基于OLI數(shù)據(jù)的天津市土地利用空間格局分析

謝童謠，國(guó)巧真，付 盈，桑 瀟，賀承偉

（天津城建大學(xué) 地質(zhì)與測(cè)繪學(xué)院，天津 300384）

自1995年“土地利用/土地覆蓋變化科學(xué)研究計(jì)劃”這一計(jì)劃的提出，土地利用變化研究成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)[1]，對(duì)處于快速城市化階段的中國(guó)城市來說，人類活動(dòng)對(duì)土地利用格局的影響最為明顯，因此具有顯著的研究?jī)r(jià)值[2-4].隨著攝影測(cè)量與遙感技術(shù)迅速發(fā)展，人類對(duì)地球表面的空間信息獲取更加高效準(zhǔn)確[5-8].完整的數(shù)據(jù)支持使得對(duì)地物空間信息的研究深入推進(jìn)到定量化過程，景觀指數(shù)作為定量化描述土地格局的工具，被廣泛運(yùn)用于不同區(qū)域的空間格局分析中[9].2008年Kandrika和Rory利用IRS-P6 awifs影像對(duì)研究區(qū)進(jìn)行解譯分析，2014年Tian等結(jié)合遙感影像和文本資料對(duì)印度的土地利用現(xiàn)狀及時(shí)態(tài)變化進(jìn)行了探討和分析，2015年Madanian和Soffianian針對(duì)伊朗伊斯法罕的土地利用情況，利用1975年、1990年和2010年3期MSS/TM數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析[10-13].國(guó)內(nèi)學(xué)者利用遙感數(shù)據(jù)對(duì)不同區(qū)域土地利用空間格局及時(shí)空變化開展了大量研究.隨著國(guó)內(nèi)城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，國(guó)內(nèi)土地利用研究區(qū)域呈現(xiàn)從大的空間尺度逐漸向小尺度的發(fā)展趨勢(shì).天津市是中國(guó)四大直轄市之一，自2014年京津冀協(xié)同發(fā)展的國(guó)家戰(zhàn)略提出，確定了“雙城雙港、相向拓展、一軸兩帶、南北生態(tài)”城市規(guī)劃理念.本文對(duì)天津市2016年的土地利用空間格局進(jìn)行分析，從而得出天津市的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，為促進(jìn)京津冀協(xié)同發(fā)展以及環(huán)渤海區(qū)經(jīng)濟(jì)中心的發(fā)展提供科學(xué)的數(shù)據(jù)參考和借鑒.

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

天津市位于北緯 38°34′～40°15′，東經(jīng) 116°43′～118°04′之間.天津市由16個(gè)市轄區(qū)組成，市轄區(qū)分為中心城市、環(huán)城區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)，中心城市由和平區(qū)、河北區(qū)、河?xùn)|區(qū)、河西區(qū)、南開區(qū)、紅橋區(qū)組成；環(huán)城區(qū)由東麗區(qū)、津南區(qū)、西青區(qū)、北辰區(qū)組成，遠(yuǎn)郊區(qū)由寶坻區(qū)、寧河區(qū)、武清區(qū)、靜海區(qū)、薊州區(qū)和濱海新區(qū)組成（見圖 1）.市中心位于東經(jīng) 117°10′，北緯 39°10′.

圖1 研究區(qū)示意圖

1.2 數(shù)據(jù)源

OLI是Landsat 8衛(wèi)星上所搭載的兩種傳感器之一，OLI陸地成像儀包括9個(gè)波段，空間分辨率30 m，其中全色波段的空間分辨率為15 m.成像寬幅為185 km×185 km.本文從地理空間數(shù)據(jù)云獲取四景OLI影像數(shù)據(jù).

2 研究方法

本文根據(jù)土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，將天津市地物覆蓋類型分為5類：林地、耕地、水域、建設(shè)用地和未利用地.以2016年OLI遙感圖像為數(shù)據(jù)源，采用最大似然分析算法對(duì)影像進(jìn)行分類，再對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行后處理，獲得2016年天津市地物分類圖（見圖2），對(duì)結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)定，總精度為86.00%，Kappa系數(shù)為0.76，可以滿足對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的精度要求.疊加天津市區(qū)縣矢量文件，將各類地物在天津各區(qū)的分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.再以天津市行政中心，即天津市政府為中心，將天津分為東南西北4個(gè)區(qū)域，分別進(jìn)行各類地物的分布統(tǒng)計(jì)，從而得到天津市2016年大致發(fā)展?fàn)顩r.此外，本文基于Fragstats4.0平臺(tái)，采用景觀指數(shù)來對(duì)天津市各區(qū)的空間格局進(jìn)行定量分析，從景觀多樣性分異、景觀形狀分異、景觀破碎性分異和景觀異質(zhì)性分異4個(gè)角度來探究天津土地利用空間格局分異.

圖2 天津市土地利用分類圖

3 空間格局分析

基于GIS空間分析算法，對(duì)天津市2016年的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)中的各類地物類型進(jìn)行相關(guān)的統(tǒng)計(jì)處理分析.

3.1 總體空間格局特征

根據(jù)土地利用分類結(jié)果，得出各土地利用類型面積及所占比例（見圖3），天津市2016年的水域面積達(dá)到1 272.64 km2，占整個(gè)天津市土地總面積的10.65%；耕地面積達(dá)到6 213.69 km2，占整個(gè)天津市土地總面積的52.01%；建設(shè)用地面積達(dá)到3 772.20 km2，占整個(gè)天津市土地總面積的31.57%；林地面積達(dá)到457.01 km2，占整個(gè)天津市土地總面積的3.83%；未利用地面積達(dá)到231.35 km2，占整個(gè)天津市土地總面積的1.94%.通過上述各類地物所占天津全區(qū)域比重可知：耕地是整個(gè)天津市的土地利用空間格局的基底，其次是建設(shè)用地，水域占天津土地利用類型比重也較多.林地主要分布在天津的北部地區(qū)，天津北部多為低山丘陵，林地資源豐富.

圖3 天津市土地利用類型比例圖

3.2 主要土地利用類型的空間格局特征

由天津市整體土地利用分類統(tǒng)計(jì)信息（見表1）可知耕地、建設(shè)用地和水域是最主要的3類土地利用類型，結(jié)合3種地物在各區(qū)及在以天津市政府為中心劃分的東南西北4個(gè)地理空間分布情況（見圖4-6），可以看出：耕地主要分布在天津的遠(yuǎn)郊區(qū)，遠(yuǎn)郊區(qū)內(nèi)寧河區(qū)、靜海區(qū)、武清區(qū)及寶坻區(qū)的耕地比重均在65%以上，寧河區(qū)內(nèi)耕地比重最大，占寧河區(qū)總面積的77.31%.環(huán)城區(qū)的耕地比重較少，其中北辰區(qū)內(nèi)耕地比重最多，約45.54%；東麗區(qū)和津南區(qū)內(nèi)耕地比重均在20%以下.中心城區(qū)的耕地比重幾乎為0.在天津整體范圍內(nèi)，耕地的分布以中心城區(qū)為核心，向外圍地域逐步增多.在地理分布上大致呈“北多南少”的特征.

建設(shè)用地的分布主要集中在中心城區(qū)內(nèi)，市內(nèi)六區(qū)的建設(shè)用地比重均達(dá)到95%以上.環(huán)城區(qū)的建設(shè)用地比重稍低于中心城區(qū)，環(huán)城區(qū)內(nèi)建設(shè)用地所占比重最多為東麗區(qū)，約為81.61%；津南區(qū)內(nèi)建設(shè)用地所占比重約為76.65%；西青區(qū)內(nèi)建設(shè)用地所占比重約為61.82%；北辰區(qū)內(nèi)建設(shè)用地所占比重約為49.07%.遠(yuǎn)郊區(qū)的建設(shè)用地比重更少，除濱海新區(qū)建設(shè)用地占約42.11%之外，其他地區(qū)均在20%左右.可以看出，建設(shè)用地的分布主要以市內(nèi)六區(qū)和濱海新區(qū)核心區(qū)為重心，海河沿岸地區(qū)作為橋梁，連接起天津兩大核心區(qū)，并向武清區(qū)延伸，形成一條東南走向的“軸承”.濱海新區(qū)的建設(shè)用地主要集中在以塘沽金街為中心的核心區(qū)及兩大港（北港區(qū)和南港區(qū)）.

水域面積比重最大的地區(qū)是濱海新區(qū)，約占34.15%，遠(yuǎn)高于其他地區(qū)的水域面積所占比重.寶坻區(qū)的水域比重約占12.45%，其余地區(qū)的水域比重均在12%以下.水域在天津市的整體空間分布格局大致為“東多西少”，在海河沿岸建筑群的南北部均有分布.水域的分布格局符合天津空間發(fā)展戰(zhàn)略所提出的“南北生態(tài)”.

表1 天津市各區(qū)土地利用現(xiàn)狀百分比 %

圖4 耕地、建設(shè)用地、水域在各區(qū)分布圖

圖5 地理方位上各類地物所占比重

圖6 地理空間分布圖

3.3 景觀空間分異分析

土地利用空間格局差異在景觀空間分異上也有體現(xiàn).為探究天津市各地土地利用類型的空間分布特征與內(nèi)在關(guān)系，對(duì)天津市2016年各類土地利用景觀信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見表2），并借助景觀指數(shù)對(duì)天津市土地利用空間格局進(jìn)行定量表征.

由表2可以看出：建設(shè)用地的斑塊個(gè)數(shù)最多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他景觀類型，其次是耕地的斑塊數(shù)量，但是耕地所占的面積最多，遠(yuǎn)高于其他景觀類型.林地的斑塊密度最小，但平均斑塊面積最大，說明林地的總面積少但在地理空間上分布最集中.未利用地的平均斑塊面積最小，說明未利用的斑塊分布較為破碎.

根據(jù)基本景觀信息，結(jié)合研究區(qū)的特征和各景觀指數(shù)含義，選擇了Shannon多樣性指數(shù)、景觀形狀指數(shù)、景觀破碎度指數(shù)和景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)4個(gè)指標(biāo)（見表3），得到天津各區(qū)土地利用景觀指數(shù)折線圖（見圖7-11）

3.3.1 景觀多樣性分異

天津Shannon多樣性指數(shù)折線圖見圖7.市區(qū)內(nèi)的多樣性指數(shù)最低為0.12，表示市區(qū)內(nèi)景觀結(jié)構(gòu)組成最為簡(jiǎn)單，主要是建設(shè)用地，土地利用的破碎化程度也最低.環(huán)城區(qū)包含的4個(gè)區(qū)的多樣性指數(shù)位于0.60～0.90之間，平均多樣性指數(shù)為0.76，其中，東麗區(qū)和津南區(qū)的多樣性指數(shù)較低，兩區(qū)分別處于海河沿岸南北地區(qū)，處于“京濱綜合發(fā)展軸”中間段，城市化建設(shè)相對(duì)更高.遠(yuǎn)郊區(qū)的多樣性指數(shù)位于0.68～1.72之間，遠(yuǎn)郊區(qū)各區(qū)的土地景觀結(jié)構(gòu)組成之間差異較大，平均多樣性指數(shù)為1.34，薊州區(qū)景觀多樣性最高，豐富的林地資源和水資源為京津冀協(xié)同發(fā)展提供天然的生態(tài)屏障.濱海新區(qū)具有豐富的濕地資源，其多樣性指數(shù)同樣高達(dá)1.1.總體來看，2016年天津市的空間格局隨著距以和平區(qū)為中心的市區(qū)越遠(yuǎn)，其土地利用類型的復(fù)雜度越高，表現(xiàn)了人類活動(dòng)越密集的地區(qū)，景觀多樣性越低.

表2 基本景觀信息

表3 景觀指數(shù)基本定義

圖7 各區(qū)多樣性指數(shù)折線圖

3.3.2 景觀形狀分異

景觀形狀指數(shù)折線圖見圖8.天津市區(qū)內(nèi)的景觀形狀指數(shù)最低為0，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他區(qū)，說明市區(qū)內(nèi)景觀斑塊的形狀最規(guī)則.環(huán)城區(qū)4個(gè)區(qū)的景觀形狀指數(shù)介于0.022～0.030之間，承擔(dān)較多城市功能的東麗區(qū)和津南區(qū)也表現(xiàn)出較低的形狀指數(shù).遠(yuǎn)郊區(qū)的景觀形狀指數(shù)介于0.028～0.045之間，這表明遠(yuǎn)郊區(qū)整體的景觀斑塊的形狀相對(duì)更不規(guī)則.寶坻區(qū)景觀形狀指數(shù)最高達(dá)到0.045，寶坻區(qū)水域資源豐富，農(nóng)業(yè)活動(dòng)密集，建設(shè)用地的比例不低但空間分布較分散，導(dǎo)致寶坻區(qū)的景觀形狀更為復(fù)雜.總體來看，2016年天津市各區(qū)內(nèi)的景觀形狀指數(shù)隨著距以和平區(qū)為中心的市區(qū)越遠(yuǎn)，其值越高，土地利用斑塊的規(guī)則化程度越低.

圖8 各區(qū)景觀形狀指數(shù)折線圖

3.3.3 景觀破碎性分異

景觀破碎度折線圖見圖9.天津市的景觀破碎度在市區(qū)達(dá)到最低值為0.05，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他地區(qū)，市內(nèi)的土地利用類型單一，絕大多數(shù)為建設(shè)用地，且密集分布成片狀覆蓋.環(huán)城區(qū)的景觀破碎度介于0.16～0.23之間，東麗區(qū)和津南區(qū)偏低，這兩區(qū)分別處于海河沿岸的南北兩端，建設(shè)用地作為最主要的土地利用類型，其分布也集中在海河沿岸.而遠(yuǎn)郊區(qū)的景觀破碎度介于0.24～0.58.薊州區(qū)的景觀破碎度最高，這是因?yàn)樗E州區(qū)各類土地利用資源最為均衡，由于地勢(shì)南高北低，呈階梯狀分布，人類活動(dòng)則較為稀疏分散.除濱海新區(qū)之外，遠(yuǎn)郊區(qū)內(nèi)景觀破碎性普遍較高，濱海新區(qū)承擔(dān)著天津市第二大核心發(fā)展載體，人類活動(dòng)密集、建設(shè)用地面積比例較多.這說明人類開發(fā)活動(dòng)與景觀破碎性呈顯著的正相關(guān)性，城市功能越突出的區(qū)域，景觀破碎性越低.

圖9 各區(qū)景觀破碎度折線圖

3.3.4 景觀異質(zhì)性分異

景觀優(yōu)勢(shì)度折線圖見圖10.市區(qū)的景觀優(yōu)勢(shì)度明顯高于其他區(qū)域，高達(dá)1.14，表明市區(qū)的景觀結(jié)構(gòu)被主要景觀類型即建設(shè)用地所主導(dǎo)，隨著距市中心的距離越遠(yuǎn)，景觀優(yōu)勢(shì)度越低.環(huán)城區(qū)的景觀優(yōu)勢(shì)度介于0.36～0.66，遠(yuǎn)郊區(qū)則介于0～0.58之間，薊州區(qū)的景觀優(yōu)勢(shì)度最低.表明在距市中心越遠(yuǎn)的區(qū)域，其各類地物所占面積權(quán)重更為均衡，土地利用類型越豐富，結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜，在區(qū)域內(nèi)發(fā)揮越平衡的功能，城市功能則顯得更不明顯.

圖10 各區(qū)景觀優(yōu)勢(shì)度折線圖

對(duì)于天津市各地理方位上的土地利用情況，同樣采取Shannon多樣性指數(shù)、景觀形狀指數(shù)、景觀破碎度指數(shù)和景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)4個(gè)指標(biāo)，得到4個(gè)地理方位上的景觀指數(shù)折線圖（見圖11）.

圖11 各地理方位上景觀指數(shù)折線圖

天津市北部和南部地區(qū)的景觀多樣性偏大，景觀形狀指數(shù)值也偏高，說明天津市北部及南部地區(qū)景觀類型較豐富，景觀結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，景觀斑塊形狀更不規(guī)則，天津市林地資源主要分布在天津市北部，南部地區(qū)有豐富的水域及濕地資源，天津市南北部的生態(tài)環(huán)境較好.西部地區(qū)的景觀多樣性最低，且景觀破碎度也較低，景觀形狀較規(guī)則，說明天津市西部地區(qū)的景觀結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，自然資源較少.東部地區(qū)的景觀形狀指數(shù)最低，但景觀優(yōu)勢(shì)度及景觀破碎度相對(duì)較高，主要因?yàn)樘旖蚴袞|臨渤海，水域較為豐富，此外景觀形狀最為規(guī)則，說明東部地區(qū)城市化水平最高，人類活動(dòng)相對(duì)密集.

4 結(jié)論

本文以天津市2016年的OLI遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，利用GIS空間分析算法，將天津市的空間格局提取出來，并以土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，從以下幾個(gè)角度來分析天津市的空間格局特征.

（1）分析天津市整體區(qū)域內(nèi)各類地物分布情況，所得結(jié)論如下：耕地、建設(shè)用地、水域是天津市三大土地利用類型，其中耕地面積所占比重高達(dá)全市面積的52.01%，是天津市最主要的土地利用類型，在空間上耕地的分布大致呈“北多南少”的特征；第二大土地利用類型是建設(shè)用地，占天津市總面積的31.57%左右，建設(shè)用地在空間上的分布格局與耕地相反，大致呈“北少南多”的特征，主要集中分布在以和平區(qū)為中心的中心城區(qū)內(nèi).林地主要分布在薊州區(qū).

（2）借助景觀指數(shù)深入研究天津市各區(qū)及各地理方位上的土地利用情況，得到結(jié)論如下：天津市的土地利用隨著距以和平區(qū)為中心的市區(qū)越遠(yuǎn)，其復(fù)雜度越高，各土地利用類型斑塊的分布也越均勻，被少數(shù)主要景觀類型所主導(dǎo)的程度也越低.各區(qū)內(nèi)的各土地利用類型斑塊的形狀隨著距以和平區(qū)為中心的市區(qū)越遠(yuǎn)，其規(guī)則化程度越低.天津市北部及南部地區(qū)自然資源豐富，景觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，景觀破碎度較高，東部地區(qū)的景觀形狀最為規(guī)則，人類活動(dòng)最為密集，城市化水平最高.