人居环境自然适宜性评价的GIS空间分析建模研究

孙小舟，周致远，邵文静，周永刚，柴立夫



人居环境自然适宜性评价的GIS空间分析建模研究

孙小舟1,2，周致远1，邵文静1，周永刚3，柴立夫1

(1.湖北文理学院管理学院，湖北襄阳441053；2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101；3.甘肃省徽县林业局，甘肃徽县 742300)

空间数据的处理常常复杂而费时，处理过程也有重复性，基于空间分析单独模块的应用程序处理方法极大限制了数据处理能力，因此对于数据的流程化、批量化、自动化、快速化处理就显得尤为重要. 地理现象与数学公式的复杂性也使得GIS空间分析单独模块处理过程繁杂，容易出现错误. 文章以湖北省为案例，研究运用ArcGIS模型构建器，对分析过程运用模型进行控制，重点选择影响人居环境自然适宜性的地形、气候、水文与地被条件的数学模型，综合以上4种因子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，即各因子共同作用的结果模型，并结合各自然地理因子对案例区进行相关分析处理和大量地面调查. 研究分析结果与实际湖北省人居环境自然适宜性有很高的吻合程度，验证了该方法的可靠性与科学性，数据处理模型所具有的方便性、共享性为数据的批量化处理提供了方便.

人居环境；自然适宜性；GIS；ArcGIS模型构建器；湖北省

计算机技术的不断发展推动着GIS技术的进步、革新，流程化、批量化、快速化处理数据已经成为地理信息技术发展的一个重要特点. 运用GIS空间分析单独模块处理空间数据复杂而费时，部分处理重复性极多，而且容易出现错误；编写计算机程序语言来实现数据流程化、批量化、快速化的处理，这种办法操作复杂，工作量大，对于操作人员的计算机水平也是一个极大的挑战，极大程度上限制了数据处理能力. ArcGIS模型构建器建立的模型可以让使用者创建与管理自己的工作流程，明确当前空间分析的处理任务，使得复杂、零乱的运用单独模块GIS空间分析过程有了良好的管理秩序[1].

研究采用模型构建器对湖北省人居环境自然适宜性的评价方法与处理过程创建模型，空间数据处理流程化. 自然地理现象的复杂性使得对于人居环境自然适宜性的影响因子很多，研究重点选择了影响人居环境自然适宜性的地形、气候、水文与地被条件的数学模型，综合以上4种因子，继续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，即各因子共同作用的结果模型. 把数学模型与GIS空间建模技术相结合[2]，使得复杂的评价过程显得简单、快速、准确，对于错误的查找更加方便. 模型创建完成后，输出研究区的评价结果与大量地面调查的结果吻合性较高.

1 研究流程与评价标准

1.1 ArcGIS模型构建器

ArcGIS10.3“帮助”中对于模型构建器和模型的定义是：“模型构建器是一个用来创建、编辑和管理模型的应用程序. 模型是将一系列地理处理工具串联在一起的工作流，它将其中一个工具的输出作为另一个工具的输入. 也可以将模型构建器看成是用于构建工作流的可视化编程语言”. 在ArcGIS模型构建器中，空间分析工具以图形的形式直观表现出来，并且可以以一定顺序排列，模型处理过程更加明了，错误的查找更加方便. 对于湖北省人居环境自然适宜性评价，通过在ArcGIS10.2中构建模型来完成对其评价的流程，最大化的使得GIS空间分析方法得到共享[3].

1.2 数据来源与处理

GIS空间分析中的叠加主要是基于栅格数据来进行分析研究的[4]，因此研究以栅格数据进行图层之间的叠加进行分析.

评价所需数据为湖北省DEM图、湖北省气象数据、2014年湖北省Landsat8影像. 数据以img为统一格式，以30m×30m为栅格大小.

NDVI的提取在ENVI5.1中使用Landsat系列影像完成，具体方法是采用波段运算，若NIR代表近红外波段，R代表红波段，NDVI=(NIR-R)/(NIR+R). -1≤NDVI≤1，负值表示地面覆盖为云、水、雪等，对可见光高反射；0表示有岩石或裸土等，NIR和R近似相等；正值表示有植被覆盖，且随覆盖度增大而增大.

湖北省DEM数据来源于中国科学院数据云，其空间分辨率为30m. 气象数据购买于湖北省气象局，共有湖北省内1960—2013年49个气象台站的数据，温度数据处理运用反距离权重法，湿度、降水量采用泰森多边形插值法分布进行空间内插，转化为栅格后重采样获得30m´30m栅格的温度、湿度图层；降水量的图层采用克里金插值法进行插值获得. 襄阳隆中气象数据来源于湖北文理学院气象站. Landsat 8遥感影像数据，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阿尔伯斯等积圆锥投影().

1.3 ArcGIS建模

对研究的基础数据预处理后，明确每一个评价因子所需要的数据，选择合适的空间分析工具，开始创建模型. 对每一个评价因子的模型构建要简单明了，并对其添加注释信息，以提高模型的工作效率.

1.4 结果输出与分析

模型构建完成并且调试成功之后，运行模型，得出评价结果，以专题图的形式输出，对其结果的空间分布的准确度、合理性等进行空间分析.

1.5 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1类为高度适宜地区(High Suitability, HS)，是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200m；地被指数均在0.3以上， NDVI 平均在0.45以上，植被覆盖良好；气候适宜度(温湿指数)介于52~60之间，气候舒适宜人；水文指数在70~80；

第2类为比较适宜地区(Middle Suitability, MS)，受到自然条件一定限制、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米之间；地被指数在0.25 左右， NDVI 在0.40~0.45 之间，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3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500~1000 米之间；地被指数在0.2 左右，年均NDVI 介于0.3 与0.4之间，盖度一般；气候适宜度(温湿指数)在65~70之间，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之间的地区：地形起伏度平均在1.5以上，平均海拔在1000~2000米；植被覆盖较不适宜区有所改善，但整体偏低， NDVI在0.05~0.15；气候适宜度(温湿指数)在70~75左右，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2000米；地被指数小于0.1，植被覆盖条件差， 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 模型构建与应用

2.1地形起伏度模型的构建与应用

地形起伏度的提取依据封志明等地形起伏度的提取方法，参考湖北省的地形特征、海拔高度的空间分布将地形起伏度定义为:

1000{[())][1()]}500(1)

式(1)中，为地形起伏度；为以某一栅格单元为中心一定区域内的平均海拔(m)；() 和()分别为该区域内的最高与最低海拔(m)；()为区域内的平地面积(km2)；为区域总面积，以30m×30m为栅格大小，即值为900 m2[5]. 在ArcGIS中构建的地形起伏度模型如图1.

图1 地形起伏度模型

2.2气候适宜度模型的构建与应用

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，本文采用温湿指数模型作为湖北省人居环境气候适宜性评价的指标. 温湿指数(THI)是由奥利弗（J.E.Oliver）于1973 年提出，它的物理意义是湿度订正以后的温度，其计算公式为：

= 1.8t+32- 0.55(1- f)(1.8t- 26) (2)

式(2)中，月均摄氏温度，是月均空气相对湿度（%)[6-7]. 构建的气候适宜度模型如图2所示.

图2 气候适宜度模型

2.3水文适宜度模型的构建与应用

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的比重来表征区域水资源的丰缺程度. 前者体现了天然状态下区域自然给水能力的大小，后者表征了区域集水与汇水能力的强弱. 水文指数的具体计算公式为：

(3)

式(3)中，水文指数，为归一化的降水量，为归一化的水域面积，和分别为降水与水域比例的权重[8]. 水文适宜度模型如图3所示.

图3 水文适宜性模型

2.4 地被适宜性模型的构建与应用

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覆盖状况. 定义为：

LCI=NDVI×LT (4)

式(4)中，为地被指数，为该单元格的归一化植被指数，LT为各土地利用类型的权重，= 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. 研究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[8]. 地被适宜度模型如图4所示.

图4地被适宜度模型

图5 人居环境综合评价模型

2.5人居环境自然适宜性模型的构建与应用

对以上4种因子进行建模输出后，表征了各因子对人居环境的自然适宜性的影响，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=α×NRDLS+β×NTHI+χ×NWRI+δ×NLCI,1, 2, …, 8(5)

式(5)中，为人居环境指数，为标准化地形起伏度，为标准化温湿指数，为标准化水文指数，为标准化地被指数，、、和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[9]. 依据此公式，构建湖北省人居环境自然适宜性评价模型(如图5)，模型运行结果如图6所示.

图6 湖北省人居环境指数空间分布

依据评价标准，对评价结果图进行了分类(如图7)和结果统计(如表1)，如下所示.

图7 湖北省人居环境自然适宜性分级评价

通过表1可以看出，高度适宜区所占的比例最小. 通过评价结果可以看出十堰、襄阳从人居环境自然适宜性角度讲最适宜居住，在五峰土家族自治县也出现了高度适宜区与比较适宜区.

表1 湖北省人居环境自然适宜性分级评价统计

3 结论

通过研究湖北省人居自然适宜性评价的流程模型，以大量地面调查为基础，对评价结果的精度进行验证，可以看出湖北中部平原地区气候温和，降水量适中，植被覆盖条件好，地形起伏和缓，适合于居住，西部山区地形起伏大，气候变化大，不适合于居住，这些自然条件与实地有着很好的对应性，从而验证了GIS建模技术的可靠性和实用性. 在用单独模块处理与编写程序语言对空间数据处理方面，GIS建模对空间数据处理具有明显优势，使得GIS空间分析具有流程化、批量化、快速化、简单化的优点，而且也保证了模型得出结果的质量. GIS空间分析具有的流程化、批量化、快速化、简单化为大数据的处理提供了一条新的解决方案，也为人居环境的自然适宜性评价提供了技术保证.

模型构建器具有简单、易用的特点，用于创建和运行包含一系列工具的流程化，可以使用模型构建器创建适用的工具. 使用模型构建器创建的工具可在 Python 脚本和其他模型中使用. 结合使用模型构建器和脚本可将ArcGIS与其他应用程序进行集成，从而又使模型构建器具有了灵活性的特点.

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[2] 季 漩. 基于Model Builder的水土流失危险性分析模型研究[J]. 内蒙古林业调查设计, 2009, 32(1): 101-103.

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GIS Spatial Analysis Modeling for Human Environment Natural Suitability

SUN Xiaozhou1, 2, ZHOU Zhiyuan1, SHAO Wenjing1, ZHOU Yonggang3, CHAI Lifu1

(1. School of Management, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang 441053, China; 2. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China;3. Forestry Bureau of Hui County, Gausu Province, Hui County 742300, China )

With the terrain, the climate, the hydrology and the ground cover taken as the four factors, and with the help ofArcGIS, Human Environmental Index(HEI) Model is set up. Later on, taking Hubei Province as an example, it makes plentiful survey and some correlation analysis and process combined with every physical geography factor. The results are highly consistent with the human environment natural suitability in Hubei Province, which proves the reliability and scientificity of the method. The conveniences and sharing property owned by data processing model provide convenience for batching handling data.

Human settlements; Natural suitability; GIS; ArcGIS model builder; Hubei Province

(责任编辑：徐 杰)

P964

A

2095-4476(2015)08-0027-06

2015-06-04;

2015-07-31

国家自然科学基金(41101544); 湖北省高等学校优秀中青年创新团队项目(T201314)

孙小舟(1978— ), 男, 甘肃天水人, 湖北文理学院管理学院副教授，博士. 主要研究方向: 资源开发和区域发展.