北京市绿色空间时空变化遥感分析

李强强 李向新 鹿琳琳 程雨婷 吴瑞婵

摘  要： 本文利用Landsat遥感影像数据对北京市建成区的绿色空间进行分类，并且在此基础上分析城市建成区内部绿色空间面积、覆盖率和人均绿地等指标及其变化，从多个指标的变化定量化研究城市建成区内部绿色空间的变化情况。研究结果表明，2015年较2005年北京市建成区绿色空间面积、覆盖率和人均绿色空间均有一定的下降;在绿色空间的种类上，农田所占比例下降，草地和林地的占比增加，三环内绿色空间变化较小。

关键词： 城市建成区;绿色空间;时空变化;遥感影像;北京

中图分类号： TP7    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.009

本文著录格式：李强强，李向新，鹿琳琳，等. 北京市绿色空间时空变化遥感分析[J]. 软件，2019，40（10）：3740

Remote Sensing Analysis of Spatial and Temporal

Changes of Urban Green Space in Beijing

LI Qiang-qiang1，2， LI Xiang-xin1， LU Lin-lin2*， CHENG Yu-ting2，3， WU Rui-chan1

（1. Faculty of land and Resources Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650032， China; 2. Key Laboratory of Digital Earth Science， Institute of Remote Sensing and Digital Earth， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100094; 3. School of Architectural and Surveying & Mapping Engineering Jiangxi University of Science and Technology， Ganzhou， Jiangxi 314000， China）

【Abstract】： This paper uses the Landsat remote sensing images to classify the urban green space in the built-up area of ??Beijing. Based on the classification results， the indicators including green space area， coverage rate and per capita green space in the urban built-up area and their changes were analyzed. Using these indicators， the changes in the green space inside the built-up area of ??the city were characterized quantitatively. The analysis results indicate that the green space area， coverage rate and per capita green space of Beijing's built-up areas have declined from 2005 to 2015.In terms of green space types， the proportion of farmland  has decreased， and the proportion of grassland and forest land has increased. The changes of green space were subtle within the third ring road of Beijing.

【Key words】： Urban built-up area; Greenspace; Spatial and temporal change; Satellite image; Beijing

0  引言

隨着城市化的发展和城市地区的迅速扩张，城市化对地球的生态环境造成了深远的影响。据统计，在1920年以前，居住在城市地区的人数还不到总人口的20%，在2017年全球已经有55%的人口居住在了城市，预计在2030年左右这个数值将会增加到60%，2050年有可能突破75%。目前城市占据着全球90%的生态空间，消耗着65%的能源，每年排放的温室气体高达70%。北京是我国首都、直辖市和国家中心城市，是全国政治中心、文化中心、国际交往中心、科技创新中心。作为人口超过千万的超大城市，在过去几十年间经历了快速的人口集聚和城市化过程，造成大气污染、水资源短缺、热岛效应加剧、环境质量下降等一系列环境问题。

了解城市化进程的一个关键要素是是及时、精确的获取城市土地利用状况。遥感具有空间覆盖范围宏观、动态、连续等优势，随着近年来卫星遥感与大数据技术的快速发展， 卫星影像被广泛的应用于土地覆盖/利用状况分类，并监测其随着时间的变化情况。

城市绿色空间（Urban Greenspace，UGS）是指在城市内部及周边有绿色植物覆盖的区域，包括草地、林地、耕地等自然或者是人造绿色空间。城市绿色空间对地区在进行城市化过程中产生的温室效应、臭氧层破坏、热岛效应等有不同程度的抑制作用，且有利于修复被破坏的城市生态环境，缓解人类生活压力，提高城市的宜居性，对城市居民的身心健康有着重大的作用。因此，研究城市绿色空间的时空动态变化对快速城市化地区的城市空间格局调控和城市绿色基础设施规划建设具有重要的现实意义。

1  研究区和数据

1.1  研究区

本研究以北京市为对象，位于东经115.7°—117.4°，北纬39.4°—41.6°，我国华北平原北部，毗邻渤海湾，上靠辽东半岛，下临山东半岛。中心位于北纬39°54′20″，东经116°25′29″，总面积16410.54平方千米。北京市作为我国首都，又是人口超过一千万的超大城市，是世界上城市化的进程最快的地区之一，城市化所造成的问题较为明显。本次研究主要针对在城市化的发展中人口的增长和绿色空间的变化，所以本研究排除偏远的郊县和山区，将区域缩小至首都功能核心区和城市功能拓展区的6个城区，分别是海淀区、丰台区、朝阳区、东城区、西城区和石景山区。

1.2  研究数据

本文选取具有中分辨率的Landsat影像作为主要数据源。Landsat数据具有时间序列长，覆盖面全等特征，并且可以免费获取全球的历史数据，非常适用于时间序列相关的研究。本研究收集2005年、2015年的共8幅Landsat数据影像，分别由Landsat 专题制图仪（Thematic Mapper，TM）、增强型专题制图仪（Thematic Mapper Plus，ETM+）和（Operational Land Imager，OLI）陆地成像仪影像图获取。考虑到研究对数据一致性的要求，本文中收集的数据均来自于美国地质调查所（United States Geological Survey，USGS，http：//espa.cr.usgs.gov），经过校正后的L1T级别的产品。本文采用的人口数据是根据北京市统计局所统计的2005、2015年的乡镇常住人口统计数据。

2  绿色空间提取方法

参考国家建设部《城市绿地分类标准》（编号为CJJ/T85-2002）规定和北京市城市发展的具体情况，本研究采用的土地覆盖分类体系将北京城市绿色空间分为森林、草地和农田3个一级类，其他划分为水体和不透水层。基于多时相遥感数据，研究选取多时相光谱特征和归一化植被指数构建特征集，归一化植被指数（NDVI）表达式如下：NDVI=（NIR-R）/ （NIR+R），使用机器学习自动分类方法，主要基于不同土地覆盖类型及绿色空间类型的物候差异，对研究区进行土地利用类型划分。

方法的具体流程如下：首先，使用Landsat生态系统干扰自适应处理系统（Landsat Ecosystem Disturbance Adaptive Processing System，LEDAPS）对所有的图像进行辐射定标和大气校正，按照NDVI=（NIR-R）/（NIR+R）公式运用波段运算工具（band math）计算影像的NDVI。然后，将空间分辨率为30 m的原始影像波段与NDVI利用波段组合，作为土地利用分类的主要输入数据。最后，人工选取训练样本，使用随机森林分类的方法将影像分类得到包含耕地、林地、草地、水体、不透水层的分类图像。经验证，2005和2015年的分类结果整体精度优于85%。北京城区的Landsat影像分类结果如图1和图2所示。

3  结果与分析

3.1  城市建成区内绿色空间时空格局变化

从分类结果来看，2005年以来，北京市土地类型中的不透水层面积变多，说明近十年北京的城市化很迅速，建筑等非绿色空间增多。2005年不透水層面积为798.97 km2，到了2015年增长为844.16 km2。而绿色空间的面积在2005年为523.35 km2，在2015年为472.77 km2。相应地，绿色空间覆盖率在2005年和2015年分别是39.36%和35.55%。人均绿色空间拥有量是衡量城市生态环境的重要指标，根据北京市城镇常住人口分布数据，结合各个年份绿色空间分布图，可以得到以城镇为单位的人均绿地分布图。将数据整合后，得到总的研究地区2005年和2015年的人均绿色空间面积分别为56.66 km2和38.2 km2，人均绿色空间面积有所减少。

3.2  不同环路间绿色空间格局的变化

近年，北京市环路的建设，使得北京市的空间格局更加的趋于系统的发展，对环路周围的商业发展以及绿色空间都造成了极大的影响，使得临近地区的土地利用也发生了不同程度的变化。整体来看，各个环路之间从2005年到2015年之间绿色空间呈现除了增长的趋势，其中4环到5环之间的变化最大，从2005年的92.99 km2增加到2015年的124.56 km2。绿色空间覆盖率从15%增加到20%。3环到4环之间的绿地面积从17.2 km2增加到42.96 km2，绿色空间覆盖率从5.6%增加到14.2%。二环到三环之间的绿地面积从7.1 km2增加到20.72 km2，绿色空间覆盖率从4.4%增加到13%。二环以内的绿地面积从3.15 km2增加到7.1 km2，绿色空间覆盖率从5%增加到11%。可以发现，从二环到五环，越接近五环，土地利用变换越大，越接近二环，土地利用变化越小。

3.3  城市绿色空间变化特征分析

从分类结果变化图5来看，从2005年到2015年，北京城市建成区绿色空间类型中耕地所占比例不断减少，草地和林地所占比例不断的增加。所以，自2005年城市建筑用地大部分是农业耕地转换的，而绿色空间的增加主要依赖林地和草地的增加，其中草地是近几年绿色空间建设的主要类型。

经统计，耕地从2005年的345.65 km2减少到2015年的170.05 km2，而林地则是由2005年的155.16 km2增加到2015年的241.46 km2，草地则是从22.54 km2增加到61.26 km2。与此同时，耕地的覆盖率从2005年的25.99%降到2015年的12.79%，林地的覆盖率从11.67%增加到18.16%，草地的覆盖率从1.7%增加到4.61%。

4  结论

基于 Landsat影像分类，本研究定量化的分析了北京2005年和2015年城市建成区内绿色空间格局的时空动态变化，主要得到如下结论：

（1）2005年以来，北京的城市建成区内部的绿色空间占比和格局都发生了变化，其中2005年和2015年城市建成区内部绿色空间覆盖率分别是39.36%和35.55%，人均绿色空间分别是56.66 m2/人和38.2 m2/人。由此可见，由于快速的城市化，大量的耕地被转换成高楼，从而使得绿色空间的覆盖率有所降低。而且人口从2005年的953.2万增加到2015年1282.8万，使得人均绿色空间值也降低。

（2）2005年到2015年之间不同类型的绿色空间在城市建成区绿色空间总的面积中所占的比例有较大的改变，尤其是耕地面积，从2005年占总面积的25.99%降低到2015年的12.79%，从解译影像得到的分类结果图像可以看出，大量的耕地变成了建筑用地，其余的变成林地和少量的耕地。可以发现北京市在城市化的过程中，受到影响最大的就是农业用地，也说明了在城市建成区绿色空间中耕地的重要性正在下降，因为林地和草地对城市建成区的生态改善有着更大的效果，所以城市扩张侵占了自然生态系统中的农田，同时也保留且生成了更多的林地和草地，对美化城市和改善城市生态环境起到了重要的作用。

（3）通过2005年到2015年北京城市建成区内绿色空间的变化可以看出，三环以内的绿色空间覆盖率较低，三环以外的绿色空间覆盖率较高，说明在城市原有的基础上还需要增加一些绿色空间。三环以内城市建成区比较稳定，不论是绿色空间还是建筑区域变化的区域都不大，四环以外有大量的农田发生变化，在原来耕地区域新建了很多高楼，相应地也新增了很多林地和草地，说明在未来影响北京市绿色空间主要是发生在四环以外，在新建建筑区域时需注意绿色空间的占比，通过建设公园、草地等美化城市环境、改善城市生态质量。

北京市城市化的发展与绿色空间的建设密不可分。虽然近年来，绿色空间有所增长，但是与人口增长速率不一致，导致人均绿色空间占比不断降低。所以为了提升城市发展质量、人居环境质量，城市绿地建设应该和城市人口增长的速度在空间和时间上保持一致，这样才能促进城市健康可持续的发展。

参考文献

[1]信冠栋， 施昆， 吕晓阳. 遥感动态监测模型在拉市海湿地保护区土地利用中的研究[J]. 软件， 2018， 39（4）： 170-175.

[2]钟凯， 黄义忠， 谭荣建， 等. 遥感图像常用植被参数计算系统的设计与实现[J]. 软件， 2018， 39（11）： 11-17.

[3]马义超， 米鸿燕， 钟凯. 基于ENVI的高分辨率遥感影像城市生态环境研究[J]. 软件， 2018， 39（11）： 235-238.

[4]蒋红娟， 黄义忠. 基于Landsat遥感影像的石漠化时空演变分析——以西畴县兴街镇为例[J]. 软件， 2018， 39（12）： 166- 171.

[5]李玲， 李晋宏.基于随机森林修正的加权二部图推荐算法[J]. 软件， 2018， 39（1）： 110-115.

[6]胡忠行. 城市景觀空间格局及景观生态规划与设计研究-以金华市城市绿地系统为例[D]. 福州： 福建师范大学， 2003.

[7]Bolund P， Hunhammar S. Ecosystem services in urban areas[J].Ecological Economics， 1999， 29（2）： 293-302.

[8]Montgomery M R. The urban transformation of the developing world[J]. Science， 2008， 319（5864）： 761-764.

[9]Turner M G， Ruscher C L. Changes in landscape patterns in Georgia， USA[J]. Landscape Ecology， 1988， 1（4）： 241-251.

[10]李贞， 王丽荣， 管冬生. 广州城市绿地系统景观异质性分析[J]. 应用生态学报， 2000， 11（1）： 127-130.

[11]陈自新. 城市园林绿化与城市可持续发展[J]. 中国园林， 1998， 14（5）： 4-5.

[12]周亮， 张志云， 吴丽娟， 等. 北京城市扩展轴上的绿地景观格局梯度分析[J]. 林业资源管理， 2006， （5）： 47-52.

[13]Li W F， Ouyang Z Y， Wang R S， et al. Landscape pattern and their formation of urban ecosystems[J]. Chinese Journal of Ecology， 2005， 24（4）： 428-432.

[14]Alberti M. The effects of urban patterns on ecosystem function[J].International Regional Science Review， 2005， 28（2）： 168-192.

[15]俞孔坚， 李迪华， 彭晋福， 等. 景观可达性作为衡量城市绿地系统功能指标的评价方法与案例[J]. 城市规划， 1999， 23（8）： 8-11.