京津冀地區(qū)重要地理國情監(jiān)測與分析

京津冀地區(qū)重要地理國情監(jiān)測與分析

目前，能源資源相對不足、生態(tài)環(huán)境承載能力不強已成為我國的基本國情。黨的十八屆三中全會明確提出，要加快生態(tài)文明建設(shè)，迫切要求地理國情普查和監(jiān)測提供權(quán)威、可靠、及時的國情國力數(shù)據(jù)。2013年全國第一次地理國情普查以來，國家測繪地理信息局按照“邊普查、邊監(jiān)測、邊應(yīng)用”的原則，開展了一系列重要地理國情監(jiān)測工作。京津冀地區(qū)作為中國的政治文化中心，不僅是國家管理、對外交流、技術(shù)貿(mào)易和交通樞紐地區(qū)，也是特大城市人口、科技、教育等最集中的地區(qū)。2013年，京津冀一體化發(fā)展上升為重大國家戰(zhàn)略。2015年4月30日中共中央政治局審議通過《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》，綱要指出，生態(tài)環(huán)境保護要作為京津冀協(xié)同發(fā)展的突破口，沒有環(huán)保一體化，就沒有京津冀一體化。在京津冀地區(qū)協(xié)同發(fā)展的國家重大戰(zhàn)略背景下，中國測繪科學(xué)研究院在國家測繪地理信息局的指導(dǎo)下，與北京市規(guī)劃委員會、天津市規(guī)劃局、河北省地理信息局、中國環(huán)境監(jiān)測總站和中南大學(xué)等單位密切合作，開展了2014年度京津冀地區(qū)重要地理國情監(jiān)測工作，旨在為京津冀協(xié)同發(fā)展提供可靠的地理國情信息支撐。2015年9月16日，在北京發(fā)布了2014年度京津冀地區(qū)重要地理國情監(jiān)測研究成果。發(fā)布會現(xiàn)場，《人民日報》、新華社、《光明日報》、《經(jīng)濟日報》、中央人民廣播電臺、中央電視臺、《科技日報》、《工人日報》、中國新聞社、《北京日報》、《北京晚報》、新華網(wǎng)、人民網(wǎng)、《國土資源報》、《中國測繪報》、國家局網(wǎng)站等16家媒體派出記者參會，會上提問踴躍，大家圍繞監(jiān)測成果、技術(shù)方法、價值和意義等問題向相關(guān)技術(shù)人員提問，中央電視臺在現(xiàn)場進行了采訪。根據(jù)國家測繪地理信息局局長庫熱西·買合蘇提答《學(xué)習(xí)時報》記者問時的新聞報道：成果發(fā)布后，京津冀地區(qū)的污染源分布、植被覆蓋、城市擴展、地表沉降等監(jiān)測成果引起了張高麗副總理的關(guān)注。本文從京津冀地區(qū)重點大氣顆粒物污染源空間分布監(jiān)測、城市空間擴展監(jiān)測、植被覆蓋度變化監(jiān)測、地表沉降監(jiān)測等方面，介紹了監(jiān)測方法、主要成果和結(jié)論等。一京津冀地區(qū)重要地理國情監(jiān)測方法（一）研究區(qū)域概況京津冀地區(qū)是位于我國北方的城市群，包括北京市、天津市兩個直轄市以及河北省的保定、廊坊、唐山、張家口、承德、秦皇島、滄州、衡水、邢臺市、邯鄲、石家莊11個地級市（見圖1）。土地面積21.8萬平方千米，常住人口約為1.1億人，其中外來人口為1750萬。2014年地區(qū)生產(chǎn)總值約為6.65萬億元，以汽車工業(yè)、電子工業(yè)、機械工業(yè)、鋼鐵工業(yè)為主，是全國主要的高新技術(shù)和重工業(yè)基地。同時作為中國政治中心、文化中心、國際交往中心、科技創(chuàng)新中心，京津冀一體化發(fā)展上升為重大國家戰(zhàn)略，但目前京津冀地區(qū)以每年1.38%的速率快速城市化擴展，快速經(jīng)濟發(fā)展與資源需求都對生態(tài)環(huán)境造成巨大壓力。圖1京津冀地區(qū)的地理位置（二）監(jiān)測方法1.京津冀地區(qū)重點大氣顆粒物污染源空間分布監(jiān)測揚塵地表和重點行業(yè)的工業(yè)企業(yè)點是產(chǎn)生大氣顆粒污染物（PM2.5和PM10）的主要污染源，本文中重點大氣顆粒物污染源指這兩方面的內(nèi)容。其中，揚塵地表是指在風(fēng)力、人為帶動及其他帶動作用下，能產(chǎn)生地面塵土并進入大氣的地表。在全國第一次地理國情普查劃分的地表覆蓋類型中，揚塵地表主要包括露天采掘場、堆放物、建筑工地、自然裸露地表、碾壓踩踏場院和其他能產(chǎn)生揚塵的面狀地表覆蓋類型；重點行業(yè)的工業(yè)企業(yè)污染源是指在工業(yè)生產(chǎn)中排放重點大氣顆粒物（PM2.5和PM10）的工業(yè)企業(yè)。按照工業(yè)企業(yè)行業(yè)劃分的類型，重點行業(yè)的工業(yè)企業(yè)污染源包括鋼鐵冶煉及壓延加工企業(yè)、火力發(fā)電和熱力生產(chǎn)供應(yīng)企業(yè)、水泥建材企業(yè)、石化化工企業(yè)、有色金屬冶煉及加工企業(yè)、煤炭采礦企業(yè)等類型企業(yè)。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是對高分辨率航空航天遙感影像數(shù)據(jù)進行正射校正、輻射校正和大氣校正。揚塵地表污染源空間分布數(shù)據(jù)主要利用2007年和2013年高分辨率遙感數(shù)據(jù)提取并經(jīng)過外業(yè)核查完成。遙感數(shù)據(jù)包括：2007年左右獲取的北京、天津地區(qū)優(yōu)于1米分辨率的彩色航空影像以及河北省2.5米全色和10米多光譜融合生成的SPOT遙感影像，2013年獲取的北京、天津地區(qū)優(yōu)于1米分辨率的彩色航空影像以及河北省2.1米全色和5.8米多光譜融合生成的國產(chǎn)資源三號衛(wèi)星影像。京津冀地區(qū)工業(yè)企業(yè)重點大氣顆粒物污染源數(shù)據(jù)的采集主要依據(jù)相關(guān)專題數(shù)據(jù)資料并結(jié)合高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)以及1∶1萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)進行分析和空間定位，并通過外業(yè)核查完成。質(zhì)量控制方法主要是對內(nèi)業(yè)提取的地表面污染源和點污染源信息由不同級別作業(yè)人員先進行內(nèi)業(yè)檢查，然后通過外業(yè)實地勘察進行核查。充分利用其他相關(guān)的專題統(tǒng)計數(shù)據(jù)，包括北京、天津、河北第六次人口普查數(shù)據(jù)，2007年和2013年京津冀地區(qū)環(huán)境監(jiān)測站點的PM2.5和PM10監(jiān)測數(shù)據(jù)等，采用揚塵地表與統(tǒng)計單元面積的比例、統(tǒng)計單元內(nèi)重點行業(yè)的工業(yè)企業(yè)污染源密度等參數(shù)對京津冀地區(qū)重點大氣顆粒物污染源揚塵地表污染源和工業(yè)企業(yè)污染源成果數(shù)據(jù)進行分析。2.京津冀地區(qū)城市空間擴展監(jiān)測本次監(jiān)測中城區(qū)的定義是指從城市中心至城市與農(nóng)村之間的邊界所圍成的區(qū)域，位于相應(yīng)城市行政境界線內(nèi)。利用1990年、2002年、2013年三個時相的航空航天遙感影像，并結(jié)合與各時相配套的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、1∶50000比例尺行政境界線及土地利用數(shù)據(jù)、城市規(guī)劃數(shù)據(jù)、地籍測繪數(shù)據(jù)、京津冀地區(qū)人口等統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以及收集的城市規(guī)劃相關(guān)年鑒等專題資料，開展京津冀地區(qū)（含北京市、天津市、河北省153個縣級以上城市）的城市空間擴展監(jiān)測。具體實施過程包括不同時期影像的鑲嵌、裁切、配準、波段組合，參考資料統(tǒng)計數(shù)據(jù)的甄選分析與數(shù)字化，城市規(guī)劃資料的收集與整理等預(yù)處理；按照城區(qū)的定義，依據(jù)“行政境界線”“擴展模式”“城市景觀特征”“城市形態(tài)”特征，遵從先定性再定量、先宏觀再微觀、先提取后統(tǒng)計分析的流程，按照“行政境界線”限定、“擴展模式”約束、“城市景觀特征”符合、“城市形態(tài)”吻合的原則來實現(xiàn)城區(qū)邊界的界定，從遙感影像上解譯提取城區(qū)的界線。提取過程首先完成最新時相的城區(qū)提取，然后按時間順序依次完成前時相的城區(qū)提取工作；在城區(qū)提取完成后，采用城市擴展強度、城市分形維數(shù)對城區(qū)的空間擴展進行統(tǒng)計和分析，分析城市發(fā)展規(guī)律。3.京津冀地區(qū)植被覆蓋度變化監(jiān)測植被覆蓋度是指植被（包括葉、莖、枝）在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)總面積的比例，常用于植被變化、生態(tài)環(huán)境研究、水土保持等方面。植被覆蓋度的測量可分為地面測量和遙感估算兩種方法，遙感技術(shù)成為植被覆蓋度估算及植被覆蓋變化監(jiān)測的重要方法。京津冀地區(qū)植被覆蓋變化監(jiān)測首先對2002年、2006年、2010年和2013年Landsat30米分辨率影像（北京市六環(huán)內(nèi)采用Spot10米分辨率影像）進行包括幾何校正和輻射糾正等的預(yù)處理，對地形起伏大的地表還需采用DEM數(shù)據(jù)進行地形校正，進而在此數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上利用基于植被指數(shù)的像元二分模型法估算京津冀地區(qū)的植被覆蓋度，直接采用線性像元分解模型估算重點市區(qū)北京市六環(huán)以內(nèi)區(qū)域植被覆蓋度。通過野外實地采樣對模型的精度進行檢核與驗證。在此基礎(chǔ)上優(yōu)化模型參數(shù)。利用優(yōu)化后的模型估算植被覆蓋度。通過野外抽樣核查合格后，形成植被覆蓋度監(jiān)測成果。統(tǒng)計整個京津冀地區(qū)和重點市區(qū)北京市六環(huán)以內(nèi)區(qū)域2002～2013年植被覆蓋度的空間分布特點，并對植被覆蓋度等級分布特點，以及不同級別在這個時間段內(nèi)的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系進行分析；以行政區(qū)為單位對植被覆蓋度的時空變化情況進行統(tǒng)計分析。4.京津冀地區(qū)地表沉降監(jiān)測利用中高分辨率衛(wèi)星合成孔徑雷達（SAR）遙感數(shù)據(jù)，采用中國測繪科學(xué)研究院具有自主知識產(chǎn)權(quán)的時間序列InSAR技術(shù)及自主研發(fā)的“InSAR地表形變監(jiān)測系統(tǒng)”，對京津冀地表沉降較為嚴重的平原地區(qū)，以及四個重點城市北京、天津、唐山和廊坊進行高精度監(jiān)測。①利用20米中分辨率ERS-1/2SAR和ENVISATASAR影像獲取京津冀重點地區(qū)沉降總量、平均沉降速率、沉降范圍、沉降中心分布等信息，監(jiān)測范圍包括北京市平原地區(qū)、天津市全部以及京津周邊的河北省唐山市、廊坊市和保定市，監(jiān)測時段為1992～2010年；②利用30米中分辨率RadarSAT-2SAR影像獲取京津冀擴展地區(qū)的沉降總量、平均沉降速率、沉降范圍、沉降中心分布等信息，監(jiān)測范圍包括北京市平原地區(qū)、天津市全部以及河北省平原地區(qū)，監(jiān)測時段為2011～2014年；③利用3米高分辨率TerraSAR-X、COSMO-SkyMedSAR影像獲取京津冀地區(qū)北京、天津、唐山、廊坊4個重點城市主城區(qū)的沉降總量、平均沉降速率、沉降范圍、沉降中心分布等信息，監(jiān)測時段為2011～2014年。京津冀地區(qū)大區(qū)域地表沉降監(jiān)測技術(shù)指標的點目標精度優(yōu)于5～10毫米/年，北京、天津、唐山、廊坊四市主城區(qū)地表沉降監(jiān)測技術(shù)指標：點目標精度優(yōu)于3～5毫米/年。二京津冀地區(qū)重要地理國情監(jiān)測成果（一）京津冀地區(qū)重點大氣顆粒物污染源空間分布監(jiān)測1.2007～2013年京津冀地區(qū)揚塵地表空間分布及變化2007年、2013年的揚塵地表都主要分布在太行山脈下緣，行政上隸屬于秦皇島北部、唐山北部、廊坊、北京南部、保定的西北部、石家莊的大部、邢臺和邯鄲的西部（具體分布見圖2）。2007年京津冀地區(qū)揚塵地表總面積約為2930平方千米，占京津冀地區(qū)土地總面積的1.35%；2013年各類揚塵地表總面積約為4182.47平方千米，占京津冀地區(qū)土地總面積的1.93%；2007～2013年揚塵地表面污染源的總面積有顯著增加，增加了約1253平方千米，約占京津冀土地總面積的0.58%；各類型揚塵地表面積均增加，其中變化最大的是建筑工地，該類型面積增加了456平方千米，約增長了一倍；其次是堆放物和露天采掘場。圖22007年、2013年京津冀重點大氣顆粒物污染源揚塵地表空間分布2.2007～2013年京津冀地區(qū)重點行業(yè)的工業(yè)企業(yè)污染源空間分布及變化2007年京津冀地區(qū)工業(yè)企業(yè)污染源總計有1.8萬余家，其中最多的是煤炭采礦業(yè)、造紙行業(yè)和水泥建材行業(yè)，三者合計約占京津冀地區(qū)總污染企業(yè)的68.29%；2013年京津冀地區(qū)工業(yè)企業(yè)污染源比2007年增加了2萬余家，達到3.8萬余家，其中占比最大的是煤炭采礦業(yè)和水泥建材業(yè)。2007年各城市污染企業(yè)最多的是北京市，約占京津冀地區(qū)污染企業(yè)總數(shù)量的32.68%；2013年唐山市代替北京市成為京津冀地區(qū)污染企業(yè)最多的城市，占污染企業(yè)總數(shù)的16.07%。圖3是2007年、2013年京津冀重點行業(yè)的工業(yè)企業(yè)污染源空間分布情況。圖32007年、2013年京津冀重點行業(yè)的工業(yè)企業(yè)污染源空間分布（二）京津冀地區(qū)城市空間擴展監(jiān)測1.1990～2013年京津冀地區(qū)城市空間擴展時空過程1990、2002、2013年京津冀地區(qū)城區(qū)總面積分別為1650.55、2483.78、3747.47平方千米，分別占總面積的0.76%、1.15%、1.73%。1990～2002年城區(qū)面積擴展了2000余平方千米，北京、保定城區(qū)擴展面積較大，承德、秦皇島城區(qū)擴展面積較小，其他城市城區(qū)擴展差異并不顯著。2002～2013年，隨著北京、天津人口和經(jīng)濟的高速增長，城區(qū)分別以24.31平方千米/年、37.67平方千米/年高速擴展，這兩個城市同其他城市的城區(qū)面積擴展差異明顯增強。本文也對重點城市空間擴展分異特征進行了監(jiān)測，1990～2013年，北京城六區(qū)在各方向上均有擴張，向西北、北、西南方向擴展面積較大，三個方向的擴展面積占城六區(qū)總擴展面積的54.22%，且三個方向擴展強度都顯著高于平均擴展強度。天津市1990～2013年東南、南方擴展強度都顯著高于平均擴展強度。1990～2002年和2002～2013年兩個階段各方向空間上擴展強度都有不同程度的增加，兩個階段東北、西北和東南方向上擴展強度都保持較低水平，東南方向的城區(qū)擴展增幅最大（具體見圖4）。圖4京津冀地區(qū)1990、2002、2013年各城區(qū)空間分布及重點城市空間擴展強度2.1990～2013年京津冀地區(qū)城市空間擴展特征從1990年到2013年，13個城市分形維數(shù)的平均值由1.51上升到1.61，說明總體上分形是增加的。13個城市中只有承德市和唐山市是減小的，其他城市都在增加。分形維數(shù)增加值最大的是衡水市，衡水市1990～2013年城市主要是外延擴展，特別是北部、南部城區(qū)擴展周界破碎、形狀不規(guī)則（見圖5）。圖5京津冀地區(qū)1990～2013年13個城市分形維數(shù)變化（三）京津冀地區(qū)植被覆蓋變化監(jiān)測1.2002～2013年京津冀地區(qū)植被覆蓋變化過程2002～2013年，京津冀地區(qū)植被覆蓋度均值呈波動增長態(tài)勢（見圖6）。與2002年相比，2013年該地區(qū)植被覆蓋度均值增加了6.44%。2002～2006年京津冀地區(qū)植被覆蓋狀況明顯變好，2006～2010年該地區(qū)植被覆蓋度均值減少了0.62%，2010～2013年植被覆蓋狀況呈好轉(zhuǎn)趨勢，植被覆蓋度均值增加了1.80%。該區(qū)域的極低和極高植被覆蓋區(qū)域面積呈增長趨勢，中高植被覆蓋區(qū)、中植被覆蓋區(qū)、低植被覆蓋區(qū)面積都呈減少趨勢。2002～2013年，北京地區(qū)植被覆蓋狀況一直比較好，植被覆蓋度均值呈波動下降趨勢，變化幅度很小，為1%左右，該區(qū)域的極低植被覆蓋區(qū)域面積呈增長趨勢，中高植被覆蓋區(qū)面積都呈減少趨勢。天津地區(qū)2002～2013年植被覆蓋度均值先增后減，2006年植被覆蓋度均值達到最高；2002～2006年，植被覆蓋度均值增加主要由極高植被覆蓋區(qū)面積大幅增加引起。2006年以來，天津地區(qū)極低植被覆蓋區(qū)域面積增加。河北地區(qū)2002～2013年植被覆蓋度均值增加明顯。2002～2013年，植被覆蓋度均值增加主要由極高植被覆蓋區(qū)面積大幅增加引起。2010年以來，河北地區(qū)極低植被覆蓋區(qū)域面積增加，中植被覆蓋區(qū)域、中高植被覆蓋區(qū)域面積減少。圖6京津冀地區(qū)2002～2013年植被覆蓋度均值變化曲線2.2002～2013年京津冀地區(qū)植被覆蓋變化趨勢2002～2013年，京津冀植被覆蓋狀況變化整體上呈改善趨勢。京津冀地區(qū)大部分區(qū)域植被覆蓋狀況基本不變，占62.25%；植被覆蓋變好區(qū)域面積約為變差面積的一半，植被狀況變差和變好都以輕微變化為主。在京津冀西部的張家口地區(qū)、滄州北部、衡水西北部等區(qū)域植被覆蓋狀況呈改善趨勢，北京北部及承德地區(qū)大部分植被狀況變化不大，京津冀地區(qū)中部偏東北部的北京市、廊坊、唐山，以及西南部的保定、石家莊、邢臺、邯鄲等地區(qū)植被覆蓋狀況呈退化趨勢。2002～2013年北京市六環(huán)內(nèi)植被覆蓋度均值呈減少趨勢，與2002年相比，2013年該地區(qū)植被覆蓋度均值減少了15.95%。植被覆蓋狀況變差主要表現(xiàn)在北京市主城區(qū)范圍內(nèi)低植被覆蓋區(qū)域變?yōu)闃O低植被覆蓋區(qū)，主城區(qū)周邊的中植被覆蓋區(qū)變?yōu)榈椭脖桓采w區(qū)。2002～2013年，北京市二環(huán)至六環(huán)內(nèi)極低植被覆蓋度均值變化比較類似，都呈持續(xù)減少狀況（見圖7）。圖7京津冀地區(qū)2002～2013年植被覆蓋變化趨勢（四）京津冀地區(qū)地表沉降監(jiān)測1992～2002年，北京市的地表沉降處于緩慢發(fā)展階段，沉降速率總體較小，發(fā)育有6個小規(guī)模的沉降中心，初步形成了北—東部半圓形沉降帶，最大沉降速率為-48.3毫米/年。2003～2010年，北京市地表沉降快速發(fā)展，沉降漏斗集中分布在東郊和北郊，北—東部半圓形沉降帶已經(jīng)完全形成，最大沉降速率達-143.34毫米/年。1992～2002年，天津市除中心城區(qū)、北部薊縣和寶坻區(qū)外，其他區(qū)縣的地表沉降均有發(fā)育，最大沉降速率為-80.74毫米/年，沉降速率超過-50毫米/年的嚴重區(qū)面積為85.73平方千米。2003～2010年，天津市地表沉降無論是速率還是范圍都在迅速發(fā)展，其中南部和西部最為嚴重，形成了3個沉降帶，最大沉降速率達-134.89毫米/年。2012～2014年，天津市地表沉降整體上呈現(xiàn)“北增南減”格局，最大沉降速率由2003～2010年的-108.89毫米/年增加到-153.29毫米/年。由于SAR影像獲取原因，1992～2010年只監(jiān)測了河北省北部的廊坊市、保定東北部及唐山西部。1992～2002年，河北省北部的沉降區(qū)主要分布在唐山市南部的曹妃甸區(qū)、豐南區(qū)以及廊坊市區(qū)、文安縣等零星地區(qū)，最大沉降速率為-108.32毫米/年。2003～2010年，廊坊市沉降發(fā)展迅速，其西北部和東部地區(qū)都出現(xiàn)了大面積沉降。20