多光谱遥感数据城市边缘区土地利用时空结构演化

王佳，崔柳，张盼盼，高赫

(1. 北京林业大学 北京市精准林业重点实验室，北京 100083；2. 北京林业大学 林学院，北京 100083；3. 北京林业大学 园林学院，北京 100083)

0 引言

近年来，随着城市化进程加快，在城市周边地区，城乡边界越来越模糊，随之带来很多问题。城市边缘区作为城市化进程的产物[1]，在这过程中变化最为剧烈，其土地利用方式被大幅改变，时空结构也变化明显。了解城市边缘区的扩展空间变化规律，对解决空间扩展后遇到的发展问题具有一定的指导意义[2]。北京是中国的首都，全国的政治、经济和文化的中心[3]。北京市北郊作为北京的边缘区，是研究中国城市边缘区的土地利用变化和时空结构变化的首选[4]。本文希望通过对北京市北郊时空结构演化的研究，对北京市北郊的建设特点、发展模式做初步探讨，发现其发展过程中存在的问题，寻找解决方法和优化措施，为整个北京市的边缘区建设提供借鉴，为其他地区边缘区建设提供参考。

Louts在研究柏林的形态和结构时发现了城市边缘区，所以对城市边缘区的研究最早起源于德国[5]，乡村和城市的建成区出现了一个有新特征的区域，表现为乡村区域逐渐变化建设用地，转化为城市的一部分，这一新出现的地区被称为城市边缘带[6]。二战以后大城市迅速扩张，导致城市边缘区迅速发展，学者才更多关注城市边缘区问题[7]。国外的城市边缘区空间结构的研究开始于上世纪初期，其中最经典的模式为多核模式，在1945年由美国学者哈里斯(C.D. Harris)与乌尔曼(E.L. Uiman)提出。我国对城市边缘区的研究较晚，始于上世纪80年代中后期[8]。90年代初期，顾朝林、马清亮等人重新定义了城市边缘区的概念、功能和范围，以及其土地利用和形成原因，它的社会经济特点和功能，行政体制与规划管理等内容[9]。到90年代以后，邢忠、刘国园等从城市规划和生态学角度进行了典型城市边缘区的整体和局部研究[10]，到目前已经做了很多工作，但有一定的局限性，局限于对城市边缘区宏观的研究，缺少对典型地区和微观上的研究。

1 研究区概况

本文研究区位于北京市北郊，研究区的选择综合了行政因素和自然因素，西边用山脊线提取边界，东边以昌平的行政边界为边界，以保证景观研究的完整性。面积共1 803.23 km2，115°50′13″E～116°30′8″E，39°56′1″N～40°23′22N。北京市北郊由西北向东南海拔逐渐降低，西部和北部为山区。研究区为典型的大陆性季风气候，春季和冬季降雨较少，春天会产生扬沙，冬天干燥和寒冷；夏季降雨多，所以气候湿润，温度高，秋季凉块，四季分明。

2 数据获取与处理

2.1 研究区数据来源

根据本文研究问题的需要，确定需要的基础数据主要有以下几种，包括数据的名称、年份、分辨率基本信息，如表1所示。收集的数据主要是栅格数据，有DEM和遥感影像2种。

表1 研究区数据基本信息

2.2 数据处理

通过北京市DEM进行提取山脊线，综合行政因素和自然因素确定研究区边界。利用ENVI RPC Orthorectification Workflow工具对影像进行几何校正、图像融合、镶嵌与裁剪等过程，采用最大似然方法进行监督分类，之后参照天地图和昌平区土地利用现状图进行人工修改错误的分类，得到2004年、2009年、2014年分类结果，如图1所示。对分类后的遥感影像进行分类精度的检验，在分类结果图中，设置200个随机点，利用目视比较原始影像和分类结果图，得到分类精度。2004年、2009年、2014年总体分类精度分别为 89.5%、91.6% 、92.3%，符合研究要求。

图1 2004—2014年土地利用分布图

3 研究方法

3.1 扩展强度指数

扩张强度E和扩张速度S是用于描述城市建设用地的变化，比较不同时期、不同方向建设用地面积扩展的快慢、趋势和强度。

式中：S为建设用地扩张速度；E为建设用地扩张强度;ΔU表示研究区建设用地在研究期内变化面积;U为研究初期建设用地面积;T为研究时段长度。

3.2 梯度分析法

梯度分析法是一种地理横断面分析法，在绿色空间结构分析中广泛应用。绿色空间的梯度分析法主要有3种：1)具有各向同性的缓冲区分析法；2)区分方向的样带分析法；3)基于城乡空间区划的比较研究[11]。环形系统法是选中研究区域的一个中心，并以等长的半径化多重缓冲区，让同心圆覆盖整个区域，运用GIS的叠加分析，对各个区域进行分割，统计不同年份不同圈层主要土地利用类型的变化和面积，分析绿色空间的空间结构变化。

3.3 等扇形分析法

等扇形分析法是选定研究区的一个中心，选取合适的半径把研究区分成数量合适的扇形，与不同时期的土地利用图进行叠加，运用GIS叠加分析，用扇形对区域进行分割，统计不同年份不同扇形内各个土地利用类型的面积。

4 结果分析

4.1 北京市北郊土地利用时空变化情况

由表2可知，10年间北京市北郊发生了显著的城市化，建设用地增加了125.5 km2，增加了78.23%；道路面积基本维持稳定；耕地面积减少了132.98 km2，减少了32.47%，是所有土地类型中面积变化最大的；林地面积增加了111.53 km2，增加了11.03%；水域面积减少了3.14 km2，减少了16.29%；未利用用地增加9.07 km2，增加了16.99%；园地面积由25.66 km2增加至32.07 km2，10年间稳定增加。在研究期内北京市北郊最明显的变化是耕地面积大幅降低，建设用地稳定上升。

表2 2004—2014年土地利用面积表

2004—2014年转移矩阵(表3)表明，土地利用发生变化大的类型依次为林地、耕地、建设用地。结合土地利用分布图，2004到2014年平原地区耕地主要转变成建设用地，耕地大幅减少；山区耕地主要转为林地，变化显著。建设用地和道路转为林地面积比较明显，园地面积有所增加，是因为重视城市绿化，城区绿化面积增多。建设用地持续扩张。

表3 2004—2014年土地利用转移矩阵 km2

4.2 北京市北郊土地利用环形分析

本文以环形系统分析法进行分析，用ArcGIS计算图形重心并结合研究区的实际情况，确定以百葛桥中点为圆心，以1 km为间隔化同心圆，分34个梯度，生成能覆盖整个研究区的多重缓冲区，如图2所示；并对各时期的地类进行切割，分别统计各环的耕地、林地和建设用地面积。

图2 样带梯次环设置示意图

图3 2004—2014年林地空间分布

图3为各时相林地空间圈层分布状况。从形态上看，林地的分布随距离先增加后减少，从时间上看，在0～29 km内，林地面积也是先增加后减少。图4为各圈层林地变化图。总体分析2004—2014十年变化，0～29 km，林地处于增加，在29～34 km，林地少量减少，但每圈层减少量小于1 km2。图5为各时相耕地空间圈层分布状况。2004—2009年在0～33 km内耕地都在减少，在耕地分布广的区域，减少量也大；2009—2014年，耕地面积减少区域分布在0～6 km，在15～23 km，耕地面积有所增加。图6为各圈层耕地变化图。总体分析2004—2014十年变化，耕地基本处于减少，在11～19 km，是耕地减少量较大的区域，因为该范围内耕地分布广。图7为北京市北郊各时相建设用地空间圈层分布情况，三期建设用地分布的形态略有差异，整体来看，都是随着离中心点的距离增大，建设用地面积先增大后平稳。建设用地的分布随距离的增加有一定规律。图8为各圈层建设用地变化图。总体分析2004—2014十年变化，建设用地都处于增加，在5～20 km，是建设用地变化大的分布区。

图4 2004—2014年林地变化分布

图5 2004—2014年耕地空间分布

图6 2004—2014年耕地变化分布

图7 2004—2014年建设用地空间分布

图8 2004—2014年建设用地变化分布

4.3 北京市北郊土地利用等扇形分析

本文运用等扇形分析法研究绿色空间形态的各向异性研究，以百葛桥为中心选取34 km为半径，以北偏东11.25°为起点，将研究区域划分成大小相等的16个扇形，如图9所示，统计不同时期各扇形面积占优势的绿地和建设用地面积，统计不同时期各扇形的扩张强度指数，并把它绘制成雷达图，以发现各时段不同方位扩展存在的差异以及该时期扩展的主导方向是哪个[12]。采用自等间隔分级法，对各时段不同扇区的建设用地扩展强度进行分级。

图9 等扇形划分示意图

林地分布在SWW、W、NWW、NW 4个方向，2004年、2009年和2014年林地面积都大于100 km2，是林地分布的密集区，也是林地高速增长区，因为是山区，该区域耕地分布也相对较多；SSE方向是分布的最低点，该区域主要是建设用地。由图10可知，林地分布的形态在方向上相近，不同时期差异不大。不同方位林地表现为先增加后减少。

2004年耕地主要分布在NEE、E、SEE、W 4个方向，耕地面积都大于30 km2，是耕地分布的密集区，也是耕地流失最严重的地区，E、SEE方向上全是平原地区，NEE、W方向是平原和山区结合部分，NNE、NE方向是分布的低点，该区域主要是建设用地和山区。由图可知，耕地分布的形态在方向上变化很大，面积迅速下降，可能是由于建设用地在不同方向变化大。但在2009—2014年期间N方向上耕地增加，是由园地转化而来，如图11所示。

2004年建设用地主要分布在E、SEE、SE、SSE和S 5个方向，建设面积面积都大于10 km2，可见建设用地在东南方向分布广，也是建设用地面积增加多的地区，全是平原地区，所以建设用地的分布跟地形和海拔有关。由图可知，建设用地分布的形态在方向上不大相同，2004—2009年建设用地面积迅速增加，2009—2014年增加速度放慢，主要发生在NEE、E、SEE、SE、SEE 5个方向，如图12所示。

图10 2004—2014年不同方向林地分布雷达图

图11 2004—2014年不同方向耕地分布雷达图

图12 2004—2014年不同方向建设用地分布雷达图

4.4 北京市北郊空间形态演化分析

通过前文分析，可以得出北京市北郊作为典型城市边缘区在2004—2014十年间土地利用结构变化显著，主要原因是由于建设用地的增加和扩张，对北京北郊建设用地扩张的空间方位的差异性进行研究，运用等扇形分析方法，计算各个方向建设用地的扩张速度与强度，并对扩张强度进行分级。

由图13和图14，建设用地的扩张方向存在各向异性，与地形有关；扩张速度不同阶段差异明显，先快后慢，东部扩张明显大于西部扩张；扩张强度不同时期不同方向扩张强度差异明显，但整个十年扩张强度差异不大，说明扩张分布均匀。采用等间隔法，对不同时期各个扇区的扩展强度进行分级，根据研究区特点将其划分成5个类型：高速扩展型、快速扩展型、中速扩展型、低速扩展型和滞后扩展型[13]。2004—2009年整体处于高速扩展，2009—2014年整体相对处于低速扩展，2004—2014年十年间整体处于中速扩展，如表4所示。

图13 2004—2014年建设用地扩张速度

图14 2004—2014年建设用地扩张强度

时段高速快速中速低速滞后2004—2009NE、NWN、NNE、S、SSW、SW、NNWNEE、SE、SSE、SWW、W、NWSEEE2009—2014E、WSEE、NEE、SWW、SE、NWWSSE、NW、NNE、SSW、N、NE、S、NNW、SW2004—2014W、NWWSWW、NNE、NEE、NESW、SSW、SSE、SEE、SE、S、NW、NNW、N、E

5 结束语

城市快速发展过程中，平原地区的建设用地扩张迅速，其扩张速度、强度、方向不同时期具有差异性。北京市北郊地区是平原和山区相结合的地区，在研究中既要考虑地形因素等自然因素，又要考虑非自然因素。建设用地的扩张方向存在各向异性，与地形有关；扩张速度不同阶段差异明显，先快后慢，东部扩张明显大于西部扩张；扩张强度不同时期不同方向扩张强度差异明显，但整个十年扩张强度差异不大，说明扩张分布均匀。

2004—2014年研究区的城市化在不同时期显示不同的特征：2004年—2009年建设用地显著增加，建设用地大幅上升，建设用地不断外扩，城市处于迅猛发展，建设用地大多是有耕地转化而来；2009—2014年建设用地发展明显放缓。在环形系统分析中，林地的圈层分析随距离变化呈现一定的规律性，三期形态相近，耕地面积呈现类似抛物线的变化，建设用地面积不断增大。用等扇形分析土地利用变化发现，除了在N方向上由于园地的转化有耕地增加，其他方向耕地面积都在减少。

城市边缘区是城市的重要组成部分，随着城市化进程的不断加快，城市边缘区的发展是城市中最迅速的地方，因此必须从整个城市发展的角度出发，对北京北郊进行可持续的发展规划。在北京北郊城镇化现象普遍的同时，应寻求城市发展与生态系统保护的平衡点。本文针对北京北郊的发展现状，提出以下几点优化措施：

应保护耕地、园地及林地，将自然与城市结合，使绿地和城市相互渗透。随着城市生活节奏的加快，对城市周边的自然环境需求也将随之增加。在城市绿地总面积较小的情况下，郊外绿色空间能够满足城市居民释放压力、放松身心的需要。

应保护河流、水库等水域的面积不下降，保证其完整性。水域是生态环境的重要组成部分，对维持生态环境的稳定有重要意义，北郊地区水域面积小，并且近十年间还在不断减少，保护水域的工作开展刻不容缓。

要合理规划建设用地。随着城市化的发展，建设用地的增加不可避免，应对其进行合理规划，保护城市的生态环境，不能以破坏性的方式进行发展。努力实现城市可持续发展和保护环境相结合十分重要。

可以引进生态农业项目，提升北京市北郊的旅游价值[14]。北京人口总多，生活压力大，生态农业项目能够满足城市发展与生态系统保护相结合的需要。可以在北京市北郊引进形式多样的项目，在发展经济的同时，实现环境的保护，同时带动旅游产业发展。