基于GIS与RS的南阳市人居环境综合评价

申真

摘要：人居环境的自然适宜性能够反映区域自然条件对人类聚居的影响，其研究成果已广泛服务于全国及省级尺度区域规划等领域，但在地区及市级尺度上的应用较少。以南阳市作为研究区，选取了反映区域自然条件的地形、生态、气候、水文四个因子，利用GIS及RS技术分别从单因子及多因子综合的不同角度定量化分析了南阳市人居环境自然适宜性特征及其空间差异，并针对南阳市区域尺度的人居环境进行了综合评价，结果表明：该地区人居环境自然条件以适宜性为主，整体上自然条件对人居环境的限制较少，一般适宜与高度适宜地域面积占区域总面积的68.08%;临界适宜与比较适宜地域面积占区域总面积的27.23%;不适宜区域面积最小，占区域总面积的4.69%。从单要素对区域人居环境的影响来看，南阳市典型的季风性大陆湿润半湿润气候特征对区域人居环境无明显限制性影响，地形条件及水文条件两个要素对本区域的人居环境影响较大。从多要素综合影响的分析结果来看，该地区人居环境自然适宜性的空间分布呈现出从四周向中间逐渐升高的趋势，西北部大别山区人居环境自然适宜性较低，中部盆地区域人居环境自然适宜性较高。

关键词：GIS;RS，人居环境;南阳市

中图分类号：TU984 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）18-0249-04

1引言

20世纪以来，不断加快的城市化及工业化进程给人类带来了前所未有的物质文明及优越的生活空间，但与此同时也带来了气候变化、生态恶化等一系列人与自然间的深刻矛盾。特别是在全球人口增长背景下，人类对自然资源的日益增长的需求，导致人类聚居环境的不断恶化。在此背景下，人居环境这一概念自从萨迪亚斯（C.A.Doxiadis）提出以来成为了全球学者研究的热点问题。我国吴良镛院士认为人居环境是以人类聚居现象为研究对象，是人类利用自然和改造自然的主要场所，在5大系统（自然系统、社会系统、人类系统、居住系统、支撑网络系统）基础之上演变而来，强调人类聚居作为一个整体，并从自然，人文、社会、经济等各个方面进行研究。

当前人居环境研究多集中在全国或省级尺度上，为城市区域规划及战略布局提供了科学依据。但在地区及市级尺度上的研究相对较少。南阳市作为河南省面积最大、人口最多的城市，三面环山，地形条件多样，地形、气候、植被条件等自然因素是城市形成及发展的重要驱动因素。加之南阳作为南水北调中线工程水源区，其人居环境对保障用水安全、生态安全具有重要的现实意义。本文在借鉴相关研究成果的基础上，选取地形、植被、气候水文等5个评价因子，构建南阳市人居环境指数，定量揭示南阳地区人居环境的自然适宜性以及空间格局和特征，以期为区域内人口与资源环境的协调发展提供科学依据。

2研究区概况

南阳市位于河南省西南部，下辖13县区，所辖面积为2.65万km²，是南水北调中线工程重要水源地。该地区三面环山，区域内山地、丘陵、平原地形均有分布，形成较为典型的盆地地形。该地区属季风性大陆湿润半湿润气候，年均气温15.1℃，年降水量为904 mm。区域内水资源丰富，河流众多，水域面积达270万亩，水资源总量达85.2亿m²，居河南省第一位。得益于南阳市丰富的水资源分布，辖区内淅川县是南水北调中线工程核心水源地和渠首所在地。截至2018年，南阳市户籍人口为1194万人，是河南省人口数量最多的地级市，人口增长速率为5‰（图1）。

3数据与方法

3.1数据来源

本研究数据主要包括：（1）DEM数据，空间分辨率为30 m，数据来源于地理空间数据云;（2）2000～2015年250 m空间分辨率的MODIS NDVI数据;（3）气象数据来源于中国气象科学数据共享网，包含研究区及其周边45个气象站点的月总降雨量、月平均温度，相对湿度等，时间跨度为2000～2018年，利用GIS空间内插方法对气象数据进行插值处理;（4）1：10万TM影像解译的2015年土地利用数据，数据来源于地理国情监测云平台，该数据将土地利用类型划分为林地、耕地、建设用地、草地、水域、城乡工矿居民用地与未利用地6大类以及25个二级分类。所有数据利用研究区矢量边界对其进行裁剪，均统一转换为WGS84地理坐标并重采样至500 m栅格大小参与空间计算，在评价地形起伏度、地被指数、气候适宜度与水文指数等单因素的基础上，构建基于GIS的南阳人居环境指数模型，定量评价区域人居环境自然适宜性。

3.2方法

人居环境是人类活动和自然条件的互作用下形成的复杂系统。本文借鉴当前较为成熟的人居環境自然适宜性评估方法，结合遥感数据，选取地形、生态、气候、水资源等四种自然要素，建立人居环境自然适宜性定量评价模型，开展南阳市人居环境评价。

（1）地形要素，地形起伏程度能够反映区域地形起伏程度，是影响人类活动空间分布的重要因素。本文在借鉴前人研究成果的基础上，结合DEM数据，建立地形起伏指数（Terrain index，TI）用以定量评价地形要素对人居环境影响，其计算方式如下：

TI=（Emax-Emin）·（1-AP/A）/500（1）

式（1）中：TI为地形起伏度，Emx和Emin分别为研究区范围内的最大高程和最小高程。上述3个参数均可采用邻域分析工具结合DEM数据生成。Ar为研究区总面积，为研究区范围内平地面积。根据研究区地形特点，本文将坡度小于5。的区域定义为平地，人居环境适宜性高。

（2）生态要素，人居环境生态要素主要采用NDVI结合土地利用类型，建立地表覆盖指数（Ground cover index，GCI）进行定量化描述，采用公式（2）进行计算。

GCI=NDVI·LCTi（2）

式（2）中：GCI为生态要素指数，NDVI为归一化植被指数，采用2018年南阳市行政区划范围内的月合成MODIS地表反射率数据，结合公式（2）进行计算，逐像元求取NDVI最大值进行合成。LCTi为区域土地利用类型权重值，权重结合专家意见进行确定，如表l所示。

（3）气候要素，区域气候特征是能够反映区域人居环境的适宜程度，在进行人居环境自然适宜性评价中具有重要地位。本研究综合温度、湿度建立气候适宜性指数（Climate suitability index，CSI），采用公式（3）对区域人居环境气候要素进行定量化评价。

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

式（3）中：GSI为气候适宜性指数，Temp为年均地表温度，采用MODllA2产品计算获得，为年均相对湿度，采用研究区及周边45个气象站年均相对湿度数据结合克里金空间插值方法获得。

（4）水文要素，为了反映区域水资源情况，结合实际数据获取情况，本文采用公式（4）融合了区域降水和地表水体面积比重两个因子，形成水文指数（Water re-sources index，WRI）综合定量化评价区域水资源丰沛程度。

WRI=a·Pr+β·Aw （4）

（5）综合评价方法，为了开展综合多要素的人居环境定量评价，采用公式（4），对已建立的各要素指数进行标准化处理，在专家打分权重的约束下，建立人居环境综合评价指数（Human settlements Environment As-sessment Index，HEAD，采用公式（5）进行人居环境综合定量化评价。

nx=（x-xmin）/（xmax-xmin） （5）

式（5）中，nx为标准化后各要素指数值，x为各要素指数，xmax和xmin为该要素指数最大值与最小值。

HEAl=a·NTI+β·NGCI+y·NCSI+θ·NWRI（6）

式（6）中，HEAI为人居环境综合评价指数，NTI、NGCI、NCSI、NWRl分别为标准化后的地形起伏度指数、生态要素指数、气候适宜性指数、水文指数，a、θ、γ和θ分别为上述指数对应的专家打分权重。

4结果分析

4.1单要素分析

4.1.1地形评价

南阳地区作为盆地，西北为大别山区，东南为桐柏山区，地形起伏度较大，导致交通条件相对较差，人居环境适宜性较差。而中部地区地形起伏度小，且平均海拔约为150 m，人居环境适宜性较高，这与当前南阳市人口的空间分布差异规律相一致。利用南阳市30 m DEM建立了地形起伏度指数，从图2中可以看出，南阳市地形起伏度小于0.3的部分主要集中在该区域的中部，占区域总面积的55%，与人口密度的空间分布规律相一致。

4.1.2生态评价

通过对南阳市区域尺度生态要素的定量化计算，结果表明（图3），本区域生态要素指数值域区间为57～99之间，均值为78，最高值为99。其中，67%以上区域的地被指数达到75以上，说明生态环境相对较好。从空间分布上看，本区域周边山区生态要素指数相对较高，由于本区域在亚热带季风气候条件影响下。山区植被种类丰富，受人为影响较小，因此生态要素指数相对较高。而中部地势平坦区域在合理的农业管理措施保护下，其生态要素指数处于中等水平。而该区域城镇周边的生态要素指数相对较低，其原因在于城市化背景下不透水面的快速扩张导致。

4.1.3气候评价

南阳气候条件优越，整体上处于亚热带向暖温带的过渡。该区域日照充沛、降水丰富，且具有明显的雨热同期特点。基于该区域及周边45个气象站点的气温、降水数据，结合气候适宜性指数，本研究定量化评价了南阳市区域尺度气候适宜性（图4）。结果表明，南阳市整体上人居环境气候适宜性较高。其中，高度适宜区域面积占区域总面积的38%，一般适宜区域面积占总面积的34%，而比较适宜区域占总面积的28%。各类气候适宜性分区与人口空间分布情况基本一致。因此，从人居环境适宜性整体评价的角度来看，气候适宜性并不构成该区域的人居环境适宜性限制因素。

4.1.4水资源评价

南阳市地表水资源为61.69亿m。，具有显著的时空差异性。在太平洋副热带高压影响下，区域年均降水量在650～950 mm之间，55%～70%的降水主要集中在6～9月份。受地形及降水强度影响，山区地表水资源较平原区更为丰沛。如图5所示，区域地表水资源整体上较为丰富，但存在较为显著的区域空间分布差异，桐大山区、白河山区为明显高值区，唐河、白河下游区域为相对低值区。从人居环境适宜性评价角度来看，南阳市区域地表水资源丰沛，其空间差异对人居环境适宜性未表现出显著限制性影响。

4.2多要素综合分析

在影响人居环境条件的多种要素评价基础上，为充分刻画南阳地区人居环境适宜性的内部差异，在ArcGIS软件中利用栅格计算器结合公式（6）对本地区人居环境指数HEAI进行计算，并采用自然段点法对结果进行分类，划分为高度适宜、比较适宜、一般适宜、临界适宜、不适宜共5个人居环境适宜程度类别，最终完成南阳地区人居环境适宜性评价结果。图6反映了多种影响人居环境因素综合作用下的人居环境适宜性分级情况。从图中可以看出，南阳市人口显著集中在高度适宜及一般适宜区域，主要分布在海拔及坡度较低的盆地中央区域，空间分布范围较大;比较适宜、临界适宜及不适宜区域主要集中在大别山区及桐柏山区，空间分布范围较小。结合表2可以看出，整个南阳地区人居环境条件以一般适宜与高度适宜为主，占区域总面积的68.08%;比较适宜与临界适宜次之，占区域总面积的27.23%;不适宜区域面积最小，占区域总面积的4.69%。从不同人居环境类别的空间分布来看，不适宜及临界适宜区域主要分布在西峡县、内乡县、镇平县、淅川县，区域内分布有大别山区及桐柏山区，人居环境适宜性主要受制于地形因素;比较适宜区域主要分布在邓州市、唐河县、桐柏县境内，人居环境适宜性受水文及地被因素制约;一般适宜与高度适宜区域主要分布在卧龙区、宛城区、方城县、南召县，受各人居环境各因子的影响较小，人居环境适宜性较高，此区域也是南阳地区人口较为密集的地区。

5结语

为探求自然条件对地区级尺度人居环境适宜性的影响，本文以地理学为出发点，借鉴前人研究思路，以地形、生态、气候、水文四类自然要素作为人居环境自然适宜性评价的关键因素，建立了一套适用于地区尺度的人居环境自然适宜性定量化评价框架，对南阳市人居环境自然适宜性进行了定量评估，并分析了适宜性评价结果的空间格局。主要结论如下：（1）南阳市人居环境自然适宜性评价研究结果表明，本地区人居环境自然条件以适宜性为主，整体上自然条件对人居环境的限制较少，一般适宜与高度適宜地域面积占区域总面积的68.08%;临界适宜与比较适宜地域面积占区域总面积的27.23%;不适宜区域面积最小，占区域总面积的4.69%。（2）各单要素对人居环境影响的分析结果表明，南阳市典型的季风性大陆湿润半湿润气候特征对区域人居环境无明显限制性影响，地形条件及水文条件两个要素对本区域的人居环境影响较大。（3）从多要素综合影响的分析结果来看，本地区人居环境自然适宜性的空间分布呈现出从四周向中间逐渐升高的趋势，西北部大别山区人居环境自然适宜性较低，中部盆地区域人居环境自然适宜性较高。