基于GIS的衡水市桃城區(qū)景觀格局變化及其驅(qū)動力

董宇虹，武大勇，王 悅，孫世衛(wèi)

（1.衡水學(xué)院生命科學(xué)系，河北 衡水 053000；2.河北省濕地生態(tài)與保護(hù)重點實驗室（籌），河北 衡水 053000）

近幾十年來，城市化進(jìn)程不斷加快隨之產(chǎn)生了一系列的生態(tài)環(huán)境問題，比如土地退化、水土流失、大氣污染等［1］。人類活動的加劇使城市景觀中的自然景觀要素數(shù)量不斷減少、類型趨于單一，綠色空間破碎化現(xiàn)象日益明顯［2］。城市化背景下自然用地（林地等）和半自然用地（農(nóng)田等）快速轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地（居住用地、交通用地等）［3］，呈單向性轉(zhuǎn)化特征。這種轉(zhuǎn)化在短期內(nèi)推進(jìn)了社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但同時也帶來了一系列的問題，使城市化區(qū)域成為生態(tài)脆弱區(qū)。近年來，隨著計算技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于城市遙感影像解譯、景觀格局分析、景觀動態(tài)變化的研究日益增多，使用多時期遙感影像分析城市時空演變［4］與城市景觀格局的演變及其驅(qū)動力分析逐漸成為熱點。景觀動態(tài)變化主要研究景觀結(jié)構(gòu)與功能隨時間的變化過程與規(guī)律［5］，是景觀生態(tài)學(xué)的核心內(nèi)容之一［6］，也是目前全球變化［7］，尤其是土地利用∕土地覆蓋變化領(lǐng)域［8，9］的重要組成部分。通過研究區(qū)域的景觀格局變化特征，有助于從無序的景觀斑塊分布中發(fā)現(xiàn)潛在的有序規(guī)律［10］，揭示景觀格局與生態(tài)過程相互作用機(jī)理［11］，為調(diào)控資源環(huán)境合理有效利用提供重要參考［12］，也為生態(tài)環(huán)境評價、區(qū)域規(guī)劃設(shè)計、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等提供決策依據(jù)［12，13］。

自河北省衡水市城市總體規(guī)劃（2015—2030年）發(fā)布以來，衡水市積極融入京津冀世界級城市群大格局，找準(zhǔn)定位，放大優(yōu)勢。桃城區(qū)是衡水市發(fā)展的主城區(qū)，城市化進(jìn)程不斷加快，受人為政策干擾影響極大?？焖俪鞘谢粌H表現(xiàn)在城市人口比例的提高，還表現(xiàn)在城市各種用地、城市景觀格局、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變等［14］。本研究將深入研究衡水市桃城區(qū)2014—2020年景觀格局變化并探討其驅(qū)動力，為后續(xù)衡水市城市發(fā)展的政策制定與執(zhí)行提供決策參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

衡水市桃城區(qū)是衡水市的主城區(qū)，京九鐵路、石德鐵路在此交匯，是石德線聯(lián)接京廣、京滬、京九三條鐵路大動脈的中心樞紐，有著“黃金十字交叉處”的重要地位。桃城區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱少雨多風(fēng)增溫快，夏季潮濕悶熱降雨集中，秋季多秋高氣爽天氣，冬季氣候干冷雨雪稀少。年蒸發(fā)量在1 295.7～2 621.4 mm，年平均降水量為496.4 mm，年平均氣溫為12.7℃，年平均降雪日數(shù)為8.1 d。該區(qū)域為河北沖積平原的一部分，是古黃河、古漳河、古滹沱河、滏陽河沖積洪積區(qū)，北部、西部屬滏陽河流域，東南部屬黑龍港流域。境內(nèi)地勢較平坦，由西南向東北略有傾斜。坐落在桃城區(qū)和冀州區(qū)之間的衡水湖被譽(yù)為“東亞藍(lán)寶石”“京津冀最美濕地”。國內(nèi)外專家2017年在衡水湖一次就觀測到了308只世界極危物種青頭潛鴨。

1.2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理利用91衛(wèi)圖助手分別下載2014年、2017年和2020年GoogleEarth歷史影像數(shù)據(jù)，選取成像清晰、云量少的時間點（表1），導(dǎo)出坐標(biāo)為“WGS84坐標(biāo)系經(jīng)緯度投影”，像素分辨率為7.56 m。在ENVI5軟件中對影像進(jìn)行大氣校正、幾何校正、圖像增強(qiáng)等處理，并且將影像與衡水市桃城區(qū)地形圖進(jìn)行地理配準(zhǔn)后，結(jié)合桃城區(qū)的土地開發(fā)、利用和保護(hù)的歷史與現(xiàn)狀特征以及《衡水市桃城區(qū)土地利用總體規(guī)劃（2010～2020年）調(diào)整完善方案》，將景觀要素分為農(nóng)田、建設(shè)用地、綠化用地、未利用地、水域類型。在ArcGIS 10.3軟件平臺上采用監(jiān)督分類和目視解譯相結(jié)合的方式獲得2014年、2017年、2020年3期遙感影像土地利用空間分布的矢量數(shù)據(jù)，為了保證斑塊邊界的精確性，對于以混合像元形式存在以及不確定類型的區(qū)域借助GPS定位進(jìn)行野外判讀。將建設(shè)用地、農(nóng)田、綠化用地、水域、未利用地5種類型分別賦值為1、2、3、4、5。對分類結(jié)果進(jìn)行精度評價是景觀格局分析真實性的基礎(chǔ)［15］，因此需對分類后的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)精度評價，以確定數(shù)據(jù)分類的準(zhǔn)確程度，其總的精度要高于最低允許精度要求。對各時期的景觀要素進(jìn)行分類后在ArcGIS 10.3中制作專題圖，并將其保存為Grid格式數(shù)據(jù)，作為Fragstas 4.2軟件中景觀格局分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)

1.2.2 數(shù)據(jù)解譯通過91衛(wèi)圖助手獲得的谷歌歷史數(shù)據(jù)在ENVI中經(jīng)過校準(zhǔn)之后作為解譯底圖。為了能夠得到準(zhǔn)確的不同年份的景觀格局類型圖，需要分階段分步驟地有序進(jìn)行。首先是初步解譯階段，在此階段需要根據(jù)桃城區(qū)影像的特性，例如色調(diào)、陰影、布局等建立其原型與模型之間的直接解譯標(biāo)志，掌握研究區(qū)的地物和地形分布特征，選取多個有代表性的解譯樣區(qū)，結(jié)合實地調(diào)查與影像特征初步選定目視解譯標(biāo)志，嘗試解譯方法［16］。其次是借助GPS定位進(jìn)行野外現(xiàn)場考察，在此階段尋找典型地物與影像進(jìn)行對比識別，通過影像反復(fù)判讀，建立遙感影像解譯標(biāo)志。再次是詳細(xì)解譯階段，此階段是保證數(shù)據(jù)解譯精度的關(guān)鍵階段，需要有經(jīng)驗的目視解譯人員和對桃城區(qū)地理環(huán)境熟悉統(tǒng)籌規(guī)劃的人員分區(qū)解譯并且要靜心解譯?？梢岳糜跋癯上駮r刻、季節(jié)、比例尺等間接解譯標(biāo)志來識別目標(biāo)地物。在解譯過程中有對解譯目標(biāo)確定不準(zhǔn)的位置需做出標(biāo)記，還要再次進(jìn)行野外驗證與補(bǔ)判，以提高解譯的準(zhǔn)度和精度。此階段主要是檢驗專題解譯中圖斑的內(nèi)容是否正確，并驗證圖斑界線是否定位準(zhǔn)確，是否有遺漏未被定義的區(qū)域。最后是要通過建立各圖層間的拓?fù)潢P(guān)系以檢驗各景觀類型之間有沒有互相重疊部分和有沒有邊界不共邊的情況。完成以上步驟檢查無誤后將解譯成果以專題圖的形式表現(xiàn)出來。

1.2.3 景觀格局指數(shù)法目前研究景觀格局的方法有很多，景觀格局指數(shù)法是景觀格局研究中相對成熟和常用的方法［15］，主要采用景觀指數(shù)描述景觀格局及其變化［17］。它能夠從多方面呈現(xiàn)地區(qū)景觀空間格局水平與動態(tài)變化［18］，通過對景觀格局指數(shù)的定性和定量統(tǒng)計，可以針對不同空間尺度和時間尺度的景觀格局特征進(jìn)行橫向的比較并能預(yù)測其變化。景觀格局指數(shù)生態(tài)意義不同，所表達(dá)的方法和側(cè)重點也不同［19］。本研究主要借助Fragstats 4.2軟件對衡水市2014年、2017年和2020年3期數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。斑塊類型水平指標(biāo)選取選斑塊數(shù)量（NP）、斑塊密度（PD）、最大斑塊面積指數(shù)（LPI）、斑塊所占景觀面積比例（PLAND），景觀水平指標(biāo)選取景觀密度（PD）、最大斑塊面積指數(shù)（LPI）、Shannon多樣性指數(shù)（SHDI）、Shannon均勻度指數(shù)（SHEI）。

2 結(jié)果與分析

2.1 景觀格局指數(shù)分析

2.1.1 桃城區(qū)景觀斑塊類型分別對2014年、2017年和2020年的斑塊水平指數(shù)（NP、PD、LPI、PLAND）進(jìn)行分析，結(jié)果見圖1。2014—2020年，農(nóng)田面積降低，斑塊數(shù)量逐漸減少；農(nóng)田的破碎化部分發(fā)生在最大斑塊上，導(dǎo)致農(nóng)田最大斑塊面積指數(shù)降低。從PLAND可以看出，建設(shè)用地在衡水市桃城區(qū)屬于次優(yōu)勢的景觀要素（PLAND為20.25%～26.93%），且面積逐時期增加；建設(shè)用地的斑塊數(shù)量呈先減少后增加的趨勢，建設(shè)用地幾乎沒有受到破碎化的影響。水域在衡水市桃城區(qū)不屬于優(yōu)勢景觀要素，但其面積呈增加趨勢，占比由2015年的1.56%增加至2017年的1.87%，到2020年稍降為1.83%，其斑塊數(shù)量也逐漸增加，究其原因是人工水面的增加。綠化用地不是衡水市桃城區(qū)的優(yōu)勢景觀要素，2014—2020年面積占比都很低，從0.60%升到1.22%；綠化用地的斑塊數(shù)量逐漸增加，景觀破碎化比較顯著，最大斑塊面積受破壞影響較小。未利用土地的面積和斑塊數(shù)量總體上降低，說明衡水市桃城區(qū)土地利用強(qiáng)度持續(xù)提高。結(jié)合實際調(diào)查，大部分的未利用轉(zhuǎn)化為農(nóng)田。2014—2017年局部出現(xiàn)大的未利用土地斑塊，此時期處于建設(shè)初期，拆遷工程較多，形成大量的拆遷廢地，本研究將其劃為未利用土地。

圖1 景觀斑塊水平指數(shù)變化

2.1.2 桃城區(qū)景觀水平分析分別對2014年、2017年和2020年的景觀類型水平指數(shù)（PD、LPI、SHDI、SHEI）進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。PD在2014年、2017年、2020年呈先增加后降低的趨勢（圖2a），由0.539 1增加至0.566 5，然后又降低到0.542 3，表明2014—2017年景觀破碎化程度升高，2017—2020年景觀破碎化程度又降低。LPI在2014—2020年持續(xù)降低（圖2b），表明優(yōu)勢景觀類型的面積減少，同時表明優(yōu)勢景觀類型遭到景觀破碎化的干擾，衡水市桃城區(qū)的優(yōu)勢景觀類型是農(nóng)田，且農(nóng)田的LPI持續(xù)降低。SHDI在2014—2020年持續(xù)增大（圖2c），在沒有新景觀類型增加的情況下，表明景觀類型的分布趨向均質(zhì)化。SHEI在2014—2020年持續(xù)增長（圖2d），0＜SHEI＜1，可以反映出景觀受到多種優(yōu)勢斑塊類型所支配。

圖2 景觀類型水平指數(shù)變化

分別對衡水市桃城區(qū)2014年、2017年、2020年的景觀格局進(jìn)行分析，可知2014—2020年整體景觀破碎化程度降低。從斑塊數(shù)量變化角度分析，整個研究期間，景觀破碎化減小幅度為0.24%；斑塊密度減小，也說明景觀破碎化減小。優(yōu)勢景觀面積不斷降低，表明破碎化對優(yōu)勢景觀類型影響較大，同時景觀類型的分布趨向均質(zhì)化。

2.2 景觀要素面積轉(zhuǎn)化

采用ArcGIS10.3軟件的工具箱ArcToolbox中的Insection工具，對2014—2017年、2017—2020年的景觀要素面積轉(zhuǎn)化進(jìn)行量化統(tǒng)計，利用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣法進(jìn)行各景觀類型的面積轉(zhuǎn)化分析，結(jié)果見表2和表3。

表2 2014—2017年的景觀要素轉(zhuǎn)移矩陣（單位：hm2）

表3 2017—2020年的景觀要素轉(zhuǎn)移矩陣（單位：hm2）

2014—2017年，綠化用地主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地和農(nóng)田；建設(shè)用地面積的增大主要源于農(nóng)田的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化面積為1 278 hm2，而綠化用地、水域、未利用土地對建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化僅分別為22、39、60 hm2；農(nóng)田面積的減少主要是因為轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地；水域面積的增大主要源自農(nóng)田的轉(zhuǎn)化，達(dá)100 hm2，其次為建設(shè)用地，轉(zhuǎn)化面積為45 hm2，而僅有9 hm2綠化用地、9 hm2未利用土地轉(zhuǎn)化為水域；未利用土地主要轉(zhuǎn)化為農(nóng)田和建設(shè)用地，轉(zhuǎn)化面積分別為81 hm2和60 hm2，其余轉(zhuǎn)化為水域和綠化用地。

2017—2020年，建設(shè)用地的增加絕大部分來自農(nóng)田的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化面積為1 232 hm2，占轉(zhuǎn)入面積的89.67%；未利用土地略微減少，大部分轉(zhuǎn)化為農(nóng)田，其余為建設(shè)用地；農(nóng)田大部分轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，占其轉(zhuǎn)化面積的85.14%；綠化用地大多轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地和農(nóng)田，占其轉(zhuǎn)化面積的89.00%，而綠化用地的增加主要來自建設(shè)用地和農(nóng)田的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化面積分別為58 hm2和43 hm2；水域面積的增加也主要來自農(nóng)田的轉(zhuǎn)化，占轉(zhuǎn)入面積的78.54%。

2.3 景觀格局演變的驅(qū)動力分析

2.3.1 自然因素自然驅(qū)動因素主要包括氣候、水文、地形、植物及自然災(zāi)害等［20］。從較短研究周期分析，自然因素變化的頻率和速率相對于人類活動因素顯得遲緩，但從較長研究周期分析，它對土地利用的改變是顯著而深遠(yuǎn)的［21］。由于本研究的時間跨度較短，自然因子對地形和土壤的影響很小，衡水市桃城區(qū)地形平坦，土壤類型幾乎沒有變化，相反是景觀要素的改變導(dǎo)致土壤類型局部發(fā)生改變，如農(nóng)田被占用等。

2.3.2 人口因素人口因素是區(qū)域景觀格局變化的重要驅(qū)動因素。衡水市作為京津冀一體化進(jìn)程中的一個重要節(jié)點城市，桃城區(qū)常住人口從2007年的46.07萬人 到2017年的62.18萬人，增長了16.11萬人?？焖俚某鞘谢瘞砹巳丝诩t利，同時也帶來了人口壓力。人口的增加必然對城市土地的需求增加，這也是建設(shè)用地擴(kuò)展最直接的原因，而建設(shè)用地的獲得主要依靠農(nóng)田用地的轉(zhuǎn)化。

2.3.3 政策因素從水域的增加面積來看，水域總面積和斑塊數(shù)量逐漸增加，短周期內(nèi)其水文變化很小，所以人文影響起了主導(dǎo)作用，即人為營造了大面積水域。結(jié)合政策檔案進(jìn)行驗證，根據(jù)《河北省旅游高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃2014—2025年》，衡水市要重點圍繞衡水湖生態(tài)旅游資源統(tǒng)籌湖城一體化高質(zhì)量發(fā)展打造中國最美湖城。衡水湖湖面面積75 km2，面積與蓄水能力僅次于白洋淀，是華北平原的第二大淡水湖，目前衡水湖引黃河水進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，充分表明人為影響是本區(qū)域景觀格局變化的主要驅(qū)動力。

從綠化用地景觀組分看，2014—2017年，桃城區(qū)的發(fā)展更注重其經(jīng)濟(jì)方面的發(fā)展，對生態(tài)治理的投入很少，導(dǎo)致衡水湖及主城區(qū)內(nèi)的一部分綠化用地轉(zhuǎn)化為了建設(shè)用地。但在2017年衡水市出臺了《衡水市國家森林城市建設(shè)總體規(guī)劃（2018—2027年）》確立了“一核、二軸、九城、多廊、多點”的總體布局，自此桃城區(qū)圍繞創(chuàng)建國家森林城市目標(biāo)，大搞植樹造林活動，打造以“一湖六核”為生態(tài)核心、以“五廊十四帶”為綠色骨架、以“農(nóng)田林網(wǎng)”為基底的斑塊、廊道、基質(zhì)相結(jié)合的市域綠地結(jié)構(gòu)，因此在2017—2020年桃城區(qū)的綠化用地面積有所增加。

3 結(jié)論與建議

利用91衛(wèi)圖助手分別下載2014年、2017年和2020年GoogleEarth歷史影像數(shù)據(jù)，并運(yùn)用遙感和GIS手段通過監(jiān)督分類與目視解譯相結(jié)合的方法提取城市的空間特征信息，結(jié)合Fragstas 4.2軟件分析了衡水市桃城區(qū)的景觀格局變化及景觀要素面積轉(zhuǎn)化，并對景觀格局變化的驅(qū)動力進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論。

1）衡水市城市總體規(guī)劃（2015—2030年）實施以來，衡水市桃城區(qū)內(nèi)的景觀組分發(fā)生了很大的變化。2014—2020年桃城區(qū)城市化進(jìn)程快速發(fā)展，建設(shè)用地增長較快，而農(nóng)田面積出現(xiàn)下降趨勢，2020年桃城區(qū)的建設(shè)用地更加趨向于大型化、集中化和優(yōu)勢化。水域和綠化用地在2014—2017年增長緩慢，而在2017—2020年略有增加，但是由于農(nóng)田的景觀組分優(yōu)勢度明顯下降，景觀多樣性也因此趨向均質(zhì)化。

2）從景觀格局的驅(qū)動力分析來看，短時間跨度內(nèi)景觀格局受自然因素驅(qū)動影響非常小，主要受到人口和政策等人為因素的影響。桃城區(qū)快速的城市化帶來了人口的快速增長，人地間矛盾更加突出，這也是其建設(shè)用地增加主要由農(nóng)田轉(zhuǎn)化而來的關(guān)鍵驅(qū)動力。隨著高質(zhì)量旅游發(fā)展規(guī)劃和森林城市的創(chuàng)建，使得桃城區(qū)的水域和綠化用地景觀組分有所增加。

衡水市在以往的城市總體規(guī)劃及相關(guān)政策制定上一直偏向建設(shè)用地的空間部署，不斷侵占農(nóng)田用地，而且對綠化用地和水域等景觀要素的保護(hù)不到位。衡水市作為京津冀一體化進(jìn)程中的重要節(jié)點城市，通過近幾年快速的城市化已經(jīng)告別了“小縣城”，而今后的城區(qū)景觀格局發(fā)展重點應(yīng)通過新建與擴(kuò)建城區(qū)綠化公園，增量與增寬行道樹，擴(kuò)大城鄉(xiāng)結(jié)合部綠化隔離區(qū)等措施來增加城區(qū)的綠化面積。通過桃城區(qū)內(nèi)坐擁衡水湖國家級自然保護(hù)區(qū)的優(yōu)勢打好生態(tài)本底，做好生態(tài)補(bǔ)水、水環(huán)境治理，加快西湖蓄水?dāng)U容，積極推進(jìn)湖區(qū)村莊生態(tài)搬遷，認(rèn)真落實這些政策，真正打造一個生態(tài)宜居的美麗湖城。