基于柵格數(shù)據(jù)的遼中南城市群人居環(huán)境自然適宜性測評(píng)

摘 要：以遼中南城市群為研究對(duì)象，基于1 km×1 km柵格數(shù)據(jù)，建立了基于地形起伏度、植被、水文、溫濕指數(shù)的人居環(huán)境自然適宜性綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)人居環(huán)境自然適宜性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)與合理分區(qū)。研究結(jié)果表明：①遼中南城市群人居環(huán)境自然適宜性受地形條件限制較小，受水文、植被、氣候條件限制較大。②遼中南城市群人居環(huán)境自然適宜性指數(shù)范圍為19.03～84.15，在空間上總體呈現(xiàn)出西高東低的態(tài)勢。③中度適宜地區(qū)分布最廣，高度適宜地區(qū)與不適宜地區(qū)面積最小。④遼中南城市群64.48%的人口分布在中高度適宜地區(qū)。

關(guān)鍵詞：柵格數(shù)據(jù)；人居環(huán)境；自然適宜性；人口分布；遼中南城市群

中圖分類號(hào)：X826 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-9655（2024）04-000-06

0 引言

遼中南城市群既是環(huán)渤海地區(qū)的重要組成部分，也是東北地區(qū)對(duì)外開放的重要門戶。其工業(yè)起步較早、城鎮(zhèn)化水平較高，長期的“高消耗、高排放”發(fā)展模式，使遼中南城市群發(fā)展面臨著自然資源資源枯竭、環(huán)境污染等諸多城市問題。新時(shí)代“綠色發(fā)展”背景下，城市人居環(huán)境高質(zhì)量發(fā)展成為遼中南城市群新的挑戰(zhàn)。

20世紀(jì)以來，人居問題逐漸成為人居科學(xué)的重點(diǎn)研究對(duì)象。20世紀(jì)50年代道薩迪亞斯創(chuàng)立了“人類聚居學(xué)”標(biāo)志著國外人居環(huán)境研究的起步[1]；國外學(xué)者主要研究了建筑對(duì)人居環(huán)境的影響[2，3]、基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)人居環(huán)境的影響[4，5]、氣候變化對(duì)人居環(huán)境的影響[6]等。20世紀(jì)90年代，吳良鏞院士建立的人居環(huán)境科學(xué)體系[1]，標(biāo)志著國內(nèi)人居環(huán)境研究的起步，國內(nèi)學(xué)者以吳良鏞院士提出的五大系統(tǒng)為基礎(chǔ)開展廣泛研究[7-9]。在人居環(huán)境自然適宜性方面，國內(nèi)學(xué)者通過分析地形起伏度[10-12]、氣候[10-12]等單因素及綜合因素[13-15]對(duì)人口空間分布的影響，探討人口分布與自然因素的關(guān)系；在研究區(qū)域上，國內(nèi)學(xué)者主要以全國范圍[16，17]、省域范圍[13，14]、市級(jí)范圍[18，19]為研究尺度，通過構(gòu)建相應(yīng)尺度的人居環(huán)境指數(shù)模型，探討人居環(huán)境自然適宜性的時(shí)空差異；在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建方面，主要采用熵值法、主成分分析法等[20，21]。

綜上所述，人居環(huán)境自然適宜性評(píng)價(jià)研究成果十分豐富，但多數(shù)研究針對(duì)宏觀尺度[22，23]、行政區(qū)域[14，19]、河流流域[24，25]等，對(duì)城市群人居環(huán)境自然適宜性研究較少。而城市群是國家新型城鎮(zhèn)化主體區(qū)、國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略重心區(qū)，新時(shí)代城市群作為國家新型城鎮(zhèn)化主體的戰(zhàn)略引領(lǐng)地位進(jìn)一步提升。因此，城市群人居環(huán)境的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義與理論價(jià)值?；诖耍疚囊赃|中南城市群為研究對(duì)象，從其自然地理?xiàng)l件出發(fā)，以地形起伏度、植被、水文、溫濕指數(shù)為評(píng)價(jià)因子，基于DEM、遙感影像、氣象、水文等數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS等軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，構(gòu)建人居環(huán)境適宜指數(shù)評(píng)價(jià)模型，對(duì)遼中南城市群人居環(huán)境自然適宜性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和等級(jí)劃分，以期為遼中南群城市群未來發(fā)展規(guī)劃以及城市群競爭力的提升提供理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

遼中南城市群位于我國東北地區(qū)南部，遼寧省中南部，瀕臨渤海和黃海，國土面積8.15 km2，占遼寧省面積超過1/2。氣候類型為溫帶季風(fēng)氣候，夏季濕熱，冬季干冷，降水東多西少，年平均氣溫為0.2～14.1℃，年均相對(duì)濕度集中在20%～80%。地形東高西低，東部地區(qū)為長白山支脈及延續(xù)部分，南部地區(qū)為遼東丘陵，西部地區(qū)主要為遼河平原。

遼中南城市群由沈陽、大連兩個(gè)副省級(jí)城市以及鞍山、撫順等7個(gè)地級(jí)市組成，是東北地區(qū)對(duì)外開放的重要門戶，其工業(yè)化起步較早，城鎮(zhèn)化水平較高，在“一帶一路”建設(shè)、國家新型城市化進(jìn)程以及東北振興中都發(fā)揮著十分重要的作用。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

研究數(shù)據(jù)主要包括基于公里網(wǎng)格尺度的環(huán)境數(shù)據(jù)、人口數(shù)據(jù)，以及矢量的水網(wǎng)、湖泊分布，市、縣級(jí)行政邊界，主要數(shù)據(jù)來源、類型、處理過程見表1。

1.3 評(píng)價(jià)模型及參數(shù)獲取

1.3.1 地形起伏度模型

地形起伏度是描述區(qū)域海拔高度和地表切割程度的宏觀性指標(biāo)[26]。地形條件的優(yōu)劣會(huì)直接或間接影響人類居住地的選址和發(fā)展，以及土地利用方式的質(zhì)量等。因此，本文選取地形起伏度來表征遼中南城市群人居環(huán)境的地形適宜性。具體計(jì)算公式如下：

式中：RDLS—地形起伏度；ATL、max（H）、mix（H）—一定區(qū)域內(nèi)海拔的均值、最大值、最小值；

P（A）— 一定區(qū)域內(nèi)的平地面積；A—區(qū)域總面積[27]。參照前人相關(guān)研究，本研究中將坡度＜5°的區(qū)域確定為平地，以此對(duì)坡度進(jìn)行二值化，采用鄰域統(tǒng)計(jì)工具即可得到數(shù)據(jù)層[28]。本文開辟3 km×3 km（即3×3）鄰域分析窗口，因此為9 km2。

1.3.2 植被指數(shù)

植被指數(shù)是反應(yīng)人居環(huán)境生態(tài)水平的重要指標(biāo)，歸一化后的能反應(yīng)區(qū)域水源、土壤等自然環(huán)境狀況，同時(shí)，城市熱環(huán)境、局地小氣候等與植被覆蓋率也密切相關(guān)[15]。因此，本文選取植被指數(shù)來表征遼中南城市群人居環(huán)境植被適宜性。具體計(jì)算公式如下：

式中：NNDVI—?dú)w一化后的NDVI，max（NDVI）、mix（NDVI）—區(qū)域內(nèi)的最大值和最小值[15]。

1.3.3 水文指數(shù)

通過年降水和水網(wǎng)密度、湖泊密度構(gòu)建水文指數(shù)，其中，年降水反應(yīng)自然界的供水能力，水網(wǎng)密度和湖泊密度反應(yīng)區(qū)域內(nèi)儲(chǔ)水能力和取水的便利性[15]。因此，本文通過水文指數(shù)來表征遼中南城市群人居環(huán)境水文適宜性。具體計(jì)算公式如下：

WRI = αP+βWa+γI （3）

式中：WRI—水文指數(shù)；P、Wa、I—?dú)w一化后的年降水、水網(wǎng)密度、湖泊密度；α、β、γ—各因子對(duì)應(yīng)的權(quán)重[15]，分別為0.8、0.19、0.01。

權(quán)重的計(jì)算參考封志明[15]等人的研究，采用GWR模型計(jì)算權(quán)重，具體計(jì)算步驟如下：首先，利用ArcGIS在遼中南城市群范圍內(nèi)隨機(jī)生成1000個(gè)點(diǎn)，并將人口與歸一化的年降水、水網(wǎng)密度、湖泊密度4個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)提取到該1000個(gè)點(diǎn)的屬性中，然后基于這些點(diǎn)分別構(gòu)建人口與降水/水網(wǎng)密度/湖泊密度的GWR回歸模型；最后通過回歸系數(shù)和R2來確定判斷各因素與人口的關(guān)系，從而計(jì)算權(quán)重。

1.3.4 溫濕指數(shù)

溫濕指數(shù)是由有效溫度演變而來，它是濕度訂正后的溫度，綜合考慮了溫度和濕度對(duì)人體舒適度的影響[29]。因此，本文選取溫濕指數(shù)來表征遼中南城市群人居環(huán)境氣候適宜性。具體計(jì)算公式如下：

THI=T-0.55（1-f）（T-58） （4）

T=1.8t+32 （5）

式中：THI—溫濕指數(shù)；T—華氏溫度（°F）；t—月均溫（℃）；f—月均相對(duì)濕度（%）[29]。

1.3.5 人居環(huán)境適宜指數(shù)模型

在對(duì)地形、植被、水文等單因子適宜性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，通過各因素與人口密度的關(guān)系，構(gòu)建基于柵格數(shù)據(jù)人居環(huán)境自然適宜性指數(shù)模型[13]，系統(tǒng)評(píng)價(jià)遼中南城市群1 km×1 km人居環(huán)境自然適宜性。具體計(jì)算公式如下：

HSI=αRDLS+βNNDVI+ωWRI+δTHI （6）

式中：HSI—人居環(huán)境適宜指數(shù)；RDLS、NNDVI、WRI、THI—標(biāo)準(zhǔn)化后的地形起伏度、植被指數(shù)、水文指數(shù)、溫濕指數(shù)，α、β、ω、δ—各指數(shù)所對(duì)應(yīng)的權(quán)重[13]，本文參照封志明[15]等人的研究，運(yùn)用GWR模型來計(jì)算相應(yīng)的權(quán)重。經(jīng)計(jì)算得出α、β、ω、δ分別為0.26、0.12、0.27、0.33。

標(biāo)準(zhǔn)化過程中，對(duì)正向指標(biāo)水文指數(shù)進(jìn)行最大效果標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)負(fù)向指標(biāo)地形起伏度進(jìn)行最小效果標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)中心指標(biāo)溫濕指數(shù)、植被指數(shù)采用中心效果標(biāo)準(zhǔn)化[13]。具體標(biāo)準(zhǔn)化公式如下：

最大效果標(biāo)準(zhǔn)化：

最小效果標(biāo)準(zhǔn)化：

中心效果標(biāo)準(zhǔn)化：

如果，則

如果，則

式中：—變量X在區(qū)域i標(biāo)準(zhǔn)化后的值；xi—變量x在區(qū)域i的原始值；X—變量x的集合；xm—某一指數(shù)的最適宜值。

2 結(jié)果與分析

2.1 人居環(huán)境單因子適宜性分析

參考前人相關(guān)研究[15，29]，并結(jié)合遼中南城市群實(shí)際，對(duì)人居環(huán)境單因子適宜性進(jìn)行等級(jí)劃分（表2），其中，當(dāng)植被指數(shù)＞0.9時(shí)，將其賦值為0，歸為不適宜地區(qū)[15]。各因子適宜指數(shù)及適應(yīng)性分區(qū)如圖1所示。

（1）從地形條件來看，遼中南城市群大部分地區(qū)都較為平坦，地形起伏度均在2.0以下，高度適宜區(qū)占比61.43%，中度適宜地區(qū)占比38.08%，低度適宜地區(qū)占比0.05%，無不適宜地區(qū)和臨界適宜地區(qū)。

（2）從植被條件來看，遼中南城市群整體植被覆蓋指數(shù)較高，但植被指數(shù)過高也不適宜人類居住，其中不適宜地區(qū)占比66.82%，高度適宜地區(qū)占比30.40%。

（3）從水文條件來看，遼中南城市群水文條件較差，大部分地區(qū)為低度適宜地區(qū)和臨界適宜地區(qū)，分別占區(qū)域總面積的79.89%和18.06%，中、高度適宜地區(qū)僅占1.87%。

（4）從氣候條件來看，遼中南城市群由于所處緯度較高，大部分地區(qū)為中溫帶，氣候偏涼，其中，低度適宜區(qū)占比98.36%，中度適宜地區(qū)僅占1.41%，無高度適宜地區(qū)。綜上可知，地形條件對(duì)人居環(huán)境適宜性限制很小，而水文、植被以及氣候條件對(duì)遼中南城市群的人居環(huán)境適宜性限制性較大。

2.2 人居環(huán)境自然適宜性綜合分析

基于HSI的遼中南城市群人居環(huán)境自然適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果表明（圖2a），遼中南城市群人居環(huán)境自然適宜指數(shù)介于19.03～84.15，均值為59.41；空間上，從東北向西南遞增，從山地向河谷、平原遞增。參考封志明[16]等人的研究，并結(jié)合遼中南城市群的區(qū)域特點(diǎn)，將遼中南城市群人居環(huán)境自然適宜性進(jìn)行劃分（表3、圖2b）。

（1）高度適宜地區(qū)：人居環(huán)境自然適宜指數(shù)介于80.00～84.15，HSI均值為81.76，地形平坦，平均地形起伏度僅為0.05，平均海拔66.50 m，年均降水量為1028.60 mm，年均溫為12.53℃，相對(duì)濕度為0.64，主要分布在遼東半島南部沿海地區(qū)，土地面積占區(qū)域總面積的0.01%，人口占區(qū)域總?cè)丝诘?.19%，人口密度為6780.85人/km2，屬于遼中南城市群中人口高度密集區(qū)。

（2）中度適宜地區(qū)：人居環(huán)境自然適宜指數(shù)介于60～80，HSI均值為67.00，地形平坦，平均起伏度為0.07，平均海拔69.57 m，年均降水量為

51 mm，年均溫為10.00℃，年均相對(duì)濕度為0.57，主要分布在遼東半島、遼河平原，土地面積占區(qū)域總面積的52.72%，人口占區(qū)域總?cè)丝诘?4.29%，人口密度為492.41人/km2，屬于遼中南城市群人口集中分布區(qū)。

（3）低度適宜地區(qū)：人居環(huán)境自然適宜指數(shù)介于40～60，HSI均值為51.76，地形起伏較大，平均海拔326.55 m，年均降水為652.35 mm，年均溫為7.82℃，年均相對(duì)濕度為0.63，土地面積占區(qū)域總面積的44.83%，人口占區(qū)域總?cè)丝诘?5.44%，人口密度為319.17人/km2，人口較為集中。

（4）臨界適宜地區(qū)：人居環(huán)境自然適宜指數(shù)介于10～40，HSI均值為36.28，地形起伏度較大，平均起伏度為0.87，平均海拔為711.35 m，年均降水877 mm，年均溫為5.87℃，相對(duì)濕度為0.70，主要分布在鴨綠江、渾江流域，土地面積占區(qū)域總面積的2.43%，人口占區(qū)域總?cè)丝诘?.08%，人口密度為12.66人/km2，人口稀疏。

（5）不適宜地區(qū)：人居環(huán)境適宜指數(shù)介于19.03～20，HSI均值為19.64，地形起伏大，平均起伏度為1.90，平均海拔907.89 m，年降水為998.30 mm，年均溫為5.10℃，相對(duì)濕度為0.72，主要分布在東北部山區(qū)，土地面積占區(qū)域總面積的0.01%，人口占區(qū)域總?cè)丝诘?.0003%，人口密度為8.54人/km2，人口十分稀疏。

綜上所述，遼中南城市群人居環(huán)境以中度適宜地區(qū)分布最廣，占區(qū)域總面積的52.72%，低度適宜地區(qū)次之，占26.11%，不適宜地區(qū)與高度適宜地區(qū)占比最低，分別占0.01%。其中，人口集中分布在中高度適宜地區(qū)，占總?cè)丝诘?4.48%。

3 結(jié)論與討論

（1）遼中南城市群人居環(huán)境自然適宜性受地形限制較小，受水文、植被、氣候條件限制較大。

（2）遼中南城市群人居環(huán)境自然適宜指數(shù)介于19.03～84.15，空間上，自東北向西南遞增，自山地向河谷、平原遞增，總體呈現(xiàn)出西高東低的態(tài)勢。

（3）遼中南城市群自然適宜性分區(qū)中，中度適宜地區(qū)分布最廣、面積最大，占區(qū)域總面積的52.72%，低度適宜地區(qū)次之，占區(qū)域總面積的44.83%；其次為臨界適宜地區(qū)，占區(qū)域總面積的2.43%，高度適宜地區(qū)以及不適宜地區(qū)面積最小，二者各占0.01%。

（4）遼中南城市群的人口集中分布在中高度適宜地區(qū)，占總?cè)丝诘?4.48%。人居環(huán)境自然適宜性從根本上決定著遼中南城市群人口分布的空間格局。

本研究基于柵格數(shù)據(jù)構(gòu)建遼中南城市群人居環(huán)境自然適宜性空間格局比較合理，能夠較好的反應(yīng)遼中南城市群自然人居環(huán)境的空間差異。但研究數(shù)據(jù)的分辨率有待提高，才能夠更加精確的反應(yīng)城市群的自然環(huán)境的內(nèi)部差異。人居環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng)，人居環(huán)境不僅受自然環(huán)境的影響，人文因素對(duì)人居環(huán)境的影響日益突出，因此，要想全面表達(dá)人居環(huán)境適宜程度，需要對(duì)自然環(huán)境和人文環(huán)境進(jìn)行綜合研究。

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