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        江南丘陵典型地區(qū)土地利用/覆被目視解譯尺度效應(yīng)

        2013-12-31 00:00:00崔步禮等
        湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2013年13期

        摘要:選取江南丘陵典型地區(qū)作為研究對(duì)象,從研究區(qū)整體、不同等級(jí)斑塊及土地利用類型等3個(gè)層面,探討了斑塊數(shù)量、面積、形狀等量化指標(biāo)對(duì)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(gè)層面上均呈減少趨勢(shì);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(shì),其他土地利用類型的面積呈減少趨勢(shì);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(shì)。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(duì)目視解譯的影響主要體現(xiàn)在小型斑塊損失上,對(duì)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(wàn)以下,草地可擴(kuò)至1∶20萬(wàn),平原旱地可擴(kuò)至1∶30萬(wàn);而對(duì)于面積大的丘陵水田和林地類型,解譯尺度可放到1∶50萬(wàn),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(hào):TP79 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào):0439-8114(2013)13-3021-06

        土地利用是人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)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(lái),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(diǎn)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(yùn)用土地利用程度指數(shù)、土地利用動(dòng)態(tài)度、景觀指數(shù)等指標(biāo)對(duì)土地利用的時(shí)空格局進(jìn)行研究[4-9],研究過(guò)程中常常忽略遙感影像解譯尺度(顯示尺度)對(duì)斑塊面積、周長(zhǎng)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(zhǎng)、形狀以及數(shù)量等,進(jìn)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(guò)程及與各種景觀指數(shù)相關(guān)的一些生態(tài)學(xué)過(guò)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(guò)程與變化的研究要建立在一定觀測(cè)和分析尺度下進(jìn)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(duì)于人機(jī)交互目視解譯過(guò)程中的顯示精度(解譯尺度)研究尚不多見(jiàn)[16],尤其是針對(duì)山地、丘陵、盆地交錯(cuò)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(duì)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(duì)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(jìn)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(zhǎng)沙市區(qū)、長(zhǎng)沙縣和瀏陽(yáng)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(cuò)。研究區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)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(shí)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(shì),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(shí)物考察進(jìn)行判定。首先在遙感處理軟件Erdas8.6中進(jìn)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(duì)影像進(jìn)行人機(jī)交互解譯;在ArcGIS9.0、Erdas8.6等軟件的支持下,對(duì)解譯數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)?、屬性引?dǎo)、剪切、投影轉(zhuǎn)換等。在目視解譯的過(guò)程中,依據(jù)全國(guó)土地分類體系,結(jié)合研究區(qū)土地資源的性質(zhì)和特點(diǎn),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(kù)、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(wàn)、1∶10萬(wàn)、1∶15萬(wàn)、1∶20萬(wàn)、1∶25萬(wàn)、1∶30萬(wàn)、1∶35萬(wàn)、1∶40萬(wàn)、1∶45萬(wàn)和1∶50萬(wàn)等10個(gè)級(jí)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(jìn)行對(duì)比分析。同時(shí),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(gè)等級(jí),進(jìn)一步分析解譯尺度對(duì)不同等級(jí)斑塊的影響強(qiáng)度。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 解譯尺度對(duì)整個(gè)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(shì),由1∶5萬(wàn)的0.02 km2增至1∶50萬(wàn)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(shì),由1∶5萬(wàn)的4 242個(gè)降低為1∶50萬(wàn)的495個(gè),共減少3 747個(gè)(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(shì),由1.06增至為1.12(圖4)。

        其原因有可能是:在解譯過(guò)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(duì)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(shì)。

        3.2 解譯尺度對(duì)不同等級(jí)斑塊的影響分析

        從不同等級(jí)斑塊的面積對(duì)解譯尺度的響應(yīng)來(lái)看(圖5),巨斑塊的面積呈增加趨勢(shì),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(shì),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(dòng)變化。同時(shí),在不同的解譯尺度下,各等級(jí)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(jí)斑塊的數(shù)量對(duì)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(shì),小斑塊數(shù)量變化最大,由3 804個(gè)減少至86個(gè),減少3 718個(gè);中斑塊數(shù)量變化較小,由374個(gè)減少至344個(gè),減少30個(gè);大斑塊的數(shù)量呈波動(dòng)變化,在60個(gè)左右擺動(dòng),波動(dòng)幅度很??;巨斑塊的數(shù)量沒(méi)有變化,始終為5個(gè)。解譯尺度在1∶5萬(wàn)至1∶35萬(wàn),各等級(jí)斑塊的數(shù)量為小斑塊>中斑塊>大斑塊>巨斑塊;在1∶40萬(wàn)至1∶50萬(wàn),各等級(jí)斑塊的數(shù)量變?yōu)橹邪邏K>小斑塊>大斑塊>巨斑塊。同時(shí),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(shì),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(shì),巨斑塊存在波動(dòng)性(圖8)。同時(shí),在不同的解譯尺度下,各等級(jí)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(jí)斑塊的數(shù)量、面積和分維數(shù)的變化機(jī)理,進(jìn)一步對(duì)1∶5萬(wàn)和1∶50萬(wàn)解譯尺度下的矢量圖層進(jìn)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(shí),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(jí)斑塊的面積、斑塊數(shù)量、分維數(shù)對(duì)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(shí),形狀較簡(jiǎn)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(shì);小斑塊融入較大斑塊,致使較大斑塊內(nèi)部的周長(zhǎng)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(duì)不同土地類型的影響分析

        在自然和人類活動(dòng)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(dòng)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(duì)不同解譯尺度的響應(yīng)。

        以1∶5萬(wàn)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(gè),居民地斑塊數(shù)量最多,為1 291個(gè);其次為丘陵水田、丘陵旱地和林地,分別為747個(gè)、743個(gè)和677個(gè);灘地和河渠類型的斑塊數(shù)量最少,分別為20個(gè)和1個(gè)(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(kù)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(kù)和居民地類型的形狀較為簡(jiǎn)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(wàn)之后有增加趨勢(shì),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(kù)、草地4類型的面積在1∶5萬(wàn)至1∶20萬(wàn)時(shí)的解譯尺度下間變化較小,解譯尺度在1∶20萬(wàn)之后迅速減少;灘地和居民地的面積在1∶5萬(wàn)和1∶10萬(wàn)時(shí)的解譯尺度下變化較小,解譯尺度在1∶10萬(wàn)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(duì)解譯尺度的響應(yīng)顯示,解譯尺度在1∶5萬(wàn)至1∶50萬(wàn)時(shí),除河渠之外,其他各類型的斑塊數(shù)量均呈減少趨勢(shì)(表3)。居民地斑塊數(shù)量減少最多,減少1 269個(gè);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(gè)以上。

        各類型的平均分維數(shù)對(duì)解譯尺度的響應(yīng)顯示,解譯尺度由1∶5萬(wàn)至1∶50萬(wàn),僅有河渠呈減小趨勢(shì),其他各類型的平均分維數(shù)均呈增大趨勢(shì)(表4);除灘地類型存在波動(dòng)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(duì)規(guī)則化,其他類型的斑塊形狀趨于相對(duì)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(wàn)和1∶50萬(wàn)解譯尺度下的矢量圖層進(jìn)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(jī)理。

        轉(zhuǎn)移矩陣結(jié)果顯示,解譯尺度在1∶5萬(wàn)至1∶50萬(wàn)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(lái)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(lái)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(kù)主要轉(zhuǎn)為林地,面積18.81 km2,占湖泊水庫(kù)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(wú)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(shí),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(duì)象,從研究區(qū)整體、不同等級(jí)斑塊及土地利用類型等3個(gè)層面探討了斑塊數(shù)量、面積、形狀等量化指標(biāo)對(duì)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(jí)斑塊及土地利用類型等3個(gè)層面均呈減少趨勢(shì);最小斑塊面積呈增大趨勢(shì);大斑塊、巨斑塊等級(jí)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(shì),其他等級(jí)斑塊和土地利用類型的面積呈減少趨勢(shì);研究區(qū)整體、小斑塊等級(jí)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(shì),中斑塊、大斑塊和巨斑塊等級(jí)的平均分維數(shù)呈減小趨勢(shì)。

        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(kù)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(jiǎn)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(duì)增加,從而使得整個(gè)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(duì)目視解譯的影響主要體現(xiàn)在小型斑塊損失上,對(duì)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(diǎn),但不同類型及指數(shù)的尺度轉(zhuǎn)折點(diǎn)并不一致。若以1∶5萬(wàn)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(kù)等面積較小的土地類型的解壓尺度需在1∶10萬(wàn)以下,草地可擴(kuò)至1∶20萬(wàn),平原旱地可擴(kuò)至1∶30萬(wàn);而對(duì)于面積大的丘陵水田和林地類型,解譯尺度可放到1∶50萬(wàn),精度損失小于3.9%。

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