基于栅格尺度的穆棱市自然环境适宜性评价研究.docx

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基于栅格尺度的穆棱市自然环境适宜性评价研究

基于栅格尺度的穆棱市自然环境适宜性评价研究

摘要：

以100m×100m栅格为基本单元，建立基于地形、气候、水文和地被的自然环境单要素评价模型和自然环境综合评价模型，系统评估了穆棱市自然环境的适宜性与限制性，定量揭示了穆棱市自然环境的地域类型与空间格局。

研究表明：

穆棱市地形起伏较小、气候偏寒、水文条件一般、地被条件区域差异较大；穆棱市自然环境以适宜性为主要特征，全区自然环境由3/4的适宜区、1/5的临界适宜区和近5%的不适宜区组成；穆棱市人口分布呈现“沿线集聚”的基本特征，全区97.5%以上的人口集中在自然环境适宜地区，2.5%人口分布在自然环境临界适宜地区，基本无居民点处于不适宜地区。

关键词：

自然环境自然适宜性GIS穆棱

自然环境是人类生存与发展的地理基础。

自然环境的好坏不仅直接关系到人的身心健康，而且间接影响人类社会进步与文明发展程度，从根本上制约着区域人口的集聚水平和分布格局。

因此，基于人口分布的区域自然环境适宜性评价在自然地理学领域有着较为广泛的研究。

王素慧等选取植被盖度为研究对象，对三江源地区植被盖度与居民点的关系做出具体分析[1]，封志明等以地形为研究对象，通过构建地形起伏度计算模型，分析了中国地形与人口分布的相关程度[2]，毛夏等选取拔海高度、建筑密度、道路密度等地理要素，分析了其与深圳城市的人口分布的关系[3]，李旭东等从贵州典型的喀斯特高原自然环境的特点出发，采用相关分析方法研究贵州高原人口分布与海拔高度以及喀斯特地质条件等主要影响因子的相关关系[4]，高星等分析了澜沧江流域的海拔、坡度、坡向、地形起伏度等自然因子对居民点分布的影响[5]。

此外，基于气候适宜性、水资源适宜性及多因子综合评价的自然环境适宜性的研究国内外亦有不少[6-13]。

自然环境自然适宜性评价是国家人口发展功能分区研究的重要组成部分，国家人口计生委于2005年启动了国家人口发展功能区研究，于2007年10月初，完成了《科学界定人口发展功能分区促进区域人口与资源环境协调发展》研究报告，2008年4月，在国家人口计生委的统一部署下，各省开展并陆续完成了省级人口发展功能区编制工作。

然而，作为对国家人口发展功能分区方案的细化和拓展，基于县市级的人口发展功能区规划研究尚属少见。

“十一五”期间，穆棱市是牡丹江市经济发展最快的县市之一，穆棱市经济的持续快速增长，带动了人口与社会经济的全面发展，也引发了人口与资源、环境的协调发展与可持续发展问题。

受穆棱市人口与计划生育委员会委托，我们在相关研究成果的基础上，开展了县级人口发展功能区规划的研究，穆棱市自然环境自然适宜性评价研究是其重要组成部分。

为了准确把握穆棱市自然环境的内部差异，研究从自然本底条件出发，以100m×100m栅格为基本评价单元，运用GIS技术和数理统计的方法，从地形、气候、水文和地被四大方面，建立自然环境单要素评价模型，定量评价穆棱市自然环境单要素的分布规律，在此基础上，构建自然环境自然适宜性综合评价1模型，定量评价穆棱市自然环境自然适宜性空间格局，为引导人口合理分布、促进人口合理布局，实现人口与资源、环境的协调发展和可持续发展提供决策支持和政策建议。

1数据来源与研究方法

1.1研究区概况

穆棱市地处我国北部边疆地区（图1），是牡绥地区国家级重点开发区、东北振兴产业带、哈－牡－绥经济发展轴、牡丹江市边境贸易区的重要组成部分。

穆棱是黑龙江省25个边境县（市）之一，辖6镇2乡、141个行政村，全市土地总面积6187平方公里，占牡丹江市的15.2%；2011年末人口29.6万，占牡丹江市的11%，人口密度为每平方公里47人，是黑龙江省一个土地辽阔、人口稀少、极富发展潜力的边境城市。

穆棱市地处温带大陆性季风气候区，气候寒冷。

位于长白山脉地区，低山丘陵广布。

穆棱市水资源丰富，穆棱河由南向北纵贯全市。

穆棱市自然环境受到多要素限制，自然环境的适宜性和限制性决定了穆棱市人口分布的基本格局。

1.2数据来源与研究方法

研究所需的数据主要包括两类，一是表达区域自然环境的地形、气候、地被和水文数据；二是表达区域人文环境的人口密度栅格数据、居民点分布和行政区划的数据。

涉及到的数据分别是表达地形的数字高程模型数据（DEM）、气象台站数据、土地利用数据、归一化地被指数（NDVI）数据、人口密度栅格数据以及穆棱市的基础地理数据。

其中表达地形的数字高程模型数据来源于美国航天飞机用雷达测图技术得到的数字地表高程模型（DSM），通过InSAR干涉技术得到的DEM，即STRMDEM，将该数据进行ALBERS等积圆锥投影（Krasovsky_1940_Albers）（标准纬线：

25o，47o，中央经线：

105o，投影原点纬度：

0o，单位：

米）变换，并进行重采样后为100m×100m。

穆棱及周边市县14个气象台站多年逐月温度、相对湿度、降水等数据来自于牡丹江市气象局，分别采用梯度距离平方反比法和克里格法对温度和湿度、降水进行插值，获取了100m×100m栅格数据。

土地利用数据基于2010年穆棱市LandsatTM遥感影像解译获得，空间分辨率为30m×30m，NDVI数据源于MODIS植被指数（MODIS13Q1）数据集，时间分辨率为16天，空间分辨率为250m×250m，通过重采样为100m×100m的空间分辨率。

人口密度栅格数据由国家科学数据共享工程——地球系统科学数据共享网提供，栅格尺度为1km×1km。

居民点分布和行政区划的数据来源于穆棱市地形的纸质地图，经过扫描、数字化、投影获得。

以此为基础，选取地形起伏度、温湿指数、地被指数和水文指数四个指标进行定量计算和适宜性评价，然后，依据各指标与人口分布的相关程度赋权叠加构建自然环境指数，综合表达穆棱市人口发展的自然本底与环境基础。

工作流程如图2。

2穆棱市自然环境单要素评价

2.1地形条件及其空间格局

地形起伏度，又称地表起伏度，是区域海拔高度和地表切割程度的综合表征。

地形起伏度不仅是国内外地貌类型划分的重要指标与区域资源环境评价的基本要素，也是区域自然环境自然适宜性评价的主要因子之一。

参考相关地形起伏度的计算模型［2］，文中将地形起伏度定义为:

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，根据穆棱市的地形地貌特征，本研究确定1km×1km为区域单元，即A值为1km2。

穆棱市地形起伏度计算结果表明（图3），穆棱市地形起伏度介于0.25～2.29之间，地形整体起伏不大，且内部差异不明显。

从空间分布上看，穆棱市的地形起伏度高值区集中分布在南部和东北部山区，共和乡是穆棱市平均地形起伏度最高的乡镇，穆棱市政府所在的八面通镇是平均地形起伏度最低的乡镇。

为了厘清穆棱市地形起伏度与其分布面积的关系，本文绘制了地形起伏度与面积的累计频率曲线（图4）。

由图4可知，穆棱市的地形起伏度取值范围较窄，当地形起伏度为0.5，即0.5个基准山体高度时（相对高差不超过100m），累积频率不足4%；当地形起伏度达到1.0时，即1个基准山体高度时（相对高差不超过200m），累积频率达到55%；而当地形起伏度达到1.5，即1.5个基准山体高度时（相对高差不超过300m），累积频率达到95%，说明穆棱市大部分地区的地形起伏度仅集中在0.5-1.5之间，起伏剧烈区域极少，地形整体较平坦。

2.2气候条件及其时空格局

气候条件是区域人居自然环境的重要组成因子，气候对人类活动的影响通常用气候适宜度来表示，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感的一项生物气象指标。

文文采用温湿指数作为穆棱市自然环境气候适宜性评价的标准[9]。

其计算公式为：

式中，t为月均温（℃），f是月均空气相对湿度（%）。

穆棱市温湿指数计算结果表明（图5）：

依据全年平均值，穆棱市全市范围的温湿指数介于45到50之间，穆棱市气候整体条件偏冷，内部区域差异不大，总体上呈现由穆棱河向东西两侧逐渐减小的趋势。

依据各月温度和相对湿度的多年平均值，穆棱市各月温湿指数如图6所示，根据月平均温湿指数生理气候评价指标分级标准（表2）[9]，每年11月至来年3月，温湿指数小于40，气候极冷，人体感觉极不舒适；4月和10月，温湿指数介于45-55之间，气候偏冷，人体感觉较舒适；5月和9月，温湿指数介于55-60之间，气候清爽，人体感觉舒适；6月、7月和8月，温湿指数介于65-70之间，气候较暖，人体感觉舒适。

由此可见，尽管依据全年平均值，穆棱市整体气候较舒适，但各月气候条件差异明显，每年11月-3月，穆棱市气候极不舒适，4月-10月穆棱市气候舒适，适宜人类生活和居住。

2.3水文条件及其空间格局

水是人类生存和进行生产活动最基本的物质条件之一，参考国家人口发展功能分区技术导则中水文指数的研究方法，文章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：

式中，WRI为水文指数，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。

穆棱市100m×100m水文指数空间分布结果显示（图7），穆棱市的水文条件一般，水文指数最高值为88，水文指数平均值为28.9，略低于全国平均水平（全国平均值为32）。

就空间分布状况来看，穆棱市自然环境的水文条件地域差异较大，整体分布由东向西呈递增的趋势。

2.4地被条件及其地域特征

植被在人居自然环境中扮演着重要角色，在某种程度上植被覆盖的状态可以说是自然环境优劣的指示剂。

参考国家人口发展功能分区技术导则中地被指数的研究方法，结合穆棱市土地利用与土地覆被的实际情况，文章构建地被指数来表征穆棱市不同地区地表植被的覆盖状况[13]，其定义为：

LCI=（NNDVI×NLTi）/2i=1,2…5（5）

公式（4）中，LTi为以某一栅格单元为中心一定区域的土地利用类型指数，Li为该区域内的第i种土地利用类型指数，Ai为该区域内第i种土地利用类型的面积，A为区域总面积，i=1,2…5，分别代表了耕地、林地、草地、水域、建设用地5大主要土地类型。

公式（5）中，LCI为地被指数，NNDVI为该单元格标准化后的归一化植被指数，NLTi为归一化后的土地利用类型指数。

各用地类型的权重采用专家打分法确定。

穆棱市100m×100m地被指数计算结果表明（图8），穆棱市地被指数的最高值达到全国最高水平（全国最高值为100），全市近62%的区域地被指数大于50。

穆棱市地被指数区域差异较大，以穆棱镇中部为界，北部地被指数较高，南部地被指数较低，共和乡团结水库周边也是地被指数高值集中区域。

就空间分布情况而言，穆棱市自然环境地被适宜区总体上呈现明显的沿穆棱河河谷地段分布的格局。

3穆棱市自然环境综合评价

在对穆棱市自然环境自然适宜性单项要素进行系统评价的基础上，文章根据各单项要素适宜性的分布特征与规律，参考国家人口发展功能分区技术导则，构建了自然环境指数模型[13]：

式中：

NEI为自然环境指数，介于0～100；NRDLS为标准化地形起伏度，NTHI为标准化气候适宜度，NWRD为标准化水文指数，NLCI为标准化地被指数，α、β、x、和δ分别为自然区地形起伏度、温湿指数、水文指数和地被指数对应的权重。

各单项指标的权重根据其与人口密度的栅格数据做相关性大小采用相关系数权重法获得，经相关性分析，地形、气候、水文和地被与人口的相关系数分别为-0.67、0.45、0.78、0.53，标准化处理后，α、β、x、和δ分别取值为0.3、0.2、0.3、0.2。

穆棱市自然环境指数计算结果表明（图9），穆棱市自然环境指数介于15～82之间，平均值为56，人居自然环境差异显著，穆棱河两岸、河谷盆地及平原地带自然环境指数较高，西南部自然环境偏低。

参考国家人口发展功能分区技术导则及穆棱的自然环境特征，文章将穆棱市自然环境适宜性划分为不适宜地区、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5类，结果如表5、图10和图11所示。

具体而言：

（1）自然环境不适宜地区，是指不适合人类长期生活和居住的地区。

穆棱市仅有少量自然环境不适宜区，其面积为278.42km2，仅占穆棱市总面积的4.5%。

这些自然环境不适宜区主要分布于福禄乡和共和乡境内，面积分别为135.44km2和89.73km2，分别占不适宜地区的48.7%和32.2%。

（2）自然环境临界适宜地区，是自然环境适宜与否的过渡区域。

穆棱市自然环境临界适宜区面积为1150.78km2，占穆棱市总面积的18.6%。

穆棱市自然环境临界适宜区主要分布于共和乡和福禄乡境内，其面积分别为412.37km2和322.88km2，分别占临界适宜地区的35.8%和28.1%。

（3）自然环境一般适宜地区，土地面积2934.49km2，约占全市总面积的47.43%。

自然环境一般适宜区在各乡镇分布差别较大，其中共和乡和穆棱镇分布较多，面积分别为644.24km2和642.43km2，分别占一般适宜地区总面积的22.0%和21.9%；下城子镇和马桥河镇分布较少，面积分别为208.04km2和199.85km2，分别占一般适宜地区总面积的7.1%和6.8%。

（4）自然环境比较适宜地区，土地面积1578.301km2，约占全市总面积的25.51%。

自然环境比较适宜区在各乡镇分布差别也较大，其中穆棱镇和河西镇分布较多，面积分别为353.76km2和317.55km2，分别占比较适宜地区总面积的22.4%和20.1%；下城子镇和八面通镇分布较少，面积分别为94.83km2和84.44km2，分别占比较适宜地区总面积的6.0%和5.4%。

（5）自然环境高度适宜地区，土地面积245.01km2，约占全市总面积的3.96%。

主要分布在穆棱市北部的福禄乡、河西镇和八面通镇，面积分别为58.90km2、51.27km2和42.50km2，分别占高度适宜地区总面积的24.1%、20.9%和17.3%；兴源镇和下城子镇也分布有较多的高度适宜区，面积分别为28.88km2和27.35km2，分别占高度适宜地区总面积的11.8%和11.2%。

由上述分析可以看出，穆棱市自然环境以适宜为主，包括高度适宜区、比较适宜区和一般适宜区3类，总面积4757.80km2，约占全市总面积的76.9%。

4穆棱市自然环境与居民点分布关系分析

在分析穆棱市自然环境自然适宜性空间分布规律的基础上，本文将评价结果与穆棱市居民点空间分布数据进行了叠加分析，以期揭示自然环境条件对人口分布的影响。

结果表明自然环境条件是影响人口分布的重要因素，穆棱市人口明显集中分布于自然环境适宜程度较高的地区。

具体而言：

穆棱市322个居民点中，仅有8个居民点分布于自然环境临界适宜区，占居民点总数的2.5%，这8个居民点分别为南屯子村、五号桥村、自兴林场、十文字道班、南金厂、徐家、新八家子和五合；119个居民点分布于自然环境一般适宜区，占居民点总数的37.0%；135个居民点分布于自然环境比较适宜区，占居民点总数的41.9%；60个居民点分布于自然环境高度适宜区，占居民点总数的18.6%。

5结论与讨论

文中以100m×100m栅格为基本单元，建立基于地形、气候、水文和地被的自然环境单要素评价模型，定量计算了穆棱市栅格尺度的地形起伏度、温湿、水文指数和地被指数，评价了基于地形、气候、水文和地被的单要素自然环境自然适宜性；在此基础上，构建自然环境指数综合计算模型，全面评价了穆棱市人居自然环境的适宜性与限制性，定量揭示了穆棱市自然环境的地域类型与空间格局。

主要结论如下：

（1）穆棱市自然环境单项因素评价结果表明：

穆棱处于低山丘陵地带，地形整体起伏不大；气候条件整体偏寒，全区11月～3月气候极冷，人体感觉极不舒适；水文条件一般，整体分布由东向西呈递增的趋势；穆棱市地被指数区域差异较大，高值集中在沿穆棱河河谷地段。

（2）穆棱市自然环境以适宜性为主要特征。

研究表明，穆棱市自然环境由3/4的适宜区、1/5的临界适宜区和近5%的不适宜区组成，适宜性较强。

穆棱河两岸、河谷盆地及平原地带多属于自然环境适宜地区；临界适宜地区和不适宜区多位于山地丘陵地带。

福禄乡和共和乡人居自然环境居后，马桥河、河西和八面通镇为穆棱市自然环境排名靠前。

（3）穆棱市人口分布呈现“沿线集聚”的基本特征。

全区97.5%以上的人口集中在自然环境适宜地区，2.5%人口分布在自然环境临界适宜地区，基本无居民点处于不适宜地区。

穆棱市自然环境自然适宜性评价结果表明，穆棱市自然环境的适宜性与限制性决定的其人口分布“沿线集聚”基本格局短期内难以改变。

由此我们认为，从人与自然和谐发展的角度出发，穆棱市未来的人口发展应该根据不同地区自然环境的适宜性特征，实施差别的人口发展战略，促进人口合理分布，引导人口合理布局。

具体而言，在自然环境不适宜地区，应该根据自然环境的不宜性和限制性，科学规划“无人区”，实施围封转移战略，点状开发，集中安置，促进自然环境不适宜地区的自然保护与生态恢复。

逐渐撤销和迁移自然环境不适宜和临界适宜区的村庄，使其向中心村集中，并加快中心村的现代化建设。

倡导并实施土地利用由分散式逐步向“集中式”转移，即“产业向园区集中，农民住房向城镇、中心村集中”，首先要鼓励农村人口向建制镇和中心村迁移，逐步集聚各自然村人口，撤销偏、小、远及布局不合理的自然村，合理调整村庄的总体布局，使单个村庄具备一定的规模，产生较大的规模效益，从而更有利于未来的村镇公用设施建设和经济的进一步发展。

参考文献

[1]王素慧,贾绍凤,吕爱锋.三江源地区植被盖度与居民点的关系研究[J].资源科学.2012,34（11）:

2045-2050.

[2]封志明,唐焰,杨艳昭,等.中国地形起伏度及其与人口分布的相关性[J].地理学报.2007,62（10）:

1071-1082.

[3]毛夏,徐蓉蓉,李新硕,王煜,李程,曾波,何宇华,刘锦泉.深圳市人口分布的细网格动态特征[J].地理学报.2010,65（4）:

443-453.

[4]李旭东,张善余.贵州喀斯特高原人口分布的自然环境因素——主要影响因素研究[J].干旱区研究.2007，24

（1）:

120-125.

[5]高星,姜鲁光,张蓬涛.澜沧江流域居民点空间分布格局及影响因素研究[J].地理空间信息2012,10（5）:

139-142.

[6]齐增湘,熊兴耀,徐卫华,等.基于GIS的秦岭山系气候适宜性评价[J].湖南农业大学学报（自然科学版）,2011,37（3）:

321-324.

[7]马丽君，孙根年，李馥丽，等．陕西省旅游气候适宜度评价[J]．资源科学，2007，29（6）：

40?

44．

[8]OliverJE.ClimateandMan’sEnvironment:

AnIntroductiontoAppliedClimatology[M].NewYork：

JohnWiley&SonsInc，1973．

[9]唐焰,封志明,杨艳昭.基于栅格尺度的中国自然环境气候适宜性评价[J].资源科学，2008,30（5）:

648-653.

[10]刘昌明,王红瑞.浅析水资源与人口、经济和社会环境的关系[J].自然资源学报,2003，18（4）：

635?

644.

[11]杨卫强,段汉明.基于水资源承载力的水资源、经济、人口互适性研究[J].陕西理工学院学报,2007,27（4）:

83?

88.

[12]杨艳昭,郭广猛.基于GIS的内蒙古人居环境适宜性评价[J].资源科学,2012,26（3）:

9-16.

[13]封志明,唐焰,杨艳昭,等.基于GIS的中国自然环境指数模型的建立与应用[J].地理学报,2008,30（5）:

1327-1336.

[14]国家环境保护总局.中华人民共和国环境保护行业标准:

生态环境状况评价技术规范[M].北京:

中国环境出版社，2006.