基于多源数据分析的北京市中心城绿色空间时空演变研究（1992—2016）

李方正 解爽 李雄

北京市中心城是京津冀区域近20年来快速城市化的典型区域，也是城市扩张最明显的区域之一，社会经济的发展和环境的破坏使得北京市中心城建设用地迅速扩张，而部分绿色空间被大面积侵蚀，各用地类型的演变使得该区域成为研究土地利用/覆被的典型区域。目前北京市政府采取了一系列政策措施如“副中心建设”“留白增绿”和“雄安新区”建设等缓解北京城市化进程中的问题，其中“留白增绿”是对中心城绿色空间保护的重要策略。相较于针对城乡规划体系中的狭义绿地，绿色空间中具有更多具有生态、游憩功能的潜力空间[1-2]，对绿色空间进行演变研究，探究其演变空间机制，充分发挥其生态、游憩功能，指导绿色空间规划和“留白增绿”实施具有重要意义。

中国现有的针对绿色空间或绿地演变的相关研究主要集中于绿色空间在时间序列上的面积变化、各绿色空间类型面积转换分析、景观格局分析等3个方面。其中，时间序列的面积变化包括了基于遥感、地理信息系统技术，利用信息熵、扩展速度、扩展系数等指标计算绿色空间的时间变化[3-4]在时间序列上的扩展规律等[5-6]。绿色空间转换分析包括利用动态变化度及转移矩阵分析绿色空间的动态变化[7-9]，运用动态度和洛仑兹系数分析绿色空间数量变化和空间结构变化的特征等[10]。采用景观生态学指数和缓冲区密度探究城市绿色空间时空演变过程，并揭示主导的影响因子和驱动机制[11-15]。但目前对绿色空间演变机制的研究普遍缺乏针对具体空间位置的转换分析，无法精准反映出绿色空间的空间转换，其结果不能落地指导不同区位的绿色空间规划与用地调整。本研究基于遥感技术和地理信息系统将绿地演变和转换结果表达在空间上，绿色空间的时空演变得以充分体现。相较现有研究，本研究在尺度上聚焦中心城，分析不同空间上绿色空间具体的转换情况，时间期限上有延续性，尤其是延续到近2年内，为北京“留白增绿”的实施具有指导意义。

1 研究区域及数据

1.1 研究区域

本文研究区域为北京市中心城，参考《北京城市总体规划（2004—2020）》，中心城总面积 1 088km2（图1）[16-18]。

1.2 绿色空间的界定

本研究的研究对象绿色空间为广义的绿地概念，参考1992年由中国科学院和农业部在“国家资源环境遥感宏观调查与动态研究”中建立的中国土地资源分类系统分类体系，根据遥感分类和遥感数据精度对绿色空间种类进行重新组合，本文将北京市中心城的土地利用/覆被分为耕地、林地、草地、湿地及水域、建设用地和未利用地6种类型，其中绿色空间包括耕地、林地、草地和湿地及水域。

1.3 数据来源

本研究选取北京市城市化快速发展的近20年间的绿色空间演变情况作为研究基本数据，选择1992—2016年作为研究期限。研究获取了能够有效反映植被覆盖的归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index ，简称NDVI），并对北京市中心城1992—2016年的NDVI值进行回归分析，得出其变化模拟趋势曲线（图2），最终选取1992年、2016年2个起始点和2000年、2008年2个NDVI变化的重要节点作为研究节点，进行绿色空间分析。

为分析北京市中心城1992年、2000年、2008年和2016年4个时间节点的绿色空间覆被变化，研究利用遥感影像数据作为基础数据。研究选取原始卫星分辨率为30m×30m，并通过Gram-Schmidt Spectral Sharpening方法融合处理后，提高数据精度为15m×15m。通过对这4个时期5—10月植物生长旺季遥感影像进行筛选后，最终选择以下时段遥感影像作为解译数据源（表1）。

2 研究方法

2.1 遥感影像解译

为分析绿色空间覆被变化，本研究通过遥感解译获得基础数据。首先将获取的遥感影像数据通过ERDAS IMAGINE软件进行几何校正和大气矫正。通过Arcgis平台进行数据处理、运算、检验，4个时期的检验结果精度值分别达到83.21%、86.35%、85.87%和84.91%，均满足精度要求。最后进行可视化表达，得到1992年、2000年、2008年和2016年的土地利用解译图纸（图3）。

2.2 动态度计算

本研究利用动态度表达绿色空间面积变化速率，单一种类绿色空间动态度能反映在研究区内某种绿色空间类型的数量在一定时间段内的变化速率。其计算方式为[19]：

其中，IR表示研究区在该时间段内单一绿色空间类型的变化速率即动态度，Sia为该种绿色空间类型在研究时间段起点的面积，Sib为该种绿色空间类型在研究时间段终点的面积，T为时间间隔年份。

2.3 转移矩阵模型

转移矩阵可以具体细致地描述研究范围内土地利用的结构和方向。通过Overlay进行数据空间叠加，使用Statistics功能便可具体、细致地计算出各种土地类型之间相互转化面积。

1 北京市中心城范围The scope of central Beijing

2 北京市中心城1992—2016年NDVI值变化趋势NDVI value change trend in central Beijing (1992—2016)

表1 卫星遥感影像来源Tab. 1 Sources of satellite remote sensing images

3 北京市中心城1992—2016年土地利用解译结果Land use interpretation results in central Beijing (1992—2016)

3 结果与分析

3.1 北京市中心城不同时期绿色空间的演变分析

本研究主要从绿色空间总体的面积变化和不同绿色空间类型的面积变化以及绿色空间面积变化的动态度3个方面进行分析。

3.1.1 绿色空间面积演变整体分析

北京市中心城4个时期各类型绿色空间解译，通过Arcmap统计后，得到绿色空间解译数据统计表（表2）和4个时期的土地利用解译图纸（图3）。

由表2、图3可知，在1992—2016年的研究期内，北京市中心城绿色空间总面积和单一绿色空间类型面积都发生了不同程度的变化。总体看来，北京市中心城绿色空间总面积在持续下降，由1992年的54 375hm2下降为2016年的24 113hm2。耕地和林地面积始终排在绿色空间面积的前两位。1992年耕地是中心城明显的优势绿色空间类型，2008年林地面积超越耕地，2016年林地成为明显的优势绿色空间类型。

3.1.2 不同类型的绿色空间面积演变分析

整体上看，在1992—2016年的研究期内，北京市中心城绿色空间总面积一直出现下降趋势，其原因是由于林地、耕地、湿地及水域和草地等在各时期出现增减，而各绿色空间类型面积减少量高于增加量，因此绿色空间总量在1992—2016年期间下降（表3）。

1992—2000年，耕地面积和林地面积减少明显，仅有草地出现少量增加；从2000—2008年，耕地面积依旧减少明显，而林地面积增幅较大；从2008—2016年，耕地继续减少，林地面积变化不大，草地和湿地及水域面积变化幅度整体较小。

3.2 北京市中心城不同时期绿色空间的转换分析

为了深入了解各绿色空间类型以及土地类型之间的转化特征，本研究采用土地利用矩阵并绘制4种绿色空间转各类用地的空间分布图来表达各绿色空间类型及与非绿色空间之间的转换情况。

表2 土地类型解译数据统计表Tab. 2 Statistical table of land use interpretation data

表3 各类用地面积变化动态度Tab. 3 Dynamic degree of land use change in different types of land

3.2.1 1992—2000年各类型绿色空间的面积转换分析

在1992—2000年期间，4种绿色空间面积共转出28 649.56 hm2，共转入12 695.44hm2，因此最后绿色空间共减少15 954.12hm2（表4）。

在1992—2000年，耕地和林地转向建设用地、耕地转向林地成为北京市中心城主要的绿色空间转换方式。1992—2000年8年间，北京市中心城耕地面积以减少为主，耕地的转出主要去向是建设用地，转入主要来源于林地。这一时期的北京市中心城林地面积以减少为主，转出量远超过转入量，林地主要转向建设用地，转入以耕地和建设用地为主。北京市中心城草地面积出现少量增加。湿地及水域面积减少速率较高。

在1992—2000年间，耕地在北京市中心城四环外呈环状减少，主要表现为在中心城北部转为建设用地和林地，在南部主要转为建设用地（图4）。耕地转换为建设用地主要受北京建设向四环外扩张影响，集中的出现在北部清河的部分建设区域、海淀三山五园东部区的建设区域、万柳及中关村部分区域、朝阳区金融街及中央商务部分区的建设区域和南城大红门南部、南苑西部区域。耕地转换为林地则主要受城市公园建设和造林活动影响，主要出现在温榆河西南部、大屯北部和玉泉山周边区域。

在1992—2000年间，林地呈线性和块状减少，但减少区域较为分散。林地转出主要表现为在中心城转为建设用地。林地转为线性建设用地主要为交通廊道的建设，集中出现在八达岭高速建设区域、长安街东延区域。林地转为块状建设用地较为明显的区域为1996年建成的北京西站等。

4 北京市中心城1992—2000年各绿色空间类型转换空间分布Spatial distribution of green space into various types of land use in central Beijing (1992—2000)

5 北京市中心城2000—2008年各绿色空间类型转换空间分布Spatial distribution of green space into various types of land use in central Beijing (2000—2008）

表4 1992—2000年地类转移矩阵/hm2Tab. 4 Land use transfer matrix in 1992—2000

在1992—2000年间草地在北京市中心城的三环四环之间出现一定面积的转出，其中以北部转出为主。湿地及水域在北京市中心城呈现零星状转出，相对明显的区域分布在大红门北部、万泉河经海淀一块状水面和海淀与昌平交界处和昌平区两块小水面。

结合北京市中心城1992年和2000年土地利用解译图（图3）分析可知，绿色空间在部分区域也出现一定的增加，但多为小型城市绿色空间建设。相比1992年，耕地在2000年在东部和北部出现片状分布，西山为最大面积的林地，草地零星分布。

3.2.2 2000—2008年各类型绿色空间的面积转换分析

在2000—2008年期间，4种绿色空间面积共转出23 294.84hm2，共转入13 303.42hm2，因此最后绿色空间共减少9 992.42hm2（表5）。

2000—2008年，由耕地转向建设用地、由建设用地和耕地转向林地和草地、湿地及水域的大比例转出成为北京市中心城绿色空间转换的核心特征。其中，该阶段耕地面积继续以减少为主，大量转化为建设用地，耕地的转入主要来源为林地和建设用地。这一时期的北京市中心城林地面积出现明显的增加趋势，其主要转入来源为耕地和建设用地，转出主要以建设用地为主。同期北京市中心城草地面积增加量明显提升，湿地及水域面积则继续减少。

在2000—2008年间，耕地在北京市中心城五环外呈环状减少，主要表现为在中心城北部和东部大量耕地转为建设用地和林地（图5）。耕地转为建设用地的区位呈环状的外移也成为北京市中心城城市化的显著特征。而耕地转化为林地则主要用于郊野公园建设和造林活动，以及四环五环之间第一道绿化隔离地区的建设，集中出现在西郊三山五园和东郊的郊野公园建设区域。

在2000—2008年间林地在北京市中心城减少分布较为破碎，林地转出主要表现为在中心城转为建设用地，主要分布在城市中心城区北部边缘。林地主要转为线性建设用地如西北五环路的建设和部分块状用地建设。

在2000—2008年间草地在北京市中心城减少分布集中，主要分布在城市中心城区朝阳西北部和丰台北部。湿地及水域则依旧呈现零星状转出，其中相对明显的区域分布在西部边缘石景山区与丰台区交界处，主要是因为永定河流经该区域的水域被占用建设。

结合北京市中心城1992年和2000年土地利用解译图（图3）分析可知，在2000—2008年间除了部分绿色空间小类大量转出外，在部分区域也出现一定的增加，尤其是林地和草地的增加较为突出。这与2001年北京市申奥成功后点状城市公园如奥林匹克森林公园的建设相关。线性公园的建设包括京承线、航空走廊、奥运场馆周边交通线等绿色廊道的建设。此外，为了限制城市的无序扩张和生态环境提升。北京市于2000年在四环和五环之间规划了第一道绿化隔离带，主要建设形式通过将耕地转为林地，建成郊野公园。在2003年北京又在“一道绿隔”外边线一直到六环的外延一千米范围内启动第二道绿化隔离地区规划。郊野公园的建设使得中心城林地数量明显提升。

3.2.3 2008—2016年各类型绿色空间的面积转换分析

在2008—2016年期间，4种绿色空间面积共转出15 017.74hm2，转出量明显降低，共转入10 701.39hm2，因此最后绿色空间共减少4 316hm2（表6）。

2008—2016年，由耕地和林地转向建设用地、部分建设用地和耕地转向林地和湿地及水域、草地的部分转入成为北京市中心城绿色空间转换的核心特征。北京市中心城耕地面积继续以减少为主，但减少量明显降低，其增加主要来源为建设用地和林地，转出以建设用地为主。同期北京市中心城林地面积继续增加，其转入部分以建设用地为主，转出去向更加集中在建设用地。这一时期的北京市中心城草地面积继续增加，湿地及水域面积少量增加。

在2008—2016年间，耕地在北京市中心城外边缘呈点状减少，主要表现为在中心城东北部和西南部部分耕地转为建设用地和林地（图6）。由于六环路通车带动北京卫星城镇建设，城市扩张空间外移，因此在此时期中心城耕地转为建设用地的数量和面积有所降低，较为明显的几个区域为中心城西北回龙观社区。该时期耕地转出另外一个特征是中心城东北部大量耕地转为林地。2011年，北京市政府提出在平原区规划森林用地170万亩（约1 133.3km2），其造林的方式之一就是耕地的转换，集中表现在中心城西北昌平南部、海淀北部和朝阳西部，均有一定数量的耕地转为林地。

在2008—2016年间，林地在北京市中心城减少分布较为更加破碎化，林地转出主要表现为转为建设用地。破碎林地转为建设用地区域多为城市建设侵占城市公园。林地主要转为线性建设用地的区域多为城市道路建设。

在2000—2008年间，草地在北京市中心城减少区域零星分布在中心城三山五园区域和西南部，湿地及水域在北京市中心城以点状斑块少量转出。

结合北京市中心城1992年和2000年土地利用解译图（图3）分析可知，在2008—2016年间部分区域也出现了林地和草地等小类的增加。其增加主要通过两种方式，一是通过耕地转为林地，主要出现在中心城东北和东部，以东四环和东五环的郊野公园建设较为突出，包括昌平区的半塔郊野公园、清河营郊野公园、朝阳东风乡的东风公园等。二是通过将建设用地或耕地转为城市公园的建设，其建设空间分布较分散，包括朝阳的大望京公园、清河的小营公园、海淀的王庄公园等。

表5 2000—2008年地类转移矩阵/hm2Tab. 5 Land use transfer matrix in 2000—2008

表6 2008—2016年地类转移矩阵/hm2Tab. 6 Land use transfer matrix in 2008—2016

4 绿色空间演变影响因素分析

理清北京市中心城绿色空间演变影响因素，对于合理保护和规划绿色空间，实现其与社会经济的可持续发展至关重要。本文从社会经济、自然、政策3个方面对北京市中心城绿色空间演变影响因素进行初步分析，得到以下结论。

4.1 社会经济发展是绿色空间面积消长的直接推动力

从上文耕地和林地在研究期限内的转换分布特征来看，其转出主要分布于中关村、金融街、中央商务区等近年来北京社会经济发展迅速的典型区域，推测社会经济发展可能是导致绿色空间消长的一个重要因素。在研究期限内，北京市中心城人口持续增加，经济快速增长，中心城所涉及区县常驻人口由1992年的725万人增加到2014年的1 666万人，地区总产值2014年增加到1 729亿元。城市人口对物质产品需求的提升导致大量的城市建设需求，土地需求量增加，建成区发生了大规模的城市扩展，中心城边缘成为疏解中心区域人口和土地压力的区域，其带来的负面影响就是对其他用地尤其是耕地的占用导致耕地大量转出。此外，由于社会经济水平提升会使得政府对绿化重视程度提升，绿化投资额提升，并且人口的增加也使得游憩需求增加，由此城市公园建设力度加大，城市内部林地面积随之增加。

4.2 自然因素是绿色空间转换的约束力

自然因素对北京市中心城绿色空间面积演变起到一定作用，其作用相对是静态的，且不如社会经济因素明显。研究发现，位于北京市中心城西北方向的西山区域在整个研究期限内绿色空间转换始终相对较少，尤其林地在四个时期均表现为未转变区域较多，推测地势高程等自然因素对该区域绿色空间的转换起到约束作用。在研究期内，从各类绿色空间面积看，绿色空间的转出多转向建设用地，由于地势越高的区域城市建设难度越大，因而难以发生其他用地向建设用地的转换，因此，地势高度对于西北部西山区域的绿色空间转出具有抑制作用。

4.3 政策是引导结构性大型绿色空间建设的重要拉动力

研究发现，在绿色空间转换的典型区域中，林地的大规模转入变化多与郊野公园建设、平原造林、一道绿隔建设等相关，推测城市规划政策对大型绿色空间建设起着重要推动作用。整体上看，近些年北京市影响到绿色空间发展的政策开始倾向于近郊区耕地和林地的保护，大力建设城市公园，严格控制中心城建设用地规模，城市建设重点转向中心城外的远郊区，以实现土地利用布局优化。《北京城市总体规划（2004—2020年）》在北京市中心城确定了“两轴、三环、十楔、多园”的绿色空间结构，由此出台了多项规划政策，其大多针对“结构性”绿地，如奥林匹克公园等点状绿核建设、第一道绿化隔离带和第二道绿化隔离带绿环建设、平原造林面域空间建设等相关政策，直接影响了绿色空间尤其是耕地与林地的转换，对北京市中心城绿色空间结构的形成起到明显推动作用。

6 北京市中心城2008—2016年各绿色空间类型转换空间分布Spatial distribution of green space into various types of land use in central Beijing （2008—2016）

注释：

文中图表均由作者自绘。