基于格網(wǎng)的西安市人居環(huán)境適宜性評價

高 珊， 孫 虎*， 徐崟堯， 孫姝博

(1.陜西師范大學 地理科學與旅游學院,陜西 西安 710119;2.陜西師范大學 地理國家級實驗教學示范中心,陜西 西安 710119)

西安是西北地區(qū)最大的城市,也是一帶一路的起點.隨著西安市建設的快速推進,整個城市的面貌煥然一新,但與此同時也出現(xiàn)了人口激增、環(huán)境負荷增大、社會競爭加劇等問題.這些因城市建設引發(fā)的社會問題和城市建設本身都屬于人居環(huán)境科學的研究范疇.希臘學者道薩迪亞斯于20世紀50年代提出的“人居環(huán)境科學”概念推動了與人居環(huán)境有關的研究[1].國外學者認為,宜居是一個包含著環(huán)境質量與生活質量的整體概念[2],他們提倡將人類聚居環(huán)境作為研究對象,探尋合理的城市空間結構[3—4].總體而言,人居環(huán)境是人與環(huán)境相互作用的結果,適宜的人居環(huán)境能夠為人類提供良好的生態(tài)基礎,也能夠滿足人對于醫(yī)療、科教、文化服務等方面的需求[5—8].目前,國外人居環(huán)境質量評級體系仍在不斷豐富,學者將收入、健康、自然災害等因素也歸入其中[9—12]. 1993年,吳良鏞首次把人類聚居學理論引進中國,并提出以城市等為研究對象的“人居環(huán)境科學”設想[13].張文忠則認為,真正的宜居應該是和諧的自然環(huán)境與舒適的人文環(huán)境相結合[14].在此基礎上,近幾年學者又提出“山水城市”“生態(tài)文明城市”“海綿城市”等理念,這些理念反映了新時期人類希望人居環(huán)境能達到自然環(huán)境與社會文明的和諧統(tǒng)一[15—17].隨著地理信息技術的日漸成熟,GIS分析法成為人居環(huán)境適宜性研究的常用手段．封志明等構建的中國人居環(huán)境自然適宜性評價模型,定量揭示了中國不同地區(qū)人居環(huán)境的自然適宜程度及其空間規(guī)律性,為各地區(qū)發(fā)展提供了參考依據(jù)[18].目前,人居環(huán)境適宜性的相關研究開始與時空演變[19—20]、生態(tài)安全[21]、人居環(huán)境系統(tǒng)脆弱性[22]等相結合,但我國對于人居環(huán)境適宜性的研究多注重自然環(huán)境方面[23—29],對于人文要素考慮較少[30].同時,由于地區(qū)發(fā)展特點和程度存在較大差異,相對于自然指標,人文指標的選取更加靈活且更符合研究區(qū)的人文環(huán)境特征.

近幾年,西安市的人地關系矛盾突出,資源配置不合理,發(fā)展不均衡.西安市于2018年提出《大西安發(fā)展規(guī)劃》,該規(guī)劃以期延續(xù)城市肌理,提升歷史街區(qū),實施城市有機更新,疏解人口,降低密度,提升品質,彰顯千年古都底蘊,從而建設中華民族共有精神家園標識地[31].筆者依據(jù)西安市發(fā)展現(xiàn)狀,針對性地選取交通通達度、GDP、科教、醫(yī)療、住宅服務密度作為人文指標,并結合自然指標,構建人居環(huán)境適宜性評價模型,并對現(xiàn)狀進行評述,希望可為西安市優(yōu)化資源配置、緩和人地關系矛盾的相關研究提供參考.

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

西安市位于λN=33.42°～34.45°、φE=107.40°～109.49°,屬于渭河流域中部的關中平原,北臨黃土高原,南接秦嶺,區(qū)內海拔高度差異懸殊,秦嶺山地與渭河平原界線分明,構成西安市的地貌主體.行政上,西安市下轄新城區(qū)、碑林區(qū)、蓮湖區(qū)、雁塔區(qū)、未央?yún)^(qū)、灞橋區(qū)、閻良區(qū)、臨潼區(qū)、長安區(qū)、高陵區(qū)、藍田縣、戶縣、周至縣等10區(qū)3縣,其中,新城區(qū)、碑林區(qū)、蓮湖區(qū)為主城區(qū).西安市的常住人口約750萬人,市區(qū)人口近300萬,人均居住面積10.19 m2,居住在城鎮(zhèn)的人口占總人口的56.14%,居住在鄉(xiāng)村的人口約300萬人,占總人口的43.86%.西安市的人口密度為666人/km2,市區(qū)人口密度為1 533人/km2,城區(qū)人口密度以碑林區(qū)為最高,為3.11萬人/km2,城郊區(qū)人口密度以雁塔區(qū)為最多,達5 244人/km2.

1.2 數(shù)據(jù)來源

Landsat8遙感影像、90 m分辨率DEM來源于中國地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/);西安市水域矢量數(shù)據(jù)來源于西安市地形圖(矢量化); 西安市13個站點的空氣質量指數(shù)來源于全國空氣質量實時發(fā)布平臺(http://106.37.208.233:20035/);西安市的GDP、道路、人口、科教、醫(yī)療數(shù)據(jù)來源于《西安市統(tǒng)計年鑒》(2017年)．

1.3 研究方法

1.3.1地形起伏度(SRDL)SRDL是指在一定范圍內,最高點海拔與最低點海拔的差值,可以反映地形切割深度,從而反映一個地區(qū)的地形特征.西安市地處關中平原和秦嶺山地,SRDL影響著居住環(huán)境選址.SRDL的計算模型:

SRDL=Hmax-Hmin,

(1)

式中：Hmax為單位面積內最高海拔;Hmin為單位面積內最低海拔[32].

1.3.2歸一化植被指數(shù)(INDV) 植被覆蓋狀況對于居住區(qū)熱環(huán)境和大氣有一定影響[33],INDV可有效反映植被生長發(fā)育特征.INDV的計算公式:

INDV=(RNIR-RR)/(RNIR+RR),

(2)

式中:RNIR,RR分別代表近紅外光和紅光的反射值.

1.3.3格網(wǎng)技術 格網(wǎng)技術是將數(shù)據(jù)以設定的面積大小為單位表達出來.數(shù)據(jù)的格網(wǎng)化將數(shù)據(jù)置于同一尺度下,可提高數(shù)據(jù)的可讀性,也利于發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的規(guī)律.筆者以西安市為研究范圍,在ArcGIS中建立1 km×1 km的網(wǎng)格,用于表達各評價指標.

2 模型的建立

2.1 自然因子數(shù)據(jù)的處理

2.1.1地形起伏度(SRDL)與歸一化植被指數(shù)(INDV) 將計算所得SRDL,INDV重采樣為1 km×1 km分辨率,再利用分區(qū)統(tǒng)計,將數(shù)據(jù)格網(wǎng)化.

2.1.2水域密度(DTW) 西安市的降水空間分異極小,因此只選取水域密度代表水文因子.利用Identify和西安市格網(wǎng)將西安市水域矢量數(shù)據(jù)格網(wǎng)化,再轉為柵格數(shù)據(jù),并分區(qū)統(tǒng)計,獲得1 km×1 km格網(wǎng)化的西安市水域分布圖.

2.1.3空氣質量指數(shù)(IAQ)IAQ是將空氣中幾種污染物質量濃度依據(jù)一定的計算方式歸為一個指數(shù)來表征城市的空氣質量.IAQ在短期內就會有波動,可據(jù)此監(jiān)測空氣質量的變化程度.IAQ越大,表示空氣質量越差.筆者將西安市13個空氣質量監(jiān)測站點IAQ的平均值數(shù)據(jù)以1 km×1 km進行克里格插值,再利用分區(qū)統(tǒng)計獲得格網(wǎng)化西安市的IAQ.

2.2 人文因子數(shù)據(jù)處理

2.2.1交通通達度(DTA)DTA表達交通的可達性,以路網(wǎng)密度表示.西安市的道路矢量數(shù)據(jù)與格網(wǎng)取交集,將路網(wǎng)切成段,折線轉柵格后,重采樣并分區(qū)統(tǒng)計,獲得1 km×1 km格網(wǎng)化的路網(wǎng)密度.

2.2.2國內生產(chǎn)總值(GDP)與人口密度(POP) 將西安市GDP與POP重采樣、分區(qū)統(tǒng)計后,獲得格網(wǎng)化數(shù)據(jù).

2.2.3科教服務密度(S)、醫(yī)療服務密度(M)與住宅密度(H) 將3種點文件與西安市格網(wǎng)分別建立空間連接,獲得每個網(wǎng)格所含科教服務、醫(yī)療服務與住宅的數(shù)量,即S,M,H.以此屬性創(chuàng)建柵格數(shù)據(jù).

2.3 人居環(huán)境適宜性評價模型

文中所建立的人居環(huán)境適宜性評價模型:

IHE=α×SNRDL+β×INNDV+γ×DNTW+δ×

INAQ+ε×DNTA+θ×PNGD+λ×SN+μ×

MN+ω×HN,

(3)

式中:IHE為人居環(huán)境適宜性指數(shù);SNRDL,INNDV,DNTW,INAQ,DNTA,PNGD,SN,MN,HN分別為在MATLAB中標準化后,基于1 km×1 km格網(wǎng)下的地形起伏度、歸一化植被指數(shù)、水域密度、空氣質量指數(shù)、交通通達度、國內生產(chǎn)總值、科教服務密度、醫(yī)療服務密度和住宅密度;α,β,γ,δ,ε,θ,λ,μ,ω分別為各指標的對應權重,一般,各單項指標與人口密度的相關系數(shù)占相關系數(shù)總和的比例為各指標的權重[19].

文中使用的最小、最大標準化方法[34]計算公式:

Y=(Xi-Xi,min)/(Xi,max-Xi,min)×100,

(4)

式中:Y為某評價因子的標準化值;Xi為某評價因子的原始值;Xi,min為某評價因子的最小值;Xi,max為某評價因子的最大值．

3 結果與分析

3.1 西安市人居環(huán)境適宜性評價

為進一步分析西安市人居環(huán)境適宜性分布特征,筆者結合實地調研結果及專家意見,將計算結果根據(jù)相似性進行迭代優(yōu)化聚類分析.經(jīng)聚類后,人居環(huán)境適宜性評價指數(shù)(IHE)被分為5級,即不適宜、臨界適宜、一般適宜、較適宜和適宜(表1、圖1～圖2).同時,對各指標與人居環(huán)境適宜性各分級區(qū)進行相關性分析(表2).總體而言,西安市人居環(huán)境適宜性由南向北遞增,由秦嶺山區(qū)向關中平原遞增,基本呈層狀分布,其中,北部較適宜區(qū)中有閉合區(qū)域,人居環(huán)境適宜性偏低,為人口集中的主城區(qū).

1)不適宜區(qū).該區(qū)的面積為2 155 km2,約占西安市總面積的21.19%,人口為5.36萬人,占全市總人口的0.76%,人口密度為24.88人/km2.在所有區(qū)縣中周至縣的不適宜區(qū)面積占比最高,為36.99%.SNRDL與IHE的相關系數(shù)最大,表明地形與該區(qū)人居環(huán)境適宜性的相關性最大.不適宜區(qū)主要集中在西安市南部的山地,處在秦嶺的北麓,該地的地形陡峭崎嶇,環(huán)境惡劣,人跡罕至,還未完全開發(fā),因此極不適宜居住.

表1 西安市人居環(huán)境適宜性分類統(tǒng)計

圖1 西安市人居環(huán)境適宜性分級評價結果

2)臨界適宜區(qū).該區(qū)的面積為2 907 km2,約占西安市總面積的28.58%,人口為304.03萬人,占全市總人口的43.33%,人口密度為1 045.85人/km2.臨界適宜區(qū)集中分布于不適宜區(qū)的周邊,即高陵區(qū)、長安區(qū)的東部、藍田縣西部和西安市的主城區(qū). 該區(qū)域的SNRDL與IHE的相關系數(shù)仍然很高.結合SNRDL的分布特征可知,對于山區(qū)周邊和城郊各區(qū)縣,由于交通通達度較低,醫(yī)療、科教等各服務設施不完善,該區(qū)的人居環(huán)境適宜性低.在西安市的主城區(qū)中,臨界適宜區(qū)面積占70.19%,是西安市的中心,經(jīng)濟發(fā)達,交通網(wǎng)絡完善,也是科技與文化最發(fā)達的地區(qū),因此人口密度在全市最高.由此也產(chǎn)生環(huán)境壓力大,城區(qū)空氣質量較差、交通擁堵、住房資源緊張等問題，使得人居環(huán)境適宜性偏低.

3)一般適宜區(qū).該區(qū)的面積為2 410 km2,約占西安市總面積的23.70%,人口為167.70萬人,占全市總人口的23.91%,人口密度為695.87人/km2.一般適宜區(qū)主要分布于臨界適宜區(qū)的周圍和西安市的東北部,即周至縣、戶縣的少部和灞橋區(qū)、臨潼區(qū)的大部.由于該區(qū)域位于西安市的主城區(qū)附近,經(jīng)濟相對發(fā)達,設施較完備.INNDV,INAQ與IHE的相關性最大,說明生態(tài)環(huán)境已經(jīng)成為影響人居環(huán)境的主要因素.近郊區(qū)城市的熱島效應明顯,環(huán)境質量較差,因此,人居環(huán)境適宜性一般、人口密度也較低.

圖2 西安市人居環(huán)境適宜性面積累加柱狀圖

表2 各分級區(qū)與各評價指標的相關系數(shù)

4)較適宜區(qū).該區(qū)的面積為2 146 km2,約占西安市總面積的21.10%,人口為200.11萬人,占全市總人口的28.53%,人口密度為932.48人/km2.較適宜區(qū)主要分布于西安市的西北部,即周至縣、戶縣、長安區(qū)的北部以及未央?yún)^(qū).在該區(qū)的評價指標中,PNGD與IHE的相關程度最大,同時,INNDV與IHE的相關性也較高.表明自然因子和社會因子對該區(qū)的適宜性有較大影響,且在該區(qū)基本達到平衡.由于該區(qū)地勢平坦開闊,水源充足,植被覆蓋度高,交通便利,距離主城區(qū)較近,經(jīng)濟相對發(fā)達,較適宜居住.

5)適宜區(qū).該區(qū)的面積為553 km2,約占西安市總面積的5.44%,人口為24.32萬人,占全市總人口的3.47%,人口密度為439.78人/km2.西安市的適宜區(qū)面積最小,僅在較適宜區(qū)中有點狀分布,人口密度低.在所有縣區(qū)中,藍田縣的適宜區(qū)面積最大,占11.35%.結合各因子分布特征,這些區(qū)域的植被覆蓋度高,自然條件優(yōu)越,經(jīng)濟水平高,服務設施完備,因此人居環(huán)境適宜性高.

3.2 西安市人居環(huán)境適宜性單因子分析

在MATLAB中對各標準化后的評價因子與IHE進行相關性分析.不同指標對于人居環(huán)境適宜性的限制程度不同,在西安市存在差異.人口密度(PNPO)與各評價因子的相關系數(shù)見表3.

表3 人口密度、西安市人居適宜性指數(shù)與各指標的相關系數(shù)

1)自然條件相關指標.在SNRDL,INNDV,DNTW中,INNDV與PNPO,IHE的相關性最大.西安市大部分地區(qū)位于關中平原,地勢平坦,人口也集中分布于平原之上,但西安市的水域面積較少,因此,水域對于人口和人居環(huán)境適宜性相關性較小,水資源短缺也一直是西安城市發(fā)展擴張的重要制約因素.PNPO與INNDV的相關系數(shù)為0.36,IHE與INNDV的相關系數(shù)達0.83,說明INNDV越高的區(qū)域所能容納的人口越多,越適宜居住,因此,城市的規(guī)劃與建設應該高度重視城市綠化的布局.

2)INAQ分析.IAQ越高,表征空氣質量越差.INAQ與PNPO呈正相關(表3),與IHE呈負相關,且在所有指標中,INAQ與IHE的相關系數(shù)最大,表明空氣質量對于人居環(huán)境適宜性的制約最大.主城區(qū)的人口集中,交通網(wǎng)絡密度大,產(chǎn)生廢氣較多,且市區(qū)內空氣的自凈能力有限.目前，西安市的冬季霧霾嚴重,大大影響了居民健康及其正常生活.

3)交通通達度(DNTA)分析.由于地形條件制約,西安市交通網(wǎng)絡主要分布在平原地區(qū),而南部秦嶺山區(qū)的交通線路稀疏.因此,交通通達度影響了西安市南部人口密度與人居環(huán)境適宜性.

4)經(jīng)濟條件相關指標分析.西安市的IHE與PNGD呈顯著正相關,相關系數(shù)達0.7以上,表明經(jīng)濟發(fā)展水平越高,人居環(huán)境適宜性越好.PNGD與PNPO的相關系數(shù)在所有指標中最高,表明經(jīng)濟發(fā)展對于人口的集聚有很大作用.科教文化服務、醫(yī)療服務、住宅數(shù)量都與人口密度和人居環(huán)境成正比.經(jīng)濟發(fā)展與城市建設吸引大量人口,同時必然會增加社會服務設施與之配套,從而提高了人居環(huán)境適宜性.

4 討論

秦嶺山區(qū)因地形崎嶇屬于人居環(huán)境不適宜區(qū),但卻是關中地區(qū)的生態(tài)屏障.因此應該合理開發(fā),保護其自然景觀和生物多樣性,提升秦嶺國家生態(tài)公園的質量,使秦嶺北麓成為城市天然氧吧以及旅游經(jīng)濟帶.主城區(qū)的人口密度大、環(huán)境壓力大,在規(guī)劃過程中，應該以協(xié)調發(fā)展為目標,以商貿和旅游業(yè)為主導,實現(xiàn)部分功能區(qū)外遷,從而帶動人口遷移,緩解主城區(qū)壓力.同時，還應該加強保護古城區(qū),恢復歷史街區(qū)與人文遺存,構建具有古城特色的人文西安.目前,人居環(huán)境較適宜區(qū)和適宜區(qū)目前還沒有吸引大量人口,因此還需要繼續(xù)引導科教產(chǎn)業(yè)向該區(qū)轉移,并建設配套設施更完善的大型居住區(qū),疏解老城壓力.

人居環(huán)境適宜性的研究正在逐漸趨于成熟,但一些方面仍然有待提高：對于指標的選取,應該緊隨社會的發(fā)展及時增減;對于何種尺度下選取何種大小格網(wǎng)來刻畫規(guī)律,依舊沒有定論,這些都值得進一步探討.

5 結論

1)西安市人居環(huán)境適宜性,在空間上呈現(xiàn)由南向北、由秦嶺山區(qū)向關中平原遞增的趨勢,基本呈層狀分布.人居環(huán)境適宜性評價指數(shù)分為不適宜、臨界適宜、一般適宜、較適宜和適宜，其中,臨界適宜區(qū)面積的比例與人口密度均最高,分別為28.58%,1 046人/km2.

2)西安市南部的秦嶺北麓,由于地形、交通、經(jīng)濟等原因成為不適宜區(qū).西安市主城區(qū)的人口密度大,環(huán)境承載力趨于飽和,為臨界適宜區(qū).西安市人居環(huán)境適宜區(qū)和較適宜區(qū)主要位于西安市西北部的城郊地區(qū).這些區(qū)域的地勢平坦開闊,水源充足,植被覆蓋度高,交通便利,距離主城區(qū)較近,經(jīng)濟相對發(fā)達,較適宜居住.

3)不同地區(qū)制約人居環(huán)境適宜性的因素存在差異,不同指標對人居環(huán)境適宜性的制約程度也不同.空氣質量指數(shù)與人居環(huán)境適宜性的相關性最大,尤其是對于人口密集的主城區(qū)；其次為植被指數(shù);GDP與人口密度的相關性最大;經(jīng)濟因素仍然是影響人口分布的主導因素.