基于OLI數據的天津市土地利用空間格局分析

謝童謠，國巧真，付 盈，桑 瀟，賀承偉

（天津城建大學 地質與測繪學院，天津 300384）

自1995年“土地利用/土地覆蓋變化科學研究計劃”這一計劃的提出，土地利用變化研究成為國內外研究熱點[1]，對處于快速城市化階段的中國城市來說，人類活動對土地利用格局的影響最為明顯，因此具有顯著的研究價值[2-4].隨著攝影測量與遙感技術迅速發展，人類對地球表面的空間信息獲取更加高效準確[5-8].完整的數據支持使得對地物空間信息的研究深入推進到定量化過程，景觀指數作為定量化描述土地格局的工具，被廣泛運用于不同區域的空間格局分析中[9].2008年Kandrika和Rory利用IRS-P6 awifs影像對研究區進行解譯分析，2014年Tian等結合遙感影像和文本資料對印度的土地利用現狀及時態變化進行了探討和分析，2015年Madanian和Soffianian針對伊朗伊斯法罕的土地利用情況，利用1975年、1990年和2010年3期MSS/TM數據進行比較分析[10-13].國內學者利用遙感數據對不同區域土地利用空間格局及時空變化開展了大量研究.隨著國內城鎮化的快速推進，國內土地利用研究區域呈現從大的空間尺度逐漸向小尺度的發展趨勢.天津市是中國四大直轄市之一，自2014年京津冀協同發展的國家戰略提出，確定了“雙城雙港、相向拓展、一軸兩帶、南北生態”城市規劃理念.本文對天津市2016年的土地利用空間格局進行分析，從而得出天津市的發展現狀與趨勢，為促進京津冀協同發展以及環渤海區經濟中心的發展提供科學的數據參考和借鑒.

1 研究區概況和數據源

1.1 研究區概況

天津市位于北緯 38°34′～40°15′，東經 116°43′～118°04′之間.天津市由16個市轄區組成，市轄區分為中心城市、環城區和遠郊區，中心城市由和平區、河北區、河東區、河西區、南開區、紅橋區組成；環城區由東麗區、津南區、西青區、北辰區組成，遠郊區由寶坻區、寧河區、武清區、靜海區、薊州區和濱海新區組成（見圖 1）.市中心位于東經 117°10′，北緯 39°10′.

圖1 研究區示意圖

1.2 數據源

OLI是Landsat 8衛星上所搭載的兩種傳感器之一，OLI陸地成像儀包括9個波段，空間分辨率30 m，其中全色波段的空間分辨率為15 m.成像寬幅為185 km×185 km.本文從地理空間數據云獲取四景OLI影像數據.

2 研究方法

本文根據土地利用分類標準，并結合研究區實際情況，將天津市地物覆蓋類型分為5類：林地、耕地、水域、建設用地和未利用地.以2016年OLI遙感圖像為數據源，采用最大似然分析算法對影像進行分類，再對分類結果進行后處理，獲得2016年天津市地物分類圖（見圖2），對結果進行精度評定，總精度為86.00%，Kappa系數為0.76，可以滿足對數據質量的精度要求.疊加天津市區縣矢量文件，將各類地物在天津各區的分布情況進行統計分析.再以天津市行政中心，即天津市政府為中心，將天津分為東南西北4個區域，分別進行各類地物的分布統計，從而得到天津市2016年大致發展狀況.此外，本文基于Fragstats4.0平臺，采用景觀指數來對天津市各區的空間格局進行定量分析，從景觀多樣性分異、景觀形狀分異、景觀破碎性分異和景觀異質性分異4個角度來探究天津土地利用空間格局分異.

圖2 天津市土地利用分類圖

3 空間格局分析

基于GIS空間分析算法，對天津市2016年的土地利用現狀數據中的各類地物類型進行相關的統計處理分析.

3.1 總體空間格局特征

根據土地利用分類結果，得出各土地利用類型面積及所占比例（見圖3），天津市2016年的水域面積達到1 272.64 km2，占整個天津市土地總面積的10.65%；耕地面積達到6 213.69 km2，占整個天津市土地總面積的52.01%；建設用地面積達到3 772.20 km2，占整個天津市土地總面積的31.57%；林地面積達到457.01 km2，占整個天津市土地總面積的3.83%；未利用地面積達到231.35 km2，占整個天津市土地總面積的1.94%.通過上述各類地物所占天津全區域比重可知：耕地是整個天津市的土地利用空間格局的基底，其次是建設用地，水域占天津土地利用類型比重也較多.林地主要分布在天津的北部地區，天津北部多為低山丘陵，林地資源豐富.

圖3 天津市土地利用類型比例圖

3.2 主要土地利用類型的空間格局特征

由天津市整體土地利用分類統計信息（見表1）可知耕地、建設用地和水域是最主要的3類土地利用類型，結合3種地物在各區及在以天津市政府為中心劃分的東南西北4個地理空間分布情況（見圖4-6），可以看出：耕地主要分布在天津的遠郊區，遠郊區內寧河區、靜海區、武清區及寶坻區的耕地比重均在65%以上，寧河區內耕地比重最大，占寧河區總面積的77.31%.環城區的耕地比重較少，其中北辰區內耕地比重最多，約45.54%；東麗區和津南區內耕地比重均在20%以下.中心城區的耕地比重幾乎為0.在天津整體范圍內，耕地的分布以中心城區為核心，向外圍地域逐步增多.在地理分布上大致呈“北多南少”的特征.

建設用地的分布主要集中在中心城區內，市內六區的建設用地比重均達到95%以上.環城區的建設用地比重稍低于中心城區，環城區內建設用地所占比重最多為東麗區，約為81.61%；津南區內建設用地所占比重約為76.65%；西青區內建設用地所占比重約為61.82%；北辰區內建設用地所占比重約為49.07%.遠郊區的建設用地比重更少，除濱海新區建設用地占約42.11%之外，其他地區均在20%左右.可以看出，建設用地的分布主要以市內六區和濱海新區核心區為重心，海河沿岸地區作為橋梁，連接起天津兩大核心區，并向武清區延伸，形成一條東南走向的“軸承”.濱海新區的建設用地主要集中在以塘沽金街為中心的核心區及兩大港（北港區和南港區）.

水域面積比重最大的地區是濱海新區，約占34.15%，遠高于其他地區的水域面積所占比重.寶坻區的水域比重約占12.45%，其余地區的水域比重均在12%以下.水域在天津市的整體空間分布格局大致為“東多西少”，在海河沿岸建筑群的南北部均有分布.水域的分布格局符合天津空間發展戰略所提出的“南北生態”.

表1 天津市各區土地利用現狀百分比 %

圖4 耕地、建設用地、水域在各區分布圖

圖5 地理方位上各類地物所占比重

圖6 地理空間分布圖

3.3 景觀空間分異分析

土地利用空間格局差異在景觀空間分異上也有體現.為探究天津市各地土地利用類型的空間分布特征與內在關系，對天津市2016年各類土地利用景觀信息進行統計（見表2），并借助景觀指數對天津市土地利用空間格局進行定量表征.

由表2可以看出：建設用地的斑塊個數最多，遠遠高于其他景觀類型，其次是耕地的斑塊數量，但是耕地所占的面積最多，遠高于其他景觀類型.林地的斑塊密度最小，但平均斑塊面積最大，說明林地的總面積少但在地理空間上分布最集中.未利用地的平均斑塊面積最小，說明未利用的斑塊分布較為破碎.

根據基本景觀信息，結合研究區的特征和各景觀指數含義，選擇了Shannon多樣性指數、景觀形狀指數、景觀破碎度指數和景觀優勢度指數4個指標（見表3），得到天津各區土地利用景觀指數折線圖（見圖7-11）

3.3.1 景觀多樣性分異

天津Shannon多樣性指數折線圖見圖7.市區內的多樣性指數最低為0.12，表示市區內景觀結構組成最為簡單，主要是建設用地，土地利用的破碎化程度也最低.環城區包含的4個區的多樣性指數位于0.60～0.90之間，平均多樣性指數為0.76，其中，東麗區和津南區的多樣性指數較低，兩區分別處于海河沿岸南北地區，處于“京濱綜合發展軸”中間段，城市化建設相對更高.遠郊區的多樣性指數位于0.68～1.72之間，遠郊區各區的土地景觀結構組成之間差異較大，平均多樣性指數為1.34，薊州區景觀多樣性最高，豐富的林地資源和水資源為京津冀協同發展提供天然的生態屏障.濱海新區具有豐富的濕地資源，其多樣性指數同樣高達1.1.總體來看，2016年天津市的空間格局隨著距以和平區為中心的市區越遠，其土地利用類型的復雜度越高，表現了人類活動越密集的地區，景觀多樣性越低.

表2 基本景觀信息

表3 景觀指數基本定義

圖7 各區多樣性指數折線圖

3.3.2 景觀形狀分異

景觀形狀指數折線圖見圖8.天津市區內的景觀形狀指數最低為0，遠遠小于其他區，說明市區內景觀斑塊的形狀最規則.環城區4個區的景觀形狀指數介于0.022～0.030之間，承擔較多城市功能的東麗區和津南區也表現出較低的形狀指數.遠郊區的景觀形狀指數介于0.028～0.045之間，這表明遠郊區整體的景觀斑塊的形狀相對更不規則.寶坻區景觀形狀指數最高達到0.045，寶坻區水域資源豐富，農業活動密集，建設用地的比例不低但空間分布較分散，導致寶坻區的景觀形狀更為復雜.總體來看，2016年天津市各區內的景觀形狀指數隨著距以和平區為中心的市區越遠，其值越高，土地利用斑塊的規則化程度越低.

圖8 各區景觀形狀指數折線圖

3.3.3 景觀破碎性分異

景觀破碎度折線圖見圖9.天津市的景觀破碎度在市區達到最低值為0.05，遠遠低于其他地區，市內的土地利用類型單一，絕大多數為建設用地，且密集分布成片狀覆蓋.環城區的景觀破碎度介于0.16～0.23之間，東麗區和津南區偏低，這兩區分別處于海河沿岸的南北兩端，建設用地作為最主要的土地利用類型，其分布也集中在海河沿岸.而遠郊區的景觀破碎度介于0.24～0.58.薊州區的景觀破碎度最高，這是因為薊州區各類土地利用資源最為均衡，由于地勢南高北低，呈階梯狀分布，人類活動則較為稀疏分散.除濱海新區之外，遠郊區內景觀破碎性普遍較高，濱海新區承擔著天津市第二大核心發展載體，人類活動密集、建設用地面積比例較多.這說明人類開發活動與景觀破碎性呈顯著的正相關性，城市功能越突出的區域，景觀破碎性越低.

圖9 各區景觀破碎度折線圖

3.3.4 景觀異質性分異

景觀優勢度折線圖見圖10.市區的景觀優勢度明顯高于其他區域，高達1.14，表明市區的景觀結構被主要景觀類型即建設用地所主導，隨著距市中心的距離越遠，景觀優勢度越低.環城區的景觀優勢度介于0.36～0.66，遠郊區則介于0～0.58之間，薊州區的景觀優勢度最低.表明在距市中心越遠的區域，其各類地物所占面積權重更為均衡，土地利用類型越豐富，結構也更復雜，在區域內發揮越平衡的功能，城市功能則顯得更不明顯.

圖10 各區景觀優勢度折線圖

對于天津市各地理方位上的土地利用情況，同樣采取Shannon多樣性指數、景觀形狀指數、景觀破碎度指數和景觀優勢度指數4個指標，得到4個地理方位上的景觀指數折線圖（見圖11）.

圖11 各地理方位上景觀指數折線圖

天津市北部和南部地區的景觀多樣性偏大，景觀形狀指數值也偏高，說明天津市北部及南部地區景觀類型較豐富，景觀結構更復雜，景觀斑塊形狀更不規則，天津市林地資源主要分布在天津市北部，南部地區有豐富的水域及濕地資源，天津市南北部的生態環境較好.西部地區的景觀多樣性最低，且景觀破碎度也較低，景觀形狀較規則，說明天津市西部地區的景觀結構最簡單，自然資源較少.東部地區的景觀形狀指數最低，但景觀優勢度及景觀破碎度相對較高，主要因為天津市東臨渤海，水域較為豐富，此外景觀形狀最為規則，說明東部地區城市化水平最高，人類活動相對密集.

4 結論

本文以天津市2016年的OLI遙感影像為基礎數據源，利用GIS空間分析算法，將天津市的空間格局提取出來，并以土地利用現狀數據為研究對象，從以下幾個角度來分析天津市的空間格局特征.

（1）分析天津市整體區域內各類地物分布情況，所得結論如下：耕地、建設用地、水域是天津市三大土地利用類型，其中耕地面積所占比重高達全市面積的52.01%，是天津市最主要的土地利用類型，在空間上耕地的分布大致呈“北多南少”的特征；第二大土地利用類型是建設用地，占天津市總面積的31.57%左右，建設用地在空間上的分布格局與耕地相反，大致呈“北少南多”的特征，主要集中分布在以和平區為中心的中心城區內.林地主要分布在薊州區.

（2）借助景觀指數深入研究天津市各區及各地理方位上的土地利用情況，得到結論如下：天津市的土地利用隨著距以和平區為中心的市區越遠，其復雜度越高，各土地利用類型斑塊的分布也越均勻，被少數主要景觀類型所主導的程度也越低.各區內的各土地利用類型斑塊的形狀隨著距以和平區為中心的市區越遠，其規則化程度越低.天津市北部及南部地區自然資源豐富，景觀結構復雜，景觀破碎度較高，東部地區的景觀形狀最為規則，人類活動最為密集，城市化水平最高.