基于無人機航測的漯河市土地利用景觀格局尺度效應(yīng)

汪桂芳,穆 博,宋培豪,金牧青,何瑞珍,田國行

河南農(nóng)業(yè)大學(xué),鄭州 450002

景觀格局的尺度效應(yīng)一直是景觀生態(tài)學(xué)研究的熱點及核心問題之一[1-3]。景觀生態(tài)學(xué)中,粒度(grain)和幅度(extent)常用來描述空間尺度,對于空間數(shù)據(jù)或影像資料而言,粒度指最大分辨率或像元(pixel)大小,幅度指研究區(qū)域的總面積[4-6]。當(dāng)前國內(nèi)學(xué)者研究尺度效應(yīng)所用的傳統(tǒng)影像數(shù)據(jù)大致可分為4類：Landsat-TM和ETM+影像、SPOT影像、IKONOS影像和Quick Bird影像。陳永林等[7]基于TM影像(空間分辨率30 m)提取長沙市土地利用圖,分析得出景觀格局的最佳空間粒度為90 m；龔建周等[8]基于SPOT影像(空間分辨率5 m)提取廣州市土地利用圖,分析得出粒度“臨界閾”為10、32 m和128 m；孫丹峰[9]利用IKONOS影像(空間分辨率1 m)進行了景觀格局特征尺度的小波與半方差研究,分析得出城市景觀總體結(jié)構(gòu)的空間變程為135 m；唐玲等[10]利用Quick Bird影像(空間分辨率0.61 m)對綠地景觀格局的空間幅度效應(yīng)進行了研究,得出沈陽市綠地景觀格局梯度分析的適宜幅度為5 km。然而,這些影像數(shù)據(jù)無法避開云層的干擾,且對于分辨率以下的小型斑塊無法辨識,同時由于分辨率和重訪周期的限制,難以滿足運用其進行時空序列上破碎化程度較高的城市景觀尺度效應(yīng)研究的需要[11-12],且根據(jù)其所得出的最佳粒度及尺度閾值隨著影像分辨率的升高而變小的特征,我們猜想更高精度的影像是否會得出更小的尺度閾？這也是本文要研究的主要科學(xué)問題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,高分辨率(可達厘米級)、高時效性、移動性能高的無人機航測影像[13]應(yīng)運而生,為研究更小尺度上的景觀格局提供了技術(shù)支撐。

無人機影像在景觀生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用主要集中在森林和濕地系統(tǒng)[14-17],農(nóng)業(yè)和牧場系統(tǒng)[18-21],城市植被制圖[22]等方面,而用來研究城市景觀格局尺度效應(yīng)的比較少。因此本文以漯河市中心城區(qū)為研究對象,通過無人機航測獲取空間分辨率為0.09 m的高精度影像,結(jié)合GIS空間分析法,從空間粒度和幅度兩種尺度研究漯河市中心城區(qū)景觀格局的尺度效應(yīng),揭示更高精度影像下漯河市景觀格局所表現(xiàn)出的特殊現(xiàn)象和規(guī)律,探討無人機航測在景觀格局尺度效應(yīng)研究上和在城鄉(xiāng)景觀可持續(xù)發(fā)展過程中的重要應(yīng)用,并為漯河市城鄉(xiāng)景觀生態(tài)安全格局的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

漯河地處中原,位于河南省中南部(113°27′—114°16′E,33°24′—33°59′N),伏牛山東麓平原與淮北平原交錯地帶,南北中線京港澳通道和東西寧洛高鐵在此交匯,是全省重要的交通樞紐,并位于以鄭州為中心的中原城市群都市圈的第二圈層。市域總面積為2617 km2,包括源匯區(qū)、郾城區(qū)、召陵區(qū)、舞陽縣和臨潁縣,其中漯河市中心城區(qū)位于市域東南部,總面積為157.9 km2。漯河市地勢平坦,是一個典型的黃、淮河沖積平原,暖濕性季風(fēng)氣候,常年降水量為786 mm,境內(nèi)沙、澧河穿城而過,是北方少有的森林城市和水景城市,具有明顯的濱河城市特色。截至2016年底,漯河市城市綠地率達到33.77%,城鎮(zhèn)化率達到49.23%,是河南省城市綠化水平和城市化水平發(fā)展較高的城市,其適宜的城市規(guī)模和典型的平原城市特征,以及城市所處的發(fā)展階段均較適合本文的研究主旨(圖1)。

圖1 漯河區(qū)位和行政區(qū)劃圖Fig.1 Location and administrative districts of Luohe in China

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文所用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來自于無人機航測獲取的漯河市中心城區(qū)的航空影像(空間分辨率為0.09 m,投影坐標系為WGS-1984-Transverse-Mercator),采集影像的時間為2016年3月份,此時大中型落葉喬、灌木的葉子還未完全長出,所有地物類別通過目視能清楚識別,能更加準確的判定地物類別的邊界輪廓,減少了因大中型喬、灌木覆蓋產(chǎn)生的誤差。地形圖(1∶10000)、《漯河市城市總體規(guī)劃(2005—2020)》和Google地圖作為人工解譯無人機影像的輔助數(shù)據(jù)和圖像資料源。具體圖像解譯和數(shù)據(jù)處理方法：1)影像處理：在ArcGIS 10.2中對無人機影像進行幾何校正和裁剪,結(jié)合實地調(diào)查驗證,對其進行目視解譯,形成土地利用類型的矢量數(shù)據(jù)shapefile文件；2)數(shù)據(jù)處理：對上一步的矢量數(shù)據(jù)進行拓撲糾錯,校正出現(xiàn)重疊和縫隙的區(qū)域,最后將shapefile文件轉(zhuǎn)化為不同像元大小的Grid格式文件,導(dǎo)入Fragstats 4.2進行景觀格局指數(shù)的計算。根據(jù)土地利用現(xiàn)狀分類(GB-T 21010—2007)[23],結(jié)合土地的透水性質(zhì)、利用方式及表現(xiàn)特征,將漯河市土地利用類型分為：透水性地面(包括綠地、水域和農(nóng)田)、不透水性地面(包括道路、建筑和廣場)和未利用土地(包括荒地和裸土地)3大類7小類(如圖2)。

圖2 土地利用類型圖Fig.2 Map of land use classification來源：城鄉(xiāng)綠地資源建設(shè)與管控課題組

1.3 空間粒度的設(shè)定

以往研究學(xué)者[4,7,24-25]一般以10、20 m和30 m的步長選取粒度,本文根據(jù)影像精度和現(xiàn)狀情況,在1—15 m范圍內(nèi),按照1 m的步長選取粒度[26],在15—100 m范圍內(nèi),按照5 m的步長選取粒度,在100—300 m范圍內(nèi),按照10 m的步長選取粒度,結(jié)果得到具有代表性的52個不同像元大小的柵格數(shù)據(jù)圖(圖3),并分別計算不同粒度下的景觀格局指數(shù),以求獲得更加準確的城市尺度土地利用景觀格局動態(tài)變化過程。

圖3 空間粒度的設(shè)定與變化示意圖Fig.3 Schematics diagram of spatial grain setting and changing

1.4 空間幅度的設(shè)定

本文在對粒度效應(yīng)進行研究的基礎(chǔ)上,分別對3 m×3 m,35 m×35 m,60 m×60 m 3種粒度下的幅度效應(yīng)進行研究,并按照0.5 km的步長設(shè)定幅度間隔,具體做法為：在ArcGIS 10.2中找出漯河市中心城區(qū)的幾何中心,從幾何中心開始,按照0.5 km的步長逐漸增加幅度,最小幅度為0.5 km×0.5 km的正方形,最大幅度為19.5 km×19.5 km的正方形,結(jié)果得到具有代表性的39個不同幅度大小的矢量數(shù)據(jù)圖,覆蓋整個研究區(qū)域(圖4)。

圖4 空間幅度的設(shè)定與變化示意圖Fig.4 Schematics diagram of spatial exent setting and changing

1.5 景觀指數(shù)的選擇

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者[10,27-31]的相關(guān)研究成果,并結(jié)合漯河市中心城區(qū)的景觀特點,分別在景觀水平和斑塊類型水平上選取能夠表征景觀優(yōu)勢度、破碎度、形狀特征、分布特征、多樣性和聚集度特征的景觀格局指數(shù),來分析漯河市景觀格局在不同尺度上的變化特征。其中,景觀水平上選取最大斑塊指數(shù)(LPI)、斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)和聚集度指數(shù)(AI)；斑塊類型水平上選取景觀斑塊面積百分比(PLAND)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(shù)(LSI)和聚集度指數(shù)(AI)。景觀指數(shù)的計算通過Fragstats 4.2軟件實現(xiàn),所選取的景觀格局指數(shù)計算方法及生態(tài)學(xué)意義見軟件使用說明及文獻[32]。

2 結(jié)果與分析

2.1 景觀格局指數(shù)的粒度效應(yīng)

2.1.1 景觀水平指數(shù)對粒度變化的響應(yīng)

最大斑塊指數(shù)在1—45 m的空間粒度范圍內(nèi),隨粒度的增加呈減小的變化趨勢,在空間粒度為45 m時,其值降到最低,說明在此空間粒度范圍內(nèi),隨著粒度的增加,景觀中具有優(yōu)勢的大型景觀斑塊發(fā)生了斷裂,隨后在45—60 m的空間粒度范圍內(nèi),其值隨粒度的增加而增加,在60 m處出現(xiàn)峰值,在大于60 m的空間粒度范圍內(nèi)呈現(xiàn)上下波動的變化趨勢,說明隨著粒度的繼續(xù)增加,小型景觀斑塊發(fā)生了重組,在粒度為60 m處出現(xiàn)最大斑塊,之后重復(fù)斷裂─重組過程；斑塊密度在1—3 m的空間粒度范圍內(nèi)隨粒度的增加而增加,在大于3 m的空間粒度范圍內(nèi)隨粒度的增加而快速降低,在大于95 m之后逐漸趨于平穩(wěn),說明當(dāng)粒度為3 m時,斑塊密度最大,景觀破碎度最大,之后隨著粒度的增加,斑塊的重組,景觀破碎度降低；景觀形狀指數(shù)隨粒度的增加逐漸降低,最終趨于平穩(wěn),說明隨著粒度的增加,小型斑塊被吞并融合成為大型斑塊,整體景觀形狀變的簡單；蔓延度指數(shù)和聚集度指數(shù)隨粒度的增加而逐漸下降,說明在較小粒度下景觀中某些斑塊類型形成了良好的連通性,并且聚集度較高,但是隨著粒度的增加,這些斑塊間的連通性逐漸減弱,聚集度降低；Shannon多樣性指數(shù)在1—30 m的粒度范圍內(nèi)較穩(wěn)定,基本無變化,當(dāng)粒度大于30 m后,其值隨粒度的增加呈現(xiàn)波幅增大的波動變化趨勢(圖5)。

圖5 景觀水平指數(shù)對粒度變化的響應(yīng)Fig.5 Character of landscape indexes response to grain variance

2.1.2 斑塊類型水平指數(shù)對粒度變化的響應(yīng)

景觀斑塊面積百分比的變化趨勢顯示,在1—35 m粒度范圍內(nèi),各景觀斑塊面積百分比無顯著變化,且各土地利用類型所占百分比由大到小依次為：農(nóng)田>建筑>綠地>道路>未利用土地>水域>廣場。當(dāng)粒度大于35 m后,其值隨粒度的增加呈現(xiàn)波幅增大的波動變化趨勢。說明35 m是研究景觀構(gòu)成的最大粒度閾,超出這個粒度范圍誤差便會增大。

最大斑塊指數(shù)的變化趨勢顯示,農(nóng)田和道路的空間粒度效應(yīng)最顯著,是造成景觀水平上景觀優(yōu)勢度發(fā)生變化的主導(dǎo)因素。當(dāng)空間粒度小于35 m時,道路的最大斑塊指數(shù)隨粒度的增大快速下降,農(nóng)田則呈相反的變化趨勢,且在空間粒度為35 m時,出現(xiàn)了交點,說明隨粒度的增加,道路景觀的優(yōu)勢度在下降,農(nóng)田景觀的優(yōu)勢度在增加,并在35 m處,發(fā)生了優(yōu)勢互換,成為最大斑塊類型。其他景觀的最大斑塊指數(shù)在粒度小于35 m時,均小于道路和農(nóng)田,且隨粒度的增加處于較穩(wěn)定狀態(tài),在35 m之后則有一定程度的增加和波動(圖6)。

圖6 不同土地利用類型的空間粒度效應(yīng)Fig.6 Spatial grain size effects of different land use classifications

斑塊密度的變化趨勢顯示,除建筑的斑塊密度隨空間粒度的增加逐漸降低之外,其他各類用地的斑塊密度均隨空間粒度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢。建筑、道路和綠地景觀的斑塊密度變化幅度較大,說明這三類景觀的破碎度較大,并隨粒度的增加而減小,且在大于2 m的空間粒度范圍內(nèi),綠地>建筑>道路。但是,綠地和道路景觀分別在1—3 m和1—9 m粒度范圍內(nèi)隨粒度的增加其景觀破碎度增大,這是造成景觀水平上斑塊密度在1—3 m空間粒度范圍內(nèi)出現(xiàn)短暫上升的主要原因(圖6)。

景觀形狀指數(shù)隨著空間粒度的增加呈現(xiàn)顯著下降后趨于平穩(wěn)的變化趨勢,且由大到小依次為：道路>綠地>建筑>廣場>未利用土地>農(nóng)田>水域。變化最大的是道路、綠地和建筑,說明在接近真實景觀的情況下,道路、綠地和建筑景觀的形狀最為復(fù)雜,隨著粒度的增加,相同斑塊的融合,景觀形狀逐漸趨于規(guī)則。

聚集度指數(shù)隨著空間粒度的增加呈顯著下降的變化趨勢,說明隨著粒度的增加,各類景觀聚集度下降,尤其是廣場,由于其點狀散布的特征,在粒度增大的情況下,聚集度下降較快,農(nóng)田斑塊面積較大,分布最為集中,粒度的增大對其聚集度影響最小(圖6)。

2.2 景觀格局指數(shù)的幅度效應(yīng)

2.2.1 景觀水平指數(shù)對幅度變化的響應(yīng)

為了探究不同粒度下的幅度效應(yīng),本文對比分析了3種粒度(3,35,60 m)情況下景觀格局的幅度效應(yīng),結(jié)果如圖7所示。最大斑塊指數(shù)整體上呈隨幅度的增大而減小的變化趨勢,且在大于2 km的空間幅度范圍內(nèi),3 m粒度下的LPI值大于另外兩種粒度,說明粒度越小,景觀優(yōu)勢度越明顯。在1.5—2.5 km的空間幅度范圍內(nèi),LPI值呈現(xiàn)與總體趨勢相反的變化趨勢,這可能是由于該空間幅度范圍內(nèi)某種景觀類型的大量出現(xiàn)導(dǎo)致的。當(dāng)空間粒度為35 m和60 m時,LPI值的波動幅度較大,不如3 m粒度下表現(xiàn)的穩(wěn)定；斑塊密度的變化趨勢顯示,3 m粒度下,PD值的變化趨勢較明顯,呈先降后升再下降的趨勢,在2—5.5 km的空間幅度范圍內(nèi),PD值的升高,可能是由于某種景觀的破碎度增強所致；景觀形狀指數(shù)的變化趨勢顯示,隨空間幅度的增加,LSI值逐漸增大,景觀形狀越來越復(fù)雜,且在3 m粒度下LSI值比另外兩種粒度下小,變化比其他兩種粒度下更穩(wěn)定；蔓延度指數(shù)的變化趨勢顯示,隨空間幅度的增加總體上呈先下降后穩(wěn)定的趨勢,并在3—3.5 km的空間幅度范圍內(nèi)呈短暫上升的變化趨勢,說明隨著空間幅度的增加,景觀斑塊間的連通性有所降低。3 m粒度下,CONTAG值比另外兩種粒度下高,說明粒度越小,斑塊缺失越少,斑塊間的連通性越好；聚集度指數(shù)的變化趨勢也顯示,3 m粒度下,AI值較高,斑塊的聚集性較強;Shannon多樣性指數(shù)的變化趨勢顯示,景觀多樣性隨空間幅度的增加逐漸增加,并在大于10 km范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定,景觀構(gòu)成類型不再增加。綜上,比較3種粒度下景觀格局幅度效應(yīng)指數(shù)隨幅度變化特征可以看出,3 m粒度最佳,因此,斑塊類型水平上的景觀格局研究將在3 m粒度下進行(圖7)。

圖7 不同粒度下景觀水平指數(shù)對幅度變化的響應(yīng)Fig.7 Character of landscape indexes response to extent variance under different grain size

2.2.2 斑塊類型水平指數(shù)對幅度變化的響應(yīng)

景觀斑塊面積百分比的變化趨勢顯示,隨空間幅度的增加,道路和建筑所占比例逐漸降低；綠地逐漸增加,并在空間幅度大于6 km后趨于穩(wěn)定；廣場和水域則先增后減,最終均在6 km處趨于穩(wěn)定；未利用土地的變化較復(fù)雜,分別在1.5 km和7.5 km處出現(xiàn)峰值,最終在8.5 km處趨于穩(wěn)定；農(nóng)田景觀從空間幅度為3.5 km時開始出現(xiàn),隨幅度的增加呈持續(xù)上升的變化趨勢,且在6.5 km處超過水域和廣場,8.5 km處超過未利用土地,11 km處超過綠地,13 km處超過道路,15.5 km處超過建筑,具有明顯的尺度推移特征和幅度效應(yīng)。

圖8 不同土地利用類型的空間幅度效應(yīng)Fig.8 Spatial extent effects of different land use classifications

最大斑塊指數(shù)的變化趨勢顯示,道路景觀的LPI值最大,且道路和建筑景觀的LPI值變化趨勢與景觀水平上的總體變化趨勢一致,均隨空間幅度的增加呈先減小再增加再減小的變化趨勢；綠地和廣場景觀的LPI值則隨空間幅度的增加波動式下降,未利用土地和水域隨空間幅度的增加呈先增加后減小的變化趨勢,且最大值分別在1 km和2 km處；農(nóng)田景觀則在空間幅度為3.5 km處開始出現(xiàn),然后隨空間幅度的增加呈緩慢增加的變化趨勢(圖8)。

斑塊密度的變化趨勢顯示,變化幅度最大的就是綠地、建筑和道路,且隨空間幅度的增加均呈現(xiàn)先降低后增加再降低的變化趨勢。1 km空間幅度下,建筑和道路的斑塊密度最大,其次是綠地,之后隨著綠地斑塊密度的快速增加,在2.5 km之后,綠地的斑塊密度大于建筑,并在5.5 km處達到最大值。說明在中心城區(qū)2.5—5.5 km范圍內(nèi)綠地景觀破碎度較大,且呈上升趨勢,在未來綠地系統(tǒng)規(guī)劃中需加強城市內(nèi)部綠地空間的建設(shè)(圖8)。

各類用地的景觀形狀指數(shù)隨著空間幅度的增加呈現(xiàn)先上升后趨于穩(wěn)定的變化趨勢,且變化由大到小依次為：道路>綠地>建筑>廣場>未利用土地>農(nóng)田>水域,道路、綠地和建筑的景觀形狀指數(shù)遠遠大于其他用地類型的景觀形狀指數(shù),說明在城市范圍內(nèi),道路、綠地和建筑的形狀最為復(fù)雜(圖8)。

聚集度指數(shù)隨著空間幅度的增加基本呈現(xiàn)為先上升后基本保持不變的變化趨勢,其中建筑、道路和廣場在1 km的空間幅度范圍內(nèi)的城市中心區(qū)域聚集度最高,水域、綠地和未利用土地的聚集度指數(shù)在2.5 km以內(nèi)增加趨勢最為顯著,農(nóng)田景觀在3.5 km后才開始聚集,并在空間幅度大于8.5 km之后成為聚集度最高的一類用地(圖8)。

3 討論

3.1 漯河市土地利用景觀格局的尺度效應(yīng)

3.1.1 景觀格局的粒度效應(yīng)

通過對景觀格局指數(shù)粒度效應(yīng)的分析結(jié)果可以看出,漯河市土地利用景觀格局存在顯著的空間粒度效應(yīng)。從景觀水平上來看(圖5),空間粒度越小,景觀指數(shù)的響應(yīng)越強烈,且在35 m粒度內(nèi)其變化趨勢表現(xiàn)較穩(wěn)定。說明在進行景觀格局的空間粒度效應(yīng)研究時,所選取影像的精度不能低于35 m,且越高越好。因為隨著空間粒度的增加,景觀斑塊會發(fā)生一定的斷裂缺失和重組,導(dǎo)致結(jié)果反映不夠真實。從斑塊類型水平上看,各景觀斑塊所占比例的變化趨勢也驗證了35 m為進行該類研究的臨界值。最大斑塊指數(shù)的結(jié)果顯示,農(nóng)田和道路的空間粒度效應(yīng)最顯著,亦是造成景觀水平上該指數(shù)發(fā)生變化的主要原因,且隨空間粒度的增加,具有線狀特征的道路景觀優(yōu)勢度逐漸降低,而具有面狀特征的農(nóng)田斑塊優(yōu)勢度逐漸上升。說明隨著空間粒度的增大,小型線狀斑塊會受到斑塊斷裂、消失和重組的影響,進而影響整體景觀格局的變化。這些現(xiàn)象在以往的研究中由于影像精度的原因而未被揭示[25,33-34]。斑塊密度的結(jié)果顯示,建筑、道路和綠地景觀的破碎度對粒度變化的響應(yīng)最顯著,其中建筑景觀的破碎度隨空間粒度的增大逐漸降低,綠地和道路景觀的破碎度分別在1—3 m和1—9 m粒度范圍內(nèi)隨粒度的增加而升高,這同時也是引起景觀水平上景觀破碎度在3 m粒度處有所增加的主要原因,與其他研究學(xué)者逐漸降低的結(jié)果有所不同[30]。這3類景觀的形狀指數(shù)變化幅度也最大,且隨粒度的增加,其形狀趨于規(guī)則。各類景觀的聚集度指數(shù)也隨粒度的增加呈下降趨勢,尤其是小型點狀分布的斑塊受到的影響較大。根據(jù)這些指數(shù)在3、35、60 m粒度處出現(xiàn)顯著變化的特征,可將研究粒度效應(yīng)的適宜尺度閾定為1—3、3—35、35—60 m,且粒度越小,各類型景觀格局指數(shù)的表現(xiàn)越接近真實情況,結(jié)合趙文武等[35]的研究結(jié)果,可將第一尺度閾中等偏大的3 m粒度確定為最佳粒度(圖6)。

3.1.2 景觀格局的幅度效應(yīng)

本文在粒度效應(yīng)研究的基礎(chǔ)上,在3 m×3 m、35 m×35 m和60 m×60 m粒度處分別研究了景觀格局的幅度效應(yīng),結(jié)果發(fā)現(xiàn)在3 m×3 m的最佳粒度下,景觀格局的幅度效應(yīng)最顯著,變化趨勢更穩(wěn)定,驗證了3 m粒度為最佳粒度的結(jié)果,且隨著空間幅度的增加,景觀水平上,景觀優(yōu)勢度,破碎度,蔓延度逐漸降低(圖7),說明隨著空間幅度的增加,景觀構(gòu)成比例逐漸均衡,城市中心地區(qū)景觀破碎度和蔓延度較高,而隨著城市外圍大型斑塊的加入,景觀破碎度和蔓延度逐漸降低。景觀形狀指數(shù)、聚集度指數(shù)和Shannon多樣性指數(shù)逐漸增加,說明隨著空間幅度的增加,景觀復(fù)雜程度、聚集度升高,景觀構(gòu)成類型逐漸增加,并在一定幅度下趨于穩(wěn)定。斑塊類型水平上,隨著空間幅度的增加,各類景觀呈現(xiàn)出明顯的尺度推移和梯度變化特征。由市中心向外,建筑和道路景觀所占比例依次降低,綠地、農(nóng)田和未利用土地依次升高(圖8),從市中心向外呈現(xiàn)出建筑-綠地-農(nóng)田的景觀分布特征,這與以往學(xué)者的研究結(jié)果相似[10,36-37]。另外,從我們的研究中還發(fā)現(xiàn),所有景觀指數(shù)的變化趨勢均在6 km范圍之外趨于穩(wěn)定,這與漯河市當(dāng)前城市發(fā)展規(guī)模有關(guān),道路景觀因其線性、覆蓋面廣、連通性強的特征,其景觀優(yōu)勢度最大,景觀形狀最復(fù)雜,聚集度最弱。在0.5—5.5 km空間幅度范圍內(nèi),綠地景觀破碎度快速升高,聚集度也較弱,因此,在未來的城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃中應(yīng)加強城市中心區(qū)域綠色生態(tài)廊道的建設(shè),從而提高該范圍內(nèi)綠地景觀的連通性,降低其破碎度。

3.2 無人機航測在景觀格局尺度效應(yīng)研究中的應(yīng)用前景

隨著社會科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展和進步,互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和無人機航測先后應(yīng)運而生,高精度數(shù)據(jù)的獲取、海量數(shù)據(jù)的存儲管理與應(yīng)用逐漸成為當(dāng)下熱點。在這樣的背景下,本研究課題組率先利用無人機航測技術(shù)對漯河市這一中等規(guī)模的城市進行多次測量和數(shù)據(jù)庫的建設(shè),以期為城市的發(fā)展和政府決策的制定提供更全面、更有力的數(shù)據(jù)支撐。

以往學(xué)者[7- 8]利用傳統(tǒng)影像按照均勻較大的步長分割空間粒度,得到的最佳分析粒度和所用影像分辨率基本相似,包括10 m[38],10、32 m和128 m[8],35 m[33],40 m[4],100 m[34]等,這可能是由于受粒度步長和分辨率的限制,遺失了較小粒度上景觀的變化過程和丟失了一些小型地物的信息,不能全面的反應(yīng)城市景觀格局的真實景觀情況。而本文的研究則是基于這一高精度影像對地物景觀格局信息的提取與分析,根據(jù)粒度生成的強弱,提取不均等步長粒度信息,與通過衛(wèi)星手段獲取影像的手段相比,不僅將數(shù)據(jù)精度從0.61 m提高至0.09 m,而且根據(jù)這些數(shù)據(jù)空間上的變化規(guī)律,得出了35 m為進行景觀格局粒度效應(yīng)研究的臨界值,3 m則為進行粒度效應(yīng)研究的最佳粒度,且揭示了從市中心向外呈現(xiàn)出建筑-綠地-農(nóng)田的景觀分布特征,以及綠地景觀在城市中心區(qū)域破碎度較高、是影響整體景觀格局的重要因素的規(guī)律。

4 結(jié)論

本文以中國中東部地區(qū)中等規(guī)模的平原城市漯河市為研究對象,率先基于無人機航測影像量化分析了景觀格局的尺度效應(yīng),并得出了以下結(jié)論：

漯河市中心城區(qū)土地利用景觀格局具有明顯的尺度(粒度和幅度)效應(yīng)。隨著粒度的增加,斑塊類型水平上,建筑、道路和綠地景觀在景觀優(yōu)勢度、破碎度、聚集度等方面均發(fā)生了較大的變化,進而導(dǎo)致景觀水平上景觀格局對粒度變化的響應(yīng),且從各指數(shù)變化轉(zhuǎn)折點得出研究粒度效應(yīng)的臨界閾為35 m,最佳粒度為3 m。在對不同粒度下整體景觀格局的幅度效應(yīng)研究中,也發(fā)現(xiàn)了3 m粒度下,景觀格局指數(shù)的變化和表現(xiàn)較為穩(wěn)定和真實,且隨空間幅度的增加,景觀優(yōu)勢度,破碎度和蔓延度逐漸降低,景觀復(fù)雜程度和聚集度逐漸升高,景觀構(gòu)成類型趨于穩(wěn)定。斑塊類型水平上,6 km幅度范圍內(nèi),景觀格局的幅度效應(yīng)最顯著,并由市中心向外呈現(xiàn)明顯的景觀梯度分布特征(不透水地面向透水地面過渡)。綠地景觀在0.5—5.5 km范圍內(nèi)破碎度較大,聚集度較低,是影響整體景觀格局的重要因素。綠地景觀格局的優(yōu)化在今后城鄉(xiāng)可持續(xù)發(fā)展過程中至關(guān)重要。

無人機航測技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為研究提供了數(shù)據(jù)支撐,通過對比前人利用衛(wèi)星影像進行尺度效應(yīng)的分析發(fā)現(xiàn),高精度影像可以更快速準確地揭示城市尺度下較細微的景觀格局變化過程,在未來城市更新或其他規(guī)劃領(lǐng)域也會很大的應(yīng)用前景。