基于時序Landsat數(shù)據(jù)的地理國情監(jiān)測方法初探

呂桂軍， 李英成， 白潔， 趙雅莉

(1.中測新圖(北京)遙感技術有限責任公司，北京 100039；2.河南理工大學礦山空間信息技術國家測繪局重點實驗室,焦作 454003；3.中國測繪科學研究院，北京 100039)

基于時序Landsat數(shù)據(jù)的地理國情監(jiān)測方法初探

呂桂軍1，2， 李英成1，3， 白潔1， 趙雅莉1

(1.中測新圖(北京)遙感技術有限責任公司，北京 100039；2.河南理工大學礦山空間信息技術國家測繪局重點實驗室,焦作 454003；3.中國測繪科學研究院，北京 100039)

為全面掌握地表自然和人文地理國情信息，基于北京市海淀區(qū)1986—2010年間8個不同時相的Landsat數(shù)據(jù)，分析了海淀區(qū)資源與環(huán)境要素的時空變化特點，討論了其中的驅(qū)動因素。結果表明：在1986—2010年間，耕地面積減少了45.7%，建設用地面積增加了38.95%，林、草地面積增加了23.44%，水體和其他用地面積變化不明顯；城市范圍向西、向北方向擴展，在西北旺地區(qū)表現(xiàn)得尤為明顯；城市質(zhì)心向西北方向偏移；城市緊湊度逐漸減小，分形指數(shù)逐漸增大，反映出城市飽和程度降低，城市邊界逐步復雜化，綜合土地利用動態(tài)度呈先減小后增大的趨勢。因此認為，人口的增長、經(jīng)濟的發(fā)展、基礎設施的建設以及政策法規(guī)的制定等，都促進了北京市海淀區(qū)資源與環(huán)境要素的變化。

長時間序列；地理國情監(jiān)測；指標體系；時空變化；驅(qū)動因素

0 引言

改革開放30多a以來，我國社會經(jīng)濟有了突飛猛進的發(fā)展，但伴隨而來的生態(tài)環(huán)境問題也逐漸突顯。及時了解地表覆蓋、生態(tài)環(huán)境信息變化是社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的前提。地理國情監(jiān)測是以3S技術和其他測繪方法為基本手段，獲取國家自然、經(jīng)濟、人文的動態(tài)變化信息并分析其變化的合理性與驅(qū)動力，從而對將來的趨勢進行預測，并以多種形式反映各類資源、環(huán)境、生態(tài)、經(jīng)濟要素的空間分布及其發(fā)展變化規(guī)律，通過多種渠道報告地理空間、人文、社會、經(jīng)濟的動態(tài)變化和實時狀態(tài)，為公眾和決策部門提供必要的信息支持[1]。陸地衛(wèi)星(Landsat)系列自1972年發(fā)射以來，以其中等空間分辨率、多光譜，以及長達40多a的長時間序列特征，在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水體等一系列區(qū)域監(jiān)測研究中發(fā)揮了重要作用，彌補了高分辨率遙感數(shù)據(jù)因拘泥于局部細節(jié)而較難保證監(jiān)測系統(tǒng)性的不足。史培軍[2]、何春陽[3]、牟風云[4]、王浩[5]等一些學者基于長時間序列Landsat影像，利用不同的研究方法對土地利用變化、城市擴展等單一專題做了動態(tài)監(jiān)測研究，分析了專題要素的變化特征及規(guī)律。

北京市海淀區(qū)作為北京市主體功能區(qū)中的城市功能拓展區(qū)，其發(fā)展的重點之一就是加快城市化進程，加大對城鄉(xiāng)結合部的環(huán)境整治力度，加強綠地等生態(tài)環(huán)境建設，維護城市的綠色生態(tài)空間。因此，對海淀區(qū)地理要素進行連續(xù)動態(tài)監(jiān)測具有十分重要的意義。本文利用長時間序列Landsat影像，基于海淀區(qū)的土地利用分類結果，構建了適用于中等分辨率遙感影像的地理國情監(jiān)測指標體系，并在此基礎上對海淀區(qū)1986—2010年間自然地理要素的變化特征及規(guī)律進行了研究，從多個角度對影響其發(fā)展變化的驅(qū)動力進行了分析，為制定科學、合理的土地利用及城市發(fā)展規(guī)劃提供參考。

1 監(jiān)測區(qū)概況及數(shù)據(jù)介紹

1.1 監(jiān)測區(qū)概況

海淀區(qū)位于北京城區(qū)西北部[6]，地理坐標為E116°03′～116°23′，N39°53′～40°09′。全區(qū)面積430.8 km2，約占北京市總面積的2.53%。海淀區(qū)地處華北平原的北部，地勢西高東低，西部為海拔100 m以上的山地，最高海拔達到1 261 m，東部和南部的平原地區(qū)海拔為50 m左右(圖1)。

(a) 20001031 TM5(R)4(G)3(B) (b) DEM圖 (c) 坡度信息圖假彩色合成圖像

圖1 北京市海淀區(qū)地理位置及高程、坡度信息

Fig.1 Location and distribution of DEM/slope of Haidian District,Beijing

1.2 數(shù)據(jù)源

本研究選取了海淀區(qū)1986—2010年間8景TM數(shù)據(jù)，成像日期分別為1986年10月25日、1989年10月17日、1992年10月25日、1995年10月18日、2000年10月31日、2004年10月26日、2007年5月28日和2010年11月28日。

2 研究方法

2.1 土地利用分類體系的制定

根據(jù)地理國情監(jiān)測的研究目的、TM影像時空分辨率和北京地區(qū)土地利用特點，參照《中國科學院土地利用遙感監(jiān)測分類系統(tǒng)》[7]、美國USGS基于TM數(shù)據(jù)定義的土地利用分類體系[8]，將土地利用分類體系劃分為耕地、林地、草地、建設用地、水體和其他用地等6種類型。

2.2 監(jiān)測指標體系的建立

基于土地利用分類結果，本文構建了涵蓋資源類和環(huán)境類的地理國情監(jiān)測指標體系，對研究區(qū)的自然地理國情要素進行系統(tǒng)、連續(xù)的動態(tài)監(jiān)測。

1) 資源類指標。資源類指標包括了不同土地利用類型的面積和占地比例，以及不同高程帶、不同坡度帶[9]上6種地類的分布比例。

2)環(huán)境類指標。環(huán)境類指標主要包括植被覆蓋度、城市邊界范圍[10](本文卷積核為69像元×69像元，閾值為51%)、建設用地擴展速率與擴展強度[11]、城市緊湊度與分形指數(shù)[12-13]以及綜合土地利用動態(tài)度[14]。

3 結果分析

3.1 資源類指標的監(jiān)測結果

3.1.1 土地利用類型時空變化特征

采用本研究制定的土地利用分類體系，對8個時相的Landsat影像進行土地利用分類，得到的結果如圖2所示(本文將林地和草地并為一項分析)。

圖2 1986—2010年海淀區(qū)土地利用類型比例變化Fig.2 Variation of different landuse type ratios from 1986 to 2010,Haidian District

1)耕地面積明顯減少。耕地占地比例由1986年的38.32%減少到2010年的20.81%。減少的耕地主要流向了建設用地。在海淀區(qū)西部的四季青地區(qū)、北部的馬連洼和西北旺地區(qū)表現(xiàn)得比較明顯。其中，1989—2000年間，耕地面積減少趨勢較為明顯，占地比例由31.93%下降到24.59%；2000年之后則變化較為平緩。

2)林、草地面積逐漸增加。林、草地占地比例呈先減再逐漸增加的趨勢：1986—1989年間，西部山邊地段因開墾水田而造成林、草地面積減少；1992—1995年間，林、草地面積變化不大；1995—2000年間，在政府大力提倡的“退耕還林、植樹造林”政策帶動下，林、草地面積有所增加；2000年以后，隨著城市的逐漸擴張，為保障城市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，城區(qū)內(nèi)綠化用地隨之增加，林、草地面積也隨之緩慢增加。

3)建設用地面積顯著增加。建設用地占地比例由1986年的33.08%增加到2010年的45.96%。建設用地的增加來源于耕地，主要集中在城市北部的上地、清河、西北旺地區(qū)以及西部的四季青地區(qū)。

4)水體和其他用地面積沒有明顯變化。海淀區(qū)內(nèi)的水體主要分布在頤和園、圓明園、玉淵潭公園、京密引水渠和南沙河流域等，占地比例1.50%左右。其他用地主要是西部山上的裸地和平原地區(qū)推平未建的區(qū)域，占地比例基本都在1.00%以內(nèi)。

3.1.2 不同地勢上土地利用類型的時空分布特征

3.1.2.1 不同高程上的分布特征

海淀區(qū)的地勢西高東低，在不同高程帶上，各地類呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(圖3)。在高程小于50 m的平原地區(qū)，以耕地和建設用地為主，占地比例均在30%以上，且二者呈現(xiàn)出此消彼長的變化特征；林、草地面積增加較緩，在10%～20%之間變動；水體和其他用地面積變化不明顯。在高程為50～100 m的山腳區(qū)域和部分城區(qū)，仍以耕地和建設用地為主，但耕地面積逐漸減少，建設用地面積逐漸增加，兩者的增減速度在不同年份有所不同。林、草地在1989—1992年間增長較快，1992年之后變化不明顯，保持在20%左右；水體和其他用地的占地比例均在1%左右。在高程為100～200 m的山麓地區(qū)，各地類面積的變化呈現(xiàn)上下浮動的特點，在此高程帶上，林、草地已成為主要地類，占地比例達到了70%以上。在200 m以上的高程范圍內(nèi)，幾乎全部為林、草地，且不同監(jiān)測時段內(nèi)林、草地面積變化不大。

(a) [0,50)m(b) [50,100)m(c) [100,200)m (d) [200,1 500)m

圖3 1986—2010年海淀區(qū)不同高程帶上土地利用類型占地比例變化

Fig.3 Variation of different landuse type ratios in different DEM from 1986 to 2010,Haidian District

3.1.2.2 不同坡度上的分布特征

在不同坡度帶上，各地類也呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(圖4)。隨著坡度值的不斷增加，耕地、建設用地、水體和其他用地面積逐漸減少，林、草地面積逐漸增加。在0～5°坡度范圍內(nèi)，主要地類為耕地和建設用地：耕地面積逐漸減少，建設用地面積逐漸增加，兩者變化速度較為均勻；林、草地面積逐漸增加，但增加速度不大，在2000年之后，林、草地面積趨于穩(wěn)定；水體和其他用地面積變化不明顯，占地比例均在2%以下。在5～8°坡度范圍內(nèi)，地類主要為建設用地、耕地以及林、草地。建設用地面積仍以較均勻的速度增加，占地比例在30%以上；耕地面積上下波動但呈減少趨勢，占地比例下降到了10%以下；林、草地面積逐漸增加，在1989—1992年增加較為明顯，其他年份變化速度較小，在這一坡度范圍內(nèi)，林、草地的主導地位已凸顯，占地比例基本都在30%以上。在8～15°坡度范圍內(nèi)，主要地類為林、草地，其占地比例由67.15%增加到了90.10%，呈現(xiàn)出先增加后減少的變化趨勢。其他各地類占地比例均在20%以下，耕地面積有所減少，建設用地面積先減后增。坡度在15°以上時，幾乎全部為林、草地。

(a) [0°,2°) (b) [2°,3°) (c) [3°,5°)(d) [5°,6°)

(e) [6°,8°) (f) [8°,10°)(g) [10°,15°) (h) ≥15°

圖4 1986—2010年海淀區(qū)不同坡度帶上土地利用類型占地比例變化

Fig.4 Variation of different landuse type ratios in different slop from 1986 to 2010,Haidian District

3.2 環(huán)境類指標的監(jiān)測結果

3.2.1 植被覆蓋度

本文的植被覆蓋度是按照耕地和林、草地的總面積占研究區(qū)域總面積的比例來計算的。就研究區(qū)而言，耕地占地比例對植被覆蓋度的影響較大。 1986—2010年間，植被覆蓋率呈持續(xù)降低的趨勢，由1986年的63.78%減小到2010年的52.24%。

3.2.2 城市邊界范圍

1986—2010年間的城市邊界范圍如圖5所示。

在1986—1989年、1989—1992年和1992—1995年3個時期內(nèi)，海淀區(qū)主要以“外延式”的方式向東北部的東升、清河、西三旗地區(qū)擴展；1995—2000年間，在西部和西南部四季青地區(qū)略有擴展，西北部則外延到馬連洼、上地和青龍橋地區(qū)；2000—2004年間，呈現(xiàn)出了“外延式”和“填充式”的擴展，“外延式”擴展主要表現(xiàn)在四季青地區(qū)，“填充式”擴展則在青龍橋地區(qū)較為明顯；2004—2007年、2007—2010年2個時期，主要以“外延式”擴展，前一時期的擴展主要在四季青地區(qū)，逐漸到達香山地區(qū)，后一時期的擴展范圍較大，由原來的馬連洼地區(qū)擴展到了西北旺地區(qū)。城市質(zhì)心也隨著城市范圍的變化向西北方向移動。

3.2.3 建設用地擴展速率與擴展強度

從圖6可以看出，在不同監(jiān)測時段，海淀區(qū)建設用地的擴展速率與擴展強度呈現(xiàn)正相關性。其中，1986—1989年、1992—1995年是城市的快速發(fā)展時期，建設用地擴展較為強烈，擴展速率與擴展強度都在一個較高水平，擴展速率接近4.7 km2/a，擴展強度接近3%。1989—1992年，2000—2004年2個時段內(nèi)，建設用地的擴展速率與擴展強度較低，擴展速率在0.1～0.5 km2/a之間，擴展強度在0.1%～0.8%之間，其原因是這期間建設用地面積增加較少。1995—2004年之間，兩者均逐漸下降。2004—2010年間，由于經(jīng)濟快速增長，城市建設加強，建設用地快速增加，建設用地擴展速率和擴展強度再次增加。

圖6 1986—2010年海淀區(qū)建設用地擴展速率與擴展強度變化Fig.6 Variation of build-up land extension speed and extension strength from 1986 to 2010,Haidian District

3.2.4 城市緊湊度與分形指數(shù)

1986—1989年間，城市緊湊度逐漸增加，分形指數(shù)逐漸下降，在1989年，二者均達到了整個監(jiān)測時段的極值點(圖7)，說明這期間城市的飽和程度較高，城市邊界較為規(guī)整。1992—2007年間，城市緊湊度在0.41～0.46區(qū)間波動，分形指數(shù)變化不明顯，在1.08左右波動，此時城市的飽和程度較好，城市的擴展較為均衡，沒有出現(xiàn)向某一方向的突出增長。2010年，城市緊湊度下降，分形指數(shù)增加，城市邊界較不規(guī)則。結合城市范圍的擴展情況，這期間城市主要向北部的西北旺地區(qū)迅速擴展，但向西部的擴展不明顯，導致城市邊界不規(guī)則，緊湊度下降。

圖7 1986—2010年間海淀區(qū)城市緊湊度

3.2.5 綜合土地利用動態(tài)度

1986—2010年間,土地利用動態(tài)度大體呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢(圖8)。1986—1989年、1989—1992年、1992—1995年3個時期內(nèi)，土地利用動態(tài)度變化較小(4%左右)，這時期，城市發(fā)展較快，為滿足城市發(fā)展的需要，土地利用結構隨之調(diào)整，由此造成的土地利用類型之間的轉化較多；1995—2000年間，土地利用動態(tài)度明顯減小，減小到2.5%，城市的發(fā)展進入了一個相對平穩(wěn)的發(fā)展期，城市擴展速度放慢，土地利用類型之間的轉化減少；進入21世紀，北京市的經(jīng)濟迅猛發(fā)展，第一、第二產(chǎn)業(yè)逐漸向第三產(chǎn)業(yè)轉變，土地利用結構也相應變化，各土地利用地類之間的轉化加強，綜合土地利用動態(tài)度逐漸增加。

圖8 1986—2010年間海淀區(qū)綜合土地利用動態(tài)度變化Fig.8 Variation of comprehensive landuse dynamic degree from 1986 to 2010,Haidian District

4 驅(qū)動力分析

1)人口數(shù)量。城市是人口高度集聚的地區(qū),人口的增長必然會對居住面積、公共設施及交通狀況提出更高的要求，從而促使城市建設用地的增加和土地利用類型的變化。因此，城市人口增長及其對空間的需求是城市范圍不斷擴展和土地利用類型變化的主要驅(qū)動力之一[15-17]。1986—2010年間，海淀區(qū)人口數(shù)量的大量增加推動了住房、交通和公共設施用地的建設。

2)經(jīng)濟發(fā)展。經(jīng)濟發(fā)展是推進城市化進程的主要動力之一。經(jīng)濟的迅速發(fā)展加速了城市范圍擴展的步伐[17]。近年來，海淀區(qū)經(jīng)濟發(fā)展直接推動了中關村科技園、上地信息產(chǎn)業(yè)基地以及永豐高科技產(chǎn)業(yè)基地的迅速崛起，各大中院校的擴建和大量居住園區(qū)的興建，導致了建設用地的進一步擴展和土地利用類型的變化。

3)基礎設施。交通設施是城市內(nèi)部及其與外部進行人員和物質(zhì)聯(lián)系的重要條件，對城市的空間擴展具有指向性作用[13]。在海淀區(qū)內(nèi)的主要交通路線除了四環(huán)路和五環(huán)路的建設拉動經(jīng)濟增長之外，地鐵13號、10號、4號等線和京藏等高速公路的建設也帶動了經(jīng)濟的發(fā)展。從城市建設用地的分布來看，沿交通軸線區(qū)域的土地利用類型變化明顯高于其他地區(qū)的變化。

4)政策法規(guī)。政府對城市的定位與城市規(guī)劃引導著城市的發(fā)展方向和發(fā)展模式，科學、合理的城市規(guī)劃會反映出城市在規(guī)劃時期內(nèi)的發(fā)展方向[18-19]。北京市海淀區(qū)制定了土地利用規(guī)劃、城市規(guī)劃等多個規(guī)程；“十一五”時期，北京市政府將海淀區(qū)劃定為城市功能拓展區(qū)，在大力發(fā)展科教事業(yè)的同時還要加強生態(tài)環(huán)境建設，這些政策的實施促進了土地利用結構的調(diào)整。

5 結論

本研究基于長時間序列的TM影像構建了適用于中等分辨率遙感影像的地理國情監(jiān)測指標體系，并對北京市海淀區(qū)的資源與環(huán)境要素的變化特征及規(guī)律進行了動態(tài)監(jiān)測，研究表明：

1)1986—2010年間，耕地面積減少了45.7%，建設用地面積增加了38.95%，林、草地面積增加了23.44%，水體和其他用地面積變化不明顯。在不同的高程、坡度帶上，各種地類的變化趨勢不同。

2)城市建成區(qū)范圍向西、向北方向擴展，在西北旺地區(qū)表現(xiàn)得尤為明顯，建成區(qū)質(zhì)心也隨之向西北方向偏移；城市緊湊度的降低和分形指數(shù)的增加，表明城市飽和度減小，城市邊界逐步復雜化。

3)綜合土地利用動態(tài)度呈先減小后增大趨勢，2007—2010年間土地利用變化程度尤為顯著。

4)人口增長對海淀區(qū)上述資源與環(huán)境要素的變化具有顯著的刺激作用；經(jīng)濟發(fā)展是資源與環(huán)境要素變化的主要動力之一；基礎設施建設尤其是交通設施的建設對城市擴展具有指向性作用；政策法規(guī)的制定則決定了土地利用方式和城市發(fā)展的宏觀格局和未來趨勢。

本文基于長時間序列中等分辨率遙感影像構建的指標體系與監(jiān)測技術有助于對資源與環(huán)境要素的變化趨勢進行宏觀監(jiān)測，獲取其時空變化特征和規(guī)律。今后，可進一步構建時空過程模型，預演地理要素及城市的未來發(fā)展趨勢，為對社會、經(jīng)濟、政策、技術等因素在城市人類-環(huán)境系統(tǒng)中的影響及其作用機理評估提供更為有效的手段。

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(責任編輯：刁淑娟)

A tentative discussion on the geographical condition monitoring method based on long time series Landsat data

LYU Guijun1,2， LI Yingcheng1,3， BAI Jie1， ZHAO Yali1

(1.ChinaTopRSTechnologyCo.Ltd,Beijing100039,China; 2.MineSpatialInformationTechnologyKeyLaboratoryoftheStateBureauofSurveyingandMapping,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454003,China; 3.ChineseAcademyofSurveying&Mapping,Beijing100039,China)

To fully grasp the nature and human geography situation information and solve the problem of ecological environment,economic and social development of China,it is of great significance to monitor the resource and environment indexes. The authors studied the spatial and temporal distribution of resources and environment in Haidian District of Beijing from 1986 to 2010 with Landsat TM images. Meanwhile,the driving forces were analyzed. The results show that,from 1986 to 2010,farmland decreased by 45.7%,build-up land increased by 38.95%,forest and grass land increasd by 23.44%,and water and other land kept constant. Urban area extended westward and northward,especially in Xibeiwang area. The mass center of Haidian also moved to the northwest. The urban compactness decreased and the fractal index increased gradually,indicating that the city saturation degree was reduced,and the city boundary became complicated gradually. The comprehensive land use dynamic degree first decreased and then increased. Population growth,economic development,infrastructure construction and the formulation of policies and regulations all contributed to the changes of resources and environment.

long time series; geographical conditions monitoring; indicator system; temporal and spatial variation; driving force

2014-01-14；

2014-06-20

10.6046/gtzyyg.2015.02.20

呂桂軍，李英成，白潔，等.基于時序Landsat數(shù)據(jù)的地理國情監(jiān)測方法初探[J].國土資源遙感，2015,27(2):126-132.(Lyu G J,Li Y C,Bai J，et al.A tentative discussion on the geographical condition monitoring method based on long time series Landsat data[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(2)：126-132.)

TP 79

A

1001-070X(2015)02-0126-07

呂桂軍(1987-)，女，碩士研究生，主要從事遙感與地理信息建模研究。Email：lvguijun0325@163.com。