基于GIS與RS的南陽(yáng)市人居環(huán)境綜合評(píng)價(jià)

申真

摘要：人居環(huán)境的自然適宜性能夠反映區(qū)域自然條件對(duì)人類聚居的影響，其研究成果已廣泛服務(wù)于全國(guó)及省級(jí)尺度區(qū)域規(guī)劃等領(lǐng)域，但在地區(qū)及市級(jí)尺度上的應(yīng)用較少。以南陽(yáng)市作為研究區(qū)，選取了反映區(qū)域自然條件的地形、生態(tài)、氣候、水文四個(gè)因子，利用GIS及RS技術(shù)分別從單因子及多因子綜合的不同角度定量化分析了南陽(yáng)市人居環(huán)境自然適宜性特征及其空間差異，并針對(duì)南陽(yáng)市區(qū)域尺度的人居環(huán)境進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：該地區(qū)人居環(huán)境自然條件以適宜性為主，整體上自然條件對(duì)人居環(huán)境的限制較少，一般適宜與高度適宜地域面積占區(qū)域總面積的68.08%;臨界適宜與比較適宜地域面積占區(qū)域總面積的27.23%;不適宜區(qū)域面積最小，占區(qū)域總面積的4.69%。從單要素對(duì)區(qū)域人居環(huán)境的影響來(lái)看，南陽(yáng)市典型的季風(fēng)性大陸濕潤(rùn)半濕潤(rùn)氣候特征對(duì)區(qū)域人居環(huán)境無(wú)明顯限制性影響，地形條件及水文條件兩個(gè)要素對(duì)本區(qū)域的人居環(huán)境影響較大。從多要素綜合影響的分析結(jié)果來(lái)看，該地區(qū)人居環(huán)境自然適宜性的空間分布呈現(xiàn)出從四周向中間逐漸升高的趨勢(shì)，西北部大別山區(qū)人居環(huán)境自然適宜性較低，中部盆地區(qū)域人居環(huán)境自然適宜性較高。

關(guān)鍵詞：GIS;RS，人居環(huán)境;南陽(yáng)市

中圖分類號(hào)：TU984 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2019）18-0249-04

1引言

20世紀(jì)以來(lái)，不斷加快的城市化及工業(yè)化進(jìn)程給人類帶來(lái)了前所未有的物質(zhì)文明及優(yōu)越的生活空間，但與此同時(shí)也帶來(lái)了氣候變化、生態(tài)惡化等一系列人與自然間的深刻矛盾。特別是在全球人口增長(zhǎng)背景下，人類對(duì)自然資源的日益增長(zhǎng)的需求，導(dǎo)致人類聚居環(huán)境的不斷惡化。在此背景下，人居環(huán)境這一概念自從薩迪亞斯（C.A.Doxiadis）提出以來(lái)成為了全球?qū)W者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。我國(guó)吳良鏞院士認(rèn)為人居環(huán)境是以人類聚居現(xiàn)象為研究對(duì)象，是人類利用自然和改造自然的主要場(chǎng)所，在5大系統(tǒng)（自然系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)、人類系統(tǒng)、居住系統(tǒng)、支撐網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)）基礎(chǔ)之上演變而來(lái)，強(qiáng)調(diào)人類聚居作為一個(gè)整體，并從自然，人文、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等各個(gè)方面進(jìn)行研究。

當(dāng)前人居環(huán)境研究多集中在全國(guó)或省級(jí)尺度上，為城市區(qū)域規(guī)劃及戰(zhàn)略布局提供了科學(xué)依據(jù)。但在地區(qū)及市級(jí)尺度上的研究相對(duì)較少。南陽(yáng)市作為河南省面積最大、人口最多的城市，三面環(huán)山，地形條件多樣，地形、氣候、植被條件等自然因素是城市形成及發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)因素。加之南陽(yáng)作為南水北調(diào)中線工程水源區(qū)，其人居環(huán)境對(duì)保障用水安全、生態(tài)安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文在借鑒相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，選取地形、植被、氣候水文等5個(gè)評(píng)價(jià)因子，構(gòu)建南陽(yáng)市人居環(huán)境指數(shù)，定量揭示南陽(yáng)地區(qū)人居環(huán)境的自然適宜性以及空間格局和特征，以期為區(qū)域內(nèi)人口與資源環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

2研究區(qū)概況

南陽(yáng)市位于河南省西南部，下轄13縣區(qū)，所轄面積為2.65萬(wàn)km²，是南水北調(diào)中線工程重要水源地。該地區(qū)三面環(huán)山，區(qū)域內(nèi)山地、丘陵、平原地形均有分布，形成較為典型的盆地地形。該地區(qū)屬季風(fēng)性大陸濕潤(rùn)半濕潤(rùn)氣候，年均氣溫15.1℃，年降水量為904 mm。區(qū)域內(nèi)水資源豐富，河流眾多，水域面積達(dá)270萬(wàn)畝，水資源總量達(dá)85.2億m²，居河南省第一位。得益于南陽(yáng)市豐富的水資源分布，轄區(qū)內(nèi)淅川縣是南水北調(diào)中線工程核心水源地和渠首所在地。截至2018年，南陽(yáng)市戶籍人口為1194萬(wàn)人，是河南省人口數(shù)量最多的地級(jí)市，人口增長(zhǎng)速率為5‰（圖1）。

3數(shù)據(jù)與方法

3.1數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究數(shù)據(jù)主要包括：（1）DEM數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云;（2）2000～2015年250 m空間分辨率的MODIS NDVI數(shù)據(jù);（3）氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)，包含研究區(qū)及其周邊45個(gè)氣象站點(diǎn)的月總降雨量、月平均溫度，相對(duì)濕度等，時(shí)間跨度為2000～2018年，利用GIS空間內(nèi)插方法對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理;（4）1：10萬(wàn)TM影像解譯的2015年土地利用數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于地理國(guó)情監(jiān)測(cè)云平臺(tái)，該數(shù)據(jù)將土地利用類型劃分為林地、耕地、建設(shè)用地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地與未利用地6大類以及25個(gè)二級(jí)分類。所有數(shù)據(jù)利用研究區(qū)矢量邊界對(duì)其進(jìn)行裁剪，均統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為WGS84地理坐標(biāo)并重采樣至500 m柵格大小參與空間計(jì)算，在評(píng)價(jià)地形起伏度、地被指數(shù)、氣候適宜度與水文指數(shù)等單因素的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于GIS的南陽(yáng)人居環(huán)境指數(shù)模型，定量評(píng)價(jià)區(qū)域人居環(huán)境自然適宜性。

3.2方法

人居環(huán)境是人類活動(dòng)和自然條件的互作用下形成的復(fù)雜系統(tǒng)。本文借鑒當(dāng)前較為成熟的人居環(huán)境自然適宜性評(píng)估方法，結(jié)合遙感數(shù)據(jù)，選取地形、生態(tài)、氣候、水資源等四種自然要素，建立人居環(huán)境自然適宜性定量評(píng)價(jià)模型，開(kāi)展南陽(yáng)市人居環(huán)境評(píng)價(jià)。

（1）地形要素，地形起伏程度能夠反映區(qū)域地形起伏程度，是影響人類活動(dòng)空間分布的重要因素。本文在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合DEM數(shù)據(jù)，建立地形起伏指數(shù)（Terrain index，TI）用以定量評(píng)價(jià)地形要素對(duì)人居環(huán)境影響，其計(jì)算方式如下：

TI=（Emax-Emin）·（1-AP/A）/500（1）

式（1）中：TI為地形起伏度，Emx和Emin分別為研究區(qū)范圍內(nèi)的最大高程和最小高程。上述3個(gè)參數(shù)均可采用鄰域分析工具結(jié)合DEM數(shù)據(jù)生成。Ar為研究區(qū)總面積，為研究區(qū)范圍內(nèi)平地面積。根據(jù)研究區(qū)地形特點(diǎn)，本文將坡度小于5。的區(qū)域定義為平地，人居環(huán)境適宜性高。

（2）生態(tài)要素，人居環(huán)境生態(tài)要素主要采用NDVI結(jié)合土地利用類型，建立地表覆蓋指數(shù)（Ground cover index，GCI）進(jìn)行定量化描述，采用公式（2）進(jìn)行計(jì)算。

GCI=NDVI·LCTi（2）

式（2）中：GCI為生態(tài)要素指數(shù)，NDVI為歸一化植被指數(shù)，采用2018年南陽(yáng)市行政區(qū)劃范圍內(nèi)的月合成MODIS地表反射率數(shù)據(jù)，結(jié)合公式（2）進(jìn)行計(jì)算，逐像元求取NDVI最大值進(jìn)行合成。LCTi為區(qū)域土地利用類型權(quán)重值，權(quán)重結(jié)合專家意見(jiàn)進(jìn)行確定，如表l所示。

（3）氣候要素，區(qū)域氣候特征是能夠反映區(qū)域人居環(huán)境的適宜程度，在進(jìn)行人居環(huán)境自然適宜性評(píng)價(jià)中具有重要地位。本研究綜合溫度、濕度建立氣候適宜性指數(shù)（Climate suitability index，CSI），采用公式（3）對(duì)區(qū)域人居環(huán)境氣候要素進(jìn)行定量化評(píng)價(jià)。

GSI=1.8Temp+32-0.55 C1-hum）·（1.8Temp-26） （3）

式（3）中：GSI為氣候適宜性指數(shù)，Temp為年均地表溫度，采用MODllA2產(chǎn)品計(jì)算獲得，為年均相對(duì)濕度，采用研究區(qū)及周邊45個(gè)氣象站年均相對(duì)濕度數(shù)據(jù)結(jié)合克里金空間插值方法獲得。

（4）水文要素，為了反映區(qū)域水資源情況，結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)獲取情況，本文采用公式（4）融合了區(qū)域降水和地表水體面積比重兩個(gè)因子，形成水文指數(shù)（Water re-sources index，WRI）綜合定量化評(píng)價(jià)區(qū)域水資源豐沛程度。

WRI=a·Pr+β·Aw （4）

（5）綜合評(píng)價(jià)方法，為了開(kāi)展綜合多要素的人居環(huán)境定量評(píng)價(jià)，采用公式（4），對(duì)已建立的各要素指數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，在專家打分權(quán)重的約束下，建立人居環(huán)境綜合評(píng)價(jià)指數(shù)（Human settlements Environment As-sessment Index，HEAD，采用公式（5）進(jìn)行人居環(huán)境綜合定量化評(píng)價(jià)。

nx=（x-xmin）/（xmax-xmin） （5）

式（5）中，nx為標(biāo)準(zhǔn)化后各要素指數(shù)值，x為各要素指數(shù)，xmax和xmin為該要素指數(shù)最大值與最小值。

HEAl=a·NTI+β·NGCI+y·NCSI+θ·NWRI（6）

式（6）中，HEAI為人居環(huán)境綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，NTI、NGCI、NCSI、NWRl分別為標(biāo)準(zhǔn)化后的地形起伏度指數(shù)、生態(tài)要素指數(shù)、氣候適宜性指數(shù)、水文指數(shù)，a、θ、γ和θ分別為上述指數(shù)對(duì)應(yīng)的專家打分權(quán)重。

4結(jié)果分析

4.1單要素分析

4.1.1地形評(píng)價(jià)

南陽(yáng)地區(qū)作為盆地，西北為大別山區(qū)，東南為桐柏山區(qū)，地形起伏度較大，導(dǎo)致交通條件相對(duì)較差，人居環(huán)境適宜性較差。而中部地區(qū)地形起伏度小，且平均海拔約為150 m，人居環(huán)境適宜性較高，這與當(dāng)前南陽(yáng)市人口的空間分布差異規(guī)律相一致。利用南陽(yáng)市30 m DEM建立了地形起伏度指數(shù)，從圖2中可以看出，南陽(yáng)市地形起伏度小于0.3的部分主要集中在該區(qū)域的中部，占區(qū)域總面積的55%，與人口密度的空間分布規(guī)律相一致。

4.1.2生態(tài)評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)南陽(yáng)市區(qū)域尺度生態(tài)要素的定量化計(jì)算，結(jié)果表明（圖3），本區(qū)域生態(tài)要素指數(shù)值域區(qū)間為57～99之間，均值為78，最高值為99。其中，67%以上區(qū)域的地被指數(shù)達(dá)到75以上，說(shuō)明生態(tài)環(huán)境相對(duì)較好。從空間分布上看，本區(qū)域周邊山區(qū)生態(tài)要素指數(shù)相對(duì)較高，由于本區(qū)域在亞熱帶季風(fēng)氣候條件影響下。山區(qū)植被種類豐富，受人為影響較小，因此生態(tài)要素指數(shù)相對(duì)較高。而中部地勢(shì)平坦區(qū)域在合理的農(nóng)業(yè)管理措施保護(hù)下，其生態(tài)要素指數(shù)處于中等水平。而該區(qū)域城鎮(zhèn)周邊的生態(tài)要素指數(shù)相對(duì)較低，其原因在于城市化背景下不透水面的快速擴(kuò)張導(dǎo)致。

4.1.3氣候評(píng)價(jià)

南陽(yáng)氣候條件優(yōu)越，整體上處于亞熱帶向暖溫帶的過(guò)渡。該區(qū)域日照充沛、降水豐富，且具有明顯的雨熱同期特點(diǎn)?；谠搮^(qū)域及周邊45個(gè)氣象站點(diǎn)的氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合氣候適宜性指數(shù)，本研究定量化評(píng)價(jià)了南陽(yáng)市區(qū)域尺度氣候適宜性（圖4）。結(jié)果表明，南陽(yáng)市整體上人居環(huán)境氣候適宜性較高。其中，高度適宜區(qū)域面積占區(qū)域總面積的38%，一般適宜區(qū)域面積占總面積的34%，而比較適宜區(qū)域占總面積的28%。各類氣候適宜性分區(qū)與人口空間分布情況基本一致。因此，從人居環(huán)境適宜性整體評(píng)價(jià)的角度來(lái)看，氣候適宜性并不構(gòu)成該區(qū)域的人居環(huán)境適宜性限制因素。

4.1.4水資源評(píng)價(jià)

南陽(yáng)市地表水資源為61.69億m。，具有顯著的時(shí)空差異性。在太平洋副熱帶高壓影響下，區(qū)域年均降水量在650～950 mm之間，55%～70%的降水主要集中在6～9月份。受地形及降水強(qiáng)度影響，山區(qū)地表水資源較平原區(qū)更為豐沛。如圖5所示，區(qū)域地表水資源整體上較為豐富，但存在較為顯著的區(qū)域空間分布差異，桐大山區(qū)、白河山區(qū)為明顯高值區(qū)，唐河、白河下游區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)低值區(qū)。從人居環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)角度來(lái)看，南陽(yáng)市區(qū)域地表水資源豐沛，其空間差異對(duì)人居環(huán)境適宜性未表現(xiàn)出顯著限制性影響。

4.2多要素綜合分析

在影響人居環(huán)境條件的多種要素評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，為充分刻畫南陽(yáng)地區(qū)人居環(huán)境適宜性的內(nèi)部差異，在ArcGIS軟件中利用柵格計(jì)算器結(jié)合公式（6）對(duì)本地區(qū)人居環(huán)境指數(shù)HEAI進(jìn)行計(jì)算，并采用自然段點(diǎn)法對(duì)結(jié)果進(jìn)行分類，劃分為高度適宜、比較適宜、一般適宜、臨界適宜、不適宜共5個(gè)人居環(huán)境適宜程度類別，最終完成南陽(yáng)地區(qū)人居環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果。圖6反映了多種影響人居環(huán)境因素綜合作用下的人居環(huán)境適宜性分級(jí)情況。從圖中可以看出，南陽(yáng)市人口顯著集中在高度適宜及一般適宜區(qū)域，主要分布在海拔及坡度較低的盆地中央?yún)^(qū)域，空間分布范圍較大;比較適宜、臨界適宜及不適宜區(qū)域主要集中在大別山區(qū)及桐柏山區(qū)，空間分布范圍較小。結(jié)合表2可以看出，整個(gè)南陽(yáng)地區(qū)人居環(huán)境條件以一般適宜與高度適宜為主，占區(qū)域總面積的68.08%;比較適宜與臨界適宜次之，占區(qū)域總面積的27.23%;不適宜區(qū)域面積最小，占區(qū)域總面積的4.69%。從不同人居環(huán)境類別的空間分布來(lái)看，不適宜及臨界適宜區(qū)域主要分布在西峽縣、內(nèi)鄉(xiāng)縣、鎮(zhèn)平縣、淅川縣，區(qū)域內(nèi)分布有大別山區(qū)及桐柏山區(qū)，人居環(huán)境適宜性主要受制于地形因素;比較適宜區(qū)域主要分布在鄧州市、唐河縣、桐柏縣境內(nèi)，人居環(huán)境適宜性受水文及地被因素制約;一般適宜與高度適宜區(qū)域主要分布在臥龍區(qū)、宛城區(qū)、方城縣、南召縣，受各人居環(huán)境各因子的影響較小，人居環(huán)境適宜性較高，此區(qū)域也是南陽(yáng)地區(qū)人口較為密集的地區(qū)。

5結(jié)語(yǔ)

為探求自然條件對(duì)地區(qū)級(jí)尺度人居環(huán)境適宜性的影響，本文以地理學(xué)為出發(fā)點(diǎn)，借鑒前人研究思路，以地形、生態(tài)、氣候、水文四類自然要素作為人居環(huán)境自然適宜性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵因素，建立了一套適用于地區(qū)尺度的人居環(huán)境自然適宜性定量化評(píng)價(jià)框架，對(duì)南陽(yáng)市人居環(huán)境自然適宜性進(jìn)行了定量評(píng)估，并分析了適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果的空間格局。主要結(jié)論如下：（1）南陽(yáng)市人居環(huán)境自然適宜性評(píng)價(jià)研究結(jié)果表明，本地區(qū)人居環(huán)境自然條件以適宜性為主，整體上自然條件對(duì)人居環(huán)境的限制較少，一般適宜與高度適宜地域面積占區(qū)域總面積的68.08%;臨界適宜與比較適宜地域面積占區(qū)域總面積的27.23%;不適宜區(qū)域面積最小，占區(qū)域總面積的4.69%。（2）各單要素對(duì)人居環(huán)境影響的分析結(jié)果表明，南陽(yáng)市典型的季風(fēng)性大陸濕潤(rùn)半濕潤(rùn)氣候特征對(duì)區(qū)域人居環(huán)境無(wú)明顯限制性影響，地形條件及水文條件兩個(gè)要素對(duì)本區(qū)域的人居環(huán)境影響較大。（3）從多要素綜合影響的分析結(jié)果來(lái)看，本地區(qū)人居環(huán)境自然適宜性的空間分布呈現(xiàn)出從四周向中間逐漸升高的趨勢(shì)，西北部大別山區(qū)人居環(huán)境自然適宜性較低，中部盆地區(qū)域人居環(huán)境自然適宜性較高。