基于多源數據的2009—2019年丹江口市景觀變化分析

楊智文，張 文*，魏曉冰，李建松，羅名海，程 琦

（1. 武漢大學遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079；2. 武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022）

南水北調是為緩解我國北方缺水地區水資源緊張而開展的一項國家戰略性工程。丹江口是其中線工程的核心水源區、壩區，承擔著保障調水水質安全和實施移民搬遷安置的歷史性任務。對丹江口進行資源調查和監測分析工作，對于地區的生態環境保護和發展規劃具有重要的指導作用，同時可在湖北省乃至長江流域形成示范。景觀格局是指景觀要素的數量、比例、規模等在空間上的配置與分布，既體現景觀異質性，又反映各種生態過程在不同尺度上的作用[1-2]，其形成與變化受自然環境和人類活動的共同作用。通過分析景觀格局，可以了解其組分和空間配置信息，研究景觀格局變化對生態過程和社會過程的影響[3-4]。景觀格局及其動態變化的定量分析方法主要包括景觀格局指數法[5]、空間統計學法[6]和景觀格局動態模擬法[7]。目前大部分景觀格局研究都是針對柵格數據，即利用遙感影像提取研究目標，雖可轉換為矢量數據再進行計算，但受尺度效應和提取算法的影響，成果精度會有所降低，從而影響分析結果[8-9]，將國土調查中綜合各種測繪方式得到的年際土地利用現狀矢量數據直接進行計算分析，可有效地解決該問題。柳晶輝[10]等利用遙感影像進行解譯，分析了丹江口庫區2000年和2004年的土地利用和景觀格局變化；秦鈺莉[11]等采用1987年、1997年、2007年和2017年的遙感影像分析了較長時間跨度的丹江口水庫庫周的景觀格局動態變化；張建[12]等以丹江口市2003—2018年4期遙感影像為基礎，分析了土地利用變化對丹江口市景觀格局與生態服務價值的影響。本文以第二、三次全國國土調查數據（二、三調）為基礎，結合2010—2018年湖北省地理國情專項調查成果，對丹江口市開展重點區域調查研究，從數量、質量、結構等角度進行國土資源現狀、開發利用程度和潛力分析，研判國土資源變化情況及其發展趨勢，綜合分析生態環境與區域高質量發展的整體情況，并提出適應生態保護和經濟發展的對策建議。

1 研究區概況

丹江口市地處秦嶺山脈和大巴山脈之間，屬北亞熱帶季風氣候，春秋氣候溫和，夏季酷熱且降水量集中，冬季嚴寒少雨雪，冬長于夏，春秋相近，四季分明；山地、河谷、丘陵地貌單元眾多，以漢江為界劃分為江南、江北兩大自然區，江南以秦嶺山脈和大巴山系為主，其中武當山天柱峰是最高峰，江北以秦嶺余脈為主，喀斯特地貌特征明顯；主要地形特點為高差大（73~1 540 m）、坡度陡、切割深，地勢西北高、東南低、中部較緩。本文基于湖北省30 m數字高程模型，通過ArcGIS軟件分析導出山體陰影，并疊加數字高程模型和行政邊界數據建立丹江口市的地形地貌圖。丹江口市的地形分布具有明顯的規律性，北部、南部地勢較高，多為山坡丘陵；中部地勢較低，多為水域、平原，這也與丹江口市耕地、城鎮村和工業用地大多分布在中部的實際情況相符合。

2 數據處理與研究模型

本文采用的數據包括二調、三調成果，2010—2018年湖北省土地利用變更調查數據和數字高程模型等資料。首先根據研究需要對多源數據進行整合，構建丹江口市地理時空數據庫；然后選取合適的景觀格局指數，計算指數值并分析土地利用格局和景觀時空變化；最后綜合分析結果，面向資源與生態的人口、經濟發展策略提出建議。

2.1 數據整合

二調、三調數據與湖北省土地利用變更調查數據的土地利用類型劃分存在差異，土地利用變更調查數據的地類劃分沿襲了二調數據，分析三調和二調中土地利用類型劃分的特點和共性發現，二者大部分重合，但三調比二調的統計結果更詳實，對土地利用情況的摸查更確切。本文參照《土地利用現狀分類》國家標準的一級地類劃分方式，建立了耕地、園地、林地、草地、城鎮村及工礦用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地和其他土地8 種類型的土地利用類型分類規則[13]，充分考慮了土地類型中最典型、關注度最高的地類，但又不像二級地類劃分那樣繁瑣，有助于細致、深入地分析丹江口的景觀格局特點。為對比分析丹江口市多年景觀格局的變化，對2019年三調中統計的45類細分數據進行整合，生成八分類尺度的土地利用格局數據；同時對二調數據、2010—2018年湖北省土地利用變更調查數據中統計的30類細分數據進行整合，也獲得了八分類尺度的結果，類型對照見表1。經過土地利用類型的統一，整合數據的時間范圍為2009—2019年，能較系統地反映丹江口市的景觀格局分布及其時空演化趨勢。

表1 丹江口市二調、三調土地利用分類對照

2.2 景觀格局指數

景觀格局指數可對景觀格局進行定量分析，輔助發現影響景觀格局的不利因素，并在規劃中提出控制與發展原則[14-15]。根據景觀格局分析的需要，參考國內外相關研究，本文從數量、空間、聚集度、復雜度和多樣性等方面，選取了斑塊個數（NP）、斑塊密度（PD）、最大斑塊指數（LPI）、平均斑塊大小（MPS）、景觀類型比（PLAND）、景觀形狀指數（LSI）、分維數（FD）、香濃多樣性指數（SHDI）和香濃均勻度指數（SHEI）9 個指標，既可多角度、全方位分析評價地區景觀，又剔除了相似指標間的冗余，具有高度的代表性和敏感性[16-18]。具體的指標意義與內涵為[19-21]：NP 是某一地類景觀的斑塊數量，能客觀反映其破碎度，與景觀的破碎度正相關；PD 是某一地類景觀單位面積所含的斑塊數量，由于引入了景觀的面積數據，更能客觀反映景觀真實的破碎程度；LPI 是某一地類景觀的最大斑塊與區域所有斑塊面積之和的比值，反映最大斑塊對整個類型和景觀的影響程度，體現景觀中占據優勢的類型；MPS是某一地類景觀的斑塊平均面積，反映景觀的破碎化程度；PLAND是某一地類景觀的斑塊面積之和與區域所有斑塊面積之和的比值，反映不同類型斑塊所占景觀面積的比例；LSI通過計算某一地類景觀中斑塊形狀與面積相等的正方形之間的偏離程度反映整體景觀的形狀復雜程度；FD通過計算斑塊和景觀的空間形狀復雜度反映景觀格局的總體分布特征；SHDI 是各景觀類型的斑塊面積占比乘以其值的自然對數之后的和的負值，反映景觀異質性，對景觀中各類型的非均衡分布情況較敏感；SHEI 是SHDI 除以給定景觀豐度下的最大可能多樣性，反映不同景觀或同一景觀在不同時期的多樣性變化。綜合來看，NP、PD、MPS 側重于景觀格局的破碎度分析，LPI 側重于斑塊集中類型和景觀的優勢類型分析，PLAND 側重于景觀類型的豐富度分析，LSI和FD 則側重于某類景觀的形狀復雜度分析，SHDI 和SHEI側重于景觀多樣性分析。

3 研究結果與分析

3.1 丹江口市土地利用變化分析

對丹江口市二調、三調數據進行重點對比分析，在二調的八分類土地利用類型中，林地覆蓋度最高，其次是耕地、水域及水利設施用地和園地，其余類型的覆蓋度較低，具體見圖1，整體來看，丹江口市的土地覆蓋類型多為山區林地，交通運輸用地、其他用地的面積占比很低，說明丹江口市的交通運輸業還有待發展；耕地、園地占比比工礦用地高很多，說明丹江口市還是以農業為主；城鎮村及工礦用地集中分布，說明丹江口市的工業基礎多為城鎮工業園區，單獨的大型工業基地較少；城鎮村及工礦用地多與水域及水利設施用地接壤，說明丹江口市可能還有港口、碼頭等或具備建造條件。

圖1 丹江口市二調土地利用八分類格局

在三調的八分類土地利用類型中，林地類型覆蓋度仍是最高，其次是水域及水利設施用地和園地，均超過了耕地的面積占比，具體見圖2，與二調相比，三調數據中面積變化較大的是林地、草地、耕地、水域及水利設施用地和交通運輸用地，中部、北部的大部分地區，一些耕地和建筑用地變更為林地和水域及水利設施用地，可以推測“退耕還林”、“亂建整治”政策得到了有效實施。作為南水北調工程的中線起點，水利利用變化對丹江口市的水域及水利設施變化具有一定影響。由土地利用類型變化可知，對丹江口土地利用變更具有重要影響的是人為因素。本文進一步統計二調、三調成果中的耕地、園地、林地、草地等8大地類的面積占比（圖3），可以看出，林地一直是丹江口市的主要覆蓋類型，面積占比保持在60%以上；其次是耕地、園地和水域及水利設施用地，占比均在8%~12%變化；再次是草地、城鎮村及工礦用地，占比在2%~3%，但草地有較大的跌幅；交通運輸用地、其他土地的占比最小，約為1%。林地面積占比有較大增幅，約為5.2%；耕地占比有所下降，約為3.3%；園地占比也有輕微下降，約為0.8%，說明在“退耕還林”政策下，丹江口市對林業資源的保護較好；水域及水利設施用地和交通運輸用地占比也有一些增幅，約為2%，說明近10年水資源管理水平明顯提升，交通運輸業也有所發展；由于二調和三調對草地的統計標準發生了變化，三調成果中沒有天然牧草地與人工牧草地，導致草地的面積占比下降較多，約為3.6%；城鎮村及工礦用地占比也有略微下降，約為0.4%，說明丹江口市城鎮化擴張不明顯，為農業、林業生態保護付出了一定的經濟與發展代價。

圖2 丹江口“三調”土地利用八分類格局

圖3 丹江口二調與三調土地利用八分類面積占比對比

3.2 丹江口景觀格局與時空變化分析

基于整合的地理時空數據庫，本文統計了丹江口市土地的利用類型、分布、面積等數據，分析了土地利用狀況和丹江口的景觀格局特征，計算得到9 個景觀格局指數的時序變化，重點對各類景觀的數量、分布、利用結構、復雜度、均勻度等進行綜合評價，結果見圖4。

圖4 2009—2019年丹江口市景觀格局指數變化

從NP 變化來看，在建設用地增長中，貢獻顯著的是城鎮村及工礦用地，2008—2018年該類景觀的NP增加了1 900多塊，在一定程度上反映了丹江口經濟的提升和城鎮化水平的逐步提高；交通運輸用地的NP增加也較多，達到1 000以上，說明整個交通建設有了較快的發展和提升。從PD 變化來看，耕地、城鎮村及工礦用地、林地、園地和交通運輸用地都有較明顯的增加，說明這些景觀在過去的數年間，盡管NP 增加了，但還是能利用較大面積的地塊進行農業改造和城鎮建設。從LPI 變化來看，林地的LPI 最大，而耕地卻偏小，這與丹江口地處鄂西北山區，多山林，缺乏合適的耕地有密切關系，即使是有耕地的地方，也存在大量的坡耕地，反映出丹江口面臨的農業發展困境。從MPS變化來看，各類景觀都呈現下降趨勢，其他用地、交通運輸用地的下降趨勢尤其顯著，一方面說明其他用地不斷經歷各種改造，地塊面積呈現明顯下滑，另一方面說明丹江口進行了大量不同等級、不同類型的交通運輸用地建設，導致MPS顯著下降；耕地和林地始終保持了相對最大的平均面積值，說明丹江口在耕地、林地保護上落實得很好。從PLAND 變化來看，林地具有絕對優勢，并將長期保持，這符合丹江口山多、林多的特點，說明山林保護措施比較有效；耕地、水域和園地占據了第二梯隊，說明丹江口的農業耕地面積相對有限，但水資源豐富的特點；長期來看，這種占比的差異變化非常微小。從LSI 變化來看，耕地的形狀復雜度較高，這與丹江口地形起伏大，存在大量坡耕地相關，且該地區水資源豐富，水體的分割也影響了耕地景觀的復雜度。總體而言，只有交通運輸用地的復雜度變化劇烈，其余地類的形狀復雜度變化不大，反映了2013年開始該地區展開了大量交通建設工程，交通建設經歷了一段快速發展時期。從FD 變化來看，交通運輸用地呈現明顯下降趨勢，對照上述指數分析可知，盡管交通用地的形狀復雜度增加了，但地塊邊界還是比較規則的，這跟交通運輸用地中道路通常邊界比較平滑有一定關系，也從側面說明道路拓寬的情況較多。由于丹江口地處山區，可能存在大量截彎取直工程，如大量建設隧道等，這些都有助于降低交通用地輪廓的復雜度。

景觀生態學中的多樣性與生態學中的物種多樣性有緊密聯系，但并不是簡單的正比關系，研究發現在同一景觀中二者的關系一般呈正態分布[22-23]。根據丹江口市不同地物類型的分布，結合SHDI和SHEI進行分析，以評價相關地物類型的分布均衡情況、多樣性等特性，同時反映當地生物資源的狀態，具體見圖5，可以看出，2009—2018年丹江口市的SHDI和SHEI都基本保持穩定，并呈現微小的上升趨勢，但2019年出現了一個顯著下降，尤其是SHDI 下降更顯著，顯然是由于三調數據采用了新標準進行土地分類統計，各地類占比，尤其是林地、耕地、草地、水域和交通運輸用地發生了明顯變化，進而影響到這兩個指標。總體而言，2018年以前多年序列數據反映出緩慢上升趨勢，而2012—2015年有一個較快的增速，說明丹江口市的生態環境持續向好。

圖5 2009—2019年丹江口市景觀多樣性變化

4 結 語

本文通過整合相關地理國情監測數據，得到有關丹江口的地理時空數據庫；然后對丹江口市國土資源現狀進行綜合分析與評價，并對丹江口近10年景觀格局的時空演變進行了研究，客觀反映了丹江口國土資源的利用現狀與發展趨勢，分析和理清了丹江口國土資源與人口經濟發展之間的相互關系。根據景觀格局指數分析，2010—2019年丹江口市各景觀類型的NP和PD 都在增加，而MPS 則有所減小，唯有城鎮村及工礦用地的MPS在增加，說明景觀破碎度整體呈上升趨勢，反映了當地在不斷的建設與發展當中；各景觀類型的LSI 和FD 一直在增加，唯有交通運輸用地的FD 在減小，說明景觀形狀復雜度同樣呈上升趨勢，反映了當地的土地利用開發經過規劃后，變得更合理；各景觀類型的LPI和PLAND基本保持不變，說明丹江口市的發展依舊以農業、林業為主；景觀的SHDI 和SHEI 也呈緩慢上升趨勢，2012—2015年有個較快的增速，說明丹江口市的生態環境持續向好。

本文結合丹江口市國土資源和生態保護的現狀與時空變化分析，面向區域可持續發展問題，基于資源與人口經濟協調發展的原則，提出以下發展建議：

1）維護良好生態環境，高效利用自然資源。丹江口市作為國家重要的戰略淡水資源庫區之一，盡力維護其良好的生態環境是最重要的基礎工作之一。從分析結果來看，2009年以來丹江口市在一定程度上犧牲了經濟發展速度，有效維護了生態平衡；但丹江口市豐富的自然資源本身也極具潛在的經濟價值，應從自然資源合理利用角度來輔助其社會經濟發展。因此，一方面要繼續實施嚴格的生態環境保護政策，強調水、大氣、土壤等污染防治措施，采取預防為主、全面綜合治理為輔的策略，維護良好的生態環境；另一方面結合新技術、新方法，充分提高自然資源的利用效率，面向各產業從生產、運輸、消費的各個環節優化資源的利用方式和轉化能力，降低水、土地、森林等資源的消耗，提高產出能力。

2）發展生態旅游產業，塑造高品質生態游目的地。旅游產業具有低污染、高回報的特性，丹江口市內不僅有優質的水源區，還毗鄰世界知名的道教文化圣地武當山，具有發展生態旅游得天獨厚的優勢條件。結合特色的歷史文化和地方文化資源，發展生態旅游，塑造高品質的生態游目的地，是極具潛力的經濟發展模式。丹江口可發揮特殊的旅游位置優勢，依托于緊鄰的神農架國家森林公園、武當山世界文化遺產等開發系列旅游產品，打造一批旅游精品線路。同時，充分利用地方的農產品和水體、林業景觀特色，發展特色農家休旅、鄉土農家飲食、農產品采摘、回歸自然生態等差異化路線，整合地方農產品發展特色餐飲，加強重點旅游景區交通、環保、標識標牌等基礎設施和游客集散、接待等服務設施建設，形成特色的旅游品牌，從而推動地方經濟的發展。

本文可為長江流域重點區域的國土資源管理工作提供可參考的數據分析和評價結果，為重點區域的生態保護和合理開發利用提供輔助決策參考建議，對于踐行“生態優先、綠色發展”理念，解決產業發展和生態環境矛盾，形成發展與保護雙贏的局面具有重要的現實意義。然而，由于國土調查數據還以反映國土資源利用情況為主，為更好地進行重點區域資源與生態的調查分析工作，在后續的研究中還需在調查更新機制、分析數據來源和評價體系上進一步擴展完善，為地區國土資源保護利用、發展統籌規劃提供數據和決策支撐。