張 梅，盧學輝

(1.長春師范大學城市與環(huán)境科學學院，吉林長春130032；2.成都市標準化研究院，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，盧學輝2

(1.長春師范大學城市與環(huán)境科學學院，吉林長春130032；2.成都市標準化研究院，四川成都 610031)

根據(jù)1990、2012年2期影像資料，運用遙感平臺獲取了北京地區(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空變化特征。研究結果表明：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為建設用地擴張最為明顯，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，而遠郊半山區(qū)與遠郊山區(qū)土地利用程度則相對較低，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/覆被類型的雙向轉換較為頻繁。1990-2012北京市土地利用變化的最大趨勢是城市的邊緣區(qū)、交通干線周邊以及農村居民點附近耕地逐漸轉化成建設用地。

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重要領域[1-3]，開展土地利用變化研究，可進一步深入探討土地利用變化對生態(tài)環(huán)境造成的影響，從而進一步為區(qū)域生態(tài)安全的保護和土地利用政策的制定提供一定的決策依據(jù)[4-8]。1990-2012年是北京市經濟和人口高速增長的時期，經濟的發(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，在此基礎上制定符合實際的土地利用規(guī)劃，可為該區(qū)土地利用管理以及生態(tài)環(huán)境保護提供研究基礎[9-12]。本文以土地資源遙感調查數(shù)據(jù)為基礎，利用RS和GIS方法研究北京市1990-2012年土地利用動態(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個縣、區(qū)，即東城、西城2個城區(qū)，海淀、朝陽、豐臺、石景山4個近郊地區(qū)，通州、順義、大興3個遠郊平原區(qū)，昌平、平谷、房山3個遠郊半山區(qū)以及懷柔、延慶、門頭溝、密云4個遠郊山區(qū)。

本文采用的基礎數(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2期影像進行輻射校正、幾何精糾正、圖像增強、影像裁剪。在對比各種遙感解譯方法優(yōu)劣的基礎上，結合野外實測資料，參照同時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)目視解譯相結合的方法對影像進行分類，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、建設用地、未利用地6個一級類型。

2 研究方法

利用ARCGIS軟件對圖形數(shù)據(jù)進行空間疊置分析過程中，本文采用二級土地分類系統(tǒng)，最后對分析結果進行統(tǒng)計處理時，由于考慮到采用二級分類系統(tǒng)數(shù)據(jù)過于龐雜，因而采用分類系統(tǒng)中的一級類型。

2.1 土地利用變化速度

土地利用動態(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為研究時段長。式(1)可對研究區(qū)內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)量化綜合指標體系為基礎，根據(jù)土地利用的強度對研究區(qū)土地的6個類進行分級賦值(表1)。土地利用程度計算公式表達為：

(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)域內第i級土地利用程度分級指數(shù)；Ci為研究區(qū)域內第i級土地利用程度分級面積百分比；n為土地利用程度分級數(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時間的區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù)；Ia為a時間的區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為第i級的土地利用程度分級指數(shù)；Cib為某區(qū)域b時間第i級土地利用程度面積百分比；Cia為某區(qū)域a時間第i級土地利用程度面積百分比。

表1 土地利用程度分級賦值

2.3 土地利用類型相對變化率

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

(5)

式中，R為相對土地利用變化率；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 土地利用類型轉移矩陣

通常借助轉移矩陣(Conversion Matrix)進行土地利用類型內部轉移分析[21-22]。轉移矩陣模型為：

(6)

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

(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移結果。

3 結果分析

3.1 土地利用變化結構特征分析

在ARCGIS 9.3下，對北京地區(qū)2期土地利用圖形和屬性數(shù)據(jù)分別進行統(tǒng)計分析，得出圖1、表2的結果。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。在北京城市化進程中由于北京市郊建設用地的分散布局和隨意用地、開發(fā)區(qū)設置不規(guī)范造成了土地閑置與浪費現(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，同時也可反映人為因素和自然環(huán)境因素的綜合效應。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)域內土地利用的綜合水平和變化趨勢，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，而遠郊半山區(qū)與遠郊山區(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果表明，北京市近郊地區(qū)、近郊平原區(qū)、遠郊半山區(qū)土地利用處于發(fā)展期階段，遠郊山區(qū)土地利用仍然處于調整期。

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。林地相對變化率以近郊平原區(qū)最大，為5.76，以遠郊半山區(qū)最小，為0.39。草地相對變化率以近郊地區(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，遠郊山區(qū)最小，為2.37。水域相對變化率以近郊地區(qū)最大，為1.52，近郊平原區(qū)最小，為0.66。建設用地相對變化率整體相差不大，遠郊半山區(qū)最大，為1.27，遠郊山區(qū)相對變化率最小，為1.00；未利用地相對變化率表現(xiàn)為近郊地區(qū)相對變化率最大，為1.98，遠郊山區(qū)相對變化率最小，為0.15(表4)。

表4 1990-2012年北京市土地利用相對變化率

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年土地利用轉移矩陣(表5)，整個研究區(qū)內，占總面積67.34%的圖斑在1900-2012年內土地利用方式未發(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化為建設用地，面積是107737.2 hm2。其次是草地轉化為林地,面積是78692.88 hm2。22年來北京市土地利用變化的總體趨勢是大量耕地轉化為建設用地，而當耕地不足時則由草地、林地來進行補充。同時林地與草地在不同的空間區(qū)位上業(yè)發(fā)生了相應轉化。北京市所有類型土地利用和土地覆被變化的整體趨勢表明，所有土地利用/覆被類型的雙向轉換較為頻繁。

由上述分析得出北京市變化特點為建設用地擴張迅速導致大量耕地轉化為建設用地，耕地不足轉而由草地補充，通過1990-2012年北京市土地利用數(shù)據(jù)進行疊加分析，得出建設用地與耕地變化的特點。22年來伴隨著建成區(qū)迅速擴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，以及原有的農村居民點周邊的大量耕地都被占用為建設用地。北京地區(qū)北部山丘與平原的交錯地帶呈離散分布的耕地則向林地、園地轉化。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、林地轉化成耕地。整個平原區(qū)也可見零星建設用地轉化為耕地，較之耕地的流失量仍顯得微不足道。整體上看，1990-2012年間北京市耕地轉化為其它土地利用類型的面積大于其它土地利用類型轉化為耕地的面積(圖2)。與此同時，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)勢使土地資源的有效供給與日益增長的社會需求之間矛盾更趨激化，制約著全市社會經濟發(fā)展。因此，控制人口與城鎮(zhèn)建設的規(guī)模，加強基本農田保護，協(xié)調人地關系，以保障全市經濟高速、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張，受西北部山地的阻力作用，城鎮(zhèn)的擴展主要限制在東南的平原區(qū)，形成不對稱發(fā)展。而且伴隨著京石(北京—石家莊)、京通(北京—通州)、首都機場、京八(北京—八達嶺)、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，不僅直接占用了農用土地，而且間接刺激了沿線地帶的房地產開發(fā)。郊區(qū)建成區(qū)擴張則是由于工業(yè)擴散、開發(fā)區(qū)建設、居住地擴展、旅游設施建設等促使[23-24]。

表5 北京市1990-2012土地利用類型轉移矩陣

圖2 1990-2012北京市耕地變化圖

4 結論

(1)從1990-2012年北京城市快速發(fā)展時期來看，北京市土地利用變化顯示出明顯的城市化特征，建設用地持續(xù)增加，而耕地則顯著減少，同時草地、林地的土地利用動態(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，而遠郊半山區(qū)與遠郊山區(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)、遠郊半山區(qū)土地利用處于發(fā)展期階段，遠郊山區(qū)土地利用仍然處于調整期。

(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化成建設用地，城鎮(zhèn)在空間上擴展以原城區(qū)為中心向外呈輻射狀擴張，受西北部山地的阻力作用，擴展范圍主要限制在東南的平原區(qū)，并形成不對稱發(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表現(xiàn)為建設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)展并向外擴展過程中存在各種土地類型之間此消彼長的結構變化關系。

[1]劉紀遠,張增祥,莊大方,等.20世紀90年代中國土地利用變化時空特征及其成因分析[J].地理研究,2003,22(1):1-12.

[2]Foley J A,DeFries R，Asner G P，et al. Global consequences of land use [J].Science,2005,309(5734):570-574.

[3]Turner B L,Lambin E F,Reenberg A.The emergence of land change science for global environmental change and sustainability[J].Proceedings of the National Academy of Sciences,2007,104(52):20666-20671.

[4]李秀彬.全球環(huán)境變化的核心領域:土地利用/土地覆蓋變化的國際研究動向[J].地理學報,1996,51(6):553-557.

[5]李麗娟,姜德娟,楊俊偉，,等．陜西大理河流域土地利用/覆被變化的水文效應[J]．地理研究，2010,29(70):1233-1242.

[6]陳百明,張鳳榮.我國土地利用研究的發(fā)展態(tài)勢與重點領域[J].地理研究,2011,30(1):1-9.

[7]齊建超，劉惠平，伊堯國．應用自組織映射方法的北京市2005-2013年土地利用時空演變分析[J]．生態(tài)學報，2017，37(19)：6346-6354.

[8]Christoph S,Heike H,Wei X,et al．Land use change and causes in the Xiangxi catchment,three Gorges Area derived from multispectral data[J].Journal of Earth Science,2010,21(6):846-855.

[9]史培軍,宮鵬,李曉兵,等.土地利用變化研究的方法與實踐[M].北京:科學出版社,2000.

[10]劉盛和,吳傳鈞,沈洪泉.基于GIS的北京城市土地利用擴展模式[J].地理學報,2000,55(4):407-416.

[11]李雪瑞,王秀蘭,馮仲科.基于土地利用程度的北京城市擴展特征[J].地理科學進展,2009,28(3):398-402.

[12]Veldkamp A,Lambin E F.Predicting land-use change[J].Agriculture,Ecosystems and Environment,2001,85(1-3)：1-6.

[13]劉紀遠,張增祥,徐新良,等.21世紀初中國土地利用變化的空間格局與驅動力分析[J].地理學報,2009,64(12)：1411-1420.

[14]吳海珍，阿如旱，郭田保，等．基于RS和GIS的內蒙古多倫縣土地利用變化對生態(tài)服務價值的影響[J]．地理科學，2011，31(1):110-116.

[15]張楊,劉艷芳,顧漸萍,等.武漢市土地利用覆被變化與生態(tài)環(huán)境效應研究[J].地理科學,2011,31(10):1280-1285.

[16]王秀蘭,包玉海.土地利用動態(tài)變化研究方法探討[J].地理科學進展,1999,18(1):81-87.

[17]張有全,宮輝力,趙文吉,等.北京市1990年-2000年土地利用變化機制分析[J].資源科學,2007,29(3):206-213.

[18]莊大方,劉紀遠.中國土地利用程度的區(qū)域分異模型研究[J].自然資源學報,1997,12(2):105-111.

[19]朱會義,李秀彬,何書金,等.環(huán)渤海地區(qū)土地利用的時空變化分析[J].地理學報,2001,56(3):253-260.

[20]李傳哲，于福亮,劉佳，等．近20年來黑河干流中游地區(qū)土地利用/覆被變化及驅動力定量研究[J].自然資源學報,2011,26(3):353-363.

[21]劉瑞,朱道林.基于轉移矩陣的土地利用變化信息挖掘方法探討[J].資源科學,2010,32(8):1544-1550.

[22]謝葉偉,劉兆剛,趙軍,等.基于RS與GIS的典型黑土區(qū)土地利用變化分析——以海倫市為例[J].地理科學,2010,30(3):428-434.

[23]王靜愛,何春陽,董艷春,等.北京城鄉(xiāng)過渡區(qū)土地利用變化驅動力分析[J].地球科學進展,2002,17(2)：201-209.

[24]孫強,蔡運龍,王樂.北京耕地流失的時空特征與驅動機制[J].資源科學,2007,29(4):158-163.

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，從事地貌學與環(huán)境演變研究。