人口密度的柵格圖層。

1.4 數據來源與數據處理

本文運用到的數據主要包括用于計算人口分布的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)、縣、市的人口數據、計算各行政區(qū)劃內道路網密度的道路里程、水域密度計算的各行政區(qū)劃內水域面積、學校服務優(yōu)勢程度模擬的各行政區(qū)劃內學校的坐落及數量、居住影響力計算的各行政區(qū)劃內居民地面積以及地被指數計算的大滁城土地利用現狀圖和大滁城歸一化植被指數圖(NDVI)。

大滁城人口及學校數據由滁州市城鄉(xiāng)規(guī)劃院、滁州市統(tǒng)計局提供，時間尺度為2007年末。水系面域和居民地分布通過對2008年安徽省遙感解譯的土地利用現狀圖中提取得到，其遙感影像的時間尺度為2008年初。大滁城區(qū)域涉及四景遙感影像，通過在ENVI軟件中對其進行拼接、裁剪，并運用軟件中自帶的植被指數計算模塊，獲取大滁城區(qū)域的歸一化植被指數1km 1km尺度各指標要素的柵格圖層，通過ArcGIS軟件地統(tǒng)計分析模塊反距離權重(IDW)內插方法獲得，如(圖2)。

表1 大滁城地區(qū)單因子指數與人口密度的相關性和權重

圖2 大滁城人口密度

圖3 大滁城路網密度

圖4 大滁城水網密度

圖5 大滁城居住指數

圖6 大滁城學校指數

圖7 大滁城地被指數

2 大滁城人居環(huán)境指數空間分布格局及其與人口分布的相關性

2.1 大滁城人居環(huán)境適宜性空間分布格局

根據大滁城人居環(huán)境指數評價模型，以1km 1km柵格單元為研究的基本單元，本次研究計算了大滁城不同地區(qū)的人居環(huán)境指數(如圖8)，從圖中可以看出，大滁城人居環(huán)境指數在整體上呈現由中心城區(qū)向周邊地區(qū)遞減的趨勢。最高值都位于滁州、來安、全椒的主城區(qū)，次區(qū)域則位于這些城區(qū)的周邊包括烏衣、大王、腰鋪、南譙街道辦事處等，最低值分布在大滁城邊界區(qū)域的楊郢，雷官、西王、大柳等鎮(zhèn)。

圖8 大滁城人居環(huán)境指數分布圖

2.2 大滁城人居環(huán)境指數與人口分布的相關性

為確定大滁城人居環(huán)境指數與人口分布的相關性，以柵格尺度為基礎，在ArcGIS中將人口密度數據與對應的人居環(huán)境指數進行匹配，并將屬性表導出，做人口密度與人居環(huán)境指數的散點圖(圖9)，建立線性方程，結果顯示：大滁城人居環(huán)境指數與人口密度之間存在較好的相關性，二者的一次擬合度R2=0.8361。

圖9 人居環(huán)境指數與人口密度的關系

3 研究結果與分析

3.1 人居環(huán)境適宜性空間分布格局

本文采用ArcGIS軟件的空間分析模塊，獲取了路網密度、水域密度、居住影響力、學校服務優(yōu)勢度、地被指數各個單指標的柵格圖層，本文參考封志明等的研究[15]將大滁城人居環(huán)境適宜性劃分為由高到低的五個不同類型區(qū)域(表2，圖10)，同時計算出各等級區(qū)域內所有指標因子的均值(表3)。

一級區(qū)域：人居環(huán)境指數介于80～88.4之間，是大滁城人居環(huán)境適宜性程度最高的區(qū)域，基本不受指標因子的約束，最適宜人類居住，分布在滁州市中心城區(qū)位置，面積6km2，約占大滁城地區(qū)總面積的0.13%，相應的人口數量為1.1萬人，此區(qū)域面積狹小，人口眾多，是大滁城人口密度最高的區(qū)域，同時也是經濟、各種商業(yè)、服務業(yè)最發(fā)達的地區(qū)二級區(qū)域；人居環(huán)境指數介于60～80之間，各指標因子對其影響程度非常小，屬于比較適宜居住的區(qū)域，主要位于滁州市中心區(qū)域周邊，處于市中心與城鄉(xiāng)結合部的過度地帶，面積29km2，約占大滁城總面積的0.65%，相應的人口為4.26萬人，平均人口密度1421人/km2。

三級區(qū)域：人居環(huán)境指數介于40～60，是大滁城人居環(huán)境一般適宜地區(qū)，其中包括了來安、全椒城區(qū)以及滁州市城鄉(xiāng)結合部的區(qū)域，面積為97km2，約占大滁城地區(qū)總面積的2.18%，相應的人口數量為8.86萬人，人口密度923人/km2。

四級區(qū)域：人居環(huán)境指數介于20～40之間，是大滁城人居環(huán)境臨界適宜地區(qū)，面積698km2，占大滁城總面積的15.69%，相應的人口數量39.33萬人，占大滁城總人口的24.21%，該區(qū)域主要位于滁城，來安城、全椒城的郊區(qū)，人口密度在555人/km2左右。

五級區(qū)域：人居環(huán)境指數介于1.06～20之間，是大滁城人居環(huán)境不適宜區(qū)域，面積較廣，為3619km2，占大滁城總面積的81.35%，相應的人口數量為108.91萬人，人口密度為303人/km2，低于大滁城區(qū)域365人/km2的平均水平。

綜上所述，大滁城區(qū)域內人居環(huán)境不適宜的范圍最廣，且分布的人口眾多，除了滁州、來安、全椒城區(qū)及其周邊郊區(qū)區(qū)域存在適宜性外，其他區(qū)域一般不具有適宜性；其中適宜性最好的在滁城中心區(qū)域，且面積最小，只占大滁城總面積的0.13%，一般適宜性以上的區(qū)域內人口是總人口的8.75%，對應的面積比重為2.96%；臨界適宜性以上的區(qū)域的占人口比重是24.21%，對應的面積比重為15.69%，可以看出人居環(huán)境適宜性程度從根本上決定著大滁城人口分布的地理格局。同時由表3可以看出，各項指標因子的均值相對于人居環(huán)境適宜性不同等級，存在著梯階的層次關系，從側面論證了上文五種分級方法的合理性。

表2 大滁城人居環(huán)境適宜性評價

表3 大滁城人居環(huán)境適宜性各等級指標均值

4 結論與討論

本次研究借助GIS平臺，整合基礎地理數據與人口數據，運用用GIS技術建立大滁城人居環(huán)境指數(HEI)模型,定量評價了大滁城人居環(huán)境適宜性，同時分析了大滁城人居環(huán)境的空間格局。

(1)大滁城人居環(huán)境指數整體呈現由大滁城的邊界區(qū)域，向中心區(qū)域逐漸聚集，在中心城區(qū)達到最高值。處于城市中心及其周邊、郊區(qū)等地區(qū)，人居環(huán)境適應性指數要比其他區(qū)域高。大滁城一般適宜以上的區(qū)域面積占到了總面積的2.96%，相應的占總人口為8.75%；人居環(huán)境不適宜區(qū)域面積最廣，占到了的81.35%，但占得人口比例也最大，為67.04%。可以看出，有約3/5的人口，生活在約4/5的不適宜區(qū)，人口密度低于大滁城平均人口密度，屬于區(qū)域內地廣人稀的地區(qū)。

圖10 大滁城人居環(huán)境適宜性分級評價

(2)從表2、圖10中，得到臨界適宜性區(qū)域占有15.69%的面積和24.21%人口、且這部分區(qū)域為滁城郊區(qū)及來安、全椒縣城周邊，暫且認為這部分區(qū)域為潛力區(qū)域。滁州作為安徽省的東大門，是安徽省東向發(fā)展戰(zhàn)略的橋頭堡、國家級“皖江城市帶承接產業(yè)轉移示范區(qū)”。同時結合大滁城的近期與長遠規(guī)劃，城南、城東、城北的發(fā)展已經初具規(guī)模，城南的開發(fā)將直接與全椒對接，城東、城北的發(fā)展則將與來安對接，研究結果基本反映了城市發(fā)展的這種布局。作為大滁城范圍內的潛力區(qū)域，這部分地區(qū)將會得到更多的發(fā)展機會。結合大滁城分級規(guī)劃目標，雖然短期內該地區(qū)人居環(huán)境指數不是很高，但在接下來的一段時間會逐步提高。

(3)通過大滁城人居環(huán)境環(huán)境指數較好地反映了大滁城不同地區(qū)的適應性，對大滁城地區(qū)的宜居程度進行等級劃分，并以圖形化的方式顯示出來，能夠揭示大滁城人居環(huán)境適宜性的分布規(guī)律。其研究成果與目前大滁州建設指揮部的規(guī)劃結果基本一致，可以作為城市規(guī)劃部門、國土部門開發(fā)的參考。

[參 考 文 獻]

[1] 封志明,唐焰,楊艷昭,等.基于GIS的中國人居環(huán)境指數模型的建立與應用[J].地理學報,2008,63(12):499-505.

[2] 岳健,雷軍,馬天宇,等.關于新疆人居環(huán)境自然適宜性評價的討論[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2009,23(11):3.

[3] 吳良鋪.人居環(huán)境科學導論[M].北京:高等教育出版社,2001:38.

[4] 祁新華,毛蔣興,程煜,等.改革開放以來我國人居環(huán)境理論研究進展[J].規(guī)劃師, 2006(8):14-16.

[5] 孫志芬,王永平.呼和浩特市城市人居環(huán)境質量評價分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2007, 21(4):84-87.

[6] 王園園.基于模糊綜合評判的城市社區(qū)尺度人居環(huán)境研究:以濟南市五區(qū)為例[J]. 聊城大學學報(自然科學版),2006,19(4):53-59.

[7] 李雪銘,李明.一種可用于城市人居環(huán)境質量評價的基于神經網絡的遺傳算法[J].遼寧師范大學學報(自然科學版),2007,30(1):112-115.

[8] 滁州市政府.安徽省人民政府關于滁州市城市總體規(guī)劃的批復[N].滁州日報,2009(3).

[9] 劉東良.我國公路密度與人口密度、人均GDP關系研究[J].蕪湖職業(yè)技術學院學報,1999,1(3):110.

[10] 田智慧,曾琦.區(qū)域公路網技術評價指標體系研究[J].安徽師范大學學報(自然科學版),2008,31(4):372.

[11] 封志明,葛美玲.基于GIS的我國人口集聚地和鐵路建設研究[J].中國鐵路,2009(3):65-66.

[12] 孫根年.國家區(qū)域公路網密度與人口密度、人均GNP關系的統(tǒng)計分析[J].西南交通大學學報,2000,35(2):221.

[13] 國家環(huán)境保護總局.中華人民共和國環(huán)境保護行業(yè)標準:生態(tài)環(huán)境狀況評價技術規(guī)范[M].北京:中國環(huán)境出版社,2006:1-5.

[14] 中華人民共和國教育部．城市普通中小學校校舍建設標準[M]．北京:高等教育出版社,2002:3.

[15] 郝慧梅,任志遠.基于柵格數據的陜西省人居環(huán)境自然適應性測評[J].地理學報,2009,64(4): 498-501.

[16] 劉紀遠,岳天祥,王英安.中國人口密度數字模擬[J].地理學報,2003,58(1):16-26.

[17] 董春,劉紀平,趙榮,王桂新.地理因子與空間人口分布的相關性研究.遙感信息, 2002(4):60-68.