王 芳，溫小榮，林國忠，佘光輝

基于相似度理論的綠地斑塊動態(tài)變化的估計(jì)與分析

王 芳，溫小榮，林國忠，佘光輝

（南京林業(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京，210037）

系統(tǒng)地闡述了相似度理論，將該理論體系與層次分析法（AHP）相結(jié)合，以深圳特區(qū)兩期綠地斑塊的動態(tài)變化為例，對每個區(qū)總體和每種類型綠地總體的斑塊相似度進(jìn)行估計(jì)；通過與一定閾值的比較，判斷其相應(yīng)綠地斑塊的變化程度及變化類型，最后綜合分析整個深圳特區(qū)兩期綠地斑塊動態(tài)變化的原因。結(jié)果表明：利用相似度分析綠地斑塊的動態(tài)變化是可行的，為進(jìn)一步評估深圳特區(qū)城市化進(jìn)程中的綠地規(guī)劃提供了有效的方法和依據(jù)。

相似度理論；綠地斑塊；動態(tài)變化；估計(jì)；深圳

深圳市是我國經(jīng)濟(jì)特區(qū)，隨經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口劇增，城市資源和能量消耗的增加，生態(tài)環(huán)境面臨著巨大壓力。而綠地系統(tǒng)是城市生態(tài)系統(tǒng)中唯一執(zhí)行“納污吐新”的負(fù)反饋?zhàn)酉到y(tǒng)，在完善城市生態(tài)和維持自然生態(tài)平衡方面起到關(guān)鍵作用，是城市居民生活質(zhì)量的重要標(biāo)志。作為當(dāng)前城市的生態(tài)建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容，在有限的土地資源上實(shí)現(xiàn)城市綠地空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化和合理布局，改善城市生態(tài)質(zhì)量，美化城市景觀，及時(shí)了解城市綠地動態(tài)，使綠地充分發(fā)揮效益，需要對深圳綠地的動態(tài)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并針對綠地信息所反映的問題提出合理有效的解決方案。在檢測城市綠地動態(tài)時(shí)，其首要環(huán)節(jié)就是空間數(shù)據(jù)變化的測定，即在不同時(shí)間對同一對象觀察識別其差異，通過調(diào)查、比較，確定發(fā)生的變化，識別對象前后變化的差異性和相似性[1]。然而，空間相似關(guān)系作為空間關(guān)系的一個子集，可計(jì)算性差，需要復(fù)雜分析，并涉及多學(xué)科領(lǐng)域[2]，目前國內(nèi)外對空間關(guān)系相似性的研究成果也不多。同時(shí)，在跟蹤變化的過程中，需要判斷變化的程度，對空間分布特征的相似性進(jìn)行分析和度量,其評價(jià)測定的方法也必須定量化[3]。因此，相似系統(tǒng)理論[4]的提出,能有效解決對圖形對象相似性的量化分析，考查不同對象的相似度大小，這樣，發(fā)生的變化就可以通過實(shí)體對象變化的定量分析來反映。

本文以廣東省深圳特區(qū)的2002年及2005年兩期綠地斑塊動態(tài)變化為例，由局部到整體，先分別從各區(qū)和各類型著手研究其局部綠地斑塊變化情況，再綜合分析整個深圳特別行政區(qū)的整體變化，為城市化地區(qū)實(shí)現(xiàn)綠地的動態(tài)評估與管理、合理規(guī)劃與布局提供科學(xué)的依據(jù)，加快其“生態(tài)城市”的建設(shè)。

1 原理與方法

1.1 相似系統(tǒng)理論

當(dāng)不同系統(tǒng)之間具有相似元素時(shí)，即一個系統(tǒng)相似于另一個系統(tǒng)，這兩個系統(tǒng)就叫做相似系統(tǒng)。兩系統(tǒng)相似度的大小由相似元素的數(shù)量和相似元的數(shù)值來確定[5]。其中，相似度即為系統(tǒng)相似性的大小，相似元即兩個系統(tǒng)構(gòu)成要素中的相似要素[6]。本文以同一對象不同時(shí)期的狀態(tài)作為兩個研究系統(tǒng)，分析兩者的相似性。

假設(shè)系統(tǒng)T在兩個不同時(shí)期的狀態(tài)分別為T1、T2，各有k個、l個組成元素， 兩者之間有n個相似元素、即n個相似元，兩系統(tǒng)間的相似度則表示為

其中，q(ui)表示第i個相似元的數(shù)值，βi表示q(ui)的權(quán)重系數(shù)。因此，系統(tǒng)間的相似度可用具體數(shù)值表示，并與相似要素間的相似元數(shù)值及其權(quán)重值相關(guān)，其值的變化則反映了相似系統(tǒng)的動態(tài)特性，并將存在的動態(tài)特性分為以下三種情況：

(1) Q=0，系統(tǒng)T1、T2不相似；

(2) 0

(3) Q=1，系統(tǒng)T1、T2完全相同。

Q越大表明兩系統(tǒng)的相似程度越大，對象發(fā)生的變化就越小。針對第二種情況，識別變化情形進(jìn)行定量分析時(shí)，需要一個界值作為判斷變化本質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)。本研究設(shè)置各時(shí)期矢量圖對象的相似度閾值為0.618，若0

目前，相似性理論在很多方面得到了應(yīng)用，在GIS方面的應(yīng)用主要基于空間形狀方面的相似。但GIS中的地理實(shí)體除了空間形狀特征外,還存在位置、屬性等特征，按空間特征又可以抽象為點(diǎn)對象、線對象和面對象。本文重點(diǎn)描述基于面對象的相似度的計(jì)算方法，將不同時(shí)期地理實(shí)體（深圳2002年及2005年綠地）所構(gòu)成的兩個同質(zhì)系統(tǒng)的空間屬性作為系統(tǒng)研究要素，針對兩系統(tǒng)中相對應(yīng)的空間屬性計(jì)算其相似元及權(quán)重，從而得到同一對象不同時(shí)期的相似度大小,作為判斷地理實(shí)體發(fā)生變化的定量依據(jù)。

1.2 確定相似元值

度量相似度的相似元數(shù)值即相似元值q(ui)與基于要素的屬性特征數(shù)目、構(gòu)成相似元的要素間相似特征數(shù)目及每一特征的特征值大小有關(guān)。為了簡化系統(tǒng)，本文取兩期矢量圖的三個空間屬性構(gòu)成相似元要素：位置、形狀、大小，并分別記為u1，u2，u3。

（1）位置要素相似元值的確定

自然現(xiàn)象的變化過程中，地理實(shí)體不同時(shí)期的變化是有限的，故同一實(shí)體對象不同時(shí)期的空間分布會有較大的重疊，那么本文所采用的矢量面對象在不同時(shí)期的空間位置上也會有重疊。根據(jù)特征集合觀點(diǎn)[7]，我們計(jì)算位置相似元u1用以下公式：

其中T1、T2分別表示不同時(shí)期的同一矢量對象，函數(shù)f(T1∩T2)、f(T1∪T2)分別表示矢量對象不同時(shí)期重疊斑塊個數(shù)及合并后的斑塊個數(shù)。u1越大說明位置變化越大，反之越小。

（2）形狀要素相似元值的確定

形狀是描述圖形的重要特征之一，本文結(jié)合GIS，以綠地景觀的形狀指數(shù)作為研究面狀對象形狀的描述參數(shù)。為保證得到的值保持在[0,1]范圍，將較小值與較大值的比率作為形狀參數(shù)，則u2的計(jì)算公式如下：

其中，SI1、SI2分別表示矢量對象不同時(shí)期的形狀指數(shù)。u2越大說明形狀變化越大，反之越小。

（3）大小要素相似元值的確定

衡量面狀大小的因子有周長、面積、長距等，由于面積變化尺度大且易得，本文采用面積來計(jì)算大小屬性相似元的值，則u2的計(jì)算公式如下：

其中，AREA1、AREA2分別表示矢量對象不同時(shí)期的總面積，u2越大說明面積變化越大，反之越小。

1.3 確定權(quán)重

權(quán)重的確定有多種方法，常用的有主成分分析法、模糊決策法和層次分析法（AHP）等。本文采用的是定性與定量相結(jié)合的AHP，以1～9進(jìn)行標(biāo)度，對相似元素的權(quán)重進(jìn)行分析：由于位置是地理實(shí)體空間定位的主要方面，故位置相似元重要性最高，形狀及尺寸信息次之，而形狀是空間對象的直觀形態(tài)，較尺寸信息相對重要些，故建立簡單的層次模型后得到以下判斷矩陣：

1.4 確定相似度

表1 綠地評價(jià)要素權(quán)重信息的判斷矩陣Table 1 Judgement matrix of green land’s weight information

由于本文研究對象為同一系統(tǒng)不同時(shí)期的相似度，故相似元數(shù)量即對相似度的影響忽略不計(jì)，相似度Q僅由相似元及對應(yīng)權(quán)值多決定，得簡化后的公式（1）如下：

計(jì)算出對象不同時(shí)期的權(quán)值及相似元值后得相似度，再根據(jù)判斷原則，分析研究對象的變化。

2 綠地斑塊動態(tài)變化的評估

2.1 研究區(qū)概況

深圳市地處廣東省東南沿海，位于北回歸線以 南，113°45′44″～ 114°37′21″E，22°26′59″～22°51′49″N。全市總面積 1 952.84 km2，現(xiàn)轄有羅湖、南山、福田、寶安、龍崗、鹽田6個區(qū)，其中寶安區(qū)和龍崗區(qū)是深圳市的兩個郊區(qū)。本文研究對象為深圳特區(qū)所轄范圍的羅湖、南山、福田和鹽田等4 個區(qū)的綠地，面積為395.81 km2，東西長49 km，南北寬平均7 km，呈狹長形，海岸線長達(dá)229.96 km。

2.2 綠地斑塊信息的提取

綜合綠地分類標(biāo)準(zhǔn)和原則，結(jié)合深圳特區(qū)的實(shí)際情況，本文將研究區(qū)城市綠地分為公園綠地、生產(chǎn)綠地、防護(hù)綠地、單位附屬綠地、居住綠地、道路綠地、其他綠地等七類。其中，將綠地以外的土地利用類型如城建用地、交通用地、水域、未利用地等歸為非綠地。

本文遙感信息源為2002年和2005年兩期QuickBird 高分辨率衛(wèi)星影像，在遙感圖像處理軟件中進(jìn)行研究區(qū)域裁減、幾何精校正、輻射校正，然后通過對影像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征分析、波段間相關(guān)性分析以及最佳指數(shù)（OIF）分析，得出最佳波段組合。再對多光譜影像和全色波段進(jìn)行主成分變換融合方法進(jìn)行影像融合處理，運(yùn)用監(jiān)督分類法的最大似然法[8]進(jìn)行圖像分類。在ArcGIS 9.2軟件支持下，按綠地類型對矢量數(shù)據(jù)屬性賦值并提取所需綠地信息獲得所需綠地斑塊的矢量圖[9]。深圳特區(qū)2002年及2005年各區(qū)綠地斑塊矢量圖如下。

圖1 2002年深圳特區(qū)綠地斑塊矢量圖像Fig.1 Vector graph of green patch in Shenzhen special zone in 2002

2.3 綠地斑塊動態(tài)變化的估計(jì)

2.3.1 相似元值

將GIS中所得相關(guān)數(shù)據(jù)代入相似元的計(jì)算公式，可以得到以下相似元值數(shù)據(jù)結(jié)果：

圖2 2005年深圳特區(qū)綠地斑塊矢量圖像Fig.2 Vector graph of green patch in Shenzhen special zone in 2005

表2 2002年及2005年深圳特區(qū)各區(qū)對應(yīng)綠地的圖形相似元值表Table 2 Approximate values of similarity units of different style in every district in Shenzhen special zone between 2002 and 2005

2.3.2 相似元的權(quán)值

根據(jù)判斷矩陣(表3),得出一致性指標(biāo)ICI=0.009 169，平均隨機(jī)一致性指標(biāo)ICR=0.015 808<0.1，所以判斷矩陣的一致性可以接受。其中，各評價(jià)要素相對應(yīng)的權(quán)值如下

2.3.3 相似度的計(jì)算

根據(jù)相似系統(tǒng)原理，地理實(shí)體不同時(shí)期的相似度可由以下公式計(jì)算所得：

表3 深圳特區(qū)2002年及2005年綠地評價(jià)要素權(quán)重Table 3 Weights of green land’s evaluation elements in Shenzhen special zone between 2002 and 2005

進(jìn)而得出2002年至2005年深圳綠地各區(qū)各類型的相似度，如表4。

表4 2002-2005年深圳特區(qū)綠地變化相似度Table 4 Changes’ similarities of different style in Shenzhen special zone between 2002 and 2005

2.3.4 類型變化的識別

由定量分析的閾值識別研究對象的變化情形，根據(jù)表5可得到對應(yīng)的各區(qū)各類型綠地的變化情況，如表5所示。

表5 2002～2005年深圳特區(qū)綠地變化情況Table 5 Changes of green land in Shenzhen special zone between 2002 and 2005

2.4 結(jié)果與分析

根據(jù)表4的數(shù)據(jù)，主要按區(qū)對各綠地類型進(jìn)行分析，2002～2005年期間，由于深圳城市化進(jìn)程中城市綠地增加，自然植被遭到破壞，南山區(qū)大部分綠地發(fā)生質(zhì)變，防護(hù)綠地尤為明顯，只有居住綠地及生產(chǎn)綠地發(fā)生較小變化，且以量變的變形為主。福田區(qū)內(nèi)各綠地類型的變化相當(dāng)，均為質(zhì)變，由于福田區(qū)的綠化建設(shè)重點(diǎn)仍為道路、企事業(yè)單位和居住區(qū)等，其防護(hù)綠地及生產(chǎn)綠地相對比較明顯。羅湖區(qū)位于深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)中部，是開發(fā)較早的商業(yè)中心區(qū)，從變化類型看，其公園綠地變化最小，其他綠地類型發(fā)生明顯質(zhì)變。鹽田區(qū)內(nèi)沒有生產(chǎn)綠地類型，除公園綠地僅發(fā)生量變外，其他綠地類型均發(fā)生質(zhì)變，其中居住綠地的變化最大，這與該區(qū)的地理位置、地形特點(diǎn)和城市建設(shè)等因素有很大關(guān)系。

分析整個深圳特別行政區(qū)的綠地類型，可以看出，附屬綠地、道路綠地及其他綠地變化相對公園綠地等變化較小，各個區(qū)的變化按大小排序依次為南山區(qū)、羅湖區(qū)、鹽田區(qū)、福田區(qū)，且均以質(zhì)變?yōu)橹?，整體的變化較大。

由于四個城區(qū)所處地理位置、資源狀況、發(fā)展歷史和經(jīng)濟(jì)文化狀況不同，各區(qū)面積和城市化程度差別很大，城市綠地的構(gòu)成和動態(tài)變化存在差異。分析引起變化的原因，主要分為自然因素和人為因素，自然因素作用于綠地景觀的時(shí)空尺度較大，可引起較大范圍的變動，主要包括氣候、水文、地質(zhì)、土壤、植被等；人為因素則包括人口、技術(shù)、政治、經(jīng)濟(jì)、文化等。綜合實(shí)際情況分析，深圳特區(qū)的人為活動和道路網(wǎng)延伸是綠地變化的主要影響因素，自然條件是重要約束因素。

3 小 結(jié)

本文在RS與GIS技術(shù)支持下提取深圳市綠地信息獲得相應(yīng)的綠地斑塊矢量圖，基于相似系統(tǒng)，結(jié)合AHP層次分析法及GIS的統(tǒng)計(jì)分析功能，采用定量分析，從多方面綜合考察了深圳綠地斑塊的動態(tài)變化，自動分辨對象的變化類型及大小，使不同時(shí)期的圖像匹配信息更加詳細(xì)，更加直觀地反映出綠地斑塊發(fā)生何種類型及何種程度的變化，方便決策人員進(jìn)行判讀并制定相應(yīng)的方案措施。

研究采用定量評估的方法，首先確定所選系統(tǒng)相似元的元值及權(quán)重，由相似度計(jì)算模型得到相似度，再由相似度大小直接判斷變化程度；最后再將相似度與一定的閾值進(jìn)行比較來分析變化類型。相對于定性分析，在判斷綠地斑塊發(fā)生的變化時(shí)，定量評估的判斷依據(jù)更加客觀，且能從多方面（如位置、形狀和大小等）檢測對象在不同時(shí)期的變化，得到具體而詳細(xì)的變化信息，便于對綠地斑塊動態(tài)的跟蹤管理。

由于所取研究對象為矢量圖，研究的相似元素主要為空間特性，可適量增加屬性要素或其他空間屬性的相似要素作為輔助信息，并由專業(yè)人士根據(jù)相關(guān)原則標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行各要素的權(quán)重判定，以使判斷過程中的變化分析更加全面。為得到更加精確的相似度，使對象變化的判定也更加準(zhǔn)確，可以設(shè)定一組閾值，并根據(jù)具體情況，比較獲得準(zhǔn)確率較高且符合一定要求的閾值作為最終判定標(biāo)準(zhǔn)，制定出更加完善的決策。

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Estimation and analysis of greenland variation based on similarity theory

WANG Fang ,WEN Xiao-rong, LIN Guo-zhong, SHE Guang-hui
(College of Forest Resources and Environmen, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu, China)

The similarity theory was systematically introduced, by combining the theory and the analytic hierarchy process (AHP), and taking the dynamic changes of two-stages green land patches in Shenzhen as an example, the patches similarity of each distract and each green land type were estimated.The location, shape and areas of green land unit were used as the similarity elements.Then the similarity coefficients can be defined.The overlapping number of green land patches indicated the location variation of green land.The ratio of minimum and maximum shape index of green land indicated the shape variation of green land.With the same method, the areas variation coefficient was also obtained.The results shows that the estimation of green land variation based on similarity theory and method are feasible.The research of results also provide an effective method for the further assessment of green land development in Shenzhen Special Economic Zone .

similarity theory; green land patches; dynamic changes; assessment; Shenzhen

S731.2

A

1673-923X(2012)03-0119-05

2011-12-09

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（30571491）;南京林業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金（CX2011-24）;江蘇省林業(yè)三項(xiàng)工程項(xiàng)目（lysx(2009)46）;國家林業(yè)局公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(200804006/rhh-11)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)

王 芳(1987—)，女,江蘇南京人，碩士研究生,專業(yè)方向：林業(yè)遙感與GIS

佘光輝,男,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向：3S技術(shù)在森林資源與監(jiān)測中的應(yīng)用,E-mail：ghshe@njfu.com.cn

[本文編校：吳 毅]