基于大數(shù)據(jù)的上海市人居環(huán)境適宜性評價

張德英

（1. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海市 200072；2. 上海市國土資源調(diào)查研究院，上海 200072）

人居環(huán)境是人與自然相互聯(lián)系、相互作用的主要場所，是人類生存和社會發(fā)展的基礎(chǔ)。該詞發(fā)源于希臘學(xué)者道薩迪亞斯的“人類聚居學(xué)”理論，吳良鏞院士將其引入并定義為人居環(huán)境科學(xué)［1］。人居環(huán)境是一個廣義的概念，不僅僅指人類居住和活動的有形空間，還包括貫穿于其中的人口、資源、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會政策和生態(tài)環(huán)境等各個方面［2］。人居環(huán)境的適宜性關(guān)系到人口的聚集分布和社會發(fā)展。然而隨著城市化的進(jìn)程，人口需求與環(huán)境適宜之間的矛盾日益突出，一方面，經(jīng)濟(jì)發(fā)展改善了生產(chǎn)生活條件和社會公共服務(wù)，另一方面，人口膨脹、資源緊張、生態(tài)惡化使得環(huán)境適宜受到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。上海市作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展中心，面臨著城市功能轉(zhuǎn)型、人口持續(xù)增長、資源環(huán)境約束等壓力，人居環(huán)境適宜性受到了更多的關(guān)注。

在兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，改善人居環(huán)境，提升居民幸福感，成為了環(huán)境科學(xué)、地理學(xué)、城市規(guī)劃等眾多學(xué)科的研究重點，研究內(nèi)容包含人居環(huán)境理論研究［3］、空間特征分析［4］、居民行為意愿研究［5］等多個方面，主要是關(guān)于人居環(huán)境的評價分析。國內(nèi)外學(xué)者多注重評價方式的改進(jìn)和評價內(nèi)容的深入，采用問卷調(diào)查或跟蹤監(jiān)測等方式［6］，內(nèi)容上涵蓋人群特征［7-8］、環(huán)境衛(wèi)生［9］等多方面因素，探討各類人群的人居環(huán)境幸福感及其改善方法。在評價尺度上，多為全國區(qū)域［10-11］、流域城市群［12］等大范圍尺度基于城市單元的宏觀評價，亦或是柵格尺度上的區(qū)域地形、氣候、植被、水文等自然環(huán)境適宜性評價［13-14］，缺少微觀尺度上對城市內(nèi)部的綜合人居環(huán)境評價。在測度方法上，主要有傳統(tǒng)的問卷調(diào)查法［15］、層次清晰的結(jié)構(gòu)模型法［16］、新興的GIS空間分析法［17-18］等。人居環(huán)境適宜性的有效評估還需要構(gòu)建合適的評價指標(biāo)體系，目前用于評價綜合人居環(huán)境的指標(biāo)數(shù)據(jù)多來源于各類統(tǒng)計年鑒、城市發(fā)展公報、環(huán)境公報等統(tǒng)計數(shù)據(jù)［12］?；谶@類統(tǒng)計數(shù)據(jù)構(gòu)建的指標(biāo)存在著更新速度、分析精度、全面性等方面的不足，難以滿足城市發(fā)展和數(shù)據(jù)精細(xì)化管理的需求，大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)給這一難題帶來了新的機(jī)遇。大數(shù)據(jù)具有高頻的時空性、全面覆蓋性、可獲得性等特點，基于大數(shù)據(jù)的人居環(huán)境適宜性評價更加客觀、高效、全面，且柵格尺度的綜合評價結(jié)果有利于深入分析人居環(huán)境的內(nèi)部差異，為有效制定針對性的區(qū)域改善措施提供科學(xué)的理論依據(jù)。

基于此，本文充分利用大數(shù)據(jù)的全面性、時效性等優(yōu)勢，基于GIS空間分析平臺，以經(jīng)濟(jì)發(fā)展中心、有著大量外來人口的上海市為研究區(qū)，從居住環(huán)境、社會環(huán)境、經(jīng)濟(jì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境四個領(lǐng)域出發(fā)，選取6項指標(biāo)構(gòu)建綜合人居環(huán)境評價指標(biāo)體系，在1 km柵格尺度上對上海市人居環(huán)境適宜性進(jìn)行測度評價，針對評價結(jié)果從多種角度提出針對性的區(qū)域環(huán)境優(yōu)化策略，為城市人居環(huán)境適宜性的定量化研究及其改善提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

上海市地處中國東部，長江入?？?，是長江三角洲沖積平原的一部分，平均海拔為4 m，水資源充沛，日照充足，全年平均氣溫17.7℃，具備充足的自然環(huán)境適宜性。經(jīng)過多次區(qū)縣調(diào)整，目前上海市下轄16個行政區(qū)，陸域面積6833 km2。截至2019年末，全市常住人口2428.14萬人，其中戶籍人口1450.43萬人。上海作為中國經(jīng)濟(jì)、貿(mào)易、航運(yùn)和科技創(chuàng)新的中心，長江三角洲城市群的核心城市，吸引著大量的外來人口，經(jīng)濟(jì)水平和資源分配不均導(dǎo)致了明顯的人口分布差異，區(qū)域人居環(huán)境適宜性需求進(jìn)一步提升。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

1.2.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

人居環(huán)境系統(tǒng)是一個包含人、資源、經(jīng)濟(jì)、社會的綜合性復(fù)雜系統(tǒng)，構(gòu)建的評價指標(biāo)體系需要綜合反映人口需求、資源環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)、城市功能等多個方面［19］。選取的指標(biāo)數(shù)據(jù)需要容易獲取、易于量化，加工處理后的指標(biāo)體系可以明確反映人居環(huán)境現(xiàn)狀及其發(fā)展特征。通過對相關(guān)指標(biāo)體系構(gòu)建原則的借鑒和總結(jié)［20］，結(jié)合上海市人居環(huán)境的實際情況，研究從居住環(huán)境、社會環(huán)境、經(jīng)濟(jì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境四個領(lǐng)域出發(fā)，構(gòu)建上海市人居環(huán)境適宜性評價指標(biāo)體系，細(xì)化出6項具體的指標(biāo)層：

居住環(huán)境：工廠企業(yè)核密度、體育休閑設(shè)施核密度；

社會環(huán)境：路網(wǎng)密度、醫(yī)療保健設(shè)施核密度；

經(jīng)濟(jì)環(huán)境：住宅基準(zhǔn)地價；

生態(tài)環(huán)境：園林綠化覆蓋率。

1.2.2 指標(biāo)數(shù)據(jù)處理

（1）互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)

地圖興趣點（point of interest, POI）數(shù)據(jù)是常用的互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)，泛指一切可以被抽象為點的地理實體，是電子地圖上的某個地標(biāo)。研究使用的2017年P(guān)OI數(shù)據(jù)通過百度地圖爬蟲獲取，選取其中與人居環(huán)境密切相關(guān)的工廠企業(yè)、體育休閑、醫(yī)療保健等設(shè)施點，用于測度工作機(jī)會、生活休閑以及公共服務(wù)的便利度。通過解析獲取興趣點的名稱、類別、經(jīng)緯度等相關(guān)屬性，得到各類POI的空間分布。

（2）土地利用類型數(shù)據(jù)

研究使用的是上海市2017年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，包含48個二級類，按照土地利用分類編碼將其歸為一級類。根據(jù)研究需求進(jìn)一步合并，從中抽取兩大類用地類型作為人居環(huán)境相關(guān)的指標(biāo)對象，分別是交通運(yùn)輸相關(guān)的道路用地；園地、林地、草地、耕地合并的園林綠化用地。

（3）住宅基準(zhǔn)地價

上海市基準(zhǔn)地價來源于中國地價信息服務(wù)平臺（http://www.landvalue.com.cn/），是已公布的地價數(shù)據(jù)，指示國有建設(shè)用地在一定條件下的土地使用權(quán)平均價格。

（4）手機(jī)信令數(shù)據(jù)

移動通信網(wǎng)絡(luò)為若干個六邊形的基站小區(qū)構(gòu)成的蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號，根據(jù)移動位置，最鄰近的基站小區(qū)會主動或被動的接收手機(jī)信息并記錄下來，內(nèi)容包括匿名用戶編號、時間戳、基站小區(qū)編號、事件類型、經(jīng)緯度等［21］。中國移動在上海地區(qū)信號覆蓋比較全面，擁有超過3萬個手機(jī)基站，平均密度約5個/km2，用戶數(shù)量達(dá)2000萬，已有研究基于該數(shù)據(jù)挖掘出上海市的人口分布［22］。

1.3 研究方法

1.3.1 指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

由于評價指標(biāo)存在量綱的不同，在進(jìn)行具體的人居環(huán)境指數(shù)測算前，需要對各項指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱的標(biāo)準(zhǔn)化處理。研究采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法對各項原始指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理［10,12］，使指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)一映射到［0,100］區(qū)間上。對于越大越好的正向指標(biāo)和越小越好的負(fù)向指標(biāo)，分別采用不同的標(biāo)準(zhǔn)化公式。除了住宅基準(zhǔn)地價外，其他均為正向指標(biāo)：

式中，Iscorei表示某一指標(biāo)第i個柵格標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值（i=1,2,3，….,n），xi表示第i個柵格的原始值，xmax和xmin分別表示該指標(biāo)所有柵格值中的最大值和最小值。

1.3.2 人居環(huán)境適宜性評價模型

根據(jù)各項指標(biāo)數(shù)據(jù)與人口密度的相關(guān)性，確定指標(biāo)在人居環(huán)境評價模型中的權(quán)重［13,23］。綜合指標(biāo)權(quán)重及標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值，得出上海市1 km柵格尺度人居環(huán)境指數(shù)HEI（human settlement environment index）的計算公式：

式中，HEIi表示第i個柵格像元的人居環(huán)境指數(shù)值，取值范圍在0～100之間，Wij是第i個柵格像元第j個評價指標(biāo)的權(quán)重，Xij是第i個柵格像元第j個評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值，m為評價指標(biāo)總數(shù)。

2 人居環(huán)境適宜性評價

2.1 分析過程

本文主要從居住環(huán)境、社會環(huán)境、經(jīng)濟(jì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境四個方面，進(jìn)行人居環(huán)境適宜性評價。

將研究區(qū)劃分成規(guī)則的公里格網(wǎng)，統(tǒng)計落入每個格網(wǎng)的各類別POI點數(shù)?？紤]到設(shè)施點的服務(wù)范圍并不局限于公里格網(wǎng)，而是向周邊輻射并逐漸減弱。因此，基于ArcGIS的核密度分析工具計算各類設(shè)施點的空間分布密度。其中，居住環(huán)境中的工廠企業(yè)核密度指標(biāo)數(shù)據(jù)展示如圖1。

統(tǒng)計研究區(qū)公里格網(wǎng)內(nèi)兩大類用地類型的面積占比，將其轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，得到1 km柵格尺度的路網(wǎng)密度（圖2）和園林綠化覆蓋率（圖3），分別作為社會環(huán)境中交通設(shè)施便捷度，以及生態(tài)環(huán)境綠地舒適度的評價指標(biāo)。

選取與居住水平密切相關(guān)的住宅基準(zhǔn)地價作為評價人居環(huán)境適宜性的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一，表征地區(qū)的經(jīng)濟(jì)消費水平，與人居環(huán)境適宜性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。住宅基準(zhǔn)地價按照數(shù)值從高到低將全市劃分為10個級別，研究基于各級別的基準(zhǔn)地價值將其轉(zhuǎn)換成1 km分辨率的柵格數(shù)據(jù)，單位為元/平方米（圖4）。

圖1 居住環(huán)境指標(biāo)空間分布Fig.1 Spatial distribution of living environment indicators

圖2 社會環(huán)境指標(biāo)空間分布Fig.2 Spatial distribution of social environment indicators

圖3 生態(tài)環(huán)境指標(biāo)空間分布Fig.3 Spatial distribution of ecological environment indicators

圖4 經(jīng)濟(jì)環(huán)境指標(biāo)空間分布Fig.4 Spatial distribution of economic environment indicators

研究采集了2017年5月份中國移動上海地區(qū)連續(xù)7天的手機(jī)信令數(shù)據(jù)，通過手機(jī)信號統(tǒng)計各個基站的人數(shù)，計算出每平方千米的人口密度（圖5）。

圖5 人口密度分布Fig.5 Spatial distribution of population density

根據(jù)各項指標(biāo)數(shù)據(jù)與人口密度的相關(guān)性確定指標(biāo)在人居環(huán)境評價模型中的權(quán)重，相關(guān)系數(shù)及權(quán)重結(jié)果如表1所示。綜合指標(biāo)權(quán)重及標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值，得出上海市1 km柵格尺度人居環(huán)境指數(shù)。

2.2 評價結(jié)果

基于人居環(huán)境適宜性評價模型，按照各指標(biāo)因子權(quán)重進(jìn)行柵格計算，得到1 km×1 km柵格分辨率的上海市人居環(huán)境指數(shù)，值介于-1.79～45.57之間，均值為7.18。結(jié)合以往相關(guān)研究［18,24］，依據(jù)人居環(huán)境指數(shù)特征，采用具有聚類思維，可使分級之間的內(nèi)部方差之和達(dá)到最小的自然斷點法，將人居環(huán)境指數(shù)值按照從小到大劃分出5級適宜性類型區(qū)，等級越高，適宜性程度越好?？臻g分布上（圖6），呈現(xiàn)為由中心城區(qū)向周邊區(qū)域遞減的態(tài)勢，最高值主要分布在中心城區(qū)的黃浦區(qū)及其周邊的中央活動區(qū)，適宜性程度最低的區(qū)域也是當(dāng)前不適宜人口居住的湖泊、河流、沿海灘涂等地類上，中等適宜區(qū)主要位于外環(huán)、嘉定、松江、奉賢、南匯等新城范圍內(nèi)，整體分布趨勢與當(dāng)前人口密度分布相關(guān)性較高。進(jìn)一步統(tǒng)計各等級適宜性區(qū)域的面積及人口情況，見表2。

表1 單項指標(biāo)與人口密度相關(guān)性及其在評價模型中的權(quán)重Table 1 Correlation between individual indicators and population density and their weight in the evaluation model

圖6 上海市人居環(huán)境適宜性空間分布Fig.6 Distribution of suitability for human settlement environment in Shanghai

表2 上海市人居環(huán)境適宜性評價表Table 2 Evaluation on suitability for human settlement environment in Shanghai

一級區(qū)：人居環(huán)境指數(shù)值在-1.79～3.80范圍內(nèi)，是人居環(huán)境適宜性程度最低的區(qū)域，涉及面積較小，為746 km2，占上海市總面積的11.02%，主要范圍是青浦區(qū)淀山湖區(qū)域、寶山區(qū)的長江流水區(qū)域、浦東新區(qū)的機(jī)場地帶，以及奉賢和崇明的沿海灘涂區(qū)域，分布的人口總數(shù)127萬人，占上海市總?cè)丝诘?.78%，人口密度為1706人/km2。

二級區(qū)：人居環(huán)境指數(shù)值介于3.80～7.35之間，涉及范圍較大，土地面積2608 km2，占上海市總面積的38.53%，主要涉及青浦區(qū)、浦東新區(qū)、嘉定區(qū)、寶山區(qū)和崇明區(qū)等近遠(yuǎn)郊地區(qū)。該類型區(qū)目前是上海的工作和生活發(fā)展區(qū)，區(qū)內(nèi)也分布著較多的人口，與區(qū)域人口發(fā)展規(guī)劃趨勢相符，人口總數(shù)677萬人，占上海市總?cè)丝诘?0.83%，人口密度為2597人/km2。

三級區(qū)：人居環(huán)境指數(shù)值介于7.35～13.50，面積3219 km2，占上海市總面積的47.55%。同時分布著最多的人口，人口總數(shù)達(dá)834萬人，占上海市總?cè)丝诘?7.98%。涉及區(qū)域主要有外環(huán)周邊區(qū)域、金山區(qū)西北部、崇明區(qū)北部，以及嘉定新城、青浦新城、松江新城和奉賢新城等新城范圍?？傮w上人口活動頻繁，是人口密度增高的幾個區(qū)域，也是目前上海市主要的人口導(dǎo)向區(qū)域。人居環(huán)境適宜程度較高，土地面積的可承載力較大，當(dāng)前該區(qū)人口密度為2590人/km2，與二級區(qū)相當(dāng)，按照適宜程度仍有很大的發(fā)展空間。

四級區(qū)：人居環(huán)境指數(shù)值介于13.50～25.43之間，土地面積為138km2，占總面積的2.03%。主要位于楊浦區(qū)、普陀區(qū)、長寧區(qū)、靜安區(qū)、徐匯區(qū)等中心城區(qū)。分布的總?cè)丝跀?shù)為324萬人，占上海市人口總數(shù)的14.75%。由于土地面積小，導(dǎo)致人口密度高，達(dá)到23478人/km2，人口發(fā)展趨近飽和，資源利用較為緊張。

五級區(qū)：人居環(huán)境指數(shù)值介于25.43～45.57之間，跨度較大，表明適宜區(qū)內(nèi)也存在著一定的差異。該區(qū)面積最小，僅為59 km2，占比0.87%，但承載的人口數(shù)達(dá)234萬人，占總?cè)丝诘?0.66%。空間分布上主要集中在黃浦區(qū)一帶的中央活動區(qū)，區(qū)域人口最為集中，人口密度為39686人/km2，人口承載壓力大，有待緩解。

總體上，上海市人居環(huán)境適宜性空間分布與實際人口情況大致相符，適宜性程度較低的一級區(qū)域主要是用地類型不適宜導(dǎo)致的。適宜性程度較高的四級、五級區(qū)域，土地面積較小，人口密度較大，人口發(fā)展趨近飽和，承載壓力較大。而人居環(huán)境較為適宜的二級、三級區(qū)域土地面積最大，當(dāng)前人口密度較小，是未來人口導(dǎo)向的潛力區(qū)，區(qū)域適宜性程度也較高，具有很大的發(fā)展空間。

3 人居環(huán)境適宜性優(yōu)化策略

人居環(huán)境適宜性關(guān)系到區(qū)域的人口分布，因此在控制城市人口規(guī)模的同時，更重要的是改善人居環(huán)境，促進(jìn)宜居城市的建設(shè)，引導(dǎo)調(diào)控人口布局，疏解中心城區(qū)人口壓力。根據(jù)不同適宜性區(qū)域的分布現(xiàn)狀，可考慮從以下角度制定因地制宜的優(yōu)化策略：

從城市建設(shè)角度，社會和居住環(huán)境中的基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展不平衡，降低了人居環(huán)境的居住適宜性。考慮加大基礎(chǔ)公共服務(wù)設(shè)施向水平薄弱地區(qū)的傾斜力度，結(jié)合區(qū)域布局，緊湊組團(tuán)式發(fā)展，就近依托周邊發(fā)展區(qū)域的公共服務(wù)配套設(shè)施，逐漸健全需求區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施、路網(wǎng)等的建設(shè)，推動城鄉(xiāng)、新老城區(qū)人居環(huán)境一體化建設(shè)。

從生態(tài)保護(hù)角度，園林綠化覆蓋率是適宜性程度較低區(qū)域的優(yōu)勢因子。倡導(dǎo)簡約舒適、綠色低碳的生活方式，推進(jìn)資源節(jié)約循環(huán)利用。充分利用遠(yuǎn)郊區(qū)域的園林綠化覆蓋率優(yōu)勢，持續(xù)推進(jìn)楔形綠地建設(shè)，從四周向中心區(qū)域逐漸延伸，以一定的公園綠地服務(wù)半徑規(guī)劃實施綠地建設(shè)，著力完善各地的公園綠地體系。

從規(guī)劃發(fā)展角度，人居環(huán)境適宜性的主要發(fā)展?jié)摿υ诙墶⑷夁m宜區(qū)，這些區(qū)域主要是外環(huán)周邊及新城范圍，顯示了當(dāng)前規(guī)劃導(dǎo)向在吸引人口、改善人居環(huán)境方面的成功。因此，可考慮新城聯(lián)動的持續(xù)發(fā)展，擴(kuò)大區(qū)域設(shè)施的輻射范圍，帶動周邊區(qū)域人居環(huán)境適宜性的提高，將其作為空間規(guī)劃布局優(yōu)化的重點區(qū)域。

4 結(jié)論與展望

本文基于大數(shù)據(jù)，從居住環(huán)境、社會環(huán)境、經(jīng)濟(jì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境四個領(lǐng)域構(gòu)建綜合人居環(huán)境評價模型，借助ArcGIS空間分析功能從1 km柵格尺度定量分析了上海市人居環(huán)境適宜性，并對不同程度適宜區(qū)的土地和人口現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，探索區(qū)域人居環(huán)境優(yōu)化策略。結(jié)果顯示：上海市人居環(huán)境指數(shù)值介于-1.79～45.57之間，均值為7.18?？臻g分布上呈現(xiàn)出中心城區(qū)向周邊區(qū)域遞減的態(tài)勢，整體分布趨勢與人口密度相關(guān)性較高。高值區(qū)主要集中在中心城區(qū)一帶，土地面積較小，人口密度大，承載壓力較大；發(fā)展?jié)摿^高的中等適宜區(qū)主要涉及外環(huán)、嘉定、松江、奉賢、南匯等新城區(qū)域，是未來人口導(dǎo)向的潛力區(qū)，具有很大發(fā)展空間。該研究結(jié)果可為上海市人口布局調(diào)控和空間規(guī)劃決策提供理論依據(jù)。

總體上，大數(shù)據(jù)在實現(xiàn)公里格網(wǎng)尺度的人居環(huán)境適宜性定量評價上有很好的適應(yīng)性，結(jié)合人居環(huán)境評價模型可以較好地揭示其空間分布規(guī)律，反映不同程度適宜區(qū)的現(xiàn)狀特征，為后續(xù)優(yōu)化決策和實施提供可靠的依據(jù)，具有較好的實用性。當(dāng)然，人居環(huán)境是一個綜合復(fù)雜的系統(tǒng)，區(qū)域環(huán)境的優(yōu)化與政策、人文等因素相關(guān)，開展一定時間序列下的新城、新市鎮(zhèn)的對比研究，將更有利于明確規(guī)劃決策和實施過程中的有效措施。