松花江流域(哈爾濱段)景觀格局粒度效應(yīng)

張利平,曲建光

(黑龍江工程學(xué)院 測(cè)繪工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

研究景觀格局變化是探討生態(tài)狀況、空間變異規(guī)律以及與生態(tài)過(guò)程相關(guān)的區(qū)域資源環(huán)境問(wèn)題的重要途徑[1-2]。而進(jìn)行景觀格局變化研究前必須進(jìn)行尺度推繹，尺度的選擇直接關(guān)系到研究區(qū)域土地利用景觀特征研究的可靠性[3]。尺度多以粒度和幅度來(lái)描述[4]，空間粒度指最小可辨識(shí)單元所代表的特征長(zhǎng)度、面積或體積[5]。本研究中景觀格局粒度效應(yīng)即代表景觀格局特征的景觀指數(shù)隨著空間粒度大小的變化而產(chǎn)生的變化[6]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)景觀格局指數(shù)粒度效應(yīng)已有較多研究[5-11],但多是基于一期研究數(shù)據(jù)，當(dāng)景觀格局動(dòng)態(tài)變化研究時(shí)，需要確定長(zhǎng)時(shí)間序列下多期景觀格局分析的適宜尺度。而且已有研究表明：不同的研究區(qū)景觀格局及社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性( 空間異質(zhì)性) 、數(shù)據(jù)源、圖形比例尺等因素下，景觀格局粒度效應(yīng)有所不同[12]，其它研究區(qū)域的景觀格局尺度效應(yīng)并不適合本研究區(qū)域，在進(jìn)行本研究區(qū)域景觀格局時(shí)空變化分析前，有必要進(jìn)行景觀格局力度效應(yīng)研究，進(jìn)行最佳尺度的確定。

松花江流域(哈爾濱段)土地肥沃、地域遼闊,是重要的糧食生產(chǎn)基地。盡管區(qū)域開發(fā)較晚，人口少，但隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速的發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題已日益突出:近20年，流域內(nèi)草地減少，鹽堿地增加，自然植被用地轉(zhuǎn)化頻繁，土地利用結(jié)構(gòu)趨于不穩(wěn)定狀態(tài)[13]，不合理的土地利用方式必然導(dǎo)致不合理的景觀格局分布的改變。目前，松花江流域(哈爾濱段)的土地利用與景觀格局動(dòng)態(tài)變化特征對(duì)粒度變化的效應(yīng)仍不清楚，揭示流域土地利用格局動(dòng)態(tài)變化的粒度效應(yīng)將為區(qū)域景觀格局、生態(tài)服務(wù)價(jià)值、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等景觀生態(tài)研究熱點(diǎn)問(wèn)題提供重要的基礎(chǔ)。

鑒于此，本文以松花江流域(哈爾濱段)為研究對(duì)象，基于近20年三期遙感影像，從類型和景觀兩個(gè)水平選取多個(gè)景觀格局指數(shù)，通過(guò)比較分析景觀指數(shù)隨空間粒度變粗、時(shí)間推移的變化響應(yīng)差異，綜合指數(shù)-粒度擬合曲線拐點(diǎn)識(shí)別和柵格化信息損失評(píng)價(jià)方法，確定本研究區(qū)域景觀格局分析的最適宜空間粒度，為統(tǒng)一生態(tài)服務(wù)價(jià)值評(píng)估、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)尺度，實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)保護(hù)、景觀調(diào)整等提供參考和依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況及研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

松花江流域是我國(guó)一級(jí)流域,其中哈爾濱段位于黑龍江省中南部，地處E125°40′17″～E129°33′2″, N45°12′6″～N49°40′18″，屬北溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，大陸性氣候特點(diǎn)明顯，多年平均降水量一般在500 mm左右，汛期6～9月的降水量占全年的60%～80%，冬季12～2月的降水量?jī)H為全年的5%左右。總面積5.31萬(wàn)km2，包括主城區(qū)(南崗區(qū)、雙城區(qū)、呼蘭區(qū)、平房區(qū)、松北區(qū)、道外區(qū)、道里區(qū)、阿城區(qū)、香坊區(qū)9個(gè)轄區(qū))和依蘭縣、賓縣、巴彥縣、方正縣、木蘭縣、通河縣6個(gè)縣，具體位置見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)域位置

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

從地理空間數(shù)據(jù)云(www.gscloud.cn)下載松花江流域(哈爾濱段)1995年、2005年和2015年三期Landsat TM/ETM+遙感影像為遙感數(shù)據(jù)源,軌道號(hào)為116/28、117/28、117/29、118/28、118/29 ,影像拍攝時(shí)間為6月份、8月份和9月份,含云量控制在5%內(nèi),非遙感數(shù)據(jù)包括行政區(qū)劃圖、土地利用現(xiàn)狀圖、野外調(diào)查數(shù)據(jù)、哈爾濱年鑒統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。根據(jù)國(guó)家一級(jí)土地利用分類標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合松花江流域(哈爾濱段)主要土地利用方式,將研究區(qū)的景觀劃分為建設(shè)用地、水域、林地、草地、耕地和未利用地6 種景觀類型。以ENVI 5.3軟件為平臺(tái),對(duì)研究區(qū)域三期影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正、鑲嵌裁剪等數(shù)據(jù)處理工作,根據(jù)野外考察及相關(guān)資料,利用最大似然法進(jìn)行監(jiān)督分類,獲得松花江流域(哈爾濱段)三期景觀類型分布圖(見(jiàn)圖2),三期影像的總體分類精度分別為87.06%、86.17%和88.76%。

圖2 景觀類型分布圖

1.3 研究方法

1.3.1 粒度推繹

粒度推繹包括上推和下推，其中較為常用的是粒度上推，即通過(guò)放大柵格尺寸、降低景觀格局的空間分辨率進(jìn)行研究成果的“粗粒化”[14]。粒度上推改變斑塊邊界、融合斑塊，從而改變?cè)械木坝^格局，致使描述景觀格局的指數(shù)也隨之發(fā)生變化[15]。本研究借助ArcGIS10.3平臺(tái)空間分析工具以 30 m 為起點(diǎn)，600 m 為終點(diǎn)，30 m 為步長(zhǎng)，對(duì)松花江流域(哈爾濱段)1995、2005和2015年3個(gè)時(shí)期的景觀類型數(shù)據(jù)通過(guò)最近鄰元重采樣，得到60個(gè)不同粒度大小的景觀類型柵格文件。

1.3.2 景觀格局指數(shù)的選取與數(shù)據(jù)分析

針對(duì)景觀的面積、密度、形狀、聚散性、分布狀態(tài)和多樣性等分別從斑塊類型水平和景觀水平上選擇獨(dú)立性強(qiáng)、生態(tài)學(xué)意義明顯的景觀指數(shù)。具體包括8個(gè)斑塊類型水平景觀格局指數(shù)： NP、AREA、PD、ED、LSI、SHAPE、FRAC、AI；13個(gè)景觀水平景觀格局指數(shù)： NP、LPI、AREA、PD、ED、LSI、SHAPE、FRAC、CONTAG、AI、PR、SHDI、SHEI。通過(guò)景觀指數(shù)計(jì)算軟件Fragstats4.2進(jìn)行各指數(shù)的計(jì)算，各指數(shù)生態(tài)學(xué)意義及計(jì)算公式參見(jiàn)Fragstats4.2軟件使用說(shuō)明。

1.3.3 景觀指數(shù)-粒度函數(shù)擬合及變異特征計(jì)算

對(duì)不同粒度下3期指數(shù)求平均值，在SPSS中以粒度為自變量，3期指數(shù)平均值為因變量構(gòu)建擬合函數(shù)，并利用 R2檢驗(yàn)其相關(guān)性。在SPSS中計(jì)算不同粒度下景觀指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)，通過(guò)變異系數(shù)(CV)，即標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)之比，來(lái)判定各景觀指數(shù)對(duì)空間粒度變化的敏感程度，判定依據(jù)見(jiàn)表1[16-17]。

表1 景觀指數(shù)對(duì)空間粒度變化的敏感程度判定依據(jù)

1.3.4 尺度效應(yīng)分析與最佳粒度選取

在Excel中，以粒度為橫軸，不同粒度下景觀指數(shù)為縱軸繪制景觀指數(shù)-粒度折線，根據(jù)折線形狀分析景觀指數(shù)粒度效應(yīng)。并利用曲線拐點(diǎn)法和景觀面積信息損失評(píng)價(jià)方法，確定最佳的景觀格局分析粒度，面積信息損失評(píng)價(jià)模型[18]。

Lik=(Aij-Ai before)/Ai before，

(1)

(2)

式中：Aij表示i類景觀在第k種粒度下的面積;Aibefore表示i類型景觀在原始粒度(30 m)下的面積，Lik表示i類景觀在第k種粒度下的面積損失的相對(duì)值;n表示景觀類型數(shù)目；Skloss在第k種粒度下面積信息損失值。

2 結(jié)果與分析

2.1 松花江流域(哈爾濱段)斑塊類型水平景觀格局指數(shù)隨粒度的變化特征

斑塊類型水平景觀指數(shù)隨空間粒度增大呈現(xiàn)出一定的變化趨勢(shì)(見(jiàn)圖3、圖4)，其中NP，PD，ED和LSI隨空間粒度增加單調(diào)下降，尤其在30～150 m粒度范圍內(nèi)，下降速度非常快，在150 m處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。AREA隨空間粒度增加整體上升，只有耕地景觀2015年在480～510 m和林地景觀1995年在510～540 m出現(xiàn)局部波動(dòng)現(xiàn)象。FRAC在粒度30～120 m范圍內(nèi)逐漸減小，且速度較快，大于120 m后整體仍在減小，但速度非常緩慢，且不斷出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象。SHAPE在整個(gè)粒度變化區(qū)間變化幅度較小，但波動(dòng)現(xiàn)象較頻繁。不同景觀AI隨空間粒度變化趨勢(shì)差異較大，草地和未利用地AI在粒度30～90 m范圍內(nèi)，減小速度非?？欤笥?0 m后，減小速度緩慢，其中未利用地AI在2015年出現(xiàn)明顯波動(dòng)現(xiàn)象，耕地林地AI在整個(gè)粒度變化區(qū)間呈現(xiàn)出不明顯的減小趨勢(shì)，建設(shè)用地和水域AI在整個(gè)粒度變化區(qū)間逐漸減小，但未出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

圖3 生態(tài)用地景觀的景觀指數(shù)隨粒度變化

圖4 非生態(tài)用地景觀的景觀指數(shù)隨粒度變化

2.2 松花江流域(哈爾濱段)景觀水平景觀格局指數(shù)隨粒度的變化特征

景觀水平上景觀指數(shù)隨空間粒度增大呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)(見(jiàn)圖5)，其中NP，PD，ED， LSI和FRAC隨空間粒度增加單調(diào)下降，NP，PD，ED和LSI在30～150 m粒度范圍內(nèi)，下降速度非?？欤?50 m粒度處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)；FRAC在30～90 m粒度范圍內(nèi)，下降速度非?？?，在90 m粒度處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。AREA隨空間粒度增加逐漸變大。SHAPE在30～150 m粒度范圍內(nèi)有所減小，但變化幅度不大，大于150 m粒度后變化幅度非常小，出現(xiàn)極小幅度波動(dòng)現(xiàn)象。CONTAG和AI在30～90 m粒度范圍內(nèi)有所減小，變化幅度不大，大于90 m粒度后趨于平穩(wěn)。SHDI和SHEI受粒度影響非常小，曲線趨于水平直線。PR不受粒度影響。LPI在30～150 m粒度范圍和大于390粒度范圍受粒度影響變化很小，但在150～390 m粒度范圍受粒度影響波動(dòng)很大，未呈現(xiàn)規(guī)律變化。

圖5 景觀水平指數(shù)隨粒度變化

2.3 景觀格局指數(shù)隨粒度變化的擬合函數(shù)

由圖4、5可以看出，斑塊類型水平和景觀水平的同名景觀格局指數(shù)隨粒度變化具有相似的景觀指數(shù)-粒度折線圖，所選取的景觀水平指數(shù)中包含了同名的斑塊類型水平指數(shù)，限于篇幅，本文中未將斑塊類型水平指數(shù)的擬和PD合函數(shù)列出，只列出了景觀水平指數(shù)擬合函數(shù)及各函數(shù)擬合度R2(見(jiàn)表2)。

表2 景觀格局指數(shù)隨粒度變化擬合函數(shù)

NP隨粒度的增加呈三次多項(xiàng)式下降，有明顯的拐點(diǎn)，隨后變化較平穩(wěn)，說(shuō)明流域各多數(shù)景觀斑塊小于拐點(diǎn)粒度。ED，LSI，SHAPE和FRA隨粒度的增加呈三次多項(xiàng)式下降，存在不明顯的拐點(diǎn)，說(shuō)明小面積景觀斑塊形狀相對(duì)復(fù)雜，隨著粒度增大，斑塊形狀變得簡(jiǎn)單。CONTAG和AI隨粒度增加呈冪函數(shù)下降，且無(wú)明顯拐點(diǎn)，表明盡管粒度增加可改變松花江流域(哈爾濱段)景觀斑塊的形狀，融合小斑塊，降低不同景觀類型的聚集程度，但卻不會(huì)使其發(fā)生急劇的變化，這與以往研究區(qū)域結(jié)果類似[17]。PR主要取決于景觀類型個(gè)數(shù)，在30～600 m粒度范圍內(nèi)，研究區(qū)域未發(fā)生某種景觀消失現(xiàn)象，因此，PR在30～600 m粒度范圍內(nèi)不受粒度大小影響。SHDI反映了景觀內(nèi)斑塊類型的豐富度和斑塊類型的相對(duì)分布，SHEI主要指景觀中各斑塊在面積分布上的均勻程度[19]。在30～600 m粒度范圍內(nèi)，松花江流域(哈爾濱段)的 SHEI 與 SHDI 均呈小幅波動(dòng)的復(fù)雜變化，無(wú)粒度效應(yīng)，說(shuō)明松花江流域(哈爾濱段)不同景觀類型在整個(gè)景觀中所占的比例不受粒度大小影響。SHEI與SHDI隨粒度變化呈現(xiàn)出的波動(dòng)相似，這與以往的研究結(jié)論相同[17,20]。

2.4 景觀格局指數(shù)對(duì)粒度變化的敏感程度分析

斑塊類型水平上，1995—2015年研究區(qū)域各景觀格局指數(shù)的敏感性差異較大(見(jiàn)表3)，表明不同景觀格局指數(shù)受粒度變化的影響不同?？傮w上，NP和PD對(duì)粒度響應(yīng)最敏感，隨著粒度增大，NP和PD快速減小；AREA對(duì)粒度響應(yīng)高敏感，隨粒度增加，大面積斑塊增加，小面積斑塊被融合；FRAC對(duì)粒度響應(yīng)不敏感，粒度由30～150 m增加時(shí)，F(xiàn)RAC略有減小，粒度繼續(xù)增大時(shí)，F(xiàn)RAC數(shù)值基本維持不變；SHAPE對(duì)粒度響應(yīng)低敏感，隨著粒度增大，SHAPE總體略有減小，局部出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象。ED、AI、LSI三個(gè)指數(shù)受粒度的影響因景觀不同而異，但主要處于低敏感、中敏感和高度敏感范圍。草地、未利用地景觀ED對(duì)粒度響應(yīng)高敏感，原因?yàn)檫@兩種景觀斑塊面積小，隨著粒度增大，易被其他景觀融合，ED迅速變??；建設(shè)用地、耕地、林地景觀ED對(duì)粒度變化隨著年份的變化有所不同。耕地、林地AI對(duì)粒度響應(yīng)低敏感，這兩種景觀面積大，是研究區(qū)域優(yōu)勢(shì)景觀，斑塊面積大，聚集度高，粒度的增加不會(huì)對(duì)斑塊聚集度產(chǎn)生較大影響。未利用地、草地AI對(duì)粒度響應(yīng)高敏感，這兩種景觀斑塊面積小，整體在區(qū)域分布面積也小，呈零散分布，粒度的增加會(huì)使這些小斑塊逐漸被其他景觀融合，聚集度逐漸降低；建設(shè)用地、水域AI對(duì)粒度響應(yīng)中等敏感，原因?yàn)檫@兩種景觀雖然面積分布不大，但建設(shè)用地景觀比較集中分布，水域景觀成條帶狀連續(xù)分布。未利用地、草地LSI對(duì)粒度響應(yīng)高敏感，隨著粒度增加，景觀斑塊迅速減小，形狀趨于簡(jiǎn)單；其他景觀LSI對(duì)粒度響應(yīng)中等敏感，隨著粒度增加，形狀逐漸變得簡(jiǎn)單。

表3 不同景觀類型格局指數(shù)對(duì)粒度響應(yīng)的變異系數(shù)

景觀水平上，1995—2015年研究區(qū)域各景觀格局指數(shù)的敏感性(見(jiàn)表4)中，ED和LSI在1995年對(duì)粒度響應(yīng)的敏感性為高敏感，2005年和2015年都為中等敏感。其他指數(shù)對(duì)粒度響應(yīng)的敏感性等級(jí)并未隨著時(shí)間變化而改變。其中，NP和PD對(duì)粒度響應(yīng)最敏感，AREA對(duì)粒度響應(yīng)高度敏感，LPI對(duì)粒度響應(yīng)中等敏感，SHAPE，CONTAG和AI對(duì)粒度響應(yīng)低敏感，F(xiàn)RAC，SHDI和SHEI對(duì)粒度響應(yīng)不敏感。

表4 景觀水平的景觀格局指數(shù)對(duì)粒度響應(yīng)的變異系數(shù)

2.5 最佳分析粒度的選取

隨著粒度的增加，各景觀格局指數(shù)值出現(xiàn)了不同尺度的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。斑塊類型水平上，NP，PD，ED和LSI在粒度150 m處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，F(xiàn)RAC在粒度120 m處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，草地和未利用地AI在粒度90 m處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。景觀水平上NP，PD，ED，LSI和SHAPE在150 m粒度處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，F(xiàn)RAC，CONTAG和AI在90 m粒度處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，LPI在150 m粒度和390 m粒度各出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。結(jié)合拐點(diǎn)分布情況，選定150 m為適宜尺度。

計(jì)算三期不同粒度下面積信息損失(見(jiàn)圖6)，1995年和2005年，面積信息受粒度影響損失較小，2015年，不同粒度下景觀面積信息損失差異較大?？傮w來(lái)看，當(dāng)粒度為30 m，150 m和240 m時(shí)，土地面積精度損失指數(shù)較小。

圖6 面積信息損失粒度變化圖

綜合指數(shù)-粒度擬合曲線拐點(diǎn)識(shí)別和柵格化面積信息損失評(píng)價(jià)方法的結(jié)果表明： 150 m為研究區(qū)景觀格局的適宜分析粒度，既能保證景觀描述精確度，又能降低冗余數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論與討論

不同的景觀指數(shù)隨粒度變化趨勢(shì)不同。斑塊類型水平上：NP，PD，ED和LSI隨空間粒度增加單調(diào)下降， AREA隨空間粒度增加整體上升，只有耕地景觀2015年在480～510 m和林地景觀1995年在510～540 m出現(xiàn)局部波動(dòng)現(xiàn)象；FRACI隨空間粒度增加單調(diào)下降，在粒度30～120 m范圍速度較快，大于120 m后速度非常緩慢；SHAPE隨粒度變化幅度較小，但波動(dòng)現(xiàn)象頻繁；不同景觀AI隨空間粒度變化趨勢(shì)差異較大。景觀水平上：NP，PD，ED， LSI和FRAC隨空間粒度增加單調(diào)下降，NP，PD，ED和LSI在30～150 m粒度范圍內(nèi)，下降速度非常快，在150 m粒度處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)；FRAC在30～90 m粒度范圍內(nèi)，下降速度非?？?，在90 m粒度處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。AREA隨空間粒度增加逐漸變大。SHAPE在30～150 m粒度范圍內(nèi)有所減小，但變化幅度不大，大于150 m粒度后變化幅度非常小，出現(xiàn)極小幅度波動(dòng)現(xiàn)象。CONTAG和AI在30～90 m粒度范圍內(nèi)有所減小，變化幅度不大，大于90 m粒度后趨于平穩(wěn)。SHDI和SHEI受粒度影響非常小。PR不受粒度影響。LPI在30～150 m和大于390m粒度范圍受粒度影響很小，在150～390 m粒度范圍未呈現(xiàn)規(guī)律變化。

不同指數(shù)隨粒度變化擬合函數(shù)不同。NP隨粒度的增加呈三次多項(xiàng)式下降，有明顯的拐點(diǎn)，隨后變化較平穩(wěn)。ED，LSI，SHAPE和FRA隨粒度的增加呈三次多項(xiàng)式下降，存在不明顯的拐點(diǎn)。CONTAG和AI隨粒度增加呈冪函數(shù)下降，且無(wú)明顯拐點(diǎn)。PR在30～600 m粒度范圍內(nèi)不受粒度大小影響。SHEI 與 SHDI 均呈小幅波動(dòng)的復(fù)雜變化，無(wú)粒度效應(yīng)。

各景觀格局指數(shù)的敏感性差異較大。斑塊類型水平上：NP和PD對(duì)粒度響應(yīng)最敏感；AREA對(duì)粒度響應(yīng)高敏感；FRAC對(duì)粒度響應(yīng)不敏感；SHAPE對(duì)粒度響應(yīng)低敏感；ED，AI，LSI三個(gè)指數(shù)受粒度的影響因景觀不同而異，但主要處于低敏感、中敏感和高度敏感范圍。景觀水平上：ED和LSI在1995年對(duì)粒度響應(yīng)的敏感性為高敏感，2005年和2015年都為中等敏感；NP和PD對(duì)粒度響應(yīng)最敏感；AREA對(duì)粒度響應(yīng)高度敏感；LPI對(duì)粒度響應(yīng)中等敏感；SHAPE，CONTAG和AI對(duì)粒度響應(yīng)低敏感；FRAC，SHDI和SHEI對(duì)粒度響應(yīng)不敏感。

綜合指數(shù)-粒度擬合曲線拐點(diǎn)識(shí)別和柵格化面積信息損失評(píng)價(jià)方法的結(jié)果表明： 150m為研究區(qū)景觀格局的適宜分析粒度，既能保證景觀描述精確度，又能降低冗余數(shù)據(jù)。

本研究討論了松花江流域(哈爾濱段)部分斑塊類型水平和景觀水平景觀指數(shù)在30～600 m粒度范圍的響應(yīng)，當(dāng)相鄰粒度大小發(fā)生變化，或者粒度范圍進(jìn)一步加大，所產(chǎn)生的效應(yīng)會(huì)有所變化。