基于栅格数据的辽中南城市群人居环境自然适宜性测评

摘 要：以辽中南城市群为研究对象，基于1 km×1 km栅格数据，建立了基于地形起伏度、植被、水文、温湿指数的人居环境自然适宜性综合评价模型，对人居环境自然适宜性进行了综合评价与合理分区。研究结果表明：①辽中南城市群人居环境自然适宜性受地形条件限制较小，受水文、植被、气候条件限制较大。②辽中南城市群人居环境自然适宜性指数范围为19.03～84.15，在空间上总体呈现出西高东低的态势。③中度适宜地区分布最广，高度适宜地区与不适宜地区面积最小。④辽中南城市群64.48%的人口分布在中高度适宜地区。

关键词：栅格数据；人居环境；自然适宜性；人口分布；辽中南城市群

中图分类号：X826 文献标志码：A 文章编号：1673-9655（2024）04-000-06

0 引言

辽中南城市群既是环渤海地区的重要组成部分，也是东北地区对外开放的重要门户。其工业起步较早、城镇化水平较高，长期的“高消耗、高排放”发展模式，使辽中南城市群发展面临着自然资源资源枯竭、环境污染等诸多城市问题。新时代“绿色发展”背景下，城市人居环境高质量发展成为辽中南城市群新的挑战。

20世纪以来，人居问题逐渐成为人居科学的重点研究对象。20世纪50年代道萨迪亚斯创立了“人类聚居学”标志着国外人居环境研究的起步[1]；国外学者主要研究了建筑对人居环境的影响[2，3]、基础设施对人居环境的影响[4，5]、气候变化对人居环境的影响[6]等。20世纪90年代，吴良镛院士建立的人居环境科学体系[1]，标志着国内人居环境研究的起步，国内学者以吴良镛院士提出的五大系统为基础开展广泛研究[7-9]。在人居环境自然适宜性方面，国内学者通过分析地形起伏度[10-12]、气候[10-12]等单因素及综合因素[13-15]对人口空间分布的影响，探讨人口分布与自然因素的关系；在研究区域上，国内学者主要以全国范围[16，17]、省域范围[13，14]、市级范围[18，19]为研究尺度，通过构建相应尺度的人居环境指数模型，探讨人居环境自然适宜性的时空差异；在评价指标体系构建方面，主要采用熵值法、主成分分析法等[20，21]。

综上所述，人居环境自然适宜性评价研究成果十分丰富，但多数研究针对宏观尺度[22，23]、行政区域[14，19]、河流流域[24，25]等，对城市群人居环境自然适宜性研究较少。而城市群是国家新型城镇化主体区、国家经济发展战略重心区，新时代城市群作为国家新型城镇化主体的战略引领地位进一步提升。因此，城市群人居环境的研究具有十分重要的现实意义与理论价值。基于此，本文以辽中南城市群为研究对象，从其自然地理条件出发，以地形起伏度、植被、水文、温湿指数为评价因子，基于DEM、遥感影像、气象、水文等数据，运用ArcGIS等软件对数据进行分析，构建人居环境适宜指数评价模型，对辽中南城市群人居环境自然适宜性进行综合评价和等级划分，以期为辽中南群城市群未来发展规划以及城市群竞争力的提升提供理论基础。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区域概况

辽中南城市群位于我国东北地区南部，辽宁省中南部，濒临渤海和黄海，国土面积8.15 km2，占辽宁省面积超过1/2。气候类型为温带季风气候，夏季湿热，冬季干冷，降水东多西少，年平均气温为0.2～14.1℃，年均相对湿度集中在20%～80%。地形东高西低，东部地区为长白山支脉及延续部分，南部地区为辽东丘陵，西部地区主要为辽河平原。

辽中南城市群由沈阳、大连两个副省级城市以及鞍山、抚顺等7个地级市组成，是东北地区对外开放的重要门户，其工业化起步较早，城镇化水平较高，在“一带一路”建设、国家新型城市化进程以及东北振兴中都发挥着十分重要的作用。

1.2 数据来源与处理

研究数据主要包括基于公里网格尺度的环境数据、人口数据，以及矢量的水网、湖泊分布，市、县级行政边界，主要数据来源、类型、处理过程见表1。

1.3 评价模型及参数获取

1.3.1 地形起伏度模型

地形起伏度是描述区域海拔高度和地表切割程度的宏观性指标[26]。地形条件的优劣会直接或间接影响人类居住地的选址和发展，以及土地利用方式的质量等。因此，本文选取地形起伏度来表征辽中南城市群人居环境的地形适宜性。具体计算公式如下：

式中：RDLS—地形起伏度；ATL、max（H）、mix（H）—一定区域内海拔的均值、最大值、最小值；

P（A）— 一定区域内的平地面积；A—区域总面积[27]。参照前人相关研究，本研究中将坡度＜5°的区域确定为平地，以此对坡度进行二值化，采用邻域统计工具即可得到数据层[28]。本文开辟3 km×3 km（即3×3）邻域分析窗口，因此为9 km2。

1.3.2 植被指数

植被指数是反应人居环境生态水平的重要指标，归一化后的能反应区域水源、土壤等自然环境状况，同时，城市热环境、局地小气候等与植被覆盖率也密切相关[15]。因此，本文选取植被指数来表征辽中南城市群人居环境植被适宜性。具体计算公式如下：

式中：NNDVI—归一化后的NDVI，max（NDVI）、mix（NDVI）—区域内的最大值和最小值[15]。

1.3.3 水文指数

通过年降水和水网密度、湖泊密度构建水文指数，其中，年降水反应自然界的供水能力，水网密度和湖泊密度反应区域内储水能力和取水的便利性[15]。因此，本文通过水文指数来表征辽中南城市群人居环境水文适宜性。具体计算公式如下：

WRI = αP+βWa+γI （3）

式中：WRI—水文指数；P、Wa、I—归一化后的年降水、水网密度、湖泊密度；α、β、γ—各因子对应的权重[15]，分别为0.8、0.19、0.01。

权重的计算参考封志明[15]等人的研究，采用GWR模型计算权重，具体计算步骤如下：首先，利用ArcGIS在辽中南城市群范围内随机生成1000个点，并将人口与归一化的年降水、水网密度、湖泊密度4个数据项提取到该1000个点的属性中，然后基于这些点分别构建人口与降水/水网密度/湖泊密度的GWR回归模型；最后通过回归系数和R2来确定判断各因素与人口的关系，从而计算权重。

1.3.4 温湿指数

温湿指数是由有效温度演变而来，它是湿度订正后的温度，综合考虑了温度和湿度对人体舒适度的影响[29]。因此，本文选取温湿指数来表征辽中南城市群人居环境气候适宜性。具体计算公式如下：

THI=T-0.55（1-f）（T-58） （4）

T=1.8t+32 （5）

式中：THI—温湿指数；T—华氏温度（°F）；t—月均温（℃）；f—月均相对湿度（%）[29]。

1.3.5 人居环境适宜指数模型

在对地形、植被、水文等单因子适宜性评价的基础上，通过各因素与人口密度的关系，构建基于栅格数据人居环境自然适宜性指数模型[13]，系统评价辽中南城市群1 km×1 km人居环境自然适宜性。具体计算公式如下：

HSI=αRDLS+βNNDVI+ωWRI+δTHI （6）

式中：HSI—人居环境适宜指数；RDLS、NNDVI、WRI、THI—标准化后的地形起伏度、植被指数、水文指数、温湿指数，α、β、ω、δ—各指数所对应的权重[13]，本文参照封志明[15]等人的研究，运用GWR模型来计算相应的权重。经计算得出α、β、ω、δ分别为0.26、0.12、0.27、0.33。

标准化过程中，对正向指标水文指数进行最大效果标准化，对负向指标地形起伏度进行最小效果标准化，对中心指标温湿指数、植被指数采用中心效果标准化[13]。具体标准化公式如下：

最大效果标准化：

最小效果标准化：

中心效果标准化：

如果，则

如果，则

式中：—变量X在区域i标准化后的值；xi—变量x在区域i的原始值；X—变量x的集合；xm—某一指数的最适宜值。

2 结果与分析

2.1 人居环境单因子适宜性分析

参考前人相关研究[15，29]，并结合辽中南城市群实际，对人居环境单因子适宜性进行等级划分（表2），其中，当植被指数＞0.9时，将其赋值为0，归为不适宜地区[15]。各因子适宜指数及适应性分区如图1所示。

（1）从地形条件来看，辽中南城市群大部分地区都较为平坦，地形起伏度均在2.0以下，高度适宜区占比61.43%，中度适宜地区占比38.08%，低度适宜地区占比0.05%，无不适宜地区和临界适宜地区。

（2）从植被条件来看，辽中南城市群整体植被覆盖指数较高，但植被指数过高也不适宜人类居住，其中不适宜地区占比66.82%，高度适宜地区占比30.40%。

（3）从水文条件来看，辽中南城市群水文条件较差，大部分地区为低度适宜地区和临界适宜地区，分别占区域总面积的79.89%和18.06%，中、高度适宜地区仅占1.87%。

（4）从气候条件来看，辽中南城市群由于所处纬度较高，大部分地区为中温带，气候偏凉，其中，低度适宜区占比98.36%，中度适宜地区仅占1.41%，无高度适宜地区。综上可知，地形条件对人居环境适宜性限制很小，而水文、植被以及气候条件对辽中南城市群的人居环境适宜性限制性较大。

2.2 人居环境自然适宜性综合分析

基于HSI的辽中南城市群人居环境自然适宜性评价结果表明（图2a），辽中南城市群人居环境自然适宜指数介于19.03～84.15，均值为59.41；空间上，从东北向西南递增，从山地向河谷、平原递增。参考封志明[16]等人的研究，并结合辽中南城市群的区域特点，将辽中南城市群人居环境自然适宜性进行划分（表3、图2b）。

（1）高度适宜地区：人居环境自然适宜指数介于80.00～84.15，HSI均值为81.76，地形平坦，平均地形起伏度仅为0.05，平均海拔66.50 m，年均降水量为1028.60 mm，年均温为12.53℃，相对湿度为0.64，主要分布在辽东半岛南部沿海地区，土地面积占区域总面积的0.01%，人口占区域总人口的0.19%，人口密度为6780.85人/km2，属于辽中南城市群中人口高度密集区。

（2）中度适宜地区：人居环境自然适宜指数介于60～80，HSI均值为67.00，地形平坦，平均起伏度为0.07，平均海拔69.57 m，年均降水量为

51 mm，年均温为10.00℃，年均相对湿度为0.57，主要分布在辽东半岛、辽河平原，土地面积占区域总面积的52.72%，人口占区域总人口的64.29%，人口密度为492.41人/km2，属于辽中南城市群人口集中分布区。

（3）低度适宜地区：人居环境自然适宜指数介于40～60，HSI均值为51.76，地形起伏较大，平均海拔326.55 m，年均降水为652.35 mm，年均温为7.82℃，年均相对湿度为0.63，土地面积占区域总面积的44.83%，人口占区域总人口的35.44%，人口密度为319.17人/km2，人口较为集中。

（4）临界适宜地区：人居环境自然适宜指数介于10～40，HSI均值为36.28，地形起伏度较大，平均起伏度为0.87，平均海拔为711.35 m，年均降水877 mm，年均温为5.87℃，相对湿度为0.70，主要分布在鸭绿江、浑江流域，土地面积占区域总面积的2.43%，人口占区域总人口的0.08%，人口密度为12.66人/km2，人口稀疏。

（5）不适宜地区：人居环境适宜指数介于19.03～20，HSI均值为19.64，地形起伏大，平均起伏度为1.90，平均海拔907.89 m，年降水为998.30 mm，年均温为5.10℃，相对湿度为0.72，主要分布在东北部山区，土地面积占区域总面积的0.01%，人口占区域总人口的0.0003%，人口密度为8.54人/km2，人口十分稀疏。

综上所述，辽中南城市群人居环境以中度适宜地区分布最广，占区域总面积的52.72%，低度适宜地区次之，占26.11%，不适宜地区与高度适宜地区占比最低，分别占0.01%。其中，人口集中分布在中高度适宜地区，占总人口的64.48%。

3 结论与讨论

（1）辽中南城市群人居环境自然适宜性受地形限制较小，受水文、植被、气候条件限制较大。

（2）辽中南城市群人居环境自然适宜指数介于19.03～84.15，空间上，自东北向西南递增，自山地向河谷、平原递增，总体呈现出西高东低的态势。

（3）辽中南城市群自然适宜性分区中，中度适宜地区分布最广、面积最大，占区域总面积的52.72%，低度适宜地区次之，占区域总面积的44.83%；其次为临界适宜地区，占区域总面积的2.43%，高度适宜地区以及不适宜地区面积最小，二者各占0.01%。

（4）辽中南城市群的人口集中分布在中高度适宜地区，占总人口的64.48%。人居环境自然适宜性从根本上决定着辽中南城市群人口分布的空间格局。

本研究基于栅格数据构建辽中南城市群人居环境自然适宜性空间格局比较合理，能够较好的反应辽中南城市群自然人居环境的空间差异。但研究数据的分辨率有待提高，才能够更加精确的反应城市群的自然环境的内部差异。人居环境是一个复杂的巨系统，人居环境不仅受自然环境的影响，人文因素对人居环境的影响日益突出，因此，要想全面表达人居环境适宜程度，需要对自然环境和人文环境进行综合研究。

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