綜合多因子的人居環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)方法

瞿珊珊，章 雯，康 順*，馬玉龍

(湖北理工學(xué)院 a.電氣與電子信息工程學(xué)院，b.人事處，湖北 黃石435003)

人居環(huán)境的好壞直接影響地區(qū)經(jīng)濟(jì)與文化，是一個(gè)地區(qū)未來(lái)發(fā)展的重要衡量因素。隨著經(jīng)濟(jì)規(guī)模與全球人口的不斷增長(zhǎng)，自然資源日益減少，生態(tài)平衡失調(diào)，人居環(huán)境問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)，并受到廣泛關(guān)注。越來(lái)越多的學(xué)者針對(duì)解決人居環(huán)境問(wèn)題開(kāi)展了可行性研究。牛樂(lè)德[1]和劉春濤[2]等利用多因子分析法評(píng)價(jià)了紅河州、大連市的人居環(huán)境自然適宜性。許長(zhǎng)軍等[3]結(jié)合聚類和異常值分析方法，運(yùn)用函數(shù)模型評(píng)價(jià)了青藏高原人居環(huán)境自然適宜性。于晴等[4]利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)和人居環(huán)境綜合指數(shù)評(píng)價(jià)了黃山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)人居環(huán)境自然適宜性。高珊等[5]基于1 km×1 km格網(wǎng)，通過(guò)遙感解譯和聚類分析法評(píng)價(jià)了西安市人居環(huán)境適宜性。李大偉[6]和何靜等[7]分別以100 m×100 m，500 m×500 m柵格單元，采用綜合指數(shù)評(píng)價(jià)了重慶市、安徽省的人居環(huán)境人文適宜性。郝慶等[8]通過(guò)對(duì)比分析和總結(jié)歸納法評(píng)價(jià)了西藏地區(qū)的人居環(huán)境自然適宜性，指出了因地制宜選擇特色指標(biāo)閾值和高質(zhì)量數(shù)據(jù)的重要性。

從機(jī)器學(xué)習(xí)的角度分析，若將人居環(huán)境評(píng)價(jià)看作分類問(wèn)題，則現(xiàn)有研究的多因子線性模型勢(shì)必會(huì)存在評(píng)價(jià)欠擬合的問(wèn)題[9]?；诖耍瑯?gòu)建人居環(huán)境適宜性多因子非線性二次多項(xiàng)式綜合評(píng)估模型具有十分重要的意義。本文結(jié)合黃石市的地理、氣象特征，通過(guò)人居環(huán)境多因子綜合評(píng)價(jià)指數(shù)科學(xué)地分析人居環(huán)境適宜性的空間規(guī)律，正確劃分功能區(qū)，為完善黃石市城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，統(tǒng)籌區(qū)域人口、資源與環(huán)境關(guān)系，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供參考與借鑒。

1 評(píng)價(jià)因子

評(píng)價(jià)因子選取地形適宜性因子、植被適宜性因子、氣候適宜性因子和水文適宜性因子，通過(guò)改進(jìn)線性加權(quán)模型構(gòu)建非線性加權(quán)指數(shù)，評(píng)價(jià)人居環(huán)境適宜性。人居環(huán)境多因子綜合評(píng)價(jià)思路如圖1所示。

圖1 人居環(huán)境多因子綜合評(píng)價(jià)思路

1.1 地形適宜性因子

地形起伏度(RDLS)是指在設(shè)定的邊長(zhǎng)范圍內(nèi)，結(jié)合相對(duì)高程、坡度、平均高程和平地面積等多個(gè)單因子，表征區(qū)域的地勢(shì)起伏程度，對(duì)該區(qū)域人居環(huán)境適宜性的影響較大，故本研究將RDLS作為評(píng)價(jià)人居環(huán)境適宜性的重要指標(biāo)之一，計(jì)算公式為[10-11]：

(1)

式(1)中，RDLS為地形起伏度；ALT為區(qū)域內(nèi)的平均海拔，m；Hmax和Hmin為設(shè)定區(qū)域內(nèi)的相對(duì)高程,m；P(A)為設(shè)定區(qū)域內(nèi)的平地面積，km2；A為設(shè)定區(qū)域的總面積，km2；500為中國(guó)基準(zhǔn)山體高度值。地形起伏度的提取過(guò)程如圖2所示。

圖2 地形起伏度的提取過(guò)程

1.2 植被適宜性因子

不同的土地覆蓋類型可以指示不同的植被狀況和生物多樣性，反映了地區(qū)生態(tài)環(huán)境的好壞。本研究采用土地利用數(shù)據(jù)和歸一化植被指數(shù)計(jì)算地被指數(shù)，并將其作為研究地區(qū)人居環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。地被指數(shù)計(jì)算公式為：

LCI=LTi·NDVI

(2)

式(2)中，LCI為地被指數(shù)；LTi為各土地利用類型的權(quán)重；NDVI為歸一化植被指數(shù)[12]。

根據(jù)《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》(HJ 192—2015)，黃石市各土地利用類型的權(quán)重見(jiàn)表1。

表1 黃石市各土地利用類型的權(quán)重

1.3 氣候適宜性因子

人居環(huán)境的氣候適宜性是指運(yùn)用各種氣象數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)氣候的舒適程度，其評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)。風(fēng)效指數(shù)反映了人類體表與周?chē)h(huán)境之間的熱量交換。根據(jù)指數(shù)差異性，本研究主要用溫濕指數(shù)來(lái)表征人居環(huán)境的氣候適宜性[13]。溫濕指數(shù)計(jì)算公式為：

THI=1.8t+32-0.55(1-f)(1.8t-26)

(3)

式(3)中，THI為溫濕指數(shù)；t為攝氏溫度，℃；f為空氣相對(duì)濕度，%。

1.4 水文適宜性因子

水文反映了自然界中水的變化和運(yùn)動(dòng)等各種現(xiàn)象，除了水量的大小以外，還包括降水、蒸騰、滲透等。本研究結(jié)合年均降水量和水域面積2個(gè)因子構(gòu)建水文指數(shù)，計(jì)算公式為：

WRI=αP+βWα

(4)

式(4)中，WRI為水文指數(shù)；P為歸一化年均降水量；Wα為歸一化的水域面積；α和β分別為降水量與水域面積所占的權(quán)重。結(jié)合黃石市的實(shí)際情況，降水量是區(qū)域內(nèi)水資源的小部分來(lái)源[14]，由此確定式(4)中權(quán)重α=0.2，β=0.8。

2 多因子綜合

根據(jù)各單因子的權(quán)重，計(jì)算出黃石市的人居環(huán)境指數(shù)。在處理各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)，由于各指數(shù)采用的標(biāo)準(zhǔn)不同，得到的結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)也不同，因此還需要標(biāo)準(zhǔn)化處理各因子的數(shù)值，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行重采樣[15]，使數(shù)據(jù)分辨率一致。人居環(huán)境指數(shù)公式為：

HEI=αi·RDLS+βi·THI+γi·WRI+δi·LCI

(5)

式(5)中，HEI為人居環(huán)境指數(shù)；αi為地形起伏度所占的權(quán)重；βi為溫濕指數(shù)所占的權(quán)重；γi為水文指數(shù)所占的權(quán)重；δi為地被指數(shù)所占的權(quán)重。參照文獻(xiàn)[10]華中地區(qū)各單因子所對(duì)應(yīng)的權(quán)重值，取αi=0.28，βi=0.28，γi=0.19，δi=0.25。

HEI線性模型易造成欠擬合問(wèn)題。本研究通過(guò)增加特征的二次項(xiàng)，構(gòu)造特征的特解，對(duì)HEI指數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，滿足二次項(xiàng)特征系數(shù)較小，防止過(guò)擬合。改進(jìn)后的人居環(huán)境指數(shù)計(jì)算公式如下：

(6)

3 評(píng)價(jià)算例

湖北省黃石市的土地面積約為4 583 km2，位于長(zhǎng)江流域中游的南岸，地處鄂東南低山丘陵和江漢平原過(guò)渡地帶，屬于中緯度地區(qū)，冬季寒冷，夏季炎熱，現(xiàn)轄四區(qū)(黃石港區(qū)、西塞山區(qū)、下陸區(qū)、鐵山區(qū))、一市(大冶市)、一縣(陽(yáng)新縣)和一個(gè)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)。

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取

以2019年黃石市相關(guān)數(shù)據(jù)為例，包括30 m分辨率Landsat 8影像數(shù)據(jù)(地理空間數(shù)據(jù)云http://www.gscloud.cn/)、30 m分辨率數(shù)字高程模型DEM(地理空間數(shù)據(jù)云http://www.gscloud.cn/)、1 000 m分辨率年平均溫度與降水?dāng)?shù)據(jù)(國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心http://www.resdc.cn/)、1 000 m分辨率相對(duì)濕度數(shù)據(jù)(國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心http://www.geodata.cn/)、30 m分辨率土地利用類型數(shù)據(jù)(全國(guó)地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)https://webmap.obs.cn)、600 m分辨率歸一化NDVI數(shù)據(jù)(資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心http://www.resdc.cn/)、黃石市水系矢量數(shù)據(jù)(國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心http://www.geodata.cn/)。

3.2 適宜性評(píng)價(jià)

利用ArcGIS相應(yīng)模塊與柵格計(jì)算處理數(shù)據(jù)，得地各單因子數(shù)據(jù)。根據(jù)各單因子所占的權(quán)重，結(jié)合HEI_IMP指數(shù)計(jì)算出黃石市人居環(huán)境指數(shù)。根據(jù)人居環(huán)境指數(shù)及自然條件，將人居環(huán)境適宜性分為5個(gè)等級(jí)[10]。人居環(huán)境自然適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。根據(jù)表2，劃分黃石市人居環(huán)境自然適宜性分區(qū)。黃石市人居環(huán)境自然適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果如圖3所示。

(a) 地形起伏度 (b) 地被指數(shù) (c) 溫濕指數(shù)

(d) 水文指數(shù) (e) 人居環(huán)境指數(shù) (f) 人居環(huán)境分區(qū)

表2 人居環(huán)境自然適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

從圖3可知：①黃石市人居環(huán)境比較適宜區(qū)分布面積最廣，涉及大冶市北部和南部小部分地區(qū)，以及陽(yáng)新縣四周，占整個(gè)區(qū)域面積的41%，地被指數(shù)、地形起伏度較低，溫濕指數(shù)、水文指數(shù)較高；②一般適宜區(qū)居其次，主要分布在大冶市南部、西部，陽(yáng)新縣中部以及黃石市市區(qū)，占整個(gè)區(qū)域面積的32%，地被指數(shù)、水文指數(shù)和地形起伏度都較低，溫濕指數(shù)較高；③高度適宜區(qū)主要分布在黃石市市區(qū)以及陽(yáng)新縣東部，占整個(gè)區(qū)域面積的6%，除地形起伏度較低外，其他3個(gè)指數(shù)均較高，各項(xiàng)適宜性均較高；④臨界適宜區(qū)主要分布在大冶市中部以及陽(yáng)新北部，占整個(gè)區(qū)域面積的17%，水文指數(shù)低，地形起伏度高，地被指數(shù)和溫濕指數(shù)較低；⑤不適宜區(qū)主要分布在大冶市北部，占整個(gè)區(qū)域面積的4%，該區(qū)域地表多為水庫(kù)，4個(gè)影響因子中，地形起伏度、地被指數(shù)和水文指數(shù)的空間分布差異明顯。

黃石市人口分布圖與黃石市GDP空間分布分別如圖4和圖5所示。從圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，黃石市市區(qū)以及大冶市東北小部分地區(qū)，人口密度較高，人均GDP也較高，地區(qū)的人居環(huán)境指數(shù)也較高。雖然大冶市人居環(huán)境指數(shù)整體較其他地區(qū)并不高，但人口密度以及GDP分布均比陽(yáng)新縣高。陽(yáng)新縣中部地區(qū)雖然人居環(huán)境指數(shù)較高，自然環(huán)境良好，但人口不密集，GDP不高，可能因陽(yáng)新縣與黃石市市內(nèi)其他地區(qū)相比，交通不發(fā)達(dá)、工業(yè)建設(shè)相較于其他兩地起步較晚，這也給陽(yáng)新縣未來(lái)的發(fā)展帶來(lái)挑戰(zhàn)。

圖4 黃石市人口分布圖

圖5 黃石市GDP空間分布

4 結(jié)論

通過(guò)遙感解譯技術(shù)和GIS平臺(tái)，利用Landsat 8影像圖、1∶25萬(wàn)DEM數(shù)據(jù)、歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)、土地利用類型、年平均氣溫、降水、相對(duì)濕度、人口空間分布和GDP等柵格數(shù)據(jù)，計(jì)算了地形起伏度(RDLS)、地被指數(shù)(LCI)、溫濕指數(shù)(THI)和水文指數(shù)(WRI)4個(gè)單因子，通過(guò)構(gòu)建特征二次項(xiàng)建立了綜合多因子的非線性評(píng)價(jià)模型(HEI_IMP)，分析了黃石市人居環(huán)境適宜性。

研究表明，黃石市的人居環(huán)境適宜性可分為5類：①人居環(huán)境一般適宜區(qū)，主要分布在大冶市南部、西部，陽(yáng)新縣中部以及黃石市市區(qū)，占黃石市面積的32%；②人居環(huán)境比較適宜區(qū)，主要分布在大冶市北部南部小部分地區(qū)以及陽(yáng)新縣四周，占黃石市面積的41%;③人居環(huán)境高度適宜區(qū)，主要分布在黃石市市區(qū)以及陽(yáng)新縣東部，占黃石市面積的6%；④人居環(huán)境臨界適宜區(qū)，主要分布在大冶市中部，占黃石市面積的17%；⑤人居環(huán)境不適宜區(qū)，主要分布在大冶市北部，占黃石市面積的4%。