2010~2020年汉江中下游流域景观格局变化分析

郑航 程学军 邵逸文 肖潇 徐坚 李国忠 赵保成 徐健

摘要：

为探究汉江中下游流域景观格局变化的结构特征和驱动因素，基于遥感数据，分析汉江中下游流域2010～2020年土地利用/覆盖变化（LUCC）及景观格局变化，采用支持向量机法，分析土地利用类型时空变化及其景观破碎度、多样性变化和斑块形状等，从不同角度探讨该区域景观格局变化驱动因素。研究结果表明：汉江中下游流域景观格局在自然和人文因素驱动下向着更均衡、更多元化的方向演变，集聚的大型景观类型倾向于被其他景观分割、离散，由单一景观的优势格局演化为更丰富多样的区域景观格局分布；在类别水平上，耕地和草地景观斑块形状破碎化程度增加，城镇建设用地景观形状指数（LSI）和斑块密度（PD）均有不同程度增加。研究结果可为汉江中下游地区的经济发展和生态环境保护提供理论基础。

关键词：

LUCC； 景观格局； 景观指数； 汉江中下游流域

中图法分类号：P901

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.04.021

文章编号：1006-0081（2023）04-0128-08

0 引 言

景观格局变化及其驱动因素分析一直是景觀生态学和地理学关注的焦点问题［1-2］，对不同地区的土地利用景观格局演变过程进行分析，能够精确揭示研究区景观格局变化时空特征［3-5］。目前国内外专家学者主要是通过景观格局指数［6-7］和景观动态模型［8-10］来分析景观格局演变特性。景观格局指数是一种可以反映空间配置特征、景观结构组成的量化指标，也是景观格局研究的重要依据［11］。

汉江流域是湖北省重要的政治、经济、文化与生态中心［12］，也是中国重要的水源涵养区和生态屏障区［13-14］。近些年汉江流域城镇化发展迅速，但人口与环境的矛盾日渐突出，汉江流域景观格局变化尤为剧烈［15-16］。为探究新时代背景下江河流域景观格局真实状况与发展态势，本文选取汉江中下游流域为研究区域，基于2010～2020年间共6期遥感数据，分析该区域景观格局变化特征与驱动景观格局演变的机制因素。研究结果将为汉江中下游地区的经济发展和生态环境保护提供理论基础，对增强汉江中下游流域土地利用生态安全、区域可持续发展等有重要的战略意义。

1 研究区及研究方法

1.1 研究区域概况

汉江（30°8′～34°11′N，106°12′～114°14′E），又称“汉水”，是长江最大支流，历史上与黄河、长江、淮水合称“江河淮汉”，在水资源管理方面具有重要作用［17-18］。本文研究区域如图1所示。

汉江自丹江口市顺流而下至长江、汉江交汇口处，包括湖北省襄阳市、荆门市、天门市、仙桃市、孝感市、潜江市、武汉市、神农架林区以及河南省南阳市部分地区。汉江中下游干流长652 km，流域面积6.38万km2［19］，已建成王甫州、崔家营和兴隆3座低坝枢纽工程。汉江中游地处山地丘陵，降雨量较少，水流湍急，在碾盘山进入下游江汉平原，雨水充足，水流速度放缓，郊区农田和城市错落分布在冲积平原上［20-21］。汉江下游自皇庄以下至河口，长382 km，地势平缓，河床比降小，平均比降仅为0.09%，属于典型的平原长距离河道。该流域受亚热带季风的影响，年均气温为15～17 ℃，年降水量范围为700～1 200 mm。温和适宜的气候促进了该地区种植业的发展，主要作物是小麦、水稻等［22］。汉江中下游流域战略性的地理位置、良好的地理气候条件为该地区近年来的高速发展奠定了重要基础，GDP逐年上升，经济发展的进程稳步推进［23-24］。

1.2 数据来源

本文选择Landsat系列卫星搭载ETM和OLI传感器获得的遥感影像为原始数据，分辨率为30 m，选取2010，2012，2014，2016，2018年及2020年6个时期的原始影像，每期研究数据需要8幅原始影像进行拼接、裁剪等预处理。为减少云雪对数据提取精度的影响，遥感影像成像时间确定为6～9月且云量小于10%时期，植被地物特征明显。所有数据下载自地理空间数据云及美国地质调查局官网。同时也参考了湖北省统计年鉴、河南省统计年鉴以及下载自中国科学院资源环境科学数据中心的SRTM 30 m分辨率数字高程数据。Landsat系列数据具有时间跨度广、空间分辨率高和数据稳定性强等特点［25］。数据具体信息如表1所示。

1.3 景观指数分析

景观格局指数可定量监测、描述景观空间结构的时空特征［26］。该指数通过建立景观结构与景

观生态过程之间的联系，进而定量分析景观格局的属性和特征［27］。利用景观格局指数法可将复杂难以研究的景观结构转换为遥感影像上的土地覆被斑块，再通过计算景观斑块的密度、周长、面积、比值等特征，得出景观格局的相关属性［28］。

在短时间内，景观格局变化多体现为土地利用类型变化［29］，因此，在景观格局指标的选择上，反映景观格局信息的指标主要为类型、斑块、景观。通过这3个层面的分析指标，依次描述单个景观类型和整体景观格局，以体现整个研究区空间配置特征和土地结构组成［30］。

本文选取计算斑块数量（NP）、斑块密度（PD）、边缘密度（ED）、景观形状指数（LSI）、平均分维数（FRAC_MN）5类景观指数，具体含义如表2所示。选取的景观指数可从景观生态学角度对景观格局变化情况进行全方位的定量分析［31-32］，从而得出汉江中下游流域不同土地类型板块在空间上的异质性和聚集度、不同类型土地受人类干扰程度，从整体上分析研究区景观空间破碎程度、空间连通性和景观形状等特征［33］。

1.4 土地利用变化特征指标

在土地利用变化期内，可以选择用土地利用类型年变化率、年综合变化率来表现其时间特征信息［34］。计算公式如下。

Kt，i=Ubi-UaiUai×1T×100%（1）

Kt=∑ni=1Ubi-Uai2∑ni=1Uai×1T×100%（2）

上述公式中，Kt，i为研究区土地利用类型i的年变化率；Kt为所有土地利用类型的年综合变化率；Uai为土地类型i在起始年份a的面积，Ubi为其在终止年份b的面积；T为起始至终止的年数；n为该区域所有土地类型的数量。

2 结果与分析

2.1 土地利用变化

本研究严格依据最新GBT 21010-2017《土地利用现状分类》和中国科学院《土地利用/土地覆盖遥感监测数据库说明》的一级分类，结合汉江中下游流域现状，建立耕地、林地、草地、水域及水利设施用地、建筑用地和其他用地6类土地利用类型，分类依据如表3所示。对有NIR，BLUE等波段组合成的影像进行目视解译，严格按照要求定义6种土地利用类型训练样本，并对样本间可分离性进行检验，最终要明确检验样本属合格样本。采用支持向量机（SVM）对汉江中下游流域土地利用类型进行监督分类。在得到分类结果后进行修正，利用高分辨率历史遥感影像对监督分类的结果进行精度矫正，最终确定对应的Kappa系数均大于0.85，土地利用分类结果满足研究所需精度要求。

从土地利用变化分析结果可知（图2、表4），2010～2020年间汉江中下游流域耕地面积最大年份为2010年，面积为34 479.45 km2，随后呈现一直下降的趋势，10 a间耕地总体面积共减少了2 048.78 km2。林地面积变化幅度较小，10 a间共减少了151.35 km2。草地面积总体变化较平缓，10年间共增加了74.51 km2。建筑用地面积呈逐年增加趋势，10 a间面积共增加1 374.94 km2，年变化率为4.27%。水域及水利设施在10 a间用地面积也明显增加，2020年面积为3 463.77 km2，共增加了752.88 km2，年变化率为2.78%。作为以农业为基础产业的鱼米之乡，汉江中下游流域耕地面积的减少与城市经济发展、建筑用地面积的上升紧密联系。建筑用地的转入类型主要以耕地为主。

2.2 景观指数变化

2010～2020年汉江中下游流域景观类型水平的景观指数以耕地、建筑用地、水域及水利设施用地变化明显，三种用地类型的景观指数分析分别如图3～5所示，（包含了斑块数量（NP）、斑块密度（PD）、边缘密度（ED）、景观形状指数（LSI）、平均分维数（FRAC_MN）5类景观指数统计计算结果，以分析变化显著的耕地、建筑用地和水域及水利设施用地等3种土地利用类型为例。

（1） 耕地。在耕地景观类型演变过程中，斑块数量指标（NP）表现为先上升再降低，斑块密度指标（PD）变化趋势较为平稳。武汉和襄阳耕地景观表现出小型景观斑块向景观斑块群整合的趋势，整体破碎度和分离情况有所好转。但耕地的斑块数量和斑块密度呈现增长的趋势。边缘密度指标（ED）的上升表明耕地景观的整体边缘长度增加，边界形状趋于复杂。景观形状指标（LSI）不断上升也表明耕地景观的整体格局向着复杂化、分散化的方向演变，耕地景观从以少数大型景观斑块为主转变为离散分布的斑块群。

（2） 建筑用地。2010～2020年建筑用地景观类型斑块数量（NP）呈现稳定增长态势，斑块密度（PD）变化趋势较为平稳，城镇建设用地景观格局破碎程度加深，整体景观斑块趋向密集化、复杂化。由于城镇开发建设时各行政区域规划方案不一，城镇建设用地景观边界变得极为庞大和复杂，建筑用地边缘密度（ED）和景观形状指数（LSI）也逐年上涨。结合图1和图2可以看出，武汉和南阳的城镇建设用地景观整体边界长度、边缘复杂程度增加最为明显。建设用地平均分维数指标（FRAC_MN）呈现缓慢上升的趋势，一方面城镇建筑用地持续地开拓扩张导致了建筑用地景观边界长度显著增加，整体边缘走向复杂化。另一方面，在城镇建筑用地整体面积上升的趋势下，局部边界的不同区域增长方向情况差异比较大，也造成了整体建筑用地景观边界复杂程度加深。尽管建筑用地景观总体格局趋于离散化和复杂化，但平均分维数指标相比林地、水域及水利设施用地等其他景观类型较低，建筑用地景观破碎化演变进程是以城市为中心向周围蔓延。

（3） 水域及水利设施用地。水域及水利设施用地景观的斑块数量（NP）值呈现以小幅增长后下降的趋势，斑块密度（PD）的值呈现较平稳的变化趋势，由于部分耕地向水域景观的转化以及近年降雨量增加的影响，以2016年中下游大范围持续强降雨为甚，湖泊、水库等水位明显升高，小部分区域出现洪涝灾害，原本破碎、离散水域景观由于水量的增加联合为大的景观斑块，斑块数量和斑块密度有所下降。水域景观边缘密度整体呈现上升的走向，景观格局整体边界趋于复杂化，边缘细碎化。水域及水利设施用地景观形状指数（LSI）和平均分维数（FRAC_MN）表现出先下降、再回升的曲线走向，由于开始水域景观整体边界区域趋于简单化，通过水域重新规划、填湖等人类改造活动，离散分布的水域景观斑块倾向于联接合并形成新的集聚水域景观斑块，从而景观形状指数和平均分维数有所下降。随着经济的快速发展，汉江中下游流域城镇集中规划扩建速度有所放缓，主要是局部小尺度的改造活动，景观斑块边缘趋于复杂化，水域及水利设施用地景观格局的整体破碎程度有所提高。

3 景观格局驱动因素分析

与自然状态下单向且缓慢的区域景观格局演变模式不同，有人类影响下的区域景观格局演变模式是多向且迅速的，驱动景观格局演变的地理、自然环境、社会因素间呈现多元化、复杂化。针对汉江中下游自然地理环境与人类社会发展情况，分为自然因素和人文因素两个角度分析汉江中下游流域的景观格局演变驱动原因。

3.1 自然因素

（1） 地形。汉江中下游流域属于由山地丘陵向平原地区过渡的地区，地势呈现西北高、东南低的格局，西部、北部分布着海拔较高的山地丘陵，汉江自襄樊市盆地向东，经过荆门市由西北部和中部低山丘陵環绕的平坦河道平原区域，进入地形开阔广袤的江汉平原，于武汉市汇入长江水道。汉江两岸坡度基本处于10°以下，整体地势平坦、水量充足，人类活动集中在汉江的河岸区域，建筑用地景观离散坐落在自汉江中游至下游的河道沿岸平原。襄樊市西部、荆门市西北部和中部以及孝感市多低山丘陵，大部分区域坡度处在20°以上，不适宜人类的居住和活动，小型的建筑用地景观和耕地景观多离散分布在地势平坦的盆地区域。而汉江中下游流域全年降水量较大，平均最低气温常年保持在14 ℃以上，满足了亚热带山地丘陵地区常绿阔叶林的生存条件，因而形成了汉江中下游流域在低山丘陵地区集中分布的林地景观。同时由于汉江中下游流域夏季持续时间长、水量大的降雨影响，山岳底部低洼谷地汇集大量山溪形成的众多离散分布的小型湖泊，在河流冲刷作用以及相对弱的光照条件下，造成了草地景观离散分布在低山丘陵地区谷底洼地、林地景观集中分布在山地丘陵山脊山坡的交织散布景观格局。

（2） 气候。汉江中下游流域处于中纬度地区亚热带季风性气候区，年平均温度16～20 ℃，年平均降水量800～2 000 mm，夏季高溫多雨，炎热湿润的气候决定了汉江中下游流域以水稻为主的粮食作物种植产业。汉江水道两岸平原地势起伏较小、雨量充足、土壤肥沃，为自然状态下的植被生长提供了优越条件，形成了林地、草地、耕地景观在汉江沿岸地势平坦的区域大量离散分布的格局。

综上，地形、温度、降雨量等自然因素对区域景观格局的原始形成具有重要的驱动作用，同时对后期景观格局的发展演变起到基本的制约作用。

3.2 人文因素

人类活动影响区域景观格局的改变作用方式比较复杂，多样化影响因子同时驱动景观组合与结构朝着不同方向演变，对汉江中下游流域景观格局演变的人文驱动因素主要分别从人口和经济结构两个方面进行讨论。

汉江中下游流域2010年地区生产总值约为9 700亿元，到2020年增长至22 900亿元，地区生产总值呈现指数式上升趋势，区域经济处于高速增长模式。2010～2020年间研究区人均GDP由38 031元增长至74 751元，年均增幅为9.7%，但第一产业增长幅度较小，维持在1 500亿元左右，基本处于停滞状态。区域城镇发展规划都是以第二产业、第三产业作为经济支柱。

特别是在迅速发展的第二产业、第三产业的带动下，城镇建筑用地的扩张挤压了第一产业的耕地、林地、草地等景观类型的空间。城镇建设用地面积由2010年的3 217.31 km2增至2020年的4 592.14 km2，年均增幅为4.3%（见图6）。

从图7可以看出，人口的持续增长对土地利用的变化特征也会产生较大影响。经查阅统计年鉴可知，2010～2020年汉江中下游流域总人口由2 560万增长至3 064万，平均人口密度由401.25人/km2增至480.17人/km2，年均增幅为1.9%。在人口的持续增长与有限的土地资源矛盾中，从事第一产业的农业人口收入水平相对第二、第三产业从业人口较低，众多乡镇农业从业人口迁入中心城市打工的热潮，形成了第一产业从业人口向第二、第三产业转移的趋势，耕地等景观类型土地的使用需求逐步减少，进一步扩大了城镇建设用地景观侵入耕地等景观类型向外扩张的局面。

综合分析，人类的景观改造活动是驱动区域景观格局演变的主导因素，在人类运动的驱动下，汉江中下游流域景观格局的演变方向和速率较自然状态下有较大差异，在社会经济的推动作用与政府政策的导向作用下，汉江中下游流域整体景观格局演变速率在人类的控制和规划中变化，景观格局整体朝着人类社会需求的模式发展演变。

4 结 论

在RS与GIS等技术帮助下，本文以汉江中下游流域为研究区，对汉江中下游流域10 a来景观格局变化特征进行提取与分析，主要得出以下结论。

（1） 2010～2020年，汉江中下游流域土地利用变化态势明显，耕地面积共减少2 048.78 km2，建筑用地面积共增加1 374.94 km2，其他的土地利用类型都有较大波动，各时期变化速率不同，但最主要体现在耕地类型向建筑用地类型转移。

（2） 2010～2020年汉江中下游流域整体景观格局具有多样性，景观斑块不断被分割，斑块边缘也趋于复杂化，景观格局破碎程度不断加大，集聚的大型景观类型倾向于被其他景观分割、离散，原本相对脆弱的景观生态结构朝着多样、丰富的方向发展。

（3） 通过驱动因素分析表明，自然因素对景观格局的变化有一定的影响作用，随着经济的飞跃增长与产业布局的变化，人文因素成为驱动汉江中下游流域景观格局变化的主要驱动因素。

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（编辑：李 晗）

Analysis of landscape pattern changes in the middle and lower Han River Basin

from 2010 to 2020

ZHENG Hang1，2，CHENG Xuejun1，2，SHAO Yiwen3，XIAO Xiao1，2，XU Jian1，2，LI Guozhong1，2，ZHAO Baocheng1，2，XU Jian1，2

（1.Spatial Information Technology Application Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Wuhan Center for Intelligent Drainage Engineering Technology Research，Wuhan 430010，China； 3.Soil and Water Conservation Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）Abstract：

In order to investigate the structural characteristics and drivers of landscape pattern changes in the middle and lower reaches of the Han River Basin，this paper analyzed the land use/cover change （LUCC） and landscape pattern changes in the middle and lower reaches of the Han River Basin from 2010 to 2020 based on remote sensing images，and used the support vector machine method to analyze the spatial and temporal changes in land use types and their landscape fragmentation，diversity changes and patch shapes，etc.to explore the drivers of landscape pattern changes in the region from different perspectives.The results of the study showed that the spatial and temporal changes of land use types in the middle and lower reaches of the Han River and their landscape fragmentation，diversity changes and patch shapes were the most important factors of landscape change.It is also showed that the landscape pattern of the middle and lower reaches of the Han River Basin evolved in a more balanced and diversified direction driven by natural and human factors，and the clustered large landscape types tend to be fragmented and discrete by other landscapes，evolving from the dominant pattern of a single landscape to a richer and more diverse distribution of regional landscape patterns；at the category level，the fragmentation of landscape patch shapes of arable and grassland landscapes increased，and the landscape shape index （LSI） of urban construction land.The results of the study can provide a theoretical basis for the economic development policy and ecological environmental protection in the middle and lower reaches of the Han River.

Key words：

LUCC； landscape patterns； landscape shape index； middle and lower reaches of Han River Basin

收稿日期：

2022-05-26

基金項目：

国家重点研发计划项目（2018YFD1100405）；湖北省自然资源厅科研计划项目（ZRZY2021KJ10）；中央级公益性科研院所基本科研业务费（CKSF2021485KJ）

作者简介：

郑 航，男，硕士，研究方向为水利信息化与水利遥感。E-mail：1097628234@qq.com

通信作者：

程学军，男，正高级工程师，博士，主要从事水利信息化与水利遥感研究。E-mail：15457235@qq.com