基于GIS技術的湖北省人居環境自然適宜性評價

李捷

摘要：以湖北省作為研究區域，運用GIS技術，以自然地理學為基礎，從人居環境自然適宜性出發，以30 m×30 m柵格為基本單元，選擇影響人居環境最主要的4個因子（地形、氣候、水文與地被條件），定量評價湖北省不同地區人居環境的自然適宜性。結果表明，湖北省人居環境指數呈現出由北向南遞減趨勢，其中西南部五峰土家族自治縣周圍出現高值區。湖北省人居環境適宜地區面積為1.100 77×105 km2。從適宜因子分析表明受雙因子適宜面積最大，占高度適宜區的63.33%，多因子適宜區和單因子適宜區面積各占高度適宜區2.52%和24.98%。湖北省人居環境臨界適宜地區面積為4.075 30×104 km2，占湖北省面積的22.2%。其中，以高度適宜區單因子為標準，適宜性臨界區和限制性臨界區面積各占2 114.342 2 km2和2 114.342 2 km2。人居環境不適宜地區土地面積為4.219 9×104 km2，占湖北省面積的19.4%，從不適宜區限制性分析可知，人居環境不適宜區受雙因子限制的面積最大，占不適宜區32.48%，多因子限制和單因子限制面積各占不適宜區13.37%和10.08%；綜合限制型面積最小，只占不適宜區2.01%。

關鍵詞：人居環境；自然適宜性；GIS技術；湖北省

中圖分類號：P208 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）21-5235-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.21.009

The Habitat Suitability Assessment of the Natural Environment in Hubei Province Based on GIS Technology

人居環境是人類聚居環境（Human settlements）的簡稱，是由人類居住和環境科學兩大概念范疇的基礎上發展而來的[1]。隨著人類利用自然、影響自然活動范圍和強度的增加，人居環境問題越來越突出。國學中的風水學提出人居環境選址方法。1955年，希臘建筑規劃學家道薩迪亞斯創辦《人類聚居學》雜志，開始系統研究、傳播和講授人類聚居學理論[2]。1995年清華大學“人居環境研究中心”成立，并進行了系列研究。吳良鏞[3]參照查爾斯·道創立道氏學說，把人居環境系統劃分為自然、人類、社會、居住和支撐5大系統。從這5大系統角度出發，學者們從各自的研究方向與研究領域出發展開了研究[3-5]。

從地理空間角度而言，人類與居住環境有著情感交流與物質交換的關系。人居環境作為人類居住的空間，也是人類生存和發展的基礎所在，人類與居住環境的關系最為密切[6]。近幾年來，國內外研究人居環境取得了很大的成績。唐焰等[7]從宏觀上對中國人居環境進行評價；張文忠等[8]對人居環境演變進行研究；王坤鵬[9]、喻超等[10]從城市宜居角度對直轄市進行對比與分析。然而自然地理現象具有復雜性，針對地理現象的復雜性來疊加自然地理要素分析人居環境的研究較少，研究使用多因子方法分層次進行疊加應用。綜合單因子評價結果進行人居環境自然適宜性綜合評價，此外，對于適宜性、不適宜性、臨界適宜性因子進行分析，找出其影響因素。

本研究以湖北省作為研究區域，運用GIS技術，從人居環境自然適宜性出發，以30 m×30 m的柵格為基本單元，選擇影響人居環境最為主要的4個因子（地形、氣候、水文與地被條件），在ArcGIS中分別建立起地形起伏度、氣候適宜度、水文指數與地被指數的人居環境評價模型，在此基礎上，構建人居環境自然適宜性綜合評價模型——人居環境指數（HEI）模型，定量評價湖北省不同地區人居環境的自然適宜性，系統揭示人居自然環境的地域類型與空間格局。以期為湖北省引導人口合理分布、促進人口合理布局以及為居民選擇居住地提供科學依據和決策支持。

1 材料與方法

1.1 研究方法

1.1.1 地形起伏度 地形起伏度的提取依據唐焰等[7]地形起伏度的提取方法，參考湖北省地形特征、海拔高度、空間分布，將地形起伏度定義為：

RDLS=ALT/1 000+{[Max（H）-Min（H）]×[1- P（A）/A]}/500 （1）

式中，RDLS為地形起伏度；ALT為以某一柵格單元為中心一定區域內的平均海拔（m）；Max（H）和Min（H）分別為該區域內的最高與最低海拔（m）； P（A）為區域內的平地面積（km2）；A為區域總面積，確定30 m×30 m柵格為區域單元，即A為900 m2[11]。

1.1.2 氣候適宜度 氣候條件是影響人類活動和人居環境的重要因子，根據湖北省地理環境的實際狀況，采用溫濕指數模型[7，12]作為湖北省人居環境氣候適宜性評價的指標。其計算公式為：

THI=1.8t+32-0.55（1-f）（1.8t-26） （2）

式中，t月均攝氏溫度（℃），f是月均空氣相對濕度（%）。

1.1.3 水文適宜性 依據國家環境保護總局生態環境評價標準，采用降水量和水域面積比重來表征區域水資源的豐缺程度。前者表示天然狀態下區域自然給水能力的大小，后者表征區域集水與匯水能力的強弱。水文指數的具體計算公式為：

WRI=αP+βWa （3）

式中，WRI水文指數，P為歸一化的降水量，Wa為歸一化的水域面積，α和β分別為降水與水域比例的權重[13]。

1.1.4 地被適宜性 依據生態環境狀況評價技術規范中的植被覆蓋指數，構建地被指數來表征地表植被的覆蓋狀況。其計算公式為：

LCI=NDVI×LTi （4）

式中，LCI為地被指數，NDVI為該單元格的歸一化植被指數，LTi為各土地利用類型的權重，i= 1，2…，25，分別代表耕地、林地、草地、水域、建設用地與未利用地等6大用地類型中的水田、旱地等25類二級土地利用類型，各用地類型的權重采用專家打分法確定。將土地利用類型劃分為5大類，即耕地、林地、水域、建設用地、未利用土地[13]。

1.1.5 人居環境自然適宜性 在地形、氣候、水文和地被等單因子自然適宜程度評價的基礎上，考察到湖北省區域差異，構建湖北省人居環境自然適宜性評價模型。人居環境指數由地形、氣候、水文及地被4大自然因子構成，表征區域人居環境的自然適宜性，為增進各指標之間的橫向可比性，對各單項指標進行了標準化處理。人居環境指數計算公式為：

HEI=αi×NRDLS+βi×NTHI+χi×NWRI+δi×NLCI，i=1，2，…，8（5）

式中，HEI為人居環境指數，NRDLS為標準化地形起伏度，NTHI為標準化溫濕指數，NWRI為標準化水文指數，NLCI為標準化地被指數，α、β、χ和δ分別為各自然地理區地形起伏度、溫濕指數、水文指數和地被指數對應的權重[14]。

1.2 數據處理

湖北省DEM數據來源于湖北文理學院水文地貌實驗室，其空間分辨率為30 m。氣象數據購買于湖北省氣象局，共有湖北省內21個氣象臺站的數據，溫度數據處理運用反距離權重法、濕度、降水量采用普通克里金插值法分布進行空間內插，重采樣獲得30 m×30 m柵格的溫度、濕度、降水量的圖層；襄陽隆中氣象來源于湖北文理學院氣象站。遙感影像為Landsat 8數據，來源于中國科學院數據云，水文適宜性的水域面積與地被適宜性數據從該影像中提取。所有分析專題地圖均采用采用阿爾伯斯等積圓錐投影。

2 結果與分析

2.1 人居環境指數空間分布規律

根據湖北省人居環境自然適宜性綜合評價模型，以30 m×30 m 柵格為基本研究單元，計算出不同地區的人居環境指數（HEI）。由圖1可知，湖北省人居環境指數呈現出由北向南遞減趨勢。最低值分布在神農架林區，最高值分布在襄陽與十堰的部分地區。恩施、咸寧、黃岡、黃石、鄂州、神農架林區為低值區域，襄陽、十堰、隨州為高值區域。從地形地貌角度來分析，湖北省人居環境指數低值區域主要分布在山區，高值區主要分布在平原地區。出現由山地向丘陵、崗地、平原遞增的趨勢。

2.2 確定人居環境自然適宜性評價標準

在對湖北省人居環境指數分析的基礎上，根據人居環境指數高低及其相關指標——地形起伏度、地被指數、氣候適宜度和水文指數的適宜性和限制性特征，研究確定了湖北省人居環境自然適宜性綜合評價的標準。基于人居環境指數的湖北省人居環境自然適宜性分級標準，將湖北省不同地區的人居環境自然適宜程度分為5類，完成了基于人居環境指數的湖北省人居環境自然適宜性分級評價。第一類為高度適宜地區（High Suitability，HS），基本上不受自然條件限制、最適合人類生活和居住，人居環境指數在8以上的地區。地形起伏度多在0.5以下，地勢平坦，海拔低于200 m；地被指數均在0.3以上，年均NDVI在0.45以上，植被覆蓋良好；氣候適宜度（溫濕指數）在52～60，氣候舒適宜人；水文指數在70～80。第二類為比較適宜地區（Middle Suitability，MS），受到一定自然條件限制、中等適宜人類居住，人居環境指數在6～8的地區。地形起伏度在1.0以下，海拔介于200～500 m；地被指數在約為0.25，年均NDVI在0.40～0.45，植被覆蓋條件較好；氣候適宜度（溫濕指數）多在60～65，氣候舒適；水文指數在45～70的水平。第三類為一般適宜地區（Low Suitability，LS），受自然條件中度限制、一般適宜人類居住，人居環境指數在4～6的地區。地形起伏度多在1.0以上，海拔高度在500～1 000 m；地被指數約為0.2，年均NDVI在0.30～0.40，蓋度一般；氣候適宜度（溫濕指數）在65～70，氣候偏熱；水文指數在25-40。第4類為臨界適宜地區（Critical Suitability，CS），是自然條件高度限制、勉強適合人類居住，人居環境指數介于2～4的地區：地形起伏度平均在1.5以上，平均海拔在1 000～2 000 m；植被覆蓋較不適宜區有所改善，但整體偏低，年均NDVI在0.05～0.15；氣候適宜度（溫濕指數）在70～75，氣候悶熱；水文指數平均在10～25。第5類為不適宜地區（Non-Suitability，NS），是不適合人類長期生活和居住，人居環境指數介于0～2的地區：地形起伏度多在4.0以上，平均海拔超過2 000 m；地被指數小于0.1，植被覆蓋條件差，年均NDVI多在0.15以下；氣候適宜度（溫濕指數）大于75，氣候極其悶熱；水文指數平均在8～20。

2.3 人居環境自然適宜性評價

根據湖北省人居環境指數的自然適宜性評價指標和標準，完成了湖北省人居環境自然適宜性綜合評價（表1與圖2）。湖北省人居環境的自然適宜程度整體呈現出由南向北逐漸遞增的趨勢。①高度適宜區（High Suitability，HS），土地面積3.017 5×104 km2，接近湖北省面積的16.1%；主要分布在湖北北部以及西南部極少數地區，包括襄陽、十堰、隨州的部分地區以及湖北省五峰土家族自治縣部分地區。②比較適宜地區（Middle Suitability，MS），土地面積3.577 7×104 km2，占湖北省面積的19.4%；主要分布湖北省中部地區偏北，包括神農架、宜昌、孝感部分地區，荊門、隨州大部以及湖北省五峰土家族自治縣的大部分地區。③一般適宜地區（Low Suitability，LS），土地面積4.412 5×104 km2，占湖北省面積的24.4%，是湖北省人居環境適宜與否的過渡地區，主要分布在一般適宜地區與不適宜地區的中間地帶，包括宜昌、荊州、潛江、天門、孝感大部分地區以及武漢、仙桃、恩施的部分地區。④臨界適宜地區（Critical Suitability，CS），土地面積4.075 3×104 km2，占湖北省面積的22.2%，主要分布在鄂西地區、湖北省東南部，包括神農架、恩施、宜昌、荊州、仙桃、武漢部分地區以及鄂州、黃岡、黃石大部分地區。⑤不適宜地區（Non-Suitability，NS），土地面積4.219 9×104 km2，面積接近湖北省總面積的22.9%，主要受地形、地被、氣候等限制，人口分布少，集中分布在幕府山脈湖北段、恩施大部分地區、神農架部分地區。

2.4 人居環境不適宜區的限制性分析

基于人居環境指數的湖北省人居環境自然適宜性綜合評價表明，湖北省人居環境不適宜地區，土地面積4.219 9×104 km2，占湖北省面積的22.9%；為準確把握湖北省人居環境不適宜地區的地域分異與區域特征，進一步研究了不適宜地區的主要限制因子及其組合類型的空間規律性。

根據湖北省人居環境不適宜地區的限制特征和地形起伏度、地被指數、氣候適宜度和水文指數等相關指標的不宜性標準，確立限制因子組合類型，并據此將湖北省人居環境不適宜地區分為4大類型區。第1類為多因子限制區，人居環境同時受到地形、氣候、水文和地被等3～4種因子限制，面積5 617.064 612 km2，約占不適宜區總面積的1/7，占湖北省面積的3.12%；第2類為雙因子限制區，人居環境同時受到地形、氣候、水文和地被等兩種因子限制，面積13 642.441 41 km2，約占到不適宜區的1/3，占湖北省面積7.58%；第3類為單因子限制區，分別受到地形、氣候、水文和地被等單一因子限制，面積4 236.779 06 km2，接近不適宜區的1/10，占湖北省面積2.35%；第4類為綜合限制區，這類地區單一因子雖未構成人居環境的不宜性，但綜合條件極差，不適合人類生活和居住，面積844.344 81 km2，不到不適宜區的1/50，占湖北省面積的0.46%。

湖北省人居環境不適宜地區、限制因子組合類型及其空間分布如圖3所示。湖北省人居環境不適宜地區的限制因子組合類型的統計如表2所示。由表2可知，湖北省人居環境不適宜區受雙因子限制的面積最大，占不適宜區32.48%，多因子限制和單因子限制面積各占不適宜區13.37%和10.08%；綜合限制型面積最小，只占不適宜區2.01%。

2.5 人居環境高度適宜地區的適宜性分析

基于人居環境指數的湖北省人居環境自然適宜性綜合評價表明，湖北省人居環境高度適宜地區，土地面積3.017 5×104 km2，占湖北省土地面積的16.1%。為準確把握湖北省人居環境高度適宜地區的地域分異與區域特征，本研究根據湖北省人居環境高度適宜地區的地形起伏度、地被指數、氣候適宜度和水文指數等單項指標的高度適宜性標準，確立適宜因子組合類型，并據此將湖北省人居環境高度適宜地區分為3大類型。湖北省人居環境高度適宜地區的適宜因子組合類型的面積統計及其空間分布如表3和圖4所示。第1類為多因子高度適宜區，是地形、氣候、水文和地被等4項指標有3到4項為高度適宜的區域，面積756.231 1 km2，占高度適宜區的2.52%，占湖北省的0.42%；第2類為雙因子高度適宜區，是地形、氣候、水文和地被等4項指標有兩項為高度適宜的區域，面積19 112.652 1 km2，占高度適宜區的63.33%，占湖北省的10.61%；第3類為單因子高度適宜區，是地形、氣候、水文和地被等單因子為高度適宜的區域，面積只有7 497.109 6 km2，占高度適宜區的24.98%，占湖北省的4.16%。湖北省人居環境高度適宜地區的適宜因子組合類型的統計結果表明，湖北省人居環境高度適宜區受雙因子適宜的面積最大，占高度適宜區的63.33%，多因子適宜區和單因子適宜區面積各占高度適宜區2.52%和24.98%。

2.6 人居環境臨界適宜地區的適宜性與限制性分析

基于人居環境指數的湖北省人居環境自然適宜性綜合評價表明，湖北省的人居環境臨界適宜地區，土地面積4.075 3×104 km2，占湖北省面積的22.2%，是湖北省人居環境適宜與否的過渡地帶。本研究根據湖北省人居環境評價的地形起伏度、地被指數、氣候適宜度和水文指數等單項指標的高度適宜區為標準，確立限制因子與適宜因子類型，并據此將湖北省的人居環境臨界適宜地區續分為3種類型。第1類為限制性臨界區，是指受到地形、氣候、水文和地被等1～2種限制性因子制約的人居環境臨界適宜區，土地面積2 114.342 2 km2，約占臨界適宜區的5.18%。第2類為適宜性臨界區，是指受到地形、氣候、水文和地被等臨界適宜性因子影響形成的人居環境臨界適宜區，土地面積3 356.778 6 km2，占臨界適宜區總面積的8.23%；第3類為一般性臨界區，地形、氣候、水文和地被等單一指標均未對人類長期生活和居住構成限制，但綜合條件較差，土地面積1 321.725 4 km2，占臨界適宜地區的3.24%。湖北省人居環境臨界適宜區的不同組合類型及其空間分布如圖5所示。

3 小結與討論

基于GIS技術，以30 m×30 m柵格為基本評價單元，在地形起伏度、地被指數、氣候適宜度和水文指數評價基礎上，構建了基于人居環境指數的綜合評價模型，系統評估了湖北省人居環境的自然適宜性與適宜性、不適宜性、臨界適宜性進行分析，結果表明，湖北省人居環境指數呈現出由北向南遞減趨勢。最低值分布在神農架林區，最高值分布在襄陽與十堰的部分地區。其中西南部五峰土家族自治縣周圍出現高值區。湖北省人居環境適宜地區面積為11.007 7×104 km2。其中，高度適宜地區、比較適宜地區面積為3.017 5×104 km2，比較適宜區面積為3.577 7×104 km2，一般適宜區面積為4.412 5×104 km2。湖北省的人居環境臨界適宜地區面積為4.075 3×104 km2，占湖北省面積的22.2%；是湖北省人居環境適宜與否的過渡地帶。其中，以高度適宜區單因子為標準，適宜性臨界區和限制性臨界區面積各占2 114.342 2 km2和2 114.342 2 km2。湖北省人居環境不適宜地區，土地面積為4.219 9×104 km2，占湖北省面積的22.9%，從不適宜區限制性分析得到湖北省人居環境不適宜區受雙因子限制的面積最大，占不適宜區32.48%，多因子限制和單因子限制面積各占不適宜區13.37%和10.08%；綜合限制型面積最小，只占不適宜區2.01%。

從湖北省各地的實際調查分析，基于人居環境指數的湖北省人居環境自然適宜性綜合評價模型，較好地反映了湖北省不同地區人居環境自然條件的適宜性和限制性特征，能夠定量揭示湖北省不同地區人居環境自然條件的空間規律性。在研究選取評價指標時，雖然充分考慮了地形、氣候、水文、植被等自然條件對人居環境自然適宜性的影響，但人居環境自然條件是一個龐大而復雜的巨系統，在指標選取時難免有欠周詳。具體而言，在單因素評價指標選取時，未考慮土壤條件、地質條件以及自然災害風險對人居環境和人口分布的影響。在地形、氣候和水文適宜性評價中，沒有考慮坡度坡向、極端氣候和降水的年內、年際變化等因素的影響。今后應對該指標體系作進一步的改進和完善，實現對湖北省人居環境自然適宜性更科學、更客觀的評價。

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LI Jie

（Hubei University of Arts and Science ， Laboratory of Geographic Information Science ， Xiangyang 441053， Hubei， China）

Abstract： the natural suitability of human settlement not only affects people's health and quality of life， but also affects the levels of progress and development in human society. This paper studied the area of Hubei province using GIS technology， based on physical geography and the natural suitability of human settlement. We use the 30 mx30 m grid as the basic unit， and select four of the most important factors of human settlement conditions： topography， climate， hydrology and ground cover， and make them quantitative assessment in all regions of Hubei province's natural suitability. It were showed that the index of residential environment in Hubei province showed a decreasing trend from North to South. The autonomous county of Wufeng in the southwestern Hubei appears highly. The most suitable areas of human settlement in Hubei Province are totally 1.100 77×105 km2. In Hubei Province， the two-factor suitable for settlement is the largest， representing highly suitable area in 63.33%， multi-factor suitable districts and single factor suitable are 2.52% and 24.98%. The appropriate areas for human settlements in Hubei Province are 4.075 30×104 km2. It is about 22.20% for all Hubei Province. Among them， using elevation as the standard suitability of settlement， the suitability areas are 2 114.342 2 km2， and the restricted areas are 2 114.342 2 km2. The unsuitable areas in Hubei Province are 4.219 90×104 km2， accounted for 19.40% for all Hubei Province. From the district restrictive analysis， the double factors unsuitable areas are the largest， accounted for32.48%. The multi-factor restricted areas and the single factor restricted areas are accounted for 13.37% and 10.08%. The areas which are not suitable for settlement from four factors is the smallest， only accounted for 2.01% in all unsuitable Districts.

Key words： human settlements； natural suitability； GIS technology； Hubei Province