基于动态指标的城乡交错带边界界定方法研究

赵华甫 ，朱玉环 ，吴克宁 ，胡晓涛

（1.中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京100083；2.国土资源部土地整治重点实验室，北京100035）

1 引言

城乡交错带是城市要素与乡村要素相互渗透，具有特定的人口特征、经济特征、景观特征的地域，也是土地利用问题最多、矛盾最尖锐的地区[1]。科学的城乡交错带范围界定是加强这一特殊地域土地资源管理、解决用地问题的前提。20世纪早期，国外就城乡交错带范围的界定开展了定性和定量研究。如1947年R·E·迪肯森（Dikinson）根据伯吉斯的同心圆理论，将城市地域结构区由核心到外围分为中央地带、城乡边缘中间地带和城市外缘地带或郊区地带，开创了城市边缘区（即所谓中间地带）研究的先河[2]。1968年Pryor R J提出城乡边缘区具有土地利用、社会和人口特征与城市差异的特征[3]，但是缺乏案例研究。到1975年Russwurm L·H提出的区域城市结构模式对城市边缘区范围作了明确界定[4]。直到1982年Bryant C R才首次利用城乡边缘区内聚居人口（非农业人口）与农业人口之比来定量分析城乡边缘区边界问题[5]。同期Desai等根据聚集指数和郊区化指数的综合指数来划分边缘区[6]，Garreau甚至提出城市边缘区域的5项判定标准[7]。国内研究略滞后，主要依据人口密度梯度、景观紊乱度、城市用地比率等人口、社会、经济、空间特征等指标对城乡交错带进行定性[8]或定量边界界定研究。在定量划分方法方面，主要有人口密度梯度法、信息熵法、断裂点法、引力法、门槛值法和空间叠加法[1，9-12]，同时，非农化建设密度、土地权属特征等多指标综合评判，以及信息技术定性分析相结合等综合方法也被应用于北京、上海等城乡结合部边缘区地域识别中[13-15]。然而，以往城乡交错带范围界定研究均依据人口构成、地类比重、景观指数等静态指标空间变化特征，难以体现城乡交错带这一城乡交互作用的复杂动态产物[16]的动态变化特征。鉴于此，本文以城市外围土地利用动态度变化特征与城乡交错带关系理论假设为前提，以北京市为例，探讨了基于动态指标的城乡交错带界定方法，为客观划分城乡交错带提供方法借鉴。

2 理论假设与数值方法

2.1 城乡交错带土地利用变化理论假设

城市化初期阶段，城乡交错带景观稳定性差，景观的多样性持续快速上升，各景观斑块的规模进一步缩小，导致区域破碎化程度增强，形状变得复杂，农田景观优势地位逐步被弱化，而在城市化结束阶段，城乡交错带景观的变化正好是逆向的。可见，一定时期内城乡交错带边界可以借助土地利用动态度加以刻画。由此，本文提出如下假设，由城市中心向外，经城乡交错带，以至乡村，土地利用动态度的变化趋势是由市中心向外，先缓慢增加，在城乡交错带内缘时发生突变、急速升高、局部可能发生震荡，到城乡交错带的外缘发生突降至较低水平，逢到乡镇或者农村居民点则又略有起伏（图1）。

2.2 数值方法

综合土地利用动态度考虑研究时段土地利用类型间的转移，着眼于变化的过程而非变化的结果，其意义在于反映整个区域土地利用变化的剧烈程度，便于在不同空间尺度上找出土地利用变化的热点区域[17]。因此可依据土地利用动态度对城乡交错带边界进行界定，其计算公式为：

式1中，LC为综合土地利用动态度，LUi为监测起始时间第i类土地利用类型面积；ΔLUi-j为监测时段内第i类土地利用类型转为非i类（j类，j=1，……，n）土地利用类型的面积；T为监测时段长度。

将研究区域划分为若干小区域，计算每一小区域的土地利用动态度。同时以被研究城市核心区中心为初始点，以其为中心每10度形成一条放射状剖面线，整个研究区共拉出36条剖面线。依据剖面线所经过相应栅格的土地动态度数值情况，构成36个数据序列。然后，以某一条剖面线上某栅格单元的土地利用动态度数值为纵坐标，以该栅格中心点距离城市核心区中心距离为横坐标，可绘制出36幅土地利用动态度折线图，并找出土地利用动态度由低值到高值和由高值到低值的转折点。然后，将所有的转折点，根据其地理坐标，标注在遥感影像图上，并根据各转折点与初始点的相对位置，区分内侧转折点和外侧转折点，并分别将内侧转折点和外侧转折点相连，形成城乡交错带的内边界和外边界。

图1 城乡地域土地利用动态度分异假设Fig.1 Regional differences hypotheses of land use dynamic degree in urban and rural regions

3 实证分析

3.1 研究区土地利用信息提取

本文以北京市为研究区，北京市地处西山山前冲积平原，城区四周地形平坦广阔，东南部为广袤的华北平原，东北部、北部距山地均在50 km以上，西部也在30 km以上。以北京市2个时相的Landsat-TM卫星遥感影像为基础，成像时间分别为1999年8月2日和2010年8月8日，其轨道号为123/32；以行政界线和遥感影像为基础，截取北京市东南部平原区和部分山区，涉及区县包括东城区、西城区、朝阳区、海淀区、丰台区、石景山区、通州区、顺义区、密云县、房山区、门头沟区、怀柔区、大兴区、昌平区、平谷区。在ENVI软件系统的支持下，对原始影像进行裁剪、配准等预处理，满足动态变化信息提取的要求。根据遥感图像自身的可解译性，结合北京市土地的经营特点、利用方式以及研究目的和分类精度的要求，参照土地利用现状分类体系，将北京市土地类型划分为农用地、建设用地、城市绿地、水域、其他土地5种类型，其中城市绿地包括城市公园、交通绿地。采用最大似然分类法进行遥感影像的监督分类，并结合北京市土地利用现状变更调查成果及实地调查数据，采用目视解译的方式对错分的地类进行修正，形成两期土地利用现状图。

3.2 研究区土地利用动态度计算

利用网格法划分土地利用动态度判别的基本单元，经试验判别单元为2 km×2 km时，能够很好地反应土地利用的动态特征，因此以2 km×2 km为基本判别单元，研究区共划分为1680个判别单元。将栅格格式的土地利用现状图转化为矢量格式，在ArcGIS中将两期矢量格式的土地利用现状图进行叠加处理，提取土地变化信息的空间位置和面积，按照式1计算每一判别单元的土地利用动态度。研究区土地利用动态度如图2。

3.3 研究区土地利用动态度的特点

3.3.1 对比性与有序性 对研究区的土地利用动态度进行统计，最大值为3.76%，出现在鸟巢上方的森林公园地区，这一地区由原来的农用地和农村居民点转变为城市绿地，变化比较大；最小值为0，出现在部分为林地覆盖的山地地区，基本无变化，可见土地利用动态度具有强烈的对比性。对市区土地利用动态度进行统计，发现土地利用动态度一般在0.50%以下，对四环和六环之间的区域进行统计，发现土地利用动态度大多处于1.00%—3.76%之间，六环以外区域土地利用动态度一般小于1.00%。由此可见，研究区土地利用动态度由内而外具有圈层式的变化特点，即从内向外土地利用动态度逐渐变大，至城乡交错带边缘，又趋于减少的规律性。

3.3.2 震荡性与转折性 通过对36个剖面的折线图进行分析，可以看出不同土地利用动态度的分布具有震荡性，即高中有低，低中有高，在土地利用动态度比较大的区域会出现土地利用动态度比较小的区域，而在土地利用动态度比较小的区域，也会突然出现高值，这主要是因为遇到乡镇或农村居民点而引起的土地利用动态度的变化。同时可以发现，土地利用动态度不是均匀变化的，而是存在由低值到高值和由高值到低值的转折点，如图3d，距城市核心区9km和22km处存在转折点。剖面数据证实了前文提出的城乡交错带土地利用动态度变化假设，因此依据城、乡及城乡交错带土地利用动态度的区域分异特征界定城乡交错带内缘边界和外缘边界，从而实现对城乡交错带的界定具有可行性。

图2 研究区土地利用动态度Fig.2 Landusedynamicdegreeofthestudiedarea

图3 不同方向土地利用动态度变化剖面线Fig.3 Sectionlineoflandusedynamicdegreeindifferentdirections

图4 北京市城乡交错带边界示意Fig.4 Schematic diagram of urban-rural fringe demarcation in Beijing

3.4 城乡交错带内外边界的划定

以36条剖面线的折线图为基础，找出每个剖面由低值到高值和由高值到低值的转折点。把转折点依次连接，局部缺乏转折点的区域以邻近转折点的数值和该区域土地利用动态度数值为参照，找出该局部区域的转折点，描绘出城乡交错带内外边界的位置。描绘时保持了区域空间上的连续性、完整性，城乡交错带内外边界如图4。可以看出，城市核心区包括市区和朝阳、海淀、丰台、石景山的一部分，内边界大致在三环和四环之间，在北、东、西三个方向部分地区突破四环线，基本上分布在北辰桥—辛店路—芍药居—三元桥—新东路—高碑店水库—双龙南里—十八里店桥—宋家庄—郑王坟—莲花池公园—田村西口—长河湾码头—北四环西路—清华东路—北辰桥沿线。城乡交错带包括海淀区、昌平区、顺义区、朝阳区、通州区、大兴区、丰台区、石景山区的部分地区，大部分地区位于四环和六环之间，在西北、东北、东、西南方向上有所延伸，基本上分布在屯佃—中关村永丰高科技产业基地—南沙河—七里渠—回龙观—平西府—朝顺桥—机场南线高速—首都机场附近地区—温榆河畔—马各庄—通州城区附近地区—施园桥—马驹桥新桥—团结河南村—大兴城区附近地区—永定河畔—西山山麓—屯佃。内侧边界客观区分了城市化完成地区和未完成地区的用地动态变化差异；外侧边界区分了已城市化地区和待城市化地区的用地动态变化的不同。

4 结论与讨论

本文以综述现有城乡交错带边界界定方法为基础，以城乡交错带土地利用动态变化特征为依据，提出了城乡交错带土地动态度由城市中心到农村腹地的变化理论假设，并以北京市为例，用遥感分类提取土地利用信息计算了综合土地利用动态度，验证了相关理论假设，同时以综合土地利用动态度来划分城乡交错带的边界，方法具可行性。研究结果表明，北京城乡交错带内边界、外边界处的综合土地利用动态度均存在转折点，依据这些转折点可以将海淀区东北部、昌平区南部、顺义区机场高速沿线及机场周边、朝阳区大部、通州区西南边缘、大兴区的北部边缘、石景山区东部、丰台区的全部地区纳入城乡交错带。

对照比较已有研究，本研究所界定的城乡交错带范围在内外缘轮廓与文献［12］较为贴近，表明研究结论具有一定的可信度，但与文献［12］的最大不同在于，城乡交错带内缘的北段，四环外——中轴线北延长线周边部分在本研究划定为边缘区，而文献［12］界定为城市核心区。分析认为存在这种差异的原因，一方面是由于二者依据不同的划分指标，另一方面由于城乡交错带并不是固定的，而是随时间发生变化。划分不统一的地段对应于奥林匹克公园，在2001年7月北京奥运会申办成功后，该地区土地利用变化迅速，这个可以反应到栅格的变化中，但却无法通过区域地类结构变化分析体现出来。

当然，若能采用更高分辨率的遥感影像，将使划分研究结果更为精确。同时，城乡交错带的确定与行政管理、用地政策、城市规划、生态建设规划、市民的生活趋向等因素有关，若能与其他静态指标相结合，将会使城乡交错带边界的划分成果更具科学性和实用性。

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