洞庭湖區(qū)城鎮(zhèn)化與濕地演變進程監(jiān)測

劉慧 齊增湘* 黃傅強 劉倩 周永

(1 南華大學(xué)建筑學(xué)院，湖南 衡陽 421001；2 南華大學(xué)設(shè)計與藝術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

城鎮(zhèn)化指由于社會經(jīng)濟發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級而引起的城市空間規(guī)模持續(xù)擴大，農(nóng)村人口不斷向城鎮(zhèn)集中的一個過程(鄒鵬飛, 2016)，被用來大致描述鄉(xiāng)村向城市的發(fā)展、演變，在過去的幾十年間，我國經(jīng)歷了快速城市化的過程，至2017年，我國城鎮(zhèn)化率已達(dá)58.5%。在這大規(guī)模、快速的城鎮(zhèn)化進程中，社會經(jīng)濟發(fā)展迅速，人們的生活水平也得到了極大提高，但也造成了一系列如土壤植被破壞、水體空氣污染、生物多樣性減少等生態(tài)環(huán)境問題。我國對城鎮(zhèn)化的研究于上世紀(jì)90年代開始，在超速城鎮(zhèn)化的背景下，有關(guān)城鎮(zhèn)化及所帶來的生態(tài)環(huán)境影響和問題的研究迅速增加，學(xué)者們通過采用幾何學(xué)方法、協(xié)調(diào)學(xué)思想、耦合協(xié)調(diào)度評價指標(biāo)體系等來對城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境間的交互影響機制進行了研究(劉耀彬等, 2005; 崔木花, 2015; 劉瑞媛等,2019)。對城鎮(zhèn)化進程進行水平測度、空間形態(tài)、空間格局演變等多角度的研究迅速發(fā)展(陳明星等,2009; 馬曉冬等, 2008; 劉彥隨等, 2012)，RS和GIS技術(shù)因其可直觀有效的對城鎮(zhèn)空間擴張進行測度和表達(dá)而得到了廣泛應(yīng)用(牟云鳳等, 2007; 王偉武等, 2009; 劉紀(jì)遠(yuǎn)等, 2016）。

濕地是地球生態(tài)環(huán)境的重要組成部分(Holly et al, 2010)，與森林、海洋一起并稱為全球三大生態(tài)系統(tǒng)；因其強大的生態(tài)凈化作用，又有“地球之腎”的美名(趙其國等, 2007)。在20世紀(jì)中后期，由于經(jīng)濟迅速發(fā)展、人口數(shù)量急劇增加的雙重壓力，大量濕地被圍墾改造，或是遭受過度的資源開發(fā)和污染，導(dǎo)致濕地面積大幅度縮小、生態(tài)環(huán)境被嚴(yán)重破壞，其嚴(yán)峻形勢在近年來為大眾所關(guān)注和重視。關(guān)于濕地現(xiàn)狀、景觀格局及其保護和修復(fù)的研究在近年來也逐漸增多(孫萬龍等, 2017; 崔麗娟,2016)，用于快速評估濕地生態(tài)安全、生態(tài)服務(wù)價值和濕地生態(tài)的健康程度的方法也日益豐富(朱紅衛(wèi)等, 2014; 蔣庭菲等, 2018)。

我國共有濕地6 600萬hm2，占世界濕地總面積的10%，自1992年加入《濕地公約》以來，共有44處濕地列入國際濕地名錄(孫廣友, 2000)，湖南東洞庭湖自然保護區(qū)、西洞庭湖自然保護區(qū)、南洞庭湖濕地和水禽自然保護區(qū)均在其列，可見洞庭湖是我國濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要區(qū)域。由于過去幾十年間的自然環(huán)境變化以及城鎮(zhèn)化過程的人地矛盾和環(huán)境污染問題，洞庭湖同樣也是生態(tài)環(huán)境問題越來越凸顯、生態(tài)安全風(fēng)險突出的地區(qū)之一。本文通過制定適用于洞庭湖區(qū)的影像解譯體系，得出洞庭湖區(qū)的土地利用類型數(shù)據(jù)，基于此數(shù)據(jù)研究20年間的城鎮(zhèn)化發(fā)展及濕地變化動態(tài)，為該區(qū)域的城鎮(zhèn)空間管控以及濕地保護提供借鑒。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

洞庭湖地處湖南省北部、長江中游南岸(28°30′～ 30°20′ N，110°40′～ 113°10′ E) ，是 我 國第二大淡水湖和長江流域重要的調(diào)蓄湖泊。本文選取洞庭湖流域湖南省境內(nèi)的岳陽、益陽、常德三市為研究區(qū)，包括共26個縣級行政單元，總面積約45 353 km2。湖區(qū)周邊地形以洞庭湖為核心，向東、南、西三周過渡為河湖沖積平原、環(huán)湖丘陵崗地、低山，為一碟形盆地。湖區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖濕潤、雨熱充足，年平均溫度為17℃，年平均降水量1 200～1 450 mm；以其所特有的生態(tài)環(huán)境孕育了豐富的自然資源、是許多珍稀動物的棲息地。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究所使用的數(shù)據(jù)主要有遙感影像數(shù)據(jù)、地形高程數(shù)據(jù)、矢量地圖數(shù)據(jù)；所用影像數(shù)據(jù)為美國陸地資源衛(wèi)星系列的Landsat 5和Landsat 8，其與數(shù)字高程圖都來源于地理空間數(shù)據(jù)云和USGS官網(wǎng)，矢量地圖數(shù)據(jù)來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心；文中所涉及到的NDVI、RVI、坡度等數(shù)據(jù)皆由計算得出。

2 研究方法

2.1 基于CART獲取規(guī)則的決策樹分類

CART的基本原理是通過對訓(xùn)練數(shù)據(jù)集進行循環(huán)分析來形成二叉決策樹結(jié)構(gòu)(陳云等, 2008)。在創(chuàng)建分類樹遞歸過程中，選擇當(dāng)前數(shù)據(jù)集中具有最小Gini信息增益的特征作為結(jié)點劃分決策樹，簡化了決策樹的規(guī)模，提高了效率。

基于研究區(qū)具體情況并參考土地利用現(xiàn)狀分類表，建立了該區(qū)域的分類體系，將用地分成了林地、農(nóng)田、建設(shè)用地、水系、灘地(泥灘地、蘆葦灘地、苔草灘地)7類。參考地物類別的反射率特征選取分類特征參數(shù)12個(2015年為13個)，分別為影像波段1-7/8、ISODATA分類結(jié)果、NDVI、RVI、DEM和坡度計算結(jié)果。

分類精度評價根據(jù)高分辨率的Google影像，隨機選取類型樣本點來與分類結(jié)果進行混淆矩陣計算。其主要評價指數(shù)有總體分類精度和Kappa系數(shù)。

2.2 景觀破碎度變化

景觀破碎度表示的是景觀被分割的破碎程度，反映了景觀空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和人類對其的干擾程度。破碎度指數(shù)包括廊道密度指數(shù)和景觀斑塊破碎化指數(shù)，取值范圍在0～1之間，取值越小表示破碎化程度越低(丁圣彥等, 2004)。其計算公式如下：

其中，F(xiàn)1為區(qū)域整體景觀破碎指數(shù)，F(xiàn)2為某一景觀類型破碎化指數(shù)；Na為總面積與最小斑塊面積比值；Nr為景觀類型的總數(shù)；MPS為各類型斑塊平均面積與最小斑塊面積之比。

2.3 空間中心變化

空間中心即為地物的幾何中心；為消除小斑塊面積對計算結(jié)果的影像，此處對其進行加權(quán)平均計算，具體公式為：

其中，X、Y分布為加權(quán)中心的地理坐標(biāo)，Si為地物第i個圖形的面積，S為地物的總面積，Xi、Yi為地物第i個圖形的幾何中心坐標(biāo)。

3 結(jié)果與分析

3.1 分類結(jié)果及精度評價

在ENVI中運行決策樹文件，并對輸出結(jié)果進行聚類、篩除、主次要分析等分類后處理，得到最終的分類結(jié)果數(shù)據(jù)，如圖1所示。

隨機選取各類地物的檢驗樣本來對各期分類結(jié)果進行精度評價，統(tǒng)計混淆矩陣計算結(jié)果可知，5期數(shù)據(jù)解譯的總體精度都在94%以上，kappa系數(shù)全大于0.92，結(jié)果表明分類結(jié)果較為精準(zhǔn)，與普通的監(jiān)督/非監(jiān)督分類方法相比較，精度有所提高。

3.2 城鎮(zhèn)與濕地面積變化

3.2.1 整體面積變化對分類后所得到的LUCC數(shù)據(jù)按類別進行統(tǒng)計，結(jié)果如表1。1995-2015年洞庭湖濕地總面積整體上呈先減少后增加的趨勢，2015年濕地總面積為5 997.11 km2，相較于1995年，面積增加1 140.97 km2；2000年濕地面積最小，為3 904.945 km2；按濕地類別來看，這20年間，除泥灘地以外，其他三類面積與初始值相比都有增長，其中面積增長最多的為蘆葦灘地，增加855.88 km2，其次則為水體，面積增加了576.90 km2；苔草灘地面積變化量較少，除2010年以外，在其他時間段都以30～40 km2/a的速度遞增，2010年面積最小，與其他時段差值較大；泥灘地面積在1995-2015年減少411.64 km2，總體上呈先急劇減少、后緩慢增加的趨勢，2000-2010年泥灘地面積明顯低于其他時間段。建設(shè)用地的面積統(tǒng)計結(jié)果，1995-2015年的20年間，洞庭湖區(qū)建設(shè)用地呈持續(xù)增長趨勢，由157.58 km2增長為966.19 km2，共增長808.61 km2。其中，在2000-2005年呈明顯的增長趨勢，5年增長337.87 km2，在2005年后，建設(shè)用地擴張趨勢逐步變緩。

圖1 1995-2015年洞庭湖區(qū)分類結(jié)果圖Fig.1 LUCC in Dongting Lake area from 1995 to 2015

表1 濕地及城鎮(zhèn)面積統(tǒng)計Table 1 Statistics on wetlands and construction-land area

3.2.2 轉(zhuǎn)移矩陣分析對相鄰兩期的土地利用類型(LUCC)數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)移矩陣的計算，來分析不同類型濕地、城鎮(zhèn)建設(shè)用地及與其他土地利用類型數(shù)據(jù)間的類別轉(zhuǎn)變情況。1995-2000年，濕地總面積呈大幅減少趨勢，5年期間減少950.91 km2，其主要原因為泥灘地與蘆葦灘地的大量減少，其中泥灘地主要轉(zhuǎn)變成了水體與農(nóng)田，而蘆葦灘地的主要轉(zhuǎn)出類型為農(nóng)田、苔草灘地及林地；城鎮(zhèn)建設(shè)用地相較于1995年面積增加154.43 km2，其主要轉(zhuǎn)入類型為農(nóng)田與林地，農(nóng)田和林地分別有103.01 km2和83.77 km2轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地。

圖2 洞庭湖區(qū)濕地演變過程Fig.2 Wetlands in Dongting Lake area from 1995 to 2015

2000-2005年，濕地總面積共增加291.96 km2，其中，泥灘地、苔草灘地、蘆葦灘地分別增 加 115.22 km2、43.06 km2、220.35 km2；分析表1數(shù)據(jù)可知，3種類型灘地面積增加的主要來源為農(nóng)田和林地，此外，苔草灘地與蘆葦灘地間的互相轉(zhuǎn)化也比較活躍；而相較于2000年，水體面積有小幅度的減少，其轉(zhuǎn)出主要類型為農(nóng)田；城鎮(zhèn)用地相較于5年前增加了337.88 km2，增速有所提升，其轉(zhuǎn)入類型仍主要為農(nóng)田與林地。

2005-2010年，濕地面積總體上增加1 055.81 km2，漲幅較大；但泥灘地與苔草灘地都有一定量減少，主要轉(zhuǎn)出類型都為農(nóng)田；在濕地面積增長中，蘆葦灘地增加1 314.43 km2，占有最大比重，主要由農(nóng)田與林地轉(zhuǎn)化而來；再者，則是水體面積，相較于初始值，增加245.24 km2，其主要轉(zhuǎn)入類型為農(nóng)田。城鎮(zhèn)建設(shè)用地在這5年間增加172.60 km2，與前時間段相比較，擴張速度有所變緩，主要轉(zhuǎn)入類型為農(nóng)田。

2010-2015年，濕地面積共持續(xù)增長744.65 km2；其中，泥灘地和苔草灘地面積分別增加278.95 km2和514.53 km2，大部分由農(nóng)田和蘆葦灘地轉(zhuǎn)化而來；水體面積也有少量增加，對其起主要貢獻的類型為農(nóng)田。城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積持續(xù)擴大，在5年間增加143.63 km2，擴張速率持續(xù)放緩。

3.3 城鎮(zhèn)與濕地空間格局變化

圖4 濕地及建設(shè)用地幾何中心轉(zhuǎn)移軌跡Fig.4 Trajectory of wetland and construction land geometric center

圖3 景觀破碎化指數(shù)統(tǒng)計Fig.3 Statisticson landscape fragmentation index

3.3.1 濕地景觀破碎度變化對洞庭湖區(qū)濕地進行整體及各類型景觀破碎指數(shù)計算，繪制統(tǒng)計圖（圖3）。洞庭湖區(qū)整體破碎化程度較低，1995-2015年數(shù)值為0.004 3～0.011 7，破碎化程度最低為2000年，最高為2010年。比較不同景觀類型間的破碎度值，可知水體與苔草灘地的破碎度要大于其他兩類，可能是水體包括了坑塘、溝渠等受人類活動影響較大的類型，且與其他類型相比較占地面積較大，而苔草灘地受水位影響較大。泥灘地、苔草灘地和水體在20年間的景觀破碎度變化軌跡相類似，均在1995-2000年間破碎度降低、2000-2010年升高、2010年后又再次降低，說明沿湖灘涂在2000-2010年間受人類活動影響較嚴(yán)重，而在2010年后，隨著對湖區(qū)濕地環(huán)境整治工作的開展，受人類干擾日益減少。

3.3.2 空間中心變化軌跡濕地及建設(shè)用地幾何中心可視化見圖4，由圖4可知，蘆葦灘地空間中心在1995-2015年間的變化軌跡為東北-西南-西南-西北，與初始位置相比較，向西北方發(fā)生了偏移；泥灘地空間中心在20年間的變化軌跡為東北-西南-東南-西北，較之初始位置，向東北方偏移；苔草灘地的變化軌跡為西南-西北-東北-西北，最終向西南方轉(zhuǎn)移；水體中心的轉(zhuǎn)移軌跡為西南-東北-東-東北，相較初始狀態(tài)，向西偏移；建設(shè)用地中心轉(zhuǎn)移軌跡為西南-東南-西北-東北，總體上位置向東南偏移。所研究類別中，蘆葦灘地與泥灘地的幾何中心運動軌跡相類似，與水體空間中心的轉(zhuǎn)移軌跡大致相反；而整體上，除泥灘地以外，其他的濕地類型幾何中心位置都向西轉(zhuǎn)移，而與之相反，泥灘地與建設(shè)用地的空間中心位置向東發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論與討論

基于多時相遙感影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)字圖等，通過對遙感影像進行解譯，并以解譯后的LUCC數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對洞庭湖區(qū)的城鎮(zhèn)化及濕地格局變化過程進行了分析，其主要結(jié)論有：

(1)本文構(gòu)建的洞庭湖區(qū)影像解譯體系，減弱了洞庭湖區(qū)濕地“同質(zhì)異譜，異質(zhì)同譜”現(xiàn)象的影響。分類總體精度都大于94%，Kappa系數(shù)都在0.92以上，相較于普通的監(jiān)督及非監(jiān)督分類方法，精度有所提高。

(2)洞庭湖區(qū)濕地總體面積在1995-2015年整體上呈先減少后增加的趨勢，2000年降低至20年間的最小值3 904.945 km2，其后的15年內(nèi)面積逐漸恢復(fù)，2015年達(dá)到20年間的最大值，占區(qū)域總面積的13%。轉(zhuǎn)移矩陣分析顯示，1995-2000年濕地總面積大幅減少，主要原因是泥灘地與蘆葦灘地的大量減少，而相應(yīng)的主要轉(zhuǎn)出類型為水體、農(nóng)田及苔草灘地；2000-2010年，濕地面積緩慢增加，2000-2005年主要表現(xiàn)是農(nóng)田、林地向灘地類型轉(zhuǎn)移，2005-2010年主要是農(nóng)田、林地向蘆葦灘地和水體的轉(zhuǎn)化，泥灘地及苔草灘地面積有一定減少；2010-2015年，濕地面積進一步擴大，泥灘地和苔草灘地面積增加，但蘆葦灘地面積縮減。

(3)洞庭湖區(qū)建設(shè)用地呈持續(xù)增長狀態(tài)，20年間增長面積為808.61 km2。其中，2000-2005呈明顯增長趨勢，由312.02 km2增長為649.89 km2，平均速度為67.57 km2/a，2005年后，擴張趨勢逐步變緩，2010-2015年擴張速度降低至28.738 km2/a。

(4)洞庭湖區(qū)整體景觀破碎指數(shù)值為0.004 3～0.011 8，破碎化程度較低；不同景觀類型間，水體與苔草灘地的破碎度要大于其他兩類，可能是實驗分類中水體包括了坑塘、溝渠等受人類活動影響較大且占地面積較大；泥灘地、苔草灘地和水體在20年間的景觀破碎度變化軌跡相類似，2010年后，在湖區(qū)生態(tài)環(huán)境整治修復(fù)工程的影響下，破碎度指數(shù)小幅降低。

(5)濕地及建設(shè)用地空間中心在1995-2015年間的每一階段都發(fā)生了位置偏移，蘆葦灘地與泥灘地的幾何中心運動軌跡相類似，而水體的中心偏移軌跡與其大致相反 ；對始末位置進行比較，可發(fā)現(xiàn)，濕地類型在整體上除泥灘地外，其他的濕地類型幾何中心位置都向西發(fā)生了偏移，而泥灘地與建設(shè)用地的空間中心位置向東發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。