多空間粒度下鎮(zhèn)江市土地利用景觀格局差異

冀亞哲，張小林，吳江國(guó)，李紅波

（南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210046）

1 引言

在地學(xué)和生態(tài)學(xué)研究中,研究尺度效應(yīng)需要解答的問(wèn)題主要在于：（l）在哪種尺度上,可以正確地表達(dá)特定的地理現(xiàn)象？（2）如何有效地將數(shù)據(jù)和信息從一種尺度轉(zhuǎn)換為另一種尺度[1]？（3）原始數(shù)據(jù)和信息經(jīng)過(guò)尺度轉(zhuǎn)換后,會(huì)出現(xiàn)何種信息的損失或效應(yīng)？即不同尺度的數(shù)據(jù)反映相同的地物和現(xiàn)象時(shí)的差異如何[2]？多尺度空間分析是進(jìn)行尺度效應(yīng)分析的基礎(chǔ),是發(fā)現(xiàn)和識(shí)別景觀等級(jí)結(jié)構(gòu)和特征尺度的主要方法[3]。目前,越來(lái)越多的研究者開(kāi)始注重從不同角度與尺度進(jìn)行景觀格局綜合研究[4],其文獻(xiàn)在生態(tài)學(xué)中占很大比重[5-6]。景觀指數(shù)已在景觀生態(tài)學(xué)中廣泛應(yīng)用,但它們本身對(duì)不同景觀特征和分析尺度的響應(yīng)及其生態(tài)學(xué)意義尚不是很清楚[7],許多學(xué)者對(duì)基于1∶50000以下小比例尺的景觀指數(shù)粒度效應(yīng)進(jìn)行了研究[8-16],對(duì)不同比例尺的矢量數(shù)據(jù)如何選擇適宜粒度的研究也有涉及[16-19]。中國(guó)在20世紀(jì)90年代以來(lái)開(kāi)展了以縣為單位的土地利用現(xiàn)狀調(diào)查,全國(guó)大部分地區(qū)獲得以1∶10000為主比例尺的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù),成為土地利用規(guī)劃和資源管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),也是開(kāi)展景觀生態(tài)分析的主要數(shù)據(jù)源?；谡{(diào)查數(shù)據(jù),國(guó)內(nèi)目前研究主要集中在對(duì)景觀格局的分析上[20-24],但鮮有基于全國(guó)第二次土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)有關(guān)1∶10000比例尺下土地利用景觀格局的粒度差異的研究。

本文以鎮(zhèn)江市1∶10000土地利用現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),選擇常用景觀指數(shù)[25-26],在ArcGIS 9.3平臺(tái)上通過(guò)計(jì)算土地利用景觀在4種空間粒度[27]（30 m×30 m、100 m×100 m、500 m×500 m和1000 m×1000 m）下的景觀格局指數(shù),分析土地利用景觀指數(shù)的差異和各土地利用景觀類型格局變化規(guī)律,并結(jié)合不同空間粒度下的空間概率轉(zhuǎn)移矩陣對(duì)不同空間粒度下景觀格局的差異做出補(bǔ)充解釋,為土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)開(kāi)展景觀格局分析,指導(dǎo)土地資源利用規(guī)劃和保護(hù)提供理論依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

鎮(zhèn)江市地處江蘇省中南部,介于北緯31°37′—32°19′、東經(jīng)118°58′—119°58′之間,北面瀕臨長(zhǎng)江,東南與常州市接壤,西面毗鄰南京市,下轄丹徒、京口、潤(rùn)州三個(gè)區(qū)和鎮(zhèn)江新區(qū),以及丹陽(yáng)、揚(yáng)中和句容三個(gè)縣級(jí)市,土地總面積為3845.90 km2。市域內(nèi)地勢(shì)西高東低,南高北低,呈波狀起伏,地貌特征以丘陵崗地為主。屬北亞熱帶季風(fēng)氣候,氣候溫暖,雨量充沛,光、熱、水資源較豐富。

3 資料及方法

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

數(shù)據(jù)選自鎮(zhèn)江市土地利用總體規(guī)劃第二輪修編（2006—2020年）的土地利用現(xiàn)狀圖,即2009年度全國(guó)第二次土地調(diào)查成果,比例尺為1∶10000,原始數(shù)據(jù)為鎮(zhèn)江市各縣（區(qū)）.shp矢量文件,進(jìn)行空間拼接后采用高斯克呂格投影。2009年度全國(guó)第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)采用了2007年國(guó)土資源部頒布的《第二次全國(guó)土地調(diào)查技術(shù)規(guī)程》,對(duì)土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行二級(jí)分類,其中一級(jí)類12個(gè)、二級(jí)類57個(gè)。本文主要采用一級(jí)分類,運(yùn)用ArcGIS 9.3軟件通過(guò)SQL查詢從研究區(qū)的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)提取二級(jí)類后將地類歸并為8類,分別是耕地、園地、林地、草地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地、城鎮(zhèn)村及工礦用地和其他土地（主要是設(shè)施農(nóng)用地、田坎和沼澤地）。

3.2 指標(biāo)計(jì)算與技術(shù)路線

基于ArcGIS 9.3軟件平臺(tái),利用Spatial Analyst模塊將鎮(zhèn)江市土地利用現(xiàn)狀圖（2009年）的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為柵格數(shù)據(jù),土地利用類型用整型數(shù)據(jù)格式編號(hào)。柵格取值采用中心屬性值原則,即網(wǎng)格取值以柵格單元框架中心點(diǎn)的屬性值作為輸出值[28]。分別以30 m、100 m、500 m和1000 m為像元大小得到4幅景觀類型柵格圖（Grid）,用Fragstats 3.3計(jì)算景觀格局指數(shù),然后將4幅柵格圖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)空間粒度的矢量圖（圖1,封二）,作疊置分析,得到4種空間粒度下的景觀類型轉(zhuǎn)移概率。景觀指數(shù)依據(jù)前人的研究[29]和研究區(qū)特點(diǎn),在景觀水平上選取斑塊密度（PD）等8個(gè)指標(biāo),在類型水平上選取景觀類型百分比（PLAND）等6個(gè)指標(biāo),從面積、分布狀態(tài)、多樣性等方面研究多空間粒度下土地利用景觀格局差異[30]。

4 多空間粒度下的景觀類型數(shù)量特征

從現(xiàn)狀圖和土地利用景觀結(jié)構(gòu)（圖2,封二）分析得出,鎮(zhèn)江土地利用景觀以耕地為主,比例為50.89%,位列第一,顯示耕地的基質(zhì)特性,而人工景觀—城鎮(zhèn)村及工礦用地則位列第二位,說(shuō)明鎮(zhèn)江人類活動(dòng)對(duì)土地干擾大,而水域與水利設(shè)施用地排在第三位,則說(shuō)明研究區(qū)作為沿江城市、江南水鄉(xiāng),水域景觀豐富的特點(diǎn)。

4.1 景觀類型數(shù)量變化特征

如圖3所示,總體而言,隨著空間粒度的增加,行政區(qū)外圍邊界被進(jìn)一步簡(jiǎn)化,景觀總面積有所減少。在變化幅度方面,耕地、水域與水利設(shè)施用地和城鎮(zhèn)村及工礦用地的變化較為明顯；園地、林地、草地、交通運(yùn)輸用地和其他土地的變化較小。通過(guò)各景觀類型的變化幅度與景觀現(xiàn)狀的對(duì)比,可以得出,土地利用景觀隨粒度變化的幅度與景觀類型現(xiàn)狀面積呈正相關(guān)。而在由于空間粒度變化所導(dǎo)致的景觀類型的面積變化所占各景觀類型現(xiàn)狀面積比例方面（圖4）,對(duì)尺度較不敏感的則是耕地、園地、林地、交通運(yùn)輸用地、水域水利設(shè)施用地和城鎮(zhèn)村及工礦用地,而較敏感的則是草地和其他土地。草地和其他土地在鎮(zhèn)江分布有限,平均斑塊面積較小,當(dāng)柵格大小為500 m和1000 m時(shí),部分草地和其他土地斑塊被完全融入其鄰近的大型斑塊中。與變化幅度不同的是,土地利用景觀隨粒度變化的百分比與景觀類型面積呈負(fù)相關(guān)。

4.2 景觀類型之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

由表1可知,在現(xiàn)狀圖轉(zhuǎn)成30 m×30 m空間粒度時(shí),景觀類型自身之間的流轉(zhuǎn)概率最高,基本在95%左右。各景觀類型主要流向?yàn)楦?顯示耕地景觀的基質(zhì)特性；而城鎮(zhèn)村及工礦用地是第二大類型景觀,因此該景觀也是其他景觀流入的主要景觀類型。隨著空間粒度的增加,景觀類型之間的轉(zhuǎn)換概率增加,其中影響最為明顯的是交通運(yùn)輸用地,其自身流轉(zhuǎn)量?jī)H達(dá)55.92%,而與在30 m空間粒度下各景觀類型轉(zhuǎn)換關(guān)系有所不同的也是交通運(yùn)輸用地,在30 m空間粒度下,交通運(yùn)輸用地主要流向耕地和城鎮(zhèn)村及工礦用地,而在100 m,交通運(yùn)輸用地空間粒度下的情況則相反。

在空間粒度500 m×500 m下的景觀類型之間的主要流轉(zhuǎn)關(guān)系則與100 m×100 m空間粒度基本相同,不同的是城鎮(zhèn)村及工礦用地轉(zhuǎn)入水域及水利設(shè)施用地的比例超過(guò)轉(zhuǎn)入交通運(yùn)輸用地；交通運(yùn)輸用地自身的流轉(zhuǎn)量最低,僅達(dá)19.32%。

在空間粒度1000 m×1000 m下的景觀類型之間的主要流轉(zhuǎn)關(guān)系則與500 m×500 m空間粒度基本相同,不同的則是交通運(yùn)輸用地的主要流向表現(xiàn)與30 m×30 m空間粒度下相同,主要入耕地和城鎮(zhèn)村及工礦用地。

表1 由現(xiàn)狀圖轉(zhuǎn)4種粒度的轉(zhuǎn)移概率矩陣 單位:%Tab.1 The probability matrix which converted from the original data to four spatial granularities unit: %

圖3 4種空間粒度下各類型面積與現(xiàn)狀圖面積差Fig.3 The difference of the original data with the calculated one under four spatial granularities

圖4 4種空間粒度下各類型面積與現(xiàn)狀圖面積差占該類型百分比Fig.4 The difference percent of the original data with the calculated one under four spatial granularities

綜上而言,隨著空間粒度的變化,各類型景觀之間的主要流向基本相同,稍有不同的則是交通運(yùn)輸流入耕地和城鎮(zhèn)村及工礦用地的量出現(xiàn)反復(fù),但二者之間并未表現(xiàn)太大的差距,總體表現(xiàn)為隨空間粒度的增加,空間鄰接程度高的景觀類型之間流入流出比例高；空間粒度的變化導(dǎo)致各景觀類型主要流向的往復(fù)同時(shí)也反映了中心屬性原則的隨機(jī)性。

5 多空間粒度下的景觀格局變化特征

5.1 景觀水平分析

利用Fragstats 3.3計(jì)算4種空間粒度下的景觀水平上景觀指數(shù)（表2）,景觀水平的指數(shù)4種空間粒度下的變化大致分為三類,第一類是以斑塊密度（PD）為代表隨粒度增加而減小型,第二類則是以最大斑塊指數(shù)（LPI）為代表的隨粒度增加而增大型,第三類則是香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）和香農(nóng)均度指數(shù)（SHEI）為代表的較為穩(wěn)定型。5.1.1 景觀特征指數(shù)分析 斑塊密度（PD）愈大,景觀的破碎程度愈大,景觀異質(zhì)性愈高[32]。斑塊密度（PD）相應(yīng)地由30 m度破碎化程空間粒度的3.36個(gè)/km2持續(xù)減少到0.17個(gè)/km2。斑塊數(shù)和斑塊密度減少說(shuō)明了景觀破碎度降低。最大斑塊指數(shù)（LPI）是一種簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)度衡量法。最大斑塊指數(shù)（LPI）有所增加,從空間粒度30 m×30 m的9.29%上升到空間粒度1000 m大斑塊面積的46.79%,說(shuō)明研究區(qū)中最大斑塊和最小斑塊面積的差距增加,斑塊面積向趨于不均勻的方向發(fā)展,隨著空間粒度的增加,某一景觀類型被歸入另一景觀類型。從表1看出,具有廊道效應(yīng)的交通運(yùn)輸用地和水域及水利設(shè)施用地在粒度的變化過(guò)程中,主要流向了耕地和城鎮(zhèn)村及工礦用地,當(dāng)柵格大小超過(guò)道路和河流的寬度后,廊道開(kāi)始破碎、斷開(kāi),與相鄰的耕地和城鎮(zhèn)用地斑塊開(kāi)始融合,從而導(dǎo)致最大斑塊面積增大。

表2 景觀水平上的景觀格局指數(shù)變化Tab.2 The landscape-level indices regarding the four spatial granularities

5.1.2 景觀空間構(gòu)型分析 描述景觀空間構(gòu)型的指數(shù)包括蔓延度指數(shù)（CONTAG）、同類相鄰百分比（PLADJ）、聚集度指數(shù)（AI）以及景觀分割度指數(shù)（DIVISION）等。蔓延度指數(shù)描述景觀中不同景觀類型的團(tuán)聚程度,取值范圍0—100%,取值小表明景觀由許多分散的小斑塊組成,取值大表明景觀由少數(shù)團(tuán)聚的大斑塊組成。4種空間粒度下景觀蔓延度指數(shù)均小于60%,說(shuō)明研究區(qū)景觀比較破碎,小斑塊比較多,這主要是由于蘇南地區(qū)人口壓力較大,對(duì)土地干擾較大。景觀分割度是度量景觀可分離性的指數(shù),取值范圍0—1,當(dāng)景觀由一個(gè)斑塊組成時(shí),該值為0,當(dāng)景觀由一個(gè)像元大小的小斑塊組成時(shí),景觀分割度趨近于1。隨著空間粒度的增加,研究區(qū)景觀蔓延度指數(shù)由56.90持續(xù)下降到36.15,聚集度指數(shù)由91.14持續(xù)下降到49.83,而景觀分割度指數(shù)由0.98持續(xù)下降到0.77。研究區(qū)景觀蔓延度指數(shù)、同類相鄰百分比、聚集度指數(shù)和景觀分割度指數(shù)持續(xù)相對(duì)下降。說(shuō)明景觀的空間連接性上升,景觀要素類型空間分布不均衡,優(yōu)勢(shì)斑塊類型的比例上升,其他斑塊類型的優(yōu)勢(shì)度下降,斑塊分布更為分散。

5.1.3 景觀多樣性指數(shù)分析 香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、香農(nóng)均度指數(shù)（SHEI）是一種基于信息理論的測(cè)量指數(shù)。多樣性指數(shù)反映景觀類型的多少和景觀中斑塊的多度和異質(zhì)性。均勻度指數(shù)描述景觀各組分分配均勻程度。其值越大,表明景觀各組成成分分配越均勻。隨著空間粒度的變化,研究區(qū)的SHDI和SHEI基本保持不變,這就表明中心值法基本保證了景觀類型數(shù)目和各景觀類型百分比不變。

5.2 斑塊類型水平上景觀變化分析

5.2.1 斑塊結(jié)構(gòu)特征分析 景觀類型上的景觀指數(shù)如表3,4種空間粒度的斑塊類型百分比（PLAND）以及景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣（表1）表明,研究區(qū)的優(yōu)勢(shì)景觀類型為耕地和城鎮(zhèn)村及工礦用地。采用中心值為基礎(chǔ)處理方法,當(dāng)空間粒度變化時(shí),各景觀類型的面積比重沒(méi)有明顯變化,這與景觀水平上的SHDI和SHEI得出結(jié)論是一致的。研究區(qū)各類景觀的斑塊密度均較小,城鎮(zhèn)村及工礦用地和交通運(yùn)輸用地破碎度高,受人類活動(dòng)影響最為強(qiáng)烈,而水域及水利設(shè)施用地破碎度高則是由于蘇南地區(qū)水量充沛、水系發(fā)達(dá)、坑塘水面較多。從空間粒度30 m×30 m變化為1000 m×1000 m過(guò)程中,8種景觀類型在空間粒度增加的過(guò)程中斑塊密度均大致呈減小趨勢(shì),表明斑塊破碎化降低。交通運(yùn)輸用地和水域及水利設(shè)施用地在空間粒度增加的過(guò)程中,斑塊密度呈現(xiàn)增加后減少的趨勢(shì),這是因?yàn)殡S著空間粒度的增加,柵格大小超過(guò)廊道寬度后,廊道的斷開(kāi)導(dǎo)致景觀的斑塊連通性降低[31]。耕地LPI最大,其次是水域及水利設(shè)施用地和城鎮(zhèn)村及工礦用地。說(shuō)明研究區(qū)耕地占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),其次是水域及水利設(shè)施用地和城鎮(zhèn)村及工礦用地,這與研究區(qū)的基質(zhì)類型為耕地的分析一致。從隨空間粒度變化趨勢(shì)來(lái)看,耕地和城鎮(zhèn)村及工礦用地LPI有所增加,其他6個(gè)景觀類型的LPI有所減少。耕地LPI增加說(shuō)明了耕地在該研究區(qū)面積上呈增大、空間上呈連片的趨勢(shì)；城鎮(zhèn)村及工礦用地的LPI增加主要是因?yàn)殡S著空間粒度的增加,交通運(yùn)輸用地流入城鎮(zhèn)村及工礦用地,中心城區(qū)和鎮(zhèn)區(qū)斑塊面積擴(kuò)大并趨于成片成團(tuán)的分布,在景觀中的優(yōu)勢(shì)增加。其他6個(gè)景觀類型的LPI則基本保持不變。

表3 類型水平上的景觀指數(shù)變化Tab.3 The category-level indices of landscape regarding four spatial granularities

5.2.2 斑塊聚集度分析 研究區(qū)耕地的聚集度AI值最大,其次是林地,交通運(yùn)輸用地的聚集度AI值最小,說(shuō)明耕地斑塊相對(duì)較大,交通運(yùn)輸用地相對(duì)分散分布。從空間粒度變化趨勢(shì)來(lái)看,8個(gè)景觀類型的聚集度均有所下降,說(shuō)明其斑塊間分布趨于分散；而草地和其他土地聚集度下降較為明顯。平均鄰近距離（ENN_MN）分析表征草地和其他土地的平均距離增大趨勢(shì)明顯,與聚集度（AI）分析一致。

5.2.3 斑塊連接性分析 耕地、林地、交通運(yùn)輸用地和水域及水利設(shè)施用地的COHESION較高,接近100,說(shuō)明連通性較好,其他土地的COHESION最低,說(shuō)明其空間分布相對(duì)分散,連通性較低。從隨空間粒度變化趨勢(shì)來(lái)看,其他土地、交通運(yùn)輸用地、草地和園地連通性下降較快,耕地基本沒(méi)有發(fā)生變化。這是因?yàn)槠渌恋亍⒉莸睾蛨@地這3類景觀類型本身斑塊較小,其零星土地進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為其他類型景觀,交通運(yùn)輸用地則是與LPI分析結(jié)果一致,空間粒度的增加導(dǎo)致其支離破碎,連通性降低。

6 結(jié)論與討論

以1∶10000土地利用現(xiàn)狀圖為基礎(chǔ),得到30 m×30 m、100 m×100 m、500 m×500 m和1000 m×1000 m 4種空間粒度下的土地利用景觀格局,通過(guò)計(jì)算其空間轉(zhuǎn)移概率矩陣和景觀格局指數(shù),得到的結(jié)論如下：

（1）土地利用數(shù)據(jù)具有尺度效應(yīng)。在不同的空間尺度上,土地利用景觀所表觀的特性不一樣。尺度變化必然引起土地利用景觀的相應(yīng)變化,在本文中主要表現(xiàn)為土地利用景觀類型的歸類合并。

（2）采用中心屬性原則所得到的4種空間粒度下土地利用景觀格局,與1∶10000土地利用現(xiàn)狀圖相比,耕地和城鎮(zhèn)村及工礦用地等優(yōu)勢(shì)景觀面積變化幅度大,而景觀中所占比重較小的景觀類型（草地和其他土地）則對(duì)空間粒度變化較為敏感,相對(duì)于自身現(xiàn)狀面積的變化比重大。

（3）隨著空間粒度的變化,各類型景觀之間的主要流向基本相同,概率矩陣總體表現(xiàn)為隨空間粒度的增加,空間鄰接程度高的景觀類型之間流入流出比例高。景觀類型的之間的轉(zhuǎn)換概率大小反映了各景觀類型之間的空間關(guān)聯(lián)程度,各景觀類型主要流向?yàn)楦?顯示耕地景觀的基質(zhì)特性,其他景觀類型則鑲嵌其中；而城鎮(zhèn)村及工礦用地是第二大類型景觀,因此該景觀也是其他景觀流入的主要景觀類型。

（4）景觀水平上,隨著空間粒度的增加,破碎度減??；景觀的空間連接性上升,景觀要素類型空間分布不均衡,優(yōu)勢(shì)斑塊類型的比例上升,其他斑塊類型的優(yōu)勢(shì)度下降,斑塊分布更為分散；空間粒度轉(zhuǎn)化所采用中心值原則保證各景觀類型組分與現(xiàn)狀圖保持基本一致。類型水平上,景觀基質(zhì)（耕地景觀）面積上呈增大、空間上呈連片趨勢(shì)；景觀廊道（交通運(yùn)輸用地和水域及水利設(shè)施用地）則表現(xiàn)為斑塊形狀變得較為簡(jiǎn)單、連通性降低、逐漸被分割。

基于ArcGIS軟件平臺(tái),利用空間轉(zhuǎn)移概率矩陣和景觀格局指數(shù),能有效的分析多空間粒度下土地利用景觀格局差異,而空間轉(zhuǎn)移概率矩陣能有效的解釋景觀格局指數(shù)差異。不同空間粒度下的概率轉(zhuǎn)移矩陣對(duì)分析各個(gè)土地利用景觀類型間的空間鄰接關(guān)系有積極意義；不同的景觀格局指數(shù)對(duì)空間粒度變化的響應(yīng)不同,不同的景觀類型對(duì)空間粒度變化的響應(yīng)也有所不同,且本文選用的中心屬性值法與研究結(jié)果也有一定的關(guān)聯(lián)。對(duì)于某一特定的景觀類需要選擇合適的空間粒度,需要作進(jìn)一步的研究。充分利用全國(guó)第二次土地利用調(diào)查的1∶10000比例尺成果數(shù)據(jù)開(kāi)展景觀分析,對(duì)于指導(dǎo)土地利用規(guī)劃和資源保護(hù)具有重要意義。

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