閆苗苗，李家存，任麗麗

（1.首都師范大學(xué)GIS工程實驗室 資源環(huán)境與旅游學(xué)院,北京 100048）

京津冀地區(qū)土地利用及典型城市景觀格局分析

閆苗苗1，李家存1，任麗麗1

（1.首都師范大學(xué)GIS工程實驗室 資源環(huán)境與旅游學(xué)院,北京 100048）

利用京津冀地區(qū)2000年、2007年的TM影像和2013年的高分一號影像，采用監(jiān)督分類并結(jié)合目視解譯方法，對其整體的土地利用情況和北京、天津、石家莊、唐山4個典型城市的景觀變化作定量分析。結(jié)果顯示，近13 a來，京津冀地區(qū)的耕地數(shù)量在持續(xù)減少；城鎮(zhèn)工礦用地面積在不斷增加，其轉(zhuǎn)入來源主要有耕地、林地等；林地、水體的年變化率出現(xiàn)先增加后減少的趨勢，而草地、未利用地、鹽田的變化趨勢與之相反。在城市景觀格局中，由于城市不同、發(fā)展類型不同，斑塊數(shù)量、斑塊密度變化各異，多樣性指數(shù)、周長面積分維數(shù)和分離指數(shù)隨時間變化逐漸上升，表明近13 a來京津冀城市景觀的破碎度上升、斑塊形狀的復(fù)雜性增加。

京津冀地區(qū)；土地利用；景觀格局；景觀指數(shù)

20世紀90年代以來，土地利用/土地覆被變化（LUCC）研究已成為全球環(huán)境變化研究的前沿和熱點，在1995年被列為“國際地圈與生物圈計劃（IGBP）”和“全球環(huán)境變化的人文領(lǐng)域計劃（HDP）”的核心項目[1, 2]。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域

在土地利用/土地覆蓋變化的研究中[3-9]，大多數(shù)研究者是基于市級或者區(qū)縣為研究對象[10-13]，范圍有限，很難從整體上把握某一地區(qū)土地利用狀況。在中國城市發(fā)展過程中，城市群、城市帶的發(fā)展尤為迅速，如長三角、珠三角、京津冀等地區(qū)分布著全國主要的城市群[14-16]，但以此作為對象的研究相對較少，而在景觀格局分析中，不應(yīng)以行政區(qū)界的劃分而限制研究范圍。本文選取京津冀地區(qū)作為研究對象，對其土地利用的變化作整體性分析，從更大的空間尺度上探討該地區(qū)的土地利用、景觀格局變化。

京津冀地區(qū)位于36°03'～42°32'N、113°30'～119°15'E，由北京、天津2個直轄市及河北省的石家莊、唐山、秦皇島等城市組成，土地總面積約21萬km2, 集中了3 000多萬人口，2013年GDP 總量約4．8萬億元[17]。該地區(qū)地貌類型主要有東部的華北平原和西部的太行山脈，氣候類型以溫帶季風(fēng)性氣候以及溫帶大陸性氣候為主。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文使用2000年、2007年TM影像、2013年高分一號影像、DEM數(shù)據(jù)和行政區(qū)劃等數(shù)據(jù)。首先以幾何糾正后的2000年TM影像為基準，對其他兩期遙感影像進行幾何精校正，然后對影像進行大氣校正等預(yù)處理，最后對高分一號影像進行重采樣，將3期數(shù)據(jù)統(tǒng)一成30 m分辨率。參考《全國土地分類標準》和《土地利用現(xiàn)狀分類標準》，并結(jié)合京津冀本區(qū)域的具體情況，將研究區(qū)的土地利用類型分為城鎮(zhèn)工礦用地、耕地、林地、草地、水體、鹽田、未利用地，其中城鎮(zhèn)工礦用地包括城鎮(zhèn)居民地、農(nóng)村居民地、工礦倉儲用地、公共設(shè)施用地、公共建筑用地等，分類結(jié)果如圖1所示。

2 研究方法

2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

在ArcGIS10．2中，分別將相鄰兩期土地利用數(shù)據(jù)進行空間疊加、統(tǒng)計分析，得到2000～2007年、2007～2013年的土地利用變化情況，計算土地流動的轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出面積、所占比例等情況。

2.2 土地利用變化率分析

土地利用動態(tài)度是指某研究區(qū)在一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，可直接反映某種類型土地的增加或者減少比例，其計算公式為：

式中，k為研究時段內(nèi)土地利用類型的年變化速率；Ub和Ua分別是研究末期和研究初期某一土地利用類型的數(shù)量；T為研究的時間跨度/a。通過土地利用變化率可以直觀地反映出土地利用類型的變化程度。

圖1 京津冀2000、2007、2013年土地利用現(xiàn)狀圖（審圖號：GS（2008）1361號）

2.3 景觀格局分析

土地覆蓋/利用構(gòu)成了景觀格局，而景觀格局可以用景觀格局指數(shù)來描述。不同的景觀格局指數(shù)代表不同的含義[18-20]。對景觀格局可以從3個不同的層次進行分析：斑塊水平、斑塊類型以及景觀水平。本文將采用景觀水平的指數(shù)對京津冀的某幾個有代表性的城市作景觀變化分析。使用Fragstats4．2景觀分析軟件，對4個城市的三期土地利用數(shù)據(jù)作景觀指數(shù)計算，分析景觀斑塊數(shù)、景觀破碎度、周長面積比等指數(shù)隨時間的變化情況。

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用矩陣轉(zhuǎn)移分析

表1 2000～2007年京津冀土地變化轉(zhuǎn)移矩陣

表2 2007～2013年京津冀土地變化轉(zhuǎn)移矩陣

通過上述方法得到土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（如表1、2）?？梢钥闯?，從2000～2007年、2007～2013年間，京津冀地區(qū)的土地利用情況發(fā)生了較大轉(zhuǎn)變。在前一階段（2000～2007年）的轉(zhuǎn)出貢獻率方面，耕地的轉(zhuǎn)出貢獻率最高，達53．2%，主要流向為城市工礦用地、草地、水體等；在轉(zhuǎn)入方面，轉(zhuǎn)入較多、比例最大的是城鎮(zhèn)工礦用地，占轉(zhuǎn)入總面積的50．16%，其主要來源是耕地和林地。由表2可知，后一階段（2007～2013年）轉(zhuǎn)出貢獻較大的是耕地和林地，分別占總轉(zhuǎn)出比例的44．37%和17．39%，耕地的主要轉(zhuǎn)出對象為城鎮(zhèn)工礦用地，而林地主要流向耕地；在轉(zhuǎn)入貢獻率方面，主要有耕地和建設(shè)用地。通過兩期數(shù)據(jù)的分析得知，耕地具有最高的轉(zhuǎn)出貢獻率，而城鎮(zhèn)工礦用地是主要的轉(zhuǎn)入對象?？梢酝茰y，這一趨勢還會保持，耕地將持續(xù)減少，而城市工礦用地將不斷增加。

3.2 土地利用變化率分析

利用公式（1）計算得到京津冀地區(qū)和北京、天津、河北3個省市前階段（2000～2007年）和后階段（2000～2013年）的土地利用年變化率（表3）。由表3可知，土地利用類型變化最大的是未利用地，2個階段內(nèi)的年變化率分別為2．59%和-3．88%，3個地區(qū)變化幅度最大的是天津。由于未利用地本身的基數(shù)較小，面積遠遠小于耕地和城鎮(zhèn)工礦用地，其實際面積年變化較小。從橫向來看，在前階段，城鎮(zhèn)工礦用地的年變化率為1．9%，而到后階段年變化率繼續(xù)增長，為1．95%，說明在2000～2013年期間，京津冀的城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、工礦用地在不斷增加，城市化和工業(yè)化不斷發(fā)展。北京、天津、河北3個地區(qū)城鎮(zhèn)用地中，北京的增長率前階段最大，后階段較小；天津的情況與之類似；但河北省的城市工礦用地在不斷增長，并且后階段增長速率大于前階段，城市化在加速進行。2個階段內(nèi)耕地的年變化率分別為-0．25%、-0．03%，耕地面積在持續(xù)小幅度減少，轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌寝r(nóng)業(yè)用地。在3個省市中，北京市的耕地面積變化速率最大，前階段年變化速率為-2．23%，到后階段減少為-0．87%，但整體上還是高于平均變化率。

表3 京津冀土地利用類型年變化率表/%

3.3 景觀格局分析

圖2 北京、天津、石家莊、唐山景觀格局指數(shù)圖

在京津冀城市群中，城市類型分布廣泛，既有中國的經(jīng)濟、文化、政治中心——北京，也有四大直轄市之一的天津市，同時，還有重工業(yè)城市代表唐山市，以及依靠交通因素快速發(fā)展的河北省省會石家莊市。因此，在該區(qū)域內(nèi)，選取比較有代表性的這4個城市對其作景觀分析，來探討近13 a來京津冀典型城市景觀變化情況。首先在斑塊數(shù)量（NP）上，北京和天津的斑塊數(shù)量近13 a來相比其他2個城市要少，從側(cè)面說明兩地區(qū)的城市化率較高，城鎮(zhèn)工礦等建筑用地連片發(fā)展。在斑塊密度水平上，北京、天津、石家莊、唐山四地區(qū)的斑塊密度分布在0．15～0．38之間逐漸增加。把斑塊密度與斑塊數(shù)量一起分析，更加全面地表達了不同地區(qū)斑塊的可比性，而忽略了面積不同的局限。從圖2可以看出，北京、石家莊兩地區(qū)的蔓延度指數(shù)整體上略低于天津和唐山，結(jié)合斑塊密度和斑塊數(shù)，北京的斑塊數(shù)量小于石家莊，聚集指數(shù)和石家莊相近，說明北京地區(qū)的斑塊面積差異較大，斑塊分布較為分散，導(dǎo)致聚集度低；而石家莊地區(qū)由于斑塊種類較多，如耕地、建筑用地、林地、水域等，沒有形成優(yōu)勢斑塊，導(dǎo)致聚集指數(shù)較低；唐山在斑塊數(shù)量較多的情況下，斑塊大多為城鎮(zhèn)用地，耕地為基底斑塊，具有絕對優(yōu)勢，因此聚集度指數(shù)較高。就形狀指數(shù)（LSI）來看，3期內(nèi)同一城市的變化較小，但是城市間的差異較大。從北京、天津、唐山到石家莊，4個城市的景觀形狀指數(shù)分布逐漸增大。斑塊形狀指數(shù)反映了景觀的不規(guī)則程度，形狀越不規(guī)則，其值越大。由上述4個城市形狀指數(shù)，也說明了北京地區(qū)的景觀形狀較為規(guī)則，景觀多為建筑等人造地物，城市化率比較高。從周長-面積分形維數(shù)統(tǒng)計結(jié)果可以看到，同一地區(qū)的3期數(shù)據(jù)變化較小，其中北京地區(qū)的周長-面積分形維數(shù)最小，天津最大，唐山和石家莊居中。

在同一地區(qū)，3期數(shù)據(jù)的周長面積分維數(shù)（PAFRAC）的分布范圍較為一致，北京地區(qū)的周長面積分維數(shù)分布在1．15附近，石家莊和唐山地區(qū)的PAFRAC值分布在1．2、1．23附近，而天津地區(qū)的PAFRAC值略高，在1．25左右，說明天津地區(qū)的二維景觀鑲嵌體與歐氏幾何的分離度較高，斑塊形狀的復(fù)雜性上升。而分離度指數(shù)（SPLIT）在3期數(shù)據(jù)中天津地區(qū)的變化較大，其他地區(qū)的分布較為緊湊，差別較小。在4個地區(qū)中，天津地區(qū)的SPLIT指數(shù)從2000～2013年逐漸增加，說明隨著天津地區(qū)的發(fā)展，焦點斑塊類型逐漸減少，耕地作為基底斑塊被分割，破碎斑塊逐漸增多，這與斑塊數(shù)量和密度的變化趨勢較為一致。

4 結(jié) 語

近13 a來，京津冀地區(qū)土地利用類型的轉(zhuǎn)換較為劇烈，耕地、林地流失較快，城市擴張迅速，破壞了原有的景觀結(jié)構(gòu)，城市間的發(fā)展也不均衡。因此，建議改變現(xiàn)有的粗放式發(fā)展，減少對耕地的隨意占用，合理規(guī)劃城鎮(zhèn)等建筑用地，保護耕地資源，并協(xié)調(diào)城市間的發(fā)展。同時，注重林地、水域在整個地區(qū)的調(diào)節(jié)作用，保護林地、水體的發(fā)展。

[1] 傅伯杰,呂河,陳立項．國際景觀生態(tài)學(xué)研究新進展[J]．生態(tài)學(xué)報,2008,28(2):798-804

[2] 陳百明,劉新衛(wèi)． LUCC 研究的最新進展評述[J]．地理科學(xué)進展, 2003,22(1): 22-29

[3] Kindu M, Schneider T,Teketay D． Land Use Land Cover Change Analysis Using Object-Based Classification Approach in Munessa-Shashemene Landscape of the Ethiopian Highlands[J]．Remote Sensing,2013(5):2 411-2 435

[4] White J, Shao Y, Lisa M． Landscape Dynamics on the Island of La Gonave [J]．Land,2013(2):493-507

[5] Tammy E． Parece T P,Campbell J B． Comparing Urban Impervious Surface Identification Using Landsat and High Resolution Aerial Photography[J]． Remote Sensing,2013(5): 4 942-4 960

[6] 龔建周,夏北成,陳健飛,等． 基于3S技術(shù)的廣州市生態(tài)安全景觀格局分析[J]．生態(tài)學(xué)報, 2008, 28(9): 4 323-4 333

[7] 游麗平,林廣發(fā),楊陳照,等． 景觀指數(shù)的空間尺度效應(yīng)分析——以廈門島土地利用格局為例[J]．地球信息科學(xué), 2008, 10(1):74-79

[8] 莊大方, 鄧祥征, 戰(zhàn)金艷, 等． 北京市土地利用變化的空間分布特征[J]． 地理研究, 2002, 21(6): 667-674

[9] 齊偉, 張鳳榮． 黃淮海平原農(nóng)區(qū)縣城土地利用景觀格局分析及可持續(xù)利用建議[J]． 中國土地科學(xué), 2003, 17(1): 27-33

[10] 吳瓊,楊國東,李宏卿,等． 基于遙感和 GIS 的吉林市區(qū)景觀演變分析[J]．世界地質(zhì), 2008, 27(3): 332-337

[11] 蘭紅月,李家存,李曉燕． 吉林省大安縣土地利用變化監(jiān)測及景觀格局分析[J]．地理空間信息,2014,12(3):133-135

[12] 崔金鑫． 基于遙感與GIS的河北省沽源縣土地退化監(jiān)測與風(fēng)險評價[D]．成都：成都理工大學(xué), 2010

[13] 陳江龍,高金龍,徐夢月,等． 南京大都市區(qū)建設(shè)用地擴張?zhí)卣髋c機理[J]． 地理研究, 2014, 33(3): 427-438

[14] 湯青,徐勇,劉毅． 廣東省土地利用變化時空分異及其與城市化和工業(yè)化的耦合關(guān)系[J]． China Land Science, 2010, 24(10) :46-51

[15] 李珊,元利,劉云亮, 等． 京津冀城市群城鄉(xiāng)關(guān)聯(lián)的空間分析[J]． 上海農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2012, 28(2): 91-95

[16] 陳丙欣,葉裕民． 京津冀都市區(qū)空間演化軌跡及影響因素分析[J]． 城市發(fā)展研究, 2008 (1): 21-27

[17] 陸大道． 京津冀城市群功能定位及協(xié)同發(fā)展[J]． 地理科學(xué)進展,2015, 34(3):265-270

[18] Baldwin D J B, Weaver K, Schnekenburger F, et al．Sensitivity of Landscape Pattern Indices to Input Data Characteristics on Real Landscapes: Implications for Their use In Natural Disturbance Emulation[J]． Landscape Ecology, 2004,19(3): 255-271

[19] 趙文武,傅伯杰,陳利頂． 景觀指數(shù)的粒度變化效應(yīng)[J]．第四紀研究,2003, 23 (3):326-333

[20] 陳文波,肖篤寧,李秀珍． 景觀指數(shù)分類、應(yīng)用及構(gòu)建研究[J]．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2002, 13(1):121-125

P273

B

1672-4623（2016）02-0069-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.02.024

閆苗苗，碩士，主要從事遙感地學(xué)應(yīng)用與景觀生態(tài)學(xué)研究。

2015-05-25。

項目來源：國家高科技研究發(fā)展計劃資助項目（2012AA12A308）。