基于SEM 和GIS 的人居环境自然适宜性
评价的一种方法
薛景丽，郑新奇，刘敬玉**
作者简介：薛景丽，（1985-），女，硕士研究生，主要从事GIS 及空间分析研究。
通信联系人：郑新奇，（1963-），男，博士，教授，博士生导师。主要从事GIS 开发与应用、土地评价与
规划、空间数据模型、复杂系统仿真、地理计算等研究. E-mail: zxqsd@126.com
5 （中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京 100083）
摘要：针对传统人居环境自然适宜性评价模型大多围绕人居环境的宏观影响指标进行研究，
只能处理单个因变量、不允许自变量和因变量含有测量误差、不能同时顾及因子间结构和因
子间关系、权重确定受主观因素影响较大等弊端，本文提出了将结构方程模型引入人居环境
自然适宜性评价模型的研究思路，定量研究评价模型中各影响因子的权重，以及各影响因子
10 之间的相互影响、制约作用，同时将评价模型与GIS 进行有效结合，可将评价过程与结果进
行可视化表达，为相关研究提供参考。
关键词：人居环境；结构方程；GIS；自然适宜性；评价方法
 0 引言
人居环境( human living environment)是与人类生存活动密切相关的一个多层次的地表空
间系统，它是人类在大自然中赖以生存的基地，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、支撑五大系统和全球、区域、城市、社区、建筑五大层次。1993
35 年，吴良镛、周干峙和林志群先生在国内首次提出“人居环境科学”的概念。而“人居环境”
作为学术术语在我国被正式提出是在1995 年国家自然科学基金委员会主持的“人居环境与
建筑创作理论青年学者研讨会”上。随后，“人居环境”一词在国家很多中央文件中频频出
现，可以看出人居环境已经成为国家建设的重要内容之一。很多学者也十分重视对人居环境
的研究，并取得了一系列的成果。
40 人居环境质量的评价技术与方法研究一直得到国内外包括建筑学、环境学以及地理学在
内的诸多相关学科学者的重视。吴良镛先生将人居环境系统划分为五大系统：自然系统、人
类系统、社会系统、居住系统、支撑系统。其中，人类系统与自然系统是两个基本系统，影
 响人居环境的自然因素众多，但对人居环境自然适宜性起主导作用的是地形条件、水热、气
候条件和水文状况，以及土地利用/覆盖特征。因此，很多研究从自然要素出发对人居环境
45 自然适宜性进行评价，如郝慧梅等人的《基于栅格数据的陕西省人居环境自然适宜性测评》
分别从地形条件、气候条件、水文条件和土地覆被四个方面对人居环境进行评价，评价模型
中权重的确定是由标准化后的各分指数图层与人口分布栅格数据层作相关分析获得的。周莉
等人的《基于GIS 的人居环境自然适宜性研究—以关中-天水经济区为例》选取地形、气候、
水文、植被等自然因子，建立1 km×1 km 栅格单元的人居环境基础数据库，构建了基于人
50 居环境指数的关中-天水经济区人居环境自然适宜性评价模型，模型中的权重是根据经验值
确定的。任平等人的《基于RS 和GIS 技术的人居环境自然适宜性评价-以四川省为例》中，
在建立的评价模型中，采用特尔斐法，通过对评价目标层、准则层和因子层权重进行多轮专
家打分，并按具体公式计算权重值。
综合评价是人类认识事物和进行正确决策的重要方法。在综合评价中最重要的工作之一
55 是确定各指标的权重。评价模型中权重确定方法的科学与否对评价结果将会产生很大的影
响。基于已有研究中的评价标准大多以经验值、专家打分或简单的统计回归分析来进行研究
和确定权重，受主观因素影响较大，本文提出在评价模型中引入结构方程模型的方法来对传
统评价模型进行改进，，通过建立结构方程模型，从每个评价指标对自然适宜性的因子荷载
来分析和确定其作用权重，克服了权重确定过程中的主观因素，同时，由于结构方程模型可
60 以处理多个因变量、允许自变量和因变量含有测量误差、能同时顾及因子间结构和因子间关
系、具备弹性模型设定等强大优势，将其引入评价模型可以很好地剖析影响因素之间的相互
关系，使评价过程更加严谨，评价结果更加准确。
1 研究方法
1.1 研究思路与技术路线
65 人居环境的自然适宜性随地域有的不同而差别很大。对其适宜性评价的基本思想就是将
人居环境在不同区域的空间差异性表现出来,其主要工作就是将影响人居环境自然适宜性的
各种因素因子选择出来并加以量化。首先建立人居环境自然适宜性影响因子体系；其次，确
定评价单元并运用相关数据源和方法对目标数据进行提取和量化；再次，通过建立结构方程
模型的方法确定各影响因子的权重；最后,选择适当的公式,确定研究区域的综合人居环境自
70 然适宜性综合得分，并进行可视化表达。研究的技术路线图1 所示。
 图1 技术路线图
1.2 结构方程模型
结构方程模型（Structural Equation 75 Modeling，SEM）是统计分析方法中的一种综合分析
方法，其思想起源于遗传学者Sewll Wright 在20 世纪20 年代提出的路径分析概念。在20
世纪六、七十年代，Joreskog、Kessling 等人将路径分析的思想引入到潜在变量研究中，并
同因子分析方法结合起来，形成了SEM。
结构方程模型是基于变量的协方差矩阵来分析变量之间关系的一种统计方法。通过潜变
80 量（不能够直接进行量测的量）设定测量变量,用测量变量之间的关系来间接研究潜变量之
间的关系。它允许测量变量和潜变量直接存在误差，并且可以同时处理多个变量。其计算原
理是通过联立方程组的方式来求解。结构方程的联立方程组包括两类方程：测量方程和结构
方程。测量方程描述测量变量与指标之间的关系，结构方程描述潜变量之间的关系。
⑴ 测量方程表达式：
85 x = ∧xξ +δ ; y = ∧ yη +ε
⑵ 结构方程表达式：
η = Bη + Γξ +ζ
式中： x 为外生指标组成的变量；Y 为内生指标组成的变量；Λx 为外生指标与外生潜
变量之间的关系；Λy 为内生指标在内生潜变量上的因子载荷矩阵；δ 为外生指标x 的误差
90 项；ε 为内生指标y 的误差项；η 为内生潜变量；ξ 为外生潜变量；B 为内生潜变量之间的关
系；Γ 为外生潜变量对内生潜变量；ζ 为结构方程的残差项。
 1.3 GIS 技术
地理信息系统(Geographic Information System，GIS)是20 世纪70 年代蓬勃发展起来的
以计算机为基础的新兴技术。 围绕着这项技术的研究、开发和应用形成了一门交叉性、边
95 缘性的学科, 是管理和研究空间数据的技术系统, 在计算机软硬件支持下, 它可以对空间数
据按地理坐标或空间位置进行各种处理、对数据的有效管理、研究各种空间实体及相互关系。
通过对多因素的综合分析, 它可以迅速地获取满足应用需要的信息, 并能以地图、图形或数
据的形式表示处理的结果，现已广泛应用于地球信息科学、资源与环境科学以及农业、林业、
地质、水文、城市与区域开发、海洋气象、测绘等国民经济的重大领域。
100 2 人居环境自然适宜性评价过程
2.1 评价单元的确定及指标选取
根据评价区域的范围及评价目标，选择合适的评价单元。如对市级单元为评价目标，可
以选取县级单元为评价单元，即以一个县的指标数据为一条记录。
评价指标体系的构建应遵循针对性原则、科学性原则、层次性原则和独立性原则。
105 本方法分别从自然要素的地形、气候、水文、土地和植被等方面选取各指标的影响因子，
建立目标层、因子层和指标层3 层的指标体系，具体指标参阅已有成果进行归纳组成，见表
1。
地形是人居环境研究最基本的自然地理要素，地形因子是对地形及其某一方面特征的具
体数字描述，制约着地表物质与能量的再分配，影响着土壤与植被的形成和发育过程，决定
110 着土地利用与土地质量的优劣，进而也决定着人类居住环境的适宜性，其中选取平均海拔、
相对高程差、非平地面积比例三个指标来反映地形情况。
气候是人居环境的重要影响因素，它对所有人类户外活动都有影响，不仅影响居住户室
外活动的环境和活动本身，更影响居民的体感舒适度。气候主要由气压、气温、湿度、风力、
日照、降水等要素组成，不同的气候要素及组合对人体产生不同的生理影响，其中对人体影
115 响最大的指标是气温、湿度、风力、日照。
水是人类和一切生物赖以生存和发展的物质基础，也是构成生态环境的基本要素。水在
自然界中的三种存在形态，形成了复杂多变的天气现象。大气中水汽含量的多少，直接决定
着其对人体的舒适度，太干、太湿都会引起人体不适的感觉。本研究以降水量和地均水资源
量作为水文条件的评价指标，以此来评价区域人居环境的水文条件适宜程度。
120 植被有净化空气、吸收CO2 释放02、美化环境等功能，对人类居住环境有直接和间接
的影响。良好的植被覆盖率和合理的土地利用类型对适宜的人居环境起着十分重要的作用。
表1 指标体系
目标层 因子层 指标层
平均海拔
地形因素 相对高程差
非平地面积比例
气温
湿度
风力 气候因素
日照
年均降水量 水文因素 地均水资源量
植被指数
人居环境自然适宜性
土地因素 土地利用类型
 2.2 数据搜集
2.2.1 地形指标数据的获取
125 地形指标数据中平均海拔、相对高程差这两个个指标可由研究区域的DEM 数据借助
GIS 邻域分析工具获取；非平地面积比例可按下式计算。
K=1- P(A)/ A
式中：P(A) 为研究单元内的平地面积，km2； A 为研究单元面积，km2。研究中把坡
度小于5 度的区域确定为平地。
130 将地形因素的3 个指标数据录入研究区域地形专题图的属性库。
2.2.2 气候指标数据的提取
运用研究区域近5 年的气象站点的温度、相对湿度、风速和日照时数的气象数据以及
ArcGIS 软件，对研究单元的月平均气温、月平均空气相对湿度、地面以上10 米高度的平均
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