官司河流域景觀結(jié)構(gòu)變化及其分形研究

陳俊華，何政偉，龔固堂，許輝熙，朱志芳，吳雪仙，慕長龍

（1.成都理工大學，四川 成都 610059；2.四川省林業(yè)科學研究院，四川 成都 610081；3.四川建筑職業(yè)技術(shù)學院 測量工程研究所，四川 德陽 618000）

0 前言

景觀結(jié)構(gòu)是指斑塊、廊道和基質(zhì)的時空配置形成的鑲嵌格局［1］。斑塊作為景觀結(jié)構(gòu)的基本要素，其特征是由大小和形狀來表示的。其中由于斑塊的形狀復雜多樣，通常情況下難以直接測量，因此，一般采用各種指數(shù)來描述［2］。分形理論是20世紀70年代由法國數(shù)學家 Mandelbrot［3］提出的，用以定量表達自然界中傳統(tǒng)歐式幾何學不能描述的復雜而有規(guī)則的幾何現(xiàn)象，揭示了非線性系統(tǒng)中有序和無序的統(tǒng)一、確定性和隨機性的統(tǒng)一問題。通過分維的計算，可以對分形幾何對象的復雜性程度進行度量。景觀研究中可以在多尺度下觀察景觀，從而對復雜的邊界和斑塊形狀進行量化計算［4］。對于分形理論的研究，國內(nèi)多采用從種群和群落角度計算分維或從靜態(tài)的角度來研究景觀格局與分維的關(guān)系［5～16］。

作者在本文以四川省綿陽市游仙區(qū)官司河小流域作為研究對象，在“3S”技術(shù)的支持下，應(yīng)用分形理論定量地分析該區(qū)域各種景觀要素結(jié)構(gòu)的復雜性與穩(wěn)定性，揭示其景觀空間結(jié)構(gòu)的分形特征和景觀結(jié)構(gòu)變化的分維動態(tài)特點，可為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護以及可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

官司河小流域位于四川省綿陽市游仙區(qū)新橋鎮(zhèn)，處于龍門山前緣向盆地的過渡地帶，屬淺～深切割的丘陵地貌。氣候?qū)俦眮啛釒駶櫦撅L氣候，年均溫16.1℃，年均降水量921.0mm，年均相對濕度79%，無霜期272d［17］。土壤主要有發(fā)育在第四系松散堆積物上的老沖積黃壤和發(fā)育在白堊系泥巖和砂巖風化物上的紫色土和灰白砂土。森林植被主要有針葉林、闊葉林、針闊混交林、經(jīng)濟林等，森林覆蓋率達35.2%，主要森林類型有柏木林、馬尾松林、櫟類林、榿木等［17～19］。

2 研究方法

2.1 研究數(shù)據(jù)源及土地利用GIS數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

研究采用1995的森林資源分布圖和2005年的IKONOS影像數(shù)據(jù)。根據(jù)研究區(qū)實際情況，將研究區(qū)土地利用景觀類型劃分為耕地（cultivated land）、建筑用地（building land）、道路（road）、水域（water）、柏木林（Biota orientalis）、馬尾松林（Masson Pine forest）、櫟林（Quercus forest）七個類型。

在1∶10 000林相圖（2005年Ⅱ類調(diào)查成果）和1∶10 000地形圖的輔助下，利用GPS進行實地調(diào)查采樣，編制影像目視解譯標志數(shù)據(jù)庫，在地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS 9.3環(huán)境中對IKONOS影像進行人工目視解譯，得到2005年的土地利用GIS數(shù)據(jù)庫。

在GIS軟件（ArcGIS 9.3）環(huán)境中對1995年森林資源分布圖進行人機交互屏幕矢量化，得到1995年的土地利用GIS數(shù)據(jù)庫。

利用GIS軟件的制圖功能，制作兩個時期的土地利用景觀類型圖（見圖1）。

2.2 數(shù)據(jù)計算

景觀中的斑塊大都呈不規(guī)則的圖形，景觀鑲嵌體是由各種景觀要素斑塊在空間上鑲嵌分布且有機結(jié)合在一起形成的。景觀鑲嵌體是自然界中最典型的分形幾何體，并在特定時間呈二維空間分布。因此景觀的動態(tài)變化維數(shù)可采用二維歐氏空間的分數(shù)維公式來計算，從而描述景觀斑塊的復雜性。并結(jié)合景觀多樣性（Diversity index）指數(shù)、優(yōu)勢度（Dominance）和景觀破碎度（Landscape fragmentation）等指標進行定量化描述［20、21］。

2.2.1 分維值

利用董連科［22］提出的公式。

式中 D表示分維數(shù)；P（r）指某一斑塊的周長；A（r）為同一圖斑的面積；C為常數(shù)。

D的理論值區(qū)間［1，2］，D值越大，表示該土地利用類型越復雜。當D＝1時，表示該類型斑塊的形狀為正方形；當D等效于“2”時，表示該類型斑塊的形狀最復雜；當D＝1.5時，則表示該類型處于一種類似于布朗運動的隨機狀態(tài)，即最不穩(wěn)定狀態(tài)。D值越接近“1.5”表示該要素越不穩(wěn)定。

圖1 官司河流域土地利用類型圖Fig.1 The map of land－use types of Guansihe watershed

2.2.2 穩(wěn)定性指數(shù)

通常采用徐建華［23］等定義的景觀要素的穩(wěn)定性指數(shù)要SI。

SI＝｜D－1.5｜

式中 SI指景觀類型在其形態(tài)復雜狀態(tài)下的一種穩(wěn)定性，D為分維值。

SI值越大，表示該景觀類型越穩(wěn)定。

2.2.3 景觀多樣性指數(shù) （H）

區(qū)域內(nèi)不同景觀類型分布的均勻化和復雜化程度，通常用景觀多樣性指數(shù)表示。在本文中，作者采用Shannon－Wiener指數(shù)，公式為：

式中 Pi指第i類景觀所占的面積比例；m指景觀類型的數(shù)目。

H值越大，表示景觀要素類型愈豐富，即景觀多樣性越大，其最大值為：Hmax＝logm。

2.2.4 景觀優(yōu)勢度 （D）

優(yōu)勢度表示少數(shù)嵌塊體在景觀中的支配程度，其公式為：

式中 D為景觀優(yōu)勢度。當D值小時，反映該景觀是由多個面積大致相當?shù)那秹K體所組成；當D值大時，表示景觀只受一個或少數(shù)幾個嵌塊體類型支配。

由此可以看出，景觀優(yōu)勢度與多樣性指數(shù)剛好相反，對于景觀類型數(shù)目相同的不同景觀，景觀多樣性指數(shù)越大，其優(yōu)勢度越小。

2.2.5 景觀破碎度 （I）

破碎度表征景觀被分割的破碎程度，反映景觀空間結(jié)構(gòu)的復雜性，在一定程度上反映了人類對景觀的干擾程度，其公式為：

式中 I為景觀破碎度，I值越大表示破碎化程度越高；Ni為第i類景觀斑塊數(shù)；A為景觀總面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同時期景觀格局特征

根據(jù)兩期衛(wèi)星遙感影像解譯出官司河流域各景觀類型屬性數(shù)據(jù)，在Excel 2003下進行統(tǒng)計分析面積（見下頁表1），并制作直方圖（見下頁圖2）。

分析兩個時期土地利用類型面積變化可以看出（見表1），兩個時期耕地均占絕對優(yōu)勢，分別占整個流域面積的68.77%和51.47%；其次是林業(yè)用地面積，分別占22.17%和37.73%。從1995年～2005年十一年間，土地利用類型變化較大。從土地利用類型一級分類來看，林地、道路、水域的面積不斷擴大。其中，道路用地增加的幅度最大，增加了113.06%；其次是林地，增加為70.22%，水域增加了33.01%。而耕地和建筑用地面積卻不斷減少，其中耕地減少了25.16%，這是因為1995年～2005年這十一年期間，25°以上的坡耕地被退耕地還林的緣故。建筑用地面積減少是因為近些年來實施農(nóng)民聚居以及部分農(nóng)民外地務(wù)工在城市購買房屋后遷離該區(qū)域。有林地面積和森林植被類型也發(fā)生了較大變化。馬尾松、柏樹、櫟樹林地面積大幅度增加，其中面積增加最多的是馬尾松，十一年來增加了177.78hm2，增幅為64.36%；其次是柏木林，增加了131.5hm2，增幅為79.96%。櫟林面積增加了3.39hm2，增幅為73.38%。

從兩個時期各景觀類型結(jié)構(gòu)可以看出（見圖2），兩個時期建筑用地、水域和耕地的多樣性指數(shù)最大，優(yōu)勢度也較為明顯，而各類林業(yè)用地多樣性指數(shù)和優(yōu)勢度均較小。從破碎度來說，建筑用地的破碎度較大，林業(yè)用地的破碎度在兩個時期也相對較小。

3.2 景觀要素的分維及變化

在地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS 9.3支持下生成各景觀要素斑塊的面積和周長，在SPSS 15軟件下進行擬合，獲取回歸模型，得出分形維數(shù)（如下頁表2所示）。從表2可以看出，官司河流域各景觀的空間分布在一定尺度范圍內(nèi)均具有分形性質(zhì)（0＜D＜2），大多呈顯著相關(guān)（相關(guān)系數(shù)在0.9以上）。分維能夠定量地描述景觀結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)，且不隨測量尺度的改變而變化。分維的大小反映了一定區(qū)域內(nèi)景觀結(jié)構(gòu)的復雜程度，當分維值越大，表示景觀要素斑塊越不規(guī)則、越復雜。不同時段的分維變化可以表征景觀斑塊在時間維上的空間變化。

（1）1995年官司河流域各景觀類型分維數(shù)按由大到小排列為：柏木林＞馬尾松林＞道路＞耕地＞櫟林＞水域＞建筑用地。柏木林的分維數(shù)最大，表明在官司河流域，柏木林的分布最為復雜和不規(guī)則。建筑用地和水域的分維值較低，接近于“1”，說明這兩種類型分布規(guī)模較小，斑塊較為規(guī)則。

（2）2005年各景觀類型分維數(shù)按由大到小排列為：馬尾松林＞柏木林＞櫟林＞耕地＞道路＞建筑用地＞水域。其中，馬尾松林在十一年間平均斑塊面積減少，破碎化程度增加，分維數(shù)上升到第一位。而水域斑塊數(shù)減少，平均斑塊面積增加，分維數(shù)下降到最后一位。

從穩(wěn)定性指數(shù)來看，兩個時期建筑用地和水域的該指數(shù)均最大，表明這兩種景觀類型最為穩(wěn)定，而馬尾松林的該指數(shù)最小，表明該類型最不穩(wěn)定。整個林業(yè)用地的穩(wěn)定性指數(shù)普遍小于其它景觀類型，表明林業(yè)用地處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

從兩個時期分維數(shù)的分布來看，林業(yè)用地和耕地的分維數(shù)均大于其它景觀類型，表明這兩種類型在官司河流域處于主導地位，是基質(zhì)。從分維數(shù)的動態(tài)變化來看，除道路和水域這兩種景觀類型減少外，其它景觀類型都增加，其中建筑用地增加得最多，其次是櫟林。表明了人類對這幾種類型的利用程度更加復雜化。

表1 官司河流域景觀結(jié)構(gòu)變化情況（1995年～2005年）Tab.1 The changes of landscape structure of Guansihe watershed from 1995to 2005

圖2 官司河流域景觀格局特征Fig.2 The landscape patterns of Guansihe watershed

表2 官司河流域景觀要素斑塊分維數(shù)Tab.2 The changes of fractal dimension on the landscape of Guansihe watershed from 1995to 2005

4 討論

官司河流域?qū)儆诘湫偷乃拇ㄅ璧厍鹆陞^(qū)，人口眾多，人類活動較為頻繁，對土地的利用也較為復雜，因而該區(qū)域耕地和林業(yè)用地的分維值高于其它類型，但穩(wěn)定性卻明顯低于其它類型。從1995年到2005年這十一年間，由于經(jīng)濟的發(fā)展和退耕還林的實施，耕地面積明顯減少，各林業(yè)用地面積明顯增加，人類對林業(yè)用地的利用程度復雜化，使得各林業(yè)用地類型的分維值上升，但穩(wěn)定性卻降低。這說明從一定程度上該區(qū)域的森林結(jié)構(gòu)不合理，應(yīng)該進行調(diào)整。

研究表明，景觀分維在度量景觀及其變化上具有綜合特征，分維的大小能夠反映區(qū)域內(nèi)景觀斑塊的不規(guī)則程度和復雜程度。“3S技術(shù)”在快速度量區(qū)域土地利用動態(tài)變化方面具有較大優(yōu)勢，利用GPS作為野外輔助調(diào)查工具，RS作為獲取土地利用詳細信息，GIS強大的空間分析功能，可獲取各景觀類型的結(jié)構(gòu)特征，從而提供了一個快速的量測土地利用景觀復雜性和穩(wěn)定性的工具。

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