田 雷,沈 毅,李宗禹,董博昶,魏顯威

(交通部公路科學(xué)研究院,北京 100088)

高速公路是長(zhǎng)距離連續(xù)的大型建筑構(gòu)造物,它的建設(shè)和營(yíng)運(yùn),對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的影響是永久的、不可逆轉(zhuǎn)和再生的[1],作為一種線(xiàn)狀干擾廊道,其特點(diǎn)是連通性較高,新廊道的出現(xiàn)將對(duì)現(xiàn)有景觀功格局產(chǎn)生一定的不利影響。公路景觀環(huán)境評(píng)價(jià)研究是我國(guó)公路建設(shè)中的新課題[2],景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)展為公路景觀環(huán)境評(píng)價(jià)研究提供了新理論、方法和技術(shù)手段,研究高速公路的建設(shè)對(duì)沿線(xiàn)景觀格局的影響有利于維護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)的規(guī)劃管理和區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展,為景觀動(dòng)態(tài)研究提供基礎(chǔ)信息,同時(shí)也有利于進(jìn)一步研究道路和生態(tài)系統(tǒng)的交互作用機(jī)制[3]。土地利用/土地覆被變化(LUCC)越來(lái)越多的應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境變化的研究中,它是全球變化研究的核心內(nèi)容之一[4-6],研究土地覆被動(dòng)態(tài)變化可以把握公路的建設(shè)對(duì)陸表的干擾程度。顏長(zhǎng)珍等人利用LandsatˉTM衛(wèi)星數(shù)據(jù),對(duì)地處半干旱區(qū)的張家口、榆林和定西3個(gè)典型區(qū)在1997年和2002年的土地覆被進(jìn)行了遙感監(jiān)測(cè),并以土地覆被類(lèi)型變化面積和景觀格局指數(shù)為指標(biāo)分析了生態(tài)環(huán)境建設(shè)工程的效果及由此而產(chǎn)生的土地覆蓋景觀格局的變化特點(diǎn)[7]。張帥等人利用1977年、1993年及2003年的MSS和 TM三個(gè)時(shí)相的衛(wèi)星數(shù)據(jù),通過(guò)人機(jī)交互式解譯在GIS的平臺(tái)下分析了兩個(gè)時(shí)段的土地覆被變化和景觀格局的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律[8]。目前國(guó)內(nèi)的研究主要集中在概念或框架上,在土地覆被變化和景觀格局指標(biāo)的定量化應(yīng)用尚缺少進(jìn)一步的研究,文章利用了思小公路建設(shè)前后的衛(wèi)星數(shù)據(jù),對(duì)公路路域范圍內(nèi)的土地利用變化和景觀格局指標(biāo)進(jìn)行了分析,總結(jié)了公路建設(shè)前后的土地利用變化和景觀格局的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

1 研究區(qū)域概況

思小高速公路位于云南省思茅市和景洪市境內(nèi),呈南北走向,境內(nèi)為橫斷山脈與無(wú)量山脈南延部分,總趨勢(shì)北高南低,峰巒疊嶂、此起彼伏,一片綠原林海。根據(jù)地貌成因可分為:山間盆地、河谷、構(gòu)造剝蝕地形3種地貌單元。本項(xiàng)目所在區(qū)域?qū)贌釒?亞熱帶氣候區(qū),干旱季節(jié)分明,交替時(shí)間為5-10月,夏秋多雨濕熱,冬春少雨干燥。氣候隨海拔高度變化明顯,具垂直分帶特征,動(dòng)植物資源較豐富。思小高速路的開(kāi)工時(shí)間是 2003年初,竣工時(shí)間是2006年初。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究所用數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)陸地衛(wèi)星Landsat-5的TM 傳感器,時(shí)相分別為2001-04-10、2007-01-21的7個(gè)波段的遙感數(shù)字信息(思小公路施工期為2003—2006年,所以,以時(shí)相為 2001-04-10的數(shù)據(jù)代表施工建設(shè)之前的環(huán)境本底值數(shù)據(jù),以2007-01-21時(shí)相代表公路建成之后的數(shù)據(jù));影像的空間分辨率為30 m×30 m,投影方式是T ransverse Mercator投影。該數(shù)據(jù)無(wú)云覆蓋,總體成像質(zhì)量效果較好。結(jié)合地面調(diào)查點(diǎn)作為參考,該遙感數(shù)據(jù)空間分辨率可以滿(mǎn)足宏觀、快速對(duì)植被覆蓋狀況獲得認(rèn)識(shí)的基本要求。

2.2 研究方法

2.2.1 圖像預(yù)處理 擇思小高速公路兩側(cè)10 km范圍的不同緩沖區(qū)為研究區(qū)域,選用完全覆蓋研究區(qū)的2景不同時(shí)相的Landsat5-TM數(shù)據(jù)為基本數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)通過(guò)輻射糾正,以1∶5萬(wàn)的地形圖為基準(zhǔn),利用二次多項(xiàng)式和雙線(xiàn)形內(nèi)插法對(duì)圖像進(jìn)行了幾何校正,經(jīng)重新選點(diǎn)檢驗(yàn),誤差在一個(gè)象元內(nèi)。以2007-01-21的TM數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),應(yīng)用SCR(Scattergram Controlled Regression)方法[9],以一次線(xiàn)形回歸形式,對(duì)不同時(shí)期的遙感影像做簡(jiǎn)易標(biāo)準(zhǔn)化處理,以消除可能的物候狀況差異。

2.2.2 土地覆被變化數(shù)據(jù)處理 參照全國(guó)土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程、全國(guó)土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)系統(tǒng)及思茅、景洪土地利用現(xiàn)狀,根據(jù)實(shí)地調(diào)查和遙感衛(wèi)星影像解譯,將評(píng)價(jià)區(qū)土地利用情況劃分為林地、稀樹(shù)灌木草地、耕地(包括水澆地和旱地)、水域、城建用地5種類(lèi)型。

在野外查勘、調(diào)查研究的基礎(chǔ)上,充分利用現(xiàn)有資料,基于遙感和地理信息系統(tǒng)軟件等先進(jìn)的技術(shù)手段和方法,進(jìn)行分析。技術(shù)路線(xiàn)為:遙感圖像選取→圖像分析解譯標(biāo)志建立→判讀與制圖→面積量算,已形成一套成熟技術(shù)路線(xiàn)。

2.2.3 景觀格局指標(biāo) 景觀生態(tài)學(xué)是一門(mén)橫跨自然和社會(huì)科學(xué)的綜合性學(xué)科,其研究領(lǐng)域十分廣泛。景觀生態(tài)學(xué)研究的內(nèi)容大致分為3個(gè)部分:景觀的結(jié)構(gòu)、景觀功能、景觀動(dòng)態(tài),景觀的結(jié)構(gòu)、功能和動(dòng)態(tài)是相互依賴(lài)、相互作用的,無(wú)論在哪一個(gè)生態(tài)學(xué)組織層次上(如種群、群落、生態(tài)結(jié)構(gòu)或景觀),結(jié)構(gòu)與功能都是相輔相成的。結(jié)構(gòu)在一定程度上決定功能,而結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展又受到功能的影響。景觀指數(shù)是指能夠高度濃縮景觀格局信息,反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面特征的簡(jiǎn)單定量指標(biāo)。為了系統(tǒng)的分析評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)景觀格局結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),景觀生態(tài)學(xué)家對(duì)景觀分析提出了許多不同的指標(biāo)[10-12]。項(xiàng)目分別選取了景觀屬性分析指標(biāo)、景觀形狀分析指標(biāo)、景觀配置指標(biāo)、景觀連通性指標(biāo)中的具有代表性的景觀指標(biāo)評(píng)估公路建設(shè)前后的生態(tài)結(jié)構(gòu)變化情況。各類(lèi)指標(biāo)的代表意義見(jiàn)表1所示。

2.2.4 景觀結(jié)構(gòu)空間變化 公路建設(shè)項(xiàng)目景觀生態(tài)影響關(guān)注的內(nèi)容是景觀生態(tài)系統(tǒng)在公路建設(shè)的干擾下發(fā)生了怎樣的變化。景觀空間格局指數(shù)可以反映景觀各組分以及景觀整體空間格局的變化特征,但是還不能反映出景觀各組分之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系,這就需要依賴(lài)于景觀空間結(jié)構(gòu)變化轉(zhuǎn)移矩陣分析。景觀類(lèi)型之間的相互轉(zhuǎn)化情況,可以采用馬爾柯夫轉(zhuǎn)移矩陣來(lái)進(jìn)一步描述[13]。這是一種以地圖代數(shù)原理為基礎(chǔ),定量化度量景觀空間組分變化的有效手段。通過(guò)馬爾柯夫轉(zhuǎn)移矩陣,可以定量說(shuō)明土地利用景觀類(lèi)型之間的相互轉(zhuǎn)化狀況,從而可以更好的了解土地利用的時(shí)空演變過(guò)程。

式中:Ci×j——由k時(shí)期到k+1時(shí)期的景觀格局變化圖,它反映了景觀變化的類(lèi)型及其空間分布,由此可以求得景觀類(lèi)型相互轉(zhuǎn)移的數(shù)量關(guān)系和轉(zhuǎn)移矩陣。

在對(duì)景觀類(lèi)型變化圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后,可以得到由k時(shí)期到k+1時(shí)期第k+1類(lèi)土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)換為第j類(lèi)土地利用類(lèi)型的面積數(shù)Aij。由此,土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣中的各項(xiàng)因子可由以下各式求得。

式中:Bij——k時(shí)期第i類(lèi)土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)換為k+1時(shí)期第j類(lèi)土地利用類(lèi)型的比例(%);Cij——k+1時(shí)期第j類(lèi)土地利用類(lèi)型由k時(shí)期第i類(lèi)土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)換來(lái)的比例(%);T——k+1時(shí)期各土地利用類(lèi)型相對(duì)于k時(shí)期變化的程度。從而可以得到景觀轉(zhuǎn)移矩陣表。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用現(xiàn)狀分析

基于ENV I4.2遙感數(shù)據(jù)處理軟及以A rcGIS 9.0地理信息分析軟件為輔助平臺(tái),通過(guò)以上方法將思小高速公路沿線(xiàn)兩側(cè)10 km范圍內(nèi)不同距離的緩沖區(qū)域進(jìn)行土地利用現(xiàn)狀人機(jī)交互式解譯得到公路修建之前及建路之后的土地利用現(xiàn)狀圖如圖1。

表1 各類(lèi)景觀指標(biāo)的代表意義一覽表

圖1 2001年思小路土地利用現(xiàn)狀圖

以建設(shè)公路前后土地利用圖為依據(jù),以A rcGIS軟件為平臺(tái)計(jì)算不同緩沖區(qū)研究區(qū)域在公路建設(shè)前后的各土地利用類(lèi)型的面積變化情況。以公路路線(xiàn)為中心統(tǒng)計(jì)沿線(xiàn)兩側(cè)1,2,5,10 km等4個(gè)緩沖區(qū)建設(shè)前和建路后土地利用類(lèi)型的面積變化情況,具體數(shù)據(jù)如表2所示。建路前后各土地利用類(lèi)型相對(duì)相應(yīng)的緩沖區(qū)面積變化見(jiàn)圖2所示。

從表2及圖2中可以看出,各土地利用類(lèi)型在相應(yīng)緩沖區(qū)隨著時(shí)間的變化,整體上稀樹(shù)灌木草地和耕地面積有所減少,城鎮(zhèn)建設(shè)用地的面積明顯增加,主要是因?yàn)楣方ㄔO(shè)占用的國(guó)土面積很大時(shí)該地類(lèi)的占用比例增加。整體上林地面積在修路以后面積有微弱增加的趨勢(shì),這主要是因?yàn)楣吩O(shè)計(jì)的路線(xiàn)基本上是沿著沿線(xiàn)人為干擾較大、陸表破壞度較高的山坡或山腳,其所占用的林地面積較少,研究范圍內(nèi)林地有向外擴(kuò)充的增長(zhǎng)趨勢(shì)。隨著距離公路路線(xiàn)中心越近,大部分地類(lèi)的面積變化越劇烈,建設(shè)前后土地利用類(lèi)型面積變化幅度越大,其中,城建用地的變化面積最大,這是因?yàn)楣方ㄔO(shè)(屬于城建用地類(lèi)型)占用最大的地類(lèi)是灌木草地和耕地。在距離較大的10 km范圍緩沖區(qū)各地類(lèi)在建設(shè)前后的變化趨勢(shì)就較為接近了。

3.2 景觀空間結(jié)構(gòu)變化轉(zhuǎn)移矩陣分析

為了能明顯的統(tǒng)計(jì)分析出公路路線(xiàn)周?chē)穆酚蛲恋乩妙?lèi)型變化情況,從而總結(jié)公路建設(shè)對(duì)各土地利用類(lèi)型的影響,所選用的研究區(qū)域范圍過(guò)大則使公路所屬的地類(lèi)在分析其對(duì)其他地類(lèi)影響時(shí)不明顯,過(guò)小則不能反映其對(duì)其它地類(lèi)的整體影響程度,故選用沿線(xiàn)周?chē)? km緩沖區(qū)范圍為景觀轉(zhuǎn)移分析的研究區(qū)域,統(tǒng)計(jì)其各地類(lèi)的轉(zhuǎn)移變化情況。通過(guò)以上方法將兩期影像進(jìn)行疊加運(yùn)算后得到研究區(qū)域隨時(shí)間推移,得到景觀類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣表如表3所示。

土地利用類(lèi)型的空間轉(zhuǎn)變分布圖如圖3所示。將各土地利用類(lèi)型從k時(shí)期到k+1時(shí)期的轉(zhuǎn)換為另一種土地利用類(lèi)型面積所占的比例(用B表示)和由另一種土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)化而來(lái)的面積所占的比例(用C表示)繪制成圖表可以形象地判斷出各地類(lèi)的轉(zhuǎn)化比例大小情況,如圖4所示。

表2 不同緩沖區(qū)各地類(lèi)修路前后面積變化

圖2 緩沖區(qū)面積變化對(duì)比

表3 k時(shí)期到k+1時(shí)期景觀面積轉(zhuǎn)移矩陣

圖3 土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣時(shí)空變化圖

圖4 林地 B、C變化圖

圖5 稀樹(shù)灌木草地B、C變化圖

圖6 城建用地 B、C變化圖

從表3及圖3-8中可以看出,林地、水域與其它地類(lèi)的轉(zhuǎn)化面積最小,只有稀樹(shù)灌木草地與林地系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的數(shù)量相對(duì)較大,其它包括公路在內(nèi)的城建用地與林地、水域的面積交換數(shù)量很小,說(shuō)明在公路建設(shè)過(guò)程中,施工建設(shè)和公路占地對(duì)林地這種地類(lèi)干擾很小,公路在選線(xiàn)時(shí)已經(jīng)考慮了避讓大片林地,公路建設(shè)對(duì)其他地類(lèi)干擾程度將增大。從表3及圖7-11中可以看出稀樹(shù)灌木草地系統(tǒng)、耕地系統(tǒng)均與城建用地面積交換量值很大,城建用地與這兩種地類(lèi)的面積轉(zhuǎn)化集中體現(xiàn)在圖4-6中,從圖中可以清晰的判別出城建用地轉(zhuǎn)化為灌木草地及耕地的面積比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于灌木草地及耕地轉(zhuǎn)化為城建用地的面積。

從土地利用空間變化圖上可以看出,在隨著建路的時(shí)間前后,變化的地類(lèi)中,城建用地的變化最大,變化的城建用地中包括公路和因?yàn)槌鞘袛U(kuò)張而形成的城建用地。轉(zhuǎn)變成其它地類(lèi)(如轉(zhuǎn)變成的林地、灌木草地等)的空間分布都是零星均勻分布在路線(xiàn)的兩側(cè)。

圖7 耕地 B、C變化圖

圖8 水域地B、C變化圖

4 結(jié)論

(1)景觀生態(tài)學(xué)作為一門(mén)新興的課題,可以為公路景觀環(huán)境評(píng)價(jià)研究提供新理論、方法和技術(shù)手段。

(2)對(duì)于景觀指標(biāo)應(yīng)用于思小公路而言,林地、水域與其它地類(lèi)的轉(zhuǎn)化面積最小,只有稀樹(shù)灌木草地與林地系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的數(shù)量相對(duì)較大,其它包括公路在內(nèi)的城建用地與林地、水域的面積交換數(shù)量很小;城建用地轉(zhuǎn)化為灌木草地及耕地的面積比例遠(yuǎn)小于灌木草地及耕地轉(zhuǎn)化為城建用地的面積。

(3)高速公路線(xiàn)性走廊對(duì)景觀是一種線(xiàn)性切割過(guò)程,修建前后的沿線(xiàn)不同緩沖區(qū)范圍內(nèi)景觀指標(biāo)變化的幅度不相同,離公路距離越近的緩沖區(qū),景觀指標(biāo)值的變化幅度越大,公路修建對(duì)近距離緩沖區(qū)內(nèi)景觀格局的影響越大,隨著公路兩側(cè)緩沖區(qū)距離的增加,其對(duì)研究范圍內(nèi)景觀格局的影響減小。

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