北京市綠色空間時(shí)空變化遙感分析

李強(qiáng)強(qiáng) 李向新 鹿琳琳 程雨婷 吳瑞嬋

摘? 要： 本文利用Landsat遙感影像數(shù)據(jù)對北京市建成區(qū)的綠色空間進(jìn)行分類，并且在此基礎(chǔ)上分析城市建成區(qū)內(nèi)部綠色空間面積、覆蓋率和人均綠地等指標(biāo)及其變化，從多個(gè)指標(biāo)的變化定量化研究城市建成區(qū)內(nèi)部綠色空間的變化情況。研究結(jié)果表明，2015年較2005年北京市建成區(qū)綠色空間面積、覆蓋率和人均綠色空間均有一定的下降;在綠色空間的種類上，農(nóng)田所占比例下降，草地和林地的占比增加，三環(huán)內(nèi)綠色空間變化較小。

關(guān)鍵詞： 城市建成區(qū);綠色空間;時(shí)空變化;遙感影像;北京

中圖分類號： TP7? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.009

本文著錄格式：李強(qiáng)強(qiáng)，李向新，鹿琳琳，等. 北京市綠色空間時(shí)空變化遙感分析[J]. 軟件，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

隨著城市化的發(fā)展和城市地區(qū)的迅速擴(kuò)張，城市化對地球的生態(tài)環(huán)境造成了深遠(yuǎn)的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在1920年以前，居住在城市地區(qū)的人數(shù)還不到總?cè)丝诘?0%，在2017年全球已經(jīng)有55%的人口居住在了城市，預(yù)計(jì)在2030年左右這個(gè)數(shù)值將會(huì)增加到60%，2050年有可能突破75%。目前城市占據(jù)著全球90%的生態(tài)空間，消耗著65%的能源，每年排放的溫室氣體高達(dá)70%。北京是我國首都、直轄市和國家中心城市，是全國政治中心、文化中心、國際交往中心、科技創(chuàng)新中心。作為人口超過千萬的超大城市，在過去幾十年間經(jīng)歷了快速的人口集聚和城市化過程，造成大氣污染、水資源短缺、熱島效應(yīng)加劇、環(huán)境質(zhì)量下降等一系列環(huán)境問題。

了解城市化進(jìn)程的一個(gè)關(guān)鍵要素是是及時(shí)、精確的獲取城市土地利用狀況。遙感具有空間覆蓋范圍宏觀、動(dòng)態(tài)、連續(xù)等優(yōu)勢，隨著近年來衛(wèi)星遙感與大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展， 衛(wèi)星影像被廣泛的應(yīng)用于土地覆蓋/利用狀況分類，并監(jiān)測其隨著時(shí)間的變化情況。

城市綠色空間（Urban Greenspace，UGS）是指在城市內(nèi)部及周邊有綠色植物覆蓋的區(qū)域，包括草地、林地、耕地等自然或者是人造綠色空間。城市綠色空間對地區(qū)在進(jìn)行城市化過程中產(chǎn)生的溫室效應(yīng)、臭氧層破壞、熱島效應(yīng)等有不同程度的抑制作用，且有利于修復(fù)被破壞的城市生態(tài)環(huán)境，緩解人類生活壓力，提高城市的宜居性，對城市居民的身心健康有著重大的作用。因此，研究城市綠色空間的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化對快速城市化地區(qū)的城市空間格局調(diào)控和城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1? 研究區(qū)和數(shù)據(jù)

1.1? 研究區(qū)

本研究以北京市為對象，位于東經(jīng)115.7°—117.4°，北緯39.4°—41.6°，我國華北平原北部，毗鄰渤海灣，上靠遼東半島，下臨山東半島。中心位于北緯39°54′20″，東經(jīng)116°25′29″，總面積16410.54平方千米。北京市作為我國首都，又是人口超過一千萬的超大城市，是世界上城市化的進(jìn)程最快的地區(qū)之一，城市化所造成的問題較為明顯。本次研究主要針對在城市化的發(fā)展中人口的增長和綠色空間的變化，所以本研究排除偏遠(yuǎn)的郊縣和山區(qū)，將區(qū)域縮小至首都功能核心區(qū)和城市功能拓展區(qū)的6個(gè)城區(qū)，分別是海淀區(qū)、豐臺區(qū)、朝陽區(qū)、東城區(qū)、西城區(qū)和石景山區(qū)。

1.2? 研究數(shù)據(jù)

本文選取具有中分辨率的Landsat影像作為主要數(shù)據(jù)源。Landsat數(shù)據(jù)具有時(shí)間序列長，覆蓋面全等特征，并且可以免費(fèi)獲取全球的歷史數(shù)據(jù)，非常適用于時(shí)間序列相關(guān)的研究。本研究收集2005年、2015年的共8幅Landsat數(shù)據(jù)影像，分別由Landsat 專題制圖儀（Thematic Mapper，TM）、增強(qiáng)型專題制圖儀（Thematic Mapper Plus，ETM+）和（Operational Land Imager，OLI）陸地成像儀影像圖獲取?？紤]到研究對數(shù)據(jù)一致性的要求，本文中收集的數(shù)據(jù)均來自于美國地質(zhì)調(diào)查所（United States Geological Survey，USGS，http：//espa.cr.usgs.gov），經(jīng)過校正后的L1T級別的產(chǎn)品。本文采用的人口數(shù)據(jù)是根據(jù)北京市統(tǒng)計(jì)局所統(tǒng)計(jì)的2005、2015年的鄉(xiāng)鎮(zhèn)常住人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2? 綠色空間提取方法

參考國家建設(shè)部《城市綠地分類標(biāo)準(zhǔn)》（編號為CJJ/T85-2002）規(guī)定和北京市城市發(fā)展的具體情況，本研究采用的土地覆蓋分類體系將北京城市綠色空間分為森林、草地和農(nóng)田3個(gè)一級類，其他劃分為水體和不透水層?；诙鄷r(shí)相遙感數(shù)據(jù)，研究選取多時(shí)相光譜特征和歸一化植被指數(shù)構(gòu)建特征集，歸一化植被指數(shù)（NDVI）表達(dá)式如下：NDVI=（NIR-R）/ （NIR+R），使用機(jī)器學(xué)習(xí)自動(dòng)分類方法，主要基于不同土地覆蓋類型及綠色空間類型的物候差異，對研究區(qū)進(jìn)行土地利用類型劃分。

方法的具體流程如下：首先，使用Landsat生態(tài)系統(tǒng)干擾自適應(yīng)處理系統(tǒng)（Landsat Ecosystem Disturbance Adaptive Processing System，LEDAPS）對所有的圖像進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正，按照NDVI=（NIR-R）/（NIR+R）公式運(yùn)用波段運(yùn)算工具（band math）計(jì)算影像的NDVI。然后，將空間分辨率為30 m的原始影像波段與NDVI利用波段組合，作為土地利用分類的主要輸入數(shù)據(jù)。最后，人工選取訓(xùn)練樣本，使用隨機(jī)森林分類的方法將影像分類得到包含耕地、林地、草地、水體、不透水層的分類圖像。經(jīng)驗(yàn)證，2005和2015年的分類結(jié)果整體精度優(yōu)于85%。北京城區(qū)的Landsat影像分類結(jié)果如圖1和圖2所示。

3? 結(jié)果與分析

3.1? 城市建成區(qū)內(nèi)綠色空間時(shí)空格局變化

從分類結(jié)果來看，2005年以來，北京市土地類型中的不透水層面積變多，說明近十年北京的城市化很迅速，建筑等非綠色空間增多。2005年不透水層面積為798.97 km2，到了2015年增長為844.16 km2。而綠色空間的面積在2005年為523.35 km2，在2015年為472.77 km2。相應(yīng)地，綠色空間覆蓋率在2005年和2015年分別是39.36%和35.55%。人均綠色空間擁有量是衡量城市生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)，根據(jù)北京市城鎮(zhèn)常住人口分布數(shù)據(jù)，結(jié)合各個(gè)年份綠色空間分布圖，可以得到以城鎮(zhèn)為單位的人均綠地分布圖。將數(shù)據(jù)整合后，得到總的研究地區(qū)2005年和2015年的人均綠色空間面積分別為56.66 km2和38.2 km2，人均綠色空間面積有所減少。

3.2? 不同環(huán)路間綠色空間格局的變化

近年，北京市環(huán)路的建設(shè)，使得北京市的空間格局更加的趨于系統(tǒng)的發(fā)展，對環(huán)路周圍的商業(yè)發(fā)展以及綠色空間都造成了極大的影響，使得臨近地區(qū)的土地利用也發(fā)生了不同程度的變化。整體來看，各個(gè)環(huán)路之間從2005年到2015年之間綠色空間呈現(xiàn)除了增長的趨勢，其中4環(huán)到5環(huán)之間的變化最大，從2005年的92.99 km2增加到2015年的124.56 km2。綠色空間覆蓋率從15%增加到20%。3環(huán)到4環(huán)之間的綠地面積從17.2 km2增加到42.96 km2，綠色空間覆蓋率從5.6%增加到14.2%。二環(huán)到三環(huán)之間的綠地面積從7.1 km2增加到20.72 km2，綠色空間覆蓋率從4.4%增加到13%。二環(huán)以內(nèi)的綠地面積從3.15 km2增加到7.1 km2，綠色空間覆蓋率從5%增加到11%。可以發(fā)現(xiàn)，從二環(huán)到五環(huán)，越接近五環(huán)，土地利用變換越大，越接近二環(huán)，土地利用變化越小。

3.3? 城市綠色空間變化特征分析

從分類結(jié)果變化圖5來看，從2005年到2015年，北京城市建成區(qū)綠色空間類型中耕地所占比例不斷減少，草地和林地所占比例不斷的增加。所以，自2005年城市建筑用地大部分是農(nóng)業(yè)耕地轉(zhuǎn)換的，而綠色空間的增加主要依賴林地和草地的增加，其中草地是近幾年綠色空間建設(shè)的主要類型。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，耕地從2005年的345.65 km2減少到2015年的170.05 km2，而林地則是由2005年的155.16 km2增加到2015年的241.46 km2，草地則是從22.54 km2增加到61.26 km2。與此同時(shí)，耕地的覆蓋率從2005年的25.99%降到2015年的12.79%，林地的覆蓋率從11.67%增加到18.16%，草地的覆蓋率從1.7%增加到4.61%。

4? 結(jié)論

基于 Landsat影像分類，本研究定量化的分析了北京2005年和2015年城市建成區(qū)內(nèi)綠色空間格局的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，主要得到如下結(jié)論：

（1）2005年以來，北京的城市建成區(qū)內(nèi)部的綠色空間占比和格局都發(fā)生了變化，其中2005年和2015年城市建成區(qū)內(nèi)部綠色空間覆蓋率分別是39.36%和35.55%，人均綠色空間分別是56.66 m2/人和38.2 m2/人。由此可見，由于快速的城市化，大量的耕地被轉(zhuǎn)換成高樓，從而使得綠色空間的覆蓋率有所降低。而且人口從2005年的953.2萬增加到2015年1282.8萬，使得人均綠色空間值也降低。

（2）2005年到2015年之間不同類型的綠色空間在城市建成區(qū)綠色空間總的面積中所占的比例有較大的改變，尤其是耕地面積，從2005年占總面積的25.99%降低到2015年的12.79%，從解譯影像得到的分類結(jié)果圖像可以看出，大量的耕地變成了建筑用地，其余的變成林地和少量的耕地。可以發(fā)現(xiàn)北京市在城市化的過程中，受到影響最大的就是農(nóng)業(yè)用地，也說明了在城市建成區(qū)綠色空間中耕地的重要性正在下降，因?yàn)榱值睾筒莸貙Τ鞘薪ǔ蓞^(qū)的生態(tài)改善有著更大的效果，所以城市擴(kuò)張侵占了自然生態(tài)系統(tǒng)中的農(nóng)田，同時(shí)也保留且生成了更多的林地和草地，對美化城市和改善城市生態(tài)環(huán)境起到了重要的作用。

（3）通過2005年到2015年北京城市建成區(qū)內(nèi)綠色空間的變化可以看出，三環(huán)以內(nèi)的綠色空間覆蓋率較低，三環(huán)以外的綠色空間覆蓋率較高，說明在城市原有的基礎(chǔ)上還需要增加一些綠色空間。三環(huán)以內(nèi)城市建成區(qū)比較穩(wěn)定，不論是綠色空間還是建筑區(qū)域變化的區(qū)域都不大，四環(huán)以外有大量的農(nóng)田發(fā)生變化，在原來耕地區(qū)域新建了很多高樓，相應(yīng)地也新增了很多林地和草地，說明在未來影響北京市綠色空間主要是發(fā)生在四環(huán)以外，在新建建筑區(qū)域時(shí)需注意綠色空間的占比，通過建設(shè)公園、草地等美化城市環(huán)境、改善城市生態(tài)質(zhì)量。

北京市城市化的發(fā)展與綠色空間的建設(shè)密不可分。雖然近年來，綠色空間有所增長，但是與人口增長速率不一致，導(dǎo)致人均綠色空間占比不斷降低。所以為了提升城市發(fā)展質(zhì)量、人居環(huán)境質(zhì)量，城市綠地建設(shè)應(yīng)該和城市人口增長的速度在空間和時(shí)間上保持一致，這樣才能促進(jìn)城市健康可持續(xù)的發(fā)展。

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