胡實　熊黑鋼　朱忠鵬

摘要利用多期Landsat MSS/TM數(shù)據對1992～1999、1999～2007和2007～2011年3個時段的北京市9個有代表性區(qū)縣的不透水面變化特征進行分析。結果表明：經過近20年的發(fā)展，北京市各區(qū)縣因為各種歷史原因和所處的位置不同，向不透水面轉化的地類存在著區(qū)位差異和動態(tài)特征。就面積而言：新增不透水面主要集中在發(fā)展新區(qū)的昌平、通州和順義，其在各時期新增不透水面總和及增長率均遠遠超過拓展區(qū)的海淀、朝陽、豐臺和石景山。早期各區(qū)縣不透水面增加面積和速度均比較小，中期則大大增加，后期增加速度都有所放緩。不透水面比例顯示：拓展區(qū)各區(qū)縣的不透水面占各地類的比例從一開始（1992年）與耕地、綠地不相上下到后來逐漸占優(yōu)（2007年），再到全部超過50%（2011年），占絕對優(yōu)勢，表明其用地結構卻發(fā)生了質的變化，農業(yè)功能已很小。新區(qū)各區(qū)縣不透水面比例雖然各時期均不斷上升，但始終以耕地和綠地為主要用地類型。從不透水面來源看：1992～1999年，發(fā)展新區(qū)各區(qū)縣是以耕地為不透水面主要來源；拓展區(qū)各區(qū)縣則是以綠地和耕地轉化為主要方式。1999～2007年，各區(qū)縣由耕地轉化所占比例都有所上升。2007～2011年，只有新區(qū)的區(qū)縣仍以耕地為不透水面增加的主要來源，耕地和綠地轉化為不透水面的趨勢有所控制，城市生態(tài)環(huán)境保護政策的效果初步顯現(xiàn)。

關鍵詞不透水面；轉移矩陣；動態(tài)變化特征；北京各區(qū)縣

中圖分類號S271；P237；P951文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2015）07-237-04

Dynamic Characteristics of the Impervious Surface Changing in Different Districts in Beijing

HU Shi1， XIONG Hei-gang1，2*， ZHU Zhong-peng1 （1. Key Laboratory of Oasis Ecology of Ministry of Education， College of Resource and Environment Sciences， Xinjiang University， Urumqi， Xinjiang 830046. 2. College of Applied Arts and Science of Beijing Union University， Beijing 100191）

Abstract By using different periods of Landsat MSS/TM imagery， an analysis has been done， which is about three times of impervious surfaces dynamic character in nine representative counties in Beijing. The result suggested that after the nearly 20 years of development， the classification transformed into the impervious surface has regional difference and dynamic characteristics because of various historical reasons and position. In terms of area， the newly increased impervious surface mainly concentrated in the developing new counties， including Changping， Tongzhou and Shunyi， their growth rate and the sum of the impervious surface was far beyond the expanding area like Haidian， Chaoyang， Fengtai and Shijingshan. Early in each district， the increasing area and the speed of impervious surface was relatively quite small， all of them became greatly accelerating In the middle and finally slowed down in the late. The impervious surface percentage in the classification showed that the proportion in the expanding area was roughly the same with the cultivated land and green space at the beginning（1992） and became dominant（2007）. Then it became overwhelming and exceed 50% in the whole area（2011）. This situation indicated that the land-use structure had changed in quality and the function of agriculture has shrunk a lot. Although the proportion of impervious surface in the new district were on the rise in each period， the farmland and green space were the majority in the land-use types. As to the source of the impervious surface， the new district depended on the cultivated land and the expanding area derived from the green space and the farmland from 1992 to 1999. In the stage from 1999 to 2007， the cultivated land conversion percentage has all risen in each county. When it comes to the last period， only the new district depended on the cultivated land as the source of the impervious surface. The trend that farmland and green area were transformed into the impervious surface has been controlled and the policy of ecological environment protection in city initially appeared.

Key words Impervious surface； Transition matrix； Dynamic characteristic； District of Beijing

近20年來，隨著我國改革開放的深入和經濟的大發(fā)展，城市化進程不斷改變著地表下墊面的狀態(tài)。在我國的城市化過程中作為國家政治和文化中心的北京，其下墊面的變化具有時間上的連續(xù)性和發(fā)展階段的完整性以及代表性，多位學者利用衛(wèi)星影像對北京市土地利用變化的機制和特點上做了大量工作，研究主要集中在利用TM影像對北京市城鎮(zhèn)化過程和土地利用變化空間特征以及驅動力等方面[1-9]。同時，增長最快，對城市環(huán)境影響越來越大的下墊面-不透水面引起了廣泛的關注。但對不透水面研究多針對其熱環(huán)境效應和對區(qū)域水文和氣候的影響[10-12]。比如有學者針對不透水面和地表溫度的關系進行研究并得出不透水面蓋度相比NDVI與地表溫度有更加強烈和穩(wěn)定的線性關系[13]。還有學者指出不透水面蓋度是暴雨徑流模型中的關鍵因子[14]，不透水面的格局影響著城市的溫度、蒸散發(fā)和土壤含水量[15]。城市環(huán)境變化與不透水面的分布和動態(tài)變化緊密相關，由于北京市各區(qū)縣所處的空間位置差異，其不透水面的變化以及對環(huán)境的影響完全不同，有關此方面的研究尚不多見。筆者通過對多期遙感圖像的不透水面的提取和對比研究，詳細討論北京市各區(qū)縣不透水面的動態(tài)變化，以期為北京城市發(fā)展進程和環(huán)境保護提供科學依據。

1研究區(qū)概況

以北京市9個區(qū)縣為研究區(qū)，包括2個首都功能核心區(qū)：東城和西城（崇文和宣武在2012年分別并入到東城和西城），4個城市功能拓展區(qū)：朝陽、海淀、豐臺和石景山，以及3個城市發(fā)展新區(qū)：通州、順義和昌平，面積約為4 600 km2，占北京市總面積的74%。在這9個區(qū)中既有北京市重要的居民區(qū)、經濟商業(yè)中心和交通樞紐，又包括了未來北京發(fā)展的重點區(qū)域，具有明顯的從核心區(qū)到遠郊新區(qū)的梯次結構。

2數(shù)據處理與研究方法

2.1數(shù)據來源

由于影像上裸地和不透水面的光譜特征有很多相似的地方，為減少裸地和不透水面的誤分，采用了植被比較茂盛的8～9月季相較為一致的，質量較好的4期Landsat MSS/TM影像數(shù)據，分別為1992年9月7日的MSS影像和從1999年8月2日到2011年9月20日的TM影像（表1）。輔助數(shù)據為北京市行政區(qū)劃邊界矢量數(shù)據。

表1研究所用影像數(shù)據

序號傳感器類型獲取時間軌道號

1Landsat MSS1992-9-7path 123-row 32

2Landsat TM1999-8-2path 123-row 32

3Landsat TM2007-9-9path 123-row 32

4Landsat TM2011-9-20path 123-row 32

2.2數(shù)據預處理

影像預處理在ENVI 4.8軟件中完成。由于獲取的TM影像為2級數(shù)據，因此無需進行幾何校正。以1999年影像為基準，選取30個地面控制點，誤差控制在1個像元之內，將1992年至2011年影像進行圖像對圖像的配準，并統(tǒng)一重采樣至30 m，經重新選取點檢驗的RMSE誤差均小于1個像元。然后對配準好的影像進行輻射校正。最后根據北京市行政區(qū)劃邊界矢量數(shù)據提取出研究區(qū)，實際研究面積為4 603.29 km2。

2.3遙感影像分類及精度檢驗

根據需要將研究區(qū)分為水體（包括養(yǎng)魚坑塘），耕地（包括各類水澆地和旱地），綠地（包括林地和草地），不透水面（包括各種不透水材料覆蓋的表面，主要有道路和水泥混凝土建筑等）和裸地（植被覆蓋度小于5%的各類荒地以及開挖建筑工地中的裸露土壤）5類。將各期影像進行假彩色合成，結合目視解譯和實地調查校正，建立各土地利用類型的解譯標志，選擇訓練區(qū)，利用最大似然法進行監(jiān)督分類。隨機選取若干樣本區(qū)，參考同期地面資料，計算分類混淆矩陣和Kappa系數(shù)，對分類結果進行精度檢驗，得到Kappa系數(shù)和總體精度（表2）。各年份的Kappa系數(shù)均大于0.85，表明分類結果均比較理想，可以進行后續(xù)的土地利用動態(tài)分析。

表2影像分類精度檢驗結果

序號時間Kappa系數(shù)總體精度∥%

11992-9-70.8791.2

21999-8-20.8590.0

32007-9-90.8690.0

42011-9-200.8891.2

2.4土地利用轉移矩陣土地利用轉移矩陣主要是利用兩個時相的土地利用類型圖進行疊加運算求得的。利用它可以清晰地反映研究初期至研究末期的土地利用類型的變化轉移情況，從而明確土地利用類型轉變的方向性[16]。

3結果與分析

3.1北京市不同地類總體變化特征

從不同時期研究區(qū)總體的地類變化情況可以看出（圖1），不透水面面積一直在增加，而耕地是在不斷減少的，綠地和裸地面積有一些波動，而水域面積則是處于平穩(wěn)的狀態(tài)。1992～1999年各地類變化較小，不透水面和綠地在這段時間有所增加，年均增加面積分別為21.94 km2和5.86 km2，而耕地、水和裸地則是平均每年減少了19.54 km2、2.54 km2和5.83 km2（表3）；到了1999～2007年，不透水面和裸地的年均增長面積大幅度增加，分別達到了58.82 km2和21.16 km2，耕地和綠地則年均分別減少了51.75 km2和30.67 km2。這個階段也是城市大面積擴張的階段，耕地和綠地大量轉換為了不透水面和裸地；2007～2011年城市趨于理性擴張，不透水面的年均增長面積有了小幅回落，為45.73 km2。耕地的減少得到控制，綠地有了小幅增加，水域則減少的最多（表3），說明城市的生態(tài)雖然有了改善，綠地有所增加，但水域的萎縮仍然給生態(tài)壞境的恢復帶來不小的壓力。

圖1不同時期各地類面積變化

表3不同時期各地類年平均面積變化km2

年份水面耕地綠地不透水面裸地

1992～1999-2.46-19.545.8621.94-5.83

1999～20072.16-51.75-30.6758.9421.16

2007～2011-7.28-49.889.2145.732.23

3.2各區(qū)縣不透水面面積變化特征

從各區(qū)縣的不透水面在不同時期增加的面積可以觀察到（圖2）：東城和西城的不透水面變化不大。3個時期昌平、通州和順義總的不透水面增加面積要大于海淀、朝陽、豐臺和石景山，反映出北京市的不透水面擴張主要集中在外圍的新區(qū)。就擴張速度而言，1992～1999年的擴張速度最小，各區(qū)縣年平均增長不超過7 km2，其中石景山年均增加面積僅有0.56 km2。到了1999～2007年，各區(qū)縣不透水面較上個時期有了較大幅度的增長，城市發(fā)展新區(qū)除了通州增長略小于朝陽之外，昌平、順義年平均增長均超過地處城市功能拓展區(qū)的海淀、朝陽、豐臺以及石景山。其中順義從年均增長3.71 km2攀升到年均增長16.34 km2，加快了近5倍。到了2007～2011年，不透水面的擴張速度有所放緩，各區(qū)縣不透水面的年均增長面積都有所下降，降幅最大的是通州，從年均增長11.02 km2下降到7.77 km2。新區(qū)的昌平、通州、順義增加的總不透水面面積仍大于拓展區(qū)各區(qū)縣增加的總不透水面面積。3個時段中，第二個時段不透水面的增加最多，這個時段也是北京市大范圍向外擴張階段，第三個時段比第二個時段不透水面增加有所減緩，但減緩幅度不大，仍然比第一個時段增加的要多。

圖2不同時期各區(qū)縣不透水面增長情況

3.3各區(qū)縣不透水面比例變化特征

各區(qū)不透水面在用地結構所占的比例反映出其變化的趨勢（表4）。

總體而言，各區(qū)縣不透水面比例不斷升高，這是各區(qū)縣城市化進程不斷向前發(fā)展的必然結果。

從各區(qū)不透水面所占比例來看：在各個時期東城和西城的比例都是最高的。同時，海淀、朝陽、豐臺、石景山的不透水面比例都高于昌平、通州和順義。這說明作為北京市發(fā)展新區(qū)的昌平、通州和順義的不透水面分布不如屬于功能拓展區(qū)的海淀、朝陽、豐臺和石景山密集，新區(qū)中綠地和耕地仍占相當大的比例，新區(qū)的不透水面擴張的潛力很大。

從各區(qū)不透水面比例的變化來看：1992～1999年，昌平、通州和順義的不透水面比例都有一定程度的上升，但幅度不大，升幅最大的通州也只從10.53%上升到15.28%。海淀、朝陽、豐臺和石景山的不透水面比例上升幅度要略大于昌平和順義，但不如通州。其中幅度最大的豐臺不透水面比例從47.22%上升到53.16%，增加了5.94%。昌平、順義和通州在這段時期是以綠地和耕地為主要用地類型。朝陽區(qū)用地結構則是從耕地和不透水面比例相差不多（31.52%和37.03%），轉變?yōu)楦睾筒煌杆姹壤罹嘀饾u拉大（30.20%和40.89%），用地類型以不透水面為主，而海淀則是從綠地和不透水面比例差距不大（31.49%和35.16%）發(fā)展到以不透水面為主（38.84%）。這段時期新區(qū)的昌平、順義和通州從以耕地和綠地為主要用地類型向以不透水面為主的用地結構，轉換速度不如拓展區(qū)中的朝陽和海淀。

1999～2007年，昌平、通州和順義不透水面比例有了大幅度上升，分別增加了7.21%、10.14%和12.46%。拓展區(qū)中除了朝陽不透水面比例增加了21.79%以外，海淀、豐臺和石景山不透水面的上升幅度都不如新區(qū)中的通州和順義。新區(qū)各區(qū)縣耕地和綠地占主體，而拓展區(qū)各區(qū)縣不透水面比例在各個用地類型中開始占據絕對優(yōu)勢，特別是朝陽的不透水面比例到了2007年已經達到了61.08%，耕地比例只占小部分，農業(yè)功能基本被其他功能代替。

43卷7期

胡 實等北京市各區(qū)縣不透水面動態(tài)變化特征研究

表41992～2011年各區(qū)縣不透水面所占比例變化%

年份昌平通州順義東城西城海淀朝陽豐臺石景山

19927.2010.538.0694.4096.6735.1637.0347.2248.24

19999.7615.2810.5491.6693.7238.8440.8953.1652.93

200716.9725.4223.0089.3792.1346.8961.0862.9557.64

201119.6228.9928.9790.5893.3850.8367.9764.4058.26

2007～2011年，昌平、通州和順義不透水面比例仍然在上升，特別是通州和順義，不透水面比例已經達到了28.99%和28.97%，但新區(qū)各區(qū)縣仍以耕地和綠地為主。而拓展區(qū)各區(qū)縣不透水面比例全部超過了50%，其中最小的海淀也有了50.83%，并且耕地也都只占很小一部分，農業(yè)功能只能

依靠外圍的包括新區(qū)在內的其他區(qū)縣。這段時期各區(qū)縣不透水面比例增加的幅度和耕地綠地比例減少的幅度都有了一定程度的放緩，其中通州和順義綠地的比例還略有增加，說明不透水面的擴張趨于理性，對綠地和耕地的保護有了一定程度的加強。

3.4不同時期各區(qū)縣不透水面來源特征

從由其他地類轉化的不透水面占新不透水面的比例來看（表5），各區(qū)縣不透水面增加的主要來源在不同時期有著明顯的差異：

1992～1999年，昌平、通州、順義和朝陽由耕地轉化的不透水面占新增不透水面的比例分別是54.95%、65.93%、61.09%和39.14%，反映出其是以耕地為不透水面增加的主要來源；海淀、豐臺和石景山的新增不透水面由綠地轉化的比例最大，分別為50.25%、73.56%和53.60%。東城、西城也是綠地轉化的不透水面占其主體，比例分別為71.12%和61.12%。由此可見，各區(qū)縣因其所處北京市的空間位置的差異，向不透水面轉化的土地類型有較大不同。新區(qū)各區(qū)縣增加的不透水面主要通過侵占耕地而來，而核心區(qū)和拓展區(qū)各區(qū)縣除了朝陽是以耕地為新增不透水面主要來源之外，不透水面的增加主要是通過占用綠地實現(xiàn)的。

1999～2007年，只有豐臺、石景山、東城和西城是以綠地為新增不透水面的主要來源，比例分別為55.17%、72.41%、81.95%和80.20%。昌平、通州和順義均是以耕地轉化為不透水面為主，而海淀和朝陽由耕地和綠地轉化的不透水面幾乎占相同的比例（由耕地轉化的不透水面所占比例分別為44.20%和42.35%，由綠地轉化的不透水面所占比例分別為39.60%和40.36%）。包括之前的昌平、順義和通州，以耕地為新增不透水面主要來源的區(qū)縣增加到了5個。這個時段耕地被侵占的現(xiàn)象加劇，耕地面積有了大幅度減少。

2007～2011年，以耕地為新增不透水面主要來源的區(qū)縣只剩下昌平、通州和順義，比例分別為33.29%、62.51%和57.50%。豐臺、石景山、東城和西城是以綠地為不透水面主要主源。海淀和朝陽的新增不透水面則由耕地、綠地和裸地均勢轉化，各比例都相差不多（表5）。各區(qū)的耕地減少的速度得到控制，綠地轉化比例也有所降低，而裸地轉化比例除了通州基本都是上升的。說明這段時期耕地和綠地被侵占的現(xiàn)象有所緩解，裸地被開發(fā)的程度略有提高。

表5不同時期各區(qū)縣其他地類轉化的不透水面占新不透水面比例%

區(qū)縣1992～1999年水耕地綠地裸地

1999～2007年水耕地綠地裸地

2007～2011年水耕地綠地裸地

昌平3.0554.9514.4127.591.4166.7225.116.766.0133.2931.2129.49

通州3.7665.9313.9016.412.7555.7622.6218.8615.0562.5116.036.42

順義3.0061.0932.823.091.0073.1915.2010.602.9257.5010.3229.26

東城10.040.0071.1218.833.650.0081.9514.723.500.0076.1020.30

西城21.080.0061.1217.796.240.0080.2013.202.930.0077.2719.93

海淀2.1525.4850.2522.120.8144.2039.6015.408.6929.5632.1829.58

朝陽5.6039.1428.5826.682.2442.3540.3615.058.9129.4531.6130.05

豐臺0.7911.3673.5614.290.3420.2655.1724.236.5321.1447.4324.93

石景山2.1211.8853.6032.390.581.9472.4125.0412.682.0961.8523.33

4結論與討論

北京市各區(qū)縣不透水面在近20年時間有了很大幅度的變化，不透水面通過侵占耕地、綠地和水域不斷擴張。由于各區(qū)縣區(qū)位不同，功能定位不同，擴張的方式和程度也就有所差別并且存在動態(tài)變化。

處于北京核心地位的東城和西城區(qū)在各時期的不透水面比例基本維持在90%，并且其變化大部分與綠地有關。

而其他區(qū)縣的不透水面在各時期則呈現(xiàn)不同的特點：早期，以耕地為新增不透水面主要來源的城市發(fā)展新區(qū)昌平、通州和順義新增不透水面面積總和要略大于以耕地綠地為轉化主體的北京城市功能拓展區(qū)海淀、朝陽、豐臺和石景山，但不透水面比例的上升幅度卻不如拓展區(qū)各區(qū)。中期，拓展區(qū)各區(qū)縣不透水面面積有了大幅增加，其比例在各地類中開始占主要地位。除石景山之外其他拓展區(qū)新增不透水面由耕地轉化的部分增多。雖然新區(qū)各區(qū)縣不透水面面積有了顯著增大，其不透水面比例卻仍處于較低水平，并且仍以耕地轉化為主。后期，盡管各區(qū)縣不透水面增長都有所減緩，但拓展區(qū)各區(qū)縣不透水面比例全部超過50%，其農業(yè)功能基本被其他功能代替。而新區(qū)各區(qū)縣即使不透水面比例有所上升，其新增不透水面依然由耕地轉化，但其耕地和綠地比例仍占主要部分。

總體上，各時期各區(qū)縣不透水面的面積、比例不斷增加，但擴張速度由慢到迅速再到較快，顯示出城市發(fā)展由無序逐漸走向有序。城市功能拓展區(qū)的各區(qū)縣新增不透水面來源由綠地逐漸變?yōu)楦睾途G地，反映出城市由中心向外圍擴展。而在城市發(fā)展新區(qū)的各區(qū)縣，新增不透水面主要來源則始終是耕地，表明北京市外圍各區(qū)縣的城市擴張一直是以占用平原區(qū)耕地進行的。后期，各區(qū)縣耕地和綠地轉化為不透水面的趨勢有所控制，不透水面比例上升幅度都有所減緩，同樣反映出更加注重對生態(tài)的保護。

不透水面的變化既有區(qū)位產業(yè)結構和經濟發(fā)展階段的原因，也是功能定位和政策規(guī)劃的結果。作為核心區(qū)的東城

和西城一直是北京市重要機構和商業(yè)服務業(yè)的重心，不透水面在其用地結構中一直占主體地位，即使變化也是在原來基礎上的改變，比如舊城區(qū)改造和閑置地塊的開發(fā)。而在北京市的功能拓展區(qū)中，3個時期不透水面增加最多和最快的都是朝陽區(qū)。這與2007～2011年“十一五”期間，朝陽區(qū)重點規(guī)劃和實施了中心商務區(qū)、奧運功能區(qū)、電子城三大功能區(qū)的開發(fā)，從而帶動了一批奧運場館、商業(yè)金融中心和道路交通設施網絡的建設和完善有關，不透水面得以大面積快速增加，不透水面比例在各用地類型中開始占絕對優(yōu)勢。在北京市的發(fā)展新區(qū)中，1992～1999年不透水面增長最快和最多的是昌平，年均增加面積為6.32 km2/a。這和昌平區(qū)在1991年規(guī)劃并建設了北京市最早成立的國家級高新區(qū)——中關村科技園區(qū)昌平園密不可分，園區(qū)的建成也帶動了昌平的城市建設和經濟發(fā)展，使得昌平的不透水面也得以快速增加。而到了后期，生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)的定位使得昌平對綠地的保護加大，綠地比例始終控制在60%左右，不透水面增長速度也因此放緩。1999～2007年和2007～2011年不透水面增長最快和最多的是順義，年均增加面積分別為16.34 km2/a和15.67 km2/a。這也和北京啟動新城建設，重點建設通州、順義和亦莊3個重點新城的政策緊密相關。在此期間，順義圍繞“新城建設”、“現(xiàn)代制造業(yè)基地建設”和“臨空經濟區(qū)建設”，打造了一批項目工程的施工建設，包括首都機場擴建和奧林匹克水上公園建設，并加強了道路交通等一系列的基礎設施建設，這些都成為順義不透水面快速擴張的主要驅動力，深刻影響了順義用地結構的發(fā)展變化。

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