陳 軍，陳利軍，李 然，廖安平，彭 舒，魯 楠，2，張宇碩，3

1．國家基礎地理信息中心，北京100830；2．西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都611756；3．北京師范大學地理學與遙感科學學院，北京100875

1 引 言

為了滿足生活與生產(chǎn)之需，人類不斷地修建居所、構筑道路、開發(fā)能源，形成了以居住、交通、工礦設施等為主體，分布城鄉(xiāng)的建設用地，成為人類活動的直觀標志和生態(tài)足跡［1－2］。這不僅改變了地球表面覆蓋與形態(tài)，而且直接影響著局部、區(qū)域乃至全球的氣候、生物化學、水文過程［3－6］。全面摸清和分析建設用地的空間分布、時空擴展，對于環(huán)境變化研究、生態(tài)環(huán)境保護、地理國（世）情監(jiān)測、可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃等具有重要意義［7－14］。

自20世紀80年代以來，人們開始利用航空航天遙感手段進行建設用地的調查、監(jiān)測與分析。早期主要集中對單個城市或大城市連綿區(qū)的建成區(qū)空間分布進行測定［15－17］，以后逐步將研究區(qū)域擴展到一個國家或其他較大區(qū)域的建設用地，如基于Landsat衛(wèi)星影像的美國不透水層研究［18－19］、中國人工建設 不透水 地表研究［20－22］。在全球尺度的調查分析方面，近幾年曾有學者利用空間分辨率為500 m的MODIS影像資料生成了反映全球城市用地分布的MOD500數(shù)據(jù)產(chǎn)品［23］，從中統(tǒng)計出2000年全球3646個大城市連綿區(qū)和人口超過10萬城鎮(zhèn)的建設用地面積，分別為34×104km2和26．6×104km2［24］。文獻［2］利用 DMSP OLS（defense meteorological satellite program’s operational linescan system）的夜間燈光數(shù)據(jù)，近似地估算出全球人工不透水層（constructed impervious surface）的總面積為57．9×104km2，約占全球面積的0．43%。但其僅給出了粗空間分辨率的主要城鎮(zhèn)以上建設用地，沒有顧及鄉(xiāng)村建設用地。此外，美國和歐洲研制的6套空間分辨率300 m或1 km的全球地表覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品均包含了城市用地這一類型，但其總面積從0．27×105km2至3．52×105km2不等，呈數(shù)量級的差異［25］。這是至今無人對全球城鄉(xiāng)建設用地宏觀格局與變化進行深入分析的重要原因。

2014年，我國成功研制出世界上首套30 m全球地表覆蓋數(shù)據(jù)GlobeLand30，包括水體、耕地、林地、人造地表等10大類型，將同類全球產(chǎn)品的空間分辨率提高了10倍以上，且具有2000年和2010年 兩 個 時 相 （DOI 10．11769／GlobeLand30．2010．db，www．globeland30．org）［26－27］，全球總體分類精度達80%以上［28－29］。這為研究全球性問題提供了重要科學數(shù)據(jù)［30］。本文利用GlobeLand30的人造地表（artificial surfaces）數(shù)據(jù)層，開展了全球城鄉(xiāng)建設用地空間分布及2000—2010年變化的統(tǒng)計分析，力圖為全球生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境變化研究、地理世情監(jiān)測和可持續(xù)發(fā)展研究等提供第一手信息和依據(jù)。

2 基礎數(shù)據(jù)與分析方法

2．1 采用的基礎數(shù)據(jù)

GlobeLand30是以2000年和2010年兩個基準年的陸地衛(wèi)星Landsat TM、ETM＋為主，中國環(huán)境減災衛(wèi)星（HJ－1）影像數(shù)據(jù)和局部地區(qū)的北京一號（BJ－1）影像數(shù)據(jù)為輔，采用基于像素分類－對象提取－知識檢核的POK 方法研制而成［27－28］。其人造地表層是指人為活動形成的由瀝青、混凝土、沙石、磚瓦以及其他建材覆蓋的地表覆蓋類型，包括居民區(qū)（城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村莊）、交通、通訊以及工礦等設施等類型，不包括下墊面為土壤的城市綠地（如公園、高爾夫球場）和水體，與國土和規(guī)劃部門對城鄉(xiāng)建設用地的定義不完全相同?？紤]到城市綠地及水體所占比例較小，故用該人造地表數(shù)據(jù)去近似地替代城鄉(xiāng)建設用地。本文使用的國外GDP和人口統(tǒng)計資料分別來自“世界銀行WDI數(shù)據(jù)庫”和“國際統(tǒng)計年鑒”；中國部分的GDP和人口資料取自“中國統(tǒng)計年鑒”。其他還有全球基礎地理底圖數(shù)據(jù)（1∶100萬）、全球SRTM DEM和柯本—蓋格氣候帶分區(qū)數(shù)據(jù)等。

2．2 統(tǒng)計分析指標與思路

本文主要采用城鄉(xiāng)建設用地面積、構成占比以及增量占比為主要分析指標，其中增量占比定義為單位增量占總體增量的比例。為了分析全球城鄉(xiāng)建設用地的空間分布及格局，先是以經(jīng)緯度、氣候區(qū)、高程帶等為單元，統(tǒng)計建設用地面積、地均人口、人均占地、地均GDP等指標，從自然的角度分析2010年全球、各大洲及主要國家的城鄉(xiāng)建設用地分布現(xiàn)狀與地域差異；其次是采用面積變化、增量占比變化等指標，分析2000—2010年全球、主要國家的建設用地變化以及其主要土地來源。圖1給出了基本統(tǒng)計分析方法。

圖1 全球城鄉(xiāng)建設用地統(tǒng)計分析的基本思路F ig．1 Basic idea for global build－up area statistical analysis

2．3 微分迭代的面積改正

基于GlobeLand30的地表覆蓋面積估算，是按矢量形式表達的空間統(tǒng)計區(qū)域（如行政界線、生態(tài)分區(qū)范圍等），對柵格形式存儲的地表覆蓋類型數(shù)據(jù)進行像素統(tǒng)計（counting pixels）［31］，需考慮地球球面面積與平面投影面積之間的轉換及誤差影響。為確保統(tǒng)計結果的精度和可靠性，分別在等角投影和等面積投影下計算統(tǒng)計區(qū)域和地表覆蓋類型面積，并利用微分迭代方法，進行面積改正，如圖2所示。為此，先將待統(tǒng)計區(qū)域的矢量數(shù)據(jù)（經(jīng)緯度坐標值）的弧段進行線性內(nèi)插，保證其在投影轉換的過程中不至于產(chǎn)生過大的形變誤差；隨后，再將矢量數(shù)據(jù)投影至UTM等角投影坐標系（同時也是Globe Land30數(shù)據(jù)的空間參照系）確定待計算的地表覆蓋數(shù)據(jù)范圍；同時還需將矢量范圍投影至等積投影坐標系下，計算其統(tǒng)計區(qū)域的理論參考面積。此時，比較地表覆蓋數(shù)據(jù)面積值與等積投影下的參考面積值，如果兩類投影的面積差超出統(tǒng)計的精度要求，則對統(tǒng)計區(qū)域進行平面上的格網(wǎng)剖分，再解算出每一個面元上兩類投影的面積差的改正系數(shù)；繼而根據(jù)求解出的改正系數(shù)對統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)每一處剖分的面元進行面積改正，再次比較剖分后矢量數(shù)據(jù)的兩種投影方式的面積差，直至面積差滿足需求為止。

3 全球城鄉(xiāng)建設用地的空間分布統(tǒng)計

表1給出了2010年全球及各大洲城鄉(xiāng)建設用地的面積及所占比例。2010年全球城鄉(xiāng)建設用地總面積為118．75×104km2，占全球陸表總面積的0．88%。而各大洲占全球城鄉(xiāng)建設用地面積比例依次為：亞洲（34．87%）、歐洲（27．30%）、北美洲（24．66%）、非洲（6．59%）、南美洲（5．09%）和大洋洲（1．50%）。其中，亞洲、歐洲和北美洲3個大洲的城鄉(xiāng)建設用地面積總和占全球的86．83%。

圖2 地表覆蓋地類面積統(tǒng)計流程Fig.2 Area statistics flowchart of land cover classes

表1 2010年全球城鄉(xiāng)建設用地面積總量Tab．1 Total area of global build－up in 2010

從圖3可見，全球城鄉(xiāng)建設用地的空間分布很不均勻。從緯向看，北半球的城鄉(xiāng)建設用地面積占全球的90．69%，其中82．28%分布于20°N—60°N之間的中緯度地區(qū)，一些城鄉(xiāng)建設用地面積較大的國家如美國、加拿大、中國、俄羅斯和印度等均分布于此；南半球的城鄉(xiāng)建設用地面積僅占全球的9．31%，其中97．39%分布于0°S—40°S之間的中緯度地區(qū)。從經(jīng)向上看，呈現(xiàn)出西多（67．66%）東少（32．34%）的特征，主要分布于大陸的東岸和西岸，其中在北美洲東海岸、歐亞大陸西海岸和東海岸集聚程度較高，其中東半球主要分布于東經(jīng)60°E—140°E，占東半球總量的84．04%；西半球主要分布在西經(jīng)50°W—80°W 和120°W—180°W 之間，占西半球總量的80．43%。

圖3 2010年全球城鄉(xiāng)建設用地分布密度圖Fig．3 Spatial density distribution of global build－up in 2010

按高程分布統(tǒng)計，2010年全球70%以上的城鄉(xiāng)建設用地分布于海拔0～500 m之間，而介于海拔0～1000 m之間的高達85%以上，海拔0～2000 m之間的占95%以上（如表2所示）。這是因為海拔較低、相對平坦地區(qū)土地開發(fā)建設相對容易，而海拔較高的地區(qū)往往地勢起伏較大，開發(fā)成本較高；另一方面，海拔大于4000 m的城鄉(xiāng)建設用地僅占總量的0．65%，主要零星分布在亞洲青藏高原地區(qū)、南美洲安第斯山脈；而低于海平面的城鄉(xiāng)建設用地僅占總量的0．61%，主要分布在亞洲吐魯番盆地、里海周邊區(qū)域以及東非大裂谷北段等區(qū)域。

同理，可以進行各大洲城鄉(xiāng)建設用地分布特征的統(tǒng)計分析。例如，2010年亞洲城鄉(xiāng)建設用地面積為41．41×104km2，占全球的34．87%，居各大洲第一位，其分布不均勻、空間差異較大，主要集中在20°N—50°N的中緯度地區(qū)，位于東亞沿海地帶、印度洋孟加拉灣以及伊塞克湖和里海附近（圖4（a））。其中東亞的城鄉(xiāng)建設用地規(guī)模最大，占亞洲的46．28%；中亞城鄉(xiāng)建設用地規(guī)模最小，僅占亞洲的7．31%。按主要國家統(tǒng)計，中國、印度、俄羅斯（亞）、日本、孟加拉國、印度尼西亞、烏茲別克斯坦、哈薩克斯坦、土耳其（亞）和伊朗等城鄉(xiāng)建設用地面積居前10位，占亞洲的82．61%，而中國居亞洲之首，占38．87%。俄羅斯、哈薩克斯坦和土耳其橫跨歐亞大陸，在統(tǒng)計時，僅計算其在亞洲的部分。再如，非洲城鄉(xiāng)建設用地面積為7．82×104km2，占全球的6．59%，居全球第4位，其特點為中部多，南部次之，北部最少（圖4（b））。

表2 2010年全球不同高程范圍城鄉(xiāng)建設用地面積分布Tab．2 Area proportion in elevation dimension，2010

南北緯15°之間的區(qū)域，城鄉(xiāng)建設用地面積占非洲城鄉(xiāng)建設用地總面積的53．66%；20°S以南的區(qū)域占22．84%；而約占非洲面積1／3的撒哈拉地區(qū)，沙漠廣布，人居稀少，僅占不到15%。按分區(qū)統(tǒng)計，城鄉(xiāng)建設用地面積從大到小依次為南非、西非、北非、中非和東非。其中，南非地區(qū)是非洲城鄉(xiāng)建設用地規(guī)模最大的地區(qū)，占非洲的33．09%；而東非最小，占8．20%。按主要國家統(tǒng)計，南非、尼日利亞、蘇丹、剛果（金）、埃及、阿爾及利亞、加納、安哥拉、坦桑尼亞和摩洛哥等城鄉(xiāng)建設用地面積居前10位，占非洲的63．17%。其中南非的城鄉(xiāng)建設用地面積最大，為1．49×104km2，占非洲的19．05%。

圖4 2010年大洲城鄉(xiāng)建設用地分布示例（亞洲和非洲）Fig．4 Spatial distribution of build－up in continent scale（Asia and Africa）

4 2000年至2010年的時空變化

4．1 總體變化

表3給出了2000年和2010年全球城鄉(xiāng)建設用地面積及變化。從2000年至2010年的10年間，全球城鄉(xiāng)建設用地總面積增加了5．74×104km2，變化率為5．08%。各大洲的城鄉(xiāng)建設用地面積的變化率依次為：非洲（12．30%）、亞洲（6．41%）、北美洲（5．38%）、大洋洲（5．06%）、南美洲（4．12%）和歐洲（1．80%）。其中，非洲、亞洲和北美洲的變化率高于全球平均水平，非洲變化率最高，為12．3%。但從增量占比看，亞洲對全球城鄉(xiāng)建設用地增量的貢獻率最大，達43．44%；其次是北美洲，為26．03%。

表3 2000年和2010年全球城鄉(xiāng)建設用地面積及變化Tab．3 Area change of global build－up between 2000 and 2010

4．2 主要國家的面積變化

美國、中國、俄羅斯、印度、烏克蘭、巴西、德國、法國、日本和墨西哥是城鄉(xiāng)建設用地面積居前的主要國家，占全球總量的61．26%（表4）。從2000年至2010年，中國城鄉(xiāng)建設用地增加1．61×104km2，變化率為11．17%，反映出中國經(jīng)濟快速發(fā)展對土地資源的大量需求；而美國增量為1．18×104km2，變化率為5．26%，主要是住宅用地增加顯著。中美兩國新增城鄉(xiāng)建設用地分別占全球的28．17%和20．48%，之和接近全球新增總量的一半。其他國家中，除墨西哥的變化率高于全球平均水平外，其他均低于4%，德國和烏克蘭基本沒有發(fā)生變化。

表4 2000年和2010年典型國家城鄉(xiāng)建設用地面積及變化Tab．4 Area and change of typical countries’build－up between 2000 and 2010

4．3 新增城鄉(xiāng)建設用地的主要土地來源分析

就占有土地來源而言，2000年至2010年全球新增城鄉(xiāng)建設用地占用最多的是耕地，為2．89×104km2，占總量的 50．26%；其次是草地，為1．21×104km2，占總量的21．01%；其他依次為林地（13．46%）、灌叢（6．81%）、裸地（5．13%）、濕地（1．69%）和水體（1．64%），如表5所示。其中亞洲占用耕地的比例最高，占72．01%，歐洲其次，為60．43%．非洲建設用地占用最多的是草地（40．59%）和耕地（29．47%），這是因為非洲原本耕地面積較少。

表5 新增城鄉(xiāng)建設用地占用其他類型用地面積統(tǒng)計表Tab．5 The source of increased build－up

5 結 論

通過對全球30 m地表覆蓋數(shù)據(jù)集Globe－Land30的統(tǒng)計分析，獲得了有關全球城鄉(xiāng)建設用地空間格局與變化的翔實信息和知識，為研究全球陸表人類活動的空間分布特征與變化趨勢提供了重要依據(jù)。其中主要結論有：

（1）2010年全球陸表城鄉(xiāng)建設用地總面積為118．75×104km2，占全球陸表面積的0．88%。全球各大洲城鄉(xiāng)建設用地面積從大到小依次為亞洲（34．87%）、歐洲（27．30%）、北美洲（24．66%）、非 洲 （6．59%）、南 美 洲 （5．09%）和 大 洋 洲（1．50%）。城鄉(xiāng)建設用地面積最大的10個國家為美國、中國、俄羅斯、印度、烏克蘭、巴西、德國、法國、日本和墨西哥。

（2）2000年至2010年全球城鄉(xiāng)建設用地面積增加了5．74×104km2，變化率為5．08%。變化率由高到低依次為，非洲（12．30%）、亞洲（6．41%）、北美 洲 （5．38%）、大 洋 洲 （5．06%）、南 美 洲 （4．12%）和歐洲（1．80%）。10年間，城鄉(xiāng)建設用地面積規(guī)模居前的主要國家中，中國變化率最大，為11．17%，居主要國家之首。從增量占比看，中國和美國新增城鄉(xiāng)建設用地占全球的比重分別為28．17%和20．48%，兩國之和占全球新增總量近一半。

（3）全球新增的5．74×104km2城鄉(xiāng)建設用地中，占用最多的是耕地，占總量的50．26%；其次是草地，占總量的21．01%；其他依次為林地（13．46%）、灌叢地（6．81%）、裸地（5．13%）。

今后還將進一步加強對其數(shù)據(jù)類型的細化與完善，按特大城市、大中城市和鄉(xiāng)村等進行空間格局和變化分析，并進一步開展對全球城鄉(xiāng)建設用地的持續(xù)監(jiān)測，深化其在全球環(huán)境變化中的應用。

致謝：本項研究工作得到中科院地理所劉紀遠研究員、劉闖研究員、國家遙感中心全球生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測專家組有關專家的指導和幫助。在論文撰寫過程中，武漢大學詹慶明教授、中國城市規(guī)劃設計院翟健高工、北京師范大學葛岳靜教授、地理所匡文慧研究員等提出了寶貴建議與意見；西南交通大學研究生劉吉羽等參與了資料收集整理，在此一并感謝。

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