江南丘陵典型地區(qū)土地利用/覆被目視解譯尺度效應(yīng)

摘要：選取江南丘陵典型地區(qū)作為研究對象，從研究區(qū)整體、不同等級斑塊及土地利用類型等3個層面，探討了斑塊數(shù)量、面積、形狀等量化指標(biāo)對目視解譯尺度的響應(yīng)。結(jié)果表明，隨解譯尺度增大，斑塊數(shù)量在3個層面上均呈減少趨勢；分布較廣的丘陵水田、平原水田和林地等土地利用類型的面積均呈增加趨勢，其他土地利用類型的面積呈減少趨勢；研究區(qū)整體、小斑塊和各土地利用類型（河渠類型除外）的平均分維數(shù)均呈增大趨勢。隨解譯尺度增大，分布于丘陵區(qū)且斑塊面積較小的丘陵水田、丘陵旱地、湖泊、居民地及草地主要被解譯為林地，平原區(qū)面積較小的平原旱地、河渠、灘地、居民地及林地斑塊主要被解譯為平原水田。分析尺度對目視解譯的影響主要體現(xiàn)在小型斑塊損失上，對大型斑塊影響不顯著。若將損失精度控制在小于5%，居民地、湖泊等面積較小的土地類型的解譯尺度需在1∶10萬以下，草地可擴至1∶20萬，平原旱地可擴至1∶30萬；而對于面積大的丘陵水田和林地類型，解譯尺度可放到1∶50萬，精度損失小于3.9%。

關(guān)鍵詞：目視解譯；尺度效應(yīng)；土地利用/覆被；江南丘陵

中圖分類號：TP79 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號：0439-8114（2013）13-3021-06

土地利用是人類社會經(jīng)濟活動與自然生態(tài)環(huán)境相互作用最為密切的環(huán)節(jié)。自20世紀(jì)90年代以來，土地利用/覆被變化研究成為全球環(huán)境變化與可持續(xù)發(fā)展中的熱點和前沿領(lǐng)域[1-3]。大多學(xué)者把從影像資料中獲取的解譯結(jié)果直接應(yīng)用于土地利用變化分析中，并運用土地利用程度指數(shù)、土地利用動態(tài)度、景觀指數(shù)等指標(biāo)對土地利用的時空格局進行研究[4-9]，研究過程中常常忽略遙感影像解譯尺度（顯示尺度）對斑塊面積、周長及數(shù)量的影響。然而，不同的解譯尺度將直接影響解譯結(jié)果中的斑塊面積、周長、形狀以及數(shù)量等，進而影響到土地利用相關(guān)指數(shù)的大小，即解譯尺度的選擇直接或間接作用于土地利用格局特征分析過程及與各種景觀指數(shù)相關(guān)的一些生態(tài)學(xué)過程——能流、物流、生物流。因此，選取同一組數(shù)據(jù)，由于不同的解譯和分析尺度，可能導(dǎo)致獲得不同結(jié)論[10-13]。所以，在土地利用/覆被研究中，土地利用結(jié)構(gòu)、格局、過程與變化的研究要建立在一定觀測和分析尺度下進行。

土地利用/覆被研究中的尺度效應(yīng)主要集中在由矢量數(shù)據(jù)向柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化中的尺度效應(yīng)[10，14，15]，而對于人機交互目視解譯過程中的顯示精度（解譯尺度）研究尚不多見[16]，尤其是針對山地、丘陵、盆地交錯及地形復(fù)雜的江南丘陵地區(qū)的研究甚少。為此，本研究選取江南丘陵典型地區(qū)作為研究對象，從斑塊數(shù)量、面積、形狀等量化指標(biāo)探討解譯尺度（顯示精度）對目視解譯信息提取的影響，旨在為江南丘陵地區(qū)的土地利用/覆被研究及土地利用規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)和參考，并進一步完善丘陵區(qū)的土地利用/覆被研究方法。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省東北部的丘陵地區(qū)，包括長沙市區(qū)、長沙縣和瀏陽市，總面積為7 450.9 km2，地理坐標(biāo)介于112°53′-114°16′E、27°51′-28°41′N之間（圖1），地形東北高、西南低，海拔在36～1 562 m之間，山地、丘陵交錯。研究區(qū)屬亞熱帶濕潤氣候區(qū)，年均氣溫16.8～17.2℃；年均降水量為1 422.4 mm，主要集中在4～7月份；年日照時間1 610～1 750 h；年蒸發(fā)量為1 206.9 mm。地帶性土壤以紅壤為主，由黃壤、棕壤、草甸土、沖積土組成。沖積土大多分布在河谷平原低地，多為水田。天然植被以常綠闊葉樹占優(yōu)勢，并有藤本和附生植物，1 000 m以下為常綠闊葉林，1 000～1 500 m為常綠闊葉與落葉闊葉混交林，1 500 m以上為灌叢和草甸。

2 材料與方法

本研究以覆蓋研究區(qū)2006年的Landsat-TM影像為數(shù)據(jù)源，以1∶50 000地形圖為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合地面實物考察進行判定。首先在遙感處理軟件Erdas8.6中進行幾何校正，根據(jù)野外調(diào)查及相關(guān)土地利用圖、地形圖建立解譯標(biāo)志，利用地理信息系統(tǒng)軟件ArcView3.2對影像進行人機交互解譯；在ArcGIS9.0、Erdas8.6等軟件的支持下，對解譯數(shù)據(jù)進行拓?fù)?、屬性引?dǎo)、剪切、投影轉(zhuǎn)換等。在目視解譯的過程中，依據(jù)全國土地分類體系，結(jié)合研究區(qū)土地資源的性質(zhì)和特點，將土地利用類型分為丘陵水田、平原水田、丘陵旱地、平原旱地、河渠、湖泊水庫、灘地、居民地、林地、草地等10類（圖1）。解譯顯示尺度分別設(shè)定為1∶5萬、1∶10萬、1∶15萬、1∶20萬、1∶25萬、1∶30萬、1∶35萬、1∶40萬、1∶45萬和1∶50萬等10個級別。選取斑塊面積（CA，km2）、斑塊數(shù)量（n）和平均分維數(shù)（FRAC_MN）等指標(biāo)進行對比分析。同時，依據(jù)面積大小將斑塊分為小斑塊（<1 km2）、中斑塊（1～10 km2）、大斑塊（10～100 km2）和巨斑塊（>100 km2）4個等級，進一步分析解譯尺度對不同等級斑塊的影響強度。

3 結(jié)果與分析

3.1 解譯尺度對整個研究區(qū)的影響分析

隨著解譯尺度的變化，研究區(qū)內(nèi)的最小斑塊面積存在一定的規(guī)律性變化，即隨解譯尺度增加，最小斑塊面積呈增大趨勢，由1∶5萬的0.02 km2增至1∶50萬的0.81 km2（圖2）。斑塊數(shù)量隨目視解譯尺度增加呈減少趨勢，由1∶5萬的4 242個降低為1∶50萬的495個，共減少3 747個（圖3）。由此表明，隨著解譯尺度的增加，面積較小的斑塊類型顯示度降低[16]，解譯為其他面積較大斑塊類型，從而使得總斑塊數(shù)量減少，最小斑塊面積增大。

隨目視解譯尺度增加，研究區(qū)內(nèi)斑塊的平均分維數(shù)呈增大趨勢，由1.06增至為1.12（圖4）。

其原因有可能是：在解譯過程中，較小斑塊的形狀易被解譯為圓形或矩形，其分維數(shù)較小，面積較大的斑塊形狀較為復(fù)雜，分維數(shù)較大；隨解譯尺度增加，形狀較為規(guī)則的小斑塊數(shù)量減少，形狀較為復(fù)雜的大斑塊數(shù)量相對增加，從而使得研究區(qū)內(nèi)的斑塊平均分維數(shù)呈增大趨勢。

3.2 解譯尺度對不同等級斑塊的影響分析

從不同等級斑塊的面積對解譯尺度的響應(yīng)來看（圖5），巨斑塊的面積呈增加趨勢，從4 218.25 km2增加至 5 010.64 km2；小斑塊、中斑塊的面積呈減少趨勢，小斑塊面積減少最為明顯，從764.74 km2減少至77.46 km2；大斑塊面積呈波動變化。同時，在不同的解譯尺度下，各等級斑塊面積始終表現(xiàn)為：巨斑塊>大斑塊>中斑塊>小斑塊。

不同等級斑塊的數(shù)量對解譯尺度的響應(yīng)顯示（圖6），小斑塊和中斑塊的數(shù)量呈減少趨勢，小斑塊數(shù)量變化最大，由3 804個減少至86個，減少3 718個；中斑塊數(shù)量變化較小，由374個減少至344個，減少30個；大斑塊的數(shù)量呈波動變化，在60個左右擺動，波動幅度很小；巨斑塊的數(shù)量沒有變化，始終為5個。解譯尺度在1∶5萬至1∶35萬，各等級斑塊的數(shù)量為小斑塊>中斑塊>大斑塊>巨斑塊；在1∶40萬至1∶50萬，各等級斑塊的數(shù)量變?yōu)橹邪邏K>小斑塊>大斑塊>巨斑塊。同時，由圖7可知，研究區(qū)內(nèi)的斑塊數(shù)量主要由小斑塊數(shù)量決定。

隨著解譯尺度的增大，小斑塊的平均分維數(shù)呈增大趨勢，由1.05增為1.10；中斑塊、大斑塊和巨斑塊的平均分維數(shù)均呈減小趨勢，巨斑塊存在波動性（圖8）。同時，在不同的解譯尺度下，各等級斑塊的平均分維數(shù)始終表現(xiàn)為：巨斑塊>大斑塊>中斑塊>小斑塊。

為解釋各等級斑塊的數(shù)量、面積和分維數(shù)的變化機理，進一步對1∶5萬和1∶50萬解譯尺度下的矢量圖層進行轉(zhuǎn)移矩陣分析（表1），小斑塊轉(zhuǎn)出687.46 km2，面積比例達(dá)89.91%；中斑塊和大斑塊轉(zhuǎn)出面積相當(dāng)，分別為308.02 km2和371.01 km2，面積比例分別為29.05%和26.36%；巨斑塊轉(zhuǎn)出面積僅0.12 km2。同時，小斑塊轉(zhuǎn)為中斑塊、大斑塊和巨斑塊，中斑塊轉(zhuǎn)為大斑塊和巨斑塊，大斑塊轉(zhuǎn)為巨斑塊。結(jié)合不同等級斑塊的面積、斑塊數(shù)量、分維數(shù)對解譯尺度的響應(yīng)可知，隨解譯尺度增大，面積較小的斑塊不斷融入面積較大斑塊，使得中小斑塊數(shù)量及面積減少，巨斑塊面積增加。同時，形狀較簡單的小斑塊數(shù)量減少，使得小斑塊的平均分維數(shù)呈增大趨勢；小斑塊融入較大斑塊，致使較大斑塊內(nèi)部的周長減少，因而中斑塊、大斑塊和巨斑塊的平均分維數(shù)均變小。

3.3 解譯尺度對不同土地類型的影響分析

在自然和人類活動的共同作用下，不同土地類型的斑塊大小、形狀等存在一定程度的規(guī)律性。如居民地、水體等類型的斑塊面積較??；居民地、耕地、水體等類型在人類活動的干預(yù)下形狀為較為規(guī)則的矩形或圓形；各土地類型的分布在地形因素的影響下也存在一定的規(guī)律性[17]。因此，各斑塊類型在不同解譯尺度下的顯示面積和形狀不同，為此而討論各斑塊類型對不同解譯尺度的響應(yīng)。

以1∶5萬解譯尺度下的解譯數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)信息（表2、表3、表4），研究區(qū)內(nèi)林地分布最廣，面積為5 040.7 km2，占研究區(qū)面積的67.65%；其次為水田，丘陵水田和平原水田分別占總面積的13.31%和7.77%；再次為居民地、旱地和草地；河渠和湖泊面積較少，灘地面積最少，4.7 km2，僅占總面積的0.06%。研究區(qū)內(nèi)共有斑塊4 242個，居民地斑塊數(shù)量最多，為1 291個；其次為丘陵水田、丘陵旱地和林地，分別為747個、743個和677個；灘地和河渠類型的斑塊數(shù)量最少，分別為20個和1個（表3）。河渠類型的平均分維數(shù)最高，為1.348；其次為丘陵水田和平原水田，平均分維數(shù)分別為1.107和1.110；灘地、草地和湖泊水庫的平均分維數(shù)較低，居民地類型的平均分維數(shù)最低，為1.032（表4）。由此可知河渠的斑塊形狀最為復(fù)雜，水田斑塊次之，灘地、草地、湖泊水庫和居民地類型的形狀較為簡單，為較規(guī)則的矩形或圓形。

隨解譯尺度增加，丘陵水田、平原水田、林地類型的面積增加（表2），分別增加24.4、129.5、196.5 km2；其他土地類型的面積均表現(xiàn)為減少，僅有河渠面積在1∶40萬之后有增加趨勢，這可能是由于灘地斑塊的融入。丘陵水田、平原水田、平原旱地和林地等面積較大的土地類型面積變化較為平穩(wěn)，其他類型的面積變化存在階段性。其中，丘陵旱地、河渠、湖泊水庫、草地4類型的面積在1∶5萬至1∶20萬時的解譯尺度下間變化較小，解譯尺度在1∶20萬之后迅速減少；灘地和居民地的面積在1∶5萬和1∶10萬時的解譯尺度下變化較小，解譯尺度在1∶10萬之后迅速減少，這跟各類型斑塊面積的大小密不可分。

各土地類型的斑塊數(shù)量對解譯尺度的響應(yīng)顯示，解譯尺度在1∶5萬至1∶50萬時，除河渠之外，其他各類型的斑塊數(shù)量均呈減少趨勢（表3）。居民地斑塊數(shù)量減少最多，減少1 269個；其次為丘陵水田、丘陵旱地和林地等3類型，減少數(shù)量均在500個以上。

各類型的平均分維數(shù)對解譯尺度的響應(yīng)顯示，解譯尺度由1∶5萬至1∶50萬，僅有河渠呈減小趨勢，其他各類型的平均分維數(shù)均呈增大趨勢（表4）；除灘地類型存在波動性，其他類型的平均分維數(shù)變化均較平穩(wěn)。這表明河渠類型的斑塊趨于相對規(guī)則化，其他類型的斑塊形狀趨于相對復(fù)雜化，這些變化均因在不同解譯尺度下，各斑塊類型之間的相互轉(zhuǎn)化所致。因此，選取1∶5萬和1∶50萬解譯尺度下的矢量圖層進行轉(zhuǎn)移矩陣分析，探討不同解譯尺度各土地類型之間的面積轉(zhuǎn)化、斑塊數(shù)量變化及斑塊形狀變化的機理。

轉(zhuǎn)移矩陣結(jié)果顯示，解譯尺度在1∶5萬至1∶50萬情況下，從轉(zhuǎn)出面積上看，轉(zhuǎn)出面積較多的為丘陵旱地、丘陵水田、林地和居民地，分別為154.07、123.01、111.83和108.53 km2（表5）；轉(zhuǎn)出面積較少的為平原水田和灘地，僅為8.42 km2和3.87 km2。從轉(zhuǎn)出面積所占比例來看，轉(zhuǎn)出面積所占比例較大的為灘地和丘陵旱地，分別占82.69%、71.38%；轉(zhuǎn)出面積所占比例最小的為平原水田和林地，分別占1.45%和2.22%。表現(xiàn)為分布于丘陵地形上的土地類型轉(zhuǎn)化面積較多，平原地區(qū)轉(zhuǎn)化面積較少；斑塊面積較大的土地類型轉(zhuǎn)出面積比例較小，斑塊面積較小的土地類型轉(zhuǎn)出面積比例較大。從各類型之間的轉(zhuǎn)化來看，丘陵水田主要轉(zhuǎn)為林地，面積為110.46 km2，占丘陵水田的11.14%；平原水田主要轉(zhuǎn)為居民地，面積為4.72 km2，僅占平原水田的0.82%；丘陵旱地主要轉(zhuǎn)為林地和丘陵水田，面積分別為90.10 km2和49.30 km2，分別占丘陵旱地的41.74%和22.84%；平原旱地主要轉(zhuǎn)為平原水田，面積為20.53 km2，占平原旱地的14.64%；河渠主要轉(zhuǎn)為平原水田，面積18.87 km2，占平河渠的36.42%；湖泊水庫主要轉(zhuǎn)為林地，面積18.81 km2，占湖泊水庫的29.78%；灘地主要轉(zhuǎn)為河渠和平原水田，面積分別為1.49 km2和1.20 km2，分別占灘地的31.84%和25.64%；居民地主要轉(zhuǎn)為平原水田和林地，面積分別為39.49 km2和32.74 km2，分別占居民地的16.71%和13.86%；林地轉(zhuǎn)出面積較少，主要轉(zhuǎn)為丘陵水田和平原水田，僅占林地面積的0.93%和0.72%；草地主要轉(zhuǎn)為林地，面積為37.80 km2，占草地的29.66%。

由此可知，隨解譯尺度增加，面積較小的斑塊無法清晰辨別，被解譯為面積較大的其他相鄰斑塊類型。主要體現(xiàn)為：分布于丘陵區(qū)域，且斑塊面積較小的丘陵水田、丘陵旱地、湖泊、居民地及草地主要被解譯為林地；分布于平原區(qū)域，且斑塊面積較小的平原旱地、河渠、灘地、居民地及林地主要被解譯為平原水田。同時，位于丘陵區(qū)域的林地（面積?。┲饕唤庾g為丘陵水田。

4 結(jié)論

本研究選取江南丘陵典型地區(qū)作為研究對象，從研究區(qū)整體、不同等級斑塊及土地利用類型等3個層面探討了斑塊數(shù)量、面積、形狀等量化指標(biāo)對目視解譯尺度的響應(yīng)。隨解譯尺度的增大，斑塊數(shù)量在研究區(qū)整體、不同等級斑塊及土地利用類型等3個層面均呈減少趨勢；最小斑塊面積呈增大趨勢；大斑塊、巨斑塊等級及分布較廣的丘陵水田、平原水田和林地等土地利用類型的面積均呈增加趨勢，其他等級斑塊和土地利用類型的面積呈減少趨勢；研究區(qū)整體、小斑塊等級和各土地利用類型（河渠類型除外）的平均分維數(shù)均呈增大趨勢，中斑塊、大斑塊和巨斑塊等級的平均分維數(shù)呈減小趨勢。

結(jié)合轉(zhuǎn)移矩陣的分析結(jié)果，隨著解譯尺度的增加，居民地、湖泊水庫及丘陵水田等面積較小、形狀為矩形或圓形的斑塊顯示度降低，常被合并解譯到其他面積較大的斑塊類型，從而使得總斑塊數(shù)量減少；分布于丘陵區(qū)且斑塊面積較小的丘陵水田、丘陵旱地、湖泊、居民地及草地主要被解譯為林地，平原區(qū)面積較小的平原旱地、河渠、灘地、居民地及林地斑塊主要被解譯為平原水田；伴隨著小斑塊融入大中斑塊，形狀較為簡單的小斑塊數(shù)量減少，形狀較為復(fù)雜的大斑塊數(shù)量相對增加，從而使得整個研究區(qū)及各土地類型的斑塊平均分維數(shù)增大。

大型斑塊融合小型斑塊后變化不顯著，所以分析尺度對目視解譯的影響主要體現(xiàn)在小型斑塊損失上，對大型斑塊影響不顯著。綜合表2～4，各類型的面積、斑塊數(shù)量和分維數(shù)存在規(guī)律性變化，有較為明顯的轉(zhuǎn)折點，但不同類型及指數(shù)的尺度轉(zhuǎn)折點并不一致。若以1∶5萬解譯數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，損失精度小于5.0%，居民地、湖泊水庫等面積較小的土地類型的解壓尺度需在1∶10萬以下，草地可擴至1∶20萬，平原旱地可擴至1∶30萬；而對于面積大的丘陵水田和林地類型，解譯尺度可放到1∶50萬，精度損失小于3.9%。

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