包頭市景觀格局時空演變研究

王 戈 于 強 劉曉希 楊 瀾 劉建華 岳德鵬

(1.北京林業大學精準林業北京市重點實驗室， 北京 100083； 2.北京林業大學外語學院， 北京 100083)

0 引言

土地利用/覆被變化(LUCC)是國際地圈生物圈計劃(IGBP)和全球土地計劃(GLP)的重點交叉學科[1],將土地利用/覆被變化與生態環境和自然資源系統相結合，一直是全球變化研究的重要領域之一。隨著經濟建設的發展，城市土地利用發生著結構性的變化。城市化進程不斷推進，在一定程度上加速影響區域景觀格局的演化，進而影響區域生態安全，景觀格局演化過程成為國內外研究的熱點問題[2]。

從景觀格局的角度分析和研究城市土地利用演變規律是一個新的視角。國內外學者針對景觀格局演化開展了大量的研究，大致有4個研究領域：景觀格局空間的定量化量測、景觀格局變化的驅動力、不同景觀類型擴張的模擬、景觀指數和元胞自動機的模擬[3]。運用多時間序列遙感影像研究景觀格局演變成為熱點[4]。黃聚聰等[5]用景觀格局指數分析廈門城市熱島景觀格局隨城市化進程演變的趨勢。范強等[6]基于RS、GIS對山東省南四湖1982—2012年間的濕地景觀格局與變化特征進行分析。衣華鵬等[7]分析了煙臺市沿海土地利用景觀格局演變特征。

包頭市地處內陸，為典型的溫帶干旱、半干旱大陸性氣候，冬季寒冷干燥、夏季炎熱多雨[8]，地貌起伏，生態環境較為脆弱，面臨較高的水土流失與土地沙漠化、荒漠化風險。近10年來，經濟建設與城市化進程導致包頭市草地、林地、濕地等生態用地遭到占用與破壞，生態風險有所升高[9]。鑒于此，本文以包頭市全域為對象，在遙感和GIS技術的支持下，利用2006、2010、2016年相同月份的3期遙感影像，提取6種不同用地類型景觀及其空間分布數據，運用景觀格局變化動態度、景觀格局轉移矩陣、景觀格局變化空間集聚、景觀格局重心轉移、景觀格局指數，分析包頭市景觀時空演變特征和景觀格局演變驅動力。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

包頭市位于內蒙古自治區西部，東經109°13′～111°26′，北緯40°13′～42°44′，面積27 768 km2，如圖1所示。包頭市深處內陸，氣候為典型的溫帶干旱、半干旱大陸性氣候，冬季寒冷干燥、夏季炎熱多雨[10]，年平均氣溫2.0～7.7℃，年均降水量175～400 mm，年均蒸發量為2 100～2 700 mm。包頭市可利用地表水總量為9×108m3，地下水補給量為8.6×109m3。黃河流經包頭境內214 km，水面寬130～458 m，最大流量6 400 m3/s，年平均徑流量為2.60×1011m3，是包頭市主要用水來源。包頭市海拔976～2 317 m，地勢中間高南北低，北部丘陵、中部山地、南部平原分別占土地面積的14.49%、75.51%、10%[11]。干旱的氣候條件與起伏的地貌特征使得包頭市生態環境較為脆弱，面臨較高的水土流失與土地沙漠化、荒漠化風險。近年來，包頭市城市建設規模擴張迅速，房地產開發項目、工業園區等建設項目不斷涌現，導致草地、林地、濕地等生態用地遭到占用與破壞，生態風險有所升高。

圖1 研究區位置Fig.1 Location of study area

1.2 數據來源與處理

本文主要數據源包括包頭市土地利用數據(2006、2010、2016年)、歸一化植被指數(Normalized difference vegetation index, NDVI)、地面數字高程(Digital elevation model, DEM)、各區縣旗人口密度及工業園區分布數據。其中土地利用數據為Landsat-8遙感數據解譯得到，建設用地分布數據來自《包頭市土地利用總體規劃》；歸一化植被指數(NDVI)、地面高程數據(DEM)來自地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn)；各區人口密度來自包頭市統計年鑒(http:∥www.bttj.gov.cn/tjsj/ndsj/)。根據研究需要，從遙感影像中提取耕地、林地、草地、建設用地、水體、未利用地并通過實地驗證確保其精度，將河灘地、沙地、鹽堿地、沼澤地、裸土地劃分為其他用地類型。

1.3 景觀格局動態度

景觀格局動態度反映某個時間段內包括土地資源數量變化、景觀類型的空間變化和景觀類型組合方式等多個景觀類型的數量變化情況[12]。景觀格局動態度是指研究區域在時間t內某一景觀類型的變化情況，用來評價不同景觀類型在一定時期內的變化量與變化速度[13]，公式為

(1)

式中K——時間段t內某一類型景觀動態度

Ua、Ub——時間段t開始與結束時某一類型景觀的面積

1.4 景觀格局轉移矩陣

景觀類型轉移矩陣用于描述不同景觀類型之間的轉化情況[14]?？梢苑从逞芯砍跗诤湍┢诘木坝^類型結構，同時可以反映研究時間段內景觀類型的轉移情況，可以用于描述景觀類型轉移方向。轉移矩陣中的變量為景觀類型的面積，可以生成研究區景觀類型概率矩陣，實現在一定情境下的景觀變化模擬[15]。其公式為

(2)

式中S——土地面積

n——景觀類型數量

i、j——景觀類型序號

1.5 密度分析模型

在地理空間分析中，密度分析模型可以用于計算點要素和線要素在周圍鄰域中的密度[16]。核密度分析在疾病爆發區分析、區域內犯罪情況分布等研究中應用廣泛[17]。核密度分析模型構建步驟為：①對于研究區內所考慮的地理要素根據重要性設置權重，要素重要程度越高，設置的權重越大[18]。②計算搜索半徑。③進行核密度分析，以SILVERMAN[19]所研究的四次核函數為基礎。

(3)

式中RS——搜索半徑

DS——標準距離

Dm——中值距離

p——所有要素權重加和

1.6 景觀格局分布重心模型

景觀格局分布重心模型在空間上可以很好地描述景觀格局的分布，同時可對不同時間景觀格局重心進行分析，能夠有效反映研究區景觀格局演變的趨勢[20]。景觀格局分布重心模型構建過程[21]為：①將一個區域分為若干小斑塊，確定小斑塊的重心坐標，將每個小斑塊重心的橫縱坐標與其面積相乘后分別累加，分別除以區域的總面積，重心坐標計算公式為

(4)

(5)

重心移動距離公式為

(6)

式中Xt、Yt——研究區域內某一景觀類型在t時刻重心坐標值

Xt1、Xt2——t1和t2時刻某景觀類型橫坐標值

Yt1、Yt2——t1和t2時刻某景觀類型縱坐標值

Cti——研究區域在t時刻的第i個斑塊面積

Xi、Yi——第i個研究區的坐標值

C——研究區該景觀在時間段t1～t2內重心移動的距離

m——斑塊數量

②根據研究區內不同景觀在多時間序列的轉移距離和方向，計算重心轉移速度。

1.7 景觀格局指數

為了全面揭示包頭市不同時期景觀格局特征變化，從斑塊特征、空間鄰接度、聚散性等多個方面，分別在景觀水平和類型水平上選取景觀指數，對包頭市景觀空間格局、形狀特征、聚集程度等進行分析[22]。其中景觀水平上選取6個指數，分別為：CONTAG、IJI、DIVISION、SHDI、SHEI、AI。類型水平上選取8個指數，分別為PD、LSI、IJI、COHESION、DIVISION、MESH、SPLIT、AI。采用FRAGSTATS 4.2軟件進行計算。

2 結果與分析

2.1 景觀格局動態度變化分析

基于2006、2010、2016年的遙感影像，提取不同年份的土地利用數據。對3個年份的土地利用數據分別統計6種類型景觀的面積，并計算各類景觀占同期包頭市總面積的百分比。從圖2可以看出，2006—2016年草地、耕地是包頭市主要的景觀類型。2006年草地約占景觀總面積的67%，在2006—2010年由于包頭市北部裸地變為牧草地，導致草地景觀到2010年增長至73%。在2010—2016年，草地景觀類型比例變化不明顯。在2010—2016年耕地景觀類型比例降低了1個百分點，建設用地占總面積比例10年間增長約1個百分點。由于對未利用地的開發與利用，其他用地占總面積比例降低5個百分點。

圖2 包頭市景觀類型面積百分比Fig.2 Percentage of landscape type area in Baotou City

通過對不同景觀的變化動態度進行計算，可以直觀地反映不同類型景觀變化的速度[23]，動態度越大表明景觀變化越劇烈(圖3)。草地和建設用地在兩個時間段增長趨勢相同，增長速度由2006—2010年的2.5%和1.3%變化為2010—2016年的0.24%和2.76%，草地呈現增長減緩的趨勢而建設用地呈現持續加速增長的趨勢。耕地、水體和其他用地在兩個時間段減少趨勢由2006—2010年的-1.13%、-5.5%和-19.48%變化為2010—2016年的-1.13%、-12.39%、-0.87%。耕地減少速度不變，水體景觀的減少速度加快。其中在2006—2010年，其他用地的減少速度較高。林地景觀在兩個時間段呈現不同的變化趨勢，2006—2010年期間林地的減少速度為-4.23%，在2010—2016年林地景觀呈現面積增長的趨勢，增長速度為5.52%，景觀動態度變化較大。

圖3 包頭市景觀變化動態度Fig.3 Dynamic degree of landscape change in Baotou City

圖4 包頭市景觀格局轉移網絡Fig.4 Landscape pattern transfer network in Baotou City

2.2 景觀格局轉移網絡分析

基于ArcGIS的空間分析工具面積制表，獲取兩個時間段景觀變化轉移矩陣，為直觀顯示轉移方向和轉移量，制作景觀格局轉移網絡圖(圖4)。在2006—2016年期間，包頭市6種類型景觀發生了明顯的相互轉化。

從不同的時間段來看，在2006—2010年間，其他用地轉化為其他類型景觀的年均變化量為368 km2,由于包頭市北部大量裸土地轉化為草地，導致其他用地轉化為草地景觀的轉移率為76%。耕地轉化為其他類型景觀的年均變化量為269 km2，轉化為草原景觀最多，為15.19%，轉化為建設用地為3.79%。轉化為草地、水體、其他用地較少，分別為1.2%、0.9%、0.64%。草地景觀轉化為其他類型景觀的年均變化量為262 km2，其中轉化為耕地的面積最多，轉移率為3.09%。林地景觀轉化為其他景觀類型的年均變化量為134 km2，轉化為耕地的百分比較高，達到9.52%。水體景觀和建設用地的年均轉化量不高，分別為96 km2和74 km2。

在2010—2016年間，耕地與草地景觀的年均轉化量較高，分別為346 km2和396 km2。耕地轉化為草地景觀的轉化率較高，為30.87%，轉化為林地、水體、建設用地和其他用地的轉移率分別為5.61%、0.84%、6.8%、1.27%。林地、水體、其他用地的年均轉化量不高，分別為94、82、53 km2。其他用地在這一時期減少速度不高，轉化為耕地和草地的年均量較大，為28.47%和49.86%。表明隨著人口增長和生態環境的壓力，對于其他用地的整理和治理成為新增草地和耕地的主要途徑[24]。

2.3 景觀格局變化空間集聚特征分析

圖5 包頭市景觀類型轉移密度示意圖Fig.5 Schematics of landscape type transfer density in Baotou City

2006—2016年間，景觀變化在包頭市呈現點狀分布，主要分布在耕地密布草地破碎的農業耕作區和不同景觀交替的邊緣(圖5)。隨著經濟建設與城市化進程加速，居民聚集點的景觀變化較明顯。而不同類型的景觀演變在時空上也有不同的特征，在2006—2010年間，景觀類型轉移密度最大值為15.403 6，變化的區域集中在烏克忽洞鄉、下濕壕鄉、土默特右旗、九原區。在2010—2016年間，景觀類型轉移密度最大值為33.790 8，與2006—2010年相比，景觀變化更為明顯，景觀格局變化空間上更為聚集。變化的區域主要集中在五當召鎮、將軍堯鄉、三道河鄉。包頭市中部與東南部景觀變化密集，反映了農田與建設用地的擴張對于景觀格局的影響。

2.4 景觀格局重心轉移變化分析

基于ArcGIS分別計算2006年、2010年和2016 年的重心坐標并計算相鄰年份重心間的距離，根據轉移距離和方向得出景觀類型重心轉移速度與方向(表1)，各類景觀類型重心轉移示意圖如圖6所示。

表1 景觀類型轉移方向與距離Tab.1 Landscape type transfer direction and distance

在2006—2016年間，其他用地和水體景觀的遷移較為明顯。在2006—2010年間，其他用地中的北部大面積裸土地經過生態治理，面積減少，重心向東南移動73.79 km。在2010—2016年間，對南部其他用地中的沙地與裸土地進行整理與治理[25]，其他用地重心向西北移動31.37 km。

圖6 景觀類型重心轉移示意圖Fig.6 Schematics of gravity shift of landscape type

水體景觀重心在兩個時期持續向南移動，表明包頭市南部水土保持、引黃蓄水工程取得成效。建設用地的重心持續向西南移動，移動速度達到4.24 km/a，表明包頭市西南部城市化進程不斷推進。耕地景觀類型重心在2006—2010年以0.63 km/a的速度向東北移動，反映為在西河鄉、烏蘭忽洞鄉、希拉穆仁鎮等地耕地景觀類型的擴張。林地景觀類型在2006—2010年由于大廟鄉、銀號鄉、下濕壕鄉等地生態狀況不斷好轉，林地景觀面積擴大，導致重心以3.70 km/a的速度向東南移動了14.78 km。草地景觀重心在兩個時間段均向北移動，分別以0.41、0.43 km/a的速度移動了1.63、2.58 km。

2.5 景觀格局指數變化分析

基于fragstats專業軟件，將2006、2010、2016年3期的景觀類型分布圖轉化為geo Raster 格式，在景觀和類型尺度上進行景觀格局指數的計算，如表2、3所示。

2006—2010年在景觀水平上蔓延度指數增長至72.14%，景觀散布與并列指數變化幅度較大，降低至71.31%，景觀分割指數、香農多樣性、香農均勻性均略微減小，聚集度指數略微增加。在2010—2016年間，在景觀水平上蔓延度指數呈減小趨勢，降低至71.29%。散布與并列指數降至66.38%。景觀分割指數、香農多樣性、香農均勻性、聚集指數均呈減小趨勢，表明不同景觀類型之間的均衡度增加，尚未形成優勢景觀，景觀破碎度進一步加劇。

表2 景觀水平景觀格局指數Tab.2 Landscape horizontal landscape pattern index

表3 類型水平景觀格局指數Tab.3 Type horizontal landscape pattern index

在類型水平上，草地的斑塊密度呈先下降后增大趨勢，草地景觀的破碎度加劇導致其形狀指數增加至87.35%，散布與并列指數降低至71.90%，有效網格面積增加，分離度指數減小至2.77%。水體景觀在2006—2010年的形狀指數增加幅度明顯，增長至64.70%，由于包頭市地處內陸，氣候干燥，水體景觀破碎導致分離度指數較高。2010—2016年，建設用地的形狀指數增加至120.74%，散布與并列指數呈減小趨勢，有效網格面積增長至888.71%，分離度指數降低。2006—2010年，林地斑塊密度呈現降低的趨勢，分離度指數減小至9 679.86%，2010—2016年形狀指數增加。耕地的斑塊密度在兩個時期呈現略微增大趨勢，形狀指數在兩個時期均增加，有效網格面積減少至3 686.06 hm2，分離度指數增加至748.08%。

2.6 景觀格局演變驅動力分析

基于ArcGIS對包頭市2006—2010年和2010—2016年進行景觀變化核密度分析，核密度可以直觀地反映景觀變化的密集程度，統計每個像元(尺寸為1 000 m×1 000 m)的核密度與2006—2016年多年平均NDVI值、MNDWI值和夜間燈光數據值，基于Matlab進行Pearson相關性分析，結果如圖7所示。

圖7 2006—2016年包頭市NDVI、MNDWI、夜間燈光值平均分布圖Fig.7 Distributions of NDVI, MNDWI and average of nighttime lights in Baotou City in 2006—2016

景觀變化密集度與NDVI在2006—2010年的相關性為0.38，2010—2016年的相關性為0.426 7，植被覆蓋度高的區域多為耕地，耕地與生態景觀交錯的區域多為景觀變化密集的區域。景觀變化密集度與MNDWI,在2006—2010年的相關性為-0.30，在2010—2016年的相關性為-0.326 1，水體景觀所占比例最小，對于景觀變化的影響較小。景觀變化密集度與夜間燈光數據值的相關性較小，在2006—2010年的相關性為0.11，在2010—2016年的相關性為0.069 5，夜間燈光數據值高的區域多為建設用地，隨著城市化進程的推進，建設用地的擴張導致與其交錯的區域為景觀變化密集的區域。

3 結論

(1)以包頭市為研究區，將景觀類型分為草地、林地、耕地、水體、建設用地、其他用地共6種景觀類型。在2006—2016年10年間市域景觀特征發生了較大變化，2006—2010年其他用地景觀類型的減少速度高達19.48%，10年間建設用地的增加速度從1.3%增至2.76%，城市化進程加速導致生態景觀破碎。在2010—2016年有15.19%的耕地轉化為草原景觀，3.79%的耕地轉化為建設用地。

(2)10年間景觀變化在包頭市呈現點狀分布，主要分布在耕地密布、草地破碎的農業耕作區和不同景觀交替的邊緣。2006—2010年間，其他用地中

的北部裸土地經過生態治理面積減少，其他用地重心向東南移動73.79 km，從景觀轉移反映出包頭市生態建設成效顯著。

(3)在景觀水平上，10年間蔓延度指數增加了4.85個百分點，散布與并列指數、景觀分割指數、香農多樣性、香農均勻性、聚集指數分別減小了8.93個百分點、0.1、0.22、0.12和1.26個百分點，尚未形成優勢景觀，景觀破碎度加劇。在類型水平上，2006—2016年草地景觀的散布與并列指數、分離度指數分別減少了15.98、1.12個百分點；建設用地的形狀指數增長了55.3個百分點、聚集指數降低了4.59個百分點；耕地的形狀指數和分離度指數分別增加了79.5、447.74個百分點。結合景觀格局指數分析結果并進行驅動力分析，發現景觀變化密集度與NDVI具有相關性。