基于GIS的滇中地区人居环境适宜性评价

张 雪,刘 璐,游 珍

(1.辽宁师范大学 地理科学学院,辽宁 大连 116029;2.东北林业大学 林学院,黑龙江 哈尔滨 150006;3.中国科学院 地理科学与资源研究所,北京 100101)

0 引言

人居环境是适合人类生活和居住的物理空间,包括但不限于区域基础建设、自然环境、社会服务等要素,它更看重人与环境之间的相互关系[1]。伴随着国民经济的飞速发展,中国快速城市化和工业化的弊端日益凸显,对人居环境的可持续保护和改善提出了迫切需求[2]。2021年中国在“十四五”规划纲要中,明确提出了要全面提升城市品质,未来城市发展会注重构建宜居城市,提升居民生活质量已成为我国城市发展的主要目标。因此科学的评估区域的人居环境适宜程度,有助于保护自然环境,维护生态平衡,提升城市发展的可持续性。

早期关于“人居环境”概念的研究多由城市规划师和建筑师主导,更多的是关注城市内部,强调通过规划和设计改善城市居民的生活质量,由20世纪50年代希腊建筑规划学家萨迪亚斯(C.A.Doxiadis)首次提出[3]。随着时间推移和更多学科的融入,人居环境的研究开始融合地理学、建筑学、城市规划等多个学科的视角和方法,探索从微观的城市规划与建筑设计到宏观的生态环境与可持续发展的影响,研究方法也更加的多元化,这种跨学科的合作使研究能够更全面地理解和解决人居环境问题[4]。中国关于人居环境科学研究的起步较晚,1993年学者吴良镛首次正式提出建立“人居环境科学”,从自然、人类、居住、社会、支撑5个子系统探讨城市环境对居民生活的影响,并取得了很大的研究进展[5]。在进入21世纪之后,国内外对于人居环境的研究进入快速发展阶段,越来越多的学科加入,使人居环境的研究逐渐形成了一个多学科交叉领域;更多的学者加入,对人居环境这个复杂系统开展研究,在研究要素、数据获取和评估方法上有了很大进展。研究要素上从微观的城市规划与建筑设计[6]、社区文化与发展到宏观上对生态环境与可持续发展的影响[7-8],从不同视角进行探讨;数据获取手段从最开始传统的人工调查统计和居民主观感受调查[9-10],随着新技术不断进步,研究者开始利用计算机、互联网和遥感卫星等现代技术来获取数据,例如通过遥感技术获取土地覆被变化、气象要素、人类活动等数据[11-12],这些新技术提供了更加丰富和精确的数据源,为研究提供了更多的可能性;而伴随着数据获取手段的多元发展,也需要不断更新研究方法,更多的计量地理模型加入评估体系中,如3S(遥感RS、地理信息系统GIS、全球定位系统GPS)平台技术的应用[13-15]、综合指标法[16-18]、地理探测器[19-21]、层次分析法[14-22]、敏感性分析法[23-24]、区域综合承载力模型[25-27]等,这些方法提供了多维度评价框架,使研究更加全面。例如,借助GIS可以创建和分析大规模的空间数据集的特色,研究人员能够分析城市空间扩展、人居环境的价值指标、以及城市与乡村定居点的模型等,可以更准确地识别和评估影响居民生活质量的因素,如交通便利性、环境健康和舒适性、以及社区服务的可获得性。也正是因为这样,地理学在理解和评估人居环境方面的作用至关重要,特别是在考虑到城市化和人口密集区域对自然资源和生态系统的影响时。通过结合地理学的分析方法和现代技术,人居环境的研究能够更全面地解决人居环境面临的挑战[28]。综上,国内外各学者对人居环境适宜性做了大量研究,并取得了一定的研究成果。尽管现有研究已经提供了大量的方法框架和科学结论,但仍存在诸如数据获取性、指标体系选择和适用性等的局限性,同时考虑到不同地理位置上的自然环境特征和社会经济条件存在较大差异[29],可以发现不同地区的人居环境适宜性评价方法和重点均存在差异,在未来的研究中需要更加关注这些问题,提高评价的准确性和可靠性。

滇中地区位于中国西南地区,是“一带一路”和长江经济带的交汇区域,根据云南省政府发布的《滇中城市群发展规划2020》,该地区被定位为面向南亚东南亚的开放型门户区域和云南省生态文明建设的先锋[30-31]。随着城镇化进程的加速,该区域虽然是云南省最有发展活力的区域,但同时也是资源消耗和环境影响最集中区域,面临着资源环境承载力的挑战,其人居环境质量评价正逐步成为亟待深入研究的热点[32]。在这一背景下,本研究借助地理信息系统(GIS)技术,以1 km×1 km大小的栅格为基本研究单元,在滇中地区的自然地理条件的基础上,从地形、水文、植被、气候多维度要素对人居环境进行全面、系统的评价。本研究旨在全面揭示整个地区及其内部不同地区的人居环境特征,识别可能存在的问题和不足,为未来的城市规划和环境管理提供科学依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

滇中地区位于云南省中部,经纬度范围大致为:24°N～27°N,100°E～105°E,是连接中国西南地区与南亚、东南亚的重要枢纽(图1),以昆明市为中心,辐射周边的曲靖、楚雄、玉溪等城市,总面积93.26×104km2,截止2022年末常住人口1 883.59万人,占云南省总常住人口的40.14%,且具有丰富的民族文化和社会多样性。该地区地形多样,其中云岭高原和昆明盆地是其显著特征,平均海拔约2 000 m;主要呈现亚热带高原季风气候特征,气温随着海拔高低垂直变化,干湿季节分明,平均气温约为7 ℃～24 ℃,全年温差较小,降水主要集中在湿季(5-10月),集中了约85%的降雨量,全面无霜期可超过300 d;拥有丰富的矿产资源和多样生物资源,是云南省自然条件和资源较优越的区域。随着“滇中城市群发展规划”的实施,该地区在推动区域经济发展、促进国际交流合作方面的作用日益凸显,同时,在生态保护和可持续发展方面也承担着重要责任。

图1 研究区概况

1.2 数据来源及预处理

研究数据主要涉及气象数据、遥感监测数据和人口统计数据。气象数据主要采用中国气象数据共享中心(http://data.cma.cn/),涉及的气象参数主要有气温、降水、平均相对湿度等参数。数字高程(DEM)数据来源USGS制备全球GTOPO30;归一化植被指数(NDVI)数据来源于中国地球科学数据共享平台(http://www.geodata. cn/);土地利用数据和人口空间分布公里网格数据均来源于中国科学院地理科学与资源研究所资源环境科学与数据中心(https://www.resdc. cn/)。以上数据借助ArcGIS软件进行预处理,根据研究区的地理边界,通过插值、投影、转换、裁剪等处理提取出所需数据,空间分辨率均为1 km,用于人居环境适宜性评价需要的地形、气候、水文、植被4个关键因子。

1.3 研究方法

影响人居环境的自然要素众多,最根本的是受地形、气候、水文和植被等主导。本研究主要通过描述区域内整体自然要素来综合评价人居环境适宜性,构建了一系列计量模型定量计算地形起伏度、温湿指数、水文指数和地被指数4个指数(表1),根据表1的方法,划分区域基于地形、气候、水文和地被的人居环境自然适宜性类型(表2);其中,地形起伏度指数中区域的平均海拔和相对高差为关键参数,温湿指数主要从年均气温和湿度来衡量人体舒适程度,水文指数中降水量和水域占比对该模型结果影响最大。结合滇中地区的自然要素特征,对水温指数和地被指数阈值区间需要结合区域特征进行调整界定。最后,在此基础上建立了人居环境适宜性综合评价模型,综合评估了滇中地区人居环境适宜性和限制性。

表1 人居环境自然要素单因子指数模型[33-34]

表2 人居环境自然要素单因子指数评价分级标准[34]

基于地形起伏度、温湿指数、水文指数、地被指数与人口分布的相关系数再计算其权重,构建综合反映人居环境适宜性特征的人居环境指数(HEI)。计算公式如下:

HEI=α×RDLSN+β×THIN+γ×LSWATN+δ×LCIN

(1)

RDLSN=100-100×(RDLS-RDLSmin)/(RDLSmax-RDLSmin)

(2)

(3)

LSWATN=100×(LSWAT-LSWATmin)/(LSWATmax-LSWATmin)

(4)

LCIN=100×(LCI-LCImin)/(LCImax-LCImin)

(5)

式中:RDLSN、THIN、LSWATN、LCIN分别代表地形起伏度、温湿指数、水文指数和地被指数的标准化值(取值范围0～100)。其中,RDLSmin和RDLSmax为地形起伏度标准化的最大值和最小值;THIopt为温湿指数标准化的最适宜值(本研究中设置为65),THImin为温湿指数标准化的最小值;LSWATmin为水文指数的标准化最小值,LSWATmax为水文指数的标准化最大值;LCImin为地被指数标准化的最小值,LCImax为地被指数标准化的最大值。

本研究参考了《中国人口分布适宜度报告》[33]中西南地区地形起伏度、温湿指数、水文指数和地被指数4个指数分别对应的α、β、γ、δ权重值,分别为0.3、0.31、0.14和0.25;根据HEI将滇中地区的人居环境适宜性划分为不适宜地区(HEI<20)、临界适宜地区(20≤HEI<40)、一般适宜地区(40≤HEI<60)、比较适宜地区(60≤HEI<80)和高度适宜地区(HEI≥80)5种类型。

2 结果与分析

2.1 滇中地区人居环境适宜性单要素分析

2.1.1 地形适宜性分析

图2为滇中地区1 km×1 km栅格尺度的地形起伏度指数和地形适宜性评价结果。可以看出,区域内地形复杂多变,以山地和高原为主,地势起伏显著,主要由于该区域属于云贵高原的范围,在昆明市和曲靖市内还分布着大量的喀斯特地形,整个区域内山脉纵横、河谷交错,因此地形破碎。地形起伏度指数为0.43～6.67,总体分布趋势为西部和北部高于中东部;最高值分布在昆明市北部的梁王山一带,以及西北部的横断山脉,云岭山脉北段的哀牢山的部分地区;最低值分布在曲靖市南部和玉溪市的西南部,属于云贵高原的地势平缓地区。

图2 地形起伏度指数(a)和地形适宜性评价结果(b)

滇中地区整体位于云贵高原上,地形适宜性空间分布呈现出海拔低地区高于海拔高地区的特征,区域内没有高度适宜地区。不适宜地区的土地面积约0.05×104km2,占区域总面积的0.51%;临界适宜地区的土地面积约1.77×104km2,占区域总面积的19.03%,位于北部和西部山脉的海拔较低区域;一般适宜地区占地面积最大,约7.45×104km2,占区域总面积的79.92%,主要位于区域中部和东部,以云南省的滇中盆地为主;比较适宜地区的土地面积约0.05×104km2,占区域总面积的0.54%。

2.1.2 气候适宜性分析

图3为滇中地区1 km×1 km栅格尺度的温湿指数和气候适宜性评价结果。该区域整体的气候适宜,受海拔影响较大,温湿指数整体在45以上,处于46.61～65.61,总体分布特征为西北部边缘地区较高,中部以及大部分区域较低。最高值分布在西北部的云岭山脉北段,最低值位于昆明北部的拱王山附近,地区整体为亚热带高原季风型气候,四季如春,除了一些海拔过高区域,整体非常适合人类居住。

图3 温湿指数(a)和气候适宜性评价结果(b)

根据气候适宜性评价结果可以看出,气候适宜性分布特征与区域海拔高度分布特征相似,但区域内没有不适宜地区。临界适宜地区的土地面积约0.02×104km2,占区域总面积的0.23%;一般适宜地区占地面积最大,约0.62×104km2,占区域总面积的6.63%;比较适宜地区的土地面积约7.51×104km2,占区域总面积的80.57%,主要位于区域中部和东部,以云南省的滇中盆地为主;高度适宜地区的土地面积约1.17×104km2,占区域总面积的12.56%,位于北部和西部山脉的海拔较高区域。

2.1.3 水文适宜性分析

图4为滇中地区1km×1km栅格尺度的水文指数和水文适宜性评价结果。可以看出,区域内水文指数差异较小,区域内水资源丰富,水文指数整体在20以上,处于33.21～77.13,总体分布趋势为西北和西南山区较低,中部和东部较高。受气候影响,区域内干湿季明显,湿季(5-10月)集中了全年约85%的降雨量,所以最终结果受水域分布的影响较大,高值区主要分布在昆明市域内的滇池和玉溪市域内的抚仙湖区域;最低值主要位于西北部的云岭山脉北段,以及其他一些山地区域内,这些区域降水较少,水资源较不丰富。

图4 水文指数(a)和水文适宜性评价结果(b)

根据水文适宜性评价结果可以看出,整体水文适宜性较高,区域内大部分区域以比较适宜为主要特征,分布上呈现片状分布特征,不适宜地区面积非常小,只有3 km2,可以忽略不计,无临界适宜地区。一般适宜地区的土地面积约0.74×104km2,占区域总面积的7.91%;比较适宜地区的范围最大,土地面积约7.91×104km2,占区域总面积的84.85%,占区域内的大多数位置;高度适宜地区的土地面积约0.68×104km2,占区域总面积的7.24%,位于东部曲靖市内。

2.1.4 地被适宜性分析

图5为滇中地区1 km×1 km栅格尺度的地被指数和地被适宜性评价结果。区域内气候适宜,植被种类丰富且多样化,以区域内的轿子山国家级自然保护区为例,该区域是滇中高原最为完整的原生植被和生境垂直带谱的代表[35],区域内独特的气候类型和地形特征,塑造了多样的植被类型,整体的植被覆盖度非常高,因此整体的地被指数很高,超过半数的区域地被指数均在0.50以上,整体处于-0.05～0.069。总体上区域内的植被指数分布较为均衡,负值区域主要受到水体分布的影响,单从地被指数上看该区域整体都较适合人类居住。

图5 地被指数(a)和地被适宜性评价结果(b)

而根据地被适宜性评价的结果可以看出,该区域整体的地被适宜性都较高,以高度适宜为主要特征,且呈现出均匀离散分布的均衡。其中,不适宜地区以水域为主,占比只有0.47%;临界适宜和一般适宜地区土地面积也较小,一共约0.32×104km2,占到区域总面积的3.45%;比较适宜地区的土地面积约2.76×104km2,占区域总面积的29.58%;高度适宜地区面积最大,土地面积约6.20×104km2,占区域总面积的66.5%。

2.2 滇中地区人居环境适宜性综合评价

2.2.1 人居环境适宜性总体评价

基于地形、气候、水文和地被单因子自然适宜性评价结果,参考滑坡、泥石流、崩塌等地质灾害易发性,对滇中地区的人居环境适宜性进行了综合评价(图6)。结果表明,该区域的人居环境指数处于11～93,总体分布特征为北部较低,中部和东部较高。进一步结合人居环境适宜性评价的结果可以看出,区域内整体上人居环境质量较好,空间上呈现片状分布的特征,不适宜地区面积较小。不适宜地区的土地面积约0.14×104km2,占区域总面积的1.5%;临界适宜地区的土地面积约3.92×104km2,占区域总面积的42.08%;一般适宜地区占地面积最大,约3.70×104km2,占区域总面积的39.67%;比较适宜地区的土地面积约1.52×104km2,占区域总面积的16.28%;高度适宜地区的土地面积较小,仅有0.04×104km2,占区域总面积的0.48%。

图6 滇中地区人居环境指数(a)和人居环境适宜性分级评价(b)

2.2.1 分州市人居环境适宜性总体评价

分州市统计的结果见表3。

表3 分地市统计人居环境适宜性分级结果

昆明市以临界适宜地区为主、一般适宜为辅;地域分异显著,临界适宜面积最大,占昆明市总面积的42.08%,分布于市域多数地区;而比较适宜和高度适宜地区主要分布在昆明南部的滇池附近,总面积约1.56×104km2,占昆明市总面积约16.76%;不适宜地区面积约0.14×104km2,分布于昆明北部与曲靖市交接的梁王山一带。

曲靖市以临界适宜和一般适宜为主、比较适宜为辅,区域内整体人居环境状态较好;不适宜地区和高度适宜地区面积都较小,分别占总面积的1.22%和0.02%。

玉溪市以临界适宜和一般适宜为主要特征,两类土地面积占区域总面积高达84.52%;比较适宜和高度适宜地区主要分布在西部哀牢山脉附近和东部抚仙湖周围,占区域总面积的14.98%;不适宜地区仅占0.5%,主要位于玉溪市最西部的山区。

楚雄州以一般适宜为主、临界适宜为辅,一般适宜地区面积占区域总面积46.96%,临界适宜地区面积占区域总面积37.64%;比较适宜地区面积为0.39×104km2,占区域总面积13.8%,主要分布在区域北部;不适宜地区和高度适宜地区面积均较小,分别占总面积的0.37%和1.23%。

进一步横向对比了人居环境适宜性等级的不同地级市占比(图7),可以看出:不适宜地区较多分布在昆明市,主要由于该市有大面积的高山地区,不适宜人类居住;与其交界的曲靖市也受到影响,有约25%的不适宜地区位于曲靖市域范围内。临界适宜地区分布较为均为,在4个地级州市分布面积均在15%～30%,其中曲靖市占比较大。一般适宜地区有36%分布在楚雄州,30%分布在曲靖市,昆明市和玉溪市的一般适宜地区均占17%。比较适宜地区中有39%分布在曲靖市,因此曲靖市的人居环境质量在4个城市中处于较高的位置,楚雄州和昆明市分别占了26%和21%,玉溪市占比较低仅有14%。虽然整体上研究区内的高度适宜地区较少,但是可以看出,有79%都分布在楚雄州,其次有13%分布在玉溪市,其余两市分布极少。

图7 滇中4州市人居环境适宜性不同等级分布面积占比

2.3 滇中地区人居环境适宜性与人口分布

人居环境的优劣会直接影响到人类的生存发展程度[36-37],人类在选择居住地时会倾向于自然条件优越、气候适宜、灾害风险低的地区,这些条件可以很好的通过人居环境适宜性评价展示。因此,人口分布特征与自然条件下的人居环境适宜性可以相互验证,可通过人口密度分布特征来验证滇中地区人居环境适宜性分区特征分析的科学性。

通过分析滇中地区2019年人口密度分布空间特征(图8),可以明显看出,人口密度高的区域人居环境适宜性也较高。尽管这个分布特征也受到当地经济发展、政策规划、社会文化等要素的影响,但整体上看昆明市中部地区处于人口高密度区域,该区域也属于一般适宜和高度适宜区域,同样曲靖市的人口高密度区域也是该市人居环境比较适宜区域。笔者进一步统计了不同人居环境状态下的人口数量和人口密度(表4),研究发现,滇中地区中近90%的人的都分布在临界适宜、一般适宜和比较适宜地区,这与该区域人居环境适宜性评价结果中的占比结果较为一致,区域内接近一半的地区均为临界适宜地区。而结合人口密度结果来看,尽管高度适宜地区的占地面积最小,但其平均人口密度高达143人/km2;比较适宜地区分布的平均人口密度最高,达到340人/km2,同样在空间分布上也具有高度一致性。综上,这一步分析从数量和空间上很好的验证了笔者之前人居环境适宜性评价结果的科学性。因此,关于滇中地区人居环境适宜性评价的研究结果可以帮助政府更科学的制定战略来优化人口分布,并提高居住质量,并实现社会经济的可持续发展。

表4 不同人居环境适宜性等级下的人口数量和人口密度

图8 2019年人口密度(a)和人口数量(b)分布图

3 结论

研究借助地理信息系统(GIS)技术,以1 km×1 km栅格为基本研究单元,首先从地形、气候、水文、地被4个要素,分别定量分析了滇中地区的人居环境自然指数单要素,然后在此基础上构建了人居环境适宜性综合评价模型,进一步揭示滇中地区整体与分地市尺度的人居环境适宜性空间分布特征。同时,通过人口分布特征进一步验证了人居环境适宜性结果的科学性。主要结论如下:

(1)基于地形、气候、水文和地被单因子自然适宜性评价结果表明:地形起伏度指数为0.43～6.67,以一般适宜地区为主要空间分布特征,占总面积的79.92%;气候适宜性评价中比较适宜地区面积占总面积的80.57%,主要位于区域中部和东部;水文适宜性评价结果中也是比较适宜地区的范围最大,占总面积的84.85%;区域整体的地被适宜性较高,以高度适宜为主要特征,占总面积的66.5%。因此地形是该区域人居环境适宜性的主要限制要素;区域内独特的地形和气候要素导致了自然适宜性的空间分布特征整体比较破碎,西部和北部适宜性较低。

(2)人居环境适宜性综合评价研究表明,区域整体的人居环境状况较好,人居环境指数处于11～93之间。受地形的影响,空间上呈现片状分布的特征,不适宜地区面积较小,以临界适宜和一般适宜地区为主要特征,占总面积的80%以上;分州市评价结果中,4个州市基本都以一般适宜和比较适宜地区为主要特征,两种类型土地面积占比均超过了50%;不适宜地区较多分布在昆明市,高度适宜地区较多分布在楚雄州,但面积很小;曲靖市的人居环境适应性评价结果相对好一些。

(3)通过对比分析滇中地区人口密度空间分布与人居环境适宜性分布特征,表明人口分布与人居环境适宜性在空间分布上存在较高的一致性,该区域有近90%的人的都分布在临界适宜、一般适宜和比较适宜地区。

研究结果借助自然要素对人居环境进行综合评价,有助于滇中地区可持续发展战略,保护当地生态系统,指导人类活动与自然环境和谐共处。但同时该评价可能会过于侧重自然要素而忽略社会经济和文化要素的影响,需要在未来进一步丰富人居环境适宜性评价的指标体系。