李心如，支瑞荣，李远华

（1.吉林大学 地球探测科学与技术学院，吉林 长春130021；2.河北省水文工程地质勘查院，河北 石家庄050021）

改善农村人居环境，建设美丽宜居乡村，是实施乡村振兴战略的一项重要任务，事关全面建成小康社会，事关广大农民根本福祉，事关农村社会文明和谐。美丽宜居乡村建设要以优良的生态环境为前提，以多功能产业为支撑，以乡村文明为依托。如何对现有的农村人居环境进行准确合理的评价才能有利于更好地改善农村人居环境是需要进一步思考的问题。因此，构建一个合理的山区农村人居环境的评价指标体系是对农村人居环境进行合理评价的前提，也是本文主要研究的内容。

在现有山区农村人居环境评价的研究中，传统方法主要采用统计方法[1-2]，从公共设施、植被比例、经济发展等方面[1-5]进行评价，有空间上未得到展开，不能反映研究区的地理空间特性情况。此外，利用遥感数据和GIS 技术开展生态环境研究[6-10]以及城市人居环境评价[11-14]相对较多，而针对山区人居环境遥感应用研究相对较少[15-17]。在山区人居环境研究方面，有学者针对山区人居环境，考虑地形与人口关系，用DEM 提取地形起伏度，高程等，用GIS 方法分析与人口关系[15]，还有通过考虑人居住建设、生态环境和社会经济方面，采用AHP 方法进行评价的研究[16]。总体来说，当前山区人居环境评价依然是以传统统计评价方法为主，同时遥感与GIS 在环境指标获取、城市环境分析等领域应用日益广泛，但是其在山区人居环境调查、评价方面的参与度非常低，如何在山区人居环境评价方面贡献更多的遥感与GIS 智慧技术，是值得深入研究的一个课题。

因此，为了将遥感和GIS 应用到山区人居环境评价中，本文首先分析山区人居环境的影响因素，同时分析这些影响在空间上是否可以通过遥感和GIS 进行定量化的获取和分析。基于遥感监测的可行性，围绕“以人为本”的山区生存条件、生活条件、生态条件构建综合评价模型，确定空间上可量化的环境要素、评价指标的遥感提取方法和相应指标的计算公式。最后，采用综合评价方法实现多图层的山区人居环境空间评价，为遥感与GIS 深层次参与山区人居环境评价奠定基础。

1 山区农村人居环境空间综合模型

1.1 山区农村人居环境影响因素分析

已有研究表明农村人居环境是指农村人口聚集生活的地方。农村人居环境的核心是“人”，农村人居环境的研究以满足“农村人口居住”需要为目的，要有充分的阳光、绿色植被、空气和水的健康安全住所；能有效避免噪音、大气和水质污染的居所；在能满足当前发展及将来发展之间取得平衡，且利于农村人口身心健康的居所[18]。

首先，良好的人居环境需要适宜的生存条件，一般来说生存条件需要有充足的水源条件、良好地修建住房的条件以及满足居民所需的耕地等，同时这些条件往往与地形地貌、水文、地质背景等因素息息相关；其次，适宜的人居环境还需要适当的生活条件、较高的生活水平，主要体现在交通道路的便捷性、健全的公共设施条件、经济的发展情况等方面；最后，当上述条件满足后，还需要在更高层次的生活质量保障上得到满足，包括绿色植被的覆盖、环境质量的进一步优化等。这三方面条件，包括具有非常明显的地理空间特性的相关因素，遥感与GIS 可以获取和处理相关数据，可作为山区人居环境评估的新技术手段。

1.2 山区农村人居环境定量要素分析

根据上述的山区人居环境评价思路，需要一系列空间数据的支持。结合遥感与GIS 可定量获取和表达相关数据：首先，需要数字高程模型（DEM）数据，可用来提取与地形有关的参数和水文安全信息；其次，高分辨率的遥感影像是必不可少的，主要用于解译获取居民地、耕地、林地、公共设施等数据；最后，还需要依靠百度地图搜索并获取医院、商场、机场、火车站的位置及其到达研究区的时间等公共地理信息数据。

1.3 综合评价模型与指标体系

结合分析，山区人居环境综合定量空间评价模型由生存因素、生活因素和环境因素三个方面组成。生存方面主要考虑安全条件和物质条件两方面：在安全方面考虑到洪水威胁、地质灾害和野生动物威胁等情况，对于洪水威胁，可根据DEM 数据提取地形水文等信息，从而构建水文安全指数；大型地质灾害较少发生，野生动物一般有其保护区，威胁性较小，因此这两方面可以暂时忽略。在物质条件方面，首先需要考虑人类生存所需的吃饭问题，即附近的耕地是否满足居民的需求。然而，当耕地面积占比较大，其他要素如林地的占比就会减少，生态环境质量就会下降；当耕地面积占比比较小时，居民区附近的耕地面积也相对小，居民要去更远的地点进行耕种。因此，综合比较，耕地面积占比需要在一个合适的范围区间，可根据遥感提取耕地信息，进行GIS 缓冲区及图层叠加等操作，计算缓冲区内的耕地占比，构建耕地布局指数；物质方面还包括房屋居住条件、交通工具的种类等情况，在后续研究中可以进一步探讨。

在生活因素方面可概括为基础条件、经济条件和休闲条件三方面。其中基础条件主要包括出行便捷程度、卫生污水排放以及通信发展水平等。其中出行便捷程度可以通过遥感数据和公共地理信息数据获取道路，计算道路到达医院等目标地点的时间成本，根据GIS 空间插值构建交通便捷指数进行衡量；其余因素与空间关联性较小，可以暂时忽略。经济条件包括人均GDP 等指标，与空间分布关系不大，此处暂时忽略。在休闲方面考虑室外休闲公共设施分布、各类娱乐场所等条件，使用遥感数据获取公共设施场地，采用GIS 缓冲区功能，构建公共设施指数评价休闲条件。

在环境因素方面主要考虑绿地条件和其他资源条件。其中绿地覆盖条件可根据GIS 进行图层叠加和缓冲区操作构建植被覆盖指数进行量化；其他资源指标有待进一步优化。相关模型及指标如图1 所示。

图1 综合模型及评价指标

2 技术路线与关键技术

2.1 技术路线

合理分析影响山区农村人居环境的生存水源、植被耕地、交通设施等因素，根据较高分辨率的遥感影像数据提取植被、耕地、路网、公共设施要素，利用DEM 数据进行水文、高程等要素的提取与分析。根据所提取的要素，以居民区为中心建立缓冲区，并在空间上计算缓冲区内的各要素占比，进行植被覆盖指数、水文安全指数等人居环境空间指数的构建形成山区人居环境空间模型。最后，结合研究区地形地理现状，确立各指数的权重，将各指数进行归一化且进行线性组合获得综合评价指数，根据综合评价指数的结果获取各居民区的人居环境质量情况，并且将综合指数的最终结果进行等级划分以及制图表达，以便于进行直观的综合分析评价，技术路线如图2 所示。

图2 技术路线图

2.2 数据处理及信息要素提取

确定山区农村人居环境的影响因素之后，利用较高分辨率遥感影像的监测性结合百度地图影像，提取研究区的交通路网，并将主路和支路分别表示，结合遥感影像特征提取研究区范围内的其他地理要素：居民区、林地、耕地、公共设施以及其他五类要素。同时选择同一地区的高分辨率的DEM（数十米级）数据进行水文要素的提取，根据研究区的平均海拔，选择略大于海拔的高度，在ArcMap 中对DEM 数据进行水文分析，得到水位为一定高度时的水淹模型。

2.3 评价指标的提取方法

将居民区的面文件转为点文件（居民点），并以居民点为中心构建半径为r 的缓冲区，计算缓冲区的面积为S1。分别将缓冲区与耕地、林地、公共设施等解译数据进行图层叠加，获取居民区一定范围缓冲区内的各指标参数。模型的各指数构建原理如下：

水文安全指数H：根据研究区范围的平均海拔高度，由ArcGIS 计算得出水位略高于平均海拔时的水淹模型，通过裁剪获得各个居民区的水文分析结果，并根据公式（1）将所得分析结果进行归一化，h 为海拔高度，可由DEM 数据直接获取，hmin为最低海拔，hmax为最高海拔，指数越大，说明容易发生水淹的概率越小，水文安全程度越高。

交通便捷指数T：由于主路的通达性优于支路，因此主要研究主路的通达性即可。通过百度地图显示的到达重要目的地（医院、商场、火车站和机场）所花费的时间，沿主要公路及其周围绘制若干个重要节点，预测计算节点到达重要目的地的时间，并根据时间对整个研究区进行空间插值及趋势面分析，得到研究区到达重要目的地所需的时间time，其中timemin为最短时间，timemax为最长时间，使用居民区对趋势面进行矢量裁剪，得到各居民区到达重要目的地的时间，并根据公式（2）将结果进行归一化，计算交通便捷指数T，T 越大说明交通越便捷，如图3显示为到达医院的交通便捷程度。

图3 研究区内到达医院的道路通达性

植被覆盖指数P：将解译的林地与缓冲区进行叠加（图4），计算缓冲区内的林地区域面积S2，根据公式（3）计算各个居民区的缓冲区范围内的植被林地占比rp，并根据公式（4），将结果归一化，计算得出植被覆盖指数P，林地的占比越大，植被覆盖指数P 越大，说明绿地生态环境越好，人居环境越适宜。

图4 林地与居民点缓冲区叠加过程

耕地布局指数F：与植被覆盖指数同理，将耕地区域与缓冲区进行叠加，计算缓冲区内耕地面积S3，根据公式（6）计算各个居民区的缓冲区范围内的耕地面积占比rf，定义变量rfa 为耕地面积占比rf 与标准耕地面积占比的差的绝对值，rfa 的结果越接近于0，说明耕地的面积占比越接近标准耕地面积占比结果，耕地布局情况越好，并根据公式（7），将结果rfa归一化，并计算得出耕地覆盖指数P（示意图如图6）。

图5 植被覆盖指数计算示意图

图6 耕地布局指数计算示意图

资料显示，人均耕地面积x1为1333 平方米，若建立的缓冲区半径R 为500 米，一个小型村落人数n 在100人左右，根据公式（8）计算得出居民区周围缓冲区平均耕地占比avg1约为0.17，根据公式（6）计算实际研究区的平均耕地占比，进行比较，若相差无几，可选择实际平均值作为标准值，计算结果F 越大，耕地布局效果越合理。

公共设施指数M 的计算与植被覆盖指数同理，即计算缓冲区内公共设施面积的占比，M 越大，说明公共设施面积越大，休闲娱乐的范围越广。

图5 的深色区域为林地与缓冲区叠加重合的部分，其面积分别为VS1，VS2，VS3，居民点A 的缓冲区面积为S1，计算A 居民区的林地占比rpA 则为：

最后进行综合分析。结合各种反映人居环境质量的指数，根据研究区的地形特点以及其重要程度确定各自的权重mi（i=1，2，3，…，8，mi∈[0，1]），Indexi为各个评价指标，根据公式（10）计算研究区的综合评价指数S。

水文安全指数、植被覆盖指数、耕地布局指数等指标将影响人居环境的抽象因素进行具体量化，指数越大，说明该指标效果越好，并且根据研究区的特点赋予各指标权重，通过线性组合实现了山区人居环境综合定量评价模型的建立。该模型的得分越高，说明该地区的人居环境越好。

3 实验与分析

3.1 研究区概况

通过技术实践可以验证模型方法的合理性。本文选择河北省承德市宽城满族自治县北部的部分村庄作为研究区。其位于河北省东北部，承德市东南部，附近山体分布较多，有明显的山谷，地理位置位于北纬40 度30 分至北纬40 度50 分，东经118 度20 分至118 度30 分范围内，该地区村庄较分散，且多分布于公路附近，整体植被覆盖较多，平均海拔300 米~400 米，是良好的研究区，其地区范围与地理位置如图7 所示。

图7 研究区遥感影像图

3.2 实验分析

根据遥感影像和DEM 数据，对研究区进行地理要素解译，如图8 所示，同时利用ArcGIS 进行居民点的缓冲区的建立，叠加分析以及栅格运算，获得综合评价结果。根据研究区的平均海拔，选择600 米高度建立水淹模型，如图9 所示；以500 米为缓冲半径，建立以居民区为中心的缓冲区，研究区内有两条主路，因此探究这两条主路到达目的地的通达性，并进行综合计算获取研究区的人居环境空间指数。

图8 地理要素解译

图9 水文风险提取

对于本研究区，根据公式（6）计算各居民区的缓冲区范围内的耕地面积占比rf 的平均值avgrf约为0.16，与理论值0.17 相近，因此以avgrf（0.16）作为标准耕地面积占比，大于或小于此数值，则视为耕地布局情况在下降，因此计算rf 与avgrf差的绝对值rfa，将其代入公式（7）计算得到耕地布局指数。通过计算得到各指标所反映的人居环境情况，如图10 所示，为各指标的显示结果。

对于山区人居环境而言，到达医院的交通便捷性是最为重要的，其指数TH的权重设为0.30，满足日常所需的商场的交通便捷指数TM设为0.20，到达火车站、机场的交通便捷指数TT、TP均设为0.15；考虑到人居生态环境的优化，因此将植被覆盖指数P 的权重设为0.10；然而对于水淹的安全性和耕地布局情况，对于此研究区而言，其基本影响不大，因此将水文安全指数H 和耕地布局指数F 的权重均设为0.05；公共设施面积数量少，暂时不加以考虑，权重设为0（表1）。最终通过栅格计算器得到综合评价结果图。结果的范围在0.305043-0.779221 之间，选择适当的分割点进行分类，将整个研究区分为三个等级，分别为良好（大于0.6）、较好（0.43-0.6）、一般（小于0.43），最后将所得结果的空间图形信息进行显示表达，如图11，图12 所示。

表1 各指标权重分配表

图11 人居环境综合评价结果图

图12 各居民区等级划分显示图

根据实验结果表明，研究区南部的居民区由于其地处平原，距离水源较近，道路交通发达，周围靠近城市居民分布群，多为“良好”等级；中部地区水源、道路、林地等条件适中，此区域显示“较好”等级；研究区北部海拔较高，周围水源少，距离大型居民分布群较远，与外界交流较少，因此其人居环境处于“一般”水平。

因此，根据本研究建立的山区人居环境综合定量评价模型结果与实际情况基本相符，本模型可以进一步应用。

4 结论

本文研究核心是山区人居环境的遥感与GIS 定量化评价技术，围绕影响因素、评价模型、数据获取技术、评价指标量化方法等方面展开了系列研究，并将技术方法在河北省承德市宽城满族自治县的山区进行了技术实践的验证，山区人居环境综合定量评价模型结果与实际情况基本相符，技术方法可行。通过本次研究取得以下认识：

（1）山区农村人居环境首先要考虑生存环境、生活条件、生态资源等关键因素，在此基础上可采用遥感技术提取地表相关数据，采用DEM 分析地形和水文条件，进行辅助安全性参数的获取，从而为定量评价提供可量化的空间评价参数，突出评价模型的客观性。

（2）山区人居环境模型可以从生存基础、生活质量、环境质量三个核心因素考虑。又可进一步分为“安全条件、物质条件、基础生活条件，休闲条件、环境条件”等方面，其中，水文安全、耕地布局、交通便捷度、公共设施、周边植被覆盖情况等可以利用遥感与DEM 数据结合GIS技术实现量化提取与分析。舍弃不可量化的部分经济或人文指标，从而可以实现基于空间数据的客观评价。

（3）要想实现空间量化指标的提取，首先要利用遥感、DEM 等数据提取地表要素和地形、水文信息，在此基础上借鉴GIS 缓冲区及空间权重插值思想，以居民区为中心提取距离为r 的缓冲区，然后将其与提取的空间数据进行空间判断，从而实现待分析数据在居民区周围的空间分布量化计算，能更好地体现以人为本的空间评价思想；针对便捷性指标的计算，根据所研究的评价区域到目标地点（例如县医院、大型中心商场等）的线性距离计算成本时间，最终确定其空间评价值。最后，按照重要程度为各指标赋予权重，可采用综合评价法对空间图层进行权重计算，从而实现山区人居环境的量化评价。

（4）更高分辨率的遥感影像可以提取更多的与山区人居环境有关的空间数据，加入更多可量化空间指标以进一步提高模型的合理性。此次工作中的指标还不够完备，在将来的工作中会进一步地研究。