基于GIS技术的太原市生态环境评价研究

王 娇 于晓勇

(1.山西省煤炭地质资源环境调查院，山西 太原 030006； 2.太原市环境监控中心，山西 太原 030009)



基于GIS技术的太原市生态环境评价研究

王 娇1于晓勇2

(1.山西省煤炭地质资源环境调查院，山西 太原 030006； 2.太原市环境监控中心，山西 太原 030009)

运用GIS技术，构建了生态环境指数模型，评价了太原市各地区的生态环境水平，并得出了生态环境水平与经济发展程度、人口密度等要素的相关关系，对太原市制定城市可持续发展规划策略有一定的借鉴意义。

GIS技术，生态环境，均方差法，人口密度

1 概述

生态环境是城市发展最基本的条件，也是评价城市发展水平的一个重要要素。公正全面地评价城市的生态环境，要基于恰当要素指标的选取。从目前国内外研究进展来看，利用遥感、GIS等技术手段对区域尺度生态环境评价方面的研究也在不断深入[1-4]。

本文结合太原市地方统计资料，参考城市生态环境相关研究[5,6]提出了评价标准，对太原市生态环境做出全面、直观的评价。主要研究如下：

1)以GIS技术为基础，建立包括二级以上天数、人均城市用地面积等生态环境要素指标数据库；2)分析各要素对生态环境的影响程度，并对各单项要素与城市人口密度分布的相关性进行了定量分析；3)运用均方差法确定权重，构建城市生态环境指数模型，定量计算太原市各地区的生态环境指数，完成太原市生态环境评价。

2 研究区域概况

太原市是山西省省会，是中国能源、重工业基地之一，目前其行政辖区包括六区三县一市，即小店区、迎泽区、杏花岭区、万柏林区、尖草坪区、晋源区，清徐县、阳曲县、娄烦县和古交市，总面积6 988 km2，总人口427万人。

3 模型建立

3.1 要素指标的选取

城市生态环境是人类利用自然、改造自然的主要场所，包括自然、人类、社会、居住、支撑5大系统和全球、区域、城市、社区、建筑5大层次[7，8]。参考《宜居城市科学评价指标体系》[5]，结合太原市各地区的实际情况以及资料的可获取性，选取对太原市城市生态环境起主导作用的要素，包括二级以上天数、人均城市用地面积等10项指标。本文指标体系的统计数据来源于《2014年山西省统计年鉴》。

3.2 单项指标的计算

选取的具体单项指标如下：

1)二级以上天数(A1)(单位：d/年)；空气质量好于或等于二级标准的天数(单位：d/年)。2)绿化覆盖率(A2)(单位：%)。3)森林覆盖率(A3)(单位：%)。4)人均城市用地面积 (A4)(单位：m2/人)。5)二氧化碳排放量 (A5)(单位：t)。6)氮氧化物排放量(A6)(单位：t)。7)烟(粉)尘排放量(A7)(单位：t)。8)污水处理厂个数 (A8)(单位：个)。9)垃圾站个数 (A9)(单位：个)。10)人均可用淡水资源总量 (A10)(单位：万m3/人)。

为了更真实的表达实际情况,对不同指标采取的标准化方法也不同[4],逆向指标如二氧化碳排放量、氮氧化物排放量、烟(粉)尘排放量等，采用最小效果标准化，正向指标如二级以上天数、污水处理厂个数、垃圾站个数等，采取最大效果标准化，具体标准化公式如下：

最大效果标准化：Iscorei=(xi-xmin)/(xmax-xmin)；

最小效果标准化：Iscorei=(xmax-xi)/(xmax-xmin)。

太原市各地区标准化后的生态环境要素见表1。

表1 太原市各地区标准化后的生态环境要素

3.3 生态环境指数模型的构建

在对各项要素标准化的基础上，本文运用了均方差法来计算各要素的权重系数，均方差法是一种客观的赋权方法，其基本原理是根据各要素的评估值的差异程度来确定各要素在评估敏感时的权重系数[9]，首先分别计算各要素的评估值的均方差。

其次计算各评估要素的权重系数ai：

根据权重系数的均方差计算方法，得出各要素所对应的权重系数，见表2。

表2 太原市各生态环境要素对应权重系数表

最后运用ArcGIS软件的叠加计算功能，在属性表中输入各生态环境要素字段和数值，计算太原市各地区的生态环境指数(A)，见表3。

表3 太原市各地区生态环境指数

公式如下：

A=∑αiAi(i=1，2，3)。

其中，Ai为各地区对应的各项要素标准化后的生态环境要素数值。

3.4 对比参数

1)人口密度。

将太原市各地区的生态环境指数与人口密度进行对比，同时利用ArcGIS软件分析，得到太原市城市生态环境与当前人口分布的相关性。

2)人均GDP(B1)(单位：万元)。

依据《宜居城市科学评价指标体系》[5]，影响经济富裕度标准的要素主要有人均GDP、城镇居民人均可支配收入、就业率等要素。本文选取了人均GDP指标，借助GIS技术与生态环境指数进行对比分析，得到太原市各地区生态环境与经济发展之间的相关性。

4 结论与展望

4.1 结论

本文通过构建生态环境指数模型分析了太原市各地区生态环境水平。结果表明：

1)太原市各地区的生态环境指数整体呈现由中心向周边递增趋势，与人口密度呈负相关关系，阳曲县、娄烦县等地区生态环境指数高，但是相对的人口分布较为稀疏；

2)太原市人均GDP与人口密度的趋势体现出显著的正相关关系，经计算相关性系数R=0.90，表明人口明显集中分布于经济发展程度高的地区；

3)将生态环境指数模型中的单一指标与人口密度进行对比，结果均为负相关关系，并且相比人均GDP与人口密度的相关性要小，例如二级天数指标与人口密度负相关性为0.7。表明生态环境水平较高的地区反而居住人口较少，相比之下经济发展水平对人口密度的影响较大。太原市各地区人口GDP与人口密度对比见图1。

综上所述，生态环境指数可以综合反映各地区的生态环境良好程度，基于生态环境指数的太原市生态环境评价模型，可以定量揭示太原市各地区生态环境的相关规律性。

4.2 分析中存在的问题与说明

在选取对太原市城市生态环境起主导作用的要素中，存在一些不足：

1)由于本文指标体系的统计数据来源于《2014年山西省统计年鉴》，相对于当前有一定滞后性，因此本文只做方法性探讨，不对地区当前的生态环境水平作现实性评价；

2)在要素指标选取上，由于可供分析的数据有限，使得选取的指标数量相对较少，对生态环境指数模型的计算和应用会产生一定影响，一个生态环境水平高的地区，是各种要素良好的综合体现；

3)均方差计算方法中，由于对实际情况考虑的不是很全面，权重值与现实可能有所偏差，进而会影响生态环境评价结果，下一步可通过增加问卷调查等方式完善模型参数。

4.3 结果展望

太原市是中国能源、重工业基地之一，工业化的发展导致环境污染严重，如何保持经济快速发展的同时构建良好的城市生态环境是摆在太原市发展面前的大课题，目前城市建设规划方案的设计均已考虑了对生态环境的影响，较之以往有了很大改观。通过选取相关要素构建生态环境模型评价太原市各地区的生态环境，此类方法可操作性强，计算结果可定量分析，并可据此提出更全面的规划建议，这对于一个城市或地区的可持续性发展，具有一定的借鉴意义。

[1] 封志明.基于GIS的中国人居环境指数模型的建立与应用[J].地理学报，2008(12)：1327-1336.

[2] 丘 陵.理想解法与灰色关联度相结合的宜居城市评价决策模型研究——以四川省地级市为例[J].世界科技与发展，2007(3)：71-75.

[3] 杨运琼.基于压力论的城市生态环境质量定量评价模型及应用[J].四川环境，2007(2)：63-70.

[4] 郝慧梅,任志远.基于栅格数据的陕西省人居环境自然适宜性测评[J].地理学报,2009,64(4):498-506.

[5] 李丽萍,吴祥裕.宜居城市评价指标体系研究[J].中共济南市委党校学报,2007(1):16-21.

[6] 吴志强,蔚 芳.可持续发展中国人居环境评价指标体系[M].北京：科学出版社，2003.

[7] 吴良镛.人居环境科学导论[M].北京:中国建筑工业出版社，2001.

[8] 吴良镛.科技、人文与建筑——致力于人居环境的个人体会[J].中国大学教学，2004(1):53-55.

[9] KT Wagner，MI Doroslovacki. Proportionate-type normalized least mean square algorithm with gain allocation motivated by minimization of mean-square-weight deviation for colored input[C]. IEEE International Conference on Acoustics, Speech & Signal Processing,2011.

On ecological environment evaluation in Taiyuan based on GIS technique

Wang Jiao1Yu Xiaoyong2

(1.ShanxiResourcesandEnvironmentSurveyofCoalGeology,Taiyuan030006,China;2.TaiyuanEnvironmentInspectionandControlCenter,Taiyuan030009,China)

The paper adopts GIS technique, establishes the ecological environment exponential model, evaluates the ecological environment of areas in Taiyuan city, and concludes the relationship among the ecological environment, economic development and population density, so as to provide some reference for the formulation of the urban sustainable development planning in Taiyuan.

GIS technique, ecological environment, mean square difference method, population density

1009-6825(2016)13-0201-03

2016-02-29

王 娇(1988- )，女，助理工程师； 于晓勇(1985- )，男，工程师

X820.2

A