基于柵格數據的遼中南城市群人居環境自然適宜性測評

摘 要：以遼中南城市群為研究對象，基于1 km×1 km柵格數據，建立了基于地形起伏度、植被、水文、溫濕指數的人居環境自然適宜性綜合評價模型，對人居環境自然適宜性進行了綜合評價與合理分區。研究結果表明：①遼中南城市群人居環境自然適宜性受地形條件限制較小，受水文、植被、氣候條件限制較大。②遼中南城市群人居環境自然適宜性指數范圍為19.03～84.15，在空間上總體呈現出西高東低的態勢。③中度適宜地區分布最廣，高度適宜地區與不適宜地區面積最小。④遼中南城市群64.48%的人口分布在中高度適宜地區。

關鍵詞：柵格數據；人居環境；自然適宜性；人口分布；遼中南城市群

中圖分類號：X826 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9655（2024）04-000-06

0 引言

遼中南城市群既是環渤海地區的重要組成部分，也是東北地區對外開放的重要門戶。其工業起步較早、城鎮化水平較高，長期的“高消耗、高排放”發展模式，使遼中南城市群發展面臨著自然資源資源枯竭、環境污染等諸多城市問題。新時代“綠色發展”背景下，城市人居環境高質量發展成為遼中南城市群新的挑戰。

20世紀以來，人居問題逐漸成為人居科學的重點研究對象。20世紀50年代道薩迪亞斯創立了“人類聚居學”標志著國外人居環境研究的起步[1]；國外學者主要研究了建筑對人居環境的影響[2，3]、基礎設施對人居環境的影響[4，5]、氣候變化對人居環境的影響[6]等。20世紀90年代，吳良鏞院士建立的人居環境科學體系[1]，標志著國內人居環境研究的起步，國內學者以吳良鏞院士提出的五大系統為基礎開展廣泛研究[7-9]。在人居環境自然適宜性方面，國內學者通過分析地形起伏度[10-12]、氣候[10-12]等單因素及綜合因素[13-15]對人口空間分布的影響，探討人口分布與自然因素的關系；在研究區域上，國內學者主要以全國范圍[16，17]、省域范圍[13，14]、市級范圍[18，19]為研究尺度，通過構建相應尺度的人居環境指數模型，探討人居環境自然適宜性的時空差異；在評價指標體系構建方面，主要采用熵值法、主成分分析法等[20，21]。

綜上所述，人居環境自然適宜性評價研究成果十分豐富，但多數研究針對宏觀尺度[22，23]、行政區域[14，19]、河流流域[24，25]等，對城市群人居環境自然適宜性研究較少。而城市群是國家新型城鎮化主體區、國家經濟發展戰略重心區，新時代城市群作為國家新型城鎮化主體的戰略引領地位進一步提升。因此，城市群人居環境的研究具有十分重要的現實意義與理論價值。基于此，本文以遼中南城市群為研究對象，從其自然地理條件出發，以地形起伏度、植被、水文、溫濕指數為評價因子，基于DEM、遙感影像、氣象、水文等數據，運用ArcGIS等軟件對數據進行分析，構建人居環境適宜指數評價模型，對遼中南城市群人居環境自然適宜性進行綜合評價和等級劃分，以期為遼中南群城市群未來發展規劃以及城市群競爭力的提升提供理論基礎。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區域概況

遼中南城市群位于我國東北地區南部，遼寧省中南部，瀕臨渤海和黃海，國土面積8.15 km2，占遼寧省面積超過1/2。氣候類型為溫帶季風氣候，夏季濕熱，冬季干冷，降水東多西少，年平均氣溫為0.2～14.1℃，年均相對濕度集中在20%～80%。地形東高西低，東部地區為長白山支脈及延續部分，南部地區為遼東丘陵，西部地區主要為遼河平原。

遼中南城市群由沈陽、大連兩個副省級城市以及鞍山、撫順等7個地級市組成，是東北地區對外開放的重要門戶，其工業化起步較早，城鎮化水平較高，在“一帶一路”建設、國家新型城市化進程以及東北振興中都發揮著十分重要的作用。

1.2 數據來源與處理

研究數據主要包括基于公里網格尺度的環境數據、人口數據，以及矢量的水網、湖泊分布，市、縣級行政邊界，主要數據來源、類型、處理過程見表1。

1.3 評價模型及參數獲取

1.3.1 地形起伏度模型

地形起伏度是描述區域海拔高度和地表切割程度的宏觀性指標[26]。地形條件的優劣會直接或間接影響人類居住地的選址和發展，以及土地利用方式的質量等。因此，本文選取地形起伏度來表征遼中南城市群人居環境的地形適宜性。具體計算公式如下：

式中：RDLS—地形起伏度；ATL、max（H）、mix（H）—一定區域內海拔的均值、最大值、最小值；

P（A）— 一定區域內的平地面積；A—區域總面積[27]。參照前人相關研究，本研究中將坡度＜5°的區域確定為平地，以此對坡度進行二值化，采用鄰域統計工具即可得到數據層[28]。本文開辟3 km×3 km（即3×3）鄰域分析窗口，因此為9 km2。

1.3.2 植被指數

植被指數是反應人居環境生態水平的重要指標，歸一化后的能反應區域水源、土壤等自然環境狀況，同時，城市熱環境、局地小氣候等與植被覆蓋率也密切相關[15]。因此，本文選取植被指數來表征遼中南城市群人居環境植被適宜性。具體計算公式如下：

式中：NNDVI—歸一化后的NDVI，max（NDVI）、mix（NDVI）—區域內的最大值和最小值[15]。

1.3.3 水文指數

通過年降水和水網密度、湖泊密度構建水文指數，其中，年降水反應自然界的供水能力，水網密度和湖泊密度反應區域內儲水能力和取水的便利性[15]。因此，本文通過水文指數來表征遼中南城市群人居環境水文適宜性。具體計算公式如下：

WRI = αP+βWa+γI （3）

式中：WRI—水文指數；P、Wa、I—歸一化后的年降水、水網密度、湖泊密度；α、β、γ—各因子對應的權重[15]，分別為0.8、0.19、0.01。

權重的計算參考封志明[15]等人的研究，采用GWR模型計算權重，具體計算步驟如下：首先，利用ArcGIS在遼中南城市群范圍內隨機生成1000個點，并將人口與歸一化的年降水、水網密度、湖泊密度4個數據項提取到該1000個點的屬性中，然后基于這些點分別構建人口與降水/水網密度/湖泊密度的GWR回歸模型；最后通過回歸系數和R2來確定判斷各因素與人口的關系，從而計算權重。

1.3.4 溫濕指數

溫濕指數是由有效溫度演變而來，它是濕度訂正后的溫度，綜合考慮了溫度和濕度對人體舒適度的影響[29]。因此，本文選取溫濕指數來表征遼中南城市群人居環境氣候適宜性。具體計算公式如下：

THI=T-0.55（1-f）（T-58） （4）

T=1.8t+32 （5）

式中：THI—溫濕指數；T—華氏溫度（°F）；t—月均溫（℃）；f—月均相對濕度（%）[29]。

1.3.5 人居環境適宜指數模型

在對地形、植被、水文等單因子適宜性評價的基礎上，通過各因素與人口密度的關系，構建基于柵格數據人居環境自然適宜性指數模型[13]，系統評價遼中南城市群1 km×1 km人居環境自然適宜性。具體計算公式如下：

HSI=αRDLS+βNNDVI+ωWRI+δTHI （6）

式中：HSI—人居環境適宜指數；RDLS、NNDVI、WRI、THI—標準化后的地形起伏度、植被指數、水文指數、溫濕指數，α、β、ω、δ—各指數所對應的權重[13]，本文參照封志明[15]等人的研究，運用GWR模型來計算相應的權重。經計算得出α、β、ω、δ分別為0.26、0.12、0.27、0.33。

標準化過程中，對正向指標水文指數進行最大效果標準化，對負向指標地形起伏度進行最小效果標準化，對中心指標溫濕指數、植被指數采用中心效果標準化[13]。具體標準化公式如下：

最大效果標準化：

最小效果標準化：

中心效果標準化：

如果，則

如果，則

式中：—變量X在區域i標準化后的值；xi—變量x在區域i的原始值；X—變量x的集合；xm—某一指數的最適宜值。

2 結果與分析

2.1 人居環境單因子適宜性分析

參考前人相關研究[15，29]，并結合遼中南城市群實際，對人居環境單因子適宜性進行等級劃分（表2），其中，當植被指數＞0.9時，將其賦值為0，歸為不適宜地區[15]。各因子適宜指數及適應性分區如圖1所示。

（1）從地形條件來看，遼中南城市群大部分地區都較為平坦，地形起伏度均在2.0以下，高度適宜區占比61.43%，中度適宜地區占比38.08%，低度適宜地區占比0.05%，無不適宜地區和臨界適宜地區。

（2）從植被條件來看，遼中南城市群整體植被覆蓋指數較高，但植被指數過高也不適宜人類居住，其中不適宜地區占比66.82%，高度適宜地區占比30.40%。

（3）從水文條件來看，遼中南城市群水文條件較差，大部分地區為低度適宜地區和臨界適宜地區，分別占區域總面積的79.89%和18.06%，中、高度適宜地區僅占1.87%。

（4）從氣候條件來看，遼中南城市群由于所處緯度較高，大部分地區為中溫帶，氣候偏涼，其中，低度適宜區占比98.36%，中度適宜地區僅占1.41%，無高度適宜地區。綜上可知，地形條件對人居環境適宜性限制很小，而水文、植被以及氣候條件對遼中南城市群的人居環境適宜性限制性較大。

2.2 人居環境自然適宜性綜合分析

基于HSI的遼中南城市群人居環境自然適宜性評價結果表明（圖2a），遼中南城市群人居環境自然適宜指數介于19.03～84.15，均值為59.41；空間上，從東北向西南遞增，從山地向河谷、平原遞增。參考封志明[16]等人的研究，并結合遼中南城市群的區域特點，將遼中南城市群人居環境自然適宜性進行劃分（表3、圖2b）。

（1）高度適宜地區：人居環境自然適宜指數介于80.00～84.15，HSI均值為81.76，地形平坦，平均地形起伏度僅為0.05，平均海拔66.50 m，年均降水量為1028.60 mm，年均溫為12.53℃，相對濕度為0.64，主要分布在遼東半島南部沿海地區，土地面積占區域總面積的0.01%，人口占區域總人口的0.19%，人口密度為6780.85人/km2，屬于遼中南城市群中人口高度密集區。

（2）中度適宜地區：人居環境自然適宜指數介于60～80，HSI均值為67.00，地形平坦，平均起伏度為0.07，平均海拔69.57 m，年均降水量為

51 mm，年均溫為10.00℃，年均相對濕度為0.57，主要分布在遼東半島、遼河平原，土地面積占區域總面積的52.72%，人口占區域總人口的64.29%，人口密度為492.41人/km2，屬于遼中南城市群人口集中分布區。

（3）低度適宜地區：人居環境自然適宜指數介于40～60，HSI均值為51.76，地形起伏較大，平均海拔326.55 m，年均降水為652.35 mm，年均溫為7.82℃，年均相對濕度為0.63，土地面積占區域總面積的44.83%，人口占區域總人口的35.44%，人口密度為319.17人/km2，人口較為集中。

（4）臨界適宜地區：人居環境自然適宜指數介于10～40，HSI均值為36.28，地形起伏度較大，平均起伏度為0.87，平均海拔為711.35 m，年均降水877 mm，年均溫為5.87℃，相對濕度為0.70，主要分布在鴨綠江、渾江流域，土地面積占區域總面積的2.43%，人口占區域總人口的0.08%，人口密度為12.66人/km2，人口稀疏。

（5）不適宜地區：人居環境適宜指數介于19.03～20，HSI均值為19.64，地形起伏大，平均起伏度為1.90，平均海拔907.89 m，年降水為998.30 mm，年均溫為5.10℃，相對濕度為0.72，主要分布在東北部山區，土地面積占區域總面積的0.01%，人口占區域總人口的0.0003%，人口密度為8.54人/km2，人口十分稀疏。

綜上所述，遼中南城市群人居環境以中度適宜地區分布最廣，占區域總面積的52.72%，低度適宜地區次之，占26.11%，不適宜地區與高度適宜地區占比最低，分別占0.01%。其中，人口集中分布在中高度適宜地區，占總人口的64.48%。

3 結論與討論

（1）遼中南城市群人居環境自然適宜性受地形限制較小，受水文、植被、氣候條件限制較大。

（2）遼中南城市群人居環境自然適宜指數介于19.03～84.15，空間上，自東北向西南遞增，自山地向河谷、平原遞增，總體呈現出西高東低的態勢。

（3）遼中南城市群自然適宜性分區中，中度適宜地區分布最廣、面積最大，占區域總面積的52.72%，低度適宜地區次之，占區域總面積的44.83%；其次為臨界適宜地區，占區域總面積的2.43%，高度適宜地區以及不適宜地區面積最小，二者各占0.01%。

（4）遼中南城市群的人口集中分布在中高度適宜地區，占總人口的64.48%。人居環境自然適宜性從根本上決定著遼中南城市群人口分布的空間格局。

本研究基于柵格數據構建遼中南城市群人居環境自然適宜性空間格局比較合理，能夠較好的反應遼中南城市群自然人居環境的空間差異。但研究數據的分辨率有待提高，才能夠更加精確的反應城市群的自然環境的內部差異。人居環境是一個復雜的巨系統，人居環境不僅受自然環境的影響，人文因素對人居環境的影響日益突出，因此，要想全面表達人居環境適宜程度，需要對自然環境和人文環境進行綜合研究。

參考文獻：

[1] 吳良鏞.人居環境科學導論[M].北京：中國建筑工業出版社， 2001：40-48/222-228.

[2] Ali M M，Al-Kodmany K. Tall Buildings and Urban Habitat of the 21st Century： A Global Perspective[J]. Buildings，2012，2（4）： 384-423.

[3] Berghout B，Forgues D. Passive Ambient Comfort and Correlation of Strategies and Vernacular Devices for Habitat Design in Arid Zones： The Case of Biskra， Algeria[J]. Buildings，2019，9（4）： 87.

[4] Erasukma M， Syamsul A， Idris，et al. The effect of infrastructure development on the development of tourism area and living environment of Carocok Beach， Painan[J]. IOP Conference Series： Earth and Environmental Science，2019（314）： 012049.

[5] Serov A D， Dmitriev I K. Influence of transport noise on living environment in New Moscow[J]. IOP Conference Series： Earth and Environmental Science，2021，867（1）： 012109.

[6] Serdeczny O，Adams S，Baarsch F，et al. Climate change impacts in Sub-Saharan Africa： from physical changes to their social repercussions[J]. Regional Environmental Change，2017，17（6）： 1585-1600.

[7] 田深圳，李雪銘，楊俊，等. 東北三省城市擬態與現實人居環境時空耦合協調特征與機制[J]. 地理學報，2021，76（4）： 781-798.

[8] Tian S Z，Li X M，Yang J，et al. Spatiotemporal evolution of pseudo human settlements： case study of 36 cities in the three provinces of Northeast China from 2011 to 2018[J]. Environment， Development and Sustainability，2022，25（2）.

[9] Tian S Z，Jiang J L，Li H，et al. Flow space reveals the urban network structure and development mode of cities in Liaoning， China[J]. Humanities and Social Sciences Communications，2023，10（1）.

[10] 張靜靜，朱文博，朱連奇，等.基于柵格的豫西山區地形起伏特征及其對人口和經濟的影響[J].地理學報，2018，73（6）：1093-1106.

[11]尹文娟，潘志華，潘宇鷹，等.中國大陸人居環境氣候舒適度變化特征研究[J].中國人口·資源與環境，2018，28（S1）：5-8.

[12]高家驥，李鴻奎，白芝珍，等.GIS支持下的東北三省人居環境氣候舒適度分異及影響因素分析[J].測繪通報，2022（6）：148-153.

[13]郝慧梅，任志遠.基于柵格數據的陜西省人居環境自然適宜性測評[J].地理學報，2009，64（4）：498-506.

[14]沈非，黃艷萍，王芳，等.基于GIS與柵格數據的安徽省人居環境自然適宜性測評[J].長江流域資源與環境，2018，27（3）：535-543.

[15]游珍，封志明，楊艷昭，等.柵格尺度的西藏自治區人居環境自然適宜性綜合評價[J].資源科學，2020，42（2）：394-406.

[16] Feng，Z M，Yang Y Z，Zhang D，et al. Natural environment suitability for human settlements in China based on GIS[J]. Journal of Geographical Sciences，2009，19（4）：437-446.

[17] 李雪銘，晉培育.中國城市人居環境質量特征與時空差異分析[J].地理科學，2012，32（5）：521-529.

[18]段學軍，田方.基于人居環境適宜性的市域人口增長調控分區研究——以南京市為例[J].地理科學，2010，30（1）：45-52.

[19]李雪銘，張英佳，高家驥.城市人居環境類型及空間格局研究——以大連市沙河口區為例[J].地理科學，2014，34（9）：1033-1040.

[20]谷永泉，楊俊，馮曉琳，等.中國典型旅游城市人居環境適宜度空間分異研究[J].地理科學，2015，35（4）：410-418.

[21]趙蘇琴，王璐.基于主成分分析的山西省城市人居環境評價[J].農村經濟與科技，2018，29（19）：265-267.

[22] 張東海，任志遠，劉焱序，等.基于人居自然適宜性的黃土高原地區人口空間分布格局分析[J].經濟地理，2012，32（11）：13-19.

[23]郭曉娜，蘇維詞，李強，等.基于GIS和RS的黔南喀斯特地區人居環境自然適應性評價[J].中國巖溶，2016，35（2）：218-225.

[24]吳冬寧，李亞光，李四高.自然因素影響下密云縣河西小流域居民點空間分布特點及人居適宜性特征[J].中國農業大學學報，2016，21（4）：129-136.

[25]李伯華，鄭始年.汾河流域人居環境適宜性評價及空間分異研究[J].干旱區資源與環境，2018，32（8）：87-92.

[26]楊艷昭，郭廣猛.基于GIS的內蒙古人居環境適宜性評價[J].干旱區資源與環境，2012，26（3）：9-16.

[27]封志明，游珍，楊艷昭，等.基于三維四面體模型的西藏資源環境承載力綜合評價[J].地理學報，2021，76（3）：645-662.

[28]周自翔，李晶，任志遠.基于GIS的關中-天水經濟區地形起伏度與人口分布研究[J].地理科學，2012，32（8）：951-957.

[29]唐焰，封志明，楊艷昭.基于柵格尺度的中國人居環境氣候適宜性評價[J].資源科學，2008（5）：648-653.