基于GIS與RS的南陽市人居環境綜合評價

申真

摘要：人居環境的自然適宜性能夠反映區域自然條件對人類聚居的影響，其研究成果已廣泛服務于全國及省級尺度區域規劃等領域，但在地區及市級尺度上的應用較少。以南陽市作為研究區，選取了反映區域自然條件的地形、生態、氣候、水文四個因子，利用GIS及RS技術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市人居環境自然適宜性特征及其空間差異，并針對南陽市區域尺度的人居環境進行了綜合評價，結果表明：該地區人居環境自然條件以適宜性為主，整體上自然條件對人居環境的限制較少，一般適宜與高度適宜地域面積占區域總面積的68.08%;臨界適宜與比較適宜地域面積占區域總面積的27.23%;不適宜區域面積最小，占區域總面積的4.69%。從單要素對區域人居環境的影響來看，南陽市典型的季風性大陸濕潤半濕潤氣候特征對區域人居環境無明顯限制性影響，地形條件及水文條件兩個要素對本區域的人居環境影響較大。從多要素綜合影響的分析結果來看，該地區人居環境自然適宜性的空間分布呈現出從四周向中間逐漸升高的趨勢，西北部大別山區人居環境自然適宜性較低，中部盆地區域人居環境自然適宜性較高。

關鍵詞：GIS;RS，人居環境;南陽市

中圖分類號：TU984 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）18-0249-04

1引言

20世紀以來，不斷加快的城市化及工業化進程給人類帶來了前所未有的物質文明及優越的生活空間，但與此同時也帶來了氣候變化、生態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背景下，人類對自然資源的日益增長的需求，導致人類聚居環境的不斷惡化。在此背景下，人居環境這一概念自從薩迪亞斯（C.A.Doxiadis）提出以來成為了全球學者研究的熱點問題。我國吳良鏞院士認為人居環境是以人類聚居現象為研究對象，是人類利用自然和改造自然的主要場所，在5大系統（自然系統、社會系統、人類系統、居住系統、支撐網絡系統）基礎之上演變而來，強調人類聚居作為一個整體，并從自然，人文、社會、經濟等各個方面進行研究。

當前人居環境研究多集中在全國或省級尺度上，為城市區域規劃及戰略布局提供了科學依據。但在地區及市級尺度上的研究相對較少。南陽市作為河南省面積最大、人口最多的城市，三面環山，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展的重要驅動因素。加之南陽作為南水北調中線工程水源區，其人居環境對保障用水安全、生態安全具有重要的現實意義。本文在借鑒相關研究成果的基礎上，選取地形、植被、氣候水文等5個評價因子，構建南陽市人居環境指數，定量揭示南陽地區人居環境的自然適宜性以及空間格局和特征，以期為區域內人口與資源環境的協調發展提供科學依據。

2研究區概況

南陽市位于河南省西南部，下轄13縣區，所轄面積為2.65萬km²，是南水北調中線工程重要水源地。該地區三面環山，區域內山地、丘陵、平原地形均有分布，形成較為典型的盆地地形。該地區屬季風性大陸濕潤半濕潤氣候，年均氣溫15.1℃，年降水量為904 mm。區域內水資源豐富，河流眾多，水域面積達270萬畝，水資源總量達85.2億m²，居河南省第一位。得益于南陽市豐富的水資源分布，轄區內淅川縣是南水北調中線工程核心水源地和渠首所在地。截至2018年，南陽市戶籍人口為1194萬人，是河南省人口數量最多的地級市，人口增長速率為5‰（圖1）。

3數據與方法

3.1數據來源

本研究數據主要包括：（1）DEM數據，空間分辨率為30 m，數據來源于地理空間數據云;（2）2000～2015年250 m空間分辨率的MODIS NDVI數據;（3）氣象數據來源于中國氣象科學數據共享網，包含研究區及其周邊45個氣象站點的月總降雨量、月平均溫度，相對濕度等，時間跨度為2000～2018年，利用GIS空間內插方法對氣象數據進行插值處理;（4）1：10萬TM影像解譯的2015年土地利用數據，數據來源于地理國情監測云平臺，該數據將土地利用類型劃分為林地、耕地、建設用地、草地、水域、城鄉工礦居民用地與未利用地6大類以及25個二級分類。所有數據利用研究區矢量邊界對其進行裁剪，均統一轉換為WGS84地理坐標并重采樣至500 m柵格大小參與空間計算，在評價地形起伏度、地被指數、氣候適宜度與水文指數等單因素的基礎上，構建基于GIS的南陽人居環境指數模型，定量評價區域人居環境自然適宜性。

3.2方法

人居環境是人類活動和自然條件的互作用下形成的復雜系統。本文借鑒當前較為成熟的人居環境自然適宜性評估方法，結合遙感數據，選取地形、生態、氣候、水資源等四種自然要素，建立人居環境自然適宜性定量評價模型，開展南陽市人居環境評價。

（1）地形要素，地形起伏程度能夠反映區域地形起伏程度，是影響人類活動空間分布的重要因素。本文在借鑒前人研究成果的基礎上，結合DEM數據，建立地形起伏指數（Terrain index，TI）用以定量評價地形要素對人居環境影響，其計算方式如下：

TI=（Emax-Emin）·（1-AP/A）/500（1）

式（1）中：TI為地形起伏度，Emx和Emin分別為研究區范圍內的最大高程和最小高程。上述3個參數均可采用鄰域分析工具結合DEM數據生成。Ar為研究區總面積，為研究區范圍內平地面積。根據研究區地形特點，本文將坡度小于5。的區域定義為平地，人居環境適宜性高。

（2）生態要素，人居環境生態要素主要采用NDVI結合土地利用類型，建立地表覆蓋指數（Ground cover index，GCI）進行定量化描述，采用公式（2）進行計算。

GCI=NDVI·LCTi（2）

式（2）中：GCI為生態要素指數，NDVI為歸一化植被指數，采用2018年南陽市行政區劃范圍內的月合成MODIS地表反射率數據，結合公式（2）進行計算，逐像元求取NDVI最大值進行合成。LCTi為區域土地利用類型權重值，權重結合專家意見進行確定，如表l所示。

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

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

式（3）中：GSI為氣候適宜性指數，Temp為年均地表溫度，采用MODllA2產品計算獲得，為年均相對濕度，采用研究區及周邊45個氣象站年均相對濕度數據結合克里金空間插值方法獲得。

（4）水文要素，為了反映區域水資源情況，結合實際數據獲取情況，本文采用公式（4）融合了區域降水和地表水體面積比重兩個因子，形成水文指數（Water re-sources index，WRI）綜合定量化評價區域水資源豐沛程度。

WRI=a·Pr+β·Aw （4）

（5）綜合評價方法，為了開展綜合多要素的人居環境定量評價，采用公式（4），對已建立的各要素指數進行標準化處理，在專家打分權重的約束下，建立人居環境綜合評價指數（Human settlements Environment As-sessment Index，HEAD，采用公式（5）進行人居環境綜合定量化評價。

nx=（x-xmin）/（xmax-xmin） （5）

式（5）中，nx為標準化后各要素指數值，x為各要素指數，xmax和xmin為該要素指數最大值與最小值。

HEAl=a·NTI+β·NGCI+y·NCSI+θ·NWRI（6）

式（6）中，HEAI為人居環境綜合評價指數，NTI、NGCI、NCSI、NWRl分別為標準化后的地形起伏度指數、生態要素指數、氣候適宜性指數、水文指數，a、θ、γ和θ分別為上述指數對應的專家打分權重。

4結果分析

4.1單要素分析

4.1.1地形評價

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

4.1.2生態評價

通過對南陽市區域尺度生態要素的定量化計算，結果表明（圖3），本區域生態要素指數值域區間為57～99之間，均值為78，最高值為99。其中，67%以上區域的地被指數達到75以上，說明生態環境相對較好。從空間分布上看，本區域周邊山區生態要素指數相對較高，由于本區域在亞熱帶季風氣候條件影響下。山區植被種類豐富，受人為影響較小，因此生態要素指數相對較高。而中部地勢平坦區域在合理的農業管理措施保護下，其生態要素指數處于中等水平。而該區域城鎮周邊的生態要素指數相對較低，其原因在于城市化背景下不透水面的快速擴張導致。

4.1.3氣候評價

南陽氣候條件優越，整體上處于亞熱帶向暖溫帶的過渡。該區域日照充沛、降水豐富，且具有明顯的雨熱同期特點?；谠搮^域及周邊45個氣象站點的氣溫、降水數據，結合氣候適宜性指數，本研究定量化評價了南陽市區域尺度氣候適宜性（圖4）。結果表明，南陽市整體上人居環境氣候適宜性較高。其中，高度適宜區域面積占區域總面積的38%，一般適宜區域面積占總面積的34%，而比較適宜區域占總面積的28%。各類氣候適宜性分區與人口空間分布情況基本一致。因此，從人居環境適宜性整體評價的角度來看，氣候適宜性并不構成該區域的人居環境適宜性限制因素。

4.1.4水資源評價

南陽市地表水資源為61.69億m。，具有顯著的時空差異性。在太平洋副熱帶高壓影響下，區域年均降水量在650～950 mm之間，55%～70%的降水主要集中在6～9月份。受地形及降水強度影響，山區地表水資源較平原區更為豐沛。如圖5所示，區域地表水資源整體上較為豐富，但存在較為顯著的區域空間分布差異，桐大山區、白河山區為明顯高值區，唐河、白河下游區域為相對低值區。從人居環境適宜性評價角度來看，南陽市區域地表水資源豐沛，其空間差異對人居環境適宜性未表現出顯著限制性影響。

4.2多要素綜合分析

在影響人居環境條件的多種要素評價基礎上，為充分刻畫南陽地區人居環境適宜性的內部差異，在ArcGIS軟件中利用柵格計算器結合公式（6）對本地區人居環境指數HEAI進行計算，并采用自然段點法對結果進行分類，劃分為高度適宜、比較適宜、一般適宜、臨界適宜、不適宜共5個人居環境適宜程度類別，最終完成南陽地區人居環境適宜性評價結果。圖6反映了多種影響人居環境因素綜合作用下的人居環境適宜性分級情況。從圖中可以看出，南陽市人口顯著集中在高度適宜及一般適宜區域，主要分布在海拔及坡度較低的盆地中央區域，空間分布范圍較大;比較適宜、臨界適宜及不適宜區域主要集中在大別山區及桐柏山區，空間分布范圍較小。結合表2可以看出，整個南陽地區人居環境條件以一般適宜與高度適宜為主，占區域總面積的68.08%;比較適宜與臨界適宜次之，占區域總面積的27.23%;不適宜區域面積最小，占區域總面積的4.69%。從不同人居環境類別的空間分布來看，不適宜及臨界適宜區域主要分布在西峽縣、內鄉縣、鎮平縣、淅川縣，區域內分布有大別山區及桐柏山區，人居環境適宜性主要受制于地形因素;比較適宜區域主要分布在鄧州市、唐河縣、桐柏縣境內，人居環境適宜性受水文及地被因素制約;一般適宜與高度適宜區域主要分布在臥龍區、宛城區、方城縣、南召縣，受各人居環境各因子的影響較小，人居環境適宜性較高，此區域也是南陽地區人口較為密集的地區。

5結語

為探求自然條件對地區級尺度人居環境適宜性的影響，本文以地理學為出發點，借鑒前人研究思路，以地形、生態、氣候、水文四類自然要素作為人居環境自然適宜性評價的關鍵因素，建立了一套適用于地區尺度的人居環境自然適宜性定量化評價框架，對南陽市人居環境自然適宜性進行了定量評估，并分析了適宜性評價結果的空間格局。主要結論如下：（1）南陽市人居環境自然適宜性評價研究結果表明，本地區人居環境自然條件以適宜性為主，整體上自然條件對人居環境的限制較少，一般適宜與高度適宜地域面積占區域總面積的68.08%;臨界適宜與比較適宜地域面積占區域總面積的27.23%;不適宜區域面積最小，占區域總面積的4.69%。（2）各單要素對人居環境影響的分析結果表明，南陽市典型的季風性大陸濕潤半濕潤氣候特征對區域人居環境無明顯限制性影響，地形條件及水文條件兩個要素對本區域的人居環境影響較大。（3）從多要素綜合影響的分析結果來看，本地區人居環境自然適宜性的空間分布呈現出從四周向中間逐漸升高的趨勢，西北部大別山區人居環境自然適宜性較低，中部盆地區域人居環境自然適宜性較高。