2000～2010年北京市地表覆蓋變化分析

趙國慶 ，蔡國印,3

(1.北京建筑大學(xué) 測繪與城市空間信息學(xué)院，北京 102616；2.現(xiàn)代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 102616；3.城市空間信息工程北京市重點實驗室，北京 100038)

0 引 言

改革開放以來，北京進入了一個經(jīng)濟飛速發(fā)展，人口高速增長的過程，城市化進程明顯加快。北京市地表覆蓋變化以城市化為主，土地利用類型之間轉(zhuǎn)化明顯。國內(nèi)很多專家學(xué)者對北京市地表覆蓋變化進行了相關(guān)研究。何英彬等從景觀、經(jīng)濟和生態(tài)三方面出發(fā)，結(jié)合土地利用類型多樣化程度指數(shù)等指標，對北京市土地利用空間結(jié)構(gòu)進行了闡述[1]。劉旭采用多元線性回歸、主成分分析等方法，建立了北京市地表覆蓋變化的生態(tài)環(huán)境響應(yīng)評價指標體系[2]。唐秀美等根據(jù)現(xiàn)有的國內(nèi)外土地利用分類體系，闡述了當前分類體系與生態(tài)保護之間的矛盾，繼而提出了土地利用生態(tài)分類[3]。但是，這些研究因數(shù)據(jù)的局限，所得結(jié)果分辨率較低，已無法滿足地表覆蓋變化研究對高時空分辨率的需求。

2014年，中國成功研制出了2000年和2010年兩期30 m分辨率全球地表覆蓋遙感制圖數(shù)據(jù)產(chǎn)品（GlobeLand30），為研究地表覆蓋提供了更為科學(xué)，更為準確的依據(jù)[4]。本文利用GlobeLand30產(chǎn)品，從北京市地表覆蓋的空間分布、變化幅度、區(qū)域差異等角度，對其變化進行定性與定量的分析，為北京市生態(tài)環(huán)境保護等工作提供更為科學(xué)的信息。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

北京市是中國的首都，地處華北平原的西北邊緣，是全國的政治中心、文化中心和國際交往的樞紐。北京市總面積為16386 km2，共分為首都功能核心區(qū)、城市功能拓展區(qū)、城市發(fā)展新區(qū)、生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)等4個功能區(qū)[5]。全市共劃分14區(qū)、2縣共16個行政區(qū)。2014年底，北京市常住人口達2 151.6萬人，其中包括常住外來人口818.7萬人[6]。本文為敘述簡便，將東城區(qū)、西城區(qū)等6個區(qū)統(tǒng)稱為北京市區(qū)，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)范圍及行政區(qū)劃圖Fig.1 Location and administrative division of the study area

1.2 研究數(shù)據(jù)與方法

本文所用的數(shù)據(jù)主要為2000年與2010年兩個基準年的GlobeLand30數(shù)據(jù)，包括耕地、草地、林地、人造地表、水體、裸地、濕地、灌木林、苔原與冰川共10種地類[7]，因北京市海拔較低且位于中緯度地區(qū)，不存在苔原與冰川地貌，故本文選取前8種地類作為研究對象。另外利用中國行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù)。

本文通過統(tǒng)計地表 覆蓋類型的面積變化、變化率等數(shù)據(jù)，研究北京市地表覆蓋的空間格局和動態(tài)變化，具體流程如圖2所示。其中空間格局是利用GlobeLand30提取2000～2010年北京市地表覆蓋變化情況，然后將其與行政區(qū)劃相疊加，并根據(jù)相關(guān)資料，對地表覆蓋變化的空間格局進行分析；最后通過轉(zhuǎn)移矩陣對地表覆蓋類型之間的相互轉(zhuǎn)化情況進行描述。

圖2 地表覆蓋變化分析基本思路圖Fig.2 The basic idea for land cover change analysis

2 結(jié)果分析

2.1 總體分布格局及變化

2.1.1 總體分布格局

對2010年北京市地表覆蓋每個地類面積、覆蓋比例和其空間分布進行統(tǒng)計如下（見表1、圖3所示）。從表1看出，北京市林地面積約為7 345 km2，占全市面積比例最高，為44.81%，主要分布在北京市的西部和北部山區(qū)，如圖3所示。耕地面積約為5 365 km2，所占面積比例約為32.73%，僅次于林地的比重。耕地主要分布在北京市中部和東南部平原地區(qū)，該地區(qū)地勢較為平坦，土壤條件較好，農(nóng)業(yè)發(fā)展較好。人造地表分布集中，主要分布在北京市區(qū)及其周邊，面積約為2 239 km2，占全區(qū)總面積的13.66%。

表1 2010年北京市地表覆蓋各地類面積及比例Tab.1 The areas and proportions for diあerent land cover types in Beijing in 2010

圖3 2010年北京市地表覆蓋總空間分布圖Fig.3 The land cover distribution in Beijing in 2010

2.1.2 變化幅度

通過對地表覆蓋變化量和變化率的分析，可以得出地表覆蓋面積和結(jié)構(gòu)變化的總趨勢[8]。對北京市2000年與2010年地表覆蓋面積統(tǒng)計見表2，對其幅度變化特征進行分析。從表2看出，2000～2010年，北京市地表覆蓋變化較大。如圖4所示，圖4(a)～圖4(e)為2000～2010年地表覆蓋變化顯著區(qū)域的示例圖，包含某地區(qū)2000年與2010年的地表覆蓋數(shù)據(jù)，以及與其相對應(yīng)的Landsat影像圖。各主要地物變化特征如下：

1）草地、耕地和水體呈大幅度減少態(tài)勢。由表2可得，減少幅度最大的地類是水體，10年間縮減了103 km2，變化率達40.52%。草地的縮減率僅次于水體，由2000年的1 697.98 km2減少到1 280.16 km2，縮減了24.61%。耕地10年間凈縮減320.60 km2，但其縮減率僅為5.64%，這是由于耕地總面積較大，變化部分所占比例較小，使其縮減率較小。

2）人造地表呈快速增加態(tài)勢。與草地、耕地的減少態(tài)勢相反，2000～2010年間人造地表由原來的1 588.58 km2增長到2 239.66 km2，增長率高達40.98%。

3）森林增加幅度較小。2000年與2010年北京市森林面積均維持在7 000 km2以上，且10年間森林的面積增長了190.63 km2，增長率為2.66%。

其他地類中，裸地與灌木地變化面積較小，裸地10年的增長率為33.19%，但僅增加了0.060 4 km2，而灌木地面積10年間基本未變。濕地呈小幅增加態(tài)勢，增加了0.362 km2。

表2 2000～2010年北京市地表覆蓋面積變化量與變化率Tab.2 The change analysis of diあerent land cover types in Beijing,2000-2010

圖4 2000～2010年北京市地表覆蓋變化示例Fig.4 Case studies of land cover change in Beijing,2000- 2010

2.1.3 區(qū)域差異

對北京市各區(qū)縣的地表覆蓋變化（如圖5、圖6所示）分析發(fā)現(xiàn)，北京市地表覆蓋變化具有明顯的區(qū)域差異性。

圖5 2000～2010年北京市各區(qū)縣地表覆蓋面積變化量Fig.5 Area changes in diあerent counties of Beijing,2000～2010

圖6 2000～2010年耕地、人造地表、林地和草地分布時空分布Fig.6 Spatial and temporal distributions for cultivated lands,artificial lands,forests and grasslands,2000-2010

1）耕地變化劇烈地區(qū)集中在北京市東南方向近郊地區(qū)，大興區(qū)和通州區(qū)內(nèi)。北京市區(qū)、大興和通州10年間耕地面積減少418.43 km2，而北京市共減少了320.60 km2。由圖6看出，人造地表的增加與耕地的減少主要集中在北京市區(qū)與大興、通州交界處，延慶、平谷等地區(qū)有部分草地轉(zhuǎn)化為耕地，其他耕地變化區(qū)域呈零散分布。

2）北京市區(qū)、大興區(qū)和通州區(qū)等人造地表增加幅度較大，共增加了398.275 4 km2，占人造地表增加總面積的61.17%。由圖6看出，大興區(qū)和通州區(qū)內(nèi)的近郊區(qū)域，人造地表變化尤為劇烈，順義、昌平兩區(qū)內(nèi)部分草地轉(zhuǎn)化為人造地表。其他地區(qū)人造地表變化以零散變化為主。

3）北京市森林變化幅度較小。變化幅度較大區(qū)域集中在北京市區(qū)和密云區(qū)。由圖6看出，北京市區(qū)內(nèi)部分耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?，同時西部與門頭溝交界處有林地轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗽斓乇?，北京市區(qū)內(nèi)林地變化呈環(huán)狀分布，主要分布在北京近郊區(qū)域。密云林地面積增加最多，共增加了130.99 km2。密云區(qū)林地變化區(qū)域主要集中在密云水庫附近，由圖6看出，密云區(qū)林地增加的途徑主要為草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?、水體轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾透剞D(zhuǎn)變?yōu)榱值亍?/p>

4）北京市草地分布比較零散，主要分布在北部和西部山區(qū)的林地邊緣。草地的主要轉(zhuǎn)化方向是耕地、人造地表和林地。由圖6可知，草地轉(zhuǎn)化為人造地表的范圍比較集中，主要集中在北京、昌平和順義三區(qū)交界處。草地轉(zhuǎn)化為耕地的區(qū)域為不規(guī)則分布，且轉(zhuǎn)化面積較大。

綜上所述，北京市地表覆蓋的區(qū)域差異性較為明顯，其中變化最為顯著的為北京市區(qū)周邊近郊區(qū)域，呈環(huán)狀分布，且地勢平坦區(qū)域地表覆蓋變動較大，山區(qū)變化較小。

2.2 地表覆蓋類型變化的主要原因

地表覆蓋變化受多種因素綜合作用，同時受經(jīng)濟、人口、政策等多重制約。表3是根據(jù)轉(zhuǎn)移矩陣得到的2000～2010年北京市地表覆蓋類型相互轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化率，通過表3，結(jié)合實際我們能夠得到以下結(jié)論。

2.2.1 經(jīng)濟增長是人造地表增加的最主要因素

圖6 2000～2010年耕地、人造地表、林地和草地分布時空分布Fig.6 Spatial and temporal distributions for cultivated lands,artificial lands,forests and grasslands,2000-2010

改革開放以來，北京進入經(jīng)濟發(fā)展的黃金階段。經(jīng)濟飛速發(fā)展的同時，隨之而來的則是城市的建設(shè)。一方面，經(jīng)濟的飛速發(fā)展使得城市周圍更多的土地投入到城市建設(shè)中去，另一方面，經(jīng)濟的飛速發(fā)展也為城市建設(shè)提供了資金保障，使得其土地利用更趨于合理化。由表3看出，2000～2010年北京市人造地表面積增加了40.98%，是所有人造地表類別中增加比例最大的一類。同時，城市建設(shè)用地效益提高，反哺經(jīng)濟發(fā)展，進一步推動經(jīng)濟向更好的方向發(fā)展。而通過“統(tǒng)計產(chǎn)品與服務(wù)解決方案”軟件（SPSS軟件）分析，北京市人造地表面積與地區(qū)生產(chǎn)總值相關(guān)系數(shù)為0.949，這也顯示了人造地表面積的增加與經(jīng)濟增長呈高度的正相關(guān)關(guān)系[9]。這些充分說明了經(jīng)濟增長是人造地表增加最重要、最根本的原因。

2.2.2 政策法規(guī)是地表覆蓋變化呈現(xiàn)區(qū)域性變化的重要因素

北京市近年來地表覆蓋的迅速變化，與國家相關(guān)政策、經(jīng)濟發(fā)展需求等息息相關(guān)。1994年頒布的《北京城市總體規(guī)劃（1991年-2010年）》中指出，未來北京城市建設(shè)的重點逐步向遠郊區(qū)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移，大力發(fā)展遠郊城鎮(zhèn)。東部和南部平原地區(qū)，依靠便利的交通，成為北京城市發(fā)展的主要方向。而昌平、懷柔、密云等北京北部等區(qū)，則大力發(fā)展工業(yè)、建材業(yè)，積極拓展工業(yè)用地[10]。

2004年1月份編制的《北京城市總體規(guī)劃（2004年-2020年）》中指出，北京市域范圍內(nèi)，城市空間結(jié)構(gòu)將構(gòu)建為“兩軸—兩帶—多中心”，同時構(gòu)建中心城—新城—鎮(zhèn)的市域城鎮(zhèn)結(jié)構(gòu)[11]。兩帶包括“東部發(fā)展帶”與“西部發(fā)展帶”。東部發(fā)展帶包括通州、順義、亦莊、懷柔、密云和平谷，其余縣區(qū)（不包括北京市區(qū)）屬于西部發(fā)展帶。同時將北京分為4個次區(qū)域，分別是中心城次區(qū)域、東部次區(qū)域、西部次區(qū)域和山區(qū)次區(qū)域。東西部次區(qū)域為東西部發(fā)展帶除去山區(qū)的平原地帶，山區(qū)次區(qū)域則為北京市域內(nèi)山區(qū)地帶。東部次區(qū)域主要發(fā)展第二產(chǎn)業(yè)。西部次區(qū)域是城市未來重要發(fā)展地區(qū)，主要發(fā)展生態(tài)友好型產(chǎn)業(yè)。山區(qū)次區(qū)域維護生態(tài)環(huán)境，致力于生態(tài)恢復(fù)。這解釋了人造地表變化呈現(xiàn)區(qū)域化的原因，同時也解釋了表3中森林面積呈現(xiàn)增長態(tài)勢的原因。

2.2.3 人口增長是地表覆蓋變化的重要原因

人口的急劇增長也是地表覆蓋變化的重要原因之一。自2000年至2010年，北京的常住人口由1 363.6萬增加到了1 961.9萬，增加了43.98%[12]。常住人口的增加一方面意味著需要更多的就業(yè)崗位，即需要相關(guān)產(chǎn)業(yè)的不斷拓展；另一方面，常住人口的增加也意味著住房需求的增加，以及各種配套設(shè)施的增加，使得建筑用地隨著人口的增加而不斷增加。所以，人口的增加也是北京市地表覆蓋變化的一個重要原因。

2.2.4 地形是制約地表覆蓋變化的重要因素

利用北京市30 m分辨率的DEM，在ArcScene中繪制出北京市三維地形圖，如圖7所示。由圖7可清晰看出，北京市地勢西高東低、北高南低，西部北部為山地，其余地方為平原地帶。由于西部與北部山地的制約，使得北京市耕地與人造地表覆蓋的變化主要集中在“北京小平原”地帶[13]，而山地地區(qū)的主要地表覆蓋變化為林地與草地的變化。

圖7 北京市三維地形圖Fig.7 3D topographic map of Beijing

3 結(jié)束語

本文基于GlobeLand30數(shù)據(jù)，對北京市地表覆蓋變化的時空特征和變化原因進行了分析，得出結(jié)論如下：

1）北京市主要的地表覆蓋類型為林地、耕地和人造地表。林地主要分布在北京北部和西部山區(qū)，耕地主要分布在北京東部和南部平原，人造地表則主要分布在北京市域中心及其近郊。

2）10年間北京市地表覆蓋變化幅度較大。其中，草地、耕地和水體呈現(xiàn)大幅度減少態(tài)勢，人造地表呈現(xiàn)快速增加態(tài)勢，森林增加態(tài)勢較小，其他地類變化微弱。

3）北京市地表覆蓋變化呈區(qū)域差異性。其中北京近郊區(qū)域變化較為顯著，變化呈環(huán)狀分布，而該區(qū)域主要為人造地表的大幅度增加，以及耕地的減少。森林的增加集中在北京市區(qū)與密云區(qū)，而草地變化分布比較零散。

4）北京市地表覆蓋變化是多種因素綜合作用的結(jié)果。其中經(jīng)濟增長是人造地表增加的最主要因素，政策法規(guī)是地表覆蓋變化呈現(xiàn)區(qū)域性變化的重要因素，人口增長是地表覆蓋變化的重要原因，地形是制約地表覆蓋變化的重要因素。

GlobeLand30數(shù)據(jù)有效地提高了北京市域地表覆蓋數(shù)據(jù)質(zhì)量，為更好地研究區(qū)域內(nèi)地表覆蓋變化提供了有利條件，為北京市變化監(jiān)測工作提供了更為嚴謹?shù)目茖W(xué)資料，也為生態(tài)環(huán)境保護等工作提供更為科學(xué)的基礎(chǔ)信息。