湿地是由水陆相互作用形成的自然综合体，是自然界生物多样性和生产力最高的生态系统之一，在维护区域生态平衡和生境安全等方面具有重要功能与价值^[1-3]。城市湿地是指城市区域之内的海岸与河口、河岸、水源保护区、浅水湖沼、自然和人工池塘等具有水陆过渡性质的生态系统^[4]。城市湿地是城市生态环境的重要组成部分^[5]，由于城市经济发达、人口集中，因此城市湿地在调节气候、涵养水源和自然灾害防控等方面的意义更为突出，在提供环境教育、休闲娱乐等方面更具优势^[6-7]。

随着社会经济的快速发展和人口急剧增长，人类对湿地的不合理利用造成了湿地资源的快速退化，部分湿地功能下降甚至丧失，对城市的生态安全和社会经济健康发展造成严重威胁^[4]。因此，开展对湿地的时空变化过程的监测和研究具有重要意义，同时也可以为了解湿地变化规律和制定湿地保护对策提供科学基础。近年来，随着遥感(RS)技术和地理信息系统(GIS)的发展，众多国内外学者基于GIS和RS技术展开对湿地生态系统的宏观监测和景观格局演化的分析。Wright等^[8]基于Landsat影像对美国黄石国家公园湿地进行信息提取并分析其景观格局变化；宫兆宁等^[9]利用GIS技术和Landsat遥感数据研究了1984—2008年间北京湿地面积的变化，发现北京湿地总体上呈现先增加后急剧减少再小幅回升的趋势；吕金霞等^[10]运用GIS空间分析方法研究了近30年来京津冀地区的湿地景观变化。

近年来北京市经历了快速的城市化过程，随着建设面积的不断扩大，湿地空间被大量侵占^[11]，使北京地区的湿地生态系统面临较大的威胁，并会直接影响到城市的水资源安全和生物多样性安全等。目前对北京湿地的研究已有一定成果，但是大多数研究都是使用中分辨率的遥感数据来量化湿地的空间分布及其动态变化特征，比如Landsat TM数据^[9-10]。但在高度城市化的地区，由于土地空间有限、地价较高等原因，导致许多湿地、绿地斑块的面积相当小^[12]，中等分辨率的遥感影像难以识别城市内较小的湿地动态变化。现使用具有高分辨率的遥感数据，提取北京6环内城区2016、2018年2期的城市湿地分布数据，综合运用GIS和景观格局指数的方法分析北京城区的湿地时空分布特征，以期为北京城市湿地的保护和生态空间的规划建设提供科学依据。

1 研究区概况

北京市位于华北平原西北部，地理坐标为115°25′—117°35′E，39°28'—41°05′N，土地总面积1.68×10⁴ km²，属于暖温带大陆性季风气候，冬季寒冷多风且干燥，夏季炎热多雨，年平均降水量约600 mm，降水主要集中在6—9月份。北京地形西北高、东南低，西北为太行山脉，北部为燕山山脉，境内分布有大小河流160余条，分属于北运河、永定河、蓟运河、大清河和潮白河5大水系。北京城市地区主要为5个环路构成的同心圆式的圈层结构，且高密度的人工建设区域集中分布在6环路以内。

2 研究方法 2.1 数据来源及处理

采用的数据为北京6环内2016、2018年6—8月份高分辨率遥感影像数据，包括“北京二号”卫星数据(全色0.8 m，多光谱3.2 m)及Pleiades卫星数据(全色0.5 m，多光谱2 m)。首先对影像进行预处理，包括影像融合和几何校正等。影像预处理完成后，采用计算机自动解译与目视解译相结合的方法，对影像进行解译。最后，通过外业调查及抽样图斑进行成果精度检验和再次修订，使总体分类精度>90%。湿地类型的划分参考《关于特别是作为水禽栖息地的国际重要湿地公约》(简称《湿地公约》)，同时结合北京市城市土地利用类型的特征，将北京湿地划分为河流湿地、湖库湿地、坑塘湿地、水田和水工设施，见表 1^[13-14]。

2.2 景观格局分析

景观格局指数能够高度浓缩景观空间格局信息，反映其结构组成和空间配置等方面的特征。现利用景观格局指数来表征北京地区城市湿地的景观格局特征。根据北京城市湿地空间景观特点，主要选取反映湿地景观斑块数量、形状和空间关系的景观指数，包括斑块密度(Patch Density，PD)、平均斑块面积(Mean Patch Size，MPS)、景观形状指数(Landscape Shape Index，LSI)、周长面积分维数(Perimeter-Area Fractal Dimension，PAFRAC)、聚集度指数(Aggregation Index，AI)和结合度指数(Patch Cohesion Index，COHESION)，借助Fragstats 4.1软件进行景观格局指数计算。各项指数的具体说明及计算方法参见文献[15]。

3 结果与分析 3.1 北京城市湿地面积变化分析

2016和2018年北京6环内城市湿地的空间分布见图 1(a)(b)，2016—2018年北京中心城湿地面积总体呈现缩减趋势，见表 2。

由表 2可见，2016年北京中心城湿地面积为5 497.09 hm²，占6环内土地面积的2.42%。面积最大的湿地类型为河流湿地，其次为湖库湿地，二者面积分别为2 860.26和2 276.48 hm²，占湿地总面积的52.03%和41.41%，其他湿地面积相对较小。2018年中心城湿地面积为5 370.50 hm²，与2016年相比缩减了126.58 hm²。分析不同类型湿地的动态变化，结果显示湖库湿地面积减少最多，2年间减少128.78 hm²，其次为河流湿地，面积减少9.48 hm²；水田湿地的面积略有增加，从2016年的122.29 hm²增至2018年的130.80 hm²；坑塘湿地和水工设施的面积波动较小。

对不同环路区域的湿地面积进行分析，从内环到外环湿地面积基本呈逐渐增加的趋势，见图 2。由图 2可见，4环内各环路区域间的湿地面积相差不大，而4环外的湿地面积则出现大幅度增加，特别是5-6环的湿地面积占到湿地总面积的约75%，主要是因为在这一区域分布着许多大型的运河、输水河以及绿地公园、湿地公园等。分析各环路带湿地面积的变化情况，发现2016—2018年，4环内湿地面积的变动较小，4-5环的湿地增加了21.08 hm²，而5-6环的湿地减少了149.69 hm²。由此可知，北京中心城湿地的减少主要发生在位于城市边缘的5-6环区域，主要是由于这一区域属于城乡结合部位，开发建设等人类活动的强度较大。

3.2 北京城市湿地组成变化分析

为进一步了解北京城市湿地的动态变化情况，采用转移矩阵分析6环内土地利用类型的转换过程见表 3。由表 3可见，2016—2018年，北京城市湿地主要与草地进行相互转化。河流湿地的转出面积为126.18 hm²，其中108.55 hm²转化为草地，占转出总面积的86.03%；湖库湿地转出面积为222.75 hm²，其中158.53 hm²转化为草地，38.55 hm²转化为建设用地，25.35 hm²转化为林地；与此相对，分别有91.50和66.78 hm²的草地转化为河流湿地和湖库湿地。这些土地利用类型的转化受到人类活动和自然因素的共同影响，比如马家湾湿地公园、南海子公园以及永定河周边的高尔夫俱乐部等人类建设活动会引起水面面积变化。

从《北京市水资源公报》发布的数据可知，北京市2016、2017、2018年全年平均降水量分别为660、592和590 mm，6—9月降水量分别为519、481和504 mm，因此降水量减少也有可能是导致湿地面积下降的原因之一。尽管2016—2018年北京城市湿地面积总体略有下降，但其转出类型主要为生态服务功能良好的草地，仅有少量湿地因为城市规划建设的客观需求转出为建设用地，与以往的研究结果相比^{[9, 16]}，湿地退化的情况得到了极大的改善。

3.3 北京城市湿地景观格局特征分析

斑块密度表示单位面积上的斑块数目，表征景观的完整性和破碎化，是斑块破碎化程度最直观的体现。2016—2018年，北京城市湿地的斑块密度增加，平均斑块面积有所减小，表明随时间变化湿地斑块的破碎化程度在增强。2016—2018年北京不同环路区域湿地景观格局指数见图 3(a)(b)(c)(d)(e)(f)。

由图 3可见，从2-4环，斑块密度逐渐增加，平均斑块面积逐渐减小；4-6环各环路带间的斑块密度和平均斑块面积相差不大。这一结果表明3环内的城市中心区域湿地斑块的破碎化程度要小于城市外围。景观形状指数用来反映景观形状的复杂程度，数值越大表示形状越复杂。不同环路的景观形状指数表现为从城市中心向外围逐渐增大的趋势，表明越靠近城市边缘湿地斑块的形状越复杂。

从湿地景观空间关系来看，2环内湿地斑块的聚集度指数最高，说明这一区域湿地的分布最为集中；3-4环的湿地斑块聚集度指数最低，表明这一地区的湿地斑块较为分散，空间分布最均匀。这是因为2环内的湿地主要是由前三海、什刹海和护城河组成，所以分布较为集中。结合度指数在城市中心的2环和边缘的6环较高，而在3-5环较低，说明3-5环区域的湿地斑块自然连接度较差。此外，周长面积分维数表现出与结合度指数相反的变化规律，即在3-5环区域的值要高于城市中心的2环和外围的6环，说明3-5环的湿地景观结构不稳定，更易受到外界影响。

对动态斑块的面积进行统计，结果显示大多数新增和减少的湿地斑块的面积相对较小。以往分析城市土地利用状况的研究通常使用中分辨率遥感数据，比如30 m空间分辨率的Landsat影像数据，其单像元大小为900 m²。本研究中约54.27%的新增斑块和52.66%的减少斑块的面积小于这一数值，使用Landsat数据很有可能识别不出这些动态变化。因此，在高度城市化的区域，由于动态斑块的面积通常较小，需要使用具有较高空间分辨率的遥感手段进行识别。

4 结论

以北京6环内中心城区作为研究区，利用亚米级的高分辨率卫星遥感数据对该区域的城市湿地景观格局进行了监测分析。结果表明，北京6环内城市湿地以河流湿地和湖库湿地为主；2016—2018年湿地面积总体呈现缩减趋势，其中湖库湿地面积减少最多，主要转化为草地，水田湿地面积有所增加，其他湿地类型面积波动较小；北京城市湿地的减少主要发生在位于城市边缘的5-6环区域，主要是由于这一区域属于城乡结合部位，开发建设等人类活动的强度较大；2016—2018年，北京城市湿地斑块随时间变化呈破碎化的趋势，且从城市中心向城市边缘，湿地斑块的破碎化程度增强。

不合理的城市规划建设会使城市湿地生态系统受到严重威胁，在未来的城市建设中，应当科学规划湿地系统，并纳入到城市规划体系之中。对城市湿地进行持续监测，分析其景观格局特征及动态变化情况，是湿地生态环境保护与修复的基础，是保障区域生态安全的重要手段。未来应当建立完善的监督、评价与管理机制，及时防控湿地的污染和退化，构建城市建设与环境保护协同发展的生态安全格局。