山區(qū)人居環(huán)境的遙感和GIS 量化評價技術研究*

李心如，支瑞榮，李遠華

（1.吉林大學 地球探測科學與技術學院，吉林 長春130021；2.河北省水文工程地質勘查院，河北 石家莊050021）

改善農村人居環(huán)境，建設美麗宜居鄉(xiāng)村，是實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的一項重要任務，事關全面建成小康社會，事關廣大農民根本福祉，事關農村社會文明和諧。美麗宜居鄉(xiāng)村建設要以優(yōu)良的生態(tài)環(huán)境為前提，以多功能產業(yè)為支撐，以鄉(xiāng)村文明為依托。如何對現(xiàn)有的農村人居環(huán)境進行準確合理的評價才能有利于更好地改善農村人居環(huán)境是需要進一步思考的問題。因此，構建一個合理的山區(qū)農村人居環(huán)境的評價指標體系是對農村人居環(huán)境進行合理評價的前提，也是本文主要研究的內容。

在現(xiàn)有山區(qū)農村人居環(huán)境評價的研究中，傳統(tǒng)方法主要采用統(tǒng)計方法[1-2]，從公共設施、植被比例、經濟發(fā)展等方面[1-5]進行評價，有空間上未得到展開，不能反映研究區(qū)的地理空間特性情況。此外，利用遙感數(shù)據(jù)和GIS 技術開展生態(tài)環(huán)境研究[6-10]以及城市人居環(huán)境評價[11-14]相對較多，而針對山區(qū)人居環(huán)境遙感應用研究相對較少[15-17]。在山區(qū)人居環(huán)境研究方面，有學者針對山區(qū)人居環(huán)境，考慮地形與人口關系，用DEM 提取地形起伏度，高程等，用GIS 方法分析與人口關系[15]，還有通過考慮人居住建設、生態(tài)環(huán)境和社會經濟方面，采用AHP 方法進行評價的研究[16]?？傮w來說，當前山區(qū)人居環(huán)境評價依然是以傳統(tǒng)統(tǒng)計評價方法為主，同時遙感與GIS 在環(huán)境指標獲取、城市環(huán)境分析等領域應用日益廣泛，但是其在山區(qū)人居環(huán)境調查、評價方面的參與度非常低，如何在山區(qū)人居環(huán)境評價方面貢獻更多的遙感與GIS 智慧技術，是值得深入研究的一個課題。

因此，為了將遙感和GIS 應用到山區(qū)人居環(huán)境評價中，本文首先分析山區(qū)人居環(huán)境的影響因素，同時分析這些影響在空間上是否可以通過遙感和GIS 進行定量化的獲取和分析?；谶b感監(jiān)測的可行性，圍繞“以人為本”的山區(qū)生存條件、生活條件、生態(tài)條件構建綜合評價模型，確定空間上可量化的環(huán)境要素、評價指標的遙感提取方法和相應指標的計算公式。最后，采用綜合評價方法實現(xiàn)多圖層的山區(qū)人居環(huán)境空間評價，為遙感與GIS 深層次參與山區(qū)人居環(huán)境評價奠定基礎。

1 山區(qū)農村人居環(huán)境空間綜合模型

1.1 山區(qū)農村人居環(huán)境影響因素分析

已有研究表明農村人居環(huán)境是指農村人口聚集生活的地方。農村人居環(huán)境的核心是“人”，農村人居環(huán)境的研究以滿足“農村人口居住”需要為目的，要有充分的陽光、綠色植被、空氣和水的健康安全住所；能有效避免噪音、大氣和水質污染的居所；在能滿足當前發(fā)展及將來發(fā)展之間取得平衡，且利于農村人口身心健康的居所[18]。

首先，良好的人居環(huán)境需要適宜的生存條件，一般來說生存條件需要有充足的水源條件、良好地修建住房的條件以及滿足居民所需的耕地等，同時這些條件往往與地形地貌、水文、地質背景等因素息息相關；其次，適宜的人居環(huán)境還需要適當?shù)纳顥l件、較高的生活水平，主要體現(xiàn)在交通道路的便捷性、健全的公共設施條件、經濟的發(fā)展情況等方面；最后，當上述條件滿足后，還需要在更高層次的生活質量保障上得到滿足，包括綠色植被的覆蓋、環(huán)境質量的進一步優(yōu)化等。這三方面條件，包括具有非常明顯的地理空間特性的相關因素，遙感與GIS 可以獲取和處理相關數(shù)據(jù)，可作為山區(qū)人居環(huán)境評估的新技術手段。

1.2 山區(qū)農村人居環(huán)境定量要素分析

根據(jù)上述的山區(qū)人居環(huán)境評價思路，需要一系列空間數(shù)據(jù)的支持。結合遙感與GIS 可定量獲取和表達相關數(shù)據(jù)：首先，需要數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，可用來提取與地形有關的參數(shù)和水文安全信息；其次，高分辨率的遙感影像是必不可少的，主要用于解譯獲取居民地、耕地、林地、公共設施等數(shù)據(jù)；最后，還需要依靠百度地圖搜索并獲取醫(yī)院、商場、機場、火車站的位置及其到達研究區(qū)的時間等公共地理信息數(shù)據(jù)。

1.3 綜合評價模型與指標體系

結合分析，山區(qū)人居環(huán)境綜合定量空間評價模型由生存因素、生活因素和環(huán)境因素三個方面組成。生存方面主要考慮安全條件和物質條件兩方面：在安全方面考慮到洪水威脅、地質災害和野生動物威脅等情況，對于洪水威脅，可根據(jù)DEM 數(shù)據(jù)提取地形水文等信息，從而構建水文安全指數(shù)；大型地質災害較少發(fā)生，野生動物一般有其保護區(qū)，威脅性較小，因此這兩方面可以暫時忽略。在物質條件方面，首先需要考慮人類生存所需的吃飯問題，即附近的耕地是否滿足居民的需求。然而，當耕地面積占比較大，其他要素如林地的占比就會減少，生態(tài)環(huán)境質量就會下降；當耕地面積占比比較小時，居民區(qū)附近的耕地面積也相對小，居民要去更遠的地點進行耕種。因此，綜合比較，耕地面積占比需要在一個合適的范圍區(qū)間，可根據(jù)遙感提取耕地信息，進行GIS 緩沖區(qū)及圖層疊加等操作，計算緩沖區(qū)內的耕地占比，構建耕地布局指數(shù)；物質方面還包括房屋居住條件、交通工具的種類等情況，在后續(xù)研究中可以進一步探討。

在生活因素方面可概括為基礎條件、經濟條件和休閑條件三方面。其中基礎條件主要包括出行便捷程度、衛(wèi)生污水排放以及通信發(fā)展水平等。其中出行便捷程度可以通過遙感數(shù)據(jù)和公共地理信息數(shù)據(jù)獲取道路，計算道路到達醫(yī)院等目標地點的時間成本，根據(jù)GIS 空間插值構建交通便捷指數(shù)進行衡量；其余因素與空間關聯(lián)性較小，可以暫時忽略。經濟條件包括人均GDP 等指標，與空間分布關系不大，此處暫時忽略。在休閑方面考慮室外休閑公共設施分布、各類娛樂場所等條件，使用遙感數(shù)據(jù)獲取公共設施場地，采用GIS 緩沖區(qū)功能，構建公共設施指數(shù)評價休閑條件。

在環(huán)境因素方面主要考慮綠地條件和其他資源條件。其中綠地覆蓋條件可根據(jù)GIS 進行圖層疊加和緩沖區(qū)操作構建植被覆蓋指數(shù)進行量化；其他資源指標有待進一步優(yōu)化。相關模型及指標如圖1 所示。

圖1 綜合模型及評價指標

2 技術路線與關鍵技術

2.1 技術路線

合理分析影響山區(qū)農村人居環(huán)境的生存水源、植被耕地、交通設施等因素，根據(jù)較高分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)提取植被、耕地、路網(wǎng)、公共設施要素，利用DEM 數(shù)據(jù)進行水文、高程等要素的提取與分析。根據(jù)所提取的要素，以居民區(qū)為中心建立緩沖區(qū)，并在空間上計算緩沖區(qū)內的各要素占比，進行植被覆蓋指數(shù)、水文安全指數(shù)等人居環(huán)境空間指數(shù)的構建形成山區(qū)人居環(huán)境空間模型。最后，結合研究區(qū)地形地理現(xiàn)狀，確立各指數(shù)的權重，將各指數(shù)進行歸一化且進行線性組合獲得綜合評價指數(shù)，根據(jù)綜合評價指數(shù)的結果獲取各居民區(qū)的人居環(huán)境質量情況，并且將綜合指數(shù)的最終結果進行等級劃分以及制圖表達，以便于進行直觀的綜合分析評價，技術路線如圖2 所示。

圖2 技術路線圖

2.2 數(shù)據(jù)處理及信息要素提取

確定山區(qū)農村人居環(huán)境的影響因素之后，利用較高分辨率遙感影像的監(jiān)測性結合百度地圖影像，提取研究區(qū)的交通路網(wǎng)，并將主路和支路分別表示，結合遙感影像特征提取研究區(qū)范圍內的其他地理要素：居民區(qū)、林地、耕地、公共設施以及其他五類要素。同時選擇同一地區(qū)的高分辨率的DEM（數(shù)十米級）數(shù)據(jù)進行水文要素的提取，根據(jù)研究區(qū)的平均海拔，選擇略大于海拔的高度，在ArcMap 中對DEM 數(shù)據(jù)進行水文分析，得到水位為一定高度時的水淹模型。

2.3 評價指標的提取方法

將居民區(qū)的面文件轉為點文件（居民點），并以居民點為中心構建半徑為r 的緩沖區(qū)，計算緩沖區(qū)的面積為S1。分別將緩沖區(qū)與耕地、林地、公共設施等解譯數(shù)據(jù)進行圖層疊加，獲取居民區(qū)一定范圍緩沖區(qū)內的各指標參數(shù)。模型的各指數(shù)構建原理如下：

水文安全指數(shù)H：根據(jù)研究區(qū)范圍的平均海拔高度，由ArcGIS 計算得出水位略高于平均海拔時的水淹模型，通過裁剪獲得各個居民區(qū)的水文分析結果，并根據(jù)公式（1）將所得分析結果進行歸一化，h 為海拔高度，可由DEM 數(shù)據(jù)直接獲取，hmin為最低海拔，hmax為最高海拔，指數(shù)越大，說明容易發(fā)生水淹的概率越小，水文安全程度越高。

交通便捷指數(shù)T：由于主路的通達性優(yōu)于支路，因此主要研究主路的通達性即可。通過百度地圖顯示的到達重要目的地（醫(yī)院、商場、火車站和機場）所花費的時間，沿主要公路及其周圍繪制若干個重要節(jié)點，預測計算節(jié)點到達重要目的地的時間，并根據(jù)時間對整個研究區(qū)進行空間插值及趨勢面分析，得到研究區(qū)到達重要目的地所需的時間time，其中timemin為最短時間，timemax為最長時間，使用居民區(qū)對趨勢面進行矢量裁剪，得到各居民區(qū)到達重要目的地的時間，并根據(jù)公式（2）將結果進行歸一化，計算交通便捷指數(shù)T，T 越大說明交通越便捷，如圖3顯示為到達醫(yī)院的交通便捷程度。

圖3 研究區(qū)內到達醫(yī)院的道路通達性

植被覆蓋指數(shù)P：將解譯的林地與緩沖區(qū)進行疊加（圖4），計算緩沖區(qū)內的林地區(qū)域面積S2，根據(jù)公式（3）計算各個居民區(qū)的緩沖區(qū)范圍內的植被林地占比rp，并根據(jù)公式（4），將結果歸一化，計算得出植被覆蓋指數(shù)P，林地的占比越大，植被覆蓋指數(shù)P 越大，說明綠地生態(tài)環(huán)境越好，人居環(huán)境越適宜。

圖4 林地與居民點緩沖區(qū)疊加過程

耕地布局指數(shù)F：與植被覆蓋指數(shù)同理，將耕地區(qū)域與緩沖區(qū)進行疊加，計算緩沖區(qū)內耕地面積S3，根據(jù)公式（6）計算各個居民區(qū)的緩沖區(qū)范圍內的耕地面積占比rf，定義變量rfa 為耕地面積占比rf 與標準耕地面積占比的差的絕對值，rfa 的結果越接近于0，說明耕地的面積占比越接近標準耕地面積占比結果，耕地布局情況越好，并根據(jù)公式（7），將結果rfa歸一化，并計算得出耕地覆蓋指數(shù)P（示意圖如圖6）。

圖5 植被覆蓋指數(shù)計算示意圖

圖6 耕地布局指數(shù)計算示意圖

資料顯示，人均耕地面積x1為1333 平方米，若建立的緩沖區(qū)半徑R 為500 米，一個小型村落人數(shù)n 在100人左右，根據(jù)公式（8）計算得出居民區(qū)周圍緩沖區(qū)平均耕地占比avg1約為0.17，根據(jù)公式（6）計算實際研究區(qū)的平均耕地占比，進行比較，若相差無幾，可選擇實際平均值作為標準值，計算結果F 越大，耕地布局效果越合理。

公共設施指數(shù)M 的計算與植被覆蓋指數(shù)同理，即計算緩沖區(qū)內公共設施面積的占比，M 越大，說明公共設施面積越大，休閑娛樂的范圍越廣。

圖5 的深色區(qū)域為林地與緩沖區(qū)疊加重合的部分，其面積分別為VS1，VS2，VS3，居民點A 的緩沖區(qū)面積為S1，計算A 居民區(qū)的林地占比rpA 則為：

最后進行綜合分析。結合各種反映人居環(huán)境質量的指數(shù)，根據(jù)研究區(qū)的地形特點以及其重要程度確定各自的權重mi（i=1，2，3，…，8，mi∈[0，1]），Indexi為各個評價指標，根據(jù)公式（10）計算研究區(qū)的綜合評價指數(shù)S。

水文安全指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、耕地布局指數(shù)等指標將影響人居環(huán)境的抽象因素進行具體量化，指數(shù)越大，說明該指標效果越好，并且根據(jù)研究區(qū)的特點賦予各指標權重，通過線性組合實現(xiàn)了山區(qū)人居環(huán)境綜合定量評價模型的建立。該模型的得分越高，說明該地區(qū)的人居環(huán)境越好。

3 實驗與分析

3.1 研究區(qū)概況

通過技術實踐可以驗證模型方法的合理性。本文選擇河北省承德市寬城滿族自治縣北部的部分村莊作為研究區(qū)。其位于河北省東北部，承德市東南部，附近山體分布較多，有明顯的山谷，地理位置位于北緯40 度30 分至北緯40 度50 分，東經118 度20 分至118 度30 分范圍內，該地區(qū)村莊較分散，且多分布于公路附近，整體植被覆蓋較多，平均海拔300 米~400 米，是良好的研究區(qū)，其地區(qū)范圍與地理位置如圖7 所示。

圖7 研究區(qū)遙感影像圖

3.2 實驗分析

根據(jù)遙感影像和DEM 數(shù)據(jù)，對研究區(qū)進行地理要素解譯，如圖8 所示，同時利用ArcGIS 進行居民點的緩沖區(qū)的建立，疊加分析以及柵格運算，獲得綜合評價結果。根據(jù)研究區(qū)的平均海拔，選擇600 米高度建立水淹模型，如圖9 所示；以500 米為緩沖半徑，建立以居民區(qū)為中心的緩沖區(qū)，研究區(qū)內有兩條主路，因此探究這兩條主路到達目的地的通達性，并進行綜合計算獲取研究區(qū)的人居環(huán)境空間指數(shù)。

圖8 地理要素解譯

圖9 水文風險提取

對于本研究區(qū)，根據(jù)公式（6）計算各居民區(qū)的緩沖區(qū)范圍內的耕地面積占比rf 的平均值avgrf約為0.16，與理論值0.17 相近，因此以avgrf（0.16）作為標準耕地面積占比，大于或小于此數(shù)值，則視為耕地布局情況在下降，因此計算rf 與avgrf差的絕對值rfa，將其代入公式（7）計算得到耕地布局指數(shù)。通過計算得到各指標所反映的人居環(huán)境情況，如圖10 所示，為各指標的顯示結果。

對于山區(qū)人居環(huán)境而言，到達醫(yī)院的交通便捷性是最為重要的，其指數(shù)TH的權重設為0.30，滿足日常所需的商場的交通便捷指數(shù)TM設為0.20，到達火車站、機場的交通便捷指數(shù)TT、TP均設為0.15；考慮到人居生態(tài)環(huán)境的優(yōu)化，因此將植被覆蓋指數(shù)P 的權重設為0.10；然而對于水淹的安全性和耕地布局情況，對于此研究區(qū)而言，其基本影響不大，因此將水文安全指數(shù)H 和耕地布局指數(shù)F 的權重均設為0.05；公共設施面積數(shù)量少，暫時不加以考慮，權重設為0（表1）。最終通過柵格計算器得到綜合評價結果圖。結果的范圍在0.305043-0.779221 之間，選擇適當?shù)姆指铧c進行分類，將整個研究區(qū)分為三個等級，分別為良好（大于0.6）、較好（0.43-0.6）、一般（小于0.43），最后將所得結果的空間圖形信息進行顯示表達，如圖11，圖12 所示。

表1 各指標權重分配表

圖11 人居環(huán)境綜合評價結果圖

圖12 各居民區(qū)等級劃分顯示圖

根據(jù)實驗結果表明，研究區(qū)南部的居民區(qū)由于其地處平原，距離水源較近，道路交通發(fā)達，周圍靠近城市居民分布群，多為“良好”等級；中部地區(qū)水源、道路、林地等條件適中，此區(qū)域顯示“較好”等級；研究區(qū)北部海拔較高，周圍水源少，距離大型居民分布群較遠，與外界交流較少，因此其人居環(huán)境處于“一般”水平。

因此，根據(jù)本研究建立的山區(qū)人居環(huán)境綜合定量評價模型結果與實際情況基本相符，本模型可以進一步應用。

4 結論

本文研究核心是山區(qū)人居環(huán)境的遙感與GIS 定量化評價技術，圍繞影響因素、評價模型、數(shù)據(jù)獲取技術、評價指標量化方法等方面展開了系列研究，并將技術方法在河北省承德市寬城滿族自治縣的山區(qū)進行了技術實踐的驗證，山區(qū)人居環(huán)境綜合定量評價模型結果與實際情況基本相符，技術方法可行。通過本次研究取得以下認識：

（1）山區(qū)農村人居環(huán)境首先要考慮生存環(huán)境、生活條件、生態(tài)資源等關鍵因素，在此基礎上可采用遙感技術提取地表相關數(shù)據(jù)，采用DEM 分析地形和水文條件，進行輔助安全性參數(shù)的獲取，從而為定量評價提供可量化的空間評價參數(shù)，突出評價模型的客觀性。

（2）山區(qū)人居環(huán)境模型可以從生存基礎、生活質量、環(huán)境質量三個核心因素考慮。又可進一步分為“安全條件、物質條件、基礎生活條件，休閑條件、環(huán)境條件”等方面，其中，水文安全、耕地布局、交通便捷度、公共設施、周邊植被覆蓋情況等可以利用遙感與DEM 數(shù)據(jù)結合GIS技術實現(xiàn)量化提取與分析。舍棄不可量化的部分經濟或人文指標，從而可以實現(xiàn)基于空間數(shù)據(jù)的客觀評價。

（3）要想實現(xiàn)空間量化指標的提取，首先要利用遙感、DEM 等數(shù)據(jù)提取地表要素和地形、水文信息，在此基礎上借鑒GIS 緩沖區(qū)及空間權重插值思想，以居民區(qū)為中心提取距離為r 的緩沖區(qū)，然后將其與提取的空間數(shù)據(jù)進行空間判斷，從而實現(xiàn)待分析數(shù)據(jù)在居民區(qū)周圍的空間分布量化計算，能更好地體現(xiàn)以人為本的空間評價思想；針對便捷性指標的計算，根據(jù)所研究的評價區(qū)域到目標地點（例如縣醫(yī)院、大型中心商場等）的線性距離計算成本時間，最終確定其空間評價值。最后，按照重要程度為各指標賦予權重，可采用綜合評價法對空間圖層進行權重計算，從而實現(xiàn)山區(qū)人居環(huán)境的量化評價。

（4）更高分辨率的遙感影像可以提取更多的與山區(qū)人居環(huán)境有關的空間數(shù)據(jù)，加入更多可量化空間指標以進一步提高模型的合理性。此次工作中的指標還不夠完備，在將來的工作中會進一步地研究。