基于移动窗口法的人居环境自然适宜性评价基于移动窗口法和栅格数据的重庆市人居环境自然适宜性评价

基于移动窗口法的人居环境自然适宜性评价基于移动窗口法和栅格数据的重庆市人居环境自然适宜性评价

人类生活环境是人类生存的主要场所，对人类的自然改造和利用具有重要意义。1958年希腊学者道萨迪亚斯创建了人类聚居科学,对人类生活环境等问题进行了大量基础性研究,1995年清华大学正式成立了“人居环境研究中心”,并进行了一系列研究,吴良镛先生参照道氏学说,把人居环境划分为自然、人类、社会、居住和支撑5大系统[3~5],其中,“人类系统”与“自然系统”为两大基本系统。多数学者主要专注于城市人居环境研究,如熊鹰等对城市人居环境与经济协调发展的研究,李王鸣等以杭州城市为例,进行了城市人居环境评价研究,徐瑞祥等主持指导了南京市区人居环境质量评价研究,以及其他学者从事的不同城市人居环境的研究[9~11]。还有部分学者从事流域人居环境研究,如虞春隆等对小流域人居环境进行了相关研究。人居环境适宜性不仅直接影响人类身心健康,而且间接影响人类社会的发展。人居环境适宜性评价贯穿于整个人居环境研究和规划过程中,目前,李月臣等利用GIS技术对三峡库区重庆段人居环境进行了相关研究和评价,汪洋对山地人居环境整体适宜性进行了相关研究,沈兵明等利用GIS空间分析和叠加分析技术对浙江省仙居县人居环境自然要素进行了综合评价研究,闵婕等利用各自然因子与人口密度相关性对万州区人居环境自然适宜性进行评价。影响人居环境的因素众多,最为根本的是地形、气候、土地利用与土地覆被状况、水文,不同研究区域,影响人居环境的评价指标及权重也各有差异。对于山区而言,地域空间环境是人类生活生产的空间载体、创造物质及精神财富的核心区域,也是体现人居环境主体地位的重要标志,因此地域空间环境是山区人居环境的核心成分。人居环境的研究方法,除了借鉴地理学、统计学和生态学等外,还引入了模糊评判、层次分析和遗传算法等数学方法。随着GIS领域的不断扩大,利用GIS与RS等技术手段,与重庆实地情况相结合,扬长避短,将单项影响因子评价与基于其相关性建立综合评价模型相结合,以250m×250m栅格为基本单元,基于重庆市人居环境指数模型,利用GIS空间可视化,图文并茂,对重庆这样的具有特殊地貌的区域进行评价研究,具有重大意义。与已有研究相比,运用移动窗口法可将人居环境指数生成在GIS下的空间可视化数据,实现区域尺度上对人居环境各指标的量化,能够将人居环境与人口、社会经济过程等更好的连接起来。本文的目的就是以GIS为主要技术平台,利用ArcGIS软件,采用移动窗口法,基于栅格尺度,考虑地形、气候、水文、土被4个自然影响因子,运用人居环境指数模型,对重庆市人居环境自然适宜性进行相关研究和评价。1数据来源与研究方法1.1重庆市城市经济区概况重庆是我国第4个直辖市,是典型的山地区域,位于东经105°17′~110°11′、北纬28°10′~32°13′之间的青藏高原与长江中下游平原的过渡地带。辖区东西长470km,南北宽450km。东临湖北、湖南,南接贵州,西靠四川,北连陕西。下辖38个区县(其中19个区19个县(县、自治县)),全市面积8.24万km2,常住总人口2945万,其中城镇人口1678.11万,城镇化率57%。2006年11月,重庆市提出了“一圈两翼”发展战略,即以主城大都市区(包括巴南区、北碚区、大渡口区、江北区、九龙坡区、南岸区、沙坪坝区、渝北区和渝中区)为核心,以大约1h通勤距离为半径的城市经济区(“一圈”),包括璧山县、长寿区、大足区、涪陵区、合川区、江津区、南川区、綦江区、荣昌县、铜梁县、潼南县和永川区;建设以万州为中心的三峡库区城镇群(渝东北翼),包括城口县、垫江县、丰都县、奉节县、开县、梁平县、万州区、巫山县、巫溪县、云阳县和忠县;以黔江为中心的渝东南城镇群(渝东南翼),包括彭水县、黔江区、石柱县、武隆县、秀山县和酉阳县(图1)。1.2基础数据及获取移动窗口法是用一定大小的窗口在研究区域中分析,并形成新的可在GIS下运算的图形数据。移动窗口法可将人居环境指数生成在GIS下的空间可视化数据,实现区域尺度上对人居环境各指标的量化,能够将人居环境与人口、社会经济过程等更好的连接起来。在研究中,参考贺丹关于不同分辨率DEM提取地形因子的适宜性分析窗口研究,结合重庆实际地形及人居环境子指标的数据精度,选择矩形窗口大小为3×3。基础数据包括重庆市1∶5万数字高程模型(DEM)、重庆市1∶10万土地利用现状图、重庆市区县行政界限数字线划图、重庆市2000~2010年月平均温度数据、重庆市2000~2010年月平均降水数据、2002~2011年逐旬植被数据(归一化植被指数NDVI)以及2010年重庆市各区县人口数据。其中DEM数据和土地利用现状图来源于重庆市高校GIS应用研究重点实验室,重庆市区县行政界限数字线划图来源于重庆市规划局、重庆地理信息中心,温度和降水数据由重庆市气象局提供的34个气象站点近11a(2000~2010年)数据收集获得,NDVI数据由中国地球系统科学数据共享网提供的MODIS数据计算得到的,人口数据来源于重庆市人口计生委及统计年鉴。上述基础数据分别经栅格化,投影变换(Albers锥形等面积投影)等处理,所有栅格数据的尺寸单位与NDVI数据单位一致(250m×250m),空间计算采用的窗口大小均使用缺省值(3×3)。以此为基础,从地形适宜度、地被适宜度、水文适宜度和气候适宜度4个方面定量测评重庆市人居环境的自然适宜性指数,并建立评价流程图(图2)。1.3地形适宜度计算步骤。根据以下公式计算地形适宜度指数是表达一定空间范围内地形的绝对高度和内部构造复杂程度的一个综合性指标。一般而言,目标区域地形适宜度越高,该区域人工及社会系统越发育,地形适宜度对气候及水系类型等也有控制作用。根据本文的研究目的和内容,通过借鉴汪洋提取地形适宜度的方法,考虑重庆的特殊地形,采用平均高程和地形复杂度及其综合计算结果来表达地形适宜度。(1)按照公式(1)和公式(2)分别计算平均高程和平均地形复杂度:式中:A为空间单元的平均高程;Ej为该空间单元第j个网格单元的高程值;n为该空间单元总的网格单元数。平均地形复杂度通过计算DEM中每个高程单元与平均高程的离散程度累计值来表达:式中:ATC为空间单元的平均地形复杂度;Ej为该空间单元第j个网格单元的高程值;E-为该空间单元的平均高程值;n为该空间单元总的网格数。(2)为了定义地形适宜性数值越大代表用地条件越好,采用公式(3)对平均高程值和平均地形复杂度进行标准化:(3)根据加权公式(4)在标准化的平均高程值和标准化的平均地形复杂度的基础上,计算地形适宜度:式中:UT表示该空间单元的地形适宜度;NA表示标准化的平均高程值;NATC表示标准化的平均地形复杂度;WA表示平均高程值所占权重;WATC表示平均地形复杂度所占权重,权重计算借鉴汪洋的算法计算得到。利用ArcGIS空间可视化,建立研究区地形适宜度空间模型(图3)。1.3.2气象站点湿度空间分布模型气候适宜度是表达一定空间范围内,气候条件相对于人类居住环境适宜程度的一个综合性指标,用反映人居环境气候适宜性的温湿指数来表达,其物理意义为湿度订正以后的温度,包括两大指标:多年平均温度和空气相对湿度。目标区域的气候适宜度指数越高,越有利于社会及人工系统的发育。根据公式(5)计算气候适宜度:式中:UC为研究区域的气候适宜度;t为该区域的月平均温度(℃);f是该区域的相对空气湿度(%)。针对重庆山地相对湿度分布情况,选用重庆34个气象站点2000~2010年共11a的数据,通过借鉴何静等提取相对湿度的方法公式(6)所示,建立年平均相对湿度空间分布模型:式中:RH为年平均相对湿度;Lon为经度;Lat为纬度;H为海拔高度。利用GIS技术,通过克里金插值,以公式(5)的计算结果为基础,采用公式(7)所示方法对计算结果进行标准化处理,利用ArcGIS空间可视化技术,建立研究区气候适宜性空间模型(图4)。1.3.3水文指数模型水文适宜度是表达一定空间范围内,水文条件相对于人类居住环境适宜程度的一个综合性指标,采用降水量和水域面积的比重来表示(1)。水文适宜度对目标区域的土壤类型和植被分布具有控制作用。通过参考封志明等水文指数计算方法,结合重庆市水文条件状况,根据公式(8)所示,构建本文的水文指数模型:式中:UH表示水文指数;P表示标准化降水;Wa表示标准化水域面积;α、β分别为P和Wa的权重,参照郝慧梅等的研究结果,确定α、β的值分别为0.8和0.2。利用公式(7)进行标准化,并采用克里金插值,以式(8)计算结果为基础,运用ArcGIS空间可视化技术,建立研究区水文适宜性空间模型(图5)。1.3.4基于ndvi的土被适宜度模型土被适宜度是表达一定空间范围内土地生产能力的一个综合性指标,本研究采用土地利用类型和归一化植被指数的综合计算结果来表达。土被适宜度对目标区域生态系统空间分异、植被类型及小气候的形成等有控制作用。参照郝慧梅等的研究,结合本文目的,根据公式(9),构建土被适宜度模型:式中:US-V表示土被适宜度;NDVI表示归一化植被指数;LTi表示各土地利用类型权重。参照《中华人民共和国环境保护行业标准:生态环境状况评价技术规范》植被覆盖度指数和生物丰度中各类土地的权重,结合重庆植被特征和土地类型,并征求专家意见,综合后得到重庆市各土地利用类型的权重。考虑NDVI的稳定性,对2000~2010年旬NDVI栅格数据逐年求取最大值,以2011年的最大值的均值作为栅格的NDVI值,该过程利用ArcGIS空间统计分析模块实现。以公式(9)的计算结果为基础,采用公式(7)所示方法进行标准化,运用ArcGIS空间可视化技术,建立研究区土被适宜性空间模型(图6)。1.3.5自然适宜度指标权重自然环境适宜度是以地形适宜度、气候适宜度、水文适宜度和土被适宜度定量化计算结果为参数,经数据综合集成后形成一个定量化指数,其值越高代表条件越好,反之越差。结合重庆实际情况,借鉴封志明等研究,根据公式(10)建立重庆市人居环境自然适宜性评价模型(HEI)。式中:HEI为人居环境自然适宜度即人居环境指数;UT、UC、UH、US-V分别为地形适宜度、气候适宜度、水文适宜度、土被适宜度,4项子适宜度均经过标准化计算;α、β、χ、δ分别为4项子适宜度对应的权重,重庆为山地城市,地处西南区,其权重值借鉴封志明等已有研究结果中,西南区所对应的权重值,相应指标权重具体取值为α=0.30、β=0.31、χ=0.14、δ=0.25。根据公式(10)所示方法,利用ArcGIS空间分析工具计算重庆市人居环境自然适宜度,通过GIS空间可视化表达,形成自然环境适宜度征兆图(图7)。自然适宜度是对目标空间所有自然环境要素的综合特征对于人居环境社会要素和人工要素发育有利程度的定量标度,其数值越高则表示该区域越有利于社会要素和人工要素的发育。在自然环境适宜度指数计算结果的基础上,采用NaturalBreaks(Jenks)方法,将样本的序列值分为5个等级,用数字5至1来表示自然适宜度的相对高低,等级越高适宜度越高,等级越低适宜度越低。2重庆市人居环境自然适宜度的基本情况基于重庆市数字高程模型(DEM)数据,2000~2010年月平均气温数据、月平均降水数据,2010年土地利用数据,2002~2011年NDVI旬数据,2010年各区县人口数据以及人居环境自然适宜性评价模型,以GIS为主要技术平台计算了重庆市人居环境自然适宜度。并采用NaturalBreaks(Jenks)方法,将样本的序列值分为5个等级:5级区即高度适宜区(0.821~0.681),4级区即中度适宜区(0.681~0.597),3级区即低度适宜区(0.597~0.517),2级区即临界适宜区(0.517~0.428),1级区即不适宜区(0.428~0.255)(表1)。重庆市人居环境适宜度介于0.255~0.821,整体适宜性较高,不适宜区域只针对本研究区而言。重庆市人居环境自然适宜度整体分布趋势为:西部高于东部,北部高于南部;大都市区及一小时经济圈普遍适宜性较高,渝东北翼和渝东南翼适宜性较低(图7)。根据重庆市人口密度随人居环境自然适宜度的变化趋势(图8),总体上,重庆市人口密度随人居环境适宜度的升高而呈逐渐增大的趋势。自然适宜度介于0.255~0.579时,人口密度趋于零,人口稀少;自然适宜度介于0.579~0.642时,人口密度曲线开始呈小幅波动上升趋势;自然适宜度介于0.642~0.650时,人口密度曲线出现峰值,峰值为人口密度最大区域;自然适宜度达到0.650之后,人口密度曲线呈浮动变化趋势。5级区:人居环境自然适宜度介于0.821~0.681,是重庆市人居环境自然适宜性最高的区域,面积为1.74万km2,占重庆市总面积的21.14%;相应人口1236.65万,占重庆市总人口的42.87%,主要分布在渝西大都市区的沙坪坝区、北碚区、渝北区、江北区、南岸区、大渡口区、巴南区和九龙坡区,渝西一小时经济圈的合川区、铜梁县、璧山县、江津区、綦江区和长寿区。这些地区地形起伏度较小,气候适宜度较高,水文条件较好,地被指数高。4级区:人居环境自然适宜度介于0.681~0.597,是重庆市人居环境中度适宜区域,面积为1.47万km2,占总面积的17.84%;相应人口710.18万,占重庆市总人口的24.62%。主要分布在大都市区的渝中区,渝西一小时经济圈的潼南县、大足区、永川区和涪陵区,渝东北翼的垫江县、忠县和万州区。这些区域受自然因素影响限制较小,比较适合人类生活和居住。3级区:人居环境自然适宜度介于0.597~0.517,是重庆市人居环境低度适宜区域,面积为1.86万km2,占总面积的22.52%;相应人口510.71万,占重庆市总人口的17.70%,存在一定的自然影响因素,一般适合人类生活和居住,主要分布在河谷,地势较高的川东平行岭谷、低山和丘陵,包括渝西一小时经济圈的荣昌县、南川区,渝东南翼的秀山县,渝东北翼的丰都县、梁平县、开县和云阳县。这些区域状况各有差异,川东平行岭谷和低山地被气候、水文及土被适宜度较高,地形适宜度较低;丘陵及部分区县地形、气候适宜度较高,水文、地被适宜度较低。2级区:人居环境自然适宜度介于0.517~0.428,是重庆市人居环境临界适宜区域,面积为2.85万km2,占总面积的34.53%;相应人口407.78万,占重庆市总人口的14.14%,主要分布在海拔较高、地形险要的山坡上,包括渝东南翼的酉阳县、黔江区、彭水县、武隆县和石柱县,渝东北翼的奉节县、巫山县和巫溪县。这些区域地形、气候适宜度较低,背风坡降雨量和地被适宜度也较低,勉强适合人类生活和居住。1级区:人居环境自然适宜度介于0.428~0.255,是重庆市人居环境不适宜区域,面积为0.33万km2;占总面积的3.96%;相应人口19.30万,占重庆市总人口的0.67%,主要分布在渝东北翼的城口县。海拔高,地形、气候、地被适宜度低,不适合人类生活和居住。综上所述,重庆市人居环境以临界适宜区分布面积最广,占重庆市总面积的34.53%;低度适宜区次之,占22.52%;高度适宜区仅次于低度适宜区居第三,占21.14%;中度适宜区占17.84%;不适宜区面积最小,仅占3.96%。人口以递减的趋势分别分布于5级、4级、3级、2级、1级区域,人口布局较合理。由于各区县内的地形、气候、水文和植被有较大差异,该统计适合宏观参考,与个别地方实际情况不匹配属正常现象,重庆市“一圈