包头市景观格局时空演变研究

王 戈 于 强 刘晓希 杨 澜 刘建华 岳德鹏

(1.北京林业大学精准林业北京市重点实验室， 北京 100083； 2.北京林业大学外语学院， 北京 100083)

0 引言

土地利用/覆被变化(LUCC)是国际地圈生物圈计划(IGBP)和全球土地计划(GLP)的重点交叉学科[1],将土地利用/覆被变化与生态环境和自然资源系统相结合，一直是全球变化研究的重要领域之一。随着经济建设的发展，城市土地利用发生着结构性的变化。城市化进程不断推进，在一定程度上加速影响区域景观格局的演化，进而影响区域生态安全，景观格局演化过程成为国内外研究的热点问题[2]。

从景观格局的角度分析和研究城市土地利用演变规律是一个新的视角。国内外学者针对景观格局演化开展了大量的研究，大致有4个研究领域：景观格局空间的定量化量测、景观格局变化的驱动力、不同景观类型扩张的模拟、景观指数和元胞自动机的模拟[3]。运用多时间序列遥感影像研究景观格局演变成为热点[4]。黄聚聪等[5]用景观格局指数分析厦门城市热岛景观格局随城市化进程演变的趋势。范强等[6]基于RS、GIS对山东省南四湖1982—2012年间的湿地景观格局与变化特征进行分析。衣华鹏等[7]分析了烟台市沿海土地利用景观格局演变特征。

包头市地处内陆，为典型的温带干旱、半干旱大陆性气候，冬季寒冷干燥、夏季炎热多雨[8]，地貌起伏，生态环境较为脆弱，面临较高的水土流失与土地沙漠化、荒漠化风险。近10年来，经济建设与城市化进程导致包头市草地、林地、湿地等生态用地遭到占用与破坏，生态风险有所升高[9]。鉴于此，本文以包头市全域为对象，在遥感和GIS技术的支持下，利用2006、2010、2016年相同月份的3期遥感影像，提取6种不同用地类型景观及其空间分布数据，运用景观格局变化动态度、景观格局转移矩阵、景观格局变化空间集聚、景观格局重心转移、景观格局指数，分析包头市景观时空演变特征和景观格局演变驱动力。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

包头市位于内蒙古自治区西部，东经109°13′～111°26′，北纬40°13′～42°44′，面积27 768 km2，如图1所示。包头市深处内陆，气候为典型的温带干旱、半干旱大陆性气候，冬季寒冷干燥、夏季炎热多雨[10]，年平均气温2.0～7.7℃，年均降水量175～400 mm，年均蒸发量为2 100～2 700 mm。包头市可利用地表水总量为9×108m3，地下水补给量为8.6×109m3。黄河流经包头境内214 km，水面宽130～458 m，最大流量6 400 m3/s，年平均径流量为2.60×1011m3，是包头市主要用水来源。包头市海拔976～2 317 m，地势中间高南北低，北部丘陵、中部山地、南部平原分别占土地面积的14.49%、75.51%、10%[11]。干旱的气候条件与起伏的地貌特征使得包头市生态环境较为脆弱，面临较高的水土流失与土地沙漠化、荒漠化风险。近年来，包头市城市建设规模扩张迅速，房地产开发项目、工业园区等建设项目不断涌现，导致草地、林地、湿地等生态用地遭到占用与破坏，生态风险有所升高。

图1 研究区位置Fig.1 Location of study area

1.2 数据来源与处理

本文主要数据源包括包头市土地利用数据(2006、2010、2016年)、归一化植被指数(Normalized difference vegetation index, NDVI)、地面数字高程(Digital elevation model, DEM)、各区县旗人口密度及工业园区分布数据。其中土地利用数据为Landsat-8遥感数据解译得到，建设用地分布数据来自《包头市土地利用总体规划》；归一化植被指数(NDVI)、地面高程数据(DEM)来自地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn)；各区人口密度来自包头市统计年鉴(http:∥www.bttj.gov.cn/tjsj/ndsj/)。根据研究需要，从遥感影像中提取耕地、林地、草地、建设用地、水体、未利用地并通过实地验证确保其精度，将河滩地、沙地、盐碱地、沼泽地、裸土地划分为其他用地类型。

1.3 景观格局动态度

景观格局动态度反映某个时间段内包括土地资源数量变化、景观类型的空间变化和景观类型组合方式等多个景观类型的数量变化情况[12]。景观格局动态度是指研究区域在时间t内某一景观类型的变化情况，用来评价不同景观类型在一定时期内的变化量与变化速度[13]，公式为

(1)

式中K——时间段t内某一类型景观动态度

Ua、Ub——时间段t开始与结束时某一类型景观的面积

1.4 景观格局转移矩阵

景观类型转移矩阵用于描述不同景观类型之间的转化情况[14]。可以反映研究初期和末期的景观类型结构，同时可以反映研究时间段内景观类型的转移情况，可以用于描述景观类型转移方向。转移矩阵中的变量为景观类型的面积，可以生成研究区景观类型概率矩阵，实现在一定情境下的景观变化模拟[15]。其公式为

(2)

式中S——土地面积

n——景观类型数量

i、j——景观类型序号

1.5 密度分析模型

在地理空间分析中，密度分析模型可以用于计算点要素和线要素在周围邻域中的密度[16]。核密度分析在疾病爆发区分析、区域内犯罪情况分布等研究中应用广泛[17]。核密度分析模型构建步骤为：①对于研究区内所考虑的地理要素根据重要性设置权重，要素重要程度越高，设置的权重越大[18]。②计算搜索半径。③进行核密度分析，以SILVERMAN[19]所研究的四次核函数为基础。

(3)

式中RS——搜索半径

DS——标准距离

Dm——中值距离

p——所有要素权重加和

1.6 景观格局分布重心模型

景观格局分布重心模型在空间上可以很好地描述景观格局的分布，同时可对不同时间景观格局重心进行分析，能够有效反映研究区景观格局演变的趋势[20]。景观格局分布重心模型构建过程[21]为：①将一个区域分为若干小斑块，确定小斑块的重心坐标，将每个小斑块重心的横纵坐标与其面积相乘后分别累加，分别除以区域的总面积，重心坐标计算公式为

(4)

(5)

重心移动距离公式为

(6)

式中Xt、Yt——研究区域内某一景观类型在t时刻重心坐标值

Xt1、Xt2——t1和t2时刻某景观类型横坐标值

Yt1、Yt2——t1和t2时刻某景观类型纵坐标值

Cti——研究区域在t时刻的第i个斑块面积

Xi、Yi——第i个研究区的坐标值

C——研究区该景观在时间段t1～t2内重心移动的距离

m——斑块数量

②根据研究区内不同景观在多时间序列的转移距离和方向，计算重心转移速度。

1.7 景观格局指数

为了全面揭示包头市不同时期景观格局特征变化，从斑块特征、空间邻接度、聚散性等多个方面，分别在景观水平和类型水平上选取景观指数，对包头市景观空间格局、形状特征、聚集程度等进行分析[22]。其中景观水平上选取6个指数，分别为：CONTAG、IJI、DIVISION、SHDI、SHEI、AI。类型水平上选取8个指数，分别为PD、LSI、IJI、COHESION、DIVISION、MESH、SPLIT、AI。采用FRAGSTATS 4.2软件进行计算。

2 结果与分析

2.1 景观格局动态度变化分析

基于2006、2010、2016年的遥感影像，提取不同年份的土地利用数据。对3个年份的土地利用数据分别统计6种类型景观的面积，并计算各类景观占同期包头市总面积的百分比。从图2可以看出，2006—2016年草地、耕地是包头市主要的景观类型。2006年草地约占景观总面积的67%，在2006—2010年由于包头市北部裸地变为牧草地，导致草地景观到2010年增长至73%。在2010—2016年，草地景观类型比例变化不明显。在2010—2016年耕地景观类型比例降低了1个百分点，建设用地占总面积比例10年间增长约1个百分点。由于对未利用地的开发与利用，其他用地占总面积比例降低5个百分点。

图2 包头市景观类型面积百分比Fig.2 Percentage of landscape type area in Baotou City

通过对不同景观的变化动态度进行计算，可以直观地反映不同类型景观变化的速度[23]，动态度越大表明景观变化越剧烈(图3)。草地和建设用地在两个时间段增长趋势相同，增长速度由2006—2010年的2.5%和1.3%变化为2010—2016年的0.24%和2.76%，草地呈现增长减缓的趋势而建设用地呈现持续加速增长的趋势。耕地、水体和其他用地在两个时间段减少趋势由2006—2010年的-1.13%、-5.5%和-19.48%变化为2010—2016年的-1.13%、-12.39%、-0.87%。耕地减少速度不变，水体景观的减少速度加快。其中在2006—2010年，其他用地的减少速度较高。林地景观在两个时间段呈现不同的变化趋势，2006—2010年期间林地的减少速度为-4.23%，在2010—2016年林地景观呈现面积增长的趋势，增长速度为5.52%，景观动态度变化较大。

图3 包头市景观变化动态度Fig.3 Dynamic degree of landscape change in Baotou City

图4 包头市景观格局转移网络Fig.4 Landscape pattern transfer network in Baotou City

2.2 景观格局转移网络分析

基于ArcGIS的空间分析工具面积制表，获取两个时间段景观变化转移矩阵，为直观显示转移方向和转移量，制作景观格局转移网络图(图4)。在2006—2016年期间，包头市6种类型景观发生了明显的相互转化。

从不同的时间段来看，在2006—2010年间，其他用地转化为其他类型景观的年均变化量为368 km2,由于包头市北部大量裸土地转化为草地，导致其他用地转化为草地景观的转移率为76%。耕地转化为其他类型景观的年均变化量为269 km2，转化为草原景观最多，为15.19%，转化为建设用地为3.79%。转化为草地、水体、其他用地较少，分别为1.2%、0.9%、0.64%。草地景观转化为其他类型景观的年均变化量为262 km2，其中转化为耕地的面积最多，转移率为3.09%。林地景观转化为其他景观类型的年均变化量为134 km2，转化为耕地的百分比较高，达到9.52%。水体景观和建设用地的年均转化量不高，分别为96 km2和74 km2。

在2010—2016年间，耕地与草地景观的年均转化量较高，分别为346 km2和396 km2。耕地转化为草地景观的转化率较高，为30.87%，转化为林地、水体、建设用地和其他用地的转移率分别为5.61%、0.84%、6.8%、1.27%。林地、水体、其他用地的年均转化量不高，分别为94、82、53 km2。其他用地在这一时期减少速度不高，转化为耕地和草地的年均量较大，为28.47%和49.86%。表明随着人口增长和生态环境的压力，对于其他用地的整理和治理成为新增草地和耕地的主要途径[24]。

2.3 景观格局变化空间集聚特征分析

图5 包头市景观类型转移密度示意图Fig.5 Schematics of landscape type transfer density in Baotou City

2006—2016年间，景观变化在包头市呈现点状分布，主要分布在耕地密布草地破碎的农业耕作区和不同景观交替的边缘(图5)。随着经济建设与城市化进程加速，居民聚集点的景观变化较明显。而不同类型的景观演变在时空上也有不同的特征，在2006—2010年间，景观类型转移密度最大值为15.403 6，变化的区域集中在乌克忽洞乡、下湿壕乡、土默特右旗、九原区。在2010—2016年间，景观类型转移密度最大值为33.790 8，与2006—2010年相比，景观变化更为明显，景观格局变化空间上更为聚集。变化的区域主要集中在五当召镇、将军尧乡、三道河乡。包头市中部与东南部景观变化密集，反映了农田与建设用地的扩张对于景观格局的影响。

2.4 景观格局重心转移变化分析

基于ArcGIS分别计算2006年、2010年和2016 年的重心坐标并计算相邻年份重心间的距离，根据转移距离和方向得出景观类型重心转移速度与方向(表1)，各类景观类型重心转移示意图如图6所示。

表1 景观类型转移方向与距离Tab.1 Landscape type transfer direction and distance

在2006—2016年间，其他用地和水体景观的迁移较为明显。在2006—2010年间，其他用地中的北部大面积裸土地经过生态治理，面积减少，重心向东南移动73.79 km。在2010—2016年间，对南部其他用地中的沙地与裸土地进行整理与治理[25]，其他用地重心向西北移动31.37 km。

图6 景观类型重心转移示意图Fig.6 Schematics of gravity shift of landscape type

水体景观重心在两个时期持续向南移动，表明包头市南部水土保持、引黄蓄水工程取得成效。建设用地的重心持续向西南移动，移动速度达到4.24 km/a，表明包头市西南部城市化进程不断推进。耕地景观类型重心在2006—2010年以0.63 km/a的速度向东北移动，反映为在西河乡、乌兰忽洞乡、希拉穆仁镇等地耕地景观类型的扩张。林地景观类型在2006—2010年由于大庙乡、银号乡、下湿壕乡等地生态状况不断好转，林地景观面积扩大，导致重心以3.70 km/a的速度向东南移动了14.78 km。草地景观重心在两个时间段均向北移动，分别以0.41、0.43 km/a的速度移动了1.63、2.58 km。

2.5 景观格局指数变化分析

基于fragstats专业软件，将2006、2010、2016年3期的景观类型分布图转化为geo Raster 格式，在景观和类型尺度上进行景观格局指数的计算，如表2、3所示。

2006—2010年在景观水平上蔓延度指数增长至72.14%，景观散布与并列指数变化幅度较大，降低至71.31%，景观分割指数、香农多样性、香农均匀性均略微减小，聚集度指数略微增加。在2010—2016年间，在景观水平上蔓延度指数呈减小趋势，降低至71.29%。散布与并列指数降至66.38%。景观分割指数、香农多样性、香农均匀性、聚集指数均呈减小趋势，表明不同景观类型之间的均衡度增加，尚未形成优势景观，景观破碎度进一步加剧。

表2 景观水平景观格局指数Tab.2 Landscape horizontal landscape pattern index

表3 类型水平景观格局指数Tab.3 Type horizontal landscape pattern index

在类型水平上，草地的斑块密度呈先下降后增大趋势，草地景观的破碎度加剧导致其形状指数增加至87.35%，散布与并列指数降低至71.90%，有效网格面积增加，分离度指数减小至2.77%。水体景观在2006—2010年的形状指数增加幅度明显，增长至64.70%，由于包头市地处内陆，气候干燥，水体景观破碎导致分离度指数较高。2010—2016年，建设用地的形状指数增加至120.74%，散布与并列指数呈减小趋势，有效网格面积增长至888.71%，分离度指数降低。2006—2010年，林地斑块密度呈现降低的趋势，分离度指数减小至9 679.86%，2010—2016年形状指数增加。耕地的斑块密度在两个时期呈现略微增大趋势，形状指数在两个时期均增加，有效网格面积减少至3 686.06 hm2，分离度指数增加至748.08%。

2.6 景观格局演变驱动力分析

基于ArcGIS对包头市2006—2010年和2010—2016年进行景观变化核密度分析，核密度可以直观地反映景观变化的密集程度，统计每个像元(尺寸为1 000 m×1 000 m)的核密度与2006—2016年多年平均NDVI值、MNDWI值和夜间灯光数据值，基于Matlab进行Pearson相关性分析，结果如图7所示。

图7 2006—2016年包头市NDVI、MNDWI、夜间灯光值平均分布图Fig.7 Distributions of NDVI, MNDWI and average of nighttime lights in Baotou City in 2006—2016

景观变化密集度与NDVI在2006—2010年的相关性为0.38，2010—2016年的相关性为0.426 7，植被覆盖度高的区域多为耕地，耕地与生态景观交错的区域多为景观变化密集的区域。景观变化密集度与MNDWI,在2006—2010年的相关性为-0.30，在2010—2016年的相关性为-0.326 1，水体景观所占比例最小，对于景观变化的影响较小。景观变化密集度与夜间灯光数据值的相关性较小，在2006—2010年的相关性为0.11，在2010—2016年的相关性为0.069 5，夜间灯光数据值高的区域多为建设用地，随着城市化进程的推进，建设用地的扩张导致与其交错的区域为景观变化密集的区域。

3 结论

(1)以包头市为研究区，将景观类型分为草地、林地、耕地、水体、建设用地、其他用地共6种景观类型。在2006—2016年10年间市域景观特征发生了较大变化，2006—2010年其他用地景观类型的减少速度高达19.48%，10年间建设用地的增加速度从1.3%增至2.76%，城市化进程加速导致生态景观破碎。在2010—2016年有15.19%的耕地转化为草原景观，3.79%的耕地转化为建设用地。

(2)10年间景观变化在包头市呈现点状分布，主要分布在耕地密布、草地破碎的农业耕作区和不同景观交替的边缘。2006—2010年间，其他用地中

的北部裸土地经过生态治理面积减少，其他用地重心向东南移动73.79 km，从景观转移反映出包头市生态建设成效显著。

(3)在景观水平上，10年间蔓延度指数增加了4.85个百分点，散布与并列指数、景观分割指数、香农多样性、香农均匀性、聚集指数分别减小了8.93个百分点、0.1、0.22、0.12和1.26个百分点，尚未形成优势景观，景观破碎度加剧。在类型水平上，2006—2016年草地景观的散布与并列指数、分离度指数分别减少了15.98、1.12个百分点；建设用地的形状指数增长了55.3个百分点、聚集指数降低了4.59个百分点；耕地的形状指数和分离度指数分别增加了79.5、447.74个百分点。结合景观格局指数分析结果并进行驱动力分析，发现景观变化密集度与NDVI具有相关性。