吕桂军， 李英成， 白洁， 赵雅莉

(1.中测新图(北京)遥感技术有限责任公司，北京 100039；2.河南理工大学矿山空间信息技术国家测绘局重点实验室,焦作 454003；3.中国测绘科学研究院，北京 100039)

基于时序Landsat数据的地理国情监测方法初探

吕桂军1，2， 李英成1，3， 白洁1， 赵雅莉1

(1.中测新图(北京)遥感技术有限责任公司，北京 100039；2.河南理工大学矿山空间信息技术国家测绘局重点实验室,焦作 454003；3.中国测绘科学研究院，北京 100039)

为全面掌握地表自然和人文地理国情信息，基于北京市海淀区1986—2010年间8个不同时相的Landsat数据，分析了海淀区资源与环境要素的时空变化特点，讨论了其中的驱动因素。结果表明：在1986—2010年间，耕地面积减少了45.7%，建设用地面积增加了38.95%，林、草地面积增加了23.44%，水体和其他用地面积变化不明显；城市范围向西、向北方向扩展，在西北旺地区表现得尤为明显；城市质心向西北方向偏移；城市紧凑度逐渐减小，分形指数逐渐增大，反映出城市饱和程度降低，城市边界逐步复杂化，综合土地利用动态度呈先减小后增大的趋势。因此认为，人口的增长、经济的发展、基础设施的建设以及政策法规的制定等，都促进了北京市海淀区资源与环境要素的变化。

长时间序列；地理国情监测；指标体系；时空变化；驱动因素

0 引言

改革开放30多a以来，我国社会经济有了突飞猛进的发展，但伴随而来的生态环境问题也逐渐突显。及时了解地表覆盖、生态环境信息变化是社会经济可持续发展的前提。地理国情监测是以3S技术和其他测绘方法为基本手段，获取国家自然、经济、人文的动态变化信息并分析其变化的合理性与驱动力，从而对将来的趋势进行预测，并以多种形式反映各类资源、环境、生态、经济要素的空间分布及其发展变化规律，通过多种渠道报告地理空间、人文、社会、经济的动态变化和实时状态，为公众和决策部门提供必要的信息支持[1]。陆地卫星(Landsat)系列自1972年发射以来，以其中等空间分辨率、多光谱，以及长达40多a的长时间序列特征，在农业、林业、水体等一系列区域监测研究中发挥了重要作用，弥补了高分辨率遥感数据因拘泥于局部细节而较难保证监测系统性的不足。史培军[2]、何春阳[3]、牟风云[4]、王浩[5]等一些学者基于长时间序列Landsat影像，利用不同的研究方法对土地利用变化、城市扩展等单一专题做了动态监测研究，分析了专题要素的变化特征及规律。

北京市海淀区作为北京市主体功能区中的城市功能拓展区，其发展的重点之一就是加快城市化进程，加大对城乡结合部的环境整治力度，加强绿地等生态环境建设，维护城市的绿色生态空间。因此，对海淀区地理要素进行连续动态监测具有十分重要的意义。本文利用长时间序列Landsat影像，基于海淀区的土地利用分类结果，构建了适用于中等分辨率遥感影像的地理国情监测指标体系，并在此基础上对海淀区1986—2010年间自然地理要素的变化特征及规律进行了研究，从多个角度对影响其发展变化的驱动力进行了分析，为制定科学、合理的土地利用及城市发展规划提供参考。

1 监测区概况及数据介绍

1.1 监测区概况

海淀区位于北京城区西北部[6]，地理坐标为E116°03′～116°23′，N39°53′～40°09′。全区面积430.8 km2，约占北京市总面积的2.53%。海淀区地处华北平原的北部，地势西高东低，西部为海拔100 m以上的山地，最高海拔达到1 261 m，东部和南部的平原地区海拔为50 m左右(图1)。

(a) 20001031 TM5(R)4(G)3(B) (b) DEM图 (c) 坡度信息图假彩色合成图像

图1 北京市海淀区地理位置及高程、坡度信息

Fig.1 Location and distribution of DEM/slope of Haidian District,Beijing

1.2 数据源

本研究选取了海淀区1986—2010年间8景TM数据，成像日期分别为1986年10月25日、1989年10月17日、1992年10月25日、1995年10月18日、2000年10月31日、2004年10月26日、2007年5月28日和2010年11月28日。

2 研究方法

2.1 土地利用分类体系的制定

根据地理国情监测的研究目的、TM影像时空分辨率和北京地区土地利用特点，参照《中国科学院土地利用遥感监测分类系统》[7]、美国USGS基于TM数据定义的土地利用分类体系[8]，将土地利用分类体系划分为耕地、林地、草地、建设用地、水体和其他用地等6种类型。

2.2 监测指标体系的建立

基于土地利用分类结果，本文构建了涵盖资源类和环境类的地理国情监测指标体系，对研究区的自然地理国情要素进行系统、连续的动态监测。

1) 资源类指标。资源类指标包括了不同土地利用类型的面积和占地比例，以及不同高程带、不同坡度带[9]上6种地类的分布比例。

2)环境类指标。环境类指标主要包括植被覆盖度、城市边界范围[10](本文卷积核为69像元×69像元，阈值为51%)、建设用地扩展速率与扩展强度[11]、城市紧凑度与分形指数[12-13]以及综合土地利用动态度[14]。

3 结果分析

3.1 资源类指标的监测结果

3.1.1 土地利用类型时空变化特征

采用本研究制定的土地利用分类体系，对8个时相的Landsat影像进行土地利用分类，得到的结果如图2所示(本文将林地和草地并为一项分析)。

图2 1986—2010年海淀区土地利用类型比例变化Fig.2 Variation of different landuse type ratios from 1986 to 2010,Haidian District

1)耕地面积明显减少。耕地占地比例由1986年的38.32%减少到2010年的20.81%。减少的耕地主要流向了建设用地。在海淀区西部的四季青地区、北部的马连洼和西北旺地区表现得比较明显。其中，1989—2000年间，耕地面积减少趋势较为明显，占地比例由31.93%下降到24.59%；2000年之后则变化较为平缓。

2)林、草地面积逐渐增加。林、草地占地比例呈先减再逐渐增加的趋势：1986—1989年间，西部山边地段因开垦水田而造成林、草地面积减少；1992—1995年间，林、草地面积变化不大；1995—2000年间，在政府大力提倡的“退耕还林、植树造林”政策带动下，林、草地面积有所增加；2000年以后，随着城市的逐渐扩张，为保障城市的生态环境质量，城区内绿化用地随之增加，林、草地面积也随之缓慢增加。

3)建设用地面积显著增加。建设用地占地比例由1986年的33.08%增加到2010年的45.96%。建设用地的增加来源于耕地，主要集中在城市北部的上地、清河、西北旺地区以及西部的四季青地区。

4)水体和其他用地面积没有明显变化。海淀区内的水体主要分布在颐和园、圆明园、玉渊潭公园、京密引水渠和南沙河流域等，占地比例1.50%左右。其他用地主要是西部山上的裸地和平原地区推平未建的区域，占地比例基本都在1.00%以内。

3.1.2 不同地势上土地利用类型的时空分布特征

3.1.2.1 不同高程上的分布特征

海淀区的地势西高东低，在不同高程带上，各地类呈现出不同的变化趋势(图3)。在高程小于50 m的平原地区，以耕地和建设用地为主，占地比例均在30%以上，且二者呈现出此消彼长的变化特征；林、草地面积增加较缓，在10%～20%之间变动；水体和其他用地面积变化不明显。在高程为50～100 m的山脚区域和部分城区，仍以耕地和建设用地为主，但耕地面积逐渐减少，建设用地面积逐渐增加，两者的增减速度在不同年份有所不同。林、草地在1989—1992年间增长较快，1992年之后变化不明显，保持在20%左右；水体和其他用地的占地比例均在1%左右。在高程为100～200 m的山麓地区，各地类面积的变化呈现上下浮动的特点，在此高程带上，林、草地已成为主要地类，占地比例达到了70%以上。在200 m以上的高程范围内，几乎全部为林、草地，且不同监测时段内林、草地面积变化不大。

(a) [0,50)m(b) [50,100)m(c) [100,200)m (d) [200,1 500)m

图3 1986—2010年海淀区不同高程带上土地利用类型占地比例变化

Fig.3 Variation of different landuse type ratios in different DEM from 1986 to 2010,Haidian District

3.1.2.2 不同坡度上的分布特征

在不同坡度带上，各地类也呈现出不同的变化趋势(图4)。随着坡度值的不断增加，耕地、建设用地、水体和其他用地面积逐渐减少，林、草地面积逐渐增加。在0～5°坡度范围内，主要地类为耕地和建设用地：耕地面积逐渐减少，建设用地面积逐渐增加，两者变化速度较为均匀；林、草地面积逐渐增加，但增加速度不大，在2000年之后，林、草地面积趋于稳定；水体和其他用地面积变化不明显，占地比例均在2%以下。在5～8°坡度范围内，地类主要为建设用地、耕地以及林、草地。建设用地面积仍以较均匀的速度增加，占地比例在30%以上；耕地面积上下波动但呈减少趋势，占地比例下降到了10%以下；林、草地面积逐渐增加，在1989—1992年增加较为明显，其他年份变化速度较小，在这一坡度范围内，林、草地的主导地位已凸显，占地比例基本都在30%以上。在8～15°坡度范围内，主要地类为林、草地，其占地比例由67.15%增加到了90.10%，呈现出先增加后减少的变化趋势。其他各地类占地比例均在20%以下，耕地面积有所减少，建设用地面积先减后增。坡度在15°以上时，几乎全部为林、草地。

(a) [0°,2°) (b) [2°,3°) (c) [3°,5°)(d) [5°,6°)

(e) [6°,8°) (f) [8°,10°)(g) [10°,15°) (h) ≥15°

图4 1986—2010年海淀区不同坡度带上土地利用类型占地比例变化

Fig.4 Variation of different landuse type ratios in different slop from 1986 to 2010,Haidian District

3.2 环境类指标的监测结果

3.2.1 植被覆盖度

本文的植被覆盖度是按照耕地和林、草地的总面积占研究区域总面积的比例来计算的。就研究区而言，耕地占地比例对植被覆盖度的影响较大。 1986—2010年间，植被覆盖率呈持续降低的趋势，由1986年的63.78%减小到2010年的52.24%。

3.2.2 城市边界范围

1986—2010年间的城市边界范围如图5所示。

在1986—1989年、1989—1992年和1992—1995年3个时期内，海淀区主要以“外延式”的方式向东北部的东升、清河、西三旗地区扩展；1995—2000年间，在西部和西南部四季青地区略有扩展，西北部则外延到马连洼、上地和青龙桥地区；2000—2004年间，呈现出了“外延式”和“填充式”的扩展，“外延式”扩展主要表现在四季青地区，“填充式”扩展则在青龙桥地区较为明显；2004—2007年、2007—2010年2个时期，主要以“外延式”扩展，前一时期的扩展主要在四季青地区，逐渐到达香山地区，后一时期的扩展范围较大，由原来的马连洼地区扩展到了西北旺地区。城市质心也随着城市范围的变化向西北方向移动。

3.2.3 建设用地扩展速率与扩展强度

从图6可以看出，在不同监测时段，海淀区建设用地的扩展速率与扩展强度呈现正相关性。其中，1986—1989年、1992—1995年是城市的快速发展时期，建设用地扩展较为强烈，扩展速率与扩展强度都在一个较高水平，扩展速率接近4.7 km2/a，扩展强度接近3%。1989—1992年，2000—2004年2个时段内，建设用地的扩展速率与扩展强度较低，扩展速率在0.1～0.5 km2/a之间，扩展强度在0.1%～0.8%之间，其原因是这期间建设用地面积增加较少。1995—2004年之间，两者均逐渐下降。2004—2010年间，由于经济快速增长，城市建设加强，建设用地快速增加，建设用地扩展速率和扩展强度再次增加。

图6 1986—2010年海淀区建设用地扩展速率与扩展强度变化Fig.6 Variation of build-up land extension speed and extension strength from 1986 to 2010,Haidian District

3.2.4 城市紧凑度与分形指数

1986—1989年间，城市紧凑度逐渐增加，分形指数逐渐下降，在1989年，二者均达到了整个监测时段的极值点(图7)，说明这期间城市的饱和程度较高，城市边界较为规整。1992—2007年间，城市紧凑度在0.41～0.46区间波动，分形指数变化不明显，在1.08左右波动，此时城市的饱和程度较好，城市的扩展较为均衡，没有出现向某一方向的突出增长。2010年，城市紧凑度下降，分形指数增加，城市边界较不规则。结合城市范围的扩展情况，这期间城市主要向北部的西北旺地区迅速扩展，但向西部的扩展不明显，导致城市边界不规则，紧凑度下降。

图7 1986—2010年间海淀区城市紧凑度

3.2.5 综合土地利用动态度

1986—2010年间,土地利用动态度大体呈现出先减小后增加的趋势(图8)。1986—1989年、1989—1992年、1992—1995年3个时期内，土地利用动态度变化较小(4%左右)，这时期，城市发展较快，为满足城市发展的需要，土地利用结构随之调整，由此造成的土地利用类型之间的转化较多；1995—2000年间，土地利用动态度明显减小，减小到2.5%，城市的发展进入了一个相对平稳的发展期，城市扩展速度放慢，土地利用类型之间的转化减少；进入21世纪，北京市的经济迅猛发展，第一、第二产业逐渐向第三产业转变，土地利用结构也相应变化，各土地利用地类之间的转化加强，综合土地利用动态度逐渐增加。

图8 1986—2010年间海淀区综合土地利用动态度变化Fig.8 Variation of comprehensive landuse dynamic degree from 1986 to 2010,Haidian District

4 驱动力分析

1)人口数量。城市是人口高度集聚的地区,人口的增长必然会对居住面积、公共设施及交通状况提出更高的要求，从而促使城市建设用地的增加和土地利用类型的变化。因此，城市人口增长及其对空间的需求是城市范围不断扩展和土地利用类型变化的主要驱动力之一[15-17]。1986—2010年间，海淀区人口数量的大量增加推动了住房、交通和公共设施用地的建设。

2)经济发展。经济发展是推进城市化进程的主要动力之一。经济的迅速发展加速了城市范围扩展的步伐[17]。近年来，海淀区经济发展直接推动了中关村科技园、上地信息产业基地以及永丰高科技产业基地的迅速崛起，各大中院校的扩建和大量居住园区的兴建，导致了建设用地的进一步扩展和土地利用类型的变化。

3)基础设施。交通设施是城市内部及其与外部进行人员和物质联系的重要条件，对城市的空间扩展具有指向性作用[13]。在海淀区内的主要交通路线除了四环路和五环路的建设拉动经济增长之外，地铁13号、10号、4号等线和京藏等高速公路的建设也带动了经济的发展。从城市建设用地的分布来看，沿交通轴线区域的土地利用类型变化明显高于其他地区的变化。

4)政策法规。政府对城市的定位与城市规划引导着城市的发展方向和发展模式，科学、合理的城市规划会反映出城市在规划时期内的发展方向[18-19]。北京市海淀区制定了土地利用规划、城市规划等多个规程；“十一五”时期，北京市政府将海淀区划定为城市功能拓展区，在大力发展科教事业的同时还要加强生态环境建设，这些政策的实施促进了土地利用结构的调整。

5 结论

本研究基于长时间序列的TM影像构建了适用于中等分辨率遥感影像的地理国情监测指标体系，并对北京市海淀区的资源与环境要素的变化特征及规律进行了动态监测，研究表明：

1)1986—2010年间，耕地面积减少了45.7%，建设用地面积增加了38.95%，林、草地面积增加了23.44%，水体和其他用地面积变化不明显。在不同的高程、坡度带上，各种地类的变化趋势不同。

2)城市建成区范围向西、向北方向扩展，在西北旺地区表现得尤为明显，建成区质心也随之向西北方向偏移；城市紧凑度的降低和分形指数的增加，表明城市饱和度减小，城市边界逐步复杂化。

3)综合土地利用动态度呈先减小后增大趋势，2007—2010年间土地利用变化程度尤为显著。

4)人口增长对海淀区上述资源与环境要素的变化具有显著的刺激作用；经济发展是资源与环境要素变化的主要动力之一；基础设施建设尤其是交通设施的建设对城市扩展具有指向性作用；政策法规的制定则决定了土地利用方式和城市发展的宏观格局和未来趋势。

本文基于长时间序列中等分辨率遥感影像构建的指标体系与监测技术有助于对资源与环境要素的变化趋势进行宏观监测，获取其时空变化特征和规律。今后，可进一步构建时空过程模型，预演地理要素及城市的未来发展趋势，为对社会、经济、政策、技术等因素在城市人类-环境系统中的影响及其作用机理评估提供更为有效的手段。

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(责任编辑：刁淑娟)

A tentative discussion on the geographical condition monitoring method based on long time series Landsat data

LYU Guijun1,2， LI Yingcheng1,3， BAI Jie1， ZHAO Yali1

(1.ChinaTopRSTechnologyCo.Ltd,Beijing100039,China; 2.MineSpatialInformationTechnologyKeyLaboratoryoftheStateBureauofSurveyingandMapping,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454003,China; 3.ChineseAcademyofSurveying&Mapping,Beijing100039,China)

To fully grasp the nature and human geography situation information and solve the problem of ecological environment,economic and social development of China,it is of great significance to monitor the resource and environment indexes. The authors studied the spatial and temporal distribution of resources and environment in Haidian District of Beijing from 1986 to 2010 with Landsat TM images. Meanwhile,the driving forces were analyzed. The results show that,from 1986 to 2010,farmland decreased by 45.7%,build-up land increased by 38.95%,forest and grass land increasd by 23.44%,and water and other land kept constant. Urban area extended westward and northward,especially in Xibeiwang area. The mass center of Haidian also moved to the northwest. The urban compactness decreased and the fractal index increased gradually,indicating that the city saturation degree was reduced,and the city boundary became complicated gradually. The comprehensive land use dynamic degree first decreased and then increased. Population growth,economic development,infrastructure construction and the formulation of policies and regulations all contributed to the changes of resources and environment.

long time series; geographical conditions monitoring; indicator system; temporal and spatial variation; driving force

2014-01-14；

2014-06-20

10.6046/gtzyyg.2015.02.20

吕桂军，李英成，白洁，等.基于时序Landsat数据的地理国情监测方法初探[J].国土资源遥感，2015,27(2):126-132.(Lyu G J,Li Y C,Bai J，et al.A tentative discussion on the geographical condition monitoring method based on long time series Landsat data[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(2)：126-132.)

TP 79

A

1001-070X(2015)02-0126-07

吕桂军(1987-)，女，硕士研究生，主要从事遥感与地理信息建模研究。Email：lvguijun0325@163.com。