全 文 ：第27卷第4期 生态科学 27(4)：254-261
2008年8月 EcologicalScience Aug．2008
基于GIS的北京市城乡景观格局梯度时空变化研究
全泉，田光进
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lO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
Agradientanalysisofspatiotemporalchangesofurbanlandscapep tternin
BeijingmetropolitanregiobyGIS
QUANQuanTIANGuang-jin
SchoolfEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China
Abstract：Fromtheg adientspatiotemperallandscapep tternanalysisusingthelandscapemetricsba edonthe1990and2000
landusedataofBeijingmetropolitanregion．weachievedthaffirmativendinformativeconclusionsonthecharacteristicsof
Beijing’Slandscapestructurechangepatternandthelandllsespatiotemporalchangep tterninthetenyears．Forestandcultivated
landwerethemosttwodominantlandscapetypes，buttheurbanlandexpandedlargelyfrom1990to2000andthetotalreaof
urbanlandWasalmostthesanleasruralsettlementwhichindicatedthattheurbanizationlevelofBeijinghadreachedtoahigh
level．Theurbanlandproportiondecreasedthedistancefromthecitycenterincreasedndurbanreasexpandedtothe
suburbanareasinthetenyears．Theurbanizationdegreewashighertothenorthdirectionhatothesouth．Thecultivatedlan
areadecreasedinallblocksinthetransectsandhedge锄-e嬲ofthecitywerethemostdynamicareandtheyWCTCmorc
separatedndfragmented．Combininglandscapemetricswitllgradientanalysisfromatemporalangleisarobustandefficient
methodt studythelandscapep nemchangeintheprocessofurbanization．
Keywords：gradientnalysis；landscapemetrics；spatiotemporalchanges；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：springlovel520@gmail．com
通讯作者：田光进Email：tianguansjin@grnail．C01
万方数据
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
I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【l】。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口J。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【蝴】。景观生态学运用景观格
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f11-161。
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斟1。7‘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问变化规律如何?
2研究区概况(GeneralityoftheS udyArea)
北京市位于北纬39056’，东经1160207，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16410．54km2【2¨。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318mm，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(SourcesofRe earch
MaterialsandMethod)
3．1数据来源及处理
本研究以1990年和2000年LandsatTM／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，中央经线
为东经1050r双标准纬线分别为北纬25。和北纬470，
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【2引。重分类后的2000年北京景观格局分布如
图l。在ARCGIS软件的支持下，将土地利用矢量数
据转换为30111×30m的栅格数据，用Fragstats3．3软
件进行景观格局指数计算【241。
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100km，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4km，
每条样带形成25个12kmX12km的矩形样方。利
用Fragstats3．3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)、
万方数据
256 生态科学EcologicalScience 27卷
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。
图1 2000年北京市景观类型图
Fig．1LindscapetypesinBeiiingin2000
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(ResultsandAnalysis)
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
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f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。lO年间城镇
用地比例呈增长趋势，距离城市中心8km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8km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24km左右的范围内的城市边缘地带最大。
10年间距离城市中心8km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lO年内处
于减小态势，位于城市中心南部8km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16km到
24km的北部地区城镇斑块面积均方差增加量最大，
万方数据
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
O．2
0．16
0．12
0．08
0．04
O
35
30
25
20
15
10
5
0
斑块密度PD(#／km2)
刚m雨
m一一匡 ～酣一m爵融
最大斑块指数LPI
匡
一
匿 一一。．羽．。]
50
40
30
20
10
O
40
30
20
10
O
景观类型比例PLAND(％)
匡 匿 ，翮．一 ，胡刚一
平均斑块面积MPS(km2)
翮。圈一⋯． 冀
A B C D E F G n A B C D E‘F G H
圈1990口2000
A耕地(佃1nl蛐d)；8林地(6mstlmd)：C草地(gra鹞l柚d)；D水域(w删；E未利用土地(岫Inilizedland),F城镇用地(IIrb姐land)；G农村居民点(眦l
residentiall锄d)：H公交建筑用地(roadsandbuildingland)
图2北京市景观的总体特征
Fig．2SynopticlandscapecharacteristicferBeijins
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12km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16km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16km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
万方数据
258 生态科学EcologicalScience 27卷
0．7
0．6
O．5
O．4
O．3
O．2
O．1
O
14
12
10
8
6
4
2
0
1990年斑块密度PD(#／km2)
0．7
0．6
0．5
0．4
0．3
O．2
0．1
0
2000年斑块密度PD(#／km2)
I 3 5 7 9 ll131517192I2325 l 3 5 7 9 ll131517 192l2325
1990年景观形状指数LSI
150
120
90
60
30
0
12
10
8
●
6
4
2
O
14
12
10
8
6
4
2
0
2000年景观形状指数LSI
I 3 5 7 9 11 131517i92l 2325 l 3 5 7 9 ii 13151719212325
1990年平均斑块面积MPS(km2)
150
120
90
60
30
O
2000年平均斑块面积MPS(km2)
l 3 5 7 9 1l13151719212325 l 3 5 7 9 1l13151719212325
1990年面积加权平均形状指数AWMSI
12
10
8
6
4
2
O
2000年面积加权平均形状指数AWMSI
l 3 5 7 9 Ii 131517192l2325 l 3 5 7 9 1l131517192l2325
样方号 样方号
Numbersofthequadmts Numbersofthequadrats
—O一耕地 一林地—扣草地—囊一城镇用地—o-．农村居民点
—△一gtasslar,．d．
--．．．．_--ughenl ad—o—n誓吐fe。i出觚alland
图3 1990年和2000年各景观类型在南北样带上的变化
rig．3Changesinlandscapepatternalongthenorth-southtransectbypatchin1990and2000
万方数据
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60
50
40
30
20
10
0
12
10
8
6
4
2
O
景观丰富度PR
1．6
1．4
1．2
1
0．8
0．6
O．4
0．2
0
1
0．8
O．6
0．4
0．2
斑块密度PD(#1km2)
边缘密度ED
8000
6000
4000
2000
O
斑块面积标准差PSSD
l 3 5 7 9 11131517192l2325 l 3 5 7 9 1113151719212325
景观形状指数LSI 面积加权平均形状指数AWMSI
1 3 5 7 9 11 13151719212325 1 3 5 7 9 1113151719212325
香农多样性指数SHDI
1 3 5 7 9 11131517192l2325
样方号
Numbemofthequadrats
110
100
90
80
70
60
50
40
景观聚集度指数CON
1 3 5 7 9 11 131517．19212325
样方号
Numbemofthequadrats
+1990东西样带I卜2000东西样糟+1990南北样带—》一2000南北样带
+1990east-westtsansec --f3-2000east-westUajoJect--&--1990south-northtransect—C卜2咖∞砒卜nofthtf"ect
图41990年和2000年东西、南北两条样带在景观尺度上的变化
Fig．4Changesinlandscape-levelmetricsalongtheeast-westtransectandthesouth。northtransect
习篱蘸
万方数据
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(ConclusionsandDiscussion)
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【2黏30J。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p01。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8km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lO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限制，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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万方数据
基于GIS的北京市城乡景观格局梯度时空变化研究
作者： 全泉， 田光进， QUAN Quan， TIAN Guang-jin
作者单位： 北京师范大学环境学院,北京,100875
刊名： 生态科学
英文刊名： ECOLOGICAL SCIENCE
年，卷(期)： 2008,27(4)

参考文献(30条)
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引证文献(1条)
1.周锐.李月辉.胡远满.贺红士.隋珍 苏南典型乡镇景观梯度变化[期刊论文]-生态学杂志 2011(2)


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