洞庭湖區城鎮化與濕地演變進程監測

劉慧 齊增湘* 黃傅強 劉倩 周永

(1 南華大學建筑學院，湖南 衡陽 421001；2 南華大學設計與藝術學院，湖南 衡陽 421001)

城鎮化指由于社會經濟發展、產業結構優化升級而引起的城市空間規模持續擴大，農村人口不斷向城鎮集中的一個過程(鄒鵬飛, 2016)，被用來大致描述鄉村向城市的發展、演變，在過去的幾十年間，我國經歷了快速城市化的過程，至2017年，我國城鎮化率已達58.5%。在這大規模、快速的城鎮化進程中，社會經濟發展迅速，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環境問題。我國對城鎮化的研究于上世紀90年代開始，在超速城鎮化的背景下，有關城鎮化及所帶來的生態環境影響和問題的研究迅速增加，學者們通過采用幾何學方法、協調學思想、耦合協調度評價指標體系等來對城鎮化與生態環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)。對城鎮化進程進行水平測度、空間形態、空間格局演變等多角度的研究迅速發展(陳明星等,2009; 馬曉冬等, 2008; 劉彥隨等, 2012)，RS和GIS技術因其可直觀有效的對城鎮空間擴張進行測度和表達而得到了廣泛應用(牟云鳳等, 2007; 王偉武等, 2009; 劉紀遠等, 2016）。

濕地是地球生態環境的重要組成部分(Holly et al, 2010)，與森林、海洋一起并稱為全球三大生態系統；因其強大的生態凈化作用，又有“地球之腎”的美名(趙其國等, 2007)。在20世紀中后期，由于經濟迅速發展、人口數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和污染，導致濕地面積大幅度縮小、生態環境被嚴重破壞，其嚴峻形勢在近年來為大眾所關注和重視。關于濕地現狀、景觀格局及其保護和修復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安全、生態服務價值和濕地生態的健康程度的方法也日益豐富(朱紅衛等, 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、西洞庭湖自然保護區、南洞庭湖濕地和水禽自然保護區均在其列，可見洞庭湖是我國濕地生態系統的重要區域。由于過去幾十年間的自然環境變化以及城鎮化過程的人地矛盾和環境污染問題，洞庭湖同樣也是生態環境問題越來越凸顯、生態安全風險突出的地區之一。本文通過制定適用于洞庭湖區的影像解譯體系，得出洞庭湖區的土地利用類型數據，基于此數據研究20年間的城鎮化發展及濕地變化動態，為該區域的城鎮空間管控以及濕地保護提供借鑒。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

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蓄湖泊。本文選取洞庭湖流域湖南省境內的岳陽、益陽、常德三市為研究區，包括共26個縣級行政單元，總面積約45 353 km2。湖區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、環湖丘陵崗地、低山，為一碟形盆地。湖區屬亞熱帶季風氣候，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；以其所特有的生態環境孕育了豐富的自然資源、是許多珍稀動物的棲息地。

1.2 數據來源

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

2 研究方法

2.1 基于CART獲取規則的決策樹分類

CART的基本原理是通過對訓練數據集進行循環分析來形成二叉決策樹結構(陳云等, 2008)。在創建分類樹遞歸過程中，選擇當前數據集中具有最小Gini信息增益的特征作為結點劃分決策樹，簡化了決策樹的規模，提高了效率。

基于研究區具體情況并參考土地利用現狀分類表，建立了該區域的分類體系，將用地分成了林地、農田、建設用地、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12個(2015年為13個)，分別為影像波段1-7/8、ISODATA分類結果、NDVI、RVI、DEM和坡度計算結果。

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

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，反映了景觀空間結構的復雜性和人類對其的干擾程度。破碎度指數包括廊道密度指數和景觀斑塊破碎化指數，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，F1為區域整體景觀破碎指數，F2為某一景觀類型破碎化指數；Na為總面積與最小斑塊面積比值；Nr為景觀類型的總數；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果的影像，此處對其進行加權平均計算，具體公式為：

其中，X、Y分布為加權中心的地理坐標，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。

3 結果與分析

3.1 分類結果及精度評價

在ENVI中運行決策樹文件，并對輸出結果進行聚類、篩除、主次要分析等分類后處理，得到最終的分類結果數據，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果進行精度評價，統計混淆矩陣計算結果可知，5期數據解譯的總體精度都在94%以上，kappa系數全大于0.92，結果表明分類結果較為精準，與普通的監督/非監督分類方法相比較，精度有所提高。

3.2 城鎮與濕地面積變化

3.2.1 整體面積變化對分類后所得到的LUCC數據按類別進行統計，結果如表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。建設用地的面積統計結果，1995-2015年的20年間，洞庭湖區建設用地呈持續增長趨勢，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，建設用地擴張趨勢逐步變緩。

圖1 1995-2015年洞庭湖區分類結果圖Fig.1 LUCC in Dongting Lake area from 1995 to 2015

表1 濕地及城鎮面積統計Table 1 Statistics on wetlands and construction-land area

3.2.2 轉移矩陣分析對相鄰兩期的土地利用類型(LUCC)數據進行轉移矩陣的計算，來分析不同類型濕地、城鎮建設用地及與其他土地利用類型數據間的類別轉變情況。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，其中泥灘地主要轉變成了水體與農田，而蘆葦灘地的主要轉出類型為農田、苔草灘地及林地；城鎮建設用地相較于1995年面積增加154.43 km2，其主要轉入類型為農田與林地，農田和林地分別有103.01 km2和83.77 km2轉變為建設用地。

圖2 洞庭湖區濕地演變過程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數據可知，3種類型灘地面積增加的主要來源為農田和林地，此外，苔草灘地與蘆葦灘地間的互相轉化也比較活躍；而相較于2000年，水體面積有小幅度的減少，其轉出主要類型為農田；城鎮用地相較于5年前增加了337.88 km2，增速有所提升，其轉入類型仍主要為農田與林地。

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，主要轉出類型都為農田；在濕地面積增長中，蘆葦灘地增加1 314.43 km2，占有最大比重，主要由農田與林地轉化而來；再者，則是水體面積，相較于初始值，增加245.24 km2，其主要轉入類型為農田。城鎮建設用地在這5年間增加172.60 km2，與前時間段相比較，擴張速度有所變緩，主要轉入類型為農田。

2010-2015年，濕地面積共持續增長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，大部分由農田和蘆葦灘地轉化而來；水體面積也有少量增加，對其起主要貢獻的類型為農田。城鎮建設用地面積持續擴大，在5年間增加143.63 km2，擴張速率持續放緩。

3.3 城鎮與濕地空間格局變化

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

圖3 景觀破碎化指數統計Fig.3 Statisticson landscape fragmentation index

3.3.1 濕地景觀破碎度變化對洞庭湖區濕地進行整體及各類型景觀破碎指數計算，繪制統計圖（圖3）。洞庭湖區整體破碎化程度較低，1995-2015年數值為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重，而在2010年后，隨著對湖區濕地環境整治工作的開展，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，最終向西南方轉移；水體中心的轉移軌跡為西南-東北-東-東北，相較初始狀態，向西偏移；建設用地中心轉移軌跡為西南-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移，而與之相反，泥灘地與建設用地的空間中心位置向東發生了偏轉。

4 結論與討論

基于多時相遙感影像數據、地形數字圖等，通過對遙感影像進行解譯，并以解譯后的LUCC數據為基礎，對洞庭湖區的城鎮化及濕地格局變化過程進行了分析，其主要結論有：

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

(2)洞庭湖區濕地總體面積在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年內面積逐漸恢復，2015年達到20年間的最大值，占區域總面積的13%。轉移矩陣分析顯示，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，而相應的主要轉出類型為水體、農田及苔草灘地；2000-2010年，濕地面積緩慢增加，2000-2005年主要表現是農田、林地向灘地類型轉移，2005-2010年主要是農田、林地向蘆葦灘地和水體的轉化，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)洞庭湖區建設用地呈持續增長狀態，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)洞庭湖區整體景觀破碎指數值為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，在湖區生態環境整治修復工程的影響下，破碎度指數小幅降低。

(5)濕地及建設用地空間中心在1995-2015年間的每一階段都發生了位置偏移，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，可發現，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生了偏移，而泥灘地與建設用地的空間中心位置向東發生了偏轉。