高速铁路对周边区域土地利用时空变化的影响

国巧真，蒋卫国，王志恒

(1.天津城建大学 地质与测绘学院，天津 300384；2.北京师范大学 环境演变与自然灾害教育部重点实验室，北京 100875)



高速铁路对周边区域土地利用时空变化的影响

国巧真1，蒋卫国2，王志恒1

(1.天津城建大学 地质与测绘学院，天津 300384；2.北京师范大学 环境演变与自然灾害教育部重点实验室，北京 100875)

为了获得高速铁路对土地利用变化的影响情况，以京津城际高速铁路为例，基于RS和GIS技术，以2003年、2009年、2013年3期遥感数据(TM和OLI)和铁路矢量数据为基础，从整体和局部研究近10年来京津城际沿线区域的土地利用时空动态变化。首先，采用分层提取法对图像进行解译，将土地利用类型分为5种，分别是居民地、水域、耕地、林地和未利用地；其次，从整体上分析了土地利用变化幅度、动态度、分形维数、多样性和破碎度；最后，建立缓冲区半径为1 km间隔的20个缓冲区，从局部分析通州-武清段土地利用动态变化情况，分析缓冲距离与土地利用变化的相互关系。结果表明：京津城际铁路周边最主要的土地利用类型为耕地，从2003—2013年一直在减少，形状越来越规则，而随着居民地不断增加，动态度在2009—2013年大于2003—2009年，破碎度指数呈下降趋势，景观多样性指数呈递增趋势。从总体上看，离铁路距离越近的缓冲区，土地利用的变化幅度越大。

管理工程；高速铁路；遥感；时空变化；土地利用

0 引 言

土地利用变化是人类活动(如道路网发展)的结果[1-3]，此研究已经成为国内外热点话题[4-7]。土地利用时空变化表现为从“时间过程”、“空间格局”到“时空动态”不断演变过程[8]。确定主要成因、估计土地利用变化的过程和趋势对于土地利用规划、区域资源与环境的利用和管理是至关重要的[9]。

近20年来，我国高速铁路得到了迅猛的发展，就其高速铁路运营里程我国现已经跃居世界之首，同时也创造了世界的中国高铁品牌，在这些辉煌的业绩背后国家的付出也很大，其中一部分就是高速铁路的建设施工对沿线周边生态环境的破坏和影响。铁路工程建设属于路域工程，施工周期长，跨度空间大，对周边的土石方利用也大，沿线破坏环境严重，主要表现在占用耕地[10]、建筑物的拆迁与重建、流经水域的阻隔变化、树木砍伐、植被破坏，使高速铁路路域土地利用格局结构发生变化，同时高速铁路的建设会因为破坏原来的土地格局而产生新的未利用地的出现，或者一些无法恢复土地的存在，进而由此引发严重的生态环境问题，尤其对生态薄弱的路域区域的影响更大，并且破坏后恢复难度比较大。随着土地利用变化研究越来越深入，景观格局分析方法已被广泛引入到土地利用变化研究中，土地利用变化影响地表的景观变化过程和格局[11-14]，高速铁路周边生态环境的变化很大程度主要来自于土地利用覆盖变化，交通干线引起的景观破碎化和结构变化受到极大关注[15-17]。结合遥感技术对高速铁路沿线周边土地利用时空变化的分析可以直观地反映出具体变化情况。

现有研究主要集中在发达国家高铁对城市空间结构演化的作用等方面。中国高铁的大规模建设还处于城市化加速发展期，对中国城市郊区化的影响较为显著和复杂，而目前对城际高铁周边土地利用时空变化缺乏系统性研究。因此，有必要针对中国高铁时代的特殊性进一步深化和完善高铁对城市郊区化影响的相关研究[18]。笔者以京津城际高铁为研究对象，利用3期遥感影像，采用空间分析方法，从整体和局部分析近10年来京津城际铁路周边地区土地利用的时空动态变化特征，从土地利用角度对京津城际铁路周边影响进行研究，为今后铁路系统的规划建设提供借鉴。

1 研究区概况与数据源

1.1 研究区概况

京津城际铁路是我国第1条高速铁路，工程于2005年7月4日开工建设，2008年8月1日正式运营，是北京、天津的连接纽带。京津高速铁路沿线位置如图1。

京津城际铁路由北京南站东端引出，沿既有京山线向东，过亦庄工业园区、永乐新城至天津杨村后，沿既有京山线北侧至天津站，线路全长120 km。京津城际动车组运行时速350 km/h，全程运行时间30 min[19]。京津城际高速铁路线路经过地区属暖温带亚湿润气候区，地貌主要为冲洪积平原和冲积平原，地形平坦开阔，地势由西北向东南缓倾，河渠纵横，海拔高程由北京的46 m左右逐渐下降到天津的1 m左右，北京、天津市区范围内线路两侧建筑物密布。京津城际动车组加速了北京和天津的经济社会发展、推进了北京与天津的同城化和一体化进程、提升了京津冀乃至环渤海地区的区域经济地位。

图1 京津城际高速铁路沿线位置

1.2 数据源及预处理

多源、多时相遥感数据能够为城际铁路周边土地利用动态变化监测提供有效的数据源。笔者以2003年和2009年的Landsat TM影像数据、2013年的Landsat OLI数据、铁路矢量数据为基础，遥感数据选择所在地区含云量小于10%的影像。对数据进行预处理，主要包括校正、镶嵌、裁剪。首先将数据进行辐射纠正；然后将3期图像进行几何校正，采用二次多项式，共选取6个控制点，2个检查点，几何校正误差控制在0.5个像元以内，TM图像重采样为30 m，OLI重采样为15 m，图像均采用WGS-84-UTM-50N投影；接下来进行多幅影像镶嵌；最后裁剪出研究区域。

2 研究方法

2.1 土地利用信息提取方法

根据土地分类系统分类原则与研究区的实际情况，将土地利用划分为5种类型，包括居民地、水域、耕地、林地和未利用地。居民地主要是指居民住宅建筑物、城市建设建筑物、道路基础设施建筑物、也包含工业、国防和名胜古迹等用地，其中包括内部交通。水域主要是指研究区域内陆地水域、海域、沟渠水域、水利建筑物等水域。耕地主要指种植农作物的土地，包括新开发、复垦、恢复性用地、闲置用地，以种植农作物为主，间有零星果树或其它树木的土地。林地主要是指生长乔木、灌木的用地。未利用地主要是指在研究区域内当前尚未开发利用的土地和难以开发利用的土地，包括研究区内的采矿区塌陷地、建筑工地取土坑地、祼露的山地和城市未开发地。采用分层提取法对土地利用信息进行提取，首先从分类图中提取水域，将水域图像转为矢量格式，切出水域；然后利用NDVI[20]得到植被层，再将植被层分为耕地和林地；接下来利用NDBI得到建设用地，再将建设用地分为居民地和未利用地；最后将5层分类图进行合并，进行分类后处理，得到土地利用图(图2)。对3期土地利用图进行精度评价，2003年影像数据总的分类精度为91.67%，kappa指数为0.837 8，2009年影像数据总的分类精度为91.25%，kappa指数为0.826 6；2013年影像数据总的分类精度为88.75%，kappa指数为0.785 1。

图2 京津城际高速铁路20 km缓冲区内土地利用分布

2.2 土地利用时空变化分析方法

本研究选取土地利用变化幅度、单一土地利用类型动态度、综合土地利用类型动态度、分形维数、景观多样性指数、破碎度指数，进行土地利用时空变化分析。

2.2.1 土地利用变化幅度分析

土地利用变化幅度主要是指不同时期土地面积的变化，体现在不同土地利用类型的总量变化上，其表达式为：

ΔU=Ub-Ua

(1)

式中：Ub，Ua分别代表研究末期和研究初期某种土地类型的面积。

2.2.2 单一土地利用类型动态度

单一土地利用类型动态度是衡量单一种土地利用类型动态变化指标，是研究区域在一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况，其表达式为[21]：

(2)

式中：Ub为研究末期某种土地类型的面积；Ua为研究初期某种土地类型的面积；T为研究期时段长；R为研究时段内单一土地利用类型动态度。

当T是时段设为年时，R的值就成为该研究区某种土地利用类型年变化率。

2.2.3 综合土地利用类型动态度

综合土地利用类型动态度是反映某一研究区一定时间内综合土地利用类型数量变化程度指标。其表达式为：

(3)

式中：LUi为监测起始时间第i类土地利用类型面积；ΔLUi→j为监测时段第i类土地利用类型转变为非i类土地利用类型面积的绝对值；T为监测时段长，当T设定为年时，LC的值就是该研究区域土地利用年综合变化率。

2.2.4 分形维数

采用周长与面积的相关关系进行计算，描述其核心面积的大小及其边界线的曲折性，公式为[22]：

PAFRAC=

(4)

式中：pij为第i景观类型第j个斑块周长；aij为第i景观类型第j个斑块面积；m为景观类型总数；n为景观斑块总数；PAFRAC为景观类型的分形维数，此分形维数值越大，景观形状越复杂。

2.2.5 多样性指数

多样性指数是基于信息论基础之上，用来测量系统结构支撑复杂程度的景观水平指数。在此采用Shannon指数来表示，其公式如式(5)：

(5)

式中：m为景观元素数目；Pk为第k类景观元素所占的面积比例。

2.2.6 破碎度指数

景观破碎化能够反映景观被割裂的破碎程度，它在一定范围内反映了人为活动对景观的干扰程度，也是景观异质性的一个重要组成，其公式如下：

(6)

式中：Ci为景观类型i的景观碎度；Ai为研究区景观类型i的景观总面积，km2；Ni为景观类型i的斑块数，个。

3 周边土地利用动态变化分析

3.1 整体土地利用动态变化及动态度分析

3.1.1 土地利用变化幅度分析

根据研究区土地利用遥感解译结果，统计分析出京津城际周边20km缓冲区土地利用变化，如表1。由表1可以看出，2003年和2013年京津城际周边水域和未利用地变化均不是很明显；居民地变化最大，随着年份的增加面积呈递增趋势，2003年居民地面积为149 567hm2，占研究区总面积的25.51%，10年内增加了57 912hm2，比例增加9.88%。水域和林地逐渐增加，水域仅增加了2 419hm2，林地增加了0.49%；耕地和未利用地呈减少趋势，其中耕地减少最多，从2003年的404 620hm2下降为343 043hm2，减少了61 577hm2；未利用地减少了1 590hm2。

表1 京津城际铁路20 km缓冲区内土地利用变化

3.1.2 土地利用动态度分析

为了研究城际高铁周边土地利用类型变化特征，采用单一土地利用类型动态度进行分析。根据式(2)，计算京津高速铁路单一土地利用类型动态指数，得到土地利用动态变化的快慢程度，如图3。

图3 近10年京津城际高铁土地利用动态度

从图3可以看出：2003—2013年，居民地、水域和林地土地利用动态度为正值，表示其面积增加，动态度分别为3.87%，1.06%和4.38%，耕地和未利用地土地利用动态度为负值，表示其面积在减少，耕地和未利用地动态度分别为-1.52%和-5.50%。居民地的动态度在2009—2013年间>2003—2009年间；水域持续增加动态度为0.21%和2.31%；耕地在两个时期持续减少，动态度分别为-1.30%和-2.01%；林地的动态变化主要发生在2003—2009年间；未利用地两个时期都在逐渐减少，动态度分别为-7.26%和-5.06%。

3.1.3 景观分形维数分析

根据式(4)，计算铁路周边区域分形维数，如图4。由图4可知：从时间上来看，居民地和水域分形维数先增加后减少，形状变得规则。耕地一直在减少，形状越来越规则，转变过程中同时受到自然、人为等各种因素的影响。林地和未利用地均为先减少后增加，形状先变简单然后变得复杂。

图4 景观分形维数指数

3.1.4 景观多样性分析

根据式(5)计算铁路周边区域多样性指数，2003、2009、2013年为0.806 4，0.854 6，0.895 6，可见，2003—2013年景观多样性指数呈递增趋势，表明铁路周边区域受自然干扰和人类活动增多。由于耕地面积的大幅度减少，城市扩张不断开发未利用地、耕地等土地资源，受人类活动影响较大，导致景观类型的多样性。

3.1.5 景观破碎度分析

根据式(6)计算铁路周边区域破碎度指数，如图5。从图5可以看出：景观类型中破碎度指数呈上升趋势的为耕地和未利用地，随着经济的发展，未利用地不断被开发、分割，受人为因素的干扰，使其破碎度指数上升；居民地破碎度指数呈下降趋势；水域和林地均为先减少后增加。

图5 景观破碎度指数

3.2 缓冲区土地利用动态变化及动态度分析

3.2.1 缓冲区土地利用动态变化分析

为了获得城际高铁对各种土地利用类型的影响，更准确地分析缓冲区与土地利用动态度的相关关系，选取通州-武清段区域进行研究，以铁路为中心建立20个缓冲区，每条缓冲区半径为1 km，统计分析不同缓冲区内的土地利用类型变化情况。对土地利用变化取绝对值，得到不同缓冲区土地利用类型的面积变化量，2003—2009年和2003—2013年土地利用与缓冲区相关关系见图6。

图6 通州-武清段土地利用变化与缓冲区相关关系

从图6可以看出，在2003—2009年间，居民地在6 km缓冲区变化量最大，耕地在9 km缓冲区变化量最大；在2003—2013年间，居民地和耕地在9 km缓冲区变化量最大。近年来武清实施城市化为主导的率先发展战略，不断加快农村城镇化建设进程，居民地变化较快。城际高铁对土地利用是一种线性切割过程，建成前后沿线不同缓冲区范围内土地利用变化量不同，随着缓冲距离增加，对居民地这种土地利用类型变化影响逐渐减小。

3.2.2 缓冲区单一土地利用动态度分析

通过计算20个缓冲区两种土地利用类型的动态度，得到居民地和耕地动态度与缓冲距离的关系，如图7。从图7可以看出，2003—2009年居民地和耕地动态度变化趋势是一致的，随着距离增大，动态度先增加后减小，表明了城际铁路对居民地和耕地两种土地利用类型的轴状影响。

图7 通州-武清段缓冲区居民地、耕地的动态度与距离的关系

3.2.3 缓冲区综合土地利用动态度分析

通过对通州-武清段从2003—2013年缓冲区综合动态度与距离的关系的分析，发现在15 km范围内的影响还是比较大的，所以只考虑15 km以内的综合动态度与距离的关系，如图8。从图8可以看出，缓冲区1～2 km范围内的综合动态度最大，为0.872 2%，总体上缓冲区综合土地利用动态度随着距离的增大呈减少趋势，在2 km范围内，综合土地利用动态度增加，在2～15 km范围内，综合土地利用动态度呈现小幅度振动状态。表明铁路的聚集和辐射作用较强，周边土地利用变化呈线状格局。

图8 通州-武清段年缓冲区综合土地利用动态度与距离的关系

4 结 论

笔者以京津城际高速铁路为研究对象，利用RS和GIS技术方法，分析了京津城际铁路建成运营前后近10年来对周边土地利用时空变化的影响，可以得到以下结论：

1) 耕地是京津城际铁路周边最主要的土地利用类型，2013年面积所占比例为58.51%；其次为居民地，比例为35.39%；第三为水域、林地和未利用地，比例分别为4.29%，1.59%和0.22%。2003—2009年研究区居民地、水域和林地分别增加了30 596，293，1 940 hm2，耕地和未利用地分别减少了31 570和1 259 hm2。2003—2013年，居民地面积增加了57 912 hm2；耕地和未利用地面积持续减少，其中耕地共减少61 577 hm2。2009—2013年居民地的动态度大于2003—2009年的。

2) 选取分形维数、多样性指数、破碎度指数对研究区进行景观格局度量和分析。居民地和水域分形维数先增加后减少，形状变得规则。耕地一直在减少，形状越来越规则。林地和未利用地均为先减少后增加，形状先变简单然后变得复杂。景观多样性指数呈递增趋势。景观类型中耕地和未利用地破碎度指数呈上升趋势，居民地破碎度指数呈下降趋势，水域和林地均为先减少后增加。

3) 以铁路为中心按间隔1 km做了20个缓冲区，可以反映出距离铁路不同距离区域的土地利用变化。总体上，离铁路距离越近的缓冲区，土地利用的变化幅度越大，反之亦然。2003—2009年，居民地在6 km缓冲区变化量最大，耕地在9 km缓冲区变化量最大；2003—2013年，居民地和耕地在9 km缓冲区变化量最大。通过分析京津城际铁路2003—2009年缓冲区居民地、耕地的动态度与距离的关系，得出城际铁路对两种土地利用类型的轴状影响。说明城际高铁对土地利用是一种线性切割过程，建成前后沿线不同缓冲区范围内土地利用变化量不同，随着缓冲距离增加，对居民地这种土地利用类型变化影响逐渐减小。

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Effect of High-Speed Railway on the Spatial-Temporal Changes of Surrounding Area Land Use

Guo Qiaozhen1, Jiang Weiguo2, Wang Zhiheng1

(1. School of Geology & Geomatics, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China;2. Key Laboratory of Environmental Change & Natural Disaster, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)

In order to gain the changes in land use induced by the construction of the high-speed railway, an analysis of temporal and spatial dynamic changes of land use along the Beijing-Tianjin intercity high-speed railway during the past 10 years was studied in global and local angle as an example. The analysis was based on RS and GIS technology, and three sets of remote sensing data from 2003, 2009, 2013 (TM and OLI) and railway vector data were used. First, the image was interpreted by layered extraction method to divide land use types into 5 categories including residential area, waters, farmland, forestland, and unused land. Then, the change amplitude, dynamic degree, fractal dimension, diversity and fragmentation degree of land use were analyzed in a global sense. Finally, 20 buffer areas with the radius of 1 km were established, and the dynamic change of land use in Tongzhou-Wuqing segment was analyzed locally, and the correlation between land use variation and the buffer area was analyzed.The results showed that the main land use type was farmland in the ambitus of the Beijing-Tianjin intercity high-speed railway. The number of the farmland decreased from 2003 to 2013, and the shape became more regularly. However, the residential area increased continuously.Its dynamic degree raised from 2009 to 2013 compared with the period from 2003 to 2009, and its fragmentation degreewas in a decline trend. The landscape diversity index increased progressively. In general, the closer the distance between buffer area and railway was, the larger the change amplitude of land use was.

management engineering; high-speed railway; remote sensing; spatial-temporal change; land use

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.04.26

2013-12-23；

2014-04-09

天津市自然科学基金项目(13JCQNJC08600)

国巧真(1979—)，女，河北武邑人，副教授，博士，硕士生导师，主要从事资源与环境遥感监测方面的研究。E-mail: gqiaozhen@tcu.edu.cn。

TP79；U29

A

1674-0696(2015)04-133-07