瞿珊珊，章 雯，康 順*，馬玉龍

(湖北理工學院 a.電氣與電子信息工程學院，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)濟與文化，是一個地區(qū)未來發(fā)展的重要衡量因素。隨著經(jīng)濟規(guī)模與全球人口的不斷增長，自然資源日益減少，生態(tài)平衡失調(diào)，人居環(huán)境問題逐漸顯現(xiàn)，并受到廣泛關注。越來越多的學者針對解決人居環(huán)境問題開展了可行性研究。牛樂德[1]和劉春濤[2]等利用多因子分析法評價了紅河州、大連市的人居環(huán)境自然適宜性。許長軍等[3]結合聚類和異常值分析方法，運用函數(shù)模型評價了青藏高原人居環(huán)境自然適宜性。于晴等[4]利用地理信息系統(tǒng)技術和人居環(huán)境綜合指數(shù)評價了黃山市鄉(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)，通過遙感解譯和聚類分析法評價了西安市人居環(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)評價了重慶市、安徽省的人居環(huán)境人文適宜性。郝慶等[8]通過對比分析和總結歸納法評價了西藏地區(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閾值和高質(zhì)量數(shù)據(jù)的重要性。

從機器學習的角度分析，若將人居環(huán)境評價看作分類問題，則現(xiàn)有研究的多因子線性模型勢必會存在評價欠擬合的問題[9]?；诖?，構建人居環(huán)境適宜性多因子非線性二次多項式綜合評估模型具有十分重要的意義。本文結合黃石市的地理、氣象特征，通過人居環(huán)境多因子綜合評價指數(shù)科學地分析人居環(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設施建設，統(tǒng)籌區(qū)域人口、資源與環(huán)境關系，促進經(jīng)濟發(fā)展提供參考與借鑒。

1 評價因子

評價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，通過改進線性加權模型構建非線性加權指數(shù)，評價人居環(huán)境適宜性。人居環(huán)境多因子綜合評價思路如圖1所示。

圖1 人居環(huán)境多因子綜合評價思路

1.1 地形適宜性因子

地形起伏度(RDLS)是指在設定的邊長范圍內(nèi)，結合相對高程、坡度、平均高程和平地面積等多個單因子，表征區(qū)域的地勢起伏程度，對該區(qū)域人居環(huán)境適宜性的影響較大，故本研究將RDLS作為評價人居環(huán)境適宜性的重要指標之一，計算公式為[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為設定區(qū)域內(nèi)的相對高程,m；P(A)為設定區(qū)域內(nèi)的平地面積，km2；A為設定區(qū)域的總面積，km2；500為中國基準山體高度值。地形起伏度的提取過程如圖2所示。

圖2 地形起伏度的提取過程

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)境適宜性評價指標之一。地被指數(shù)計算公式為：

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重；NDVI為歸一化植被指數(shù)[12]。

根據(jù)《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術規(guī)范》(HJ 192—2015)，黃石市各土地利用類型的權重見表1。

表1 黃石市各土地利用類型的權重

1.3 氣候適宜性因子

人居環(huán)境的氣候適宜性是指運用各種氣象數(shù)據(jù)來評價一個地區(qū)氣候的舒適程度，其評價指標主要有溫濕指數(shù)和風效指數(shù)。風效指數(shù)反映了人類體表與周圍環(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)來表征人居環(huán)境的氣候適宜性[13]。溫濕指數(shù)計算公式為：

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動等各種現(xiàn)象，除了水量的大小以外，還包括降水、蒸騰、滲透等。本研究結合年均降水量和水域面積2個因子構建水文指數(shù)，計算公式為：

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重。結合黃石市的實際情況，降水量是區(qū)域內(nèi)水資源的小部分來源[14]，由此確定式(4)中權重α=0.2，β=0.8。

2 多因子綜合

根據(jù)各單因子的權重，計算出黃石市的人居環(huán)境指數(shù)。在處理各項指標數(shù)據(jù)時，由于各指數(shù)采用的標準不同，得到的結果標準也不同，因此還需要標準化處理各因子的數(shù)值，并對結果進行重采樣[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重；βi為溫濕指數(shù)所占的權重；γi為水文指數(shù)所占的權重；δi為地被指數(shù)所占的權重。參照文獻[10]華中地區(qū)各單因子所對應的權重值，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題。本研究通過增加特征的二次項，構造特征的特解，對HEI指數(shù)進行改進，滿足二次項特征系數(shù)較小，防止過擬合。改進后的人居環(huán)境指數(shù)計算公式如下：

(6)

3 評價算例

湖北省黃石市的土地面積約為4 583 km2，位于長江流域中游的南岸，地處鄂東南低山丘陵和江漢平原過渡地帶，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(陽新縣)和一個經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)。

3.1 實驗數(shù)據(jù)獲取

以2019年黃石市相關數(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數(shù)據(jù)(國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心http://www.resdc.cn/)、1 000 m分辨率相對濕度數(shù)據(jù)(國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心http://www.geodata.cn/)、30 m分辨率土地利用類型數(shù)據(jù)(全國地理信息資源目錄服務系統(tǒng)https://webmap.obs.cn)、600 m分辨率歸一化NDVI數(shù)據(jù)(資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心http://www.resdc.cn/)、黃石市水系矢量數(shù)據(jù)(國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心http://www.geodata.cn/)。

3.2 適宜性評價

利用ArcGIS相應模塊與柵格計算處理數(shù)據(jù)，得地各單因子數(shù)據(jù)。根據(jù)各單因子所占的權重，結合HEI_IMP指數(shù)計算出黃石市人居環(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個等級[10]。人居環(huán)境自然適宜性分區(qū)標準見表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)境自然適宜性評價結果如圖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)標準

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)，以及陽新縣四周，占整個區(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，陽新縣中部以及黃石市市區(qū)，占整個區(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)以及陽新縣東部，占整個區(qū)域面積的6%，除地形起伏度較低外，其他3個指數(shù)均較高，各項適宜性均較高；④臨界適宜區(qū)主要分布在大冶市中部以及陽新北部，占整個區(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，占整個區(qū)域面積的4%，該區(qū)域地表多為水庫，4個影響因子中，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分布均比陽新縣高。陽新縣中部地區(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，可能因陽新縣與黃石市市內(nèi)其他地區(qū)相比，交通不發(fā)達、工業(yè)建設相較于其他兩地起步較晚，這也給陽新縣未來的發(fā)展帶來挑戰(zhàn)。

圖4 黃石市人口分布圖

圖5 黃石市GDP空間分布

4 結論

通過遙感解譯技術和GIS平臺，利用Landsat 8影像圖、1∶25萬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、相對濕度、人口空間分布和GDP等柵格數(shù)據(jù)，計算了地形起伏度(RDLS)、地被指數(shù)(LCI)、溫濕指數(shù)(THI)和水文指數(shù)(WRI)4個單因子，通過構建特征二次項建立了綜合多因子的非線性評價模型(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%。