多光譜遙感數據城市邊緣區土地利用時空結構演化

王佳，崔柳，張盼盼，高赫

(1. 北京林業大學 北京市精準林業重點實驗室，北京 100083；2. 北京林業大學 林學院，北京 100083；3. 北京林業大學 園林學院，北京 100083)

0 引言

近年來，隨著城市化進程加快，在城市周邊地區，城鄉邊界越來越模糊，隨之帶來很多問題。城市邊緣區作為城市化進程的產物[1]，在這過程中變化最為劇烈，其土地利用方式被大幅改變，時空結構也變化明顯。了解城市邊緣區的擴展空間變化規律，對解決空間擴展后遇到的發展問題具有一定的指導意義[2]。北京是中國的首都，全國的政治、經濟和文化的中心[3]。北京市北郊作為北京的邊緣區，是研究中國城市邊緣區的土地利用變化和時空結構變化的首選[4]。本文希望通過對北京市北郊時空結構演化的研究，對北京市北郊的建設特點、發展模式做初步探討，發現其發展過程中存在的問題，尋找解決方法和優化措施，為整個北京市的邊緣區建設提供借鑒，為其他地區邊緣區建設提供參考。

Louts在研究柏林的形態和結構時發現了城市邊緣區，所以對城市邊緣區的研究最早起源于德國[5]，鄉村和城市的建成區出現了一個有新特征的區域，表現為鄉村區域逐漸變化建設用地，轉化為城市的一部分，這一新出現的地區被稱為城市邊緣帶[6]。二戰以后大城市迅速擴張，導致城市邊緣區迅速發展，學者才更多關注城市邊緣區問題[7]。國外的城市邊緣區空間結構的研究開始于上世紀初期，其中最經典的模式為多核模式，在1945年由美國學者哈里斯(C.D. Harris)與烏爾曼(E.L. Uiman)提出。我國對城市邊緣區的研究較晚，始于上世紀80年代中后期[8]。90年代初期，顧朝林、馬清亮等人重新定義了城市邊緣區的概念、功能和范圍，以及其土地利用和形成原因，它的社會經濟特點和功能，行政體制與規劃管理等內容[9]。到90年代以后，邢忠、劉國園等從城市規劃和生態學角度進行了典型城市邊緣區的整體和局部研究[10]，到目前已經做了很多工作，但有一定的局限性，局限于對城市邊緣區宏觀的研究，缺少對典型地區和微觀上的研究。

1 研究區概況

本文研究區位于北京市北郊，研究區的選擇綜合了行政因素和自然因素，西邊用山脊線提取邊界，東邊以昌平的行政邊界為邊界，以保證景觀研究的完整性。面積共1 803.23 km2，115°50′13″E～116°30′8″E，39°56′1″N～40°23′22N。北京市北郊由西北向東南海拔逐漸降低，西部和北部為山區。研究區為典型的大陸性季風氣候，春季和冬季降雨較少，春天會產生揚沙，冬天干燥和寒冷；夏季降雨多，所以氣候濕潤，溫度高，秋季涼塊，四季分明。

2 數據獲取與處理

2.1 研究區數據來源

根據本文研究問題的需要，確定需要的基礎數據主要有以下幾種，包括數據的名稱、年份、分辨率基本信息，如表1所示。收集的數據主要是柵格數據，有DEM和遙感影像2種。

表1 研究區數據基本信息

2.2 數據處理

通過北京市DEM進行提取山脊線，綜合行政因素和自然因素確定研究區邊界。利用ENVI RPC Orthorectification Workflow工具對影像進行幾何校正、圖像融合、鑲嵌與裁剪等過程，采用最大似然方法進行監督分類，之后參照天地圖和昌平區土地利用現狀圖進行人工修改錯誤的分類，得到2004年、2009年、2014年分類結果，如圖1所示。對分類后的遙感影像進行分類精度的檢驗，在分類結果圖中，設置200個隨機點，利用目視比較原始影像和分類結果圖，得到分類精度。2004年、2009年、2014年總體分類精度分別為 89.5%、91.6% 、92.3%，符合研究要求。

圖1 2004—2014年土地利用分布圖

3 研究方法

3.1 擴展強度指數

擴張強度E和擴張速度S是用于描述城市建設用地的變化，比較不同時期、不同方向建設用地面積擴展的快慢、趨勢和強度。

式中：S為建設用地擴張速度；E為建設用地擴張強度;ΔU表示研究區建設用地在研究期內變化面積;U為研究初期建設用地面積;T為研究時段長度。

3.2 梯度分析法

梯度分析法是一種地理橫斷面分析法，在綠色空間結構分析中廣泛應用。綠色空間的梯度分析法主要有3種：1)具有各向同性的緩沖區分析法；2)區分方向的樣帶分析法；3)基于城鄉空間區劃的比較研究[11]。環形系統法是選中研究區域的一個中心，并以等長的半徑化多重緩沖區，讓同心圓覆蓋整個區域，運用GIS的疊加分析，對各個區域進行分割，統計不同年份不同圈層主要土地利用類型的變化和面積，分析綠色空間的空間結構變化。

3.3 等扇形分析法

等扇形分析法是選定研究區的一個中心，選取合適的半徑把研究區分成數量合適的扇形，與不同時期的土地利用圖進行疊加，運用GIS疊加分析，用扇形對區域進行分割，統計不同年份不同扇形內各個土地利用類型的面積。

4 結果分析

4.1 北京市北郊土地利用時空變化情況

由表2可知，10年間北京市北郊發生了顯著的城市化，建設用地增加了125.5 km2，增加了78.23%；道路面積基本維持穩定；耕地面積減少了132.98 km2，減少了32.47%，是所有土地類型中面積變化最大的；林地面積增加了111.53 km2，增加了11.03%；水域面積減少了3.14 km2，減少了16.29%；未利用用地增加9.07 km2，增加了16.99%；園地面積由25.66 km2增加至32.07 km2，10年間穩定增加。在研究期內北京市北郊最明顯的變化是耕地面積大幅降低，建設用地穩定上升。

表2 2004—2014年土地利用面積表

2004—2014年轉移矩陣(表3)表明，土地利用發生變化大的類型依次為林地、耕地、建設用地。結合土地利用分布圖，2004到2014年平原地區耕地主要轉變成建設用地，耕地大幅減少；山區耕地主要轉為林地，變化顯著。建設用地和道路轉為林地面積比較明顯，園地面積有所增加，是因為重視城市綠化，城區綠化面積增多。建設用地持續擴張。

表3 2004—2014年土地利用轉移矩陣 km2

4.2 北京市北郊土地利用環形分析

本文以環形系統分析法進行分析，用ArcGIS計算圖形重心并結合研究區的實際情況，確定以百葛橋中點為圓心，以1 km為間隔化同心圓，分34個梯度，生成能覆蓋整個研究區的多重緩沖區，如圖2所示；并對各時期的地類進行切割，分別統計各環的耕地、林地和建設用地面積。

圖2 樣帶梯次環設置示意圖

圖3 2004—2014年林地空間分布

圖3為各時相林地空間圈層分布狀況。從形態上看，林地的分布隨距離先增加后減少，從時間上看，在0～29 km內，林地面積也是先增加后減少。圖4為各圈層林地變化圖。總體分析2004—2014十年變化，0～29 km，林地處于增加，在29～34 km，林地少量減少，但每圈層減少量小于1 km2。圖5為各時相耕地空間圈層分布狀況。2004—2009年在0～33 km內耕地都在減少，在耕地分布廣的區域，減少量也大；2009—2014年，耕地面積減少區域分布在0～6 km，在15～23 km，耕地面積有所增加。圖6為各圈層耕地變化圖。總體分析2004—2014十年變化，耕地基本處于減少，在11～19 km，是耕地減少量較大的區域，因為該范圍內耕地分布廣。圖7為北京市北郊各時相建設用地空間圈層分布情況，三期建設用地分布的形態略有差異，整體來看，都是隨著離中心點的距離增大，建設用地面積先增大后平穩。建設用地的分布隨距離的增加有一定規律。圖8為各圈層建設用地變化圖。總體分析2004—2014十年變化，建設用地都處于增加，在5～20 km，是建設用地變化大的分布區。

圖4 2004—2014年林地變化分布

圖5 2004—2014年耕地空間分布

圖6 2004—2014年耕地變化分布

圖7 2004—2014年建設用地空間分布

圖8 2004—2014年建設用地變化分布

4.3 北京市北郊土地利用等扇形分析

本文運用等扇形分析法研究綠色空間形態的各向異性研究，以百葛橋為中心選取34 km為半徑，以北偏東11.25°為起點，將研究區域劃分成大小相等的16個扇形，如圖9所示，統計不同時期各扇形面積占優勢的綠地和建設用地面積，統計不同時期各扇形的擴張強度指數，并把它繪制成雷達圖，以發現各時段不同方位擴展存在的差異以及該時期擴展的主導方向是哪個[12]。采用自等間隔分級法，對各時段不同扇區的建設用地擴展強度進行分級。

圖9 等扇形劃分示意圖

林地分布在SWW、W、NWW、NW 4個方向，2004年、2009年和2014年林地面積都大于100 km2，是林地分布的密集區，也是林地高速增長區，因為是山區，該區域耕地分布也相對較多；SSE方向是分布的最低點，該區域主要是建設用地。由圖10可知，林地分布的形態在方向上相近，不同時期差異不大。不同方位林地表現為先增加后減少。

2004年耕地主要分布在NEE、E、SEE、W 4個方向，耕地面積都大于30 km2，是耕地分布的密集區，也是耕地流失最嚴重的地區，E、SEE方向上全是平原地區，NEE、W方向是平原和山區結合部分，NNE、NE方向是分布的低點，該區域主要是建設用地和山區。由圖可知，耕地分布的形態在方向上變化很大，面積迅速下降，可能是由于建設用地在不同方向變化大。但在2009—2014年期間N方向上耕地增加，是由園地轉化而來，如圖11所示。

2004年建設用地主要分布在E、SEE、SE、SSE和S 5個方向，建設面積面積都大于10 km2，可見建設用地在東南方向分布廣，也是建設用地面積增加多的地區，全是平原地區，所以建設用地的分布跟地形和海拔有關。由圖可知，建設用地分布的形態在方向上不大相同，2004—2009年建設用地面積迅速增加，2009—2014年增加速度放慢，主要發生在NEE、E、SEE、SE、SEE 5個方向，如圖12所示。

圖10 2004—2014年不同方向林地分布雷達圖

圖11 2004—2014年不同方向耕地分布雷達圖

圖12 2004—2014年不同方向建設用地分布雷達圖

4.4 北京市北郊空間形態演化分析

通過前文分析，可以得出北京市北郊作為典型城市邊緣區在2004—2014十年間土地利用結構變化顯著，主要原因是由于建設用地的增加和擴張，對北京北郊建設用地擴張的空間方位的差異性進行研究，運用等扇形分析方法，計算各個方向建設用地的擴張速度與強度，并對擴張強度進行分級。

由圖13和圖14，建設用地的擴張方向存在各向異性，與地形有關；擴張速度不同階段差異明顯，先快后慢，東部擴張明顯大于西部擴張；擴張強度不同時期不同方向擴張強度差異明顯，但整個十年擴張強度差異不大，說明擴張分布均勻。采用等間隔法，對不同時期各個扇區的擴展強度進行分級，根據研究區特點將其劃分成5個類型：高速擴展型、快速擴展型、中速擴展型、低速擴展型和滯后擴展型[13]。2004—2009年整體處于高速擴展，2009—2014年整體相對處于低速擴展，2004—2014年十年間整體處于中速擴展，如表4所示。

圖13 2004—2014年建設用地擴張速度

圖14 2004—2014年建設用地擴張強度

時段高速快速中速低速滯后2004—2009NE、NWN、NNE、S、SSW、SW、NNWNEE、SE、SSE、SWW、W、NWSEEE2009—2014E、WSEE、NEE、SWW、SE、NWWSSE、NW、NNE、SSW、N、NE、S、NNW、SW2004—2014W、NWWSWW、NNE、NEE、NESW、SSW、SSE、SEE、SE、S、NW、NNW、N、E

5 結束語

城市快速發展過程中，平原地區的建設用地擴張迅速，其擴張速度、強度、方向不同時期具有差異性。北京市北郊地區是平原和山區相結合的地區，在研究中既要考慮地形因素等自然因素，又要考慮非自然因素。建設用地的擴張方向存在各向異性，與地形有關；擴張速度不同階段差異明顯，先快后慢，東部擴張明顯大于西部擴張；擴張強度不同時期不同方向擴張強度差異明顯，但整個十年擴張強度差異不大，說明擴張分布均勻。

2004—2014年研究區的城市化在不同時期顯示不同的特征：2004年—2009年建設用地顯著增加，建設用地大幅上升，建設用地不斷外擴，城市處于迅猛發展，建設用地大多是有耕地轉化而來；2009—2014年建設用地發展明顯放緩。在環形系統分析中，林地的圈層分析隨距離變化呈現一定的規律性，三期形態相近，耕地面積呈現類似拋物線的變化，建設用地面積不斷增大。用等扇形分析土地利用變化發現，除了在N方向上由于園地的轉化有耕地增加，其他方向耕地面積都在減少。

城市邊緣區是城市的重要組成部分，隨著城市化進程的不斷加快，城市邊緣區的發展是城市中最迅速的地方，因此必須從整個城市發展的角度出發，對北京北郊進行可持續的發展規劃。在北京北郊城鎮化現象普遍的同時，應尋求城市發展與生態系統保護的平衡點。本文針對北京北郊的發展現狀，提出以下幾點優化措施：

應保護耕地、園地及林地，將自然與城市結合，使綠地和城市相互滲透。隨著城市生活節奏的加快，對城市周邊的自然環境需求也將隨之增加。在城市綠地總面積較小的情況下，郊外綠色空間能夠滿足城市居民釋放壓力、放松身心的需要。

應保護河流、水庫等水域的面積不下降，保證其完整性。水域是生態環境的重要組成部分，對維持生態環境的穩定有重要意義，北郊地區水域面積小，并且近十年間還在不斷減少，保護水域的工作開展刻不容緩。

要合理規劃建設用地。隨著城市化的發展，建設用地的增加不可避免，應對其進行合理規劃，保護城市的生態環境，不能以破壞性的方式進行發展。努力實現城市可持續發展和保護環境相結合十分重要。

可以引進生態農業項目，提升北京市北郊的旅游價值[14]。北京人口總多，生活壓力大，生態農業項目能夠滿足城市發展與生態系統保護相結合的需要。可以在北京市北郊引進形式多樣的項目，在發展經濟的同時，實現環境的保護，同時帶動旅游產業發展。