梁世杰，李良濤，張曉華，王 耀,3，周月康，馬傳宇

（1河北工程大學園林與生態(tài)工程學院，河北邯鄲 056038；2河北武安青崖寨國家級自然保護區(qū)管理中心，河北武安 056300；3邯鄲學院，河北邯鄲 056005）

0 引言

青崖寨自然保護區(qū)是以保護特殊生態(tài)系統(tǒng)而劃定的區(qū)域，主要目的是進行資源管護與科學研究[1]，具有極強的典型性、稀有性、脆弱性和代表性，區(qū)內分布多種瀕危野生動植物[2]，具有極高的科研價值和保護價值[3]。

目前村級景觀尺度景觀格局研究較少[4]，無法從長時間序列直觀的了解保護區(qū)村級景觀格局動態(tài)變化及驅動因素[5]。另外，在對保護區(qū)進行分類管護時，也同樣受到了景觀資源分布信息不足的困擾[6]。目前對景觀格局動態(tài)變化的研究主要根據(jù)研究尺度分為2種：一種是大尺度范圍里利用Landsat遙感影像分析，另一種則是在小尺度范圍里，利用近地攝影與參與式訪談復原歷史景觀，如大會莊村總面積8 km2，遙感影像數(shù)據(jù)精度不適用于該小區(qū)域景觀格局分析。王曉軍[7]在研究村域歷史景觀時首先采用參與式地理信息系統(tǒng)(PGIS)，通過參與式訪談挖掘村民記憶[8]。隨著三維技術的發(fā)展，Lovett與Appleton[9-10]利用三維建模技術并結合GIS研究景觀格局變化，但建模結果并沒有創(chuàng)造景觀模塊，較難與村民互動。在此基礎上，張曉彤[11]做聚落開放空間可視性研究時，構建的三維電子沙盤以景觀要素為單元創(chuàng)造景觀地塊，可實時拖動對象進行操作，在方法選擇時采用參與式農村訪談[12]，對研究村級景觀變化提供了有益探索。

筆者以河北省青崖寨國家級自然保護區(qū)實驗區(qū)村莊大會莊村為例，基于三維電子沙盤，出于精度和方法的探索[13]，特采用無人機圖像拼接技術構建[14]，通過參與式訪談的方法[15]，在以景觀系統(tǒng)分類為基礎的6種景觀類型上[16]，挖掘利益相關者村民視角下記憶中的大會莊村歷史景觀格局變化與驅動因素。運用景觀生態(tài)學[17]、地理學等理論方法[18]，分析該村1995—2016年景觀格局動態(tài)變化和驅動機制，以期為制定和完善保護區(qū)相關土地利用政策，提高和維持農戶可持續(xù)生計，保護區(qū)功能區(qū)景觀資源科學管護提供建議與依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

大會莊村位于活水鄉(xiāng)政府駐地西北15 km處，中川東板山腳下，洺河源頭，介于113°53′03″—113°53′18″E、北緯36°57′19″—36°57′30″N（圖1）。東鄰大屯村，南鄰禁坡村，西鄰門王莊，北鄰前渠村，總面積8 km2，屬山區(qū)村，三面環(huán)山，成扇形，海拔1200 m。耕地水旱地各半，主要農作物為玉米、谷子。農民120戶390人，多以農業(yè)和林業(yè)生產(chǎn)為主，基礎設施完整。

圖1 大會莊村區(qū)位圖

1.2 電子沙盤的數(shù)據(jù)收集

對大會莊歷史景觀變化的收集來源于當?shù)氐?位村民代表，其中包括現(xiàn)任村支書1名和知曉該村變化的長者5名。訪談過程中結合歷史大事件時間節(jié)點，最終確定1995、2006、2016年3個時間點作為該村景觀變化節(jié)點（表1）。且2016年至2020年大會莊村域建筑用地變化以房屋整修為主，林地、草地、水域、未利用地均無明顯變化，耕地與2016年保持一致，所以利用無人機圖像拼接技術構建的大會莊三維電子沙盤對2016年歷史景觀格局完全具有參考意義。具體收集方法如下：利用型號為大疆Mavic 2 PRO無人機航空拍攝正射影像[19]，飛行模式為自動飛行，手動規(guī)劃飛行路線和高度，拍攝任務完成時自動返航，利用Agisoft PhotoScan Professional軟件拼接圖像，并參考2016年遙感影像，在ArcMap 10.2中將所獲取信息矢量化，繪制2016年大會莊村景觀格局圖，景觀類型與保護區(qū)保持一致，即林地、耕地、草地、水域、建筑用地、未利用地6中類型。以三維電子沙盤為基礎，2016年的景觀格局矢量圖為輔助，參考2006年遙感影像圖，通過充分調動電子沙盤，在參與式訪談的支持下，5名村民現(xiàn)場回憶1995年、2006年該村景觀格局變化，因為景觀格局變化具有歷史延續(xù)性，所以1995年、2006年景觀格局變化矢量圖可通過對2016年矢量圖修改得出，這樣大大節(jié)省了繪制時間（圖2中電子沙盤受地形與硬件限制，邊界并未全部繪出）。

表1 大會莊村歷史景觀時間節(jié)點及參考事件

圖2 大會莊村三維電子沙盤

1.3 電子沙盤的數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析階段用到Agisoft PhotoScan Professional軟件，根據(jù)最新的三維重建技術[20]，對照片進行處理，無需控制點，即可生成真實坐標的三維模型[21]。具體分析步驟如下：首先在通過無人機低空攝影獲取影像后添加183張照片，在工作流程中執(zhí)行對齊照片操作形成177329個連接點；其次執(zhí)行建立密集點操作，調整區(qū)域大小，將遮擋和區(qū)域外點刪除后形成中等質量密集點云36865966個；在工作流程中依此點擊生成網(wǎng)格和生成紋理選項，目的是使模型更加光滑真實；最后建立3D模型形成面為7280707個的三維電子沙盤。

1.4 參與式農村訪談方法

參與式農村訪談方法是近幾年對農村景觀格局變化研究的一種常見方法[22]。其中涉及參與式觀察法、半結構訪談、大事記、GIS技術等調查分析方法[23]，研究大會莊村景觀格局變化。因為方法的特殊性必須由當?shù)卮迕裼H自參加，通過使用無人機圖像拼接技術構建的三維電子沙盤，讓沒有專業(yè)知識的當?shù)卮迕褚部梢暂p松看懂地圖，還原該村歷史景觀格局演變。參與式農村訪談方法如下：第一，將獲取的無人機正射影像打印出來，大小以A1為宜，考慮村民視力不好等問題，通過事先整理，與參與的當?shù)卮迕褚黄鸹仡櫞髸f村重大時間節(jié)點的歷史景觀變遷。第二，通過村民記憶中的歷史景觀描述，結合三維電子沙盤，在ArcGIS中將1995、2006、2016年3個時期的景觀格局矢量化，方便與保護區(qū)大尺度對比。第三，基于GIS 3個時期的景觀格局變化，對大會莊村的景觀格局進行動態(tài)特征分析和轉移矩陣研究。

1.5 景觀指數(shù)的選擇

本文從4個方面選取景觀尺度水平的景觀指數(shù)：（1）形狀指標，表征景觀格局的幾何形狀，選用周長面積比(PARA)；（2）破碎度指標，表征景觀格局的破碎程度，選用斑塊密度(PD)；（3）聚散性指標，表征景觀格局的空間分布排列特征，選用景觀連接度(CONNECT)；（4）多樣性指標，體現(xiàn)景觀格局組成，選用香農多樣性指數(shù)(SHDI)[24]。將景觀的矢量圖像轉換為柵格圖像，通過景觀指數(shù)原理[25]，在Fragstats 4.2中加載景觀類型Geo TIFF grid數(shù)據(jù)，從景觀水平上進行相關指數(shù)的計算，利用ArcGIS 10.2的空間分析功能進行轉移矩陣的計算。

2 結果與分析

2.1 景觀類型的面積分布變化

在表2中，顯示了1995、2006、2016年大會莊村不同景觀類型的面積和所占百分比，從面積來看，林地、建筑用地和水域持續(xù)增加，耕地和未利用地則持續(xù)減少，草地呈現(xiàn)先減少后增加趨勢；從所占百分比來看，林地所占比重最大，耕地次之。

表2 大會莊村景觀類型面積

在1995—2016年期間，林地景觀所占比重最大且持續(xù)增加，凈增長8 hm2。由1995年所占總面積比90.56%提高到2016年的92.37%，通過訪談得出，林地持續(xù)增加主要包括2個方面原因：退耕還林政策的實施和生態(tài)保護工程的初見成效；耕地所占比由1995年的5.75%減少至2016年的3.53%，呈持續(xù)減少趨勢，凈減少9.81 hm2，可理解為早期的亂占耕地建房問題和后期退耕還林政策的實施；在草地景觀中，呈現(xiàn)先減少后增加趨勢，但總體凈減少0.37 hm2，所占比降低至0.36%，該趨勢體現(xiàn)為草地灘涂和水域的相互轉化；建筑用地景觀凈增加1.79 hm2，所占總面積比由1.36%上升到1.77%，該景觀的持續(xù)增加是因為大會莊村人口增加導致占地建房；在水域景觀中，由1995年所占面積比1.27%增加至2016年的1.71%，凈增加1.95 hm2，該趨勢體現(xiàn)為草地轉化和林地增加對雨水的蓄水能力增加；未利用地呈現(xiàn)持續(xù)減少的趨勢，在1995—2016年期間所占面積比由0.62%減少至0.26%，凈減少1.56 hm2，說明生態(tài)保護和后備資源開發(fā)是未利用地減少的重要途徑。

1995年大會莊村景觀如圖3所示，建筑用地較少且多集中，村中道路以通村路與串戶路為主，道路網(wǎng)絡較簡單，通村路主要連接上山與下山路，串戶路集中在建筑用地住宅附近，用來聯(lián)通戶與戶，主要是砂石土路，且道路狹窄呈自由式分布；耕地主要分布在大會莊村東北和西南方向，水田集中在西南區(qū)域，其他各部分均為旱地；林地呈現(xiàn)將該村環(huán)繞形態(tài)，面積在3個時期最少；水域主要分為3塊，山下進村區(qū)域過水面積最大，呈南北流向，村東北方向耕地盡頭水域次之，最小面積分布在村最北側住宅戶前；草地主要分布在進村區(qū)域水域附近，此時期草地面積最大；未利用地在該時期最多，主要為廢棄地和裸巖，呈無規(guī)則分布。

圖3 大會莊村1995年景觀格局圖

2006年大會莊村景觀如圖4所示，道路網(wǎng)絡分布較1995年無明顯變化，呈自由式分布，仍以通村路與串戶路為主，道路網(wǎng)絡與1995年相比較復雜，通村路基本硬化，路面拓寬，但串戶路依舊以砂石土路為主。住宅依舊集中，部分閑置土地和荒地開發(fā)是建筑用地略增加的原因；林地形態(tài)與1995年保持一致，略有增加，主要增加區(qū)域為村正南方向耕地南側，增加原因為退耕還林政策的實施部分耕地向林地的轉化；耕地面積較1995年減少明顯，主要為水田，減少區(qū)域為進村路山腳下水域正東方向與村正南方向兩個部分，耕地分布更為緊湊；草地分布較1995年無明顯變化，但面積減少；相應水域則增加，是因為草地灘涂向水域轉化，但該時期水域分布無變化；未利用地依舊以廢棄地和裸巖為主，主要減少區(qū)域在進村路山腳下水域正東方向，此處地勢平坦，地理條件較好，資源開發(fā)利用迅速。

圖4 大會莊村2006年景觀格局圖

2016年大會莊村景觀如圖5所示，村中道路依舊以通村路與串戶路為主，道路網(wǎng)絡較2006年更為復雜，且全部硬化，串戶路連接各個住宅，較1995年拓寬明顯，形成密集自由式道路網(wǎng)絡；住宅大部分翻修或重建，出現(xiàn)2層獨棟式房屋，村西南方向出現(xiàn)5處獨立住宅，分布依舊較集中緊湊；林地在該時期面積最大且形態(tài)不變，依舊圍繞村域；耕地較2006年略減少，主要因為大量青壯勞動力進城務工，耕地閑置撂荒，水田旱地分布各半，與2006年無明顯變化；草地較2006年有增加，但主要增加區(qū)域為進村路山腳下水域正東方向漁場附近，該范圍為景觀營造區(qū)域，種植波斯菊為主；水域基本保持不變，雖然在村最北住宅戶前一小片水域消失，但整體水域面積增加；未利用地面積較2006年持續(xù)減少，該時期未利用地以裸巖區(qū)域為主，大部分荒廢地均被開發(fā)利用。

圖5 大會莊村2016年景觀格局圖

2.2 景觀指數(shù)特征的變化

在表3中，大會莊村周長面積比在2006年略增加，但整體呈遞減趨勢，該指標越小說明內部核心面積越大，內部生境越復雜，說明大會莊村自2006年起物種豐富度越來越高；在1995—2016年間斑塊密度持續(xù)下降，說明破碎化程度越來越小；景觀連接度呈逐年下降趨勢，主要是優(yōu)勢種演替速度小于部分植被消失速度，另外林地與居民點邊緣退化使得連接度逐漸下降，景觀分布分散明顯；香農多樣性指數(shù)在2006—2016年期間呈增加趨勢，但1995—2016年期間整體呈下降趨勢，表明大會莊村景觀格局破碎化程度逐漸降低，但多樣性增加，人為干擾程度也相應降低，與生態(tài)工程政策的實施與青崖寨自然保護區(qū)的建立有直接關系。

表3 大會莊村景觀指數(shù)特征統(tǒng)計

2.3 轉移矩陣的變化

2.3.1 1995—2006年景觀格局轉換 由表4可知，1995—2006年大會莊村各景觀類型均發(fā)生改變。林地景觀中，主要流出類型為耕地、建筑用地和未利用地，總流出量為1.48 hm2，占總面積的0.37%，流入量為8.32 hm2，耕地為主要流入類型，占流入量的94.95%，建筑用地、水域和未利用地總流入量為0.42hm2，可以得出該村林地面積增加的主要原因是退耕還林政策的實施，耕地向林地的轉化，雖短時間對糧食的需求增加，但對土地開荒和復墾的增加量小于退耕還林的減少量；在耕地景觀類型中，退耕還林仍是耕地減少的重要原因，總流出量為8.44 hm2，其中流向林地面積占總流出量面積的93.60%，為7.90 hm2，向未利用地的轉化可理解為農村人口進城務工，土地無人種植，閑置撂荒；草地流出量為1.35 hm2，流入量為0.47 hm2，凈減少0.88 hm2，互相轉化類型只有水域類型，是因為大會莊村周邊形成的小氣候不同于此時期保護區(qū)降水量，使得草地灘涂向水域轉化量增加；建筑用地在此時期流出類型只有林地，流出量為0.07 hm2，流入量為0.53 hm2，凈增加0.46 hm2，由此得出，該村建筑用地增加的主要來源為毀林開荒、占用耕地和對未利用地的開發(fā)；水域景觀中，流入量為2.30 hm2，流出量為0.51 hm2，凈增加1.79 hm2，水域的沖刷使得一部分在附近的景觀轉入，而水域向林地的轉化主要為村北側山腳下區(qū)域水域干涸，植被生長，林地覆蓋；未利用地流出量為1.54 hm2，流入量為0.86 hm2，凈減少0.68 hm2，主要向林地、耕地、建筑用地、水域景觀類型流出，總流出量占總面積的56.41%，說明生態(tài)保護和閑置資源開發(fā)仍是該村未利用地減少的重要原因。

表4 1995—2006年景觀格局轉移矩陣

2.3.2 2006—2016年景觀格局轉換 由表5可知，2006—2016年大會莊村各景觀類型均發(fā)生改變。在林地景觀類型中，流出量為3.59 hm2，流入量為4.76 hm2，凈增加1.17 hm2，其中流入類型中耕地流入量占總流入量的82.56%，該村降水量多、林地環(huán)繞、植被豐富，耕地閑置3年左右就能演替出退化林地，另外，該時期大會莊村青壯勞動力外流，老年人活動半徑縮短，對林地景觀干擾程度降低，也有利于林地的恢復增加；在耕地景觀類型中，流出量為4.68 hm2，流入量為2.40 hm2，凈減少2.28 hm2。主要流出類型為林地，占總流出量83.97%，這與保護區(qū)同時期耕地整體變化趨勢一致，該村在城鎮(zhèn)化加速發(fā)展的背景下，大量年輕勞動力外流，甚至當?shù)鼐用癜蚜羰貏趧恿ε渲迷诜寝r產(chǎn)業(yè)，耕地也向省時省力方向改變（如山坡旱地用于人工林等）。導致人均耕地面積增大，當?shù)乩夏耆藙趧恿ο陆担恍┈F(xiàn)代化機械無法到達的山坡、距離村莊較遠的耕地閑置撂荒；草地在2006—2016年期間流出量為0.18 hm2，僅向水域流出，流入量為0.68 hm2，凈增加0.50 hm2，主要原因為耕地撂荒演替為草地，水域轉化原因同1995—2006年一樣；在建筑用地中，流出量為0.17 hm2，流入量為1.51 hm2，凈增加1.34 hm2，該時期當?shù)鼐用窠?jīng)濟水平改善，將部分積蓄用于住宅翻修重建，存在原有宅基地基礎上擴建、違法占用林地耕地的現(xiàn)象；在水域景觀類型中，流出量為0.15 hm2，流入量為0.31 hm2，凈增加0.16 hm2，向草地轉化原因同上一時期，向林地的轉入則為水域附近經(jīng)濟林的種植；未利用地流出量為0.89 hm2，沒有其他景觀類型流入，凈減少0.89 hm2，說明該時期認識到土地資源更加寶貴，后備資源開發(fā)是未利用地減少的重要途徑。

表5 2006—2016年景觀格局轉移矩陣

3 結論

本研究基于無人機構建的三維電子沙盤，采用參與式農村訪談方式，研究了青崖寨自然保護區(qū)村級尺度大會莊村在1995—2016年間的景觀格局動態(tài)變化，由此得出結論：

（1）在1995—2016年期間，大會莊村林地、建筑用地、水域景觀類型面積呈增加趨勢；耕地、草地、未利用地景觀類型呈減少趨勢。

（2）在景觀水平上，大會莊村由于林地與居民點邊緣退化導致景觀連接度下降，但整體內部結構連接緊密，破碎化程度逐漸降低，青崖寨自然保護區(qū)成立后，人為干擾因素較少，單一性降低，景觀多樣性得到恢復。

（3）1995—2006年間，大會莊村林地景觀類型中，耕地的轉入是該景觀增加的主要原因，退耕還林導致耕地減少，降水量影響草地灘涂向水域轉化，建筑用增加的主要來源為毀林開荒、占用耕地和對未利用地的開發(fā)；水域的沖刷使得一部分景觀轉入面積增加，生態(tài)保護和資源開發(fā)是未利用地減少的重要原因；2006—2016年間，在林地流入量中耕地最多，占比82.56%，耕地減少主要為閑置撂荒，自然演替為林地，草地的變化有兩個：耕地撂荒演替為草地、水域的轉化，水域與未利用地變化原因同上時期。

4 討論

通過本研究，可得出利用無人機圖像拼接技術可以作為小尺度范圍景觀格局變化研究的一種技術手段，解決了遙感影像的精度不適用于大會莊村域或小區(qū)域范圍，對于村域歷史景觀恢復研究，基于無人機構建的三維電子沙盤在歷史景觀格局記憶挖掘中作為新興手段完全具有參考意義，且具有重要作用。在與村民的實際互動中，三維電子沙盤的便捷性、直觀性、即時性有效的增加了景觀格局恢復的精度，減少了與村民溝通的阻礙。另外，采用的參與式村民訪談方式，與村民建立溝通手段，為專業(yè)技術人員與當?shù)卮迕裼行贤ㄌ峁┝艘环N新的有效溝通方法，減少了調查人員多次往返調查錄入數(shù)據(jù)的困擾，是村域歷史景觀恢復研究中方法選擇的創(chuàng)新。此外，大會莊村域景觀格局變化與驅動因素的研究，為決策者對保護區(qū)科學管護提供了新的思路。但在實際研究中仍存在許多不足，對林地進行探勘時受限于地理條件因素，有些范圍不能到達，且由于無人機硬件配置與海拔原因，部分地區(qū)無人機飛行無法覆蓋，未來可提高硬件水平繼續(xù)研究。在景觀指數(shù)選擇時，本文主要從景觀水平中的形狀、連接度、聚散性、多樣性各選取一個指標進行分析，下一步可以在相同屬性選取多個指標[26]，對研究區(qū)的景觀指數(shù)分析提供更全面的參考。在驅動因素方面存在未考慮因素，以后可完善定量分析[27]，綜合各研究方法，選擇適宜模型，對驅動因素有更全面的研究。在構建三維電子沙盤時采用無人機圖像拼接技術，與三維GIS虛擬電子沙盤相比，不能對生成沙盤進行模塊操作，且無二次開發(fā)接口，如張曉彤做聚落開放空間可視性研究時[11]，構建的三維電子沙盤以景觀要素為單元創(chuàng)造景觀地塊，可實時拖動對象進行操作。在參與式訪談方法樣本選擇時，與張曉彤的參與式農村訪談研究相比[12]，本研究信息收集時所選村民較少。相比一些長時間跨度的保護區(qū)村域研究[28]，本文景觀格局變化分析時間序列較短，未來還需要延長時間跨度對保護區(qū)村域做更完整的分析，為保護區(qū)村域的科學管護提供更客觀的理論支撐。