高精度遙感影像下農(nóng)牧交錯(cuò)帶小流域景觀特征的粒度效應(yīng)

張慶印，樊 軍，2，*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，楊凌 712100;2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100)

20世紀(jì)80年代開(kāi)始，為了測(cè)定景觀格局對(duì)生態(tài)過(guò)程的影響［1-2］，必須用簡(jiǎn)單數(shù)字描述復(fù)雜的景觀格局，因而產(chǎn)生了景觀格局指數(shù)，而尺度問(wèn)題一直是景觀生態(tài)學(xué)界研究的核心問(wèn)題之一，特別是對(duì)于景觀格局分析而言，尺度選擇直接關(guān)系到結(jié)果的可靠性［3-4］。利用景觀格局指數(shù)進(jìn)行土地利用類型、土地利用格局空間分析的方法得到了廣泛應(yīng)用［5-8］，很多學(xué)者對(duì)景觀格局指數(shù)的尺度效應(yīng)研究表明景觀指數(shù)尺度依賴性的普遍存在［9-13］。前人研究結(jié)果已經(jīng)證明，不同的景觀有不同的格局特征，對(duì)尺度變化的響應(yīng)也不一樣，因此并不存在景觀格局分析的最佳尺度，只有針對(duì)特定景觀的合適尺度［9］，并且基于粒度效應(yīng)的景觀格局研究成了目前的研究熱點(diǎn)，因?yàn)樵趯?duì)尺度研究時(shí)需對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行聚合以及各尺度之間信息轉(zhuǎn)移［14］。尺度域是指大多數(shù)格局和過(guò)程發(fā)生的尺度范圍［15］，同一尺度域內(nèi)格局及過(guò)程相似，推繹比較容易，當(dāng)跨越多個(gè)尺度域時(shí)，由于過(guò)程在不同尺度上起作用，尺度推繹會(huì)變得復(fù)雜甚至不可能［16-17］。陳利頂?shù)龋?8］指出，通過(guò)對(duì)多種景觀格局指數(shù)的聯(lián)合應(yīng)用及定量研究景觀格局演變與生態(tài)過(guò)程之間的關(guān)系，可以有效的解釋景觀生態(tài)過(guò)程。

遙感技術(shù)的飛速發(fā)展為相關(guān)研究提供了不同空間分辨率的影像數(shù)據(jù)資料，但合適空間分辨率的選擇卻成了一個(gè)棘手問(wèn)題［19-21］。對(duì)粒度效應(yīng)的研究主要集中在低分辨率下景觀格局指數(shù)隨粒度的變化［22-23］，而對(duì)于農(nóng)牧交錯(cuò)帶小流域，高精度遙感影像下景觀格局指數(shù)的粒度效應(yīng)及其相關(guān)性研究較少。鑒于此，本研究綜合相關(guān)景觀格局指標(biāo)選取的研究成果，從類型與景觀2個(gè)水平上選取多個(gè)經(jīng)典景觀格局指數(shù)，主要測(cè)度農(nóng)牧交錯(cuò)帶小流域景觀格局指數(shù)的粒度效應(yīng)，并對(duì)所選景觀指數(shù)分類后進(jìn)行相關(guān)性分析?？偨Y(jié)相同景觀在不同粒度尤其是小粒度下的景觀特征差異，驗(yàn)證景觀格局指數(shù)在測(cè)度過(guò)程中的說(shuō)服力。本研究可為高精度影像下農(nóng)牧交錯(cuò)帶小流域景觀指數(shù)計(jì)算的適宜粒度選擇及粒度推繹提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

六道溝小流域位于毛烏素沙地邊緣和黃土丘陵區(qū)的過(guò)渡地帶，屬于典型的蓋沙黃土丘陵地貌，處于晉、陜、蒙水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶強(qiáng)烈侵蝕中心區(qū)。該流域?qū)倏咭昂铀刀?jí)支流，其主溝道長(zhǎng)為4.21 km，流域面積為7.28 km2。該流域?qū)儆谥袦貛О敫珊禋夂騾^(qū)，年均氣溫為8.4℃，多年平均降雨量為437.4 mm。植被成分十分復(fù)雜，即以森林草原，灌叢草原成分為主，也有荒漠草原和沙地植被，這些成分均為地帶性植被，是流域自然狀況的體現(xiàn)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

以六道溝小流域全色波段遙感衛(wèi)星影像(World View-1衛(wèi)星，2010年2月拍攝，0.5 m分辨率)為遙感數(shù)據(jù)，在Erdas Imagine 9.2中對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何精校正，然后結(jié)合六道溝小流域的邊界圖對(duì)幾何校正后的圖像進(jìn)行裁剪，從而得到研究區(qū)的數(shù)字影像地圖。

根據(jù)研究區(qū)的地理特征和影像質(zhì)量，結(jié)合實(shí)地勾繪和調(diào)查，本文將研究區(qū)土地分類為:1)耕地，包括坡耕地、梯田、溝壩地及溝谷地;2)荒草地;3)林地，包括果園用地、有林地和疏林地;4)人工草地;5)灌木地;6)建設(shè)用地，包括居民地和煤炭開(kāi)采用地;7)水域;8)未利用地，包括沙地和裸露基巖等8種地類。分類采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類和人工分類相結(jié)合的方法，在Erdas Imagine 9.2環(huán)境下，先對(duì)影像進(jìn)行監(jiān)督分類，再結(jié)合地形圖等輔助資料，人工目視解譯修改分類結(jié)果，提高解譯精度。經(jīng)過(guò)精度評(píng)價(jià)，研究區(qū)2010年分類圖總體分類精度為88.5%，可以滿足本文的精度要求。最后，在ArcGIS 9.3支持下，通過(guò)格式轉(zhuǎn)換、空間疊加等處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

1.3 粒度與景觀指數(shù)選擇

常用的粒度推繹方法是把精微尺度上的觀察、試驗(yàn)及模擬結(jié)果外推到較大尺度［24］，它是研究成果的“粗粒化”，即不斷降低景觀格局的空間分辨率［23］。利用ArcGIS9.3軟件中的空間分析模塊，把研究區(qū)的土地利用類型圖轉(zhuǎn)為不同粒度的柵格數(shù)據(jù)，由于研究區(qū)面積較小，所以采用的粒度大小為1—50 m，即1、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50 m，然后用 Fragstats 3.3 軟件計(jì)算景觀格局指數(shù)。

目前描述景觀格局的指數(shù)很多，參考前人研究并結(jié)合研究區(qū)的景觀特征，本文按照景觀格局指數(shù)生態(tài)學(xué)意義(Fragstats 3.3的分類標(biāo)準(zhǔn))在類型水平上選取的景觀指數(shù)包括5個(gè)面積/周長(zhǎng)/密度指數(shù)，7個(gè)形狀指數(shù)，8個(gè)蔓延度指數(shù);景觀水平上選取的景觀指數(shù)包括4個(gè)面積/周長(zhǎng)/密度指數(shù)，4個(gè)形狀指數(shù)，3個(gè)蔓延度指數(shù)和4個(gè)多樣性指數(shù)。各指數(shù)計(jì)算公式及生態(tài)學(xué)意義見(jiàn)參考文獻(xiàn)［25］

2 結(jié)果與分析

2.1 景觀指數(shù)的空間粒度變化行為

2.1.1 類型水平景觀指數(shù)的空間粒度變化行為

利用Fragstats 3.3軟件分析的結(jié)果，進(jìn)行類型水平上的土地景觀特征對(duì)比分析。2010年類型水平上土地景觀類型特征的粒度效應(yīng)如圖1。

空間粒度變化對(duì)一些景觀格局指數(shù)有明顯的影響，即同一景觀不同粒度時(shí)，用同一種景觀格局指數(shù)表示的結(jié)果不同。根據(jù)景觀指數(shù)對(duì)空間粒度的響應(yīng)情況和粒度效應(yīng)關(guān)系，選取20個(gè)指數(shù)中的14個(gè)經(jīng)典景觀指數(shù)，分為3類，從地類景觀單個(gè)指標(biāo)特征曲線來(lái)看，其粒度效應(yīng)有以下特征:

(1)第1類景觀指數(shù)隨著粒度的增加而減小，且具有比較明顯的粒度效應(yīng)關(guān)系，可預(yù)測(cè)性較強(qiáng)。這類景觀指數(shù)主要有平均分維數(shù)、景觀形狀指數(shù)、平均形狀指數(shù)、聚集度指數(shù)、相似臨近比和聚合指數(shù)(圖1)。以聚合指數(shù)為例，聚合指數(shù)表示景觀類型內(nèi)部的團(tuán)聚程度［22］，如果一個(gè)景觀由許多離散的小斑塊組成，其聚合指數(shù)較小;當(dāng)景觀中以少數(shù)大斑塊為主或同一類型斑塊高度相連時(shí)，其聚合指數(shù)較大［26］。從聚合指數(shù)的變化趨勢(shì)來(lái)看(圖1)，除了未利用地，其它地類景觀指數(shù)下降較為明顯，其中下降最明顯的是荒草地和水域，其次是耕地、林地，可見(jiàn)隨著粒度的增加，類型景觀的形狀愈加簡(jiǎn)單，并且在40 m粒度時(shí)，建設(shè)用地、耕地和水域都出現(xiàn)了拐點(diǎn)。

(2)第2類景觀指數(shù)隨著粒度的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，同樣具有比較明顯的粒度效應(yīng)關(guān)系，代表性指數(shù)有散步與并列指數(shù)和歸一化形狀指數(shù)(圖2)。散步與并列指數(shù)對(duì)那些受到某種自然條件嚴(yán)重制約的生態(tài)系統(tǒng)的分布特征反映顯著，從圖2可以看出，水域、灌木地和人工草地的散步與并列指數(shù)值較低，而林地、耕地、建設(shè)用地和荒草地的分散指數(shù)值相對(duì)較高。隨粒度變化最明顯的是耕地，增加幅度最大。而歸一化形狀指數(shù)隨著粒度的增加，其曲線呈逐漸上升的趨勢(shì)，可見(jiàn)隨著粒度的增加景觀類型的形狀便越來(lái)越簡(jiǎn)單，由圖2可以看出，荒草地的歸一化形狀指數(shù)都小于0.1，表明研究區(qū)荒草類型景觀形狀比較復(fù)雜，而其他類型景觀隨著粒度的增加邊界曲線趨于平滑、規(guī)則。

圖1 類型水平景觀特征指數(shù)的粒度變化曲線(減小趨勢(shì))Fig.1 Change curves of land metrics of different types to grain sizes(Decreasing trend)

圖2 類型水平景觀特征指數(shù)的粒度變化曲線(增大趨勢(shì))Fig.2 Change curves of land metrics of different types to grain sizes(Increasing trend)

(3)第3類景觀格局指數(shù)隨粒度的變化曲線差異較大，無(wú)明顯規(guī)律，代表性指數(shù)如周長(zhǎng)面積變異系數(shù)、斑塊密度、景觀形狀變異系數(shù)、最大斑塊指數(shù)、有效粒度面積和平均周長(zhǎng)面積比(圖3)。有效粒度面積用于比較斑塊的平均面積大小。景觀總面積不變時(shí)，有效粒度面積變大，反映該類型景觀面積增加，其在景觀中的比例加大［9］。通過(guò)分析，粒度變化對(duì)荒草地、人工草地和灌木地的有效粒度面積指數(shù)影響最大，尤其在20—40 m粒度其值變化較為劇烈，而其它地類的有效粒度面積指數(shù)隨粒度的增加變化不明顯。其他幾類景觀指數(shù)隨粒度同樣表現(xiàn)出不規(guī)律的變化。

2.1.2 整體水平景觀指數(shù)的空間粒度變化行為

利用Fragstats 3.3軟件分析的結(jié)果，進(jìn)行整體水平上的景觀特征對(duì)比分析。六道溝小流域2010年整體景觀特征的粒度效應(yīng)如圖4所示。

圖3 類型水平景觀特征指數(shù)的粒度變化曲線(無(wú)規(guī)則)Fig.3 Change curves of land metrics of different types to grain sizes(Irregularity)

圖4 整體水平景觀特征指數(shù)的粒度變化曲線Fig.4 Change curves of different landscape metrics to grain sizes

在整體水平上，選取特征較明顯的10個(gè)景觀指數(shù)進(jìn)行分析，其粒度變化曲線如圖4所示，2010年六道溝小流域的類型景觀指數(shù)大部分隨著粒度的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。圖2中可以看出，平均形狀指數(shù)、聚合指數(shù)和蔓延度指數(shù)的粒度效應(yīng)曲線形狀受空間格局特征的影響不大，主要表現(xiàn)為冪函數(shù)下降，也有少數(shù)情況下指數(shù)的粒度效應(yīng)曲線表現(xiàn)為直線下降，如凝聚度、平均分維數(shù)和景觀形狀指數(shù)，可見(jiàn)景觀中斑塊形狀逐漸規(guī)則，在10 m時(shí)，其曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，以上分析表明景觀格局特征對(duì)這類指數(shù)值的大小有明顯影響且有一定的規(guī)律。另外，景觀形狀變異系數(shù)隨粒度的增加分階段下降，但總體是下降趨勢(shì)，只有景觀豐度、香農(nóng)多樣性和香農(nóng)均勻度指數(shù)隨著粒度的增加基本無(wú)變化。

2.2 景觀形態(tài)的自相似性及其對(duì)粒度效應(yīng)的響應(yīng)

在各種粒度下，六道溝小流域2010年各類景觀斑塊的平均分維數(shù)都大于1(表1)，這說(shuō)明各類景觀形態(tài)都具有分形特征，呈現(xiàn)出一定的自相似性和復(fù)雜性。

表1 各類景觀斑塊的分維數(shù)對(duì)粒度變化的響應(yīng)Table1 Fractal dimension of different landscape types within different grains

從平均水平來(lái)看，耕地、林地和水域景觀相對(duì)比較規(guī)則簡(jiǎn)單，荒草地和人工草地景觀比較復(fù)雜，而建設(shè)用地、灌木地和未利用地景觀介于他們之間，這也符合研究區(qū)的實(shí)際情況，因?yàn)?1)神木縣六道溝流域地處毛烏素沙地邊緣和黃土丘陵區(qū)的交錯(cuò)過(guò)渡地帶，環(huán)境惡劣，該區(qū)的荒草地主要位于各侵蝕溝的邊緣地帶，隨著侵蝕溝的加速發(fā)展，荒草地的管理隨之減少，從而導(dǎo)致草地景觀比較復(fù)雜的格局;2)1999年退耕還林(草)政策的實(shí)施，使得耕地大面積減少，林草地大面積增加，并且得到了有序的種植和管理;3)六道溝流域內(nèi)由于居民點(diǎn)的轉(zhuǎn)移和煤礦的建設(shè)，使得建設(shè)用地景觀的形態(tài)格局復(fù)雜化程接近于荒草地。表1還表明，各類景觀斑塊的分維數(shù)對(duì)粒度變化的響應(yīng)不同，它們的分維數(shù)隨著粒度的變化呈非線性下降趨勢(shì);在粒度較小時(shí)，各類景觀斑塊之間的分維數(shù)差異較大，而隨著粒度增大，各類景觀斑塊之間的分維數(shù)差異減小。其中，荒草地和水域的分維數(shù)在1—30 m粒度內(nèi)，具有明顯的隨粒度增加而減小的趨勢(shì)，而超過(guò)30 m范圍后則表現(xiàn)出在一定水平上的波動(dòng)。其它類型景觀的分維數(shù)在1—40 m粒度范圍內(nèi)變化較小，說(shuō)明這些景觀的形態(tài)結(jié)構(gòu)在這一粒度范圍內(nèi)具有自相似性，當(dāng)超過(guò)40 m粒度時(shí)各類型景觀分維數(shù)略有波動(dòng)，但整體呈下降趨勢(shì)。

2.3 類型景觀指數(shù)與粒度的相關(guān)分析

采用相關(guān)性分析，獲得了2010年六道溝流域各地類景觀指數(shù)與粒度的相關(guān)性(表2)。

表2 2010年各地類景觀指數(shù)與粒度的相關(guān)性Table 2 Correlation between landscapes metrics and sizes at pattern scale in 2010

從表2看出，聚集度指數(shù)、相似臨近比和聚合指數(shù)與粒度的相關(guān)性在類型水平上呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)，散步與并列指數(shù)和歸一化形狀指數(shù)與粒度呈正相關(guān)。其中，各地類的歸一化形狀指數(shù)與粒度都呈極顯著正相關(guān)，水域、建設(shè)用地的斑塊數(shù)量與粒度的相關(guān)性不高，而且斑塊數(shù)量與粒度的相關(guān)性既有正相關(guān)也有負(fù)相關(guān)。

對(duì)于農(nóng)牧交錯(cuò)帶六道溝小流域而言，耕地、建設(shè)用地和林草地之間的轉(zhuǎn)化頻繁。此次重點(diǎn)研究三者在斑塊數(shù)量、歸一化形狀指數(shù)、聚集度指數(shù)與粒度之間的相關(guān)性。如表2所示，從耕地和林地類型景觀指數(shù)與粒度的相關(guān)性來(lái)看，斑塊數(shù)量與粒度為顯著負(fù)相關(guān)，歸一化形狀指數(shù)與粒度極顯著正相關(guān)，聚集度指數(shù)與粒度則呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)。從建設(shè)用地類型景觀指數(shù)與粒度的相關(guān)性來(lái)看，斑塊數(shù)量與粒度呈顯著正相關(guān)，而歸一化形狀指數(shù)和聚集度指數(shù)與粒度的相關(guān)性則與耕地類似。通過(guò)相關(guān)性分析，一方面定量反映了所選景觀指數(shù)受粒度變化影響的相關(guān)性程度，另一方面可為后續(xù)六道溝流域因“退耕還林(草)”工程引起的景觀格局變化的研究提供參考。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)高精度遙感影像下農(nóng)牧交錯(cuò)帶六道溝小流域2010年景觀格局指數(shù)的粒度效應(yīng)研究，分析了六道溝小流域景觀格局的粒度效應(yīng)。從景觀的類型水平和整體水平分別進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)牧交錯(cuò)帶小流域景觀格局研究從部分到整體的結(jié)合。與熱島格局的粒度效應(yīng)相似［13］，“臨界粒度”現(xiàn)象在農(nóng)牧交錯(cuò)帶小流域景觀格局也普遍存在。在高分辨率遙感影像下，農(nóng)牧交錯(cuò)帶小流域景觀格局指數(shù)的“臨界粒度”現(xiàn)象較為明顯。在1—50 m粒度范圍內(nèi)，0.5 m分辨率下六道溝小流域的景觀格局指數(shù)的“臨界粒度”為10 m。在粒度選擇時(shí)，若想既保證計(jì)算的質(zhì)量、體現(xiàn)比例尺的特征信息，又不使計(jì)算過(guò)程中工作量過(guò)大，應(yīng)當(dāng)在第一尺度域內(nèi)選擇中等偏大的粒度［27］。所以，小流域適宜計(jì)算的粒度范圍為5—10 m，從而得知，在利用高分辨率遙感影像對(duì)農(nóng)牧交錯(cuò)帶小流域景觀進(jìn)行預(yù)測(cè)、對(duì)比和評(píng)價(jià)等研究時(shí)，需注意粒度的影響并進(jìn)行一定的粒度轉(zhuǎn)換。

景觀形態(tài)自相似性的研究可以很好的反映景觀格局的邊界特征，研究中，小流域景觀形態(tài)具有分形特征，并且呈現(xiàn)出一定的自相似性和復(fù)雜性。各類景觀斑塊的分維數(shù)對(duì)粒度變化的響應(yīng)不同，分維數(shù)隨粒度的增大呈非線性下降趨勢(shì)，表明景觀類型邊界趨于簡(jiǎn)單化。在粒度較小時(shí)，各類景觀斑塊之間的分維數(shù)差異較大，而隨著粒度增大，各類景觀斑塊之間的分維數(shù)差異減小。從平均水平看，耕地、林地和水域景觀相對(duì)比較規(guī)則簡(jiǎn)單，荒草地和人工草地景觀比較復(fù)雜，而建設(shè)用地、灌木地和未利用地介于它們之間。徐建華等［28］對(duì)城市景觀的研究表明，廊道景觀在5—70 m的粒度范圍內(nèi)，分維數(shù)具有明顯隨粒度增加而減小的趨勢(shì)，與本研究相比，六道溝流域以廊道基質(zhì)景觀為主，分維數(shù)隨粒度的增加而減小，這與徐建華的研究結(jié)果類似。

開(kāi)展景觀指數(shù)與粒度的相關(guān)性研究也是本次粒度效應(yīng)研究的一部分。通過(guò)相關(guān)性分析，一方面定量反映了所選景觀格局指數(shù)受粒度變化影像的相關(guān)性程度，另一方面可為后續(xù)農(nóng)牧交錯(cuò)帶小流域因“退耕還林(草)”工程引起的景觀格局變化研究提供參考。

格局與過(guò)程之間的相互作用具有強(qiáng)烈的尺度依賴性，而尺度又可分為測(cè)量尺度和本征尺度。只有當(dāng)測(cè)量尺度和本征尺度相符時(shí)，格局或過(guò)程才能被可靠的揭示［29-30］。景觀格局直屬對(duì)尺度敏感性的原因在于測(cè)量尺度與研究對(duì)象的本征尺度存在差異，因而，使測(cè)量尺度不斷接近于本征尺度是深刻而準(zhǔn)確地揭示自然現(xiàn)象和規(guī)律的必然選擇。本文在對(duì)景觀指數(shù)的粒度效應(yīng)研究中，針對(duì)從測(cè)量尺度向本征尺度的過(guò)度進(jìn)行了說(shuō)明，但文章只從空間上分析了各地類景觀指數(shù)的粒度效應(yīng)，并沒(méi)有從時(shí)間變化角度分析景觀指數(shù)的粒度效應(yīng)，這一點(diǎn)還需深入研究。因?yàn)榫坝^格局是不同景觀單元和生態(tài)過(guò)程在一定時(shí)間和一定空間內(nèi)相互作用的表現(xiàn)，它在空間或時(shí)間單方面的特征都不能代表其本質(zhì)的規(guī)律性。判別景觀格局的特征尺度是進(jìn)行格局分析的前提［4］，而這個(gè)特征尺度不僅包括空間尺度，還應(yīng)包含時(shí)間尺度，二者缺一不可。

目前在我國(guó)開(kāi)展的大量景觀格局分析中，更多的側(cè)重于景觀格局指數(shù)的計(jì)算與分析，而將景觀格局分析與實(shí)際問(wèn)題相結(jié)合的研究相對(duì)較少。但仍有生態(tài)學(xué)工作者作了很好的嘗試，如:傅伯杰、趙文武等針對(duì)黃土高原地區(qū)的土壤侵蝕，建立了多尺度景觀格局評(píng)價(jià)指數(shù)［31-32］;李秀珍、劉紅玉等分別研究了濕地景觀格局在污水凈化方面和濕地景觀破碎化對(duì)珍禽棲息環(huán)境的影響［33-34］，所有這些工作為探討景觀格局與生態(tài)過(guò)程之間的關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。

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