馬麗梅, 王觀湧, 楊 偉, 于 泳, 張 樂

(1.湖北省水利水電科學(xué)研究院， 武漢 430000; 2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)， 河北 保定 071000)

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聚落景觀粒度空間轉(zhuǎn)換響應(yīng)及機(jī)理分析

馬麗梅1, 王觀湧2, 楊 偉1, 于 泳1, 張 樂2

(1.湖北省水利水電科學(xué)研究院， 武漢 430000; 2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)， 河北 保定 071000)

聚落景觀作為人類生產(chǎn)生活的聚集場所，體現(xiàn)人類空間活動強(qiáng)度，揭示人類活動與景觀形成與演化的機(jī)制。借助ArcGIS平臺和Fragstats軟件，設(shè)定空間粒度30，100，250，500，1 000 m，以RMA(面積最大值法)和RCC(中心屬性值法)為原則進(jìn)行轉(zhuǎn)換，研究聚落景觀分布格局空間粒度轉(zhuǎn)換以及機(jī)理。結(jié)果顯示：(1) RMA法生成數(shù)據(jù)各景觀類型的面積相對誤差較大，特別是當(dāng)粒度為1 000 m時(shí)交通用地消失，RCC法在空間粒度轉(zhuǎn)換中的面積相對誤差較小，并且是隨機(jī)的。(2) 斑塊面積結(jié)構(gòu)和空間鄰接的景觀類型決定空間粒度轉(zhuǎn)換中的聚落景觀格局。(3) 聚落景觀方面，斑塊數(shù)量、斑塊密度以及聚集度指數(shù)下降，面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)上升，最大斑塊指數(shù)先上升后下降，表現(xiàn)出隨著粒度增加，小斑塊逐漸被聚落景觀較大斑塊融入，斑塊破碎化降低、斑塊面積擴(kuò)大并趨于成片成團(tuán)等特征，使得聚落景觀的斑塊連片程度以及優(yōu)勢度提升。(4) 聚落景觀格局變化表明RMA法突出整體分布規(guī)律，RCC法突出聚落景觀的空間分布特性。

曹妃甸新區(qū); 聚落景觀; 空間粒度轉(zhuǎn)換; 景觀格局

景觀格局通常從景觀的結(jié)構(gòu)組成和空間配置兩方面進(jìn)行分析，且具有較強(qiáng)的尺度依賴性[1-2]。尺度是指空間粒度的變化，且一般對應(yīng)于圖像的分辨率或選擇像元大小[3-4]。近年來隨著景觀格局研究的深入，通過選取不同的分析粒度對景觀格局進(jìn)行分析，且大部分研究主要集中于將研究區(qū)域作為整體，通過景觀格局指數(shù)隨粒度不同所產(chǎn)生的變化趨勢，篩選出最適宜的空間粒度進(jìn)行景觀格局分析[5-9]。然而不同的景觀類型具有不同的景觀特征，其對粒度變化的響應(yīng)也不一樣，較缺乏對特定景觀類型空間粒度轉(zhuǎn)換的響應(yīng)以及響應(yīng)機(jī)理的研究[10-11]。同時(shí)，對于提供人們生產(chǎn)和生活聚居場所的聚落景觀，其分布體現(xiàn)了人類活動空間強(qiáng)度[12-14]，反映了自然、社會經(jīng)濟(jì)以及發(fā)展歷史。以聚落景觀作為研究對象有助于揭示人類活動與景觀形成、演化的機(jī)制[15]。

因此，本文在參考前人研究的基礎(chǔ)上，以曹妃甸新區(qū)為研究區(qū)，居民點(diǎn)及工礦用地作為聚落景觀，借助ArcGIS平臺和Fragstats軟件，設(shè)定空間粒度30，100，250，500，1 000 m，以RMA(面積最大值法)和RCC(中心屬性值法)為原則進(jìn)行轉(zhuǎn)換，分析聚落景觀與其他景觀之間流轉(zhuǎn)關(guān)系，并通過計(jì)算聚落景觀格局指數(shù)，探討聚落景觀分布格局空間粒度轉(zhuǎn)換以及機(jī)理分析，為開展聚落景觀格局分析提供參考和借鑒。

1　研究區(qū)概況

曹妃甸新區(qū)位于河北省唐山市南部沿海，地理坐標(biāo)北緯38°54′—39°26′，東經(jīng)118°70′—118°54′，總面積為：1 943.72 km2?，F(xiàn)管轄“兩區(qū)一縣一城”，即曹妃甸工業(yè)區(qū)、唐?？h、南堡經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)和曹妃甸新城。截止到2007年，曹妃甸新區(qū)人口22萬，主要集中在唐海、南堡開發(fā)區(qū)和曹妃甸工業(yè)區(qū)。研究區(qū)氣候?qū)贃|部季風(fēng)區(qū)暖溫帶半濕潤氣候，四季分明，雨熱同季，年平均氣溫10.8℃，春夏兩季氣溫比同緯度地區(qū)偏低。區(qū)域主要分布耕地、林地、鹽田、居民點(diǎn)及工礦用地、交通用地、港口碼頭、沿海灘涂、淡水水域及濕地、未利用地等土地利用類型。新區(qū)具有豐富的水生動、植物資源，為以水禽為主的鳥類提供了豐富的食物來源和筑巢、隱藏等天然的活動場所和棲息環(huán)境。

2　數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

本文選取唐山市進(jìn)行第二輪(2009—2020年)土地利用總體規(guī)劃修編所采用第二次全國土地調(diào)查成果圖(比例尺精度1∶10 000)作為基礎(chǔ)矢量數(shù)據(jù)，再通過曹妃甸新區(qū)行政區(qū)框架矢量文件，應(yīng)用GIS軟件進(jìn)行空間裁減后獲得本研究的矢量數(shù)據(jù)源。

本文在參考國土資源部于2007年頒布的《第二次全國土地調(diào)查技術(shù)規(guī)程》以及結(jié)合曹妃甸新區(qū)二次調(diào)查成果的實(shí)際情況，借助ArcGIS軟件，通過結(jié)構(gòu)化語言查詢，將曹妃甸新區(qū)土地利用類型分為9類：耕地、林地、鹽田、交通用地、居民點(diǎn)及工礦用地、沿海灘涂、港口碼頭、淡水水域及濕地以及未利用地。本文將居民點(diǎn)及工礦用地(聚落景觀)作為研究對象。

2.2研究方法

基于ArcGIS軟件平臺的空間分析模塊，將曹妃甸新區(qū)土地利用矢量現(xiàn)狀數(shù)據(jù)(2009年)進(jìn)行柵格轉(zhuǎn)換。柵格轉(zhuǎn)換取值采用面積最大取值法RMA(即景觀輸出值選取在現(xiàn)狀條件下柵格空間中某一屬性面積最大的景觀類型)以及中心屬性值法RCC(即景觀輸出值選取柵格空間中心點(diǎn)的景觀屬性類型)，根據(jù)RMA和RCC原則分別轉(zhuǎn)換出粒度空間為30 m×30 m，100 m×100 m，250 m×250 m，500 m×500 m和1 000 m×1 000 m共10幅曹妃甸新區(qū)景觀類型柵格圖。通過設(shè)置環(huán)境變量再將5種空間粒度下的10幅景觀柵格圖轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的矢量圖，與土地利用矢量現(xiàn)狀圖作疊置分析，獲取基于RMA和RCC原則下，不同空間粒度的景觀類型數(shù)據(jù)與現(xiàn)狀數(shù)據(jù)之間的空間流轉(zhuǎn)關(guān)系。

應(yīng)用Fragstats軟件計(jì)算上述5種空間粒度柵格數(shù)據(jù)的景觀指數(shù)，但由于反映景觀格局指數(shù)的數(shù)量較多，且部分景觀指數(shù)相關(guān)性較強(qiáng)[16-17]，所以在選擇景觀格局指數(shù)時(shí)，以綜合體現(xiàn)不同景觀格局變化為原則，根據(jù)曹妃甸新區(qū)的具體情況，選擇獨(dú)立的或相關(guān)性相對較小的景觀指數(shù)[18-20]。

3　聚落景觀粒度空間轉(zhuǎn)換特征

3.1聚落景觀現(xiàn)狀面積結(jié)構(gòu)特征

聚落由各種建筑、綠地、水源以及道路等要素組成，成為人類生活和生存的重要空間[14-15]。當(dāng)人均城鄉(xiāng)用地規(guī)模不變時(shí)，聚落景觀面積能夠反映出人口數(shù)量規(guī)模。按照河北省唐山市115 m2人均城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積折算，結(jié)合圖1表明，在1～10 hm2范圍內(nèi)曹妃甸新區(qū)聚落的人口規(guī)模大約90～900人，這部分聚落景觀組成主要以農(nóng)村聚落為主；在10～10 000 hm2內(nèi)聚落規(guī)模大型，占聚落總面積的88.09%，主要為城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)。圖2表明聚落景觀斑塊數(shù)量主要集中在1～25 hm2范圍內(nèi)，占總聚落斑塊數(shù)目的97.72%。

3.2現(xiàn)狀聚落景觀空間鄰接特征

空間鄰接特征可以揭示一個(gè)地區(qū)景觀類型的空間分布規(guī)律及維持機(jī)制，并且鄰接緊密的景觀類型在結(jié)構(gòu)和功能上密切相關(guān)[21]。由表1可知，淡水水域及濕地、耕地與聚落景觀的空間鄰接長度和數(shù)目之和占總數(shù)的87.44%和88.75%，表明淡水水域及濕地、耕地影響聚落景觀的分布，與其結(jié)構(gòu)和功能密切相關(guān)。林地和交通用地空間鄰接數(shù)目和長度分別占6.64%，2.66%，3.97%，5.96%，顯示出研究區(qū)內(nèi)交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)，林地鑲嵌于聚落景觀中維持其生態(tài)環(huán)境。由于鹽田、沿海灘涂、港口碼頭以及未利用地空間分布較為集中，且距離聚落景觀較遠(yuǎn)，因此與聚落景觀空間鄰接程度較低。

圖1聚落景觀面積范圍分布

圖2　聚落景觀斑塊數(shù)目分布

3.3土地利用景觀類型隨粒度空間變化特征

依據(jù)曹妃甸新區(qū)2009年土地利用景觀現(xiàn)狀分析得出，研究區(qū)土地利用景觀交通用地、未利用地和林地面積較少；居民點(diǎn)及工礦用地面積比例位列第五位，說明曹妃甸新區(qū)人類活動對土地干擾較小，而鹽田、沿海灘涂、淡水水域及濕地、耕地位列面積比例前四位，則說明研究區(qū)作為沿海城市，具有水域景觀、農(nóng)業(yè)資源豐富的特點(diǎn)。

隨著空間粒度的增加，曹妃甸新區(qū)行政區(qū)外圍邊界簡化，景觀總面積有所減少。如圖3所示，基于RMA和RCC原則的土地利用景觀類型面積變化增減不一，淡水水域及濕地隨粒度增加面積呈下降趨勢，耕地面積隨粒度增加呈上升趨勢，其他景觀類型面積隨粒度變化上下波動。各個(gè)土地利用景觀類型面積變化幅度RMA>RCC，基于RMA原則的景觀類型面積變化較大，隨著空間粒度的增加，交通用地周圍大斑塊的景觀類型逐漸將其融入吸收，當(dāng)達(dá)到1 000 m粒度時(shí)，面積變?yōu)榱恪?/p>

圖3　基于RMA與RCC原則的曹妃甸新區(qū)多空間粒度下土地利用景觀類型面積變化及與現(xiàn)狀面積差

3.4聚落景觀與其它景觀類型空間粒度轉(zhuǎn)換特征

3.4.1空間粒度轉(zhuǎn)換聚落景觀面積精度損異通過曹妃甸新區(qū)聚落景觀隨空間粒度變化計(jì)算其面積損異，借助ArcGIS平臺對現(xiàn)狀圖進(jìn)行柵格轉(zhuǎn)化，使聚落景觀外圍邊界進(jìn)一步簡化。如圖4所示，空間粒度為30 m時(shí)，在RMA和RCC原則下，聚落景觀面積分別增加了3.55%和3.70%，且沒有表現(xiàn)出較大差異，隨著空間粒度的增加，差異將逐漸變大。在空間粒度100～500 m時(shí)，面積增加比重RMA>RCC，這是由于在前文研究中，曹妃甸新區(qū)聚落景觀斑塊數(shù)量主要集中在1～25 hm2，因此RMA比RCC在柵格轉(zhuǎn)換時(shí)斑塊粗化較小。當(dāng)空間粒度達(dá)到1 000 m時(shí)，RCC轉(zhuǎn)換原則下大斑塊將周圍小斑塊吸收，RMA原則下以柵格中面積最大為輸出值，導(dǎo)致聚落景觀面積增加幅度減小RCC>RMA。

3.4.2聚落景觀與其它景觀類型流轉(zhuǎn)特征通過設(shè)置ArcGIS環(huán)境變量再將5種空間粒度下的10幅景觀柵格圖轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的矢量圖，與土地利用矢量現(xiàn)狀圖作疊置分析，獲取在不同空間粒度的基于RMA和RCC原則景觀類型數(shù)據(jù)與現(xiàn)狀數(shù)據(jù)之間的空間流轉(zhuǎn)關(guān)系。如圖5，6所示，當(dāng)空間粒度為30 m時(shí)，RMA和RCC原則下曹妃甸新區(qū)聚落景觀主要流向淡水水域及濕地，分別為1.11%和1.08%，其次為耕地。除未利用地外，其它景觀類型均與聚落景觀進(jìn)行流轉(zhuǎn)，這是由于未利用地與聚落景觀空間不具有空間鄰接關(guān)系，致使與聚落景觀流轉(zhuǎn)為零。

圖4　基于RMA與RCC原則的曹妃甸新區(qū)多空間粒度下土地利用景觀類型面積精度損異

圖5　基于RMA原則的曹妃甸新區(qū)粒度變化聚落景觀流轉(zhuǎn)比重

圖6　基于RCC原則的曹妃甸新區(qū)粒度變化聚落景觀流轉(zhuǎn)比重

當(dāng)空間粒度為100 m時(shí)，聚落景觀流轉(zhuǎn)方向與30 m粒度時(shí)大致相同，基于RMA原則的聚落景觀流入交通用地、林地和耕地較其流入聚落景觀多，這與淡水水域及濕地與聚落景觀流轉(zhuǎn)相反，其它地類流入流出變化不大?；赗CC原則，除交通用地和林地外，其它地類流入流出基本持平；在空間粒度250～500 m時(shí)，聚落景觀同其它景觀類型流轉(zhuǎn)情況與100 m粒度基本相同，但在RMA和RCC原則下交通用地和林地流入聚落景觀比例遠(yuǎn)大于聚落景觀流入，且在RMA原則下聚落景觀流入耕地比耕地流入聚落景觀較多的趨勢進(jìn)一步凸顯。當(dāng)空間粒度為1 000 m時(shí)，交通用地、林地以及耕地流入聚落景觀更為顯著。

綜上所述，基于RMA原則突出整體分布規(guī)律，在粒度較小時(shí)，聚落景觀流入流出基本持平，隨粒度增加聚落景觀流入耕地比耕地流入聚落景觀較多的趨勢進(jìn)一步凸顯。基于RCC原則下，除林地和交通用地外，主要流向以及流入流出量基本不變。隨著空間粒度的不斷增大，基于RMA和RCC原則，在較小空間粒度下聚落景觀與其它景觀類型流轉(zhuǎn)量較低，且在與其它景觀類型流轉(zhuǎn)時(shí)，與聚落景觀類型空間鄰接程度高的景觀類型流轉(zhuǎn)量大。當(dāng)空間粒度增大到一定程度且超過交通用地和部分林地面積，流入聚落景觀量與聚落景觀流入交通用地和林地的差異逐漸增大。曹妃甸新區(qū)中耕地和淡水水域及濕地與聚落景觀空間鄰接程度高，且分布較廣，部分面積較小的聚落斑塊位于其中，因此隨空間粒度增加，聚落景觀主要流入耕地和淡水水域及濕地。

4　景觀格局隨粒度空間變化特征

4.1景觀水平景觀格局分析

景觀水平景觀格局指數(shù)如圖7所示，隨空間粒度變化RCC原則下，曹妃甸新區(qū)香濃多樣性指數(shù)、香農(nóng)均勻度指數(shù)和景觀豐富度基本保持不變，說明研究區(qū)的土地利用景觀類型數(shù)目和各個(gè)景觀類型面積所占總面積百分比不變；在RMA原則下，香濃多樣性指數(shù)呈下降趨勢，香農(nóng)均勻性指數(shù)下降后上升，表明在此原則下研究區(qū)的景觀組成不均勻。結(jié)合景觀豐富度可以看出，由于RMA原則下土地利用景觀類型在1 000 m時(shí)，研究區(qū)景觀類型減少，故香農(nóng)均勻度指數(shù)下降后上升。

4.2斑塊類型景觀格局分析

隨空間粒度的變化，曹妃甸新區(qū)聚落景觀斑塊數(shù)量和斑塊密度在RMA和RCC原則下均逐漸減少，且RCC>RMA。這是由于RMA原則下聚落景觀面積較小的斑塊被面積較大的斑塊吸收，使得斑塊數(shù)目減少，斑塊密度降低，聚落景觀破碎化程度和景觀異質(zhì)性降低；而RCC原則下聚落景觀斑塊中心點(diǎn)屬性保持不變，斑塊屬性輸出值則不變，導(dǎo)致斑塊數(shù)量和斑塊密度較RMA多，景觀破碎程度以及景觀異質(zhì)性高。最大斑塊指數(shù)是一種簡單的優(yōu)勢度衡量方法。隨粒度增加，交通用地、部分林地等面積較小斑塊逐漸被聚落景觀較大斑塊融入，使得聚落景觀的斑塊連片程度以及優(yōu)勢度提升。在RCC原則下，粒度500 m的最大斑塊指數(shù)較粒度1 000 m大，反映了RCC原則柵格轉(zhuǎn)換的隨機(jī)性。

斑塊聚集度反映景觀組分的空間配置。從空間粒度變化趨勢分析，聚落景觀聚集度下降RMA>RCC，說明聚落景觀斑塊間分布RMA較RCC分散。面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)是反映景觀格局特征的重要指標(biāo)。隨粒度增加RMA和RCC原則下分維數(shù)呈先上升后下降趨勢，當(dāng)分維數(shù)上升時(shí)表明聚落景觀斑塊形狀正在變得復(fù)雜且不規(guī)則，與聚落景觀空間鄰接程度較高的交通用地和林地等地類被分割，且部分面積較小斑塊鑲嵌其中，使得面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)上升；當(dāng)粒度變化超過一定程度時(shí)，鑲嵌于聚落景觀中面積較小斑塊消失，因此分維指數(shù)下降。

圖7　基于RMA和RCC原則的曹妃甸新區(qū)粒度變化聚落景觀格局指數(shù)

5　結(jié)論與討論

(1) 土地利用景觀類型數(shù)據(jù)具有尺度依賴性。在RMA和RCC原則下進(jìn)行轉(zhuǎn)換，土地利用景觀類型相互流轉(zhuǎn)，且流轉(zhuǎn)量隨粒度的變化而增大。在面積最大值法轉(zhuǎn)換時(shí)各個(gè)土地利用景觀類型與現(xiàn)狀面積誤差較中心屬性值法大，并且交通用地在空間粒度1 000 m時(shí)消失，而利用中心屬性值法轉(zhuǎn)換時(shí)不消失，體現(xiàn)了其隨機(jī)性。

(2) 聚落景觀格局在空間粒度轉(zhuǎn)換時(shí)受到斑塊空間鄰接程度和面積結(jié)構(gòu)的影響?；赗MA原則，在較小粒度下與聚落景觀空間鄰接程度高的景觀類型，相互流轉(zhuǎn)量高；同時(shí)在100～500 m粒度時(shí)聚落景觀差異較大，且在25 hm2以內(nèi)聚落景觀斑塊數(shù)量占總聚落斑塊的97.72%。

(3) 景觀格局指數(shù)具有粒度效應(yīng)，且因空間粒度變化導(dǎo)致的聚落景觀格局變化，表明RMA原則突出整體分布規(guī)律，RCC原則體現(xiàn)聚落景觀的空間分布特性。隨空間粒度的增加，曹妃甸新區(qū)聚落景觀斑塊數(shù)量、斑塊密度以及聚集度指數(shù)下降，面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)上升，最大斑塊指數(shù)先上升后下降，說明聚落景觀破碎度和異質(zhì)性降低，但斑塊較為分散，部分景觀斑塊被分割鑲嵌于聚落景觀中，隨著粒度增加消失，小斑塊逐漸被聚落景觀較大斑塊融入，使得聚落景觀的斑塊連片程度以及優(yōu)勢度提升。

本文將居民點(diǎn)及工礦用地作為聚落景觀，借助ArcGIS平臺和Fragstats軟件，設(shè)定不同空間粒度，以RMA(面積最大值法)和RCC(中心屬性值法)為原則進(jìn)行轉(zhuǎn)換，分析聚落景觀與其他景觀之間流轉(zhuǎn)關(guān)系，并通過計(jì)算聚落景觀格局指數(shù)，探討聚落景觀分布格局空間粒度轉(zhuǎn)換以及機(jī)理分析。但對于在實(shí)際生活中如何注意空間粒度不同所帶來的影響以及如何應(yīng)用，將是下一步研究的重點(diǎn)。

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Analysis on the Mechanism of the Settlement Landscape Granularity Conversion Response in Caofeidian New District

MA Limei1, WANG Guanyong2, YANG Wei1, YU Yong1, ZHANG Le2

(1.Hubei Water Resources Research Institute, Wuhan 430000, China;2.InstituteofLandResources,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding,Hebei071000,China)

As a gathering place of human production and life, Settlement landscape reflects the intensity of human space activities, reveals the mechanism of the formation and evolution of the human activity and formation of the landscape. In this paper, based on the ArcGIS and Fragstats software, setting granularity of 30, 100, 250, 500， 1 000 m, with RMA (the largest value method) and RCC (center property value method) for the principles, conducted space conversion to study the settlement landscape spatial distribution pattern of granularity conversion and mechanism. The results show that: (1) principle of RMA conversion to generate landscape area error is large, especially when the particle size is 1 000 m, traffic land disappeared, principle of RCC in space granularity transformation in the area of relative error is less and random; (2) the patch area of structure and spatial governs landscape type space granularity transformation of settlement landscape pattern; (3) patch number, patch density and aggregation index decreased, area weighted average patch fractal dimension increased, the largest plaque index rose after the fall with the increase of particle size, small patches by settlement landscape gradually into larger plaques, plaque forming degree and superiority degree increase; (4) the principle of the RMA settlement landscape transformation response was associated with spatial adjacency degree and area structure highlighting the overall distribution.

Caofeidian new district; settlement landscape; spatial granularity transformation; landscape pattern

2014-09-28

2014-10-20

國家自然科學(xué)基金“不同結(jié)構(gòu)土壤斥水性對坡面侵蝕過程的綜合影響及其作用機(jī)理研究”(41401317);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃資助項(xiàng)目(2005CB121107)

馬麗梅(1985—)，女，甘肅金昌人，碩士研究生，主要從事侵蝕產(chǎn)沙、水土保持環(huán)境評價(jià)、土地資源利用等方面研究。E-mail：mlm1101@163.com

F301.2

A

1005-3409(2015)04-0276-06