基于人居环境指数的关中-天水经济区自然适宜性评价

基于人居环境指数的关中-天水经济区自然适宜性评价

人类生活环境作为人类生活和生产的主要场所，长期以来一直受到科学家的关注。希腊学者道萨迪亚斯(C.A.Doxiadis)创建了人类聚居科学,对人类生活环境等问题作了大量基础研究。而吴良镛先生在借鉴人类聚居学的基础上,把人居环境分为五个大系统,包括人、自然、居住、社会和其它支撑系统等。文中研究的主要对象是吴良镛先生的五大系统中的自然系统,即整体的自然和生态环境。由地形地貌、植被、气候和水文等自然因子构成的人居环境,表征了区域人口发展的自然本底与环境基础。人居环境的自然适宜性不仅影响人类社会进步与人类发展水平,而且直接关系到人的身心健康和生活质量。因此,在为了反映不同地区人居环境自然适宜程度的基础上,建立了基于GIS的人居环境指数(HEI)。通过运用HEI模型,可以系统的评价关中-天水经济区人居环境的适宜性,为该经济区人口空间规划和基于人口发展的土地功能规划提供一定的科学依据和决策支持。1研究方法和数据来源1.1地理单元区域关中-天水经济区包括陕西省西安、铜川、宝鸡、渭南、咸阳、杨凌、商洛四县(商州区、洛南县、丹凤县、柞水县)和甘肃省天水所辖行政区域。总面积约8.01万km2,2008年末总人口为2863.33万人。文中涉及的栅格数据的单元格大小为100m×100m,在进行窗口分析时,所开辟的单元大小为1km×1km,可以满足1km2、县域、地级市等不同空间尺度的分析,主要对县域空间尺度做了分析评价。1.2关天行政区图数字化地形图和关中-天水经济区遥感影像(TM)来自于陕西省和天水市测绘局;气象数据主要来自于陕西省气象局和天水市气象局;关天行政区划图来自于国家测绘局;人口数据由陕西省、天水市人口与计划生育委员会提供。根据研究需要,对原始数据主要进行如下几类处理:统计及观测数据空间化、栅格数据层的投影变换、遥感影像解译与NDVI提取、人居环境自然适宜性分指数及其综合指数的提取及计算、指数标准化处理等。1.3关-天环境参数及需求分析基于数字化地形图、关-天8个气象台站多年平均温度与相对湿度月值观测数据、多年平均降水与水域比例分布图、关-天遥感影像(TM)、关-天人口数据、关-天行政区划图等数据,在ARCGIS、ERDAS、GIS等技术平台的支持下,首先对矢量数据栅格化,并经过内插等到栅格数据层;对遥感影像处理,解译得到关天植被NDVI指数和土地利用类型现状;然后进行数据层投影变换,统一投影系统;再分别构建和提取地形起伏度、地被指数、气候适宜度、水文指数等表征人居环境的分指标数据层,之后进行数据层运算,得到人居环境指数数据层,并基于这些数据层和关-天人口分布数据层,进行空间分析和适宜性评价,最后得出评价结果。工作流程(图1)。2建立模型并参数2.1地形起伏度的计算RDLS=ALT/1000+{(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)分别为区域内的最高与最低海拔(m);P(A)为区域内的平地面积(km2);本项目中把坡度小于等于5°区域确定为平地;A为区域总面积。文中确定1km×1km栅格为基本评价单元,则A值为1km2。2.2土地利用类型LCI=NDVI×LTi(2)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。地被指数模型中的植被指数NDVI,基于遥感影像在ERDAS平台下提取;土地利用类型权重参照关-天经济区实际情况和国家标准获得。2.3舒适度与生物气象指标气候适宜度是以人类机体与近地大气之间的热交换原理为基础,从气象角度评价人类在不同气候条件下舒适程度的一项生物气象指标。参照体感舒适度划分标准,对温湿指数和风效指数数据层分别进行二值化,通过GIS叠合分析得到各栅格的气候舒适期,进而建立关中-天水经济区气候适宜度空间分布格局。2.3.1湿度对人体舒适度的影响温湿指数(THI,TemperatureHumidityIndex)由俄国学者提出的有效温度演变而来,它的物理意义是湿度订正以后的温度,综合考虑了温度和湿度对人体舒适度的影响。计算公式为:THI=T-0.55(1-f)(T-58)(3)T=1.8t+32(4)式中:t为月平均气温(℃),T是月平均华氏温度(°F),f是月平均空气相对湿度(%)。2.3.2平均风速5计算公式为:K=−(10V√+10.45−v)(33−t)+8.55s(5)Κ=-(10V+10.45-v)(33-t)+8.55s(5)式中:t为月均摄氏温度(℃);v是地面以上10m高度处的平均风速(m/s);s是日照时数(h/d)。2.4水文指数wri选取年均降水量和水域面积两个指标,采取加权求和的方法构建水文指数模型。具体模型如下:WRI=α·P+β·Wa(6)式中:WRI为水文指数;P为归一化的年均降水量;Wa为归一化的水域面积;α和β分别为年均降水与水域比例的权重,α取值0.8,β取值0.2。2.5inlci人居环境指数(HEI)计算公式如下所示:HEI=αi×NRDLS+βi×NTHI+xi×NWRI+δi×NLCI(7)式中:HEI为人居环境指数,介于0-100;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、x和δ分别为地形起伏度、温湿指数、水文指数和地被指数对应的权重,根据各单项因子与人口密度的相关系数获得(表1)。3结果与分析3.1人口分布情况关中-天水经济区的人居环境指数介于21.51-84.62之间,整体分布态势是:从西北向东南递增。人口密度分布规律是,天水市的清水县,宝鸡市的凤县、太白县以及商洛市的柞水县人口稀少,关中北部人口较密集,关中中部人口密集,特别是西安市人口高度密集,其次是咸阳市、宝鸡市、铜川市的印台区,渭南市人口密度分布比较均匀。依据人居环境指数的高低,参照《国家人口发展功能分区》中人居环境分区标准,并结合该研究区地域特征,将关中-天水经济区分为四类人居环境适宜性程度不同的区域,分别是临界适宜区、一般适宜区、比较适宜区和高度适宜区(表2、图2)。(1)水经济区人口分布主要分布商洛市丹凤县南部,面积0.0035万km2,占关中-天水经济区总面积的0.04%;相应人口为0.36万人,占该经济区总人口的0.02%;人口密度为103人/km2。该区气候宜人,降水充沛,植被茂盛,利于人的身心健康,适宜人类常年生活和居住。(2)地区人口密度现状主要包括商洛四县的其它地区、渭南市南部、西安市南部、咸阳市中南部以及宝鸡市的大部分地区,面积约3.43万km2,占总面积的42.74%;相应人口约1147.23万人,占总人口的40.06%;人口密度约为334人/km2。本区的关中平原南部是关中-天水经济区人口最为密集的区域,综合条件较好,较适宜人类常年居住。(3)中小型地区基本情况主要包括天水市中东部、咸阳市北部、铜川市、西安市市区以及渭南市北部等地区,总面积约4.19万km2,占52.35%;相应人口约1607.13万人,占关中-天水经济区总人口的56.13%;人口密度约为383人/km2。(4)人居环境适宜地区分布主要分布在天水市的武山县、甘谷县以及秦安县西北部,还包括张家川回族自治县的东北部小部分区域,总面积约0.39万km2,占4.87%;相应人口约108.61万人,占关中-天水经济区总人口的3.79%;人口密度约为278人/km2。本区域受降水、植被、水文条件的限制较大,是人居环境较为恶劣的区域。综上所述:关中-天水经济区人居环境适宜地区主要包括高度适宜区、比较适宜区和一般适宜区。比较适宜区和高度适宜地区主要包括关中地区的宝鸡,西安、咸阳南部的秦岭北麓区域和渭南东部区域、以及商洛四县区等地区,总面积约3.43万km2。一般适宜地区包括关中平原腹地大部分区域和天水河谷地区,总面积约4.19万km2。临界适宜地区主要是指天水西北部的黄土高原区,面积约0.39万km2。3.2适宜性和限制性关中-天水经济区人居环境临界适宜地区主要分布在天水市的武山县、甘谷县以及秦安县西北部,还包括张家川回族自治县的东北部小部分区域,总面积约0.39万km2,占4.87%。该研究区人居环境临界适宜区的适宜性主要体现在气候和地形两方面。区内大部分地区地形起伏度介于1.50-1.86之间,海拔较高,气候处于一般适宜区,对人类生活出行以及生产并不能产生较大限制。该研究区人居环境临界适宜区的限制性主要体现在水文和地被两方面。区内大部分地区水文条件处于极差区,局部处于较差区,天然降水少,蒸发量大,气候干旱,区域集水和汇水能力弱,极大地限制了天然植被和人工植被的生长;区内大部分地区地被指数介于0.08-0.17,处于地被极差区,局部处于地被较差区,植被稀少,覆盖度极低,存在大面积无植被区;严酷的降水和植被条件,严重制约着人类的农牧业生产,从而限制人口的生存与发展。4以模型叠加划分人居环借助ARCGIS平台,基于栅格叠加的思路,分别从地形、植被、气候、水文等四个方面构建关中-天水经济区人居环境自然适宜性测评指标-地形起伏度、地被指数、气候适宜度和水文指数,并予以测评;然后按照不同的测度效果要求,分别采用不同的标准化方法对四个分指数数据层进行标准化,进而按照模型叠加得到关中-天水经济区人居环境指数;最后根据国家人口功能区划方案并结合本区的特征对人居环境进行区划调整并评价,将全区划分为4个等级,即临界适宜地区、一般适宜地区、比较适宜地区和高度适宜地区。这样,既便于和国家范围的区划做对比又突出了区内差异,可以更加