2000～2010年北京市地表覆盖变化分析

2017-10-17赵国庆蔡国印

地理信息世界 2017年1期

赵国庆，蔡国印,3

(1.北京建筑大学测绘与城市空间信息学院，北京 102616；2.现代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室，北京 102616；3.城市空间信息工程北京市重点实验室，北京 100038)

0 引言

改革开放以来，北京进入了一个经济飞速发展，人口高速增长的过程，城市化进程明显加快。北京市地表覆盖变化以城市化为主，土地利用类型之间转化明显。国内很多专家学者对北京市地表覆盖变化进行了相关研究。何英彬等从景观、经济和生态三方面出发，结合土地利用类型多样化程度指数等指标，对北京市土地利用空间结构进行了阐述[1]。刘旭采用多元线性回归、主成分分析等方法，建立了北京市地表覆盖变化的生态环境响应评价指标体系[2]。唐秀美等根据现有的国内外土地利用分类体系，阐述了当前分类体系与生态保护之间的矛盾，继而提出了土地利用生态分类[3]。但是，这些研究因数据的局限，所得结果分辨率较低，已无法满足地表覆盖变化研究对高时空分辨率的需求。

2014年，中国成功研制出了2000年和2010年两期30 m分辨率全球地表覆盖遥感制图数据产品（GlobeLand30），为研究地表覆盖提供了更为科学，更为准确的依据[4]。本文利用GlobeLand30产品，从北京市地表覆盖的空间分布、变化幅度、区域差异等角度，对其变化进行定性与定量的分析，为北京市生态环境保护等工作提供更为科学的信息。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域

北京市是中国的首都，地处华北平原的西北边缘，是全国的政治中心、文化中心和国际交往的枢纽。北京市总面积为16386 km2，共分为首都功能核心区、城市功能拓展区、城市发展新区、生态涵养发展区等4个功能区[5]。全市共划分14区、2县共16个行政区。2014年底，北京市常住人口达2 151.6万人，其中包括常住外来人口818.7万人[6]。本文为叙述简便，将东城区、西城区等6个区统称为北京市区，如图1所示。

图1 研究区范围及行政区划图Fig.1 Location and administrative division of the study area

1.2 研究数据与方法

本文所用的数据主要为2000年与2010年两个基准年的GlobeLand30数据，包括耕地、草地、林地、人造地表、水体、裸地、湿地、灌木林、苔原与冰川共10种地类[7]，因北京市海拔较低且位于中纬度地区，不存在苔原与冰川地貌，故本文选取前8种地类作为研究对象。另外利用中国行政区划矢量数据作为辅助数据。

本文通过统计地表覆盖类型的面积变化、变化率等数据，研究北京市地表覆盖的空间格局和动态变化，具体流程如图2所示。其中空间格局是利用GlobeLand30提取2000～2010年北京市地表覆盖变化情况，然后将其与行政区划相叠加，并根据相关资料，对地表覆盖变化的空间格局进行分析；最后通过转移矩阵对地表覆盖类型之间的相互转化情况进行描述。

图2 地表覆盖变化分析基本思路图Fig.2 The basic idea for land cover change analysis

2 结果分析

2.1 总体分布格局及变化

2.1.1 总体分布格局

对2010年北京市地表覆盖每个地类面积、覆盖比例和其空间分布进行统计如下（见表1、图3所示）。从表1看出，北京市林地面积约为7 345 km2，占全市面积比例最高，为44.81%，主要分布在北京市的西部和北部山区，如图3所示。耕地面积约为5 365 km2，所占面积比例约为32.73%，仅次于林地的比重。耕地主要分布在北京市中部和东南部平原地区，该地区地势较为平坦，土壤条件较好，农业发展较好。人造地表分布集中，主要分布在北京市区及其周边，面积约为2 239 km2，占全区总面积的13.66%。

表1 2010年北京市地表覆盖各地类面积及比例Tab.1 The areas and proportions for diあerent land cover types in Beijing in 2010

图3 2010年北京市地表覆盖总空间分布图Fig.3 The land cover distribution in Beijing in 2010

2.1.2 变化幅度

通过对地表覆盖变化量和变化率的分析，可以得出地表覆盖面积和结构变化的总趋势[8]。对北京市2000年与2010年地表覆盖面积统计见表2，对其幅度变化特征进行分析。从表2看出，2000～2010年，北京市地表覆盖变化较大。如图4所示，图4(a)～图4(e)为2000～2010年地表覆盖变化显著区域的示例图，包含某地区2000年与2010年的地表覆盖数据，以及与其相对应的Landsat影像图。各主要地物变化特征如下：

1）草地、耕地和水体呈大幅度减少态势。由表2可得，减少幅度最大的地类是水体，10年间缩减了103 km2，变化率达40.52%。草地的缩减率仅次于水体，由2000年的1 697.98 km2减少到1 280.16 km2，缩减了24.61%。耕地10年间净缩减320.60 km2，但其缩减率仅为5.64%，这是由于耕地总面积较大，变化部分所占比例较小，使其缩减率较小。

2）人造地表呈快速增加态势。与草地、耕地的减少态势相反，2000～2010年间人造地表由原来的1 588.58 km2增长到2 239.66 km2，增长率高达40.98%。

3）森林增加幅度较小。2000年与2010年北京市森林面积均维持在7 000 km2以上，且10年间森林的面积增长了190.63 km2，增长率为2.66%。

其他地类中，裸地与灌木地变化面积较小，裸地10年的增长率为33.19%，但仅增加了0.060 4 km2，而灌木地面积10年间基本未变。湿地呈小幅增加态势，增加了0.362 km2。

表2 2000～2010年北京市地表覆盖面积变化量与变化率Tab.2 The change analysis of diあerent land cover types in Beijing,2000-2010

图4 2000～2010年北京市地表覆盖变化示例Fig.4 Case studies of land cover change in Beijing,2000- 2010

2.1.3 区域差异

对北京市各区县的地表覆盖变化（如图5、图6所示）分析发现，北京市地表覆盖变化具有明显的区域差异性。

图5 2000～2010年北京市各区县地表覆盖面积变化量Fig.5 Area changes in diあerent counties of Beijing,2000～2010

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

1）耕地变化剧烈地区集中在北京市东南方向近郊地区，大兴区和通州区内。北京市区、大兴和通州10年间耕地面积减少418.43 km2，而北京市共减少了320.60 km2。由图6看出，人造地表的增加与耕地的减少主要集中在北京市区与大兴、通州交界处，延庆、平谷等地区有部分草地转化为耕地，其他耕地变化区域呈零散分布。

2）北京市区、大兴区和通州区等人造地表增加幅度较大，共增加了398.275 4 km2，占人造地表增加总面积的61.17%。由图6看出，大兴区和通州区内的近郊区域，人造地表变化尤为剧烈，顺义、昌平两区内部分草地转化为人造地表。其他地区人造地表变化以零散变化为主。

3）北京市森林变化幅度较小。变化幅度较大区域集中在北京市区和密云区。由图6看出，北京市区内部分耕地转变为林地，同时西部与门头沟交界处有林地转变为人造地表，北京市区内林地变化呈环状分布，主要分布在北京近郊区域。密云林地面积增加最多，共增加了130.99 km2。密云区林地变化区域主要集中在密云水库附近，由图6看出，密云区林地增加的途径主要为草地转变为林地、水体转变为林地和耕地转变为林地。

4）北京市草地分布比较零散，主要分布在北部和西部山区的林地边缘。草地的主要转化方向是耕地、人造地表和林地。由图6可知，草地转化为人造地表的范围比较集中，主要集中在北京、昌平和顺义三区交界处。草地转化为耕地的区域为不规则分布，且转化面积较大。

综上所述，北京市地表覆盖的区域差异性较为明显，其中变化最为显著的为北京市区周边近郊区域，呈环状分布，且地势平坦区域地表覆盖变动较大，山区变化较小。

2.2 地表覆盖类型变化的主要原因

地表覆盖变化受多种因素综合作用，同时受经济、人口、政策等多重制约。表3是根据转移矩阵得到的2000～2010年北京市地表覆盖类型相互转化的转化率，通过表3，结合实际我们能够得到以下结论。

2.2.1 经济增长是人造地表增加的最主要因素

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

改革开放以来，北京进入经济发展的黄金阶段。经济飞速发展的同时，随之而来的则是城市的建设。一方面，经济的飞速发展使得城市周围更多的土地投入到城市建设中去，另一方面，经济的飞速发展也为城市建设提供了资金保障，使得其土地利用更趋于合理化。由表3看出，2000～2010年北京市人造地表面积增加了40.98%，是所有人造地表类别中增加比例最大的一类。同时，城市建设用地效益提高，反哺经济发展，进一步推动经济向更好的方向发展。而通过“统计产品与服务解决方案”软件（SPSS软件）分析，北京市人造地表面积与地区生产总值相关系数为0.949，这也显示了人造地表面积的增加与经济增长呈高度的正相关关系[9]。这些充分说明了经济增长是人造地表增加最重要、最根本的原因。

2.2.2 政策法规是地表覆盖变化呈现区域性变化的重要因素

北京市近年来地表覆盖的迅速变化，与国家相关政策、经济发展需求等息息相关。1994年颁布的《北京城市总体规划（1991年-2010年）》中指出，未来北京城市建设的重点逐步向远郊区战略转移，大力发展远郊城镇。东部和南部平原地区，依靠便利的交通，成为北京城市发展的主要方向。而昌平、怀柔、密云等北京北部等区，则大力发展工业、建材业，积极拓展工业用地[10]。

2004年1月份编制的《北京城市总体规划（2004年-2020年）》中指出，北京市域范围内，城市空间结构将构建为“两轴—两带—多中心”，同时构建中心城—新城—镇的市域城镇结构[11]。两带包括“东部发展带”与“西部发展带”。东部发展带包括通州、顺义、亦庄、怀柔、密云和平谷，其余县区（不包括北京市区）属于西部发展带。同时将北京分为4个次区域，分别是中心城次区域、东部次区域、西部次区域和山区次区域。东西部次区域为东西部发展带除去山区的平原地带，山区次区域则为北京市域内山区地带。东部次区域主要发展第二产业。西部次区域是城市未来重要发展地区，主要发展生态友好型产业。山区次区域维护生态环境，致力于生态恢复。这解释了人造地表变化呈现区域化的原因，同时也解释了表3中森林面积呈现增长态势的原因。

2.2.3 人口增长是地表覆盖变化的重要原因

人口的急剧增长也是地表覆盖变化的重要原因之一。自2000年至2010年，北京的常住人口由1 363.6万增加到了1 961.9万，增加了43.98%[12]。常住人口的增加一方面意味着需要更多的就业岗位，即需要相关产业的不断拓展；另一方面，常住人口的增加也意味着住房需求的增加，以及各种配套设施的增加，使得建筑用地随着人口的增加而不断增加。所以，人口的增加也是北京市地表覆盖变化的一个重要原因。

2.2.4 地形是制约地表覆盖变化的重要因素

利用北京市30 m分辨率的DEM，在ArcScene中绘制出北京市三维地形图，如图7所示。由图7可清晰看出，北京市地势西高东低、北高南低，西部北部为山地，其余地方为平原地带。由于西部与北部山地的制约，使得北京市耕地与人造地表覆盖的变化主要集中在“北京小平原”地带[13]，而山地地区的主要地表覆盖变化为林地与草地的变化。