基于動態指標的城鄉交錯帶邊界界定方法研究

趙華甫 ，朱玉環 ，吳克寧 ，胡曉濤

（1.中國地質大學（北京）土地科學技術學院，北京100083；2.國土資源部土地整治重點實驗室，北京100035）

1 引言

城鄉交錯帶是城市要素與鄉村要素相互滲透，具有特定的人口特征、經濟特征、景觀特征的地域，也是土地利用問題最多、矛盾最尖銳的地區[1]。科學的城鄉交錯帶范圍界定是加強這一特殊地域土地資源管理、解決用地問題的前提。20世紀早期，國外就城鄉交錯帶范圍的界定開展了定性和定量研究。如1947年R·E·迪肯森（Dikinson）根據伯吉斯的同心圓理論，將城市地域結構區由核心到外圍分為中央地帶、城鄉邊緣中間地帶和城市外緣地帶或郊區地帶，開創了城市邊緣區（即所謂中間地帶）研究的先河[2]。1968年Pryor R J提出城鄉邊緣區具有土地利用、社會和人口特征與城市差異的特征[3]，但是缺乏案例研究。到1975年Russwurm L·H提出的區域城市結構模式對城市邊緣區范圍作了明確界定[4]。直到1982年Bryant C R才首次利用城鄉邊緣區內聚居人口（非農業人口）與農業人口之比來定量分析城鄉邊緣區邊界問題[5]。同期Desai等根據聚集指數和郊區化指數的綜合指數來劃分邊緣區[6]，Garreau甚至提出城市邊緣區域的5項判定標準[7]。國內研究略滯后，主要依據人口密度梯度、景觀紊亂度、城市用地比率等人口、社會、經濟、空間特征等指標對城鄉交錯帶進行定性[8]或定量邊界界定研究。在定量劃分方法方面，主要有人口密度梯度法、信息熵法、斷裂點法、引力法、門檻值法和空間疊加法[1，9-12]，同時，非農化建設密度、土地權屬特征等多指標綜合評判，以及信息技術定性分析相結合等綜合方法也被應用于北京、上海等城鄉結合部邊緣區地域識別中[13-15]。然而，以往城鄉交錯帶范圍界定研究均依據人口構成、地類比重、景觀指數等靜態指標空間變化特征，難以體現城鄉交錯帶這一城鄉交互作用的復雜動態產物[16]的動態變化特征。鑒于此，本文以城市外圍土地利用動態度變化特征與城鄉交錯帶關系理論假設為前提，以北京市為例，探討了基于動態指標的城鄉交錯帶界定方法，為客觀劃分城鄉交錯帶提供方法借鑒。

2 理論假設與數值方法

2.1 城鄉交錯帶土地利用變化理論假設

城市化初期階段，城鄉交錯帶景觀穩定性差，景觀的多樣性持續快速上升，各景觀斑塊的規模進一步縮小，導致區域破碎化程度增強，形狀變得復雜，農田景觀優勢地位逐步被弱化，而在城市化結束階段，城鄉交錯帶景觀的變化正好是逆向的。可見，一定時期內城鄉交錯帶邊界可以借助土地利用動態度加以刻畫。由此，本文提出如下假設，由城市中心向外，經城鄉交錯帶，以至鄉村，土地利用動態度的變化趨勢是由市中心向外，先緩慢增加，在城鄉交錯帶內緣時發生突變、急速升高、局部可能發生震蕩，到城鄉交錯帶的外緣發生突降至較低水平，逢到鄉鎮或者農村居民點則又略有起伏（圖1）。

2.2 數值方法

綜合土地利用動態度考慮研究時段土地利用類型間的轉移，著眼于變化的過程而非變化的結果，其意義在于反映整個區域土地利用變化的劇烈程度，便于在不同空間尺度上找出土地利用變化的熱點區域[17]。因此可依據土地利用動態度對城鄉交錯帶邊界進行界定，其計算公式為：

式1中，LC為綜合土地利用動態度，LUi為監測起始時間第i類土地利用類型面積；ΔLUi-j為監測時段內第i類土地利用類型轉為非i類（j類，j=1，……，n）土地利用類型的面積；T為監測時段長度。

將研究區域劃分為若干小區域，計算每一小區域的土地利用動態度。同時以被研究城市核心區中心為初始點，以其為中心每10度形成一條放射狀剖面線，整個研究區共拉出36條剖面線。依據剖面線所經過相應柵格的土地動態度數值情況，構成36個數據序列。然后，以某一條剖面線上某柵格單元的土地利用動態度數值為縱坐標，以該柵格中心點距離城市核心區中心距離為橫坐標，可繪制出36幅土地利用動態度折線圖，并找出土地利用動態度由低值到高值和由高值到低值的轉折點。然后，將所有的轉折點，根據其地理坐標，標注在遙感影像圖上，并根據各轉折點與初始點的相對位置，區分內側轉折點和外側轉折點，并分別將內側轉折點和外側轉折點相連，形成城鄉交錯帶的內邊界和外邊界。

圖1 城鄉地域土地利用動態度分異假設Fig.1 Regional differences hypotheses of land use dynamic degree in urban and rural regions

3 實證分析

3.1 研究區土地利用信息提取

本文以北京市為研究區，北京市地處西山山前沖積平原，城區四周地形平坦廣闊，東南部為廣袤的華北平原，東北部、北部距山地均在50 km以上，西部也在30 km以上。以北京市2個時相的Landsat-TM衛星遙感影像為基礎，成像時間分別為1999年8月2日和2010年8月8日，其軌道號為123/32；以行政界線和遙感影像為基礎，截取北京市東南部平原區和部分山區，涉及區縣包括東城區、西城區、朝陽區、海淀區、豐臺區、石景山區、通州區、順義區、密云縣、房山區、門頭溝區、懷柔區、大興區、昌平區、平谷區。在ENVI軟件系統的支持下，對原始影像進行裁剪、配準等預處理，滿足動態變化信息提取的要求。根據遙感圖像自身的可解譯性，結合北京市土地的經營特點、利用方式以及研究目的和分類精度的要求，參照土地利用現狀分類體系，將北京市土地類型劃分為農用地、建設用地、城市綠地、水域、其他土地5種類型，其中城市綠地包括城市公園、交通綠地。采用最大似然分類法進行遙感影像的監督分類，并結合北京市土地利用現狀變更調查成果及實地調查數據，采用目視解譯的方式對錯分的地類進行修正，形成兩期土地利用現狀圖。

3.2 研究區土地利用動態度計算

利用網格法劃分土地利用動態度判別的基本單元，經試驗判別單元為2 km×2 km時，能夠很好地反應土地利用的動態特征，因此以2 km×2 km為基本判別單元，研究區共劃分為1680個判別單元。將柵格格式的土地利用現狀圖轉化為矢量格式，在ArcGIS中將兩期矢量格式的土地利用現狀圖進行疊加處理，提取土地變化信息的空間位置和面積，按照式1計算每一判別單元的土地利用動態度。研究區土地利用動態度如圖2。

3.3 研究區土地利用動態度的特點

3.3.1 對比性與有序性 對研究區的土地利用動態度進行統計，最大值為3.76%，出現在鳥巢上方的森林公園地區，這一地區由原來的農用地和農村居民點轉變為城市綠地，變化比較大；最小值為0，出現在部分為林地覆蓋的山地地區，基本無變化，可見土地利用動態度具有強烈的對比性。對市區土地利用動態度進行統計，發現土地利用動態度一般在0.50%以下，對四環和六環之間的區域進行統計，發現土地利用動態度大多處于1.00%—3.76%之間，六環以外區域土地利用動態度一般小于1.00%。由此可見，研究區土地利用動態度由內而外具有圈層式的變化特點，即從內向外土地利用動態度逐漸變大，至城鄉交錯帶邊緣，又趨于減少的規律性。

3.3.2 震蕩性與轉折性 通過對36個剖面的折線圖進行分析，可以看出不同土地利用動態度的分布具有震蕩性，即高中有低，低中有高，在土地利用動態度比較大的區域會出現土地利用動態度比較小的區域，而在土地利用動態度比較小的區域，也會突然出現高值，這主要是因為遇到鄉鎮或農村居民點而引起的土地利用動態度的變化。同時可以發現，土地利用動態度不是均勻變化的，而是存在由低值到高值和由高值到低值的轉折點，如圖3d，距城市核心區9km和22km處存在轉折點。剖面數據證實了前文提出的城鄉交錯帶土地利用動態度變化假設，因此依據城、鄉及城鄉交錯帶土地利用動態度的區域分異特征界定城鄉交錯帶內緣邊界和外緣邊界，從而實現對城鄉交錯帶的界定具有可行性。

圖2 研究區土地利用動態度Fig.2 Landusedynamicdegreeofthestudiedarea

圖3 不同方向土地利用動態度變化剖面線Fig.3 Sectionlineoflandusedynamicdegreeindifferentdirections

圖4 北京市城鄉交錯帶邊界示意Fig.4 Schematic diagram of urban-rural fringe demarcation in Beijing

3.4 城鄉交錯帶內外邊界的劃定

以36條剖面線的折線圖為基礎，找出每個剖面由低值到高值和由高值到低值的轉折點。把轉折點依次連接，局部缺乏轉折點的區域以鄰近轉折點的數值和該區域土地利用動態度數值為參照，找出該局部區域的轉折點，描繪出城鄉交錯帶內外邊界的位置。描繪時保持了區域空間上的連續性、完整性，城鄉交錯帶內外邊界如圖4。可以看出，城市核心區包括市區和朝陽、海淀、豐臺、石景山的一部分，內邊界大致在三環和四環之間，在北、東、西三個方向部分地區突破四環線，基本上分布在北辰橋—辛店路—芍藥居—三元橋—新東路—高碑店水庫—雙龍南里—十八里店橋—宋家莊—鄭王墳—蓮花池公園—田村西口—長河灣碼頭—北四環西路—清華東路—北辰橋沿線。城鄉交錯帶包括海淀區、昌平區、順義區、朝陽區、通州區、大興區、豐臺區、石景山區的部分地區，大部分地區位于四環和六環之間，在西北、東北、東、西南方向上有所延伸，基本上分布在屯佃—中關村永豐高科技產業基地—南沙河—七里渠—回龍觀—平西府—朝順橋—機場南線高速—首都機場附近地區—溫榆河畔—馬各莊—通州城區附近地區—施園橋—馬駒橋新橋—團結河南村—大興城區附近地區—永定河畔—西山山麓—屯佃。內側邊界客觀區分了城市化完成地區和未完成地區的用地動態變化差異；外側邊界區分了已城市化地區和待城市化地區的用地動態變化的不同。

4 結論與討論

本文以綜述現有城鄉交錯帶邊界界定方法為基礎，以城鄉交錯帶土地利用動態變化特征為依據，提出了城鄉交錯帶土地動態度由城市中心到農村腹地的變化理論假設，并以北京市為例，用遙感分類提取土地利用信息計算了綜合土地利用動態度，驗證了相關理論假設，同時以綜合土地利用動態度來劃分城鄉交錯帶的邊界，方法具可行性。研究結果表明，北京城鄉交錯帶內邊界、外邊界處的綜合土地利用動態度均存在轉折點，依據這些轉折點可以將海淀區東北部、昌平區南部、順義區機場高速沿線及機場周邊、朝陽區大部、通州區西南邊緣、大興區的北部邊緣、石景山區東部、豐臺區的全部地區納入城鄉交錯帶。

對照比較已有研究，本研究所界定的城鄉交錯帶范圍在內外緣輪廓與文獻［12］較為貼近，表明研究結論具有一定的可信度，但與文獻［12］的最大不同在于，城鄉交錯帶內緣的北段，四環外——中軸線北延長線周邊部分在本研究劃定為邊緣區，而文獻［12］界定為城市核心區。分析認為存在這種差異的原因，一方面是由于二者依據不同的劃分指標，另一方面由于城鄉交錯帶并不是固定的，而是隨時間發生變化。劃分不統一的地段對應于奧林匹克公園，在2001年7月北京奧運會申辦成功后，該地區土地利用變化迅速，這個可以反應到柵格的變化中，但卻無法通過區域地類結構變化分析體現出來。

當然，若能采用更高分辨率的遙感影像，將使劃分研究結果更為精確。同時，城鄉交錯帶的確定與行政管理、用地政策、城市規劃、生態建設規劃、市民的生活趨向等因素有關，若能與其他靜態指標相結合，將會使城鄉交錯帶邊界的劃分成果更具科學性和實用性。

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