基于遥感与GIS的北京市土地利用变化分析

张 梅，卢学辉

(1.长春师范大学城市与环境科学学院，吉林长春130032；2.成都市标准化研究院，四川成都 610031)

基于遥感与GIS的北京市土地利用变化分析

张 梅1，卢学辉2

(1.长春师范大学城市与环境科学学院，吉林长春130032；2.成都市标准化研究院，四川成都 610031)

根据1990、2012年2期影像资料，运用遥感平台获取了北京地区的土地利用数据，采用GIS空间分析方法，全面分析了北京市1990-2012年间土地利用变化时空变化特征。研究结果表明：北京地区土地利用格局发生了较大变化，1990-2012年间土地利用变化的主要方向为建设用地扩张最为明显，耕地、水域面积显著减少，林地、草地面积有一定程度的增加。全区耕地面积减少了157361.85 hm2，建设用地大幅度增加了87503.04 hm2。北京近郊地区与近郊平原区土地利用程度较高，而远郊半山区与远郊山区土地利用程度则相对较低，呈现出明显的区域差异性。1990-2012年研究区所有土地利用/覆被类型的双向转换较为频繁。1990-2012北京市土地利用变化的最大趋势是城市的边缘区、交通干线周边以及农村居民点附近耕地逐渐转化成建设用地。

土地利用变化；遥感；北京

土地利用变化研究是全球化研究中的一个重要领域[1-3]，开展土地利用变化研究，可进一步深入探讨土地利用变化对生态环境造成的影响，从而进一步为区域生态安全的保护和土地利用政策的制定提供一定的决策依据[4-8]。1990-2012年是北京市经济和人口高速增长的时期，经济的发展和人口增长促使北京市出现了以城市化为主要特征的大规模的土地利用/覆被变化。伴随着人口的增长，人多地少的矛盾将更加突出。因此，开展北京地区的土地利用变化研究，在此基础上制定符合实际的土地利用规划，可为该区土地利用管理以及生态环境保护提供研究基础[9-12]。本文以土地资源遥感调查数据为基础，利用RS和GIS方法研究北京市1990-2012年土地利用动态变化的特征，希望能为北京市的未来的发展提供一些参考和建议。

1 研究区与研究数据

研究区为北京市，共辖16个县、区，即东城、西城2个城区，海淀、朝阳、丰台、石景山4个近郊地区，通州、顺义、大兴3个远郊平原区，昌平、平谷、房山3个远郊半山区以及怀柔、延庆、门头沟、密云4个远郊山区。

本文采用的基础数据主要是1990、2012年2期Landsat TM数字遥感影像。非遥感数据主要包括北京市行政区划图、地形图等图形图像数据。数据处理以北京市1∶50000、1∶10000地形图为参考，在ERDAS IMAGINE 9.0软件的支持下对2期影像进行辐射校正、几何精纠正、图像增强、影像裁剪。在对比各种遥感解译方法优劣的基础上，结合野外实测资料，参照同时期前人的土地利用图件成果，采用最大似然监督分类与传统目视解译相结合的方法对影像进行分类，获取土地利用/覆被变化信息[13-15]。根据《全国土地分类》的分类体系，将土地利用分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6个一级类型。

2 研究方法

利用ARCGIS软件对图形数据进行空间叠置分析过程中，本文采用二级土地分类系统，最后对分析结果进行统计处理时，由于考虑到采用二级分类系统数据过于庞杂，因而采用分类系统中的一级类型。

2.1 土地利用变化速度

土地利用动态度可以用来定量描述区域土地利用变化的速度[16-17]，其公式为：

(1)

式中，K为某一土地利用动态度；U1、U2分别代表研究初期及末期某种土地利用类型的数量；T为研究时段长。式(1)可对研究区内各种土地利用类型之间的变化速度作比较。

2.2 土地利用程度综合指数

以庄大方[18]提出的土地利用程度数量化综合指标体系为基础，根据土地利用的强度对研究区土地的6个类进行分级赋值(表1)。土地利用程度计算公式表达为：

(2)

其中，I为研究区域土地利用程度综合指数；Ai为研究区域内第i级土地利用程度分级指数；Ci为研究区域内第i级土地利用程度分级面积百分比；n为土地利用程度分级数。

此外，土地利用程度变化量和变化率公式如下。

(3)

(4)

其中，P代表土地利用程度变化率；Ib-a代表土地利用程度变化量；Ib代表b时间的区域土地利用程度综合指数；Ia为a时间的区域土地利用程度综合指数；Ai为第i级的土地利用程度分级指数；Cib为某区域b时间第i级土地利用程度面积百分比；Cia为某区域a时间第i级土地利用程度面积百分比。

表1 土地利用程度分级赋值

2.3 土地利用类型相对变化率

相对土地利用变化率用来表示土地利用变化的区域差异，计算公式[19-20]为：

(5)

式中，R为相对土地利用变化率；Ua、Ub分别为研究初期及末期局部某一种土地利用类型的数量；Ca、Cb分别为研究初期及末期整个区域某一种土地利用类型的数量。R>1，表示该局部土地利用变化的幅度大于整体的变化幅度；R<1，则反之。

2.4 土地利用类型转移矩阵

通常借助转移矩阵(Conversion Matrix)进行土地利用类型内部转移分析[21-22]。转移矩阵模型为：

(6)

其中，A为转移矩阵，Aij代表k时段的第i种土地利用类型转变成k+1时段第j种土地利用类型的面积。k时段的第i种土地利用类型转变为k+1时段第j种土地利用类型的比例Bij，即根据转移矩阵计算获得公式为：

(7)

利用公式(6)(7)可得到1990-2012年北京市不同土地类型之间的转移结果。

3 结果分析

3.1 土地利用变化结构特征分析

在ARCGIS 9.3下，对北京地区2期土地利用图形和属性数据分别进行统计分析，得出图1、表2的结果。可见，1990-2012年期间研究区土地利用空间分异明显，北京市土地利用类型在1990-2012年间，各类型均发生了不同程度的增减变化，研究区土地利用分类面积始终占前三位的是林地、耕地和建设用地。其中，面积量变化最大的是耕地，1990-2012年间耕地面积减少157361.85 hm2，年变化率为-1.68%；林地总面积增加了53513.91 hm2，年变化率为0.46%；果园等园地土地利用类型面积大幅度增加，增加了35712 hm2草地面积增加6307.56 hm2，年变化率为0.29%；水域面积减少了8400.87 hm2，年变化率为-1.31%；建设用地面积大幅度增加，增加了87503.04 hm2，年变化率为3.72%；未利用地面积增加2836.08 hm2，年变化率最大。在北京城市化进程中由于北京市郊建设用地的分散布局和随意用地、开发区设置不规范造成了土地闲置与浪费现象，造成未利用地不同程度的增减变化。

总体而言，北京市1990-2012年土地利用变化的城市化特征明显，建设用地持续增加，而耕地则显著减少。

图1 研究区1990-2012年土地利用空间格局

3.2 土地利用程度变化的时空特征分析

土地利用程度主要反映了土地利用的广度和深度，不仅可反映土地利用中土地本身的自然属性，同时也可反映人为因素和自然环境因素的综合效应。北京市土地利用程度综合指数、变化量、变化率可根据公式(2)(3)(4)获得(表3)。土地利用程度、土地利用变化量和变化率可定量揭示出该区域内土地利用的综合水平和变化趋势，如果Ib-a>0或R>0，表示区域土地利用处于发展期，如果Ib-a<0或R<0，则处于调整期或衰退期[21]。

北京地区的土地利用程度由1990年的253.72上升到2012年的254.59，增加0.87，说明土地利用处于发展上升期。土地利用程度变化在区域上存在着很大的差异，土地利用程度综合指数从高到低依次为：近郊地区>近郊平原区>近郊半山区>远郊山区，表明北京市近郊地区与近郊平原区土地利用程度较高，而远郊半山区与远郊山区各县土地利用程度较低。1990-2012年间，土地利用程度变化率结果表明，北京市近郊地区、近郊平原区、远郊半山区土地利用处于发展期阶段，远郊山区土地利用仍然处于调整期。

表3 1990-2012年北京市土地利用程度综合指数、变化量和变化率

3.3 土地利用变化的区域差异分析

1990-2012年北京市耕地相对变化率以近郊地区最大，为2.10，近郊平原最小为0.60。林地相对变化率以近郊平原区最大，为5.76，以远郊半山区最小，为0.39。草地相对变化率以近郊地区最大，为156.73，其原因主要是由于朝阳区草地面积迅速增加所引起，远郊山区最小，为2.37。水域相对变化率以近郊地区最大，为1.52，近郊平原区最小，为0.66。建设用地相对变化率整体相差不大，远郊半山区最大，为1.27，远郊山区相对变化率最小，为1.00；未利用地相对变化率表现为近郊地区相对变化率最大，为1.98，远郊山区相对变化率最小，为0.15(表4)。

表4 1990-2012年北京市土地利用相对变化率

3.4 土地利用变化的空间分布特征和变化方向分析

根据全区土地利用数据空间叠置分析数据，得到北京市1990-2012年土地利用转移矩阵(表5)，整个研究区内，占总面积67.34%的图斑在1900-2012年内土地利用方式未发生变化，而其余约32.66%的土地利用方式则发生了一定变化。其中，变化最大的土地利用类型是耕地转化为建设用地，面积是107737.2 hm2。其次是草地转化为林地,面积是78692.88 hm2。22年来北京市土地利用变化的总体趋势是大量耕地转化为建设用地，而当耕地不足时则由草地、林地来进行补充。同时林地与草地在不同的空间区位上业发生了相应转化。北京市所有类型土地利用和土地覆被变化的整体趋势表明，所有土地利用/覆被类型的双向转换较为频繁。

由上述分析得出北京市变化特点为建设用地扩张迅速导致大量耕地转化为建设用地，耕地不足转而由草地补充，通过1990-2012年北京市土地利用数据进行叠加分析，得出建设用地与耕地变化的特点。22年来伴随着建成区迅速扩张北京市耕地减少了157289 hm2，2012年耕地面积仅为1990耕地面积的73.13%。其中城市边缘区的大量耕地，以及原有的农村居民点周边的大量耕地都被占用为建设用地。北京地区北部山丘与平原的交错地带呈离散分布的耕地则向林地、园地转化。西南部房山、门头沟区、昌平区及东北部平谷区平原山区的过渡地带部分草地、林地转化成耕地。整个平原区也可见零星建设用地转化为耕地，较之耕地的流失量仍显得微不足道。整体上看，1990-2012年间北京市耕地转化为其它土地利用类型的面积大于其它土地利用类型转化为耕地的面积(图2)。与此同时，城市发展每年还要大量征用土地，人增地减的逆向发展态势使土地资源的有效供给与日益增长的社会需求之间矛盾更趋激化，制约着全市社会经济发展。因此，控制人口与城镇建设的规模，加强基本农田保护，协调人地关系，以保障全市经济高速、持续、健康发展是急待解决的战略问题[23]。

北京市建成区面积从1990年的147181 hm2增长到2012年的234498 hm2，面积为原用地面积的两倍多。城乡过渡区是土地利用变化最大的区域。城镇在空间上扩展分布受城市中心区辐射和地形条件的双重影响。北京城乡过渡区土地利用变化的发展趋向，以原城区为中心向外呈辐射状扩张，受西北部山地的阻力作用，城镇的扩展主要限制在东南的平原区，形成不对称发展。而且伴随着京石(北京—石家庄)、京通(北京—通州)、首都机场、京八(北京—八达岭)、京津塘等高速公路的修建，四环、五环路的规划和建设，不仅直接占用了农用土地，而且间接刺激了沿线地带的房地产开发。郊区建成区扩张则是由于工业扩散、开发区建设、居住地扩展、旅游设施建设等促使[23-24]。

表5 北京市1990-2012土地利用类型转移矩阵

图2 1990-2012北京市耕地变化图

4 结论

(1)从1990-2012年北京城市快速发展时期来看，北京市土地利用变化显示出明显的城市化特征，建设用地持续增加，而耕地则显著减少，同时草地、林地的土地利用动态度也都较为显著。全区耕地面积减少157361.85 hm2，林地面积增加53513.91 hm2，建设用地大幅度增加87503.04 hm2，草地面积有所增加，但幅度不大。

(2)土地利用程度变化在区域上存在着很大的差异，北京市近郊地区与近郊平原区土地利用程度较高，而远郊半山区与远郊山区各县土地利用程度较低。从土地利用程度变化率来看1990-2012年间北京市近郊地区、近郊平原区、远郊半山区土地利用处于发展期阶段，远郊山区土地利用仍然处于调整期。

(3)北京市城区边缘区域是受城市辐射影响显著的过渡地带，是土地利用变化强度变化最大的地区。在城市的边缘区、交通干线附近，大量的耕地逐渐被占用转化成建设用地，城镇在空间上扩展以原城区为中心向外呈辐射状扩张，受西北部山地的阻力作用，扩展范围主要限制在东南的平原区，并形成不对称发展。

综上可知，北京市在1990-2012年间土地利用变化的主要特点表现为建设用地面积和林地面积的逐年增长以及耕地面积的逐年减少。这说明了城市在发展并向外扩展过程中存在各种土地类型之间此消彼长的结构变化关系。

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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

张 梅(1985- )，女，讲师，博士，从事地貌学与环境演变研究。