多光譜遙感數(shù)據(jù)城市邊緣區(qū)土地利用時(shí)空結(jié)構(gòu)演化

王佳，崔柳，張盼盼，高赫

(1. 北京林業(yè)大學(xué) 北京市精準(zhǔn)林業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2. 北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，北京 100083；3. 北京林業(yè)大學(xué) 園林學(xué)院，北京 100083)

0 引言

近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程加快，在城市周邊地區(qū)，城鄉(xiāng)邊界越來(lái)越模糊，隨之帶來(lái)很多問(wèn)題。城市邊緣區(qū)作為城市化進(jìn)程的產(chǎn)物[1]，在這過(guò)程中變化最為劇烈，其土地利用方式被大幅改變，時(shí)空結(jié)構(gòu)也變化明顯。了解城市邊緣區(qū)的擴(kuò)展空間變化規(guī)律，對(duì)解決空間擴(kuò)展后遇到的發(fā)展問(wèn)題具有一定的指導(dǎo)意義[2]。北京是中國(guó)的首都，全國(guó)的政治、經(jīng)濟(jì)和文化的中心[3]。北京市北郊作為北京的邊緣區(qū)，是研究中國(guó)城市邊緣區(qū)的土地利用變化和時(shí)空結(jié)構(gòu)變化的首選[4]。本文希望通過(guò)對(duì)北京市北郊時(shí)空結(jié)構(gòu)演化的研究，對(duì)北京市北郊的建設(shè)特點(diǎn)、發(fā)展模式做初步探討，發(fā)現(xiàn)其發(fā)展過(guò)程中存在的問(wèn)題，尋找解決方法和優(yōu)化措施，為整個(gè)北京市的邊緣區(qū)建設(shè)提供借鑒，為其他地區(qū)邊緣區(qū)建設(shè)提供參考。

Louts在研究柏林的形態(tài)和結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)了城市邊緣區(qū)，所以對(duì)城市邊緣區(qū)的研究最早起源于德國(guó)[5]，鄉(xiāng)村和城市的建成區(qū)出現(xiàn)了一個(gè)有新特征的區(qū)域，表現(xiàn)為鄉(xiāng)村區(qū)域逐漸變化建設(shè)用地，轉(zhuǎn)化為城市的一部分，這一新出現(xiàn)的地區(qū)被稱(chēng)為城市邊緣帶[6]。二戰(zhàn)以后大城市迅速擴(kuò)張，導(dǎo)致城市邊緣區(qū)迅速發(fā)展，學(xué)者才更多關(guān)注城市邊緣區(qū)問(wèn)題[7]。國(guó)外的城市邊緣區(qū)空間結(jié)構(gòu)的研究開(kāi)始于上世紀(jì)初期，其中最經(jīng)典的模式為多核模式，在1945年由美國(guó)學(xué)者哈里斯(C.D. Harris)與烏爾曼(E.L. Uiman)提出。我國(guó)對(duì)城市邊緣區(qū)的研究較晚，始于上世紀(jì)80年代中后期[8]。90年代初期，顧朝林、馬清亮等人重新定義了城市邊緣區(qū)的概念、功能和范圍，以及其土地利用和形成原因，它的社會(huì)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)和功能，行政體制與規(guī)劃管理等內(nèi)容[9]。到90年代以后，邢忠、劉國(guó)園等從城市規(guī)劃和生態(tài)學(xué)角度進(jìn)行了典型城市邊緣區(qū)的整體和局部研究[10]，到目前已經(jīng)做了很多工作，但有一定的局限性，局限于對(duì)城市邊緣區(qū)宏觀的研究，缺少對(duì)典型地區(qū)和微觀上的研究。

1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)位于北京市北郊，研究區(qū)的選擇綜合了行政因素和自然因素，西邊用山脊線提取邊界，東邊以昌平的行政邊界為邊界，以保證景觀研究的完整性。面積共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東南海拔逐漸降低，西部和北部為山區(qū)。研究區(qū)為典型的大陸性季風(fēng)氣候，春季和冬季降雨較少，春天會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)沙，冬天干燥和寒冷；夏季降雨多，所以氣候濕潤(rùn)，溫度高，秋季涼塊，四季分明。

2 數(shù)據(jù)獲取與處理

2.1 研究區(qū)數(shù)據(jù)來(lái)源

根據(jù)本文研究問(wèn)題的需要，確定需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要有以下幾種，包括數(shù)據(jù)的名稱(chēng)、年份、分辨率基本信息，如表1所示。收集的數(shù)據(jù)主要是柵格數(shù)據(jù)，有DEM和遙感影像2種。

表1 研究區(qū)數(shù)據(jù)基本信息

2.2 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)北京市DEM進(jìn)行提取山脊線，綜合行政因素和自然因素確定研究區(qū)邊界。利用ENVI RPC Orthorectification Workflow工具對(duì)影像進(jìn)行幾何校正、圖像融合、鑲嵌與裁剪等過(guò)程，采用最大似然方法進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)，之后參照天地圖和昌平區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行人工修改錯(cuò)誤的分類(lèi)，得到2004年、2009年、2014年分類(lèi)結(jié)果，如圖1所示。對(duì)分類(lèi)后的遙感影像進(jìn)行分類(lèi)精度的檢驗(yàn)，在分類(lèi)結(jié)果圖中，設(shè)置200個(gè)隨機(jī)點(diǎn)，利用目視比較原始影像和分類(lèi)結(jié)果圖，得到分類(lèi)精度。2004年、2009年、2014年總體分類(lèi)精度分別為 89.5%、91.6% 、92.3%，符合研究要求。

圖1 2004—2014年土地利用分布圖

3 研究方法

3.1 擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)

擴(kuò)張強(qiáng)度E和擴(kuò)張速度S是用于描述城市建設(shè)用地的變化，比較不同時(shí)期、不同方向建設(shè)用地面積擴(kuò)展的快慢、趨勢(shì)和強(qiáng)度。

式中：S為建設(shè)用地?cái)U(kuò)張速度；E為建設(shè)用地?cái)U(kuò)張強(qiáng)度;ΔU表示研究區(qū)建設(shè)用地在研究期內(nèi)變化面積;U為研究初期建設(shè)用地面積;T為研究時(shí)段長(zhǎng)度。

3.2 梯度分析法

梯度分析法是一種地理橫斷面分析法，在綠色空間結(jié)構(gòu)分析中廣泛應(yīng)用。綠色空間的梯度分析法主要有3種：1)具有各向同性的緩沖區(qū)分析法；2)區(qū)分方向的樣帶分析法；3)基于城鄉(xiāng)空間區(qū)劃的比較研究[11]。環(huán)形系統(tǒng)法是選中研究區(qū)域的一個(gè)中心，并以等長(zhǎng)的半徑化多重緩沖區(qū)，讓同心圓覆蓋整個(gè)區(qū)域，運(yùn)用GIS的疊加分析，對(duì)各個(gè)區(qū)域進(jìn)行分割，統(tǒng)計(jì)不同年份不同圈層主要土地利用類(lèi)型的變化和面積，分析綠色空間的空間結(jié)構(gòu)變化。

3.3 等扇形分析法

等扇形分析法是選定研究區(qū)的一個(gè)中心，選取合適的半徑把研究區(qū)分成數(shù)量合適的扇形，與不同時(shí)期的土地利用圖進(jìn)行疊加，運(yùn)用GIS疊加分析，用扇形對(duì)區(qū)域進(jìn)行分割，統(tǒng)計(jì)不同年份不同扇形內(nèi)各個(gè)土地利用類(lèi)型的面積。

4 結(jié)果分析

4.1 北京市北郊土地利用時(shí)空變化情況

由表2可知，10年間北京市北郊發(fā)生了顯著的城市化，建設(shè)用地增加了125.5 km2，增加了78.23%；道路面積基本維持穩(wěn)定；耕地面積減少了132.98 km2，減少了32.47%，是所有土地類(lèi)型中面積變化最大的；林地面積增加了111.53 km2，增加了11.03%；水域面積減少了3.14 km2，減少了16.29%；未利用用地增加9.07 km2，增加了16.99%；園地面積由25.66 km2增加至32.07 km2，10年間穩(wěn)定增加。在研究期內(nèi)北京市北郊最明顯的變化是耕地面積大幅降低，建設(shè)用地穩(wěn)定上升。

表2 2004—2014年土地利用面積表

2004—2014年轉(zhuǎn)移矩陣(表3)表明，土地利用發(fā)生變化大的類(lèi)型依次為林地、耕地、建設(shè)用地。結(jié)合土地利用分布圖，2004到2014年平原地區(qū)耕地主要轉(zhuǎn)變成建設(shè)用地，耕地大幅減少；山區(qū)耕地主要轉(zhuǎn)為林地，變化顯著。建設(shè)用地和道路轉(zhuǎn)為林地面積比較明顯，園地面積有所增加，是因?yàn)橹匾暢鞘芯G化，城區(qū)綠化面積增多。建設(shè)用地持續(xù)擴(kuò)張。

表3 2004—2014年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

4.2 北京市北郊土地利用環(huán)形分析

本文以環(huán)形系統(tǒng)分析法進(jìn)行分析，用ArcGIS計(jì)算圖形重心并結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，確定以百葛橋中點(diǎn)為圓心，以1 km為間隔化同心圓，分34個(gè)梯度，生成能覆蓋整個(gè)研究區(qū)的多重緩沖區(qū)，如圖2所示；并對(duì)各時(shí)期的地類(lèi)進(jìn)行切割，分別統(tǒng)計(jì)各環(huán)的耕地、林地和建設(shè)用地面積。

圖2 樣帶梯次環(huán)設(shè)置示意圖

圖3 2004—2014年林地空間分布

圖3為各時(shí)相林地空間圈層分布狀況。從形態(tài)上看，林地的分布隨距離先增加后減少，從時(shí)間上看，在0～29 km內(nèi)，林地面積也是先增加后減少。圖4為各圈層林地變化圖?？傮w分析2004—2014十年變化，0～29 km，林地處于增加，在29～34 km，林地少量減少，但每圈層減少量小于1 km2。圖5為各時(shí)相耕地空間圈層分布狀況。2004—2009年在0～33 km內(nèi)耕地都在減少，在耕地分布廣的區(qū)域，減少量也大；2009—2014年，耕地面積減少區(qū)域分布在0～6 km，在15～23 km，耕地面積有所增加。圖6為各圈層耕地變化圖?？傮w分析2004—2014十年變化，耕地基本處于減少，在11～19 km，是耕地減少量較大的區(qū)域，因?yàn)樵摲秶鷥?nèi)耕地分布廣。圖7為北京市北郊各時(shí)相建設(shè)用地空間圈層分布情況，三期建設(shè)用地分布的形態(tài)略有差異，整體來(lái)看，都是隨著離中心點(diǎn)的距離增大，建設(shè)用地面積先增大后平穩(wěn)。建設(shè)用地的分布隨距離的增加有一定規(guī)律。圖8為各圈層建設(shè)用地變化圖?？傮w分析2004—2014十年變化，建設(shè)用地都處于增加，在5～20 km，是建設(shè)用地變化大的分布區(qū)。

圖4 2004—2014年林地變化分布

圖5 2004—2014年耕地空間分布

圖6 2004—2014年耕地變化分布

圖7 2004—2014年建設(shè)用地空間分布

圖8 2004—2014年建設(shè)用地變化分布

4.3 北京市北郊土地利用等扇形分析

本文運(yùn)用等扇形分析法研究綠色空間形態(tài)的各向異性研究，以百葛橋?yàn)橹行倪x取34 km為半徑，以北偏東11.25°為起點(diǎn)，將研究區(qū)域劃分成大小相等的16個(gè)扇形，如圖9所示，統(tǒng)計(jì)不同時(shí)期各扇形面積占優(yōu)勢(shì)的綠地和建設(shè)用地面積，統(tǒng)計(jì)不同時(shí)期各扇形的擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)，并把它繪制成雷達(dá)圖，以發(fā)現(xiàn)各時(shí)段不同方位擴(kuò)展存在的差異以及該時(shí)期擴(kuò)展的主導(dǎo)方向是哪個(gè)[12]。采用自等間隔分級(jí)法，對(duì)各時(shí)段不同扇區(qū)的建設(shè)用地?cái)U(kuò)展強(qiáng)度進(jìn)行分級(jí)。

圖9 等扇形劃分示意圖

林地分布在SWW、W、NWW、NW 4個(gè)方向，2004年、2009年和2014年林地面積都大于100 km2，是林地分布的密集區(qū)，也是林地高速增長(zhǎng)區(qū)，因?yàn)槭巧絽^(qū)，該區(qū)域耕地分布也相對(duì)較多；SSE方向是分布的最低點(diǎn)，該區(qū)域主要是建設(shè)用地。由圖10可知，林地分布的形態(tài)在方向上相近，不同時(shí)期差異不大。不同方位林地表現(xiàn)為先增加后減少。

2004年耕地主要分布在NEE、E、SEE、W 4個(gè)方向，耕地面積都大于30 km2，是耕地分布的密集區(qū)，也是耕地流失最嚴(yán)重的地區(qū)，E、SEE方向上全是平原地區(qū)，NEE、W方向是平原和山區(qū)結(jié)合部分，NNE、NE方向是分布的低點(diǎn)，該區(qū)域主要是建設(shè)用地和山區(qū)。由圖可知，耕地分布的形態(tài)在方向上變化很大，面積迅速下降，可能是由于建設(shè)用地在不同方向變化大。但在2009—2014年期間N方向上耕地增加，是由園地轉(zhuǎn)化而來(lái)，如圖11所示。

2004年建設(shè)用地主要分布在E、SEE、SE、SSE和S 5個(gè)方向，建設(shè)面積面積都大于10 km2，可見(jiàn)建設(shè)用地在東南方向分布廣，也是建設(shè)用地面積增加多的地區(qū)，全是平原地區(qū)，所以建設(shè)用地的分布跟地形和海拔有關(guān)。由圖可知，建設(shè)用地分布的形態(tài)在方向上不大相同，2004—2009年建設(shè)用地面積迅速增加，2009—2014年增加速度放慢，主要發(fā)生在NEE、E、SEE、SE、SEE 5個(gè)方向，如圖12所示。

圖10 2004—2014年不同方向林地分布雷達(dá)圖

圖11 2004—2014年不同方向耕地分布雷達(dá)圖

圖12 2004—2014年不同方向建設(shè)用地分布雷達(dá)圖

4.4 北京市北郊空間形態(tài)演化分析

通過(guò)前文分析，可以得出北京市北郊作為典型城市邊緣區(qū)在2004—2014十年間土地利用結(jié)構(gòu)變化顯著，主要原因是由于建設(shè)用地的增加和擴(kuò)張，對(duì)北京北郊建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的空間方位的差異性進(jìn)行研究，運(yùn)用等扇形分析方法，計(jì)算各個(gè)方向建設(shè)用地的擴(kuò)張速度與強(qiáng)度，并對(duì)擴(kuò)張強(qiáng)度進(jìn)行分級(jí)。

由圖13和圖14，建設(shè)用地的擴(kuò)張方向存在各向異性，與地形有關(guān)；擴(kuò)張速度不同階段差異明顯，先快后慢，東部擴(kuò)張明顯大于西部擴(kuò)張；擴(kuò)張強(qiáng)度不同時(shí)期不同方向擴(kuò)張強(qiáng)度差異明顯，但整個(gè)十年擴(kuò)張強(qiáng)度差異不大，說(shuō)明擴(kuò)張分布均勻。采用等間隔法，對(duì)不同時(shí)期各個(gè)扇區(qū)的擴(kuò)展強(qiáng)度進(jìn)行分級(jí)，根據(jù)研究區(qū)特點(diǎn)將其劃分成5個(gè)類(lèi)型：高速擴(kuò)展型、快速擴(kuò)展型、中速擴(kuò)展型、低速擴(kuò)展型和滯后擴(kuò)展型[13]。2004—2009年整體處于高速擴(kuò)展，2009—2014年整體相對(duì)處于低速擴(kuò)展，2004—2014年十年間整體處于中速擴(kuò)展，如表4所示。

圖13 2004—2014年建設(shè)用地?cái)U(kuò)張速度

圖14 2004—2014年建設(shè)用地?cái)U(kuò)張強(qiáng)度

時(shí)段高速快速中速低速滯后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 結(jié)束語(yǔ)

城市快速發(fā)展過(guò)程中，平原地區(qū)的建設(shè)用地?cái)U(kuò)張迅速，其擴(kuò)張速度、強(qiáng)度、方向不同時(shí)期具有差異性。北京市北郊地區(qū)是平原和山區(qū)相結(jié)合的地區(qū)，在研究中既要考慮地形因素等自然因素，又要考慮非自然因素。建設(shè)用地的擴(kuò)張方向存在各向異性，與地形有關(guān)；擴(kuò)張速度不同階段差異明顯，先快后慢，東部擴(kuò)張明顯大于西部擴(kuò)張；擴(kuò)張強(qiáng)度不同時(shí)期不同方向擴(kuò)張強(qiáng)度差異明顯，但整個(gè)十年擴(kuò)張強(qiáng)度差異不大，說(shuō)明擴(kuò)張分布均勻。

2004—2014年研究區(qū)的城市化在不同時(shí)期顯示不同的特征：2004年—2009年建設(shè)用地顯著增加，建設(shè)用地大幅上升，建設(shè)用地不斷外擴(kuò)，城市處于迅猛發(fā)展，建設(shè)用地大多是有耕地轉(zhuǎn)化而來(lái)；2009—2014年建設(shè)用地發(fā)展明顯放緩。在環(huán)形系統(tǒng)分析中，林地的圈層分析隨距離變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，三期形態(tài)相近，耕地面積呈現(xiàn)類(lèi)似拋物線的變化，建設(shè)用地面積不斷增大。用等扇形分析土地利用變化發(fā)現(xiàn)，除了在N方向上由于園地的轉(zhuǎn)化有耕地增加，其他方向耕地面積都在減少。

城市邊緣區(qū)是城市的重要組成部分，隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市邊緣區(qū)的發(fā)展是城市中最迅速的地方，因此必須從整個(gè)城市發(fā)展的角度出發(fā)，對(duì)北京北郊進(jìn)行可持續(xù)的發(fā)展規(guī)劃。在北京北郊城鎮(zhèn)化現(xiàn)象普遍的同時(shí)，應(yīng)尋求城市發(fā)展與生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的平衡點(diǎn)。本文針對(duì)北京北郊的發(fā)展現(xiàn)狀，提出以下幾點(diǎn)優(yōu)化措施：

應(yīng)保護(hù)耕地、園地及林地，將自然與城市結(jié)合，使綠地和城市相互滲透。隨著城市生活節(jié)奏的加快，對(duì)城市周邊的自然環(huán)境需求也將隨之增加。在城市綠地總面積較小的情況下，郊外綠色空間能夠滿足城市居民釋放壓力、放松身心的需要。

應(yīng)保護(hù)河流、水庫(kù)等水域的面積不下降，保證其完整性。水域是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，對(duì)維持生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定有重要意義，北郊地區(qū)水域面積小，并且近十年間還在不斷減少，保護(hù)水域的工作開(kāi)展刻不容緩。

要合理規(guī)劃建設(shè)用地。隨著城市化的發(fā)展，建設(shè)用地的增加不可避免，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行合理規(guī)劃，保護(hù)城市的生態(tài)環(huán)境，不能以破壞性的方式進(jìn)行發(fā)展。努力實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)環(huán)境相結(jié)合十分重要。

可以引進(jìn)生態(tài)農(nóng)業(yè)項(xiàng)目，提升北京市北郊的旅游價(jià)值[14]。北京人口總多，生活壓力大，生態(tài)農(nóng)業(yè)項(xiàng)目能夠滿足城市發(fā)展與生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)相結(jié)合的需要?？梢栽诒本┦斜苯家M(jìn)形式多樣的項(xiàng)目，在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境的保護(hù)，同時(shí)帶動(dòng)旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展。