湖南省人居环境适宜性与人口分布关系研究

湖南省人居环境适宜性与人口分布关系研究

人类环境是人类利用自然改造自然的主要场所，长期以来一直受到科学家的关注。20世纪50年代，希腊城市规划家德雷亚斯提出了“人类住区研究”的概念，并在世界各地系统地研究了人类住区的概念。20世纪70年代是道教科学传播和实践的高峰。在此期间，世界各国都建立了人类住区研究中心（hydina），这在人类住区研究中发挥了重要作用。目前，人类环境问题已成为建筑、规划、地理、环境等学科关注的热点问题。外国科学家特别关注人类环境建设的实践和评价，建立了基于ps技术的人类环境数据库和各种规模的人类环境适应性评价指标体系。例如，美国和荷兰制定了社区标准孔子标准和生态quantum标准。在中国，研究体系的建立始于20世纪90年代。主要研究课程包括建筑工地和城市规划。1993年，吴良永院士首次提出“城市环境科学”，以规范城市环境研究框架。人类环境的评价是近年来研究的重点。不同视角的评价指标和方法继续促进了相关研究的发展。研究视角也从城市扩展到了更广泛的领域。例如，宁越敏、李华生、上海和南京的研究方法也延伸到了上海和南京。李世明等。本文以上海和南京为例，比较了城市群落的环境质量。李玉敏等人比较了吴江峡谷的环境质量。吴秀琴等沙区居民的环境质量。周庆华在洛杉矶高原峡谷的乡村区域进行了空间分析。李伯华和曾菊新评估了江汉平原农村居民的环境状况。总体来看,国内外对人居环境适应性评价的研究成果较多,研究尺度不断更新,从最初的城市尺度延伸到社区、小区的微观尺度,又进一步扩展到城市群、典型区域的宏观尺度;研究视角不断拓展,从最初人居环境多元要素的综合评价发展到单一要素的质量评估,如不少学者对人居环境的气象、地形和水环境等单一要素进行了评价;研究方法不断创新,评价指标在借鉴建筑学、生态学和地理学的基础上,更加注重评价方法的创新,从简单的模糊层次法到复杂的神经网络遗传法,再到3S等现代地理技术的应用,研究方法的科学性和研究结果的实用性不断增强.但另一方面,尽管人们在数据搜集、指标体系构建、综合分析等方面付出了很大努力,有不少研究成果并没有找到合适的政策出口,难以和人居环境建设的政策和实践深入结合.实际上,人居环境既是人类活动的空间场所,也是人类活动的空间结果,与区域内发展方式、产业导向和人口分布密切相关.人居环境适宜性分区就是充分考虑地区自然生态与环境基础、资源条件和区位优势,遵循空间接近性、区域相似性和差异性原则,划分人居环境不同等级适宜性的空间,强调高度适宜区承担更多的人口和产业集聚功能,不适宜区则主要承担生态修复或环境保护等功能,缓解人类活动与资源环境的空间矛盾.湖南省近几年社会经济快速发展,但长期以来的粗放式发展模式,带来了人居空间秩序紊乱、生态环境破坏和资源浪费等问题.基于此,文章在系统梳理国内外人居环境适应性评价理论和实践研究基础上,确立了人居环境适宜性分区的研究方法,以1km×1km栅格为基本单元,采用GIS空间分析技术,利用ARCMAP软件空间分析模块分析了湖南省人居环境适宜度、空间规律性及其与人口分布的相关性,为优化湖南省人居环境的空间格局,促进人口合理布局提供科学依据和决策支持.1学习的概念和方法1.1建立基础空间信息数据库本文按照研究的逻辑思路可以分为数据收集、适宜性分区和相关性分析3个步骤(图1).首先,收集用于人居环境适宜性评价的数字地图、统计数据等,建立基础空间信息数据库;其次,在ArcGIS软件的支持下,对各评价要素进行面状要素叠加分析和线状要素缓冲分析,得出人居环境适宜性分级评价,据此计算各行政区单元的适宜性指数,并利用自然聚类分析法,计算各行政单元的分区情况;最后,借助SPSS软件的相关分析方法,计算人居环境适宜性与人口分布的相关性特征.1.2学习方法1.2.1内容的精密度人居环境适宜性评价指标的选取应尽可能的全面、综合的反应空间单元的人居环境状况,并遵循地域性、逻辑性和精简性原则.坚持地域性,目的在于所选指标尽可能的突出地域特征;坚持逻辑性,是为了避免指标之间因相似或相互包含而降低了指标对评价项目的解释能力;精简性原则要求每个指标意义明确,信息量大,易获得、可辨别.指标选择主要从生态环境约束性和人居环境宜居性两个方面进行考虑.生态环境约束性主要从海拔、坡度、坡向、土地利用及土地侵蚀状况等方面进行评价,主要反映区域生态环境对人口集聚的约束性;人居环境宜居性主要从区域交通通达度、水资源利用便利程度、气候条件等方面来评价,反应区位条件对人口集聚的促进作用.根据以上指标体系构建原则和湖南省的地域特点以及参考李益敏等的相关研究成果,从海拔、坡度、坡向、土地利用、土壤侵蚀度、距主要河流距离、距离主要道路距离以及气候温湿指数等8个方面构建了湖南省人居环境适宜性评价指标,并对每一个指标进行分级量化和赋值(如表1).1.2.2确定指标权重指标权重的确定既要需要考虑各要素对人居环境适应性评价的影响程度,也要考虑各要素的性质差异,约束性要素侧重考察生态环境的脆弱性和可替代性,宜居性要素着重关注区位条件中的便利性和导向性.权重确定的方法很多,本文借鉴功能分区评价方法,利用评价中的多要素综合评价方法,结合层次分析法和专家打分法来确定.其基本步骤如下:首先,专家对各要素重要性和权重进行打分,并依据公式(1)计算各专家给出指标权重的均值和标准差;其次,将第一次打分所得的权重均值、标准差等分析结果反馈给各位专家,引导专家再次打分;再次,计算各位专家给出的权重均值、标准差,并与上次打分进行比较,进行一致性判断(均值差值的阀值为0.001).如此循环3次以后,前后打分均值趋于稳定,且差值小于0.001,则打分结束,取样本均值作为本研究的权重结果(见表1).其中,M为某要素因子的均值,δ为某要素因子的标准差,n为打分专家的人数,wi为第i位专家给出的权重.1.2.3交通适用性评价数据来源本研究使用的数据主要包括用于坡度坡向提取的2005年1∶25万湖南省数字地形图(DEM),水资源便利程度评价数据由数字地形图得到;湖南省土地利用类型图和土壤侵蚀数据源于2005年湖南省第三次土壤侵蚀遥感调查成果(1∶10万);交通便利性评价数据来源于国家基础地理信息中心提供的1∶100万数字地理;湖南省2003年人口密度图由国家科学数据共享工程—地球系统科学数据共享网提供的全国1km×1km网格人口数据.气象数据主要包括2005年湖南月平均温度和相对湿度,气象原始数据均来源于国家气象信息中心.在对原始数据进行处理运算前,首先对所有图形数据进行投影变换,投影方式采用ALBERS等积圆锥投影(Clarke_1866_Albers).利用ArcGIS中的空间分析模块对矢量图层进行栅格化处理,对河流、公路进行缓冲区分析(Buffer),坡度、坡向、海拔图层通过DEM提取.运用ArcGIS的空间分析模块中的Reclassify命令对栅格化图层进行重新分类赋值,得到各评价因子图.1.2.4湖南人居环境适应性评价利用ArcGIS中的空间叠置分析叠加各评价指标因子,计算公式为:式中,Pi为人居环境适宜性综合指数,Wi为第i个因子的权重,Ci为第i个因子的标准指标值.叠置分析生成新栅格图层,并通过统计栅格图层象元个数进行分析,得到湖南省人居环境适应性评价图(图2).1.2.5基于arcgis的地区人居环境适宜性与人口分布关系分析借助SPSS15.0软件中的相关分析法,在全省和省域不同等级经济区范围内,将ArcGIS计算出的人居环境适宜性指数与相对应的人口密度值进行相关性分析,即可判断区域人居环境适宜性与人口分布的关系特征.2湖南省适宜生活环境的空间结构和区域划分2.1湖南人居环境适宜分布区域由图2可以看出,湖南省人居环境适宜性指数在4.75~9.33之间,中值为7.04,总体适宜性较好.从空间布局来看,人居环境适宜性高值区主要分布在中部盆地丘陵地区和北部洞庭湖平原区,低值区主要分布在西部、南部、东北部以及中部山区.结合湖南省的自然属性,即可发现湖南省人居环境高值区分布与河流分布有较好的相关性,形成以洞庭湖、湘江和沅江为中心的人居环境适宜区域,这些区域地形平坦,多为河谷沟通,并有河流冲积平地,水资源充沛,交通条件较好,适宜人类居住.2.2全省各县市州适宜性分区分布为揭示湖南省人居环境适宜性分布规律,为政府人居环境建设和区域经济发展提供决策依据,有必要对湖南省人居环境适宜性进行区域划分.对湖南省人居环境分值图进行重新分类,分类方法采用NaturalBreaks(Jenks)法将湖南省人居环境适宜性分值分为高度适宜、基本适宜和不适宜3级,该方法基于数据内部的内在联系自然分组,目的是最大化组间差距并最优化组内相似值,分组点选在数据库变量值出现相对最大变化处.结果显示,高度适宜区分值区间为8.13~9.33;基本适宜区分值为7.24~8.13;不适宜区分值区间为4.75~7.24(图3),全省高度适宜区、一般适宜区和不适宜区面积比例分别为38.2%、43.0%和18.8%.进一步处理重分类后的栅格图像,对湖南省各县市(州)各分数段像元个数进行统计,得到各县市(州)人居环境3个区间面积比重.以全省3个区间面积比值为标准,与全省101个县市(州)各区间面积比值进行对比,进行全省县域人居环境适宜性区划.结果显示,大于高度适宜性标准值的县市(州)有48个,大于一般适宜性标准值的县市(州)有52个,大于不适宜性标准值的县市(州)有38个,这表明共有37个县市(州)存在同时高于两个不同区间的标准值.因此,考虑到县域各区间适宜性的比例大小和实际情况,对这部分县市(州)要进行一些调整和说明:(1)同时大于一般适宜性和不适宜性标准值的县市(州)有27个.其中,一般适宜性比例明显占优势的有花垣、保靖、龙山、永顺、石门、张家界、慈利、洪江、新晃、沅陵、溆浦、靖州、新宁、新邵、双牌、宁远、江永、桂阳、汝城、永兴、衡山、茶陵、新化等23个县市(州),将其划分为一般适宜区;不适宜性比例明显占优的有桂东、绥宁、资兴和炎陵等4县,将其划分为不适宜区;(2)同时大于高度适宜性和一般适宜性标准值的县市(州)有8个.其中,高度适宜性比例明显占优势的有吉首、平江、桃源、邵阳、常宁、株洲、双峰7县市,将其划分为高度适宜区;一般适宜性比例明显占优势的有怀化市,将其划分为一般适宜区;(3)同时大于不适宜性和高度适宜性标准值的县市(州)有2个(道县和东安县).由于其高度适宜性比例远大于不适宜性比例,故将其划分为高度适宜区(图3).从图3可以看出,湖南省人居环境适宜性指数具有明显的空间差异,即湘北洞庭湖带和湘中湘江带是湖南省人居环境高度适宜集聚区,湘西北、湘西南和湘东南边缘区是人居环境不适宜区,其他区域为一般适宜性区,具有明显的过渡区特征.3数据来源和分析方法在湖南省人居环境适宜性分区的基础上,为了进一步明确人口分布与人居环境适宜性的相关性,揭示基于栅格尺度的人口分布密度与人居环境适宜性的相关度.本文借助地球系统科学数据共享网提供的湖南省2003年人口密度栅格数据,运用SPSS软件的相关分析法,将湖南省人居环境适宜性数据和人口密度数据进行定量分析.3.1湖南人居环境适宜性总体分布情况应性指数与2003年湖南省人口密度栅格数进行空间匹配,运用区域统计分析模块,统计了不同人居环境适应性指数的人口密度值.在SPSS软件的支持下,观察并剔除异常值后,制成人居环境适宜性与人口分布密度之间的散点图,结果表显示(图4):湖南省人居环境适应性指数与人口密度之间有很强的相关性,二者的对数拟合曲线拟合度高达0.91.进一步将湖南省人居环境适宜性指数分为10等份,统计各分数段栅格的数量,算出各分数段国土面积和比例,运用GIS空间分析模块的分类区统计,算出各段的平均人口密度,结果显示人居环境适宜性是影响人口分布的重要因素,全省人口明显集中于人居环境适宜性较好的区域(表2).具体体现在:(1)人居环境适宜性指数在中值(7.04)以下的国土面积占全省的13.3%,但相应聚居人口比例仅为3.4%,主要区域为湘西北和湘西南山区,该区受地形等自然因素的影响,人口吸纳能力较弱,地广人稀;(2)人居环境指数在7.04~8.41之间的国土面积占全省的63.8%,相应聚居的人口比例为48.7%,平均人口密度有230人/km2,主要集中在湘东和湘中丘陵地区,是湖南省人口分布较多的地区;(3)人居环境适宜性指数在8.41~9.33之间的区域属于高度适宜区,国土面积仅占全省的23%,但集中了全省47.8%的人口,平均人口密度高达763人/km2,主要分布在湘东北和湘中盆地地区,是湖南省人口分布密度最大的区域.3.2不同层次城市的人居环境与人口分布相关性分析尽管湖南省人居环境适宜性指数与人口分布整体上有较强的相关性,但不能完全揭示小区域内二者之间的相关性.因此,在湖南省人居环境适应性分区的基础上,对湖南省不同发展水平区域人居环境适宜性指数与人口密度进行了相关性分析,得出各区域的相关性指数.湖南省各地市经济发展水平存在较明显的差异,可以将其划分为5个层次,在此基础上,计算不同层次地区人居环境指数与人口密度相关性(表3).结果显示,不同层次区域的相关性系数存在较大差异.其中,经济最发达地区长沙市二者相关性为0.814,人口密度达到508人/km2,这说明人居环境对区域内人口分布有较大影响,但这种影响可能随着经济发展水平的提高、改造人居环境能力的增强而减弱;第二、三层次的城市二者相关性均高于0.8,人口密度大于300人/km2,这些城市是湖南省经济发展水平较好地区,人居环境适宜性总体较好,是湖南省人口分布密集地区.第四、五层次的城市属于经济欠发达地区,该地区地形起伏度较大,交通可达度相对较低,受人居环境适宜性影响最大,二者相关拟合度均超过0.85,人口分布密度均低于300人/km2.总结来看,其特征表现在3个方面;第一,整体而言,全省大部分地区随着经济水平的提高,二者相关性有减小趋势.可能的原因是经济的快速发展冲销了人居环境适宜性带来的影响,也说明随着经济的发展和技术的进步,人们改造和建设适宜性人居环境的能力越来于强,受人居环境适宜性的影响越弱;第二,就区域政策来看,第一层次城市应注重人居环境内涵建设,合理控制人口密度;第二、三层次城市则应快速发展经济,注重全