基于GIS技术的湖北省人居环境自然适宜性评价

李捷

摘要：以湖北省作为研究区域，运用GIS技术，以自然地理学为基础，从人居环境自然适宜性出发，以30 m×30 m栅格为基本单元，选择影响人居环境最主要的4个因子（地形、气候、水文与地被条件），定量评价湖北省不同地区人居环境的自然适宜性。结果表明，湖北省人居环境指数呈现出由北向南递减趋势，其中西南部五峰土家族自治县周围出现高值区。湖北省人居环境适宜地区面积为1.100 77×105 km2。从适宜因子分析表明受双因子适宜面积最大，占高度适宜区的63.33%，多因子适宜区和单因子适宜区面积各占高度适宜区2.52%和24.98%。湖北省人居环境临界适宜地区面积为4.075 30×104 km2，占湖北省面积的22.2%。其中，以高度适宜区单因子为标准，适宜性临界区和限制性临界区面积各占2 114.342 2 km2和2 114.342 2 km2。人居环境不适宜地区土地面积为4.219 9×104 km2，占湖北省面积的19.4%，从不适宜区限制性分析可知，人居环境不适宜区受双因子限制的面积最大，占不适宜区32.48%，多因子限制和单因子限制面积各占不适宜区13.37%和10.08%；综合限制型面积最小，只占不适宜区2.01%。

关键词：人居环境；自然适宜性；GIS技术；湖北省

中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）21-5235-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.21.009

The Habitat Suitability Assessment of the Natural Environment in Hubei Province Based on GIS Technology

人居环境是人类聚居环境（Human settlements）的简称，是由人类居住和环境科学两大概念范畴的基础上发展而来的[1]。随着人类利用自然、影响自然活动范围和强度的增加，人居环境问题越来越突出。国学中的风水学提出人居环境选址方法。1955年，希腊建筑规划学家道萨迪亚斯创办《人类聚居学》杂志，开始系统研究、传播和讲授人类聚居学理论[2]。1995年清华大学“人居环境研究中心”成立，并进行了系列研究。吴良镛[3]参照查尔斯·道创立道氏学说，把人居环境系统划分为自然、人类、社会、居住和支撑5大系统。从这5大系统角度出发，学者们从各自的研究方向与研究领域出发展开了研究[3-5]。

从地理空间角度而言，人类与居住环境有着情感交流与物质交换的关系。人居环境作为人类居住的空间，也是人类生存和发展的基础所在，人类与居住环境的关系最为密切[6]。近几年来，国内外研究人居环境取得了很大的成绩。唐焰等[7]从宏观上对中国人居环境进行评价；张文忠等[8]对人居环境演变进行研究；王坤鹏[9]、喻超等[10]从城市宜居角度对直辖市进行对比与分析。然而自然地理现象具有复杂性，针对地理现象的复杂性来叠加自然地理要素分析人居环境的研究较少，研究使用多因子方法分层次进行叠加应用。综合单因子评价结果进行人居环境自然适宜性综合评价，此外，对于适宜性、不适宜性、临界适宜性因子进行分析，找出其影响因素。

本研究以湖北省作为研究区域，运用GIS技术，从人居环境自然适宜性出发，以30 m×30 m的栅格为基本单元，选择影响人居环境最为主要的4个因子（地形、气候、水文与地被条件），在ArcGIS中分别建立起地形起伏度、气候适宜度、水文指数与地被指数的人居环境评价模型，在此基础上，构建人居环境自然适宜性综合评价模型——人居环境指数（HEI）模型，定量评价湖北省不同地区人居环境的自然适宜性，系统揭示人居自然环境的地域类型与空间格局。以期为湖北省引导人口合理分布、促进人口合理布局以及为居民选择居住地提供科学依据和决策支持。

1 材料与方法

1.1 研究方法

1.1.1 地形起伏度 地形起伏度的提取依据唐焰等[7]地形起伏度的提取方法，参考湖北省地形特征、海拔高度、空间分布，将地形起伏度定义为：

RDLS=ALT/1 000+{[Max（H）-Min（H）]×[1- P（A）/A]}/500 （1）

式中，RDLS为地形起伏度；ALT为以某一栅格单元为中心一定区域内的平均海拔（m）；Max（H）和Min（H）分别为该区域内的最高与最低海拔（m）； P（A）为区域内的平地面积（km2）；A为区域总面积，确定30 m×30 m栅格为区域单元，即A为900 m2[11]。

1.1.2 气候适宜度 气候条件是影响人类活动和人居环境的重要因子，根据湖北省地理环境的实际状况，采用温湿指数模型[7，12]作为湖北省人居环境气候适宜性评价的指标。其计算公式为：

THI=1.8t+32-0.55（1-f）（1.8t-26） （2）

式中，t月均摄氏温度（℃），f是月均空气相对湿度（%）。

1.1.3 水文适宜性 依据国家环境保护总局生态环境评价标准，采用降水量和水域面积比重来表征区域水资源的丰缺程度。前者表示天然状态下区域自然给水能力的大小，后者表征区域集水与汇水能力的强弱。水文指数的具体计算公式为：

WRI=αP+βWa （3）

式中，WRI水文指数，P为归一化的降水量，Wa为归一化的水域面积，α和β分别为降水与水域比例的权重[13]。

1.1.4 地被适宜性 依据生态环境状况评价技术规范中的植被覆盖指数，构建地被指数来表征地表植被的覆盖状况。其计算公式为：

LCI=NDVI×LTi （4）

式中，LCI为地被指数，NDVI为该单元格的归一化植被指数，LTi为各土地利用类型的权重，i= 1，2…，25，分别代表耕地、林地、草地、水域、建设用地与未利用地等6大用地类型中的水田、旱地等25类二级土地利用类型，各用地类型的权重采用专家打分法确定。将土地利用类型划分为5大类，即耕地、林地、水域、建设用地、未利用土地[13]。

1.1.5 人居环境自然适宜性 在地形、气候、水文和地被等单因子自然适宜程度评价的基础上，考察到湖北省区域差异，构建湖北省人居环境自然适宜性评价模型。人居环境指数由地形、气候、水文及地被4大自然因子构成，表征区域人居环境的自然适宜性，为增进各指标之间的横向可比性，对各单项指标进行了标准化处理。人居环境指数计算公式为：

HEI=αi×NRDLS+βi×NTHI+χi×NWRI+δi×NLCI，i=1，2，…，8（5）

式中，HEI为人居环境指数，NRDLS为标准化地形起伏度，NTHI为标准化温湿指数，NWRI为标准化水文指数，NLCI为标准化地被指数，α、β、χ和δ分别为各自然地理区地形起伏度、温湿指数、水文指数和地被指数对应的权重[14]。

1.2 数据处理

湖北省DEM数据来源于湖北文理学院水文地貌实验室，其空间分辨率为30 m。气象数据购买于湖北省气象局，共有湖北省内21个气象台站的数据，温度数据处理运用反距离权重法、湿度、降水量采用普通克里金插值法分布进行空间内插，重采样获得30 m×30 m栅格的温度、湿度、降水量的图层；襄阳隆中气象来源于湖北文理学院气象站。遥感影像为Landsat 8数据，来源于中国科学院数据云，水文适宜性的水域面积与地被适宜性数据从该影像中提取。所有分析专题地图均采用采用阿尔伯斯等积圆锥投影。

2 结果与分析

2.1 人居环境指数空间分布规律

根据湖北省人居环境自然适宜性综合评价模型，以30 m×30 m 栅格为基本研究单元，计算出不同地区的人居环境指数（HEI）。由图1可知，湖北省人居环境指数呈现出由北向南递减趋势。最低值分布在神农架林区，最高值分布在襄阳与十堰的部分地区。恩施、咸宁、黄冈、黄石、鄂州、神农架林区为低值区域，襄阳、十堰、随州为高值区域。从地形地貌角度来分析，湖北省人居环境指数低值区域主要分布在山区，高值区主要分布在平原地区。出现由山地向丘陵、岗地、平原递增的趋势。

2.2 确定人居环境自然适宜性评价标准

在对湖北省人居环境指数分析的基础上，根据人居环境指数高低及其相关指标——地形起伏度、地被指数、气候适宜度和水文指数的适宜性和限制性特征，研究确定了湖北省人居环境自然适宜性综合评价的标准。基于人居环境指数的湖北省人居环境自然适宜性分级标准，将湖北省不同地区的人居环境自然适宜程度分为5类，完成了基于人居环境指数的湖北省人居环境自然适宜性分级评价。第一类为高度适宜地区（High Suitability，HS），基本上不受自然条件限制、最适合人类生活和居住，人居环境指数在8以上的地区。地形起伏度多在0.5以下，地势平坦，海拔低于200 m；地被指数均在0.3以上，年均NDVI在0.45以上，植被覆盖良好；气候适宜度（温湿指数）在52～60，气候舒适宜人；水文指数在70～80。第二类为比较适宜地区（Middle Suitability，MS），受到一定自然条件限制、中等适宜人类居住，人居环境指数在6～8的地区。地形起伏度在1.0以下，海拔介于200～500 m；地被指数在约为0.25，年均NDVI在0.40～0.45，植被覆盖条件较好；气候适宜度（温湿指数）多在60～65，气候舒适；水文指数在45～70的水平。第三类为一般适宜地区（Low Suitability，LS），受自然条件中度限制、一般适宜人类居住，人居环境指数在4～6的地区。地形起伏度多在1.0以上，海拔高度在500～1 000 m；地被指数约为0.2，年均NDVI在0.30～0.40，盖度一般；气候适宜度（温湿指数）在65～70，气候偏热；水文指数在25-40。第4类为临界适宜地区（Critical Suitability，CS），是自然条件高度限制、勉强适合人类居住，人居环境指数介于2～4的地区：地形起伏度平均在1.5以上，平均海拔在1 000～2 000 m；植被覆盖较不适宜区有所改善，但整体偏低，年均NDVI在0.05～0.15；气候适宜度（温湿指数）在70～75，气候闷热；水文指数平均在10～25。第5类为不适宜地区（Non-Suitability，NS），是不适合人类长期生活和居住，人居环境指数介于0～2的地区：地形起伏度多在4.0以上，平均海拔超过2 000 m；地被指数小于0.1，植被覆盖条件差，年均NDVI多在0.15以下；气候适宜度（温湿指数）大于75，气候极其闷热；水文指数平均在8～20。

2.3 人居环境自然适宜性评价

根据湖北省人居环境指数的自然适宜性评价指标和标准，完成了湖北省人居环境自然适宜性综合评价（表1与图2）。湖北省人居环境的自然适宜程度整体呈现出由南向北逐渐递增的趋势。①高度适宜区（High Suitability，HS），土地面积3.017 5×104 km2，接近湖北省面积的16.1%；主要分布在湖北北部以及西南部极少数地区，包括襄阳、十堰、随州的部分地区以及湖北省五峰土家族自治县部分地区。②比较适宜地区（Middle Suitability，MS），土地面积3.577 7×104 km2，占湖北省面积的19.4%；主要分布湖北省中部地区偏北，包括神农架、宜昌、孝感部分地区，荆门、随州大部以及湖北省五峰土家族自治县的大部分地区。③一般适宜地区（Low Suitability，LS），土地面积4.412 5×104 km2，占湖北省面积的24.4%，是湖北省人居环境适宜与否的过渡地区，主要分布在一般适宜地区与不适宜地区的中间地带，包括宜昌、荆州、潜江、天门、孝感大部分地区以及武汉、仙桃、恩施的部分地区。④临界适宜地区（Critical Suitability，CS），土地面积4.075 3×104 km2，占湖北省面积的22.2%，主要分布在鄂西地区、湖北省东南部，包括神农架、恩施、宜昌、荆州、仙桃、武汉部分地区以及鄂州、黄冈、黄石大部分地区。⑤不适宜地区（Non-Suitability，NS），土地面积4.219 9×104 km2，面积接近湖北省总面积的22.9%，主要受地形、地被、气候等限制，人口分布少，集中分布在幕府山脉湖北段、恩施大部分地区、神农架部分地区。

2.4 人居环境不适宜区的限制性分析

基于人居环境指数的湖北省人居环境自然适宜性综合评价表明，湖北省人居环境不适宜地区，土地面积4.219 9×104 km2，占湖北省面积的22.9%；为准确把握湖北省人居环境不适宜地区的地域分异与区域特征，进一步研究了不适宜地区的主要限制因子及其组合类型的空间规律性。

根据湖北省人居环境不适宜地区的限制特征和地形起伏度、地被指数、气候适宜度和水文指数等相关指标的不宜性标准，确立限制因子组合类型，并据此将湖北省人居环境不适宜地区分为4大类型区。第1类为多因子限制区，人居环境同时受到地形、气候、水文和地被等3～4种因子限制，面积5 617.064 612 km2，约占不适宜区总面积的1/7，占湖北省面积的3.12%；第2类为双因子限制区，人居环境同时受到地形、气候、水文和地被等两种因子限制，面积13 642.441 41 km2，约占到不适宜区的1/3，占湖北省面积7.58%；第3类为单因子限制区，分别受到地形、气候、水文和地被等单一因子限制，面积4 236.779 06 km2，接近不适宜区的1/10，占湖北省面积2.35%；第4类为综合限制区，这类地区单一因子虽未构成人居环境的不宜性，但综合条件极差，不适合人类生活和居住，面积844.344 81 km2，不到不适宜区的1/50，占湖北省面积的0.46%。

湖北省人居环境不适宜地区、限制因子组合类型及其空间分布如图3所示。湖北省人居环境不适宜地区的限制因子组合类型的统计如表2所示。由表2可知，湖北省人居环境不适宜区受双因子限制的面积最大，占不适宜区32.48%，多因子限制和单因子限制面积各占不适宜区13.37%和10.08%；综合限制型面积最小，只占不适宜区2.01%。

2.5 人居环境高度适宜地区的适宜性分析

基于人居环境指数的湖北省人居环境自然适宜性综合评价表明，湖北省人居环境高度适宜地区，土地面积3.017 5×104 km2，占湖北省土地面积的16.1%。为准确把握湖北省人居环境高度适宜地区的地域分异与区域特征，本研究根据湖北省人居环境高度适宜地区的地形起伏度、地被指数、气候适宜度和水文指数等单项指标的高度适宜性标准，确立适宜因子组合类型，并据此将湖北省人居环境高度适宜地区分为3大类型。湖北省人居环境高度适宜地区的适宜因子组合类型的面积统计及其空间分布如表3和图4所示。第1类为多因子高度适宜区，是地形、气候、水文和地被等4项指标有3到4项为高度适宜的区域，面积756.231 1 km2，占高度适宜区的2.52%，占湖北省的0.42%；第2类为双因子高度适宜区，是地形、气候、水文和地被等4项指标有两项为高度适宜的区域，面积19 112.652 1 km2，占高度适宜区的63.33%，占湖北省的10.61%；第3类为单因子高度适宜区，是地形、气候、水文和地被等单因子为高度适宜的区域，面积只有7 497.109 6 km2，占高度适宜区的24.98%，占湖北省的4.16%。湖北省人居环境高度适宜地区的适宜因子组合类型的统计结果表明，湖北省人居环境高度适宜区受双因子适宜的面积最大，占高度适宜区的63.33%，多因子适宜区和单因子适宜区面积各占高度适宜区2.52%和24.98%。

2.6 人居环境临界适宜地区的适宜性与限制性分析

基于人居环境指数的湖北省人居环境自然适宜性综合评价表明，湖北省的人居环境临界适宜地区，土地面积4.075 3×104 km2，占湖北省面积的22.2%，是湖北省人居环境适宜与否的过渡地带。本研究根据湖北省人居环境评价的地形起伏度、地被指数、气候适宜度和水文指数等单项指标的高度适宜区为标准，确立限制因子与适宜因子类型，并据此将湖北省的人居环境临界适宜地区续分为3种类型。第1类为限制性临界区，是指受到地形、气候、水文和地被等1～2种限制性因子制约的人居环境临界适宜区，土地面积2 114.342 2 km2，约占临界适宜区的5.18%。第2类为适宜性临界区，是指受到地形、气候、水文和地被等临界适宜性因子影响形成的人居环境临界适宜区，土地面积3 356.778 6 km2，占临界适宜区总面积的8.23%；第3类为一般性临界区，地形、气候、水文和地被等单一指标均未对人类长期生活和居住构成限制，但综合条件较差，土地面积1 321.725 4 km2，占临界适宜地区的3.24%。湖北省人居环境临界适宜区的不同组合类型及其空间分布如图5所示。

3 小结与讨论

基于GIS技术，以30 m×30 m栅格为基本评价单元，在地形起伏度、地被指数、气候适宜度和水文指数评价基础上，构建了基于人居环境指数的综合评价模型，系统评估了湖北省人居环境的自然适宜性与适宜性、不适宜性、临界适宜性进行分析，结果表明，湖北省人居环境指数呈现出由北向南递减趋势。最低值分布在神农架林区，最高值分布在襄阳与十堰的部分地区。其中西南部五峰土家族自治县周围出现高值区。湖北省人居环境适宜地区面积为11.007 7×104 km2。其中，高度适宜地区、比较适宜地区面积为3.017 5×104 km2，比较适宜区面积为3.577 7×104 km2，一般适宜区面积为4.412 5×104 km2。湖北省的人居环境临界适宜地区面积为4.075 3×104 km2，占湖北省面积的22.2%；是湖北省人居环境适宜与否的过渡地带。其中，以高度适宜区单因子为标准，适宜性临界区和限制性临界区面积各占2 114.342 2 km2和2 114.342 2 km2。湖北省人居环境不适宜地区，土地面积为4.219 9×104 km2，占湖北省面积的22.9%，从不适宜区限制性分析得到湖北省人居环境不适宜区受双因子限制的面积最大，占不适宜区32.48%，多因子限制和单因子限制面积各占不适宜区13.37%和10.08%；综合限制型面积最小，只占不适宜区2.01%。

从湖北省各地的实际调查分析，基于人居环境指数的湖北省人居环境自然适宜性综合评价模型，较好地反映了湖北省不同地区人居环境自然条件的适宜性和限制性特征，能够定量揭示湖北省不同地区人居环境自然条件的空间规律性。在研究选取评价指标时，虽然充分考虑了地形、气候、水文、植被等自然条件对人居环境自然适宜性的影响，但人居环境自然条件是一个庞大而复杂的巨系统，在指标选取时难免有欠周详。具体而言，在单因素评价指标选取时，未考虑土壤条件、地质条件以及自然灾害风险对人居环境和人口分布的影响。在地形、气候和水文适宜性评价中，没有考虑坡度坡向、极端气候和降水的年内、年际变化等因素的影响。今后应对该指标体系作进一步的改进和完善，实现对湖北省人居环境自然适宜性更科学、更客观的评价。

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LI Jie

（Hubei University of Arts and Science ， Laboratory of Geographic Information Science ， Xiangyang 441053， Hubei， China）

Abstract： the natural suitability of human settlement not only affects people's health and quality of life， but also affects the levels of progress and development in human society. This paper studied the area of Hubei province using GIS technology， based on physical geography and the natural suitability of human settlement. We use the 30 mx30 m grid as the basic unit， and select four of the most important factors of human settlement conditions： topography， climate， hydrology and ground cover， and make them quantitative assessment in all regions of Hubei province's natural suitability. It were showed that the index of residential environment in Hubei province showed a decreasing trend from North to South. The autonomous county of Wufeng in the southwestern Hubei appears highly. The most suitable areas of human settlement in Hubei Province are totally 1.100 77×105 km2. In Hubei Province， the two-factor suitable for settlement is the largest， representing highly suitable area in 63.33%， multi-factor suitable districts and single factor suitable are 2.52% and 24.98%. The appropriate areas for human settlements in Hubei Province are 4.075 30×104 km2. It is about 22.20% for all Hubei Province. Among them， using elevation as the standard suitability of settlement， the suitability areas are 2 114.342 2 km2， and the restricted areas are 2 114.342 2 km2. The unsuitable areas in Hubei Province are 4.219 90×104 km2， accounted for 19.40% for all Hubei Province. From the district restrictive analysis， the double factors unsuitable areas are the largest， accounted for32.48%. The multi-factor restricted areas and the single factor restricted areas are accounted for 13.37% and 10.08%. The areas which are not suitable for settlement from four factors is the smallest， only accounted for 2.01% in all unsuitable Districts.

Key words： human settlements； natural suitability； GIS technology； Hubei Province