基于GlobeLand30的全球城乡建设用地空间分布与变化统计分析

陈 军，陈利军，李 然，廖安平，彭 舒，鲁 楠，2，张宇硕，3

1．国家基础地理信息中心，北京100830；2．西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川 成都611756；3．北京师范大学地理学与遥感科学学院，北京100875

1 引 言

为了满足生活与生产之需，人类不断地修建居所、构筑道路、开发能源，形成了以居住、交通、工矿设施等为主体，分布城乡的建设用地，成为人类活动的直观标志和生态足迹［1－2］。这不仅改变了地球表面覆盖与形态，而且直接影响着局部、区域乃至全球的气候、生物化学、水文过程［3－6］。全面摸清和分析建设用地的空间分布、时空扩展，对于环境变化研究、生态环境保护、地理国（世）情监测、可持续发展规划等具有重要意义［7－14］。

自20世纪80年代以来，人们开始利用航空航天遥感手段进行建设用地的调查、监测与分析。早期主要集中对单个城市或大城市连绵区的建成区空间分布进行测定［15－17］，以后逐步将研究区域扩展到一个国家或其他较大区域的建设用地，如基于Landsat卫星影像的美国不透水层研究［18－19］、中国人工建设 不透水 地表研究［20－22］。在全球尺度的调查分析方面，近几年曾有学者利用空间分辨率为500 m的MODIS影像资料生成了反映全球城市用地分布的MOD500数据产品［23］，从中统计出2000年全球3646个大城市连绵区和人口超过10万城镇的建设用地面积，分别为34×104km2和26．6×104km2［24］。文献［2］利用 DMSP OLS（defense meteorological satellite program’s operational linescan system）的夜间灯光数据，近似地估算出全球人工不透水层（constructed impervious surface）的总面积为57．9×104km2，约占全球面积的0．43%。但其仅给出了粗空间分辨率的主要城镇以上建设用地，没有顾及乡村建设用地。此外，美国和欧洲研制的6套空间分辨率300 m或1 km的全球地表覆盖数据产品均包含了城市用地这一类型，但其总面积从0．27×105km2至3．52×105km2不等，呈数量级的差异［25］。这是至今无人对全球城乡建设用地宏观格局与变化进行深入分析的重要原因。

2014年，我国成功研制出世界上首套30 m全球地表覆盖数据GlobeLand30，包括水体、耕地、林地、人造地表等10大类型，将同类全球产品的空间分辨率提高了10倍以上，且具有2000年和2010年 两 个 时 相 （DOI 10．11769／GlobeLand30．2010．db，www．globeland30．org）［26－27］，全球总体分类精度达80%以上［28－29］。这为研究全球性问题提供了重要科学数据［30］。本文利用GlobeLand30的人造地表（artificial surfaces）数据层，开展了全球城乡建设用地空间分布及2000—2010年变化的统计分析，力图为全球生态环境监测、环境变化研究、地理世情监测和可持续发展研究等提供第一手信息和依据。

2 基础数据与分析方法

2．1 采用的基础数据

GlobeLand30是以2000年和2010年两个基准年的陆地卫星Landsat TM、ETM＋为主，中国环境减灾卫星（HJ－1）影像数据和局部地区的北京一号（BJ－1）影像数据为辅，采用基于像素分类－对象提取－知识检核的POK 方法研制而成［27－28］。其人造地表层是指人为活动形成的由沥青、混凝土、沙石、砖瓦以及其他建材覆盖的地表覆盖类型，包括居民区（城市、乡镇、村庄）、交通、通讯以及工矿等设施等类型，不包括下垫面为土壤的城市绿地（如公园、高尔夫球场）和水体，与国土和规划部门对城乡建设用地的定义不完全相同。考虑到城市绿地及水体所占比例较小，故用该人造地表数据去近似地替代城乡建设用地。本文使用的国外GDP和人口统计资料分别来自“世界银行WDI数据库”和“国际统计年鉴”；中国部分的GDP和人口资料取自“中国统计年鉴”。其他还有全球基础地理底图数据（1∶100万）、全球SRTM DEM和柯本—盖格气候带分区数据等。

2．2 统计分析指标与思路

本文主要采用城乡建设用地面积、构成占比以及增量占比为主要分析指标，其中增量占比定义为单位增量占总体增量的比例。为了分析全球城乡建设用地的空间分布及格局，先是以经纬度、气候区、高程带等为单元，统计建设用地面积、地均人口、人均占地、地均GDP等指标，从自然的角度分析2010年全球、各大洲及主要国家的城乡建设用地分布现状与地域差异；其次是采用面积变化、增量占比变化等指标，分析2000—2010年全球、主要国家的建设用地变化以及其主要土地来源。图1给出了基本统计分析方法。

图1 全球城乡建设用地统计分析的基本思路F ig．1 Basic idea for global build－up area statistical analysis

2．3 微分迭代的面积改正

基于GlobeLand30的地表覆盖面积估算，是按矢量形式表达的空间统计区域（如行政界线、生态分区范围等），对栅格形式存储的地表覆盖类型数据进行像素统计（counting pixels）［31］，需考虑地球球面面积与平面投影面积之间的转换及误差影响。为确保统计结果的精度和可靠性，分别在等角投影和等面积投影下计算统计区域和地表覆盖类型面积，并利用微分迭代方法，进行面积改正，如图2所示。为此，先将待统计区域的矢量数据（经纬度坐标值）的弧段进行线性内插，保证其在投影转换的过程中不至于产生过大的形变误差；随后，再将矢量数据投影至UTM等角投影坐标系（同时也是Globe Land30数据的空间参照系）确定待计算的地表覆盖数据范围；同时还需将矢量范围投影至等积投影坐标系下，计算其统计区域的理论参考面积。此时，比较地表覆盖数据面积值与等积投影下的参考面积值，如果两类投影的面积差超出统计的精度要求，则对统计区域进行平面上的格网剖分，再解算出每一个面元上两类投影的面积差的改正系数；继而根据求解出的改正系数对统计区域内每一处剖分的面元进行面积改正，再次比较剖分后矢量数据的两种投影方式的面积差，直至面积差满足需求为止。

3 全球城乡建设用地的空间分布统计

表1给出了2010年全球及各大洲城乡建设用地的面积及所占比例。2010年全球城乡建设用地总面积为118．75×104km2，占全球陆表总面积的0．88%。而各大洲占全球城乡建设用地面积比例依次为：亚洲（34．87%）、欧洲（27．30%）、北美洲（24．66%）、非洲（6．59%）、南美洲（5．09%）和大洋洲（1．50%）。其中，亚洲、欧洲和北美洲3个大洲的城乡建设用地面积总和占全球的86．83%。

图2 地表覆盖地类面积统计流程Fig.2 Area statistics flowchart of land cover classes

表1 2010年全球城乡建设用地面积总量Tab．1 Total area of global build－up in 2010

从图3可见，全球城乡建设用地的空间分布很不均匀。从纬向看，北半球的城乡建设用地面积占全球的90．69%，其中82．28%分布于20°N—60°N之间的中纬度地区，一些城乡建设用地面积较大的国家如美国、加拿大、中国、俄罗斯和印度等均分布于此；南半球的城乡建设用地面积仅占全球的9．31%，其中97．39%分布于0°S—40°S之间的中纬度地区。从经向上看，呈现出西多（67．66%）东少（32．34%）的特征，主要分布于大陆的东岸和西岸，其中在北美洲东海岸、欧亚大陆西海岸和东海岸集聚程度较高，其中东半球主要分布于东经60°E—140°E，占东半球总量的84．04%；西半球主要分布在西经50°W—80°W 和120°W—180°W 之间，占西半球总量的80．43%。

图3 2010年全球城乡建设用地分布密度图Fig．3 Spatial density distribution of global build－up in 2010

按高程分布统计，2010年全球70%以上的城乡建设用地分布于海拔0～500 m之间，而介于海拔0～1000 m之间的高达85%以上，海拔0～2000 m之间的占95%以上（如表2所示）。这是因为海拔较低、相对平坦地区土地开发建设相对容易，而海拔较高的地区往往地势起伏较大，开发成本较高；另一方面，海拔大于4000 m的城乡建设用地仅占总量的0．65%，主要零星分布在亚洲青藏高原地区、南美洲安第斯山脉；而低于海平面的城乡建设用地仅占总量的0．61%，主要分布在亚洲吐鲁番盆地、里海周边区域以及东非大裂谷北段等区域。

同理，可以进行各大洲城乡建设用地分布特征的统计分析。例如，2010年亚洲城乡建设用地面积为41．41×104km2，占全球的34．87%，居各大洲第一位，其分布不均匀、空间差异较大，主要集中在20°N—50°N的中纬度地区，位于东亚沿海地带、印度洋孟加拉湾以及伊塞克湖和里海附近（图4（a））。其中东亚的城乡建设用地规模最大，占亚洲的46．28%；中亚城乡建设用地规模最小，仅占亚洲的7．31%。按主要国家统计，中国、印度、俄罗斯（亚）、日本、孟加拉国、印度尼西亚、乌兹别克斯坦、哈萨克斯坦、土耳其（亚）和伊朗等城乡建设用地面积居前10位，占亚洲的82．61%，而中国居亚洲之首，占38．87%。俄罗斯、哈萨克斯坦和土耳其横跨欧亚大陆，在统计时，仅计算其在亚洲的部分。再如，非洲城乡建设用地面积为7．82×104km2，占全球的6．59%，居全球第4位，其特点为中部多，南部次之，北部最少（图4（b））。

表2 2010年全球不同高程范围城乡建设用地面积分布Tab．2 Area proportion in elevation dimension，2010

南北纬15°之间的区域，城乡建设用地面积占非洲城乡建设用地总面积的53．66%；20°S以南的区域占22．84%；而约占非洲面积1／3的撒哈拉地区，沙漠广布，人居稀少，仅占不到15%。按分区统计，城乡建设用地面积从大到小依次为南非、西非、北非、中非和东非。其中，南非地区是非洲城乡建设用地规模最大的地区，占非洲的33．09%；而东非最小，占8．20%。按主要国家统计，南非、尼日利亚、苏丹、刚果（金）、埃及、阿尔及利亚、加纳、安哥拉、坦桑尼亚和摩洛哥等城乡建设用地面积居前10位，占非洲的63．17%。其中南非的城乡建设用地面积最大，为1．49×104km2，占非洲的19．05%。

图4 2010年大洲城乡建设用地分布示例（亚洲和非洲）Fig．4 Spatial distribution of build－up in continent scale（Asia and Africa）

4 2000年至2010年的时空变化

4．1 总体变化

表3给出了2000年和2010年全球城乡建设用地面积及变化。从2000年至2010年的10年间，全球城乡建设用地总面积增加了5．74×104km2，变化率为5．08%。各大洲的城乡建设用地面积的变化率依次为：非洲（12．30%）、亚洲（6．41%）、北美洲（5．38%）、大洋洲（5．06%）、南美洲（4．12%）和欧洲（1．80%）。其中，非洲、亚洲和北美洲的变化率高于全球平均水平，非洲变化率最高，为12．3%。但从增量占比看，亚洲对全球城乡建设用地增量的贡献率最大，达43．44%；其次是北美洲，为26．03%。

表3 2000年和2010年全球城乡建设用地面积及变化Tab．3 Area change of global build－up between 2000 and 2010

4．2 主要国家的面积变化

美国、中国、俄罗斯、印度、乌克兰、巴西、德国、法国、日本和墨西哥是城乡建设用地面积居前的主要国家，占全球总量的61．26%（表4）。从2000年至2010年，中国城乡建设用地增加1．61×104km2，变化率为11．17%，反映出中国经济快速发展对土地资源的大量需求；而美国增量为1．18×104km2，变化率为5．26%，主要是住宅用地增加显著。中美两国新增城乡建设用地分别占全球的28．17%和20．48%，之和接近全球新增总量的一半。其他国家中，除墨西哥的变化率高于全球平均水平外，其他均低于4%，德国和乌克兰基本没有发生变化。

表4 2000年和2010年典型国家城乡建设用地面积及变化Tab．4 Area and change of typical countries’build－up between 2000 and 2010

4．3 新增城乡建设用地的主要土地来源分析

就占有土地来源而言，2000年至2010年全球新增城乡建设用地占用最多的是耕地，为2．89×104km2，占总量的 50．26%；其次是草地，为1．21×104km2，占总量的21．01%；其他依次为林地（13．46%）、灌丛（6．81%）、裸地（5．13%）、湿地（1．69%）和水体（1．64%），如表5所示。其中亚洲占用耕地的比例最高，占72．01%，欧洲其次，为60．43%．非洲建设用地占用最多的是草地（40．59%）和耕地（29．47%），这是因为非洲原本耕地面积较少。

表5 新增城乡建设用地占用其他类型用地面积统计表Tab．5 The source of increased build－up

5 结 论

通过对全球30 m地表覆盖数据集Globe－Land30的统计分析，获得了有关全球城乡建设用地空间格局与变化的翔实信息和知识，为研究全球陆表人类活动的空间分布特征与变化趋势提供了重要依据。其中主要结论有：

（1）2010年全球陆表城乡建设用地总面积为118．75×104km2，占全球陆表面积的0．88%。全球各大洲城乡建设用地面积从大到小依次为亚洲（34．87%）、欧洲（27．30%）、北美洲（24．66%）、非 洲 （6．59%）、南 美 洲 （5．09%）和 大 洋 洲（1．50%）。城乡建设用地面积最大的10个国家为美国、中国、俄罗斯、印度、乌克兰、巴西、德国、法国、日本和墨西哥。

（2）2000年至2010年全球城乡建设用地面积增加了5．74×104km2，变化率为5．08%。变化率由高到低依次为，非洲（12．30%）、亚洲（6．41%）、北美 洲 （5．38%）、大 洋 洲 （5．06%）、南 美 洲 （4．12%）和欧洲（1．80%）。10年间，城乡建设用地面积规模居前的主要国家中，中国变化率最大，为11．17%，居主要国家之首。从增量占比看，中国和美国新增城乡建设用地占全球的比重分别为28．17%和20．48%，两国之和占全球新增总量近一半。

（3）全球新增的5．74×104km2城乡建设用地中，占用最多的是耕地，占总量的50．26%；其次是草地，占总量的21．01%；其他依次为林地（13．46%）、灌丛地（6．81%）、裸地（5．13%）。

今后还将进一步加强对其数据类型的细化与完善，按特大城市、大中城市和乡村等进行空间格局和变化分析，并进一步开展对全球城乡建设用地的持续监测，深化其在全球环境变化中的应用。

致谢：本项研究工作得到中科院地理所刘纪远研究员、刘闯研究员、国家遥感中心全球生态环境遥感监测专家组有关专家的指导和帮助。在论文撰写过程中，武汉大学詹庆明教授、中国城市规划设计院翟健高工、北京师范大学葛岳静教授、地理所匡文慧研究员等提出了宝贵建议与意见；西南交通大学研究生刘吉羽等参与了资料收集整理，在此一并感谢。

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