北京师范大学环境学院，北京 100875

【摘要】利用遥感和GIS的技术手段，对1990年和2000年北京市的土地利用数据进行了景观格局指数计算及景观梯度分析和时空变化分析，从而得出了北京市10年间城市化过程中土地利用景观结构变化特征和城乡景观的梯度变化的时空特点。结果表明，1990年和2000年北京市景观以林地和耕地为主，城镇用地总面积大量增加，2000年其总面积和农村居民点景观面积差别很小，北京的城市化水平已经达到较高程度。城镇用地景观沿样带分布呈典型的“凸”字形，城镇用地比例随距离市中心距离的增大而逐渐减小，城市化过程在10年间继续向郊区推进，向北扩张强度大于向南。城区范围不断扩大，中心城区聚集性大幅度增大，城乡交错带的景观斑块密度增大，景观破碎程度加剧，是景观格局变化最剧烈的区域。利用景观格局指数在样带上的梯度分布和其随时间的变化来分析城市发展特点、模式是一种研究城市化过程的重要手段。

关键词：梯度分析；景观格局指数；时空动态变化；GIS；城市化；北京

中图分类号：X321文献标识码：A文章编号：1008-8873(2008)04-254-08

A gradient analysis of spatiotemporal changes of urban landscape pattern in Beijing metropolitan region by GIS

QUAN Quan TIAN Guang-jin

School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China

Abstract: From the gradient spatiotemporal landscape pattern analysis using the landscape metrics based on the 1990 and 2000 land use data of Beijing metropolitan region, we achieved the affirmative and informative conclusions on the characteristics of Beijing’s landscape structure change pattern and the land use spatiotemporal change pattern in the ten years. Forest and cultivated land were the most two dominant landscape types, but the urban land expanded largely from 1990 to 2000 and the total area of urban land was almost the same as rural settlement which indicated that the urbanization level of Beijing had reached to a high level. The urban land proportion decreased as the distance from the city center increased and urban areas expanded to the suburban areas in the ten years. The urbanization degree was higher to the north direction than to the south. The cultivated land area decreased in all blocks in the transects and the edge areas of the city were the most dynamic area and they were more separated and fragmented. Combining landscape metrics with gradient analysis from a temporal angle is a robust and efficient method to study the landscape pattern change in the process of urbanization.

Key words: gradient analysis; landscape metrics; spatiotemporal changes; GIS; urbanization; Beijing

收稿日期：2008-06-13；2008-08-10接受

基金项目：国家自然科学基金(40571060)，国家重点基础研究发展计划(973)课题 (2005CB724204)。

作者简介：全泉(（986—)，女，硕士研究生，研究方向为城市动态模型。Email:springlove1520@gmail.com

通讯作者：田光进 Email: tianguangjin@gmail.com1前言 (Introduction)

城市化无论在全球、区域及地方尺度都是对环境造成巨大影响的活动之一[1]。不同的景观类型在城市地域的不同组合，形成空间配置相异的城市景观镶嵌体，体现了城市不同的发展形态和阶段[2]。中国城市化已进入加速发展期，2006年末城镇人口占总人口的比例达到43.9％。根据预测，2020年中国城市化率将达到55%[3]。与城市扩张有关的土地利用变化将直接影响本地的生物多样性、能量流动、物理化学循环和区域环境质量。理解城市化带来的景观格局变化及其与生态过程之间的关系、生态学后果是城市生态学的主要研究内容之一[4-8]。景观生态用景观格局指数对城市景观进行定量化研究，为城市景观结构、生态过程及生态功能的认识提供依据[9]。景观格局指数是定量化分析景观格局及动态的主要工具，近年来在城市生态和城市景观研究中发挥着重要作用[10]。梯度分析原本是一种植物生态学中常用的研究方法,现在已经和景观格局指数相结合应用于城市化过程中城市发展形态及城乡梯度上的空间特征分析等研究中[11-16]。

北京作为中国的政治、经济和文化中心，正逐渐成为具有世界影响力的国际化大都市，其发展受到城市研究者的广泛关注，他们提出了北京城市发展的“摊大饼”倾向和轴向扩张特点，证实工业用地高速扩张是北京城市膨胀的主要原因[17-20]。

然而，目前的研究主要集中在对城市扩张中城乡梯度上空间景观格局特点的分析，研究方法较为单一，缺少精确定量描述和时间尺度上的动态性研究。本文利用遥感解译的1990年和2000年北京市土地利用数据，在GIS的支持下，通过贯穿北京城市中心的景观样带的梯度分析，对比北京市10年发展过程中相同梯度上的景观格局变化，旨在解决以下问题：1) 不同类型的景观随着其距离城市中心的远近呈现怎样的变化规律？2)不同类型景观在样带中其空间分布特点如何？3）城市化过程中，随着时间的推移，样带上的景观特性随时间变化规律如何？

2研究区概况(Generality of the Study Area)

北京市位于北纬39°56′，东经116°20′，地处华北大平原的北部，东面与天津市毗连，其余均与河北省相邻。总面积16 410.54 km2[21]。北京地势西北高耸，东南低缓，具有自西向东五大水系,没有天然湖泊,属暖温带半湿润气候区，2006年平均气温为13.4 ℃，全年降水量318 mm，年度降水主要集中于夏季。

北京市行政格局为16区、2县，截至2006年末，全市常住人口1581万人，其中城镇人口1333.3万人，乡村人口247.7万人。

3 资料来源与研究方法(Sources of Research Materials and Method)

3.1 数据来源及处理

本研究以1990年和2000年Landsat TM/ETM图像为主要数据源，利用ERDAS软件对影像进行波段选择与组合、统一投影系统、几何精纠正、数据融合等数据预处理，然后在ArcGIS的支持下，以栅格影像为背景，利用人机交互式提取专题数据，得到北京市土地利用类型图。在遥感解译过程中，对判读不准的图斑进行野外考察，根据抽查结果，分类总体正确率达到98.72%。以上数据转化到统一的坐标系和投影下，所采用的投影为等面积割圆锥投影，经线为东经105°,双标准纬线分别为北纬25°和北纬47°，椭球体为Krasovsky 椭球体[22]。

根据计算城乡景观格局指数的需要，将土地利用类型重新划分为耕地、林地、草地、水域、城镇用地、农村居民点用地、公交建设用地及未利用土地八种景观类型[23]。重分类后的2000年北京景观格局分布如图1。在ARCGIS软件的支持下，将土地利用矢量数据转换为30 m × 30 m的栅格数据，用Fragstats3.3软件进行景观格局指数计算[24]。

3.2 研究方法

为了研究城乡景观格局的梯度变化同时反映其时间变化规律，在1990年和2000年的栅格图中分别选取以北京市区几何中心为中心的长100 km，宽12 km的贯穿东西、南北方向两条样带。同时采用移动窗口的方法来减小数据的离散性，移动步长为4 km，每条样带形成25个12 km × 12 km的矩形样方。利用Fragstats 3.3计算每个样方的斑块类型水平和景观水平的景观格局指数。由于大部分景观格局指数具有很强的相关性和片面性，往往存在冗余和局限性[25-27]，所以根据梯度分析的需要，共选取13个具有代表性的指数，即类型比例(PLAND)、斑块密度(PD)、

4期 全 泉，等：基于GIS的北京市城乡景观格局梯度时空变化研究255图1 2000年北京市景观类型图

Fig .1 Landscape types in Beijing in 2000

边缘密度(ED)、景观丰富度(PR)、香农多样性指数(SHDI)、最大斑块指数(LPI)、平均斑块面积(MPS)、斑块面积标准差(PSSD)、斑块面积均方差(PSCV)、景观形状指数(LSI)、平均斑块形状指数(MSI)、面积加权平均形状指数(AWMSI)和景观聚集度指数(CON)。指数具体解释见参考文献24。

4结果与分析 (Results and Analysis)

4.1北京市景观的总体变化特征

从2000年北京市景观类型比例来看，林地所占比例最大，2000年比1990年所占比例略有上升；耕地所占比例仅次于林地，但总面积在不断减少；草地面积呈减少趋势，城镇用地比例上升最快，公交建筑用地面积也有所增加(图2)。农村居民点斑块密度最大，而最大斑块指数的最大值由1990年的耕地变成了2000年的林地，大面积的林地得到了一定恢复。农村居民点的最大斑块指数一直都较小，因为农村居民点占地面积普遍较小，城镇用地平均斑块面积最大。

总体来说，1990年和2000年北京市景观以林地和耕地为主，城镇用地总面积在10年间大量增加，2000年其总面积和农村居民点景观面积差别很小，说明这时候北京市的城市化水平已经达到较高程度，城镇用地集聚性不断提高，平均斑块面积增大；而10年中居民点景观特点变化不明显，仍表现为斑块密度大，平均斑块面积小，景观分布破碎且分散。

4.2 景观类型尺度上的梯度及时间动态分析

由于未利用土地、水域和公交建筑用地这三类景观在总景观格局中所占比例较小，所以本研究在景观类型尺度上不对这三类类型进行分析。同时由于东西、南北两条样带在景观类型尺度上呈现相似变化趋势，这里只列出1990年和2000年南北方向的样带在景观类型尺度上的变化图表(图3)。

从景观类型比例看，1990年和2000年城镇用地比例沿样带总体的分布均呈典型的“凸”字形，随着离市中心距离的增大而逐渐减小，到2000年总体特征未发生变化，但峰值上升且范围扩大。10年间城镇用地比例呈增长趋势，距离城市中心8 km的地区城镇用地面积急剧增加，而向北比向南的趋势更加剧烈。耕地所占景观类型比例沿南北样带的分布呈“M”型。10年间耕地面积比例在所有样方内都处于减少状态，而减少最剧烈的样方距离市中心8 km左右，和城镇用地增加最多的样方基本吻合。随着城市的扩张，近郊农村居民点逐渐消失而离城市中心较远的农村居民点受到影响不大。

除了农村居民点以外，所有景观类型的斑块密度在样带上都处于较低的水平。农村居民点密度在距离城市中心24 km左右的范围内的城市边缘地带最大。10年间距离城市中心8 km地区的农村居民点密度减小最多；耕地斑块密度在整个样带内基本没有变化。

城镇用地平均斑块面积在样带上的呈单峰分布，越靠近城市中心平均斑块面积越大。10年间城镇景观的平均斑块面积在第7到19个样方内均有增加。从时间变化角度看，耕地的平均斑块面积10年内处于减小态势，位于城市中心南部8 km的地方斑块面积缩小最多。除了草地和城镇用地外，耕地、林地和农村居民点景观的斑块面积均方差(斑块面积变异系数)在样带上的变化趋势大致都是远离城市中心的地方较小，随着向中心的靠近，到了城市边缘陡然增大，继续向城市中心靠拢时斑块面积均方差又逐渐变小，在南北方向上具有良好的对称性。耕地、林地、居民点这三类景观在城市中心区的斑块面积均方差一直在减小，说明城市中心结构趋于稳定。而城镇用地景观类型的斑块面积均方差沿样带分布是城市中心高，越远离城市中心越低。10年间距离市中心16 km到24 km的北部地区城镇斑块面积均方差增加量最大，

256 生态科学Ecological Science 27 卷

A 耕地(farmland)；

B 林地(forestland)；

C 草地(grassland)；

D 水域(water)；

E 未利用土地(unutilized land)；

F 城镇用地(urban land)；

G 农村居民点(rural residential land)；

H 公交建筑用地(roads and building land)

图2 北京市景观的总体特征

Fig. 2 Synoptic landscape characteristic for Beijing

说明这个地区的城镇化强度最高，城镇斑块面积结构变化较大。

从景观形状指数和面积加权平均形状指数来看，耕地、林地、草地、城镇用地和农村居民点用地五类景观类型沿样带的梯度分布基本都呈“M”型。中心城区和远离城区的地区景观的聚合度明显高于距离城市中心不远的郊区。

总体看来，从第10到第14个样方属于中心城区，景观类型面积所占比例遵循城镇用地>耕地>农村居民点>林地>草地的规律；斑块密度大小顺序为农村居民点>耕地>城镇用地>林地>草地；面积加权平均形状指数呈现耕地>城镇用地>农村居民点>林地>草地的规律。由此可见，北京城市发展过程中，城镇用地集聚化程度增强，呈“摊大饼”式扩张，而耕地和居民点更加分散，尤其在近郊地区破碎化更为严重，城市中缺少林地草地等生态用地。

4.3 景观尺度上的梯度及时间动态分析

从景观尺度上看，东西样带和南北样带各项景观指数总体分布及变化规律非常类似，只是程度稍有不同，峰值上有一定偏移。从图4可以看出，景观丰富

度在样带上的分布呈“凹”字型，随着向中心城区的靠近，景观类型减少，耕地、农村居民点等景观类型逐渐消失，城镇用地几乎成为唯一的景观类型。从1990年到2000年，中心城区景观丰富度不断减少，使“凹”字型低谷值更低。斑块密度和边缘密度在样带上的梯度表现出明显双峰分布，南北样带的峰值出现在距离城市中心大概12 km左右，而东西样带的峰值则出现在第5个和第19个样方附近，说明北京市建成区东西方向比南北方向略长。随着时间的变化，东西和南北样带上的峰值都向远离市中心的方向移动，表明城市化过程在10年间继续向郊区推进，从而使边缘的景观斑块密度增大，加剧破碎程度。

斑块面积标准差在东西南北两条样带上的变化都是距离城市中心16 km以外数值很低且基本在样带梯度上不发生变化，而距市中心16 km以内的地区则数值增大并出现峰值，这说明越靠近城市中心斑块面积的多样性越大，而远离城市的农村的景观斑块则大小比较均匀。随着时间的推移，中心城区的峰值在不断增高，斑块的面积差距进一步拉大。从平均形状

4期 全 泉，等：基于GIS的北京市城乡景观格局梯度时空变化研究257

图3 1990年和2000年各景观类型在南北样带上的变化

Fig. 3 Changes in landscape pattern along the north-south transect by patch in 1990 and 2000

258 生态科学Ecological Science 27 卷4期 全 泉，等：基于GIS的北京市城乡景观格局梯度时空变化研究259

图4 1990年和2000年东西、南北两条样带在景观尺度上的变化

Fig. 4 Changes in landscape-level metrics along the east-west transect and the south-north transect

指数和面积加权平均形状指数的在样带上的梯度分布可以看出，城市边缘地区的数值明显大于农村地区和城市中心地区，而整体来说，南北样带的值又较东西样带的值高。

香农多样性指数在中心城区的数值远远低于其他地区的数值，而南北样带在梯度上的变化较东西样带更大，特别是南北样带中的第1个到第10个样方，出现了多个小的峰值和低谷，起伏剧烈，说明此范围内物种多样性不稳定，总是随着梯度发生变化。在中心城区，多样性指数有随着时间变化减小的趋势。

景观聚集度指数在两条样带上都有“凸”字型分布的特征，越靠近市中心聚集程度越大，而远离市中心的聚集程度都较小且波动幅度不大。而且1990年到2000年间，随着北京城市化进程的推进，城区范围扩大，聚集性大幅度增大，城市呈面状扩张。

5 讨论与结论(Conclusions and Discussion)

近20多年来，北京地区出现的以城市化为主要特征的大规模的土地利用/覆被变化,表现出城镇用地通过大量占用平原区耕地扩展，非城镇用地间结构变化明显的基本征[28-30]。城市土地利用扩展类型的空间分布呈明显的圈层式空间形态，由中心城区向外，城市土地利用扩展类型的等级随之下降[30]。本文提出了不同类型的景观随着其距离城市中心距离的远近呈现的变化规律和不同类型景观在样带中的空间分布特点。通过类型尺度上的景观梯度分析可知，城镇用地景观沿样带分布呈典型的“凸”字形，在中心城区斑块面积巨大，均方差小，结构相对稳定，景观多样性指数低，景观聚集度高；耕地景观类型比例和斑块密度均沿样带呈“M”型分布，随着距离城市中心距离的增加而升高，在城市边缘郊区出现峰值；近郊农村居民点逐渐消失，景观破碎化程度高。总之，在类型尺度上，各景观类型在样带上的分布具有良好的对称性，但发展强度是向北比向南的趋势更加剧烈，主要是因为在1993年修订的北京城市总体规划中，北京的东部和南部平原地区被确定为城市发展的主要地区[30]。通过景观尺度的分析可以看出，景观丰富度在样带上的分布呈“凹”字型；斑块密度和边缘密度在样带上的梯度表现出和景观类型尺度上呈现明显双峰分布；景观聚集度指数在两条样带上都有“凸”字型分布的特征，城市扩张整“摊大饼”的特点明显。

城市化过程中，随着时间的推移，样带上的景观特性表现出随时间变化的规律。从类型尺度看，1990年至2000年城镇用地比例呈增长趋势，距离城市中心8 km的地区城镇用地蔓延和耕地减少最为剧烈，同时农村居民点在近郊区数量大幅减少。从景观尺度分析可以得出，从1990年到2000年，中心城区景观丰富度不断减少，城市化过程在10年间继续向郊区推进，使边缘的景观斑块密度增大，破碎程度加剧，而城区范围不断扩大，聚集性大幅度增强。

本研究由于受到数据来源的，未能在景观特征随时间变化做更详细的分析，而且分析并没有涉及到尺度效应，在下一步的工作中将继续就这些方面对城市发展过程中城乡景观格局梯度的时空变化进行更深一步的研究。

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