基于面向对象的曹妃甸景观格局动态及驱动力研究

张宇宁， 陈 琛， 易惠龙， 荆莉华，胡雅凡， 刘明月，2，3,4*， 满卫东，2,3,4*

(1.华北理工大学矿业工程学院；2.唐山市资源与环境遥感重点实验室;3.河北省矿区生态修复产业技术研究院;4.河北省矿业开发与安全技术重点实验室：河北 唐山 063210)

景观格局变化直接或间接影响着景观中能量流动、气候变化、物质循环等过程[1-2]。景观格局分析能够有效地揭示景观格局变化规律，其主要分析方法包括景观指数、空间分析和景观格局动态模型模拟，其中景观指数是目前应用最广泛的方法[3]。景观格局指数应用于景观动态变化的研究成果丰硕，在湿地[4-5]、沿海地区或河流[6-8]、耕地[9]等方面均有广泛应用。

传统的景观格局分析需要研究提取包括地物边界周长、面积、斑块数量等地物信息，这种方法耗时耗力，随着遥感技术的发展，遥感影像能够及时为景观格局分析提供相对较新的数据[10]。汤佳对南昌市8年间规划区内的遥感影像进行了分析，并基于GIS和RS等技术，提取各个景观格局指数，研究并分析其景观格局变化及驱动力影响因素[11]。王东豪等通过对赣江新区1995—2015年景观格局分析得出，景观破碎化程度加强的结论，并通过CA-Markov 模型对景观格局进行预测[12]。

曹妃甸作为国家重要经济滨海开发区，围填海活动频繁，对景观格局稳定性产生了重要影响。该研究以曹妃甸作为研究区，基于1990、2000、2010和2017年Landsat TM/ETM+/OLI遥感影像，采用面向对象分类方法获取曹妃甸土地利用数据，探究其景观格局时空变化特征，解析其驱动因素，为曹妃甸地区国土空间规划提供科学参考。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

曹妃甸区地处河北省唐山市南部沿海地区，研究区范围38°54′N～39°26′N，118°59′E～118°54′E，总面积约1 476.21 km2。曹妃甸区的气候类型是暖温带半湿润大陆季风气候，并兼受短时海洋性气候的影响，多年平均气温11.2 ℃，多年平均降水量552.2 mm。2003年开发建设以来共投入4 000多亿元，填海造地210 km2，10大产业园区相继建成。其中，曹妃甸工业区从2005年开始，通过大规模围海造地进行建设，规划面积为310 km2，到2019年，已建成380 km2。根据曹妃甸区土地开发利用的特点，将海岸带的景观分为11种景观类型：草地、海、河流、湿地、滩涂、坑塘、耕地、盐田、养殖池、人工表面(图1)。

1.2 数据来源及预处理

遥感影像来自于地理空间数据云网站(http://www.gscloud.cn/)，选取河北省唐山市曹妃甸区云覆盖量低于10%，1990、2000、2010和2017年时相为6～10月的Landsat TM/ETM+/OLI影像，空间分辨率30 m。通过进行几何校正、大气校正、图像增强等处理，采用面向对象分类方法提取4期土地利用信息，经验证精度94.53%，Kappa系数0.93，满足研究需求。GNP、人口数据来自《唐山统计年鉴》。

1.3 研究方法

1.3.1 景观动态格局变化分析方法

景观格局变化的原因在于外界的干扰作用，其结果使得景观系统内个别景观要素的稳定性和景观的空间结构发生改变，从而导致景观格局发生变化[13]。选取指数包括:1) 面积指数：面积所占比例(PLAND)、最大斑块面积指数(LPI)、平均斑块面积(AREA-MN)；2) 分散指数：斑块数(NP)、斑块密度(PD)；3) 边缘指数：总边缘长度(TE)、边缘密度(ED);4) 聚集指数：聚类指数(CLUMPY)、相似临近百分比(PLADJ)、连通度指数(COHESION)、聚合度指数(AI)；5) 形状指数：景观形状指数(LSI)、面积加权的平均形状指数(AWMSI)；6) 多样性指数：香农多样性指数(SHDI)、香农均匀度指数(SHEI)，分析曹妃甸区1990—2017年的景观格局动态特征。

1.3.2 动态度模型

该模型可以描述研究区各类型景观动态变化的程度和速率，计算公式为[14-15]：

(1)

式中,K为研究时段内土地利用类型动态度；Ua，Ub，分别为研究期初与期末土地利用类型面积/km2；T为研究时间间隔。

2 结果与分析

2.1 曹妃甸土地利用时空动态变化特征

曹妃甸区不同时期的土地利用类型空间分布特征如图2所示。4个时期耕地占主导地位，主要分布于曹妃甸北部；其次为盐田和养殖池，主要分布于沿海地区；建设用地呈现明显的空间扩张特征，主要向沿海地区扩张；草地2010年开始出现，主要因为围填海活动扩张出的土地未被利用，而成为稀疏草地。

由图3和表1可知，曹妃甸区各时期土地利用类型以耕地为主，1990—2017年，耕地面积呈现先增加后减少趋势，整体呈减少状态，减少量为47.95 km2，动态度为-0.29%；1990—2000年，耕地呈增加趋势，增加的面积主要来源于对湿地的侵占，侵占面积达75.31 km2；2000—2017年，耕地减少11.69 km2，减少的耕地主要被人工表面侵占。1990—2017年，人工表面呈现持续增长趋势，增加量为258.16 km2，动态度为6.75%；1990—2000年，增加的人工表面，主要来源于耕地，分布在曹妃甸北部，2000—2017年，增加面积为211.2 km2，主要分布在南部沿海地区，受围填海活动的影响严重。1990—2017年，坑塘动态度最高，其面积增加了20.90 km2。围填海获取的土地主要类型为人工表面和草地。

2.2 景观格局分析

2.2.1 景观水平上景观格局变化

由表2可知，1990—2017年，曹妃甸地区景观水平上的景观格局变化主要特征有：NP和PD都出现了先减小后增加的情况，NP由1990年的1 280个增加到2000年的2 020个，后又减少到2017年的1 310个，PD由0.87增加到1.37后，又减少到0.89，说明近27年来曹妃甸地区的景观，破碎化程度先降低后增高。

表2 景观水平上曹妃甸景观指数变化

AREA_MN呈现出先增大后减小的情况，说明曹妃甸区的景观破碎化程度出现先增强后减小的情况，并在2010年达到最大值163.48 hm2。AWMSI则呈现出一直增加的趋势，说明曹妃甸区的斑块形状1990—2017年，变得愈来愈复杂，且景观空间格局的复杂性也愈来愈高。

CONTAG出现先增加后下降现象，由1990年的58.35增加到2000年的60.98后减少到2017年的59.92，说明曹妃甸区域的斑块连接度呈先增加后下降趋势，总体破碎化程度升高。SHDI和SHEI先减少后增加，说明曹妃甸的土地利用丰富多样性先减少后增加，但不定性的信息含量也随之先减少后增加，优势板块的主导作用先增高后降低。

2.2.2 斑块水平上景观格局变化

由表3可知，1990—2017年，耕地PLAND由33.69%减少到31.05%，AREA_MN呈先减小后增大再减小趋势，NP、PD出现先减少再增多现象，说明耕地斑块变化剧烈，分布先聚集后分散，总体耕地景观破碎度增加。从边缘指数来看，TE和ED分别增加了451 020 km和30.05 m/hm2，反映了耕地景观在外部影响下切割程度增大，景观格局破碎化程度增加。从聚集指数来看，PLADJ和AI略微下降，说明景观镶嵌体连通性下降，破碎化程度略有升高，景观类型稳定性下降。CLUMPY略有减小，说明景观略有分散。COHESION下降0.1%，说明耕地斑块的物理连接度略微下降。

表3 斑块水平上曹妃甸景观指数变化

同时，人工表面NP出现先增多后减少的现象，PLAND出现大幅度增加，AREA_MN由1990年的29.99 hm2增加到2017年的98.45 hm2，人工表面斑块较大，PD由2000年的0.62减少到2017年的0.28，说明人工表面分布较为聚集，景观优势度上升。TE和ED分别增加了178 065 km和10.52 m/hm2，说明人工表面景观切割程度增大，景观格局破碎化程度增加。从聚集指数来看，PLADJ增加了5.02%，COHESION略有增加，说明人工表面趋于聚集，物理连接度增加。

养殖池斑块在1990，2000，2010和2017年的PLAND分别为13.50%，17.44%，16.77%和17.08%，1990—2017年，养殖池PLAND总体呈增加趋势，NP和PD总体呈现增加趋势，说明总体养殖池景观破碎度增加。从聚集指数来看，PLADJ、COHESION、CLUMPY、AI 4个指数总体都出现了减小的现象，说明养殖池斑块趋于破碎，斑块间物理连接度减小。

曹妃甸区湿地AREA_MN从1990年的100.90 m2下降到2017年的35.48 m2，说明较多的自然景观斑块被改造为较小的斑块，增加了景观的破碎度。湿地PLAND不断减小且NP，PD，TE，ED分别出现先减小后增大现象，说明湿地在2017年破碎化程度较大。

续表3 斑块水平上曹妃甸景观指数变化

2.3 景观动态格局变化的驱动力

2.3.1 政策因素

1990—2017年,曹妃甸景观格局的变化与国家和地方政策密不可分。2009年国家海洋局下发了《关于曹妃甸循环经济示范区中期工程及曹妃甸国际生态城起步区区域建设用海总体规划的批复》，批复的用海规划区域面积达162.33 km2，2000—2010年,曹妃甸区大面积海域被围填，主要用于工业区建设，使人工表面快速扩张，人工表面斑块呈现聚集趋势，成为曹妃甸地区优势景观，但仍有围填海新增的土地未被利用，而形成了稀疏草地。土地利用结构在经济利益的驱动下有低收入土地结构向高收入土地结构转移，耕地急速减少，耕地景观破碎程度增加[16-17]。2008年起，签订耕地保护责任书陆续签订，使得2010年以后耕地下降的形势有所缓解。20世纪80～90年代以来，大量的天然湿地被人工开发，主要是湿地转化为水田等，使得湿地面积迅速下降，斑块破碎化程度加深。在2005年9月，《唐海湿地和鸟类省级自然保护区管理办法》明确规定了要在本辖区内划出一定特殊保护和管理的区域，保护区范围涉及了7农场、4农场和11农场的部分区域，总面积11 064 hm2，使得湿地的消失速率大大减缓。

2.3.2 人口因素

1990—2017年,曹妃甸的人口总数也从13万增长到29万人，其中,变化最为明显的是2010年和2013年的2个大幅度的上升。为了满足人民生产，生活，学习，娱乐等活动的需要，加快了当地的居民区、基础设施等人工表面建设，使得人工表面面积增加，斑块物理连接度增加，1990—2000年,人工表面主要来源为耕地，2000—2017年，人工表面主要来自于围填海地区。人口数量增长使得粮食需求量不断增加，1990—2010年,大量自然湿地转化为耕地。人口是影响土地利用变化的关键因素[18](图4)。

2.3.3 经济因素

1990—2017年，曹妃甸国民生产总值从4.55亿元大幅提升到439.15亿元，这一结果说明曹妃甸区的经济得到了快速发展。曹妃甸区填海建设完成，工业区面积规模扩大，第一产业人口比重下降，第二产业得到快速发展，国民生产总值大幅度提升，与此同时，部分耕地改造为人工表面使得耕地斑块破碎化程度加深，湿地大量被占用，自然景观遭到破坏，使天然湿地斑块物理连接度大大降低。围填海运动以及其他斑块类型的转化使得人工表面板块区域聚集，景观优势度上升(图5)。

3 结论

1) 曹妃甸土地利用类型中耕地主要分布在北部地区；盐田和养殖池横贯曹妃甸中部地区，2010—2017年，由于围填海活动频繁导致南部沿海地区出现大量人工表面以及未开发的草地。曹妃甸区主要以耕地为主，呈现减少趋势并趋于稳定。

2) 1990—2017年，曹妃甸地区景观水平上NP和PD都呈现了先减小后增加的趋势，整体呈现增加趋势，景观破碎化程度先降低后增加，整体区域破碎化。SHDI和SHEI先减少后增加，曹妃甸的土地利用丰富多样性先减少后增加。曹妃甸地区斑块水平上人工表面AREA_MN增加，PD减少，人工表面分布较为聚集，景观优势度上升；耕地PLADJ和AI略微下降,景观镶嵌体连通性下降,破碎化程度略有升高,景观类型稳定性下降;曹妃甸区湿地AREA_MN减小，较多的自然景观斑块被改造为较小的斑块。政策、经济和人口等社会因素对景观格局的变化产生了重要影响。

在曹妃甸土地利用类型驱动力的研究中，可知土地利用格局的社会驱动力主要有政策因素、经济因素和人口因素。在国家和地方政策的支持下，人口的增长和经济提升推动了当地的城镇化建设，对土地利用类型的变化产生了直接影响。

综上所述，建议曹妃甸在城镇化进程中，强调注重生态与城市发展的平衡，转向新型城镇化建设，迈入以生态文明为导向的新时代，将生态文明融入城镇化进程中，减轻城镇化对生态环境的破坏作用，同时控制人口增长，减轻人类对对自然资源过度利用，为优化曹妃甸的未来土地利用格局提供参考。