基于遙感與GIS的北京市土地利用變化分析

張 梅，盧學(xué)輝

(1.長春師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，吉林長春130032；2.成都市標(biāo)準(zhǔn)化研究院，四川成都 610031)

基于遙感與GIS的北京市土地利用變化分析

張 梅1，盧學(xué)輝2

(1.長春師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，吉林長春130032；2.成都市標(biāo)準(zhǔn)化研究院，四川成都 610031)

根據(jù)1990、2012年2期影像資料，運(yùn)用遙感平臺(tái)獲取了北京地區(qū)的土地利用數(shù)據(jù)，采用GIS空間分析方法，全面分析了北京市1990-2012年間土地利用變化時(shí)空變化特征。研究結(jié)果表明：北京地區(qū)土地利用格局發(fā)生了較大變化，1990-2012年間土地利用變化的主要方向?yàn)榻ㄔO(shè)用地?cái)U(kuò)張最為明顯，耕地、水域面積顯著減少，林地、草地面積有一定程度的增加。全區(qū)耕地面積減少了157361.85 hm2，建設(shè)用地大幅度增加了87503.04 hm2。北京近郊地區(qū)與近郊平原區(qū)土地利用程度較高，而遠(yuǎn)郊半山區(qū)與遠(yuǎn)郊山區(qū)土地利用程度則相對(duì)較低，呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異性。1990-2012年研究區(qū)所有土地利用/覆被類型的雙向轉(zhuǎn)換較為頻繁。1990-2012北京市土地利用變化的最大趨勢(shì)是城市的邊緣區(qū)、交通干線周邊以及農(nóng)村居民點(diǎn)附近耕地逐漸轉(zhuǎn)化成建設(shè)用地。

土地利用變化；遙感；北京

土地利用變化研究是全球化研究中的一個(gè)重要領(lǐng)域[1-3]，開展土地利用變化研究，可進(jìn)一步深入探討土地利用變化對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的影響，從而進(jìn)一步為區(qū)域生態(tài)安全的保護(hù)和土地利用政策的制定提供一定的決策依據(jù)[4-8]。1990-2012年是北京市經(jīng)濟(jì)和人口高速增長的時(shí)期，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口增長促使北京市出現(xiàn)了以城市化為主要特征的大規(guī)模的土地利用/覆被變化。伴隨著人口的增長，人多地少的矛盾將更加突出。因此，開展北京地區(qū)的土地利用變化研究，在此基礎(chǔ)上制定符合實(shí)際的土地利用規(guī)劃，可為該區(qū)土地利用管理以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供研究基礎(chǔ)[9-12]。本文以土地資源遙感調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用RS和GIS方法研究北京市1990-2012年土地利用動(dòng)態(tài)變化的特征，希望能為北京市的未來的發(fā)展提供一些參考和建議。

1 研究區(qū)與研究數(shù)據(jù)

研究區(qū)為北京市，共轄16個(gè)縣、區(qū)，即東城、西城2個(gè)城區(qū)，海淀、朝陽、豐臺(tái)、石景山4個(gè)近郊地區(qū)，通州、順義、大興3個(gè)遠(yuǎn)郊平原區(qū)，昌平、平谷、房山3個(gè)遠(yuǎn)郊半山區(qū)以及懷柔、延慶、門頭溝、密云4個(gè)遠(yuǎn)郊山區(qū)。

本文采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要是1990、2012年2期Landsat TM數(shù)字遙感影像。非遙感數(shù)據(jù)主要包括北京市行政區(qū)劃圖、地形圖等圖形圖像數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理以北京市1∶50000、1∶10000地形圖為參考，在ERDAS IMAGINE 9.0軟件的支持下對(duì)2期影像進(jìn)行輻射校正、幾何精糾正、圖像增強(qiáng)、影像裁剪。在對(duì)比各種遙感解譯方法優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，結(jié)合野外實(shí)測資料，參照同時(shí)期前人的土地利用圖件成果，采用最大似然監(jiān)督分類與傳統(tǒng)目視解譯相結(jié)合的方法對(duì)影像進(jìn)行分類，獲取土地利用/覆被變化信息[13-15]。根據(jù)《全國土地分類》的分類體系，將土地利用分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地6個(gè)一級(jí)類型。

2 研究方法

利用ARCGIS軟件對(duì)圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊置分析過程中，本文采用二級(jí)土地分類系統(tǒng)，最后對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理時(shí)，由于考慮到采用二級(jí)分類系統(tǒng)數(shù)據(jù)過于龐雜，因而采用分類系統(tǒng)中的一級(jí)類型。

2.1 土地利用變化速度

土地利用動(dòng)態(tài)度可以用來定量描述區(qū)域土地利用變化的速度[16-17]，其公式為：

(1)

式中，K為某一土地利用動(dòng)態(tài)度；U1、U2分別代表研究初期及末期某種土地利用類型的數(shù)量；T為研究時(shí)段長。式(1)可對(duì)研究區(qū)內(nèi)各種土地利用類型之間的變化速度作比較。

2.2 土地利用程度綜合指數(shù)

以莊大方[18]提出的土地利用程度數(shù)量化綜合指標(biāo)體系為基礎(chǔ)，根據(jù)土地利用的強(qiáng)度對(duì)研究區(qū)土地的6個(gè)類進(jìn)行分級(jí)賦值(表1)。土地利用程度計(jì)算公式表達(dá)為：

(2)

其中，I為研究區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為研究區(qū)域內(nèi)第i級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù)；Ci為研究區(qū)域內(nèi)第i級(jí)土地利用程度分級(jí)面積百分比；n為土地利用程度分級(jí)數(shù)。

此外，土地利用程度變化量和變化率公式如下。

(3)

(4)

其中，P代表土地利用程度變化率；Ib-a代表土地利用程度變化量；Ib代表b時(shí)間的區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù)；Ia為a時(shí)間的區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為第i級(jí)的土地利用程度分級(jí)指數(shù)；Cib為某區(qū)域b時(shí)間第i級(jí)土地利用程度面積百分比；Cia為某區(qū)域a時(shí)間第i級(jí)土地利用程度面積百分比。

表1 土地利用程度分級(jí)賦值

2.3 土地利用類型相對(duì)變化率

相對(duì)土地利用變化率用來表示土地利用變化的區(qū)域差異，計(jì)算公式[19-20]為：

(5)

式中，R為相對(duì)土地利用變化率；Ua、Ub分別為研究初期及末期局部某一種土地利用類型的數(shù)量；Ca、Cb分別為研究初期及末期整個(gè)區(qū)域某一種土地利用類型的數(shù)量。R>1，表示該局部土地利用變化的幅度大于整體的變化幅度；R<1，則反之。

2.4 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

通常借助轉(zhuǎn)移矩陣(Conversion Matrix)進(jìn)行土地利用類型內(nèi)部轉(zhuǎn)移分析[21-22]。轉(zhuǎn)移矩陣模型為：

(6)

其中，A為轉(zhuǎn)移矩陣，Aij代表k時(shí)段的第i種土地利用類型轉(zhuǎn)變成k+1時(shí)段第j種土地利用類型的面積。k時(shí)段的第i種土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)閗+1時(shí)段第j種土地利用類型的比例Bij，即根據(jù)轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算獲得公式為：

(7)

利用公式(6)(7)可得到1990-2012年北京市不同土地類型之間的轉(zhuǎn)移結(jié)果。

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用變化結(jié)構(gòu)特征分析

在ARCGIS 9.3下，對(duì)北京地區(qū)2期土地利用圖形和屬性數(shù)據(jù)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出圖1、表2的結(jié)果。可見，1990-2012年期間研究區(qū)土地利用空間分異明顯，北京市土地利用類型在1990-2012年間，各類型均發(fā)生了不同程度的增減變化，研究區(qū)土地利用分類面積始終占前三位的是林地、耕地和建設(shè)用地。其中，面積量變化最大的是耕地，1990-2012年間耕地面積減少157361.85 hm2，年變化率為-1.68%；林地總面積增加了53513.91 hm2，年變化率為0.46%；果園等園地土地利用類型面積大幅度增加，增加了35712 hm2草地面積增加6307.56 hm2，年變化率為0.29%；水域面積減少了8400.87 hm2，年變化率為-1.31%；建設(shè)用地面積大幅度增加，增加了87503.04 hm2，年變化率為3.72%；未利用地面積增加2836.08 hm2，年變化率最大。在北京城市化進(jìn)程中由于北京市郊建設(shè)用地的分散布局和隨意用地、開發(fā)區(qū)設(shè)置不規(guī)范造成了土地閑置與浪費(fèi)現(xiàn)象，造成未利用地不同程度的增減變化。

總體而言，北京市1990-2012年土地利用變化的城市化特征明顯，建設(shè)用地持續(xù)增加，而耕地則顯著減少。

圖1 研究區(qū)1990-2012年土地利用空間格局

3.2 土地利用程度變化的時(shí)空特征分析

土地利用程度主要反映了土地利用的廣度和深度，不僅可反映土地利用中土地本身的自然屬性，同時(shí)也可反映人為因素和自然環(huán)境因素的綜合效應(yīng)。北京市土地利用程度綜合指數(shù)、變化量、變化率可根據(jù)公式(2)(3)(4)獲得(表3)。土地利用程度、土地利用變化量和變化率可定量揭示出該區(qū)域內(nèi)土地利用的綜合水平和變化趨勢(shì)，如果Ib-a>0或R>0，表示區(qū)域土地利用處于發(fā)展期，如果Ib-a<0或R<0，則處于調(diào)整期或衰退期[21]。

北京地區(qū)的土地利用程度由1990年的253.72上升到2012年的254.59，增加0.87，說明土地利用處于發(fā)展上升期。土地利用程度變化在區(qū)域上存在著很大的差異，土地利用程度綜合指數(shù)從高到低依次為：近郊地區(qū)>近郊平原區(qū)>近郊半山區(qū)>遠(yuǎn)郊山區(qū)，表明北京市近郊地區(qū)與近郊平原區(qū)土地利用程度較高，而遠(yuǎn)郊半山區(qū)與遠(yuǎn)郊山區(qū)各縣土地利用程度較低。1990-2012年間，土地利用程度變化率結(jié)果表明，北京市近郊地區(qū)、近郊平原區(qū)、遠(yuǎn)郊半山區(qū)土地利用處于發(fā)展期階段，遠(yuǎn)郊山區(qū)土地利用仍然處于調(diào)整期。

表3 1990-2012年北京市土地利用程度綜合指數(shù)、變化量和變化率

3.3 土地利用變化的區(qū)域差異分析

1990-2012年北京市耕地相對(duì)變化率以近郊地區(qū)最大，為2.10，近郊平原最小為0.60。林地相對(duì)變化率以近郊平原區(qū)最大，為5.76，以遠(yuǎn)郊半山區(qū)最小，為0.39。草地相對(duì)變化率以近郊地區(qū)最大，為156.73，其原因主要是由于朝陽區(qū)草地面積迅速增加所引起，遠(yuǎn)郊山區(qū)最小，為2.37。水域相對(duì)變化率以近郊地區(qū)最大，為1.52，近郊平原區(qū)最小，為0.66。建設(shè)用地相對(duì)變化率整體相差不大，遠(yuǎn)郊半山區(qū)最大，為1.27，遠(yuǎn)郊山區(qū)相對(duì)變化率最小，為1.00；未利用地相對(duì)變化率表現(xiàn)為近郊地區(qū)相對(duì)變化率最大，為1.98，遠(yuǎn)郊山區(qū)相對(duì)變化率最小，為0.15(表4)。

表4 1990-2012年北京市土地利用相對(duì)變化率

3.4 土地利用變化的空間分布特征和變化方向分析

根據(jù)全區(qū)土地利用數(shù)據(jù)空間疊置分析數(shù)據(jù)，得到北京市1990-2012年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表5)，整個(gè)研究區(qū)內(nèi)，占總面積67.34%的圖斑在1900-2012年內(nèi)土地利用方式未發(fā)生變化，而其余約32.66%的土地利用方式則發(fā)生了一定變化。其中，變化最大的土地利用類型是耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，面積是107737.2 hm2。其次是草地轉(zhuǎn)化為林地,面積是78692.88 hm2。22年來北京市土地利用變化的總體趨勢(shì)是大量耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，而當(dāng)耕地不足時(shí)則由草地、林地來進(jìn)行補(bǔ)充。同時(shí)林地與草地在不同的空間區(qū)位上業(yè)發(fā)生了相應(yīng)轉(zhuǎn)化。北京市所有類型土地利用和土地覆被變化的整體趨勢(shì)表明，所有土地利用/覆被類型的雙向轉(zhuǎn)換較為頻繁。

由上述分析得出北京市變化特點(diǎn)為建設(shè)用地?cái)U(kuò)張迅速導(dǎo)致大量耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，耕地不足轉(zhuǎn)而由草地補(bǔ)充，通過1990-2012年北京市土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，得出建設(shè)用地與耕地變化的特點(diǎn)。22年來伴隨著建成區(qū)迅速擴(kuò)張北京市耕地減少了157289 hm2，2012年耕地面積僅為1990耕地面積的73.13%。其中城市邊緣區(qū)的大量耕地，以及原有的農(nóng)村居民點(diǎn)周邊的大量耕地都被占用為建設(shè)用地。北京地區(qū)北部山丘與平原的交錯(cuò)地帶呈離散分布的耕地則向林地、園地轉(zhuǎn)化。西南部房山、門頭溝區(qū)、昌平區(qū)及東北部平谷區(qū)平原山區(qū)的過渡地帶部分草地、林地轉(zhuǎn)化成耕地。整個(gè)平原區(qū)也可見零星建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為耕地，較之耕地的流失量仍顯得微不足道。整體上看，1990-2012年間北京市耕地轉(zhuǎn)化為其它土地利用類型的面積大于其它土地利用類型轉(zhuǎn)化為耕地的面積(圖2)。與此同時(shí)，城市發(fā)展每年還要大量征用土地，人增地減的逆向發(fā)展態(tài)勢(shì)使土地資源的有效供給與日益增長的社會(huì)需求之間矛盾更趨激化，制約著全市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，控制人口與城鎮(zhèn)建設(shè)的規(guī)模，加強(qiáng)基本農(nóng)田保護(hù)，協(xié)調(diào)人地關(guān)系，以保障全市經(jīng)濟(jì)高速、持續(xù)、健康發(fā)展是急待解決的戰(zhàn)略問題[23]。

北京市建成區(qū)面積從1990年的147181 hm2增長到2012年的234498 hm2，面積為原用地面積的兩倍多。城鄉(xiāng)過渡區(qū)是土地利用變化最大的區(qū)域。城鎮(zhèn)在空間上擴(kuò)展分布受城市中心區(qū)輻射和地形條件的雙重影響。北京城鄉(xiāng)過渡區(qū)土地利用變化的發(fā)展趨向，以原城區(qū)為中心向外呈輻射狀擴(kuò)張，受西北部山地的阻力作用，城鎮(zhèn)的擴(kuò)展主要限制在東南的平原區(qū)，形成不對(duì)稱發(fā)展。而且伴隨著京石(北京—石家莊)、京通(北京—通州)、首都機(jī)場、京八(北京—八達(dá)嶺)、京津塘等高速公路的修建，四環(huán)、五環(huán)路的規(guī)劃和建設(shè)，不僅直接占用了農(nóng)用土地，而且間接刺激了沿線地帶的房地產(chǎn)開發(fā)。郊區(qū)建成區(qū)擴(kuò)張則是由于工業(yè)擴(kuò)散、開發(fā)區(qū)建設(shè)、居住地?cái)U(kuò)展、旅游設(shè)施建設(shè)等促使[23-24]。

表5 北京市1990-2012土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

圖2 1990-2012北京市耕地變化圖

4 結(jié)論

(1)從1990-2012年北京城市快速發(fā)展時(shí)期來看，北京市土地利用變化顯示出明顯的城市化特征，建設(shè)用地持續(xù)增加，而耕地則顯著減少，同時(shí)草地、林地的土地利用動(dòng)態(tài)度也都較為顯著。全區(qū)耕地面積減少157361.85 hm2，林地面積增加53513.91 hm2，建設(shè)用地大幅度增加87503.04 hm2，草地面積有所增加，但幅度不大。

(2)土地利用程度變化在區(qū)域上存在著很大的差異，北京市近郊地區(qū)與近郊平原區(qū)土地利用程度較高，而遠(yuǎn)郊半山區(qū)與遠(yuǎn)郊山區(qū)各縣土地利用程度較低。從土地利用程度變化率來看1990-2012年間北京市近郊地區(qū)、近郊平原區(qū)、遠(yuǎn)郊半山區(qū)土地利用處于發(fā)展期階段，遠(yuǎn)郊山區(qū)土地利用仍然處于調(diào)整期。

(3)北京市城區(qū)邊緣區(qū)域是受城市輻射影響顯著的過渡地帶，是土地利用變化強(qiáng)度變化最大的地區(qū)。在城市的邊緣區(qū)、交通干線附近，大量的耕地逐漸被占用轉(zhuǎn)化成建設(shè)用地，城鎮(zhèn)在空間上擴(kuò)展以原城區(qū)為中心向外呈輻射狀擴(kuò)張，受西北部山地的阻力作用，擴(kuò)展范圍主要限制在東南的平原區(qū)，并形成不對(duì)稱發(fā)展。

綜上可知，北京市在1990-2012年間土地利用變化的主要特點(diǎn)表現(xiàn)為建設(shè)用地面積和林地面積的逐年增長以及耕地面積的逐年減少。這說明了城市在發(fā)展并向外擴(kuò)展過程中存在各種土地類型之間此消彼長的結(jié)構(gòu)變化關(guān)系。

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TheLandUseChangeBasedonRSandGISinBeijing

ZHANG Mei1, LU Xue-hui2

(1.College of Urban and Environmental Sciences, Changchun Jilin 130032,China；2.Chengdu Standardization Institute, Chengdu Sichuan 610031,China)

The quantitative evaluation on land use change at a large scale is significant to the sustainable use of local land resource. The objective of this study is to ascertain the temporal and spatial differences of land use conversion in Beijing. Land use status and land use change information in the year of 1990 and 2012 were extracted by integrating TM images with Remote sense software after processing and interpretation of these images. With the technology of GIS, the paper revealed the characteristics of the land use in the past 22 years.The results showed that: Big changes have taken place in land use patterns in Beijing from 1990 to 2012.The expansion of construction land was most evident, and the area of forest and grassland increased slightly, while the farmland area and water area decreased more rapidly. The construction land area increased by 87503.04 hm2, with an annual average increase rate of 3.72%. The farmland area decreased by 157361.85 hm2, with an annual average decrease rate of -1.68%. The comprehensive index of the land use degree showed that there were obvious spatial differences in land use degree, and the greatest land use degree took place in environs area. In the view of the transition matrix of the land use conversation from 1990-2012, there was frequent bidirectional conversion of all land use patterns in Beijing. The most outstanding feature was the occupation on farmland to building and industry development accompanied by urban expansion.

Land use change; RS; Beijing

F301

A

2095-7602(2017)12-0077-07

2017-09-28

張 梅(1985- )，女，講師，博士，從事地貌學(xué)與環(huán)境演變研究。