TM影像目視解譯顯示尺度的選擇及尺度效應分析
——以內陸河流域綠洲－荒漠過渡帶為例

李秀梅

（中國林業科學研究院荒漠化研究所，國家林業局林木培育重點實驗室，北京100091）

TM影像目視解譯顯示尺度的選擇及尺度效應分析
——以內陸河流域綠洲－荒漠過渡帶為例

李秀梅

（中國林業科學研究院荒漠化研究所，國家林業局林木培育重點實驗室，北京100091）

選擇干旱區對目視解譯顯示尺度敏感的綠洲—荒漠過渡帶的TM影像，應用格局指數法和轉移矩陣法，從受顯示尺度影響明顯的面積和斑塊形狀特征兩方面進行尺度效應分析。將顯示尺度劃分為3個尺度區間：≥1∶7.5萬，數據精確，信息豐富；1∶7.5萬～1∶12.5萬，尺度效應明顯，細節信息大量丟失；≤1∶12.5萬，細節信息較少，而形狀復雜、面積較大的斑塊出現尺度效應。研究結果表明，1∶7.5萬是研究綠洲—荒漠過渡帶景觀的最小適宜尺度。

TM影像；目視解譯；尺度效應；綠洲—荒漠過渡帶

尺度問題貫穿于景觀生態學研究始末［1］，選取不同的觀測和分析尺度將檢測到不同的現象，此即尺度效應［1－4］。景觀生態學者通過尺度效應分析，確定適宜的觀察、分析和模擬尺度［5－7］。因數據精度產生的尺度效應是尺度問題研究的首要內容［8］。目前基于3S技術的景觀生態學研究，通常采用目視解譯并依據轉換誤差最小原則柵格化矢量數據，以保障數據精度［9－11］，但解譯中顯示尺度（比例尺）越小，帶狀、面積小和邊界曲折的景觀要素類型損失越嚴重，同樣影響數據精度［12，13］。TM影像是景觀生態學研究的主要數據來源，解譯中顯示尺度一般固定在1∶10萬，其是否存在尺度閾值尚未受到足夠重視。內陸河流域綠洲—荒漠交錯帶是景觀生態學研究的重點地區，也是內陸河流域景觀變化的主要區域［14，15］，該區景觀要素類型多、面積小、形狀復雜、斑塊呈指狀交錯分布，對顯示尺度敏感。因此，本文通過分析內陸河流域綠洲—荒漠交錯帶TM影像對目視解譯顯示尺度的響應，確定最佳解譯顯示尺度，為內陸河流域TM影像目視解譯最小顯示尺度的選擇提供參考。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于黑河流域民樂縣綠洲邊緣，中心區地理坐標為38°24′N、100°51′E，西部和北部為民樂綠洲，東部為山丹綠洲。該區地面坡度3°～6°，海拔2 300 m，降水量100～223 mm，年均氣溫4～7℃。土壤主要為棕漠土，植被具有典型荒漠化草原植被特點，由中溫型、寒溫型的旱生叢生禾草、旱生灌木組成。

1.2 材料與方法

選取2006年8月民樂縣綠洲—荒漠過渡帶面積約1.5萬hm2的TM影像，并進行投影、校正等預處理。結合2008年調查資料和影像特征將該區劃分為高蓋度草地、中蓋度草地、低蓋度草地、水庫、灘地、居民地、丘陵旱地和平原旱地8個景觀要素類型，在ARCVIEW軟件中于1∶5萬、1∶7.5萬、1∶10萬、1∶12.5萬和1∶15萬顯示尺度下目視解譯形成一系列景觀要素類型（圖1）。

不同面積的斑塊可識別性不同，生態學價值也不同［6，16，17］；不同形狀斑塊的邊界可判性不同，對能流物流影響也不同［18］，面積小形狀復雜的斑塊，目視解譯難度最大。所以將研究區斑塊分為小斑塊（＜20 hm2）、中斑塊（20～50 hm2）、大斑塊（50～200 hm2）和巨斑塊（≥200 hm2）4個等級，并依據形狀指數將斑塊劃分為圓形（＜1.5）、近圓形（1.5～2）、近長形（2～3）、長形（≥3）4個亞類，形成以面積和形狀為標志的斑塊類型劃分體系（表1）。

隨著顯示尺度減小，小型斑塊發生融合與誤判，斑塊邊界變平直且位置準確性降低，引起斑塊數量、面積、形狀和周長的變化，因此把反映這些特征的指標作為尺度效應分析的途徑，來反映目視解譯中的信息損失和誤判。應用景觀指數法，選取斑塊數量NP（個）、斑塊面積TA（hm2）、邊界密度ED（km／hm2）、平均斑塊面積APA（hm2）和平均斑塊形狀指數MSI（景觀水平選擇斑塊形狀指數LSI）5個指數，反映斑塊數量、形狀、邊界長度等的尺度效應；應用轉移矩陣法，通過景觀要素類型間的面積轉移綜合反映解譯精度。景觀指數和轉移矩陣在ArcGIS的Summary和Spatial analysis中完成。

圖1 不同顯示尺度的景觀要素類型Fig.1 Landscape elements of different displaying scales

表1 斑塊類型劃分體系Table 1 The patch type system

2 斑塊等級水平尺度效應分析

2.1 基于面積的一級類型斑塊尺度效應分析

圖2 不同面積的一級斑塊類型水平尺度效應曲線Fig.2 Scale effect curves of first class level based on patch area

不同面積等級斑塊對顯示尺度敏感性和響應方式不同（圖2）。隨著顯示尺度減小，斑塊數量減少，面積等級越低的斑塊類型消失（被融合）得越多；斑塊融合導致平均斑塊面積增加和斑塊形狀簡單化；面積等級越高的斑塊類型融合周圍小斑塊的能力越強，其邊界密度、平均斑塊形狀指數、平均斑塊面積和斑塊類型面積變幅越大。在斑塊融合過程中，當斑塊面積超過臨界值則轉為更大面積的等級斑塊，表現在尺度效應曲線上，小斑塊呈線性變化，其它呈波動變化。因此，可以從景觀指數的變幅和波動特征分析尺度效應的表現。

小斑塊尺度效應最明顯，景觀指數在1∶7.5萬～1∶12.5萬尺度間變化最快，斑塊數量和邊界密度成倍減少，斑塊形狀趨于簡化；大于1∶7.5萬和小于1∶12.5萬景觀指數變化較慢。中斑塊尺度效應曲線總體下降，是轉變為大斑塊的結果；1∶10萬～1∶12.5萬尺度間景觀指數略上升，說明1∶10萬和1∶12.5萬處出現轉折。大斑塊尺度響應最復雜，景觀指數波動較大，在1∶7.5萬～1∶12.5萬尺度間波動最大，表現為斑塊快速損失（轉變為巨斑塊），尺度效應最強烈；1∶10萬處的捌點最明顯。巨斑塊在1∶7.5萬～1∶10萬尺度間（邊界密度介于1∶7.5萬～1∶12.5萬）景觀指數變化幅度最大，尺度效應強烈。可見1∶7.5萬與1∶12.5萬分別是一級斑塊尺度效應強烈的上限和下限，其間小斑塊融合及尺度效應曲線波動明顯。據此可將顯示尺度分為≥1∶7.5萬、1∶7.5萬～1∶12.5萬和≤1∶12.5萬3個區間。

2.2 基于形狀的二級類型斑塊尺度效應分析

不同形狀斑塊的景觀指數變化幅度、變化趨勢均不同，有些斑塊隨顯示尺度增大（或減小）而消失，大型斑塊和小型斑塊變化情況不同（圖3）。從景觀指數的變化幅度看，不出現斷點的尺度效應曲線，長形和近長形的巨斑塊及近長形的大斑塊在1∶12.5萬～1∶15萬尺度間變化幅度最大，近圓形小斑塊在1∶7.5萬～1∶10萬尺度間變化幅度最大，圓形中斑塊在1∶7.5萬～1∶12.5萬尺度間變化幅度最大，說明形狀簡單、面積小的斑塊在1∶7.5萬～1∶10萬間尺度效應明顯，形狀復雜、面積大的斑塊在＜1∶12.5萬時尺度效應明顯，各類斑塊在1∶5萬～1∶7.5萬間尺度效應均較穩定。

圖3 不同形狀的二級斑塊類型水平尺度效應曲線Fig.3 Scale effect curves of second class level based on patch shape

從景觀指數的變化過程看，斑塊數量、斑塊面積和邊界密度均波動較明顯。近長形小斑塊和近圓形中斑塊在1∶7.5萬～1∶10萬尺度間、近圓形大斑塊和圓形小斑塊在1∶10萬～1∶12.5萬尺度間以及圓形中斑塊在1∶12.5萬～1∶15萬尺度間的景觀指數均與1∶5萬～1∶7.5萬尺度間整體的變化趨勢相反，因此，除了圓形中斑塊，1∶7.5萬～1∶12.5萬尺度間其它斑塊類型沒有明確的景觀指數變化趨勢。

隨著顯示尺度減小，面積小的偏長形斑塊減少并消失，面積大的偏圓形斑塊開始出現并增多，景觀指數出現不連續現象。在1∶10萬尺度處面積小的近長形和長形斑塊開始消失，而面積大的偏圓形斑塊開始出現，尺度效應曲線在該處斷點最多，說明該處斑塊邊界平直，邊界信息嚴重損失；當顯示尺度≥1∶7.5萬時既保證斑塊邊界原有的曲折度，也不會造成狹長斑塊丟失。

綜上，顯示尺度≥1∶7.5萬時可保證細節信息，1∶12.5萬處既沒有過多細節信息，也不會出現巨斑塊邊界信息損失，所以將顯示尺度分為≥1∶7.5萬、1∶7.5萬～1∶12.5萬和≤1∶12.5萬3個區間。

3 景觀水平尺度效應分析

不同景觀指數絕對值相差很大，所以取相對值作圖。各種景觀指數的尺度效應曲線呈明顯的階段變化（圖4）。斑塊數量、周長密度、斑塊形狀指數（平均斑塊面積）都隨顯示尺度減小而階段性減小（增加），信息減少，景觀結構簡化。1∶7.5萬～1∶10萬是信息損失的主要區間，顯示尺度≥1∶7.5萬和≤1∶10萬時，尺度效應很弱。因此，就景觀水平而言，將顯示尺度分為≥1∶7.5萬、1∶7.5萬～1∶10萬和≤1∶10萬3個區間。

圖4 景觀水平尺度效應曲線Fig.4 Scale effect curves of landscape level

不同顯示尺度間不發生面積轉移的概率即解譯精度，也體現對相鄰斑塊邊界的識別準確程度。以1∶5萬為標準，1∶7.5萬處解譯精度最高，達88.42%，除了水庫和平原旱地，其它景觀要素類型的解譯精度都隨顯示尺度減小而大幅降低（表2）。斑塊面積較小的居民地、低蓋度草地、中蓋度草地、高蓋度草地和帶狀灘地的精度降低最明顯，并且在1∶10萬處下降最快，顯示尺度＜1∶10萬的解譯精度與1∶10萬處相近。因此，將顯示尺度分為＞1∶10萬和≤1∶10萬兩個區間。

表2 不同尺度各種景觀要素類型未發生轉移的概率Table 2 The unaltered probability of landscape types between different visual scales %

4 討論與結論

不同面積和形狀的斑塊尺度敏感性和響應方式不同，斑塊越小斑塊數量和面積的尺度效應越明顯，斑塊面積越大斑塊邊界和形狀的尺度效應越明顯。綜合考慮尺度效應分析結果，本文劃分出≥1∶7.5萬、1∶7.5萬～1∶12.5萬和≤1∶12.5萬3個尺度區間，1∶7.5萬是該區景觀特征研究的最小適宜顯示尺度。1）隨著顯示尺度減小，斑塊數量減少，斑塊邊界趨于平直。小斑塊和巨斑塊的尺度效應曲線與景觀水平的尺度效應曲線變化規律相同，在顯示尺度1∶7.5萬～1∶10萬間變化幅度大；中斑塊和大斑塊呈波動性變化，1∶7.5萬～1∶12.5萬尺度波動最明顯。2）除了長形和近長形的巨斑塊尺度效應曲線在顯示尺度≤1∶12.5萬時變化幅度增大，其它形狀斑塊在1∶7.5萬～1∶12.5萬變化幅度大、波動強；當顯示尺度≤1∶10萬時面積小的偏長型斑塊開始缺失，而面積大的圓形斑塊開始出現。3）相對于1∶5萬尺度，各種景觀要素類型的解譯精度隨著顯示尺度降低而降低，1∶7.5萬處解譯精度最高，達88.42%，顯示尺度≤1∶10萬的解譯精度相近，且均較低。

內陸河流域的綠洲—荒漠過渡帶是干旱區景觀格局最復雜并對顯示尺度最敏感的地區，因此確定該區影像目視解譯的適宜顯示尺度對干旱區目視解譯顯示尺度的選擇有參考價值。1∶7.5萬是研究景觀水平特征的適宜顯示尺度；1∶12.5萬是研究有關地質、地貌、氣候、土壤類型等更宏觀現象的適宜顯示尺度，避免細節干擾，形狀復雜、面積較大的斑塊也不會出現尺度效應；鑒于無限增大顯示尺度不能提高目視解譯精度，反而增加解譯難度，研究地表徑流、土壤養分、群落類型等現象時，需要高分辨率影像。

［1］ 張娜.生態學中的尺度問題：內涵與分析方法［J］.生態學報，2006，26（7）：2340－2355.

［2］ WIENS J A.Spatial scaling in ecology［J］.Functional Ecology.1989，3：385－397.

［3］ 呂一河，傅伯杰.生態學中的尺度及尺度轉換方法［J］.生態學報，2001，21（12）：2096－2105.

［4］ 常學禮.壩上地區沙漠化過程對景觀格局影響的研究［J］.中國沙漠，1996，16（3）：221－226.

［5］ 劉紀遠，劉明亮，莊大方.中國近期土地利用變化的空間格局分析［J］.中國科學（D輯），2003，32（12）：1031－1040.

［6］ 常學禮，張安定，揚華，等.科爾沁沙地景觀研究中的尺度效應［J］.生態學報，2003，23（4）：635－641.

［7］ 柳錦寶，楊華，張永福.基于尺度轉折點的空間分析方法研究［J］.地理與地理信息科學，2007，23（1）：15－19.

［8］ 趙玉濤，余新曉，關文彬.景觀異質性研究評述［J］.應用生態學報，2002，13（4）：495－500.

［9］ 崔步禮，常學禮.沙地景觀中矢量數據柵格化方法及尺度效應［J］.生態學報，2009，29（5）：2463－2472.

［10］ 趙銳鋒，周華榮，肖篤寧，等.塔里木河中下游地區濕地景觀格局變化［J］.生態學報，2006，26（10）：3470－3478.

［11］ 高志強，劉紀遠.中國土地資源生態環境質量狀況分析［J］.自然資源學報，1999，14（1）：93－96.

［12］ 趙文智，程國棟.干旱區生態水文過程研究若干問題評述［J］.科學通報，2001，46（2）：1851－1857.

［13］ 何志斌，趙文智，常學向，等.荒漠植被植物種多樣性對空間尺度的依賴［J］.生態學報，2004，24（6）：1146－1149.

［14］ 李謝輝，塔西甫拉提·特依拜.綠洲荒漠過渡帶生態環境變化預警線提取與分析研究——以新疆和田綠洲為例［J］.中國沙漠，2008（1）：77－82.

［15］ 王蕙，趙文智，常學向.黑河中游荒漠綠洲過渡帶土壤水分與植被空間變異［J］.生態學報，2007，27（5）：1731－1739.

［16］ 趙文智，常學禮，何志斌，等.額濟納荒漠綠洲植被生態需水量研究［J］.中國科學（D輯），2006，36（6）：559－566.

［17］ 鄔建國.景觀生態學——格局、過程、尺度與等級［M］.北京：高等教育出版社，2000.147－157.

［18］ 楊曉艷，閆東浩，程鋒.耕地整理的景觀效應分析［J］.自然資源學報，2005，20（4）：572－581.

Abstract：Landscape map，one of the main data forms of landscape ecology obtained by visual interpretation of TM image，is affected by displaying scale in visual interpretation.Adopting optimal displaying scale could minimize data errors in interpretation.This paper takes the ecotones between the oases and deserts，key research region and sensitive to displaying scales，as a case study.Five landscape maps were obtained by visual interpreting TM images at 1∶50 000，1∶75 000，1∶100 000，1∶125 000 and 1∶150 000 displaying scales.By dividing patch area grades and patch shape grades based on landscape maps，a new patch types system was established.Then landscape indices and transfer matrices were calculated to reflect interpret precision.The results indicated that，the displaying scales were divided to three sections：greater than 1∶75 000，between 1∶75 000 and 1∶125 000 and less than 1∶125 000.1∶75 000 with high data precise and abundant information was the appropriate displaying scale for interpreting ecotones between the oases and deserts.

Key words：TM image；visual interpretation；scale effects；ecotones between the oases and deserts

Choice and Effect Analysis of Displaying Scale of the Visual Interpretation of TM Image：A Case Study on the Ecotones between the Oases and Deserts in the Inland River Basin

LI Xiu－mei
（Institute of Desertification Studies，Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091，China）

TP75

A

1672－0504（2012）04－0033－05

2011－12－02；

2012－01－09

國家林業局林業公益性行業科研專項（201104077）；中國林業科學研究院中央公益性科研院所基本科研業務費專項資金重點項目（CAFYBB2007008）

李秀梅（1982－），女，博士研究生，研究方向為景觀生態學。E－mail：lixiumeili＠126.com