2000-2010年海淀區自然地理要素時空分布動態監測研究

呂桂軍 LV Gui-jun；李英成 LI Ying-cheng；白潔 BAI Jie；趙雅莉 ZHAO Ya-li

（①河南理工大學礦山空間信息技術國家測繪局重點實驗室，焦作454003；②中測新圖（北京）遙感技術有限責任公司，北京100039）

0 引言

伴著改革開放的逐漸深入，社會、經濟有了突飛猛進的發展，伴隨而生的資源環境問題也日益突出，人類的生產、生活對自然地理要素造成了很大的影響。自然地理要素主要包括土壤、植被、水文、地形和氣候5個要素，這5個要素隨著人類社會的發展都發生了一定的變化，其中，土壤的變化是較為明顯的，其主要是土地利用結構的變化。

土地是自然和經濟的綜合體，是社會生產的重要資源，人類對土地的發展與利用以及由此引起的土地覆蓋變化被認為是全球環境變化的重要組成部分和主要原因，土地利用變化研究已成為全球變化研究的熱點之一[1]。近年來，我國經濟飛速發展，隨之發生的是土地利用情況的不斷變化：建設用地持續增加、植被覆蓋區持續減少、生態環境逐漸惡化。為了嚴格把控耕地面積保有量的紅線、合理規劃建設用地的增加和保護生態環境質量，對土地利用狀況進行持續的動態監測是非常必要的。

隨著科學技術的發展，遙感技術以其多空間、時間和光譜分辨率的特征，可以獲取豐富的地表信息，已成為目前調查土地利用情況的主要手段。2007年，國務院和國土資源部組織各相關部門，利用航片、QuickBird、WorldView、SPOT等高分辨率遙感數據進行了第二次全國土地調查。為查清土地的利用情況，加強土地資源的整合和管理，國土資源部自2009年起，每年都利用最新的高分辨率遙感影像進行一次土地資源動態監測，以掌握土地的利用現狀。在多種不同的遙感影像中，陸地資源系列衛星（Landsat）自1972年發射以來，以其中等空間分辨率、多光譜，以及長達四十多年的長時間序列特征，在對大面積區域進行的監測研究中發揮了重要的作用。

目前針對土地利用變化開展的研究多集中在21世紀初期，而2000年-2010年正是“十五”和“十一五”時期，這期間，城市建設步伐加快，科技、教育和衛生事業穩步前進，土地利用結構也發生了重大變化。因此，對這一階段的土地利用變化進行研究具有重要意義。本文采用監督分類和分類后處理的方法，利用2000年10月31日和2010年11月28日的兩景Landsat TM數據，對研究區10年間的土地利用變化情況進行分析研究，掌握土地利用變化的規律及特點，以期為土地資源可持續利用、城市合理的發展規劃及資源環境保護提供參考依據。

1 研究區概況及數據處理方法

1.1 研究區概況 海淀區，位于北京城區西北部，地理位置處于北緯 39°53′-40°09′，東經 116°03′-116°23′。全區面積430.8平方公里，南北長約30公里，東西最寬處29公里，約占北京市總面積的2.53%，東與西城區、朝陽區相鄰，南與豐臺區毗連，西與石景山、門頭溝區交界，北與昌平區接壤[3]。海淀區地處華北平原的北部，地勢西高東低，西部為海拔100米以上的山地，最高海拔達到1261米，東部和南部的平原地區海拔為50米左右。

1.2 遙感數據處理方法 不同時期遙感數據分析的關鍵在于幾何位置的一致性，精確的幾何配準可以有效的避免不同影像之間空間位置變化對土地利用變化率造成的誤差。根據已有的參考影像，在影像上選取均勻分布的同名點，并使配準的最大均方根誤差控制在1個像元范圍內，采用多項式模型糾正，最鄰近法進行重采樣。再將幾何糾正后的影像進行輻射定標，將灰度值轉換為輻射亮度值。最后在ENVI遙感影像處理平臺上進行影像裁切，得到研究區域的影像數據。

1.3 土地利用分類方法 不同空間分辨率遙感影像對于地物的解譯能力也不同，根據已有的國內外利用中等分辨率的陸地資源衛星開展的研究，參照美國地質調查局針對中等分辨率遙感影像制定的土地利用分類體系[4]和張增祥等[5]制定的遙感土地覆蓋分類系統進行土地利用分類。結合影像數據的特點，將研究區域分為耕地、林地、草地、建設用地、水體和其他用地等6種地類。

監督分類（supervised），又稱訓練分類法，即用被確認類別的樣本像元去識別其他未知像元的過程。在這種分類中，分析者在圖像上對每一種類別選取一定數量的訓練區，計算機計算每種訓練區的統計或其他信息，每個像元和訓練樣本作比較，按照不同規則將其劃分到和其最相似的樣本類[6]。監督分類法是目前遙感分類中算法較成熟、應用較多的分類方法之一。

2 結果分析

2.1 土地利用分類精度評價 本文采用監督分類中的最大似然法，利用ENVI4.7進行圖像分類和精度評價在2000年和2010年的TM影像上分別選取了65個、73個樣本進行分類，并對初步分類結果進行了進一步的修改。由于監督分類受人為因素的影響較大，所以要對分類的結果進行精度評價。另外分別選取了29個、40個樣本進行精度驗證。混淆矩陣法是進行分類精度評價的常用方法，主要由總體精度和kappa系數來反映分類精度。

由于受影像空間分辨率的限制，耕地、林地、草地3種地類交界處的部分像元易出現混淆。通過驗證，2000年和2010年的分類總體精度分別為85.06%和90.16%，kappa系數分別為0.8108和0.8732，分類精度滿足中等分辨率遙感影像用于土地利用變化動態監測的需求。

2.2 土地利用時空變化 根據海淀區2000年和2010年兩景TM影像監督分類結果可以看出：在2000年，包括耕地、林地、草地在內的植被占主導地位，占地比例為59.44%，其次是建設用地，約占土地總面積的39.22%。隨著經濟建設的快速發展、流動人口的大量涌入，城市建設步伐逐漸加快，海淀區內的科技園區、交通用地、商服和住宅用地迅速增長，導致建設用地面積逐年增加，植被逐年減少。2010年，建設用地的占地比例已經上升到48.98%，而植被的占地比例下降為48.42%。其中，植被出現明顯減少的區域主要集中在海淀區西北部的西北旺鎮，溫泉鎮、蘇家坨鎮和上莊鎮也有變化，城市建成區也相應的向西、向北擴展。在此期間，水體和其他用地的面積變化不大。

2.3 植被動態變化監測 2000年至2010年間，耕地、林地和草地面積共減少47.45km2，減少面積占2000年植被面積的18.53%，其中，耕地面積減少了21.37km2，植被減少區域主要分布在海淀區的東北部，其中，西北旺地區植被減少比較明顯，西南部也有少量減少。

2000-2010年是北京經濟快速發展時期，建成區范圍逐漸擴張和城鄉一體化建設都促進了建設用地面積的大量增加，從而導致植被出現大量減少，減少的植被主要分布在建成區的邊緣地帶和北部的鄉村。建成區邊緣的植被減少是由于建成區的擴張造成的，在馬連洼街道和西北旺鎮表現的較為明顯，海淀區北部的植被減少是由于村莊規模逐漸增大造成的，在上莊鎮表現的較為明顯。在這10年間，城市除了外擴式發展外，還有填充式建設，城市內部原有的草地、林地轉向了建設用地，也導致了植被的減少。

2.4 建設用地動態變化監測 2000年至2010年間，建設用地面積增加了42.04km2，增加面積占2000年建設用地面積的24.89%，增加面積主要來源于耕地和草地。將2000年和2010年建設用地的空間分布情況進行對比，發現增加的部分主要分布在建成區西部、北部的城鄉結合部和村莊外圍。21世紀以來，北京市經濟和科技信息產業的快速發展，中關村科技園區的建設也逐步加快，致使建設用地大量增加。2003年，地鐵13號線全線開通，帶動了上地、清河等區域的發展，沿線新增了一些居民用地、商服和基礎設施用地，2009年初，京哈高速北京段開工建設，這為海淀區的經濟發展注入了新的力量，導致該地區的建設用地進一步增加。

海淀區北部的4個鄉鎮，西北旺地區建設用地的增加最為明顯，這是因為其地理位置在建成區的邊緣，受城市影響較大，隨著建成區的逐漸擴展，和西北旺鎮的建成區已經連成片。蘇家坨鎮主要以生態旅游業為主，發展休閑度假和采摘園產業，因此，西山地區的建設用地沒有明顯的增加，而蘇家坨鎮的東部地區，村鎮面積有所增加。在上莊鎮西南部的南沙河地區，為加強生態濕地保護工作，建設用地的增加受到了嚴格的控制，因此上莊鎮建設用地的增加主要是北部村鎮面積的擴大。由于溫泉鎮距離山體比較近，其建設用地面積的擴展會受到一定的限制，因此，溫泉鎮建設用地的增加沒有其他3個鄉鎮明顯。

3 結論與討論

本文基于TM影像，利用監督分類的方法對研究區的土地利用情況進行了研究分析。研究發現，2000年和2010年的分類總體精度分別為85.06%和90.16%，kappa系數分別為0.8108和0.8732，分類效果較理想。在2000年至2010年間，耕地、林地、草地和建設用地面積變化較大，耕地、林地和草地不同程度的轉向了建設用地。在此期間，耕地、林地和草地面積共減少47.45km2，其中耕地面積減少了21.37km2，而且這些轉化主要分布在建成區和村莊的周圍；水體和其他用地的面積變化不大，水體增加了0.18 km2，其他用地增加了 5.23km2。

從2000年至2010年10年間土地利用結構的變化可以看出，海淀區北部4個鄉鎮的耕地大量減少，建成區主要向西、向北進行了擴張。這10年是北京市發展較快的時期，社會經濟快速發展，人口數量迅速增長，產業結構不斷調整，交通建設逐漸加強，相關政策法規的出臺，都是促進土地利用結構變化的主要原因。根據本研究得出的2000-2010年海淀區土地利用結構變化的情況，預計未來幾年，城市還將持續擴張，主要以占用離海淀區的建成區較近的溫泉鎮和西北旺鎮的農用地為主，而蘇家坨鎮和上莊鎮建設用地的增加主要是村鎮的擴張，與溫泉鎮和西北旺鎮相比，農用地流失情況較少。

本研究得到了海淀區在2000-2010年間以土地利用結構為主的自然地理要素的變化情況，分析了其影響因素，并對未來幾年的土地利用結構變化進行了預測，可以為相關部門制定合理的土地資源整合、環境保護及城市規劃政策提供參考。

[1]鄧飚,郭華東.基于TM影像的南旺湖地區土地利用變化監測[J].安徽農業科學,2009,37(12):5591-5595.

[2]北京市統計年鑒[Z].2010.

[3]Janes R,Erson,Ernest E.H,John T.R,Richard E.W,1976.A Land Use And Land Cover Classification System For Use With Remote Sensor Data[J].Geological Survey Professional.Paper 964.

[4]張增祥等.中國土地覆蓋遙感監測[M].北京：星球地圖出版社,2010：5-12.

[5]趙英時等.遙感應用分析原理與方法[M].北京：科學出版社,2003：194.