基于GIS的衡水市桃城区景观格局变化及其驱动力

董宇虹，武大勇，王 悦，孙世卫

（1.衡水学院生命科学系，河北 衡水 053000；2.河北省湿地生态与保护重点实验室（筹），河北 衡水 053000）

近几十年来，城市化进程不断加快随之产生了一系列的生态环境问题，比如土地退化、水土流失、大气污染等［1］。人类活动的加剧使城市景观中的自然景观要素数量不断减少、类型趋于单一，绿色空间破碎化现象日益明显［2］。城市化背景下自然用地（林地等）和半自然用地（农田等）快速转化为建设用地（居住用地、交通用地等）［3］，呈单向性转化特征。这种转化在短期内推进了社会经济的发展，但同时也带来了一系列的问题，使城市化区域成为生态脆弱区。近年来，随着计算技术的发展，关于城市遥感影像解译、景观格局分析、景观动态变化的研究日益增多，使用多时期遥感影像分析城市时空演变［4］与城市景观格局的演变及其驱动力分析逐渐成为热点。景观动态变化主要研究景观结构与功能随时间的变化过程与规律［5］，是景观生态学的核心内容之一［6］，也是目前全球变化［7］，尤其是土地利用∕土地覆盖变化领域［8，9］的重要组成部分。通过研究区域的景观格局变化特征，有助于从无序的景观斑块分布中发现潜在的有序规律［10］，揭示景观格局与生态过程相互作用机理［11］，为调控资源环境合理有效利用提供重要参考［12］，也为生态环境评价、区域规划设计、经济发展等提供决策依据［12，13］。

自河北省衡水市城市总体规划（2015—2030年）发布以来，衡水市积极融入京津冀世界级城市群大格局，找准定位，放大优势。桃城区是衡水市发展的主城区，城市化进程不断加快，受人为政策干扰影响极大。快速城市化不仅表现在城市人口比例的提高，还表现在城市各种用地、城市景观格局、产业结构的转变等［14］。本研究将深入研究衡水市桃城区2014—2020年景观格局变化并探讨其驱动力，为后续衡水市城市发展的政策制定与执行提供决策参考。

1 研究区概况与数据处理

1.1 研究区概况

衡水市桃城区是衡水市的主城区，京九铁路、石德铁路在此交汇，是石德线联接京广、京沪、京九三条铁路大动脉的中心枢纽，有着“黄金十字交叉处”的重要地位。桃城区属温带大陆性季风气候，春季干旱少雨多风增温快，夏季潮湿闷热降雨集中，秋季多秋高气爽天气，冬季气候干冷雨雪稀少。年蒸发量在1 295.7～2 621.4 mm，年平均降水量为496.4 mm，年平均气温为12.7℃，年平均降雪日数为8.1 d。该区域为河北冲积平原的一部分，是古黄河、古漳河、古滹沱河、滏阳河冲积洪积区，北部、西部属滏阳河流域，东南部属黑龙港流域。境内地势较平坦，由西南向东北略有倾斜。坐落在桃城区和冀州区之间的衡水湖被誉为“东亚蓝宝石”“京津冀最美湿地”。国内外专家2017年在衡水湖一次就观测到了308只世界极危物种青头潜鸭。

1.2 数据来源与研究方法

1.2.1 数据来源与预处理利用91卫图助手分别下载2014年、2017年和2020年GoogleEarth历史影像数据，选取成像清晰、云量少的时间点（表1），导出坐标为“WGS84坐标系经纬度投影”，像素分辨率为7.56 m。在ENVI5软件中对影像进行大气校正、几何校正、图像增强等处理，并且将影像与衡水市桃城区地形图进行地理配准后，结合桃城区的土地开发、利用和保护的历史与现状特征以及《衡水市桃城区土地利用总体规划（2010～2020年）调整完善方案》，将景观要素分为农田、建设用地、绿化用地、未利用地、水域类型。在ArcGIS 10.3软件平台上采用监督分类和目视解译相结合的方式获得2014年、2017年、2020年3期遥感影像土地利用空间分布的矢量数据，为了保证斑块边界的精确性，对于以混合像元形式存在以及不确定类型的区域借助GPS定位进行野外判读。将建设用地、农田、绿化用地、水域、未利用地5种类型分别赋值为1、2、3、4、5。对分类结果进行精度评价是景观格局分析真实性的基础［15］，因此需对分类后的图像进行数据精度评价，以确定数据分类的准确程度，其总的精度要高于最低允许精度要求。对各时期的景观要素进行分类后在ArcGIS 10.3中制作专题图，并将其保存为Grid格式数据，作为Fragstas 4.2软件中景观格局分析的数据基础。

表1 遥感影像数据

1.2.2 数据解译通过91卫图助手获得的谷歌历史数据在ENVI中经过校准之后作为解译底图。为了能够得到准确的不同年份的景观格局类型图，需要分阶段分步骤地有序进行。首先是初步解译阶段，在此阶段需要根据桃城区影像的特性，例如色调、阴影、布局等建立其原型与模型之间的直接解译标志，掌握研究区的地物和地形分布特征，选取多个有代表性的解译样区，结合实地调查与影像特征初步选定目视解译标志，尝试解译方法［16］。其次是借助GPS定位进行野外现场考察，在此阶段寻找典型地物与影像进行对比识别，通过影像反复判读，建立遥感影像解译标志。再次是详细解译阶段，此阶段是保证数据解译精度的关键阶段，需要有经验的目视解译人员和对桃城区地理环境熟悉统筹规划的人员分区解译并且要静心解译。可以利用影像成像时刻、季节、比例尺等间接解译标志来识别目标地物。在解译过程中有对解译目标确定不准的位置需做出标记，还要再次进行野外验证与补判，以提高解译的准度和精度。此阶段主要是检验专题解译中图斑的内容是否正确，并验证图斑界线是否定位准确，是否有遗漏未被定义的区域。最后是要通过建立各图层间的拓扑关系以检验各景观类型之间有没有互相重叠部分和有没有边界不共边的情况。完成以上步骤检查无误后将解译成果以专题图的形式表现出来。

1.2.3 景观格局指数法目前研究景观格局的方法有很多，景观格局指数法是景观格局研究中相对成熟和常用的方法［15］，主要采用景观指数描述景观格局及其变化［17］。它能够从多方面呈现地区景观空间格局水平与动态变化［18］，通过对景观格局指数的定性和定量统计，可以针对不同空间尺度和时间尺度的景观格局特征进行横向的比较并能预测其变化。景观格局指数生态意义不同，所表达的方法和侧重点也不同［19］。本研究主要借助Fragstats 4.2软件对衡水市2014年、2017年和2020年3期数据进行分析。斑块类型水平指标选取选斑块数量（NP）、斑块密度（PD）、最大斑块面积指数（LPI）、斑块所占景观面积比例（PLAND），景观水平指标选取景观密度（PD）、最大斑块面积指数（LPI）、Shannon多样性指数（SHDI）、Shannon均匀度指数（SHEI）。

2 结果与分析

2.1 景观格局指数分析

2.1.1 桃城区景观斑块类型分别对2014年、2017年和2020年的斑块水平指数（NP、PD、LPI、PLAND）进行分析，结果见图1。2014—2020年，农田面积降低，斑块数量逐渐减少；农田的破碎化部分发生在最大斑块上，导致农田最大斑块面积指数降低。从PLAND可以看出，建设用地在衡水市桃城区属于次优势的景观要素（PLAND为20.25%～26.93%），且面积逐时期增加；建设用地的斑块数量呈先减少后增加的趋势，建设用地几乎没有受到破碎化的影响。水域在衡水市桃城区不属于优势景观要素，但其面积呈增加趋势，占比由2015年的1.56%增加至2017年的1.87%，到2020年稍降为1.83%，其斑块数量也逐渐增加，究其原因是人工水面的增加。绿化用地不是衡水市桃城区的优势景观要素，2014—2020年面积占比都很低，从0.60%升到1.22%；绿化用地的斑块数量逐渐增加，景观破碎化比较显著，最大斑块面积受破坏影响较小。未利用土地的面积和斑块数量总体上降低，说明衡水市桃城区土地利用强度持续提高。结合实际调查，大部分的未利用转化为农田。2014—2017年局部出现大的未利用土地斑块，此时期处于建设初期，拆迁工程较多，形成大量的拆迁废地，本研究将其划为未利用土地。

图1 景观斑块水平指数变化

2.1.2 桃城区景观水平分析分别对2014年、2017年和2020年的景观类型水平指数（PD、LPI、SHDI、SHEI）进行分析，结果如图2所示。PD在2014年、2017年、2020年呈先增加后降低的趋势（图2a），由0.539 1增加至0.566 5，然后又降低到0.542 3，表明2014—2017年景观破碎化程度升高，2017—2020年景观破碎化程度又降低。LPI在2014—2020年持续降低（图2b），表明优势景观类型的面积减少，同时表明优势景观类型遭到景观破碎化的干扰，衡水市桃城区的优势景观类型是农田，且农田的LPI持续降低。SHDI在2014—2020年持续增大（图2c），在没有新景观类型增加的情况下，表明景观类型的分布趋向均质化。SHEI在2014—2020年持续增长（图2d），0＜SHEI＜1，可以反映出景观受到多种优势斑块类型所支配。

图2 景观类型水平指数变化

分别对衡水市桃城区2014年、2017年、2020年的景观格局进行分析，可知2014—2020年整体景观破碎化程度降低。从斑块数量变化角度分析，整个研究期间，景观破碎化减小幅度为0.24%；斑块密度减小，也说明景观破碎化减小。优势景观面积不断降低，表明破碎化对优势景观类型影响较大，同时景观类型的分布趋向均质化。

2.2 景观要素面积转化

采用ArcGIS10.3软件的工具箱ArcToolbox中的Insection工具，对2014—2017年、2017—2020年的景观要素面积转化进行量化统计，利用土地利用转移矩阵法进行各景观类型的面积转化分析，结果见表2和表3。

表2 2014—2017年的景观要素转移矩阵（单位：hm2）

表3 2017—2020年的景观要素转移矩阵（单位：hm2）

2014—2017年，绿化用地主要转化为建设用地和农田；建设用地面积的增大主要源于农田的转化，转化面积为1 278 hm2，而绿化用地、水域、未利用土地对建设用地的转化仅分别为22、39、60 hm2；农田面积的减少主要是因为转化为建设用地；水域面积的增大主要源自农田的转化，达100 hm2，其次为建设用地，转化面积为45 hm2，而仅有9 hm2绿化用地、9 hm2未利用土地转化为水域；未利用土地主要转化为农田和建设用地，转化面积分别为81 hm2和60 hm2，其余转化为水域和绿化用地。

2017—2020年，建设用地的增加绝大部分来自农田的转化，转化面积为1 232 hm2，占转入面积的89.67%；未利用土地略微减少，大部分转化为农田，其余为建设用地；农田大部分转化为建设用地，占其转化面积的85.14%；绿化用地大多转化为建设用地和农田，占其转化面积的89.00%，而绿化用地的增加主要来自建设用地和农田的转化，转化面积分别为58 hm2和43 hm2；水域面积的增加也主要来自农田的转化，占转入面积的78.54%。

2.3 景观格局演变的驱动力分析

2.3.1 自然因素自然驱动因素主要包括气候、水文、地形、植物及自然灾害等［20］。从较短研究周期分析，自然因素变化的频率和速率相对于人类活动因素显得迟缓，但从较长研究周期分析，它对土地利用的改变是显著而深远的［21］。由于本研究的时间跨度较短，自然因子对地形和土壤的影响很小，衡水市桃城区地形平坦，土壤类型几乎没有变化，相反是景观要素的改变导致土壤类型局部发生改变，如农田被占用等。

2.3.2 人口因素人口因素是区域景观格局变化的重要驱动因素。衡水市作为京津冀一体化进程中的一个重要节点城市，桃城区常住人口从2007年的46.07万人 到2017年的62.18万人，增长了16.11万人。快速的城市化带来了人口红利，同时也带来了人口压力。人口的增加必然对城市土地的需求增加，这也是建设用地扩展最直接的原因，而建设用地的获得主要依靠农田用地的转化。

2.3.3 政策因素从水域的增加面积来看，水域总面积和斑块数量逐渐增加，短周期内其水文变化很小，所以人文影响起了主导作用，即人为营造了大面积水域。结合政策档案进行验证，根据《河北省旅游高质量发展规划2014—2025年》，衡水市要重点围绕衡水湖生态旅游资源统筹湖城一体化高质量发展打造中国最美湖城。衡水湖湖面面积75 km2，面积与蓄水能力仅次于白洋淀，是华北平原的第二大淡水湖，目前衡水湖引黄河水进行生态补水，充分表明人为影响是本区域景观格局变化的主要驱动力。

从绿化用地景观组分看，2014—2017年，桃城区的发展更注重其经济方面的发展，对生态治理的投入很少，导致衡水湖及主城区内的一部分绿化用地转化为了建设用地。但在2017年衡水市出台了《衡水市国家森林城市建设总体规划（2018—2027年）》确立了“一核、二轴、九城、多廊、多点”的总体布局，自此桃城区围绕创建国家森林城市目标，大搞植树造林活动，打造以“一湖六核”为生态核心、以“五廊十四带”为绿色骨架、以“农田林网”为基底的斑块、廊道、基质相结合的市域绿地结构，因此在2017—2020年桃城区的绿化用地面积有所增加。

3 结论与建议

利用91卫图助手分别下载2014年、2017年和2020年GoogleEarth历史影像数据，并运用遥感和GIS手段通过监督分类与目视解译相结合的方法提取城市的空间特征信息，结合Fragstas 4.2软件分析了衡水市桃城区的景观格局变化及景观要素面积转化，并对景观格局变化的驱动力进行了分析，得出以下结论。

1）衡水市城市总体规划（2015—2030年）实施以来，衡水市桃城区内的景观组分发生了很大的变化。2014—2020年桃城区城市化进程快速发展，建设用地增长较快，而农田面积出现下降趋势，2020年桃城区的建设用地更加趋向于大型化、集中化和优势化。水域和绿化用地在2014—2017年增长缓慢，而在2017—2020年略有增加，但是由于农田的景观组分优势度明显下降，景观多样性也因此趋向均质化。

2）从景观格局的驱动力分析来看，短时间跨度内景观格局受自然因素驱动影响非常小，主要受到人口和政策等人为因素的影响。桃城区快速的城市化带来了人口的快速增长，人地间矛盾更加突出，这也是其建设用地增加主要由农田转化而来的关键驱动力。随着高质量旅游发展规划和森林城市的创建，使得桃城区的水域和绿化用地景观组分有所增加。

衡水市在以往的城市总体规划及相关政策制定上一直偏向建设用地的空间部署，不断侵占农田用地，而且对绿化用地和水域等景观要素的保护不到位。衡水市作为京津冀一体化进程中的重要节点城市，通过近几年快速的城市化已经告别了“小县城”，而今后的城区景观格局发展重点应通过新建与扩建城区绿化公园，增量与增宽行道树，扩大城乡结合部绿化隔离区等措施来增加城区的绿化面积。通过桃城区内坐拥衡水湖国家级自然保护区的优势打好生态本底，做好生态补水、水环境治理，加快西湖蓄水扩容，积极推进湖区村庄生态搬迁，认真落实这些政策，真正打造一个生态宜居的美丽湖城。