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        基于土地利用的三維景觀格局指數(shù)變化分析

        2021-01-26 08:36:04劉國(guó)棟陳煒吉
        地理空間信息 2021年1期
        關(guān)鍵詞:格局林地土地利用

        劉國(guó)棟,陳煒吉

        (1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400074)

        景觀格局指數(shù)是進(jìn)行土地利用/土地覆蓋變化(LUCC)研究的重要分析方法,由于景觀格局指數(shù)能高度濃縮景觀格局信息,反映景觀的空間幾何特征,因此被廣泛應(yīng)用于土地利用時(shí)空變化分析[1]。目前的研究大多利用RS 和GIS 技術(shù)對(duì)二維空間遙感影像開(kāi)展土地利用變化分析,但現(xiàn)實(shí)的物質(zhì)多以三維體的形式呈現(xiàn),而三維降維成二維后,許多斑塊信息都會(huì)失真。因此,在重慶這種典型的山地丘陵城市,對(duì)土地利用景觀格局的定量分析僅局限于二維景觀格局指數(shù)有失偏頗。

        近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,利用三維分析來(lái)還原真實(shí)地形結(jié)構(gòu)的方法發(fā)展較快,許多學(xué)者利用RS 和GIS 技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取、采集與空間分析能力開(kāi)展了土地利用景觀格局時(shí)空演變分析[1-2]?;诖?,本文利用數(shù)字高程模型(DEM)轉(zhuǎn)換不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)的方式對(duì)垂直地形結(jié)構(gòu)的重慶主城區(qū)進(jìn)行三維定量分析,并對(duì)二維平面獲取的土地利用斑塊面積和斑塊周長(zhǎng)進(jìn)行修正[3];通過(guò)比較研究區(qū)的二維景觀格局指數(shù)與三維景觀格局指數(shù)的差異,來(lái)證實(shí)重慶主城區(qū)的景觀格局受地形影響較大,引入地形進(jìn)行研究更能準(zhǔn)確反映實(shí)際情況的結(jié)論。

        重慶是典型的山地城市形態(tài),地表起伏大、土地破碎、地貌條件復(fù)雜,屬于典型褶皺地貌類(lèi)型[4-5]。城市擴(kuò)張?jiān)诖怪狈较蛏媳憩F(xiàn)出強(qiáng)烈立體感[6]。

        1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

        1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

        本文通過(guò)地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)獲取遙感影像,選取2008 年、2013 年、2018 年3 期Landsat 系列數(shù)據(jù)以及空間分辨率為30 m 的DEM 遙感影像作為數(shù)據(jù)源;再利用ENVI5.2 軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行融合與波段合成,選擇標(biāo)準(zhǔn)假彩色顯示影像;然后對(duì)研究區(qū)的4 幅影像進(jìn)行鑲嵌拼接,利用非監(jiān)督分類(lèi)中的最大似然法對(duì)遙感影像進(jìn)行解譯;最后將研究區(qū)土地劃分為耕地、林地、建設(shè)用地、湖泊、河流等5 種類(lèi)型,得到3 期的土地利用分類(lèi)數(shù)據(jù),解譯精度如表1 所示。

        表1 2008-2018 年研究區(qū)土地利用分類(lèi)精度

        1.2 研究方法

        1.2.1 景觀格局指數(shù)選取方法

        景觀格局指數(shù)是反映景觀格局結(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),便于研究景觀格局的特征[7]。參照前人對(duì)指標(biāo)選取的經(jīng)驗(yàn),本文選取景觀尺度和斑塊類(lèi)型尺度兩種指數(shù)類(lèi)型,分別計(jì)算二維和三維值[8-17]。其中,景觀尺度包括景觀類(lèi)型面積、平均斑塊大小、邊緣密度、景觀形狀指數(shù)和平均斑塊分維數(shù);斑塊類(lèi)型尺度包括平均斑塊大小、邊緣密度、景觀形狀指數(shù)、平均斑塊分維數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)、香農(nóng)均勻度指數(shù)和聚集度。

        1.2.2 二維和三維景觀格局指數(shù)計(jì)算方法

        二維景觀格局指數(shù)的計(jì)算通過(guò)Fragstats4.2 軟件完成。三維景觀格局指數(shù)的計(jì)算還沒(méi)有完備的軟件支持,因此本文首先利用ArcGIS10.5 軟件計(jì)算得到地表面積和周長(zhǎng);再利用DEM 上離散且相互連接的柵格點(diǎn)轉(zhuǎn)換TIN 來(lái)逼近地表真實(shí)連續(xù)表面;然后疊加不同地類(lèi)的矢量多邊形,由矢量與柵格的疊加計(jì)算得到多邊形的表面面積[18-22];最后利用3D 分析計(jì)算多邊形的表面周長(zhǎng),并代入各景觀格局指數(shù)的計(jì)算公式,求得三維景觀格局指數(shù)。

        2 景觀格局變化分析

        2.1 研究區(qū)景觀格局空間分布

        在ENVI5.2 中,本文采用監(jiān)督分類(lèi)的方法,分別對(duì)2008 年、2013 年、2018 年的遙感影像進(jìn)行解譯,分析生成研究區(qū)3 期景觀格局分布專(zhuān)題圖(圖1)。由圖2 可知,2008-2018 年耕地面積減少,林地與建設(shè)用地面積增加,河流與湖泊面積基本與往年持平;研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)以林地、耕地、建設(shè)用地為主,這正符合重慶山城的用地特點(diǎn);隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn),建設(shè)用地增速明顯,耕地面積出現(xiàn)了一定程度的減少,而林地面積卻有所增加,這主要是由于城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快以及國(guó)家對(duì)重慶發(fā)展的支持所致。

        圖1 2008-2018 年研究區(qū)景觀格局空間分布圖

        圖2 2008-2018 年研究區(qū)二維、三維景觀面積變化柱狀圖

        2.2 研究區(qū)景觀格局指數(shù)分析

        2.2.1 景觀類(lèi)型面積與密度指數(shù)

        研究區(qū)景觀類(lèi)型面積(CA)和平均斑塊大小(MPS)的三維值均大于或等于二維值,其中差異較大的地類(lèi)是林地和建設(shè)用地,由于重慶主城區(qū)是典型的山地城市形態(tài),地形復(fù)雜、地勢(shì)起伏較大,因此斑塊表面積較大。由表2 可知,各地類(lèi)的二維表面積與三維表面積在整個(gè)景觀中所占比例會(huì)有一定不同,而在重慶這樣的地形條件下,三維表面積更能準(zhǔn)確反映土地利用結(jié)構(gòu)。

        2008-2018 年研究區(qū)CA 減少最多的地類(lèi)是耕地,增加最多的是林地,CA_2D 顯示耕地減少了64 322.4 hm2,林地增加了48 492.6 hm2,而CA_3D 顯示耕地減少了66 643.1 hm2,林地增加了43 092.8 hm2;同理,CA_2D 顯示建設(shè)用地增加了18 197.7 hm2,湖泊增加了879.9 hm2,河流減少了3 247.8 hm2,而CA_3D 顯示建設(shè)用地增加了26 081.1 hm2,湖泊增加了787.2 hm2,河流減少了3 318.1 hm2,說(shuō)明大部分地類(lèi)CA_2D 顯示的面積均小于CA_3D 顯示的面積,在地形起伏較大的地區(qū),2D 面積容易低估各地類(lèi)的變化。重慶市作為長(zhǎng)江上游的直轄市,近年來(lái)在國(guó)家的大力扶持下,大量人口涌入、經(jīng)濟(jì)發(fā)展,再加上地形結(jié)構(gòu)為典型山地地貌,使得建設(shè)用地增加明顯,而耕地減少。

        研究區(qū)各景觀類(lèi)型MPS 出現(xiàn)了一定程度的減小,其中MPS 最小的是湖泊,其次是河流和建設(shè)用地,再次是耕地和林地,這主要是由重慶湖泊較少且面積較小,而耕地與林地多連片分布所導(dǎo)致的??傮w來(lái)說(shuō),2008-2018 年林地和建設(shè)用地破碎化程度下降,耕地變化程度增加,湖泊與河流變動(dòng)幅度較小,說(shuō)明在城鎮(zhèn)發(fā)展的過(guò)程中,越來(lái)越傾向于集中分布,區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力有一定的提升。

        2.2.2 邊緣與形狀指數(shù)

        由表2、3 可知,邊緣密度(ED)、景觀形狀指數(shù)(LSI)和平均斑塊分維數(shù)(MPFD)的二維與三維值差異不大,主要原因是這些指數(shù)在計(jì)算時(shí)縮小了二維投影面積和周長(zhǎng)與三維表面積和周長(zhǎng)之間的差異。ED 用于表征單位面積上的邊緣長(zhǎng)度,ED 越大,景觀的連通性就越高。2008-2018 年研究區(qū)的景觀類(lèi)型ED 總體呈減少趨勢(shì),二維值大于三維值,表明景觀類(lèi)型邊界復(fù)雜度降低,三維景觀斑塊邊界的復(fù)雜程度比二維低。2008-2018 年LSI 總體上呈下降趨勢(shì),二維值高于三維值,表明斑塊形狀和邊界復(fù)雜度下降,規(guī)劃越來(lái)越合理。2008-2018 年MPFD 差異不大,均接近于1,表明景觀受人類(lèi)干擾程度較大。綜上所述,近年來(lái)研究區(qū)受規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)、政策等的影響,景觀整體表現(xiàn)得越來(lái)越簡(jiǎn)單合理,受人為活動(dòng)干擾也更加明顯。

        2.2.3 景觀多樣性指數(shù)

        基于二維計(jì)算的香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)和香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)差異極小,二維和三維的聚集度(CONT)完全相同,這主要是由于二者的計(jì)算是基于景觀中各地類(lèi)面積在整個(gè)景觀中所占比例的(表3)。整體上二維SHDI 和SHEI 呈減少趨勢(shì),景觀異質(zhì)性降低;而三維SHDI 和SHEI 呈增加趨勢(shì),因此結(jié)合實(shí)際二維指數(shù)更能反映現(xiàn)實(shí)情況。

        表2 2008-2018 年景觀尺度的二維、三維景觀格局指數(shù)

        表3 2008-2018年斑塊類(lèi)型尺度的二維、三維景觀格局指數(shù)

        3 結(jié) 語(yǔ)

        本文以2008-2018 年的土地利用分類(lèi)3 期數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用RS、GIS 等相關(guān)技術(shù)手段,采用DEM 轉(zhuǎn)換TIN 的方式來(lái)計(jì)算各地類(lèi)的表面積與周長(zhǎng),對(duì)二維景觀格局指數(shù)進(jìn)行了修正;并對(duì)比了二維與三維景觀格局指數(shù)在重慶主城區(qū)這種地形條件下的差異,為今后重慶主城區(qū)的景觀格局分析提供了借鑒。

        1)近10 a 間,重慶主城區(qū)的土地利用面積發(fā)生了一定程度的變化,林地與建設(shè)用地面積增加,耕地減少,主要是由于近年來(lái)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,旅游和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,使得耕地面積減少較快。

        2)隨著人為干預(yù)的不斷加大,城鎮(zhèn)規(guī)劃更合理,景觀斑塊的破碎度下降,異質(zhì)性降低,各地類(lèi)越來(lái)越連片分布。

        3)通過(guò)對(duì)比二維景觀格局指數(shù)與三維景觀格局指數(shù)發(fā)現(xiàn),加入地形結(jié)構(gòu)的三維景觀格局指數(shù)更能真實(shí)反映實(shí)際情況,但三維的形狀與多樣性指數(shù)變化不明顯。

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