北京市1990年_2000年土地利用变化机制分析_张有全

的速度, 它对比较土地利用变化的区域差异和预测 未来土地利用变化趋势都具有积极的作用[ 4] 。单一
土地利用动态度的计算。单一土地利用类型动态度
可表达区域一定时间范围内某种土地利用类型的数
量变化情况, 公式表达为:
K=
Ub Ua @
Ua T
@
100%
( 1)
式中: Ua 、Ub 分别为研究期初及研究期末某种土地
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资源科学
29 卷第 3 期
大幅度增加; ½ 坑 塘水面面积有 所扩大, 增 加了 11 423 hm2。上述结果表明, 人口增长、均居住条件的 改善、城市化的发展以及农业结构调整是该区土地 利用变化的主要动因。
表 1 20 世纪 90 年代北京市土地利用变化分类面积 Table 1 The area of classified land-use change in Beijing in the 1990s
形维数。D 值在 1~ 2 之间, D 值越大表示图形形
状越复杂。当 D< 115 时, 说明图形趋向于简单; 当
D = 115 时, 表示图形处于布朗随机运动状态, 越接 近该值, 稳定性越差; 当 D> 115 时, 则图形更为复
杂。因此, 在假定城市面积随时间不断增加的前提
下, 如果城市形态不规则的程度值增加, 则说明在这
密云县 怀柔区 延庆县 昌平区 顺义区 平谷区 海淀区 西城区 东城区 宣武区 崇文区 石景山区 丰台区 朝阳区 门头沟区 房山区 通州区 大兴区
( 1. 中国科学院东北地理与农业生态研究所, 长春 130012; 2. 中国科学院研究生院, 北京 3. 资源环境与地理信息系统北京市重点实验室, 北京 100037)
100049;
摘 要: 根据 1990 年、1995 年和 2000 年 3 期影像资料, 运用遥感平台获取了北京 地区 90 年代的 土地利用变 化 时空 数据, 结合历史气象数据、水文数据及其它空间、属性数据, 运用 GIS 空间分析方 法及数理 统计方法, 全面分 析 了北京市 1990 年~ 2000 年 间土地利 用变化的空 间特征及 其驱动力。揭 示该区各类 土地利用数 量变化的 幅度、速 度和 区域差异。针对变化幅度最大的城镇用地运用 空间重 心转移 模型、分形模 型分析 90 年代北 京城镇 用地扩 张 的空间变化特征和 区域方向。 研究结果表 明: 北 京地区 1990 年 ~ 2000 年间土 地利用变化 的主要方向 为城乡居 住 建设 用地不断扩张, 林地与耕地变化类型占土地 利用图斑总 数的 515% 以上。 全区耕 地面积减 少93 749hm2 , 林地、 园地 面积增加了12 106 hm2 , 居民点等建设用地面积大幅 度增加77 674 hm2; 北京地 区 10 年来土地 利用年 变化速 度 达到 01 95% 。耕地以平均每年 1160% 的速度减少; 城镇建 设用地和 水域面 积年变 化率分 别达到 51 28% 和 2186% ; 1990 年~ 1995 年间城镇用地重心转移方向为西北, 1995 年~ 2000 年城镇 用地重心 转移为东 南方向, 城镇 用地空 间 形态不规则程度逐渐降低; 通过对影响城市用地 扩展的城市人口、GDP 因子的偏相 关分析发现, 经济 的发展是城 市 用地 扩展的根本驱动力, 第三产业的发展是土地利用多样 化转变的外在驱动力, 交 通条件、环境条件 及前期土地 利 用方式是这一转变的主要内在影响因素。
用土 地等 6 个一级类 型, 22 类二级 类型。在 利用 ArcGIS 软件对图形数据进行空间叠置分析过程中, 采用二级土地分类系统。而对分析结果进行统计处
理时, 考虑到采用二级分类系统数据过于庞杂, 故采 用分类系统中的一级类型。分析数据还用到了 1B5 万交通图、1990 年~ 2000 年间北京市社会经济统计 数据、气象数据、水利数据。
一时期城市地域以外部扩展为主; 如果城市形态的 不规则程度值下降, 则说明城市地域面积的增加是 以建成区边缘间的填充为主[ 13] 。
3 北京地区土地利用的数量变化
311 土地利用变化的幅度
区域土地利用变化包括土地利用类型的面积变
化、空间变化和质量变化。面积变化首先反映在不
同类型的总量变化上, 通过分析土地利用类型的总
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张有全等: 北京市 1990 年~ 2000 年土地利用变化机制分析
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2 研究方法
在 GIS 环境下, 针对解译好的 1990 年、1995 年
和 2000 年 3 期土地利用数据进行空间叠置分析, 获
得土地利用变化的空间与属性数据。在此基础上, 进行土地利用变化的动态分析。运用 GIS 空间分析
大, 年变化率分 别达 5128% 和 2186% ; 耕地由 于总 量较大, 土地利用变化的部分所占比例较小, 年变化 率只有 116% 。上述结果忽略了土地利用变化的内 在过程, 只反映出土地利用数量上的变化速度。
表 2 北京市分区各类土地利用相对变化率
Table 2 The relative change rate of classified land-use in different parts of the region
的变化可以分析城市的生长过程, 揭示其演化的规
律。通过空间的分形维数来分析城市边界形态动态
变化, 它是一个面积与周长的关系[13] , 公式如下:
lnA ( t ) =
2 D
@
lnP( t) +
C
( 5)
式中: A ( t ) 代表 t 时期城镇建设用地面积; P ( t ) 为 t 时期城镇建设用地边缘周 长; C 为截距, D 为分
29 卷第 3 期 2007 年 5 月
文章编号: 1007- 7588( 2007) 03- 0206- 08
资源科学 RESOURCES SCIENCE
Vol. 29, No. 3 May, 2007
北京市 1990 年~ 2000 年土地利用变化机制分析
张有全1, 2, 宫辉力3, 赵文吉3 , 李小娟3
象, 研究城市的边界形态、结构、生长、交通和演化机 制等问题[5, 7~ 12] 。国内的研究主要包括城市结构分 形研究[ 5, 12] 、城市土地利用分形研究等。研究表明, 分形模型适合于城市空间形态与空间过程研究, 有
助于寻找适合多准则优化空间结构, 弥补传统城市
模型的不足。城市形态的变化, 是城市发展过程中 空间布局和结构变化的综合反映。从城市空间形态
( hm2, % )
11 年间 年变
1 990
19 95
20 00
面积变化 化率
耕地 林地 草地 水域 城乡工矿居民地 未利用土地
585 270 727 895 136 141
39 960 147 000
115
451 177 776 189 127 997 59 005 220 131
1 870
பைடு நூலகம்491 521 740 002 129 303 51 384 224 674
利用类型的数量; T 为研究时段长。当 T 设定为年
时, K 为研究时段内某种土地利用类型的年变化率。 212 土地利用类型相对变化率
引入单一土地利用类型相对变化率来反映土地
利用数量变化的区域差异。区域某一特定土地利用
类型相对变化率可表示为:
R=
| K b - Ka | @ Ca K a @| Cb - Ca |
( 3)
i= 1
i= 1
n
n
E E Yt =
( Cti @ Yi )P Cti
( 4)
i= 1
i=1
式中: Xt 、Yt 分别表示第t 年某种土地利用类型分布
重心的坐标; Cti 表示第 i 个小区域该种土地资源的
面积; Xi 、Yi 分别表示第 i 个小 区域几何中心的坐
标; n 表示研究区内小区域的总个数。通过比较研
调查数据为基础, 利用遥感和地理信息系统方法, 结 合统计分析, 揭示北京地区 1990 年~ 2000 年间土地 利用的数量变化和空间变化特征, 明确其变化的主 要类型和区域方向, 为该区土地管理决策、生态环境 保护以及进一步深入研究奠定基础。
1 研究区概况及资料来源
111 研究区概况 北京地 理坐标为 115b25c~ 117b35cE、39b28c~
究期初和研究期末各种土地利用类型的分布重心, 可 以得到研究时段内土地利用类型的空间变化规律[ 4] 。
214 分形特征模型
美国 数学家 B1B1Mandelbrot 于 1975 年 提出分
形的概念, 在解释自然界中那些不规则、不稳定和具
有高度复杂 结构 的现象 方面, 可以 收到 显著 的效 果[ 5, 6] 。国外的城市分形研究主要以城市个体为对
关键词: 遥感; 北京; GIS; 数理统计; 土地利用; 分形模型
土地是人类赖以生存和发展的最基本的自然资 源, 是人类生存和发展的物质基础[ 1] 。土地利用和 土地覆盖变化( LUCC) 研究在全球气候变化、食物安 全、土壤退化和生物多样性等关键问题研究中越来 越发挥着重要的作用[ 2, 3] 。区域土地利用变化研究 是全球变化研究的重要领域。本文以土地资源遥感
41b05cN, 位于华 北平原的西北部, 地处蒙古 高原与 华北平原交接带, 地形西北高, 东南 低, 东北部、北 部、西部三面环山。山区多属中高山地形, 并有延庆 盆地镶嵌于北部山区之中, 东北、南边与松辽大平原
和黄淮海平原相通。全市 18 个区县总面积 168108 @ 104 hm2 , 其中山区面积 104118 @ 104 hm2 , 占 62% , 平原面积 63190 @ 104 hm2 , 占 38% , 人口1 536 @ 104 ( 2005 年) 。 112 研究数据
土地利用变化数据利用 1990 年、1995 年和 2000 年 3 期 Landsat TM 数字遥感影像作为基本信息源。 数据处理以北京市 1B5 万、1B1 万地形图、DEM 为参 考, 采用目视解译结合野外实测调查方法提取土地 利用变化信息。根据土地的利用方式属性, 将其分 为耕地、林地、草地、水域、城乡居住建设用地、未利
方法及数理统计方法, 分析土地利用变化的空间特
征及其驱动力。揭示该区各类土地利用数量变化的
幅度、速度和区域差异。针对变化幅度最大的城镇
用地, 运用空间重心转移 模型、分形模 型分析 1990
年~ 2000 年间北京城镇用地扩张的空间变化特征 和区域方向。
211 土地利用变化的速度
土地利用动态度可定量描述区域土地利用变化
115
- 93 749 12 106 - 6 838 11 423 77 674 -1
- 160 17
- 50 286 528 -5
312 土地利用变化的速度 根据式( 1) 计算出北京地区土地利用 6 种类型
的年变化率( 表 2) 。结果说明, 北京地区 10 年来土 地利用变化速度很快, 年均变化速 度达 0195% , 其 中以城乡居住建设用地和水域 面积的变化速 度最
量变化, 可了解土地利用变化总的态势和土地利用
结构的变化。
利用上述资料, 对北京地区 3 期土地利用图形
数据分别进行统计分析, 得出表 1 的结果。可以看 出: ¹ 11 年来该 地区 耕地 面积减 少93 749 hm2; º 林地总面积增加了12 106 hm2, 其中果园等园地面 积大幅度增加, 增加了45 334 hm2; » 草地面积有 所减少, 减少6 838 hm2; ¼居民点等建设用地面积
( 2)
式中: K a 、Kb 分别为区域某特定土地利用类型研究
期初及研究期末的面积; Ca 、Cb 分别代表研究区某
特定土地利用类型研究期初及研究期末的面积。
213 土地利用空间变化模型 可以用土地利用类型重心变化情况来反映。第
t 年某种土地利用类型分布重心坐标计算方法为:
n
n
E E Xt =
( Cti @ X i ) P Cti
收稿日期: 2006- 09- 02; 修订日期: 2007- 01- 10 基金项目: 北京市教委科技重点项目、北京市西山、北山矿山地质环境调查及生态修复研究( 编号: 05531830) 。 作者简介: 张有全, 男, 黑龙江富锦人, 博士生, 研究方向为地理信息系统、遥感应用。 E-mail: xiaohei1361@ tom. com; Tel: 13488685116。