基于OLI数据的天津市土地利用空间格局分析

谢童谣，国巧真，付 盈，桑 潇，贺承伟

（天津城建大学 地质与测绘学院，天津 300384）

自1995年“土地利用/土地覆盖变化科学研究计划”这一计划的提出，土地利用变化研究成为国内外研究热点[1]，对处于快速城市化阶段的中国城市来说，人类活动对土地利用格局的影响最为明显，因此具有显著的研究价值[2-4].随着摄影测量与遥感技术迅速发展，人类对地球表面的空间信息获取更加高效准确[5-8].完整的数据支持使得对地物空间信息的研究深入推进到定量化过程，景观指数作为定量化描述土地格局的工具，被广泛运用于不同区域的空间格局分析中[9].2008年Kandrika和Rory利用IRS-P6 awifs影像对研究区进行解译分析，2014年Tian等结合遥感影像和文本资料对印度的土地利用现状及时态变化进行了探讨和分析，2015年Madanian和Soffianian针对伊朗伊斯法罕的土地利用情况，利用1975年、1990年和2010年3期MSS/TM数据进行比较分析[10-13].国内学者利用遥感数据对不同区域土地利用空间格局及时空变化开展了大量研究.随着国内城镇化的快速推进，国内土地利用研究区域呈现从大的空间尺度逐渐向小尺度的发展趋势.天津市是中国四大直辖市之一，自2014年京津冀协同发展的国家战略提出，确定了“双城双港、相向拓展、一轴两带、南北生态”城市规划理念.本文对天津市2016年的土地利用空间格局进行分析，从而得出天津市的发展现状与趋势，为促进京津冀协同发展以及环渤海区经济中心的发展提供科学的数据参考和借鉴.

1 研究区概况和数据源

1.1 研究区概况

天津市位于北纬 38°34′～40°15′，东经 116°43′～118°04′之间.天津市由16个市辖区组成，市辖区分为中心城市、环城区和远郊区，中心城市由和平区、河北区、河东区、河西区、南开区、红桥区组成；环城区由东丽区、津南区、西青区、北辰区组成，远郊区由宝坻区、宁河区、武清区、静海区、蓟州区和滨海新区组成（见图 1）.市中心位于东经 117°10′，北纬 39°10′.

图1 研究区示意图

1.2 数据源

OLI是Landsat 8卫星上所搭载的两种传感器之一，OLI陆地成像仪包括9个波段，空间分辨率30 m，其中全色波段的空间分辨率为15 m.成像宽幅为185 km×185 km.本文从地理空间数据云获取四景OLI影像数据.

2 研究方法

本文根据土地利用分类标准，并结合研究区实际情况，将天津市地物覆盖类型分为5类：林地、耕地、水域、建设用地和未利用地.以2016年OLI遥感图像为数据源，采用最大似然分析算法对影像进行分类，再对分类结果进行后处理，获得2016年天津市地物分类图（见图2），对结果进行精度评定，总精度为86.00%，Kappa系数为0.76，可以满足对数据质量的精度要求.叠加天津市区县矢量文件，将各类地物在天津各区的分布情况进行统计分析.再以天津市行政中心，即天津市政府为中心，将天津分为东南西北4个区域，分别进行各类地物的分布统计，从而得到天津市2016年大致发展状况.此外，本文基于Fragstats4.0平台，采用景观指数来对天津市各区的空间格局进行定量分析，从景观多样性分异、景观形状分异、景观破碎性分异和景观异质性分异4个角度来探究天津土地利用空间格局分异.

图2 天津市土地利用分类图

3 空间格局分析

基于GIS空间分析算法，对天津市2016年的土地利用现状数据中的各类地物类型进行相关的统计处理分析.

3.1 总体空间格局特征

根据土地利用分类结果，得出各土地利用类型面积及所占比例（见图3），天津市2016年的水域面积达到1 272.64 km2，占整个天津市土地总面积的10.65%；耕地面积达到6 213.69 km2，占整个天津市土地总面积的52.01%；建设用地面积达到3 772.20 km2，占整个天津市土地总面积的31.57%；林地面积达到457.01 km2，占整个天津市土地总面积的3.83%；未利用地面积达到231.35 km2，占整个天津市土地总面积的1.94%.通过上述各类地物所占天津全区域比重可知：耕地是整个天津市的土地利用空间格局的基底，其次是建设用地，水域占天津土地利用类型比重也较多.林地主要分布在天津的北部地区，天津北部多为低山丘陵，林地资源丰富.

图3 天津市土地利用类型比例图

3.2 主要土地利用类型的空间格局特征

由天津市整体土地利用分类统计信息（见表1）可知耕地、建设用地和水域是最主要的3类土地利用类型，结合3种地物在各区及在以天津市政府为中心划分的东南西北4个地理空间分布情况（见图4-6），可以看出：耕地主要分布在天津的远郊区，远郊区内宁河区、静海区、武清区及宝坻区的耕地比重均在65%以上，宁河区内耕地比重最大，占宁河区总面积的77.31%.环城区的耕地比重较少，其中北辰区内耕地比重最多，约45.54%；东丽区和津南区内耕地比重均在20%以下.中心城区的耕地比重几乎为0.在天津整体范围内，耕地的分布以中心城区为核心，向外围地域逐步增多.在地理分布上大致呈“北多南少”的特征.

建设用地的分布主要集中在中心城区内，市内六区的建设用地比重均达到95%以上.环城区的建设用地比重稍低于中心城区，环城区内建设用地所占比重最多为东丽区，约为81.61%；津南区内建设用地所占比重约为76.65%；西青区内建设用地所占比重约为61.82%；北辰区内建设用地所占比重约为49.07%.远郊区的建设用地比重更少，除滨海新区建设用地占约42.11%之外，其他地区均在20%左右.可以看出，建设用地的分布主要以市内六区和滨海新区核心区为重心，海河沿岸地区作为桥梁，连接起天津两大核心区，并向武清区延伸，形成一条东南走向的“轴承”.滨海新区的建设用地主要集中在以塘沽金街为中心的核心区及两大港（北港区和南港区）.

水域面积比重最大的地区是滨海新区，约占34.15%，远高于其他地区的水域面积所占比重.宝坻区的水域比重约占12.45%，其余地区的水域比重均在12%以下.水域在天津市的整体空间分布格局大致为“东多西少”，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间发展战略所提出的“南北生态”.

表1 天津市各区土地利用现状百分比 %

图4 耕地、建设用地、水域在各区分布图

图5 地理方位上各类地物所占比重

图6 地理空间分布图

3.3 景观空间分异分析

土地利用空间格局差异在景观空间分异上也有体现.为探究天津市各地土地利用类型的空间分布特征与内在关系，对天津市2016年各类土地利用景观信息进行统计（见表2），并借助景观指数对天津市土地利用空间格局进行定量表征.

由表2可以看出：建设用地的斑块个数最多，远远高于其他景观类型，其次是耕地的斑块数量，但是耕地所占的面积最多，远高于其他景观类型.林地的斑块密度最小，但平均斑块面积最大，说明林地的总面积少但在地理空间上分布最集中.未利用地的平均斑块面积最小，说明未利用的斑块分布较为破碎.

根据基本景观信息，结合研究区的特征和各景观指数含义，选择了Shannon多样性指数、景观形状指数、景观破碎度指数和景观优势度指数4个指标（见表3），得到天津各区土地利用景观指数折线图（见图7-11）

3.3.1 景观多样性分异

天津Shannon多样性指数折线图见图7.市区内的多样性指数最低为0.12，表示市区内景观结构组成最为简单，主要是建设用地，土地利用的破碎化程度也最低.环城区包含的4个区的多样性指数位于0.60～0.90之间，平均多样性指数为0.76，其中，东丽区和津南区的多样性指数较低，两区分别处于海河沿岸南北地区，处于“京滨综合发展轴”中间段，城市化建设相对更高.远郊区的多样性指数位于0.68～1.72之间，远郊区各区的土地景观结构组成之间差异较大，平均多样性指数为1.34，蓟州区景观多样性最高，丰富的林地资源和水资源为京津冀协同发展提供天然的生态屏障.滨海新区具有丰富的湿地资源，其多样性指数同样高达1.1.总体来看，2016年天津市的空间格局随着距以和平区为中心的市区越远，其土地利用类型的复杂度越高，表现了人类活动越密集的地区，景观多样性越低.

表2 基本景观信息

表3 景观指数基本定义

图7 各区多样性指数折线图

3.3.2 景观形状分异

景观形状指数折线图见图8.天津市区内的景观形状指数最低为0，远远小于其他区，说明市区内景观斑块的形状最规则.环城区4个区的景观形状指数介于0.022～0.030之间，承担较多城市功能的东丽区和津南区也表现出较低的形状指数.远郊区的景观形状指数介于0.028～0.045之间，这表明远郊区整体的景观斑块的形状相对更不规则.宝坻区景观形状指数最高达到0.045，宝坻区水域资源丰富，农业活动密集，建设用地的比例不低但空间分布较分散，导致宝坻区的景观形状更为复杂.总体来看，2016年天津市各区内的景观形状指数随着距以和平区为中心的市区越远，其值越高，土地利用斑块的规则化程度越低.

图8 各区景观形状指数折线图

3.3.3 景观破碎性分异

景观破碎度折线图见图9.天津市的景观破碎度在市区达到最低值为0.05，远远低于其他地区，市内的土地利用类型单一，绝大多数为建设用地，且密集分布成片状覆盖.环城区的景观破碎度介于0.16～0.23之间，东丽区和津南区偏低，这两区分别处于海河沿岸的南北两端，建设用地作为最主要的土地利用类型，其分布也集中在海河沿岸.而远郊区的景观破碎度介于0.24～0.58.蓟州区的景观破碎度最高，这是因为蓟州区各类土地利用资源最为均衡，由于地势南高北低，呈阶梯状分布，人类活动则较为稀疏分散.除滨海新区之外，远郊区内景观破碎性普遍较高，滨海新区承担着天津市第二大核心发展载体，人类活动密集、建设用地面积比例较多.这说明人类开发活动与景观破碎性呈显著的正相关性，城市功能越突出的区域，景观破碎性越低.

图9 各区景观破碎度折线图

3.3.4 景观异质性分异

景观优势度折线图见图10.市区的景观优势度明显高于其他区域，高达1.14，表明市区的景观结构被主要景观类型即建设用地所主导，随着距市中心的距离越远，景观优势度越低.环城区的景观优势度介于0.36～0.66，远郊区则介于0～0.58之间，蓟州区的景观优势度最低.表明在距市中心越远的区域，其各类地物所占面积权重更为均衡，土地利用类型越丰富，结构也更复杂，在区域内发挥越平衡的功能，城市功能则显得更不明显.

图10 各区景观优势度折线图

对于天津市各地理方位上的土地利用情况，同样采取Shannon多样性指数、景观形状指数、景观破碎度指数和景观优势度指数4个指标，得到4个地理方位上的景观指数折线图（见图11）.

图11 各地理方位上景观指数折线图

天津市北部和南部地区的景观多样性偏大，景观形状指数值也偏高，说明天津市北部及南部地区景观类型较丰富，景观结构更复杂，景观斑块形状更不规则，天津市林地资源主要分布在天津市北部，南部地区有丰富的水域及湿地资源，天津市南北部的生态环境较好.西部地区的景观多样性最低，且景观破碎度也较低，景观形状较规则，说明天津市西部地区的景观结构最简单，自然资源较少.东部地区的景观形状指数最低，但景观优势度及景观破碎度相对较高，主要因为天津市东临渤海，水域较为丰富，此外景观形状最为规则，说明东部地区城市化水平最高，人类活动相对密集.

4 结论

本文以天津市2016年的OLI遥感影像为基础数据源，利用GIS空间分析算法，将天津市的空间格局提取出来，并以土地利用现状数据为研究对象，从以下几个角度来分析天津市的空间格局特征.

（1）分析天津市整体区域内各类地物分布情况，所得结论如下：耕地、建设用地、水域是天津市三大土地利用类型，其中耕地面积所占比重高达全市面积的52.01%，是天津市最主要的土地利用类型，在空间上耕地的分布大致呈“北多南少”的特征；第二大土地利用类型是建设用地，占天津市总面积的31.57%左右，建设用地在空间上的分布格局与耕地相反，大致呈“北少南多”的特征，主要集中分布在以和平区为中心的中心城区内.林地主要分布在蓟州区.

（2）借助景观指数深入研究天津市各区及各地理方位上的土地利用情况，得到结论如下：天津市的土地利用随着距以和平区为中心的市区越远，其复杂度越高，各土地利用类型斑块的分布也越均匀，被少数主要景观类型所主导的程度也越低.各区内的各土地利用类型斑块的形状随着距以和平区为中心的市区越远，其规则化程度越低.天津市北部及南部地区自然资源丰富，景观结构复杂，景观破碎度较高，东部地区的景观形状最为规则，人类活动最为密集，城市化水平最高.