劉國棟，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)用于土地利用時空變化分析[1]。目前的研究大多利用RS 和GIS 技術(shù)對二維空間遙感影像開展土地利用變化分析，但現(xiàn)實的物質(zhì)多以三維體的形式呈現(xiàn)，而三維降維成二維后，許多斑塊信息都會失真。因此，在重慶這種典型的山地丘陵城市，對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，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，利用三維分析來還原真實地形結(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展了土地利用景觀格局時空演變分析[1-2]?；诖耍疚睦脭?shù)字高程模型（DEM）轉(zhuǎn)換不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）的方式對垂直地形結(jié)構(gòu)的重慶主城區(qū)進行三維定量分析，并對二維平面獲取的土地利用斑塊面積和斑塊周長進行修正[3]；通過比較研究區(qū)的二維景觀格局指數(shù)與三維景觀格局指數(shù)的差異，來證實重慶主城區(qū)的景觀格局受地形影響較大，引入地形進行研究更能準(zhǔn)確反映實際情況的結(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型[4-5]。城市擴張在垂直方向上表現(xiàn)出強烈立體感[6]。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本文通過地理空間數(shù)據(jù)云平臺獲取遙感影像，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 軟件對遙感影像進行融合與波段合成，選擇標(biāo)準(zhǔn)假彩色顯示影像；然后對研究區(qū)的4 幅影像進行鑲嵌拼接，利用非監(jiān)督分類中的最大似然法對遙感影像進行解譯；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 種類型，得到3 期的土地利用分類數(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單定量指標(biāo)，便于研究景觀格局的特征[7]。參照前人對指標(biāo)選取的經(jīng)驗，本文選取景觀尺度和斑塊類型尺度兩種指數(shù)類型，分別計算二維和三維值[8-17]。其中，景觀尺度包括景觀類型面積、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)計算方法

二維景觀格局指數(shù)的計算通過Fragstats4.2 軟件完成。三維景觀格局指數(shù)的計算還沒有完備的軟件支持，因此本文首先利用ArcGIS10.5 軟件計算得到地表面積和周長；再利用DEM 上離散且相互連接的柵格點轉(zhuǎn)換TIN 來逼近地表真實連續(xù)表面；然后疊加不同地類的矢量多邊形，由矢量與柵格的疊加計算得到多邊形的表面面積[18-22]；最后利用3D 分析計算多邊形的表面周長，并代入各景觀格局指數(shù)的計算公式，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)督分類的方法，分別對2008 年、2013 年、2018 年的遙感影像進行解譯，分析生成研究區(qū)3 期景觀格局分布專題圖（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；隨著城鎮(zhèn)化的推進，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)化進程的加快以及國家對重慶發(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 景觀類型面積與密度指數(shù)

研究區(qū)景觀類型面積（CA）和平均斑塊大?。∕PS）的三維值均大于或等于二維值，其中差異較大的地類是林地和建設(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、地勢起伏較大，因此斑塊表面積較大。由表2 可知，各地類的二維表面積與三維表面積在整個景觀中所占比例會有一定不同，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，說明大部分地類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的變化。重慶市作為長江上游的直轄市，近年來在國家的大力扶持下，大量人口涌入、經(jīng)濟發(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來說，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，湖泊與河流變動幅度較小，說明在城鎮(zhèn)發(fā)展的過程中，越來越傾向于集中分布，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)在計算時縮小了二維投影面積和周長與三維表面積和周長之間的差異。ED 用于表征單位面積上的邊緣長度，ED 越大，景觀的連通性就越高。2008-2018 年研究區(qū)的景觀類型ED 總體呈減少趨勢，二維值大于三維值，表明景觀類型邊界復(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，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)劃越來越合理。2008-2018 年MPFD 差異不大，均接近于1，表明景觀受人類干擾程度較大。綜上所述，近年來研究區(qū)受規(guī)劃、經(jīng)濟、政策等的影響，景觀整體表現(xiàn)得越來越簡單合理，受人為活動干擾也更加明顯。

2.2.3 景觀多樣性指數(shù)

基于二維計算的香農(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算是基于景觀中各地類面積在整個景觀中所占比例的（表3）。整體上二維SHDI 和SHEI 呈減少趨勢，景觀異質(zhì)性降低；而三維SHDI 和SHEI 呈增加趨勢，因此結(jié)合實際二維指數(shù)更能反映現(xiàn)實情況。

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年斑塊類型尺度的二維、三維景觀格局指數(shù)

3 結(jié) 語

本文以2008-2018 年的土地利用分類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 的方式來計算各地類的表面積與周長，對二維景觀格局指數(shù)進行了修正；并對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，主要是由于近年來城鎮(zhèn)化進程的加快，旅游和經(jīng)濟的發(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，各地類越來越連片分布。

3）通過對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)更能真實反映實際情況，但三維的形狀與多樣性指數(shù)變化不明顯。