青崖寨保护区村级景观格局动态分析——基于无人机三维电子沙盘的参与式访谈

梁世杰，李良涛，张晓华，王 耀,3，周月康，马传宇

（1河北工程大学园林与生态工程学院，河北邯郸 056038；2河北武安青崖寨国家级自然保护区管理中心，河北武安 056300；3邯郸学院，河北邯郸 056005）

0 引言

青崖寨自然保护区是以保护特殊生态系统而划定的区域，主要目的是进行资源管护与科学研究[1]，具有极强的典型性、稀有性、脆弱性和代表性，区内分布多种濒危野生动植物[2]，具有极高的科研价值和保护价值[3]。

目前村级景观尺度景观格局研究较少[4]，无法从长时间序列直观的了解保护区村级景观格局动态变化及驱动因素[5]。另外，在对保护区进行分类管护时，也同样受到了景观资源分布信息不足的困扰[6]。目前对景观格局动态变化的研究主要根据研究尺度分为2种：一种是大尺度范围里利用Landsat遥感影像分析，另一种则是在小尺度范围里，利用近地摄影与参与式访谈复原历史景观，如大会庄村总面积8 km2，遥感影像数据精度不适用于该小区域景观格局分析。王晓军[7]在研究村域历史景观时首先采用参与式地理信息系统(PGIS)，通过参与式访谈挖掘村民记忆[8]。随着三维技术的发展，Lovett与Appleton[9-10]利用三维建模技术并结合GIS研究景观格局变化，但建模结果并没有创造景观模块，较难与村民互动。在此基础上，张晓彤[11]做聚落开放空间可视性研究时，构建的三维电子沙盘以景观要素为单元创造景观地块，可实时拖动对象进行操作，在方法选择时采用参与式农村访谈[12]，对研究村级景观变化提供了有益探索。

笔者以河北省青崖寨国家级自然保护区实验区村庄大会庄村为例，基于三维电子沙盘，出于精度和方法的探索[13]，特采用无人机图像拼接技术构建[14]，通过参与式访谈的方法[15]，在以景观系统分类为基础的6种景观类型上[16]，挖掘利益相关者村民视角下记忆中的大会庄村历史景观格局变化与驱动因素。运用景观生态学[17]、地理学等理论方法[18]，分析该村1995—2016年景观格局动态变化和驱动机制，以期为制定和完善保护区相关土地利用政策，提高和维持农户可持续生计，保护区功能区景观资源科学管护提供建议与依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

大会庄村位于活水乡政府驻地西北15 km处，中川东板山脚下，洺河源头，介于113°53′03″—113°53′18″E、北纬36°57′19″—36°57′30″N（图1）。东邻大屯村，南邻禁坡村，西邻门王庄，北邻前渠村，总面积8 km2，属山区村，三面环山，成扇形，海拔1200 m。耕地水旱地各半，主要农作物为玉米、谷子。农民120户390人，多以农业和林业生产为主，基础设施完整。

图1 大会庄村区位图

1.2 电子沙盘的数据收集

对大会庄历史景观变化的收集来源于当地的6位村民代表，其中包括现任村支书1名和知晓该村变化的长者5名。访谈过程中结合历史大事件时间节点，最终确定1995、2006、2016年3个时间点作为该村景观变化节点（表1）。且2016年至2020年大会庄村域建筑用地变化以房屋整修为主，林地、草地、水域、未利用地均无明显变化，耕地与2016年保持一致，所以利用无人机图像拼接技术构建的大会庄三维电子沙盘对2016年历史景观格局完全具有参考意义。具体收集方法如下：利用型号为大疆Mavic 2 PRO无人机航空拍摄正射影像[19]，飞行模式为自动飞行，手动规划飞行路线和高度，拍摄任务完成时自动返航，利用Agisoft PhotoScan Professional软件拼接图像，并参考2016年遥感影像，在ArcMap 10.2中将所获取信息矢量化，绘制2016年大会庄村景观格局图，景观类型与保护区保持一致，即林地、耕地、草地、水域、建筑用地、未利用地6中类型。以三维电子沙盘为基础，2016年的景观格局矢量图为辅助，参考2006年遥感影像图，通过充分调动电子沙盘，在参与式访谈的支持下，5名村民现场回忆1995年、2006年该村景观格局变化，因为景观格局变化具有历史延续性，所以1995年、2006年景观格局变化矢量图可通过对2016年矢量图修改得出，这样大大节省了绘制时间（图2中电子沙盘受地形与硬件限制，边界并未全部绘出）。

表1 大会庄村历史景观时间节点及参考事件

图2 大会庄村三维电子沙盘

1.3 电子沙盘的数据分析

数据分析阶段用到Agisoft PhotoScan Professional软件，根据最新的三维重建技术[20]，对照片进行处理，无需控制点，即可生成真实坐标的三维模型[21]。具体分析步骤如下：首先在通过无人机低空摄影获取影像后添加183张照片，在工作流程中执行对齐照片操作形成177329个连接点；其次执行建立密集点操作，调整区域大小，将遮挡和区域外点删除后形成中等质量密集点云36865966个；在工作流程中依此点击生成网格和生成纹理选项，目的是使模型更加光滑真实；最后建立3D模型形成面为7280707个的三维电子沙盘。

1.4 参与式农村访谈方法

参与式农村访谈方法是近几年对农村景观格局变化研究的一种常见方法[22]。其中涉及参与式观察法、半结构访谈、大事记、GIS技术等调查分析方法[23]，研究大会庄村景观格局变化。因为方法的特殊性必须由当地村民亲自参加，通过使用无人机图像拼接技术构建的三维电子沙盘，让没有专业知识的当地村民也可以轻松看懂地图，还原该村历史景观格局演变。参与式农村访谈方法如下：第一，将获取的无人机正射影像打印出来，大小以A1为宜，考虑村民视力不好等问题，通过事先整理，与参与的当地村民一起回顾大会庄村重大时间节点的历史景观变迁。第二，通过村民记忆中的历史景观描述，结合三维电子沙盘，在ArcGIS中将1995、2006、2016年3个时期的景观格局矢量化，方便与保护区大尺度对比。第三，基于GIS 3个时期的景观格局变化，对大会庄村的景观格局进行动态特征分析和转移矩阵研究。

1.5 景观指数的选择

本文从4个方面选取景观尺度水平的景观指数：（1）形状指标，表征景观格局的几何形状，选用周长面积比(PARA)；（2）破碎度指标，表征景观格局的破碎程度，选用斑块密度(PD)；（3）聚散性指标，表征景观格局的空间分布排列特征，选用景观连接度(CONNECT)；（4）多样性指标，体现景观格局组成，选用香农多样性指数(SHDI)[24]。将景观的矢量图像转换为栅格图像，通过景观指数原理[25]，在Fragstats 4.2中加载景观类型Geo TIFF grid数据，从景观水平上进行相关指数的计算，利用ArcGIS 10.2的空间分析功能进行转移矩阵的计算。

2 结果与分析

2.1 景观类型的面积分布变化

在表2中，显示了1995、2006、2016年大会庄村不同景观类型的面积和所占百分比，从面积来看，林地、建筑用地和水域持续增加，耕地和未利用地则持续减少，草地呈现先减少后增加趋势；从所占百分比来看，林地所占比重最大，耕地次之。

表2 大会庄村景观类型面积

在1995—2016年期间，林地景观所占比重最大且持续增加，净增长8 hm2。由1995年所占总面积比90.56%提高到2016年的92.37%，通过访谈得出，林地持续增加主要包括2个方面原因：退耕还林政策的实施和生态保护工程的初见成效；耕地所占比由1995年的5.75%减少至2016年的3.53%，呈持续减少趋势，净减少9.81 hm2，可理解为早期的乱占耕地建房问题和后期退耕还林政策的实施；在草地景观中，呈现先减少后增加趋势，但总体净减少0.37 hm2，所占比降低至0.36%，该趋势体现为草地滩涂和水域的相互转化；建筑用地景观净增加1.79 hm2，所占总面积比由1.36%上升到1.77%，该景观的持续增加是因为大会庄村人口增加导致占地建房；在水域景观中，由1995年所占面积比1.27%增加至2016年的1.71%，净增加1.95 hm2，该趋势体现为草地转化和林地增加对雨水的蓄水能力增加；未利用地呈现持续减少的趋势，在1995—2016年期间所占面积比由0.62%减少至0.26%，净减少1.56 hm2，说明生态保护和后备资源开发是未利用地减少的重要途径。

1995年大会庄村景观如图3所示，建筑用地较少且多集中，村中道路以通村路与串户路为主，道路网络较简单，通村路主要连接上山与下山路，串户路集中在建筑用地住宅附近，用来联通户与户，主要是砂石土路，且道路狭窄呈自由式分布；耕地主要分布在大会庄村东北和西南方向，水田集中在西南区域，其他各部分均为旱地；林地呈现将该村环绕形态，面积在3个时期最少；水域主要分为3块，山下进村区域过水面积最大，呈南北流向，村东北方向耕地尽头水域次之，最小面积分布在村最北侧住宅户前；草地主要分布在进村区域水域附近，此时期草地面积最大；未利用地在该时期最多，主要为废弃地和裸岩，呈无规则分布。

图3 大会庄村1995年景观格局图

2006年大会庄村景观如图4所示，道路网络分布较1995年无明显变化，呈自由式分布，仍以通村路与串户路为主，道路网络与1995年相比较复杂，通村路基本硬化，路面拓宽，但串户路依旧以砂石土路为主。住宅依旧集中，部分闲置土地和荒地开发是建筑用地略增加的原因；林地形态与1995年保持一致，略有增加，主要增加区域为村正南方向耕地南侧，增加原因为退耕还林政策的实施部分耕地向林地的转化；耕地面积较1995年减少明显，主要为水田，减少区域为进村路山脚下水域正东方向与村正南方向两个部分，耕地分布更为紧凑；草地分布较1995年无明显变化，但面积减少；相应水域则增加，是因为草地滩涂向水域转化，但该时期水域分布无变化；未利用地依旧以废弃地和裸岩为主，主要减少区域在进村路山脚下水域正东方向，此处地势平坦，地理条件较好，资源开发利用迅速。

图4 大会庄村2006年景观格局图

2016年大会庄村景观如图5所示，村中道路依旧以通村路与串户路为主，道路网络较2006年更为复杂，且全部硬化，串户路连接各个住宅，较1995年拓宽明显，形成密集自由式道路网络；住宅大部分翻修或重建，出现2层独栋式房屋，村西南方向出现5处独立住宅，分布依旧较集中紧凑；林地在该时期面积最大且形态不变，依旧围绕村域；耕地较2006年略减少，主要因为大量青壮劳动力进城务工，耕地闲置撂荒，水田旱地分布各半，与2006年无明显变化；草地较2006年有增加，但主要增加区域为进村路山脚下水域正东方向渔场附近，该范围为景观营造区域，种植波斯菊为主；水域基本保持不变，虽然在村最北住宅户前一小片水域消失，但整体水域面积增加；未利用地面积较2006年持续减少，该时期未利用地以裸岩区域为主，大部分荒废地均被开发利用。

图5 大会庄村2016年景观格局图

2.2 景观指数特征的变化

在表3中，大会庄村周长面积比在2006年略增加，但整体呈递减趋势，该指标越小说明内部核心面积越大，内部生境越复杂，说明大会庄村自2006年起物种丰富度越来越高；在1995—2016年间斑块密度持续下降，说明破碎化程度越来越小；景观连接度呈逐年下降趋势，主要是优势种演替速度小于部分植被消失速度，另外林地与居民点边缘退化使得连接度逐渐下降，景观分布分散明显；香农多样性指数在2006—2016年期间呈增加趋势，但1995—2016年期间整体呈下降趋势，表明大会庄村景观格局破碎化程度逐渐降低，但多样性增加，人为干扰程度也相应降低，与生态工程政策的实施与青崖寨自然保护区的建立有直接关系。

表3 大会庄村景观指数特征统计

2.3 转移矩阵的变化

2.3.1 1995—2006年景观格局转换 由表4可知，1995—2006年大会庄村各景观类型均发生改变。林地景观中，主要流出类型为耕地、建筑用地和未利用地，总流出量为1.48 hm2，占总面积的0.37%，流入量为8.32 hm2，耕地为主要流入类型，占流入量的94.95%，建筑用地、水域和未利用地总流入量为0.42hm2，可以得出该村林地面积增加的主要原因是退耕还林政策的实施，耕地向林地的转化，虽短时间对粮食的需求增加，但对土地开荒和复垦的增加量小于退耕还林的减少量；在耕地景观类型中，退耕还林仍是耕地减少的重要原因，总流出量为8.44 hm2，其中流向林地面积占总流出量面积的93.60%，为7.90 hm2，向未利用地的转化可理解为农村人口进城务工，土地无人种植，闲置撂荒；草地流出量为1.35 hm2，流入量为0.47 hm2，净减少0.88 hm2，互相转化类型只有水域类型，是因为大会庄村周边形成的小气候不同于此时期保护区降水量，使得草地滩涂向水域转化量增加；建筑用地在此时期流出类型只有林地，流出量为0.07 hm2，流入量为0.53 hm2，净增加0.46 hm2，由此得出，该村建筑用地增加的主要来源为毁林开荒、占用耕地和对未利用地的开发；水域景观中，流入量为2.30 hm2，流出量为0.51 hm2，净增加1.79 hm2，水域的冲刷使得一部分在附近的景观转入，而水域向林地的转化主要为村北侧山脚下区域水域干涸，植被生长，林地覆盖；未利用地流出量为1.54 hm2，流入量为0.86 hm2，净减少0.68 hm2，主要向林地、耕地、建筑用地、水域景观类型流出，总流出量占总面积的56.41%，说明生态保护和闲置资源开发仍是该村未利用地减少的重要原因。

表4 1995—2006年景观格局转移矩阵

2.3.2 2006—2016年景观格局转换 由表5可知，2006—2016年大会庄村各景观类型均发生改变。在林地景观类型中，流出量为3.59 hm2，流入量为4.76 hm2，净增加1.17 hm2，其中流入类型中耕地流入量占总流入量的82.56%，该村降水量多、林地环绕、植被丰富，耕地闲置3年左右就能演替出退化林地，另外，该时期大会庄村青壮劳动力外流，老年人活动半径缩短，对林地景观干扰程度降低，也有利于林地的恢复增加；在耕地景观类型中，流出量为4.68 hm2，流入量为2.40 hm2，净减少2.28 hm2。主要流出类型为林地，占总流出量83.97%，这与保护区同时期耕地整体变化趋势一致，该村在城镇化加速发展的背景下，大量年轻劳动力外流，甚至当地居民把留守劳动力配置在非农产业，耕地也向省时省力方向改变（如山坡旱地用于人工林等）。导致人均耕地面积增大，当地老年人劳动力下降，一些现代化机械无法到达的山坡、距离村庄较远的耕地闲置撂荒；草地在2006—2016年期间流出量为0.18 hm2，仅向水域流出，流入量为0.68 hm2，净增加0.50 hm2，主要原因为耕地撂荒演替为草地，水域转化原因同1995—2006年一样；在建筑用地中，流出量为0.17 hm2，流入量为1.51 hm2，净增加1.34 hm2，该时期当地居民经济水平改善，将部分积蓄用于住宅翻修重建，存在原有宅基地基础上扩建、违法占用林地耕地的现象；在水域景观类型中，流出量为0.15 hm2，流入量为0.31 hm2，净增加0.16 hm2，向草地转化原因同上一时期，向林地的转入则为水域附近经济林的种植；未利用地流出量为0.89 hm2，没有其他景观类型流入，净减少0.89 hm2，说明该时期认识到土地资源更加宝贵，后备资源开发是未利用地减少的重要途径。

表5 2006—2016年景观格局转移矩阵

3 结论

本研究基于无人机构建的三维电子沙盘，采用参与式农村访谈方式，研究了青崖寨自然保护区村级尺度大会庄村在1995—2016年间的景观格局动态变化，由此得出结论：

（1）在1995—2016年期间，大会庄村林地、建筑用地、水域景观类型面积呈增加趋势；耕地、草地、未利用地景观类型呈减少趋势。

（2）在景观水平上，大会庄村由于林地与居民点边缘退化导致景观连接度下降，但整体内部结构连接紧密，破碎化程度逐渐降低，青崖寨自然保护区成立后，人为干扰因素较少，单一性降低，景观多样性得到恢复。

（3）1995—2006年间，大会庄村林地景观类型中，耕地的转入是该景观增加的主要原因，退耕还林导致耕地减少，降水量影响草地滩涂向水域转化，建筑用增加的主要来源为毁林开荒、占用耕地和对未利用地的开发；水域的冲刷使得一部分景观转入面积增加，生态保护和资源开发是未利用地减少的重要原因；2006—2016年间，在林地流入量中耕地最多，占比82.56%，耕地减少主要为闲置撂荒，自然演替为林地，草地的变化有两个：耕地撂荒演替为草地、水域的转化，水域与未利用地变化原因同上时期。

4 讨论

通过本研究，可得出利用无人机图像拼接技术可以作为小尺度范围景观格局变化研究的一种技术手段，解决了遥感影像的精度不适用于大会庄村域或小区域范围，对于村域历史景观恢复研究，基于无人机构建的三维电子沙盘在历史景观格局记忆挖掘中作为新兴手段完全具有参考意义，且具有重要作用。在与村民的实际互动中，三维电子沙盘的便捷性、直观性、即时性有效的增加了景观格局恢复的精度，减少了与村民沟通的阻碍。另外，采用的参与式村民访谈方式，与村民建立沟通手段，为专业技术人员与当地村民有效沟通提供了一种新的有效沟通方法，减少了调查人员多次往返调查录入数据的困扰，是村域历史景观恢复研究中方法选择的创新。此外，大会庄村域景观格局变化与驱动因素的研究，为决策者对保护区科学管护提供了新的思路。但在实际研究中仍存在许多不足，对林地进行探勘时受限于地理条件因素，有些范围不能到达，且由于无人机硬件配置与海拔原因，部分地区无人机飞行无法覆盖，未来可提高硬件水平继续研究。在景观指数选择时，本文主要从景观水平中的形状、连接度、聚散性、多样性各选取一个指标进行分析，下一步可以在相同属性选取多个指标[26]，对研究区的景观指数分析提供更全面的参考。在驱动因素方面存在未考虑因素，以后可完善定量分析[27]，综合各研究方法，选择适宜模型，对驱动因素有更全面的研究。在构建三维电子沙盘时采用无人机图像拼接技术，与三维GIS虚拟电子沙盘相比，不能对生成沙盘进行模块操作，且无二次开发接口，如张晓彤做聚落开放空间可视性研究时[11]，构建的三维电子沙盘以景观要素为单元创造景观地块，可实时拖动对象进行操作。在参与式访谈方法样本选择时，与张晓彤的参与式农村访谈研究相比[12]，本研究信息收集时所选村民较少。相比一些长时间跨度的保护区村域研究[28]，本文景观格局变化分析时间序列较短，未来还需要延长时间跨度对保护区村域做更完整的分析，为保护区村域的科学管护提供更客观的理论支撑。