李秀梅
(中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所,國家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100091)
TM影像目視解譯顯示尺度的選擇及尺度效應(yīng)分析
——以內(nèi)陸河流域綠洲-荒漠過渡帶為例
李秀梅
(中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所,國家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100091)
選擇干旱區(qū)對目視解譯顯示尺度敏感的綠洲—荒漠過渡帶的TM影像,應(yīng)用格局指數(shù)法和轉(zhuǎn)移矩陣法,從受顯示尺度影響明顯的面積和斑塊形狀特征兩方面進(jìn)行尺度效應(yīng)分析。將顯示尺度劃分為3個尺度區(qū)間:≥1∶7.5萬,數(shù)據(jù)精確,信息豐富;1∶7.5萬~1∶12.5萬,尺度效應(yīng)明顯,細(xì)節(jié)信息大量丟失;≤1∶12.5萬,細(xì)節(jié)信息較少,而形狀復(fù)雜、面積較大的斑塊出現(xiàn)尺度效應(yīng)。研究結(jié)果表明,1∶7.5萬是研究綠洲—荒漠過渡帶景觀的最小適宜尺度。
TM影像;目視解譯;尺度效應(yīng);綠洲—荒漠過渡帶
尺度問題貫穿于景觀生態(tài)學(xué)研究始末[1],選取不同的觀測和分析尺度將檢測到不同的現(xiàn)象,此即尺度效應(yīng)[1-4]。景觀生態(tài)學(xué)者通過尺度效應(yīng)分析,確定適宜的觀察、分析和模擬尺度[5-7]。因數(shù)據(jù)精度產(chǎn)生的尺度效應(yīng)是尺度問題研究的首要內(nèi)容[8]。目前基于3S技術(shù)的景觀生態(tài)學(xué)研究,通常采用目視解譯并依據(jù)轉(zhuǎn)換誤差最小原則柵格化矢量數(shù)據(jù),以保障數(shù)據(jù)精度[9-11],但解譯中顯示尺度(比例尺)越小,帶狀、面積小和邊界曲折的景觀要素類型損失越嚴(yán)重,同樣影響數(shù)據(jù)精度[12,13]。TM影像是景觀生態(tài)學(xué)研究的主要數(shù)據(jù)來源,解譯中顯示尺度一般固定在1∶10萬,其是否存在尺度閾值尚未受到足夠重視。內(nèi)陸河流域綠洲—荒漠交錯帶是景觀生態(tài)學(xué)研究的重點(diǎn)地區(qū),也是內(nèi)陸河流域景觀變化的主要區(qū)域[14,15],該區(qū)景觀要素類型多、面積小、形狀復(fù)雜、斑塊呈指狀交錯分布,對顯示尺度敏感。因此,本文通過分析內(nèi)陸河流域綠洲—荒漠交錯帶TM影像對目視解譯顯示尺度的響應(yīng),確定最佳解譯顯示尺度,為內(nèi)陸河流域TM影像目視解譯最小顯示尺度的選擇提供參考。
研究區(qū)位于黑河流域民樂縣綠洲邊緣,中心區(qū)地理坐標(biāo)為38°24′N、100°51′E,西部和北部為民樂綠洲,東部為山丹綠洲。該區(qū)地面坡度3°~6°,海拔2 300 m,降水量100~223 mm,年均氣溫4~7℃。土壤主要為棕漠土,植被具有典型荒漠化草原植被特點(diǎn),由中溫型、寒溫型的旱生叢生禾草、旱生灌木組成。
選取2006年8月民樂縣綠洲—荒漠過渡帶面積約1.5萬hm2的TM影像,并進(jìn)行投影、校正等預(yù)處理。結(jié)合2008年調(diào)查資料和影像特征將該區(qū)劃分為高蓋度草地、中蓋度草地、低蓋度草地、水庫、灘地、居民地、丘陵旱地和平原旱地8個景觀要素類型,在ARCVIEW軟件中于1∶5萬、1∶7.5萬、1∶10萬、1∶12.5萬和1∶15萬顯示尺度下目視解譯形成一系列景觀要素類型(圖1)。
不同面積的斑塊可識別性不同,生態(tài)學(xué)價值也不同[6,16,17];不同形狀斑塊的邊界可判性不同,對能流物流影響也不同[18],面積小形狀復(fù)雜的斑塊,目視解譯難度最大。所以將研究區(qū)斑塊分為小斑塊(<20 hm2)、中斑塊(20~50 hm2)、大斑塊(50~200 hm2)和巨斑塊(≥200 hm2)4個等級,并依據(jù)形狀指數(shù)將斑塊劃分為圓形(<1.5)、近圓形(1.5~2)、近長形(2~3)、長形(≥3)4個亞類,形成以面積和形狀為標(biāo)志的斑塊類型劃分體系(表1)。
隨著顯示尺度減小,小型斑塊發(fā)生融合與誤判,斑塊邊界變平直且位置準(zhǔn)確性降低,引起斑塊數(shù)量、面積、形狀和周長的變化,因此把反映這些特征的指標(biāo)作為尺度效應(yīng)分析的途徑,來反映目視解譯中的信息損失和誤判。應(yīng)用景觀指數(shù)法,選取斑塊數(shù)量NP(個)、斑塊面積TA(hm2)、邊界密度ED(km/hm2)、平均斑塊面積APA(hm2)和平均斑塊形狀指數(shù)MSI(景觀水平選擇斑塊形狀指數(shù)LSI)5個指數(shù),反映斑塊數(shù)量、形狀、邊界長度等的尺度效應(yīng);應(yīng)用轉(zhuǎn)移矩陣法,通過景觀要素類型間的面積轉(zhuǎn)移綜合反映解譯精度。景觀指數(shù)和轉(zhuǎn)移矩陣在ArcGIS的Summary和Spatial analysis中完成。
圖1 不同顯示尺度的景觀要素類型Fig.1 Landscape elements of different displaying scales
表1 斑塊類型劃分體系Table 1 The patch type system
圖2 不同面積的一級斑塊類型水平尺度效應(yīng)曲線Fig.2 Scale effect curves of first class level based on patch area
不同面積等級斑塊對顯示尺度敏感性和響應(yīng)方式不同(圖2)。隨著顯示尺度減小,斑塊數(shù)量減少,面積等級越低的斑塊類型消失(被融合)得越多;斑塊融合導(dǎo)致平均斑塊面積增加和斑塊形狀簡單化;面積等級越高的斑塊類型融合周圍小斑塊的能力越強(qiáng),其邊界密度、平均斑塊形狀指數(shù)、平均斑塊面積和斑塊類型面積變幅越大。在斑塊融合過程中,當(dāng)斑塊面積超過臨界值則轉(zhuǎn)為更大面積的等級斑塊,表現(xiàn)在尺度效應(yīng)曲線上,小斑塊呈線性變化,其它呈波動變化。因此,可以從景觀指數(shù)的變幅和波動特征分析尺度效應(yīng)的表現(xiàn)。
小斑塊尺度效應(yīng)最明顯,景觀指數(shù)在1∶7.5萬~1∶12.5萬尺度間變化最快,斑塊數(shù)量和邊界密度成倍減少,斑塊形狀趨于簡化;大于1∶7.5萬和小于1∶12.5萬景觀指數(shù)變化較慢。中斑塊尺度效應(yīng)曲線總體下降,是轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟀邏K的結(jié)果;1∶10萬~1∶12.5萬尺度間景觀指數(shù)略上升,說明1∶10萬和1∶12.5萬處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。大斑塊尺度響應(yīng)最復(fù)雜,景觀指數(shù)波動較大,在1∶7.5萬~1∶12.5萬尺度間波動最大,表現(xiàn)為斑塊快速損失(轉(zhuǎn)變?yōu)榫薨邏K),尺度效應(yīng)最強(qiáng)烈;1∶10萬處的捌點(diǎn)最明顯。巨斑塊在1∶7.5萬~1∶10萬尺度間(邊界密度介于1∶7.5萬~1∶12.5萬)景觀指數(shù)變化幅度最大,尺度效應(yīng)強(qiáng)烈??梢?∶7.5萬與1∶12.5萬分別是一級斑塊尺度效應(yīng)強(qiáng)烈的上限和下限,其間小斑塊融合及尺度效應(yīng)曲線波動明顯。據(jù)此可將顯示尺度分為≥1∶7.5萬、1∶7.5萬~1∶12.5萬和≤1∶12.5萬3個區(qū)間。
不同形狀斑塊的景觀指數(shù)變化幅度、變化趨勢均不同,有些斑塊隨顯示尺度增大(或減?。┒?,大型斑塊和小型斑塊變化情況不同(圖3)。從景觀指數(shù)的變化幅度看,不出現(xiàn)斷點(diǎn)的尺度效應(yīng)曲線,長形和近長形的巨斑塊及近長形的大斑塊在1∶12.5萬~1∶15萬尺度間變化幅度最大,近圓形小斑塊在1∶7.5萬~1∶10萬尺度間變化幅度最大,圓形中斑塊在1∶7.5萬~1∶12.5萬尺度間變化幅度最大,說明形狀簡單、面積小的斑塊在1∶7.5萬~1∶10萬間尺度效應(yīng)明顯,形狀復(fù)雜、面積大的斑塊在<1∶12.5萬時尺度效應(yīng)明顯,各類斑塊在1∶5萬~1∶7.5萬間尺度效應(yīng)均較穩(wěn)定。
圖3 不同形狀的二級斑塊類型水平尺度效應(yīng)曲線Fig.3 Scale effect curves of second class level based on patch shape
從景觀指數(shù)的變化過程看,斑塊數(shù)量、斑塊面積和邊界密度均波動較明顯。近長形小斑塊和近圓形中斑塊在1∶7.5萬~1∶10萬尺度間、近圓形大斑塊和圓形小斑塊在1∶10萬~1∶12.5萬尺度間以及圓形中斑塊在1∶12.5萬~1∶15萬尺度間的景觀指數(shù)均與1∶5萬~1∶7.5萬尺度間整體的變化趨勢相反,因此,除了圓形中斑塊,1∶7.5萬~1∶12.5萬尺度間其它斑塊類型沒有明確的景觀指數(shù)變化趨勢。
隨著顯示尺度減小,面積小的偏長形斑塊減少并消失,面積大的偏圓形斑塊開始出現(xiàn)并增多,景觀指數(shù)出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象。在1∶10萬尺度處面積小的近長形和長形斑塊開始消失,而面積大的偏圓形斑塊開始出現(xiàn),尺度效應(yīng)曲線在該處斷點(diǎn)最多,說明該處斑塊邊界平直,邊界信息嚴(yán)重?fù)p失;當(dāng)顯示尺度≥1∶7.5萬時既保證斑塊邊界原有的曲折度,也不會造成狹長斑塊丟失。
綜上,顯示尺度≥1∶7.5萬時可保證細(xì)節(jié)信息,1∶12.5萬處既沒有過多細(xì)節(jié)信息,也不會出現(xiàn)巨斑塊邊界信息損失,所以將顯示尺度分為≥1∶7.5萬、1∶7.5萬~1∶12.5萬和≤1∶12.5萬3個區(qū)間。
不同景觀指數(shù)絕對值相差很大,所以取相對值作圖。各種景觀指數(shù)的尺度效應(yīng)曲線呈明顯的階段變化(圖4)。斑塊數(shù)量、周長密度、斑塊形狀指數(shù)(平均斑塊面積)都隨顯示尺度減小而階段性減?。ㄔ黾樱?,信息減少,景觀結(jié)構(gòu)簡化。1∶7.5萬~1∶10萬是信息損失的主要區(qū)間,顯示尺度≥1∶7.5萬和≤1∶10萬時,尺度效應(yīng)很弱。因此,就景觀水平而言,將顯示尺度分為≥1∶7.5萬、1∶7.5萬~1∶10萬和≤1∶10萬3個區(qū)間。
圖4 景觀水平尺度效應(yīng)曲線Fig.4 Scale effect curves of landscape level
不同顯示尺度間不發(fā)生面積轉(zhuǎn)移的概率即解譯精度,也體現(xiàn)對相鄰斑塊邊界的識別準(zhǔn)確程度。以1∶5萬為標(biāo)準(zhǔn),1∶7.5萬處解譯精度最高,達(dá)88.42%,除了水庫和平原旱地,其它景觀要素類型的解譯精度都隨顯示尺度減小而大幅降低(表2)。斑塊面積較小的居民地、低蓋度草地、中蓋度草地、高蓋度草地和帶狀灘地的精度降低最明顯,并且在1∶10萬處下降最快,顯示尺度<1∶10萬的解譯精度與1∶10萬處相近。因此,將顯示尺度分為>1∶10萬和≤1∶10萬兩個區(qū)間。
表2 不同尺度各種景觀要素類型未發(fā)生轉(zhuǎn)移的概率Table 2 The unaltered probability of landscape types between different visual scales %
不同面積和形狀的斑塊尺度敏感性和響應(yīng)方式不同,斑塊越小斑塊數(shù)量和面積的尺度效應(yīng)越明顯,斑塊面積越大斑塊邊界和形狀的尺度效應(yīng)越明顯。綜合考慮尺度效應(yīng)分析結(jié)果,本文劃分出≥1∶7.5萬、1∶7.5萬~1∶12.5萬和≤1∶12.5萬3個尺度區(qū)間,1∶7.5萬是該區(qū)景觀特征研究的最小適宜顯示尺度。1)隨著顯示尺度減小,斑塊數(shù)量減少,斑塊邊界趨于平直。小斑塊和巨斑塊的尺度效應(yīng)曲線與景觀水平的尺度效應(yīng)曲線變化規(guī)律相同,在顯示尺度1∶7.5萬~1∶10萬間變化幅度大;中斑塊和大斑塊呈波動性變化,1∶7.5萬~1∶12.5萬尺度波動最明顯。2)除了長形和近長形的巨斑塊尺度效應(yīng)曲線在顯示尺度≤1∶12.5萬時變化幅度增大,其它形狀斑塊在1∶7.5萬~1∶12.5萬變化幅度大、波動強(qiáng);當(dāng)顯示尺度≤1∶10萬時面積小的偏長型斑塊開始缺失,而面積大的圓形斑塊開始出現(xiàn)。3)相對于1∶5萬尺度,各種景觀要素類型的解譯精度隨著顯示尺度降低而降低,1∶7.5萬處解譯精度最高,達(dá)88.42%,顯示尺度≤1∶10萬的解譯精度相近,且均較低。
內(nèi)陸河流域的綠洲—荒漠過渡帶是干旱區(qū)景觀格局最復(fù)雜并對顯示尺度最敏感的地區(qū),因此確定該區(qū)影像目視解譯的適宜顯示尺度對干旱區(qū)目視解譯顯示尺度的選擇有參考價值。1∶7.5萬是研究景觀水平特征的適宜顯示尺度;1∶12.5萬是研究有關(guān)地質(zhì)、地貌、氣候、土壤類型等更宏觀現(xiàn)象的適宜顯示尺度,避免細(xì)節(jié)干擾,形狀復(fù)雜、面積較大的斑塊也不會出現(xiàn)尺度效應(yīng);鑒于無限增大顯示尺度不能提高目視解譯精度,反而增加解譯難度,研究地表徑流、土壤養(yǎng)分、群落類型等現(xiàn)象時,需要高分辨率影像。
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Abstract:Landscape map,one of the main data forms of landscape ecology obtained by visual interpretation of TM image,is affected by displaying scale in visual interpretation.Adopting optimal displaying scale could minimize data errors in interpretation.This paper takes the ecotones between the oases and deserts,key research region and sensitive to displaying scales,as a case study.Five landscape maps were obtained by visual interpreting TM images at 1∶50 000,1∶75 000,1∶100 000,1∶125 000 and 1∶150 000 displaying scales.By dividing patch area grades and patch shape grades based on landscape maps,a new patch types system was established.Then landscape indices and transfer matrices were calculated to reflect interpret precision.The results indicated that,the displaying scales were divided to three sections:greater than 1∶75 000,between 1∶75 000 and 1∶125 000 and less than 1∶125 000.1∶75 000 with high data precise and abundant information was the appropriate displaying scale for interpreting ecotones between the oases and deserts.
Key words:TM image;visual interpretation;scale effects;ecotones between the oases and deserts
Choice and Effect Analysis of Displaying Scale of the Visual Interpretation of TM Image:A Case Study on the Ecotones between the Oases and Deserts in the Inland River Basin
LI Xiu-mei
(Institute of Desertification Studies,Chinese Academy of Forestry,Beijing 100091,China)
TP75
A
1672-0504(2012)04-0033-05
2011-12-02;
2012-01-09
國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201104077);中國林業(yè)科學(xué)研究院中央公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金重點(diǎn)項(xiàng)目(CAFYBB2007008)
李秀梅(1982-),女,博士研究生,研究方向?yàn)榫坝^生態(tài)學(xué)。E-mail:lixiumeili@126.com