基于土地利用數(shù)據(jù)的1995—2019年武漢市湖泊岸線變化分析

摘 要：受人類活動和自然因素的影響，武漢市湖泊近20 a出現(xiàn)了面積萎縮、濱湖區(qū)過度開發(fā)、岸線侵占等問題。開展湖泊岸線演變特征研究是城市湖泊治理的前提。提出了一種基于土地利用數(shù)據(jù)的湖泊斑塊自動提取方法，分析研究了1995—2019年武漢市湖泊岸線演變特征及驅(qū)動機制。結(jié)果表明：①武漢市湖泊總面積由1995年的837.32 km2減少至2019年的771.91 km2，減少了65.41 km2，減幅為7.8%。湖泊萎縮主要集中在繞城高速和三環(huán)線之間區(qū)域，萎縮湖泊主要轉(zhuǎn)移為城市建設(shè)用地。②1995—2019年武漢市湖泊形態(tài)指標(biāo)呈現(xiàn)遞減趨勢，全部湖泊SHAPE和FRACT下降速率分別為0.008 a-1 和0.000 4 a-1，主要湖泊SHAPE和FRACT降低速率分別為0.023 a-1和0.000 9 a-1，主要湖泊形態(tài)指標(biāo)降低速率更大。③GDP、人口總數(shù)、房地產(chǎn)投資和湖泊面積、湖泊形態(tài)指標(biāo)呈現(xiàn)負相關(guān)，人口增長和城市擴張是武漢市湖泊面積和形態(tài)演變的主要影響因素。

關(guān)鍵詞：城市湖泊；岸線變化時空演變；土地利用數(shù)據(jù)；形態(tài)指標(biāo)；驅(qū)動力；武漢市

中圖分類號：TV213.4；P343.3" " " " " " " " "文獻標(biāo)志碼：A" " " " " " " "doi：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2025.0103

0 引言

城市湖泊是指位于大中城市城區(qū)或近郊的中小型湖泊，它們是城市發(fā)展不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。城市湖泊為工農(nóng)業(yè)發(fā)展和城市居民生活提供穩(wěn)定的清潔水資源和水產(chǎn)品的同時，還在旅游發(fā)展、洪澇調(diào)蓄、氣候調(diào)節(jié)以及城市生態(tài)環(huán)境改善等方面扮演著重要角色。開展湖泊水體演變特征及其驅(qū)動機制研究，尋求有針對性的保護策略，是環(huán)境、生態(tài)、市政科學(xué)研究的熱點[1-2]。

武漢地處長江中下游平原，大小湖泊星羅棋布，水域面積占全市面積近25%，素有“百湖之市”的美譽。然而，隨著農(nóng)業(yè)墾殖、開發(fā)建設(shè)、生態(tài)修復(fù)等多種人類活動日趨頻繁，武漢城市湖泊被大量填占、切割，湖泊面積萎縮、格局破碎、連接度降低[3-5]。湖泊萎縮已嚴重影響到武漢市河湖生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能、生物多樣性保護功能等的發(fā)揮，需盡快采取有效保護措施[5-6]。深入揭示武漢市湖泊演變特征是武漢市湖泊研究和治理的基礎(chǔ)，一些學(xué)者針對武漢市湖泊時空演變規(guī)律及驅(qū)動機制開展了研究。詹慶明等[4]探究了城市開發(fā)建設(shè)對1973—2018年武漢市主要湖泊時空演變特征的影響機制，發(fā)現(xiàn)典型湖泊水土面積的減少和周邊建設(shè)用地的增多在時間上同步。馬建威等[7]基于多源遙感數(shù)據(jù)，采用歸一化差異水體指數(shù)和面向?qū)ο蠓指罱Y(jié)合的水體提取算法，研究了1973—2015年武漢市湖泊水域面積變化規(guī)律，認為人類活動是導(dǎo)致武漢市湖泊水域面積減少的主要因素。黃浦江等[8]發(fā)現(xiàn)圍湖造田和城鎮(zhèn)化率的迅速提高對武漢市城市湖泊的演變影響較大。曾忠平等[9]認為武漢市湖泊萎縮與湖泊所處地區(qū)的城市建設(shè)水平、道路交通規(guī)劃、政策導(dǎo)向等因素密切相關(guān)。文超等[10]研究了1979—2019年武漢市重點水體多要素協(xié)同時空演變特征，發(fā)現(xiàn)武漢中心城區(qū)水體退化主要受城市擴張影響，而郊區(qū)水體退化受城市擴張、耕地、魚類養(yǎng)殖等多重影響。何思聰?shù)萚11]認為，導(dǎo)致1994—2015年武漢城市圈湖泊變化的驅(qū)動因素主要包括人類活動和氣候變化，其中城市擴張影響力度最大。

綜上，關(guān)于武漢市湖泊的現(xiàn)有研究主要集中在湖泊面積時空演變特征上，較少以湖泊形態(tài)和岸線為研究對象，缺乏對岸線長度、空間形態(tài)、結(jié)構(gòu)及時空變化規(guī)律的描述，無法全面反映湖泊水體受城市擴張的影響。對湖泊形態(tài)現(xiàn)狀評價和變化趨勢的分析，是針對性開展岸線保護和有效開展湖泊生態(tài)修復(fù)的前提。本研究通過提出基于土地利用的湖泊斑塊提取技術(shù)，獲取武漢市近20 a多期土地利用遙感影像，多角度分析河湖泊面積和湖泊岸線長度、空間形態(tài)、結(jié)構(gòu)時空變化規(guī)律，以期為后續(xù)開展武漢市河湖岸線生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)支撐。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域

武漢市地處江漢平原東部、長江中游。查閱歷年統(tǒng)計年鑒，獲取武漢市1995—2019年GDP、人口總數(shù)、房地產(chǎn)投資、年降雨量和年平均氣溫等數(shù)據(jù)，如圖1所示。1995—2019年武漢市GDP、人口總數(shù)及房地產(chǎn)投資顯著增加，其中人口總數(shù)在2015—2019年增長速率最快，2019年底總?cè)丝跒? 121.2萬；房地產(chǎn)投資增速在2010—2015年最快，由1 017.4億元增至2 581.79億元；GDP在2005年以后增速明顯；年降雨量在1995—2005年呈現(xiàn)遞減趨勢，而在2005—2015年呈現(xiàn)增加趨勢，在2015年達到最大值（1 432.8 mm）；2010年和2015年平均氣溫處于低值區(qū)，分別為16.6 ℃和16.8 ℃。

1.2 基于土地利用數(shù)據(jù)的湖泊岸線提取

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

武漢市湖泊演變的現(xiàn)有研究多直接采用Landsat遙感數(shù)據(jù)，然后開展土地利用分類，繼而提取湖泊、河流等水體。但是，受衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集時間和采集時天氣的影響，不同研究結(jié)果間差異較大，豐水期所提取的湖泊面積顯著大于枯水期。為減少年內(nèi)氣象差異導(dǎo)致的湖泊水體提取結(jié)果差異，本文采用年際土地利用數(shù)據(jù)。所用土地利用數(shù)據(jù)來自長江經(jīng)濟帶30 m逐年土地覆蓋數(shù)據(jù)集（國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心），該數(shù)據(jù)集截取于武漢大學(xué)發(fā)布的全國30 m長時間序列土地利用數(shù)據(jù)集（CLCD）。CLCD數(shù)據(jù)集開發(fā)者首先獲取大批量訓(xùn)練樣本，其中一部分訓(xùn)練樣本來自中國土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)集（CLUDs），另一部分來自對衛(wèi)星時間序列數(shù)據(jù)、谷歌地球和谷歌地圖影像數(shù)據(jù)的人工解譯。其次通過隨機森林分類方法對土地利用類型進行劃分，獲取長時間序列土地利用數(shù)據(jù)CLCD數(shù)據(jù)集。通過5 463個視覺解譯樣本驗證，CLCD的整體準(zhǔn)確率可以達到79.31%±1.99% [12]。同時，經(jīng)5 131個第三方測試樣本的進一步評估后，CLCD整體準(zhǔn)確性優(yōu)于其他類似數(shù)據(jù)集，滿足本研究對湖泊斑塊的提取要求。

1.2.2 湖泊斑塊提取方法

湖泊斑塊提取大多依靠人工，基于遙感、地形等數(shù)據(jù)對河湖斑塊進行勾勒，并生成矢量圖。該方法較為耗時，且不同操作人員勾畫的湖泊斑塊存在一定的差異性。此外，提取結(jié)果的差異會限制不同時期湖泊水體及岸線在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)上的比對分析。為比對分析不同時期武漢市湖泊水體面積及形態(tài)，本文提出了一種基于土地利用數(shù)據(jù)的湖泊斑塊自動提取方法（見圖2）。

1.2.2.1 湖泊斑塊參考值的確定

現(xiàn)有土地利用分類中，多將河、湖、庫（甚至水田）等統(tǒng)一分類為“水域”，限制了對湖泊這一特定對象的提取。利用2013年武漢市土地利用高分辨率數(shù)據(jù)集（2 m×2 m），采用人工勾勒的方式，結(jié)合相關(guān)影像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對武漢市湖泊斑塊的精細化提取，并生成矢量圖（見圖2）?？紤]到所用數(shù)據(jù)分辨率較高，且人工勾勒過程中輔以多次核查和檢驗，該矢量圖可為不同時期基于土地利用的武漢市湖泊斑塊自動提取提供參考。后續(xù)不同時期武漢市湖泊水體面積及形態(tài)的對比分析也主要針對該矢量圖所框定的湖泊斑塊。

1.2.2.2 不同時期武漢市湖泊斑塊自動提取

目前不同時期的高精度土地利用數(shù)據(jù)較難獲取，本文基于1995—2019年30 m×30 m的武漢市土地利用數(shù)據(jù)集，依托MATLAB平臺，通過以下三個步驟，實現(xiàn)對不同時期武漢市湖泊斑塊的自動提取。

（1）基于土地利用數(shù)據(jù)，識別水域斑塊，并將土地利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為灰度圖像。具體操作為：如某一個土地利用柵格被劃分為水域，則該柵格賦值為1，否則賦值為0，新圖像記為Z1。Z1中包括面積不同的潛在湖泊斑塊。

（2）針對Z1開展圖像分析，計算Z1內(nèi)不同的湖泊斑塊的面積、中心點、長軸長等參數(shù)。通過設(shè)置面積和長軸長閾值，一方面移除面積較少、離散的、孤立的圖斑點，一方面進一步移除河流圖斑。生成主要包括武漢市湖泊圖斑的Z2新圖像。

（3）提取出Z2圖斑，并與2013年武漢市湖泊斑塊參考值開展空間疊加分析，判定Z2圖斑與參考斑塊是否存在重疊。如果存在重疊，則Z2中的斑塊為提取斑塊；如果不存在重疊，則刪除Z2中該斑塊。

1.2.2.3 不同時期武漢市主要湖泊斑塊提取

基于2013年武漢市湖泊斑塊參考值，選取其中湖泊面積大于1.5 km2的斑塊作為新的武漢市湖泊斑塊參考值，然后采用上述湖泊斑塊自動提取方法，獲取武漢市主要湖泊斑塊。

1.3 湖泊岸線分析指標(biāo)

將獲得的湖泊斑塊作為開源軟件Fragstats4.2的輸入圖層，開展針對湖泊斑塊岸線形態(tài)的量化分析。因為湖泊斑塊均被定義為水域，即所有湖泊斑塊都屬于同一類型的斑塊，故只開展斑塊尺度的分析。量化指標(biāo)包括：

（1）面積AREA：每個斑塊的面積（km2）。

（2）周長PERIM：每個斑塊的周長（m）。

（3）周長面積比PARA：每個斑塊的周長與面積的比（m/hm2）。

（4）形狀指標(biāo)SHAPE：描述斑塊形狀的復(fù)雜性，正方形的SHAPE為1，SHAPE越大表示斑塊形狀越復(fù)雜。計算式為

式中：Pi為第i個斑塊的周長（m）；Ai為第i個斑塊的面積（m2）。

（5）分形維數(shù)FRACT。通常介于1和2之間，F(xiàn)RACT增大表明斑塊的復(fù)雜程度增加。FRACT計算式為

PARA、SHAPE和FRACT等形態(tài)指標(biāo)表征斑塊幾何形狀規(guī)則。斑塊指數(shù)越小，斑塊形狀越簡單，受人為干擾影響越大；斑塊指數(shù)越大，斑塊形狀越復(fù)雜，受人為干擾影響越小[11]。

2 成果分析

2.1 武漢市湖泊面積變化特征

采用1995—2019年武漢市30 m分辨率的土地利用數(shù)據(jù)，結(jié)合2013年人工勾繪的湖泊矢量圖，自動提取了1995—2019年武漢市湖泊和主要湖泊斑塊（見圖3）。馬建威等[7]基于Landsat遙感數(shù)據(jù)，采用歸一化差異水體指數(shù)和面向?qū)ο蠓指罱Y(jié)合的水體提取算法，計算得到2015年武漢市湖泊面積為856.27 km2，與本文自動識別的2015年武漢市湖泊面積（855.68 km2）較為一致。其他年份提取數(shù)據(jù)與前人研究存在一定差異，主要由源數(shù)據(jù)差異所導(dǎo)致。例如，Landsat在豐水期和枯水期采集數(shù)據(jù)時，提取湖泊面積存在較大差異[3，11]。本文使用的土地利用數(shù)據(jù)是年際平均值，一定程度上減小了年內(nèi)水文、氣候等因素對湖泊斑塊提取的影響。

圖4為武漢市湖泊總面積和主要湖泊面積變化特征。1995—2019年武漢市湖泊總面積和主要湖泊面積總體均呈現(xiàn)遞減趨勢，湖泊總面積由1995年的837.32 km2減少至2019年的771.91 km2，減少了65.41 km2，減幅為7.8%；主要湖泊面積由1995年的765.32 km2減少至2019年的717.22 km2，減少了48.10 km2，減幅為6.3%。值得注意的是，湖泊總面積在1995—2000年和2005—2015年均存在增大趨勢，湖泊總面積減少主要集中在2000—2005年和2015—2019年，減少速率分別為14.5 km2/a和20.9 km2/a。

為深入揭示1995—2019年湖泊面積變化特征，疊加1995年、2019年兩期湖泊柵格圖，提取出湖泊消失區(qū)域（見圖5）。1995—2019年武漢市湖泊萎縮主要集中在繞城高速和三環(huán)線之間區(qū)域，其次為二環(huán)線和三環(huán)線之間區(qū)域，其他湖泊衰減斑塊在繞城高速外零星分布；繞城高速以內(nèi)區(qū)域，消失的湖泊主要轉(zhuǎn)移為城市用地，而在繞城高速以外區(qū)域，消失的湖泊主要轉(zhuǎn)移為農(nóng)業(yè)用地。這說明在不同城市圈層，湖泊面積萎縮速率及其驅(qū)動因素不同。

在武漢市湖泊水體分析的基礎(chǔ)上，進一步對武漢市內(nèi)典型水系開展分析。圖6為1995—2019年武漢市湯遜湖、梁子湖和牛山湖水系湖泊面積變化趨勢?？梢钥闯?，湯遜湖水系湖泊面積出現(xiàn)了一定程度的萎縮。相較于1995年，2000年湯遜湖水系湖泊面積增大了4.54 km2，2019年減少了2.23 km2。梁子湖與牛山湖水系湖泊面積在1995—2019年總體上呈現(xiàn)增大趨勢，相較于1995年，2015年和2019年梁子湖和牛山湖水系湖泊面積分別增長了21.38 km2和5.04 km2。

2.2 武漢市湖泊形態(tài)變化特征

采用Fragstats4.2軟件，計算了1995—2019年武漢市湖泊4個形態(tài)指標(biāo)（平均周長、PARA、SHAPE和FRACT），如圖7所示?？梢钥闯?，1995—2019年武漢市全部湖泊平均周長變化不顯著，但是主要湖泊平均周長總體上呈現(xiàn)較為明顯的遞減趨勢，由1995年的54 751.84 m降低至2019年的44 536.15 m，降幅為18.7%。1995—2019年武漢市全部湖泊和主要湖泊PARA分別下降了7.2%和9.6%，下降主要集中在2005—2015年這10 a間。1995—2019年武漢市全部湖泊和主要湖泊SHAPE分別下降了7.9%和15.6%，其中主要湖泊SHAPE下降速率（0.023 a-1）明顯高于全部湖泊SHAPE下降速率（0.008 a-1）。與SHAPE變化特征類似，1995—2019年武漢市全部湖泊和主要湖泊FRACT下降趨勢明顯，其中主要湖泊FRACT降低速率（0.000 9 a-1）明顯高于全部湖泊FRACT降低速率（0.000 4 a-1）。

3 討論

目前武漢市湖泊水體面積和形態(tài)演變研究多基于遙感數(shù)據(jù)，但受數(shù)據(jù)采集時期和準(zhǔn)確性的影響，加之分析方法的差異，不同研究機構(gòu)提取的武漢市湖泊面積不同。本研究提供了一種基于土地利用數(shù)據(jù)的湖泊斑塊自動提取方法，力圖在減少人工修繪差異和不確定的同時，節(jié)約人力成本。此外，本研究采用了年際土地利用數(shù)據(jù)，一定程度上可以減少數(shù)據(jù)采集時間、氣候差異對湖泊水體斑塊的提取造成的影響，從而提高湖泊矢量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

整體上看，1995—2019年武漢市湖泊面積呈現(xiàn)遞減趨勢，但在不同時期呈現(xiàn)不同的變化特征。1995—2000年，武漢市湖泊總面積和主要湖泊面積都呈現(xiàn)增加趨勢，演變趨勢和何思聰?shù)萚11]的研究結(jié)果較為一致，主要有兩方面的原因：一是1990年推行了退田還湖政策，大量耕地轉(zhuǎn)為湖泊；二是1998年城市內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生后，武漢市城市總體規(guī)劃考慮了湖泊的保護和濱水區(qū)開發(fā)強度的控制。與此同時，1995—2000年武漢市GDP、房地產(chǎn)投資和人口總數(shù)都處于近20 a低值區(qū)。2000—2005年，武漢市湖泊總面積和主要湖泊面積都急劇下降，這期間武漢市城市圈快速擴張，相較于2000年，2005年武漢市GDP、房地產(chǎn)投資和人口總數(shù)分別增長了85.4%、194.2%和14.5%。城市用地開始大規(guī)模侵占湖泊，圍湖造城導(dǎo)致湖泊面積銳減，城市人口劇增，生活用水需求也快速增長，進一步導(dǎo)致湖泊面積減少。2005—2015年，武漢市湖泊總面積和主要湖泊面積較為穩(wěn)定，有一定的增長趨勢，而人口和經(jīng)濟都在此期間快速增長，說明一系列湖泊保護政策卓有成效。與2005年相比，2015年武漢市平均溫度降低、降雨量顯著增加，這在一定程度上增加了湖泊面積。2015—2019年，武漢市湖泊總面積減少較為明顯。在此期間，GDP、房地產(chǎn)投資和人口總數(shù)均增速明顯，且在2019年均處于最高值。而同期降雨量降低，平均氣溫增加，一定程度也會導(dǎo)致湖泊面積減少。

為研究武漢市湖泊面積和形態(tài)演變的驅(qū)動機制，分析了湖泊面積、湖泊形態(tài)指標(biāo)（FRACT、SHAPE）與GDP、人口總數(shù)、年降雨量、房地產(chǎn)投資、年平均氣溫的關(guān)系（見表1）。由表1可知，湖泊面積與GDP、人口總數(shù)、房地產(chǎn)投資、年平均氣溫呈現(xiàn)負相關(guān)，與年降雨量呈現(xiàn)正相關(guān)，其中湖泊面積與人口總數(shù)的負相關(guān)顯著（p＜0.05）。湖泊面積和湖泊形態(tài)指數(shù)（FRACT和SHAPE）均與GDP、人口總數(shù)及房地產(chǎn)投資呈現(xiàn)負相關(guān)。這說明，人口增長和城市擴張是武漢市湖泊面積和形態(tài)演變的主要影響因素。城市人口的增加，不可避免地伴隨著城鎮(zhèn)的發(fā)展和房地產(chǎn)的開發(fā)，從而占用湖泊空間并改造、切割湖泊岸線，導(dǎo)致湖泊面積減少，湖泊形態(tài)趨于簡單化。降雨量和年平均氣溫對武漢市湖泊面積變化具有一定影響，氣溫升高加速水體蒸發(fā)從而導(dǎo)致湖泊面積減少，而降雨量增加有效補充湖泊水量從而導(dǎo)致湖泊面積增大。

4 結(jié)論

（1）武漢市1995—2019年湖泊面積呈現(xiàn)遞減趨勢，湖泊總面積由1995年的837.32 km2減少至2019年的771.91 km2，減少了65.41 km2。湖泊萎縮主要出現(xiàn)在繞城高速和三環(huán)線之間區(qū)域，萎縮的湖泊區(qū)域主要轉(zhuǎn)移為城市建設(shè)用地。武漢市湖泊演變具有明顯的圈層特征，在湖泊功能定位劃分的基礎(chǔ)上，應(yīng)結(jié)合湖泊所在區(qū)域的發(fā)展模式、產(chǎn)業(yè)類型和人口強度等因素，提出有針對性的湖泊發(fā)展策略。

（2）武漢市1995—2019年湖泊形態(tài)指標(biāo)呈現(xiàn)遞減趨勢，全部湖泊SHAPE和FRACT下降速率分別為0.008 a-1 和0.000 4 a-1，主要湖泊SHAPE和FRACT降低速率分別為0.023% a-1和0.000 9 a-1，主要湖泊形態(tài)指標(biāo)降低速率更大。

（3）人口總數(shù)與湖泊面積、湖泊形態(tài)指標(biāo)呈現(xiàn)顯著負相關(guān)，人口增長和城市擴張是武漢市湖泊面積和形態(tài)演變的主要影響因素。年降雨量和年平均氣溫對武漢市湖泊面積變化具有一定影響。

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收稿日期：2024-03-25

基金項目：武漢市知識創(chuàng)新專項（2022020801020386）

作者簡介：張 旭，男，工程師，博士，主要從事自然生態(tài)保護與修復(fù)工作。E-mail：zhangxu@hbaes.ac.cn

通信作者：王玲玲，女，正高級工程師，博士，主要從事環(huán)境保護規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境功能區(qū)劃及生物多樣性評估等研究。E-mail：wanglingling@hbaes.ac.cn

Abstract：Affected by human activities and natural factors，lake water in Wuhan has experienced area shrinkage，lakeside over-exploration，and shoreline occupation in the past two decades. Research on lake shoreline evolution is crucial for urban lake regulation. This study proposed an automatic method of extracting lake patches based on land use data，and analyzed the evolution characteristics and drive mechanisms of lake shorelines in Wuhan from 1995 to 2019. The results are as follows：1）The total area of lakes in Wuhan decreased from 837.32 km2 in 1995 to 771.91 km2 in 2019，with a decrease of 65.40 km2 and a rate of 7.8%. Concentrated in the area between the ring expressway and the third ring road，shrinking lakes mainly transferred to urban construction land. 2）Morphological indexes showed a decreasing trend. The SHAPE index and FRACT index of total lakes declined at rates of 0.008 per year and 0.000 4 per year，respectively. For main lakes，these rates were 0.023 per year and 0.000 9 per year，respectively. 3）GDP，total population and real estate investment showed significant negative correlations with lake area and lake morphological indexes，indicating that population is the main influence factor for the evolution of lake area and morphology in Wuhan.