松花江流域(哈爾濱段)景觀格局粒度效應

張利平,曲建光

(黑龍江工程學院 測繪工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050)

研究景觀格局變化是探討生態狀況、空間變異規律以及與生態過程相關的區域資源環境問題的重要途徑[1-2]。而進行景觀格局變化研究前必須進行尺度推繹，尺度的選擇直接關系到研究區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描述[4]，空間粒度指最小可辨識單元所代表的特征長度、面積或體積[5]。本研究中景觀格局粒度效應即代表景觀格局特征的景觀指數隨著空間粒度大小的變化而產生的變化[6]。目前國內外對景觀格局指數粒度效應已有較多研究[5-11],但多是基于一期研究數據，當景觀格局動態變化研究時，需要確定長時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：不同的研究區景觀格局及社會經濟屬性( 空間異質性) 、數據源、圖形比例尺等因素下，景觀格局粒度效應有所不同[12]，其它研究區域的景觀格局尺度效應并不適合本研究區域，在進行本研究區域景觀格局時空變化分析前，有必要進行景觀格局力度效應研究，進行最佳尺度的確定。

松花江流域(哈爾濱段)土地肥沃、地域遼闊,是重要的糧食生產基地。盡管區域開發較晚，人口少，但隨著區域經濟快速的發展，環境問題已日益突出:近20年，流域內草地減少，鹽堿地增加，自然植被用地轉化頻繁，土地利用結構趨于不穩定狀態[13]，不合理的土地利用方式必然導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態變化特征對粒度變化的效應仍不清楚，揭示流域土地利用格局動態變化的粒度效應將為區域景觀格局、生態服務價值、生態風險等景觀生態研究熱點問題提供重要的基礎。

鑒于此，本文以松花江流域(哈爾濱段)為研究對象，基于近20年三期遙感影像，從類型和景觀兩個水平選取多個景觀格局指數，通過比較分析景觀指數隨空間粒度變粗、時間推移的變化響應差異，綜合指數-粒度擬合曲線拐點識別和柵格化信息損失評價方法，確定本研究區域景觀格局分析的最適宜空間粒度，為統一生態服務價值評估、生態風險評價尺度，實現區域生態保護、景觀調整等提供參考和依據。

1 研究區域概況及研究方法

1.1 研究區域概況

松花江流域是我國一級流域,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″，屬北溫帶季風氣候區，大陸性氣候特點明顯，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月的降水量僅為全年的5%左右。總面積5.31萬km2，包括主城區(南崗區、雙城區、呼蘭區、平房區、松北區、道外區、道里區、阿城區、香坊區9個轄區)和依蘭縣、賓縣、巴彥縣、方正縣、木蘭縣、通河縣6個縣，具體位置見圖1。

圖1 研究區域位置

1.2 數據來源及處理

從地理空間數據云(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+遙感影像為遙感數據源,軌道號為116/28、117/28、117/29、118/28、118/29 ,影像拍攝時間為6月份、8月份和9月份,含云量控制在5%內,非遙感數據包括行政區劃圖、土地利用現狀圖、野外調查數據、哈爾濱年鑒統計數據等。根據國家一級土地利用分類標準,結合松花江流域(哈爾濱段)主要土地利用方式,將研究區的景觀劃分為建設用地、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,對研究區域三期影像進行輻射定標、大氣校正、幾何校正、鑲嵌裁剪等數據處理工作,根據野外考察及相關資料,利用最大似然法進行監督分類,獲得松花江流域(哈爾濱段)三期景觀類型分布圖(見圖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，即通過放大柵格尺寸、降低景觀格局的空間分辨率進行研究成果的“粗粒化”[14]。粒度上推改變斑塊邊界、融合斑塊，從而改變原有的景觀格局，致使描述景觀格局的指數也隨之發生變化[15]。本研究借助ArcGIS10.3平臺空間分析工具以 30 m 為起點，600 m 為終點，30 m 為步長，對松花江流域(哈爾濱段)1995、2005和2015年3個時期的景觀類型數據通過最近鄰元重采樣，得到60個不同粒度大小的景觀類型柵格文件。

1.3.2 景觀格局指數的選取與數據分析

針對景觀的面積、密度、形狀、聚散性、分布狀態和多樣性等分別從斑塊類型水平和景觀水平上選擇獨立性強、生態學意義明顯的景觀指數。具體包括8個斑塊類型水平景觀格局指數： NP、AREA、PD、ED、LSI、SHAPE、FRAC、AI；13個景觀水平景觀格局指數： NP、LPI、AREA、PD、ED、LSI、SHAPE、FRAC、CONTAG、AI、PR、SHDI、SHEI。通過景觀指數計算軟件Fragstats4.2進行各指數的計算，各指數生態學意義及計算公式參見Fragstats4.2軟件使用說明。

1.3.3 景觀指數-粒度函數擬合及變異特征計算

對不同粒度下3期指數求平均值，在SPSS中以粒度為自變量，3期指數平均值為因變量構建擬合函數，并利用 R2檢驗其相關性。在SPSS中計算不同粒度下景觀指數的標準差與平均數，通過變異系數(CV)，即標準差與平均數之比，來判定各景觀指數對空間粒度變化的敏感程度，判定依據見表1[16-17]。

表1 景觀指數對空間粒度變化的敏感程度判定依據

1.3.4 尺度效應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為縱軸繪制景觀指數-粒度折線，根據折線形狀分析景觀指數粒度效應。并利用曲線拐點法和景觀面積信息損失評價方法，確定最佳的景觀格局分析粒度，面積信息損失評價模型[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值;n表示景觀類型數目；Skloss在第k種粒度下面積信息損失值。

2 結果與分析

2.1 松花江流域(哈爾濱段)斑塊類型水平景觀格局指數隨粒度的變化特征

斑塊類型水平景觀指數隨空間粒度增大呈現出一定的變化趨勢(見圖3、圖4)，其中NP，PD，ED和LSI隨空間粒度增加單調下降，尤其在30～150 m粒度范圍內，下降速度非常快，在150 m處出現轉折點。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出現局部波動現象。FRAC在粒度30～120 m范圍內逐漸減小，且速度較快，大于120 m后整體仍在減小，但速度非常緩慢，且不斷出現波動現象。SHAPE在整個粒度變化區間變化幅度較小，但波動現象較頻繁。不同景觀AI隨空間粒度變化趨勢差異較大，草地和未利用地AI在粒度30～90 m范圍內，減小速度非常快，大于90 m后，減小速度緩慢，其中未利用地AI在2015年出現明顯波動現象，耕地林地AI在整個粒度變化區間呈現出不明顯的減小趨勢，建設用地和水域AI在整個粒度變化區間逐漸減小，但未出現明顯轉折點。

圖3 生態用地景觀的景觀指數隨粒度變化

圖4 非生態用地景觀的景觀指數隨粒度變化

2.2 松花江流域(哈爾濱段)景觀水平景觀格局指數隨粒度的變化特征

景觀水平上景觀指數隨空間粒度增大呈現出不同的變化趨勢(見圖5)，其中NP，PD，ED， LSI和FRAC隨空間粒度增加單調下降，NP，PD，ED和LSI在30～150 m粒度范圍內，下降速度非常快，在150 m粒度處出現轉折點；FRAC在30～90 m粒度范圍內，下降速度非常快，在90 m粒度處出現轉折點。AREA隨空間粒度增加逐漸變大。SHAPE在30～150 m粒度范圍內有所減小，但變化幅度不大，大于150 m粒度后變化幅度非常小，出現極小幅度波動現象。CONTAG和AI在30～90 m粒度范圍內有所減小，變化幅度不大，大于90 m粒度后趨于平穩。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很大，未呈現規律變化。

圖5 景觀水平指數隨粒度變化

2.3 景觀格局指數隨粒度變化的擬合函數

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隨粒度變化具有相似的景觀指數-粒度折線圖，所選取的景觀水平指數中包含了同名的斑塊類型水平指數，限于篇幅，本文中未將斑塊類型水平指數的擬和PD合函數列出，只列出了景觀水平指數擬合函數及各函數擬合度R2(見表2)。

表2 景觀格局指數隨粒度變化擬合函數

NP隨粒度的增加呈三次多項式下降，有明顯的拐點，隨后變化較平穩，說明流域各多數景觀斑塊小于拐點粒度。ED，LSI，SHAPE和FRA隨粒度的增加呈三次多項式下降，存在不明顯的拐點，說明小面積景觀斑塊形狀相對復雜，隨著粒度增大，斑塊形狀變得簡單。CONTAG和AI隨粒度增加呈冪函數下降，且無明顯拐點，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，但卻不會使其發生急劇的變化，這與以往研究區域結果類似[17]。PR主要取決于景觀類型個數，在30～600 m粒度范圍內，研究區域未發生某種景觀消失現象，因此，PR在30～600 m粒度范圍內不受粒度大小影響。SHDI反映了景觀內斑塊類型的豐富度和斑塊類型的相對分布，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，松花江流域(哈爾濱段)的 SHEI 與 SHDI 均呈小幅波動的復雜變化，無粒度效應，說明松花江流域(哈爾濱段)不同景觀類型在整個景觀中所占的比例不受粒度大小影響。SHEI與SHDI隨粒度變化呈現出的波動相似，這與以往的研究結論相同[17,20]。

2.4 景觀格局指數對粒度變化的敏感程度分析

斑塊類型水平上，1995—2015年研究區域各景觀格局指數的敏感性差異較大(見表3)，表明不同景觀格局指數受粒度變化的影響不同。總體上，NP和PD對粒度響應最敏感，隨著粒度增大，NP和PD快速減小；AREA對粒度響應高敏感，隨粒度增加，大面積斑塊增加，小面積斑塊被融合；FRAC對粒度響應不敏感，粒度由30～150 m增加時，FRAC略有減小，粒度繼續增大時，FRAC數值基本維持不變；SHAPE對粒度響應低敏感，隨著粒度增大，SHAPE總體略有減小，局部出現波動現象。ED、AI、LSI三個指數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對粒度響應高敏感，原因為這兩種景觀斑塊面積小，隨著粒度增大，易被其他景觀融合，ED迅速變小；建設用地、耕地、林地景觀ED對粒度變化隨著年份的變化有所不同。耕地、林地AI對粒度響應低敏感，這兩種景觀面積大，是研究區域優勢景觀，斑塊面積大，聚集度高，粒度的增加不會對斑塊聚集度產生較大影響。未利用地、草地AI對粒度響應高敏感，這兩種景觀斑塊面積小，整體在區域分布面積也小，呈零散分布，粒度的增加會使這些小斑塊逐漸被其他景觀融合，聚集度逐漸降低；建設用地、水域AI對粒度響應中等敏感，原因為這兩種景觀雖然面積分布不大，但建設用地景觀比較集中分布，水域景觀成條帶狀連續分布。未利用地、草地LSI對粒度響應高敏感，隨著粒度增加，景觀斑塊迅速減小，形狀趨于簡單；其他景觀LSI對粒度響應中等敏感，隨著粒度增加，形狀逐漸變得簡單。

表3 不同景觀類型格局指數對粒度響應的變異系數

景觀水平上，1995—2015年研究區域各景觀格局指數的敏感性(見表4)中，ED和LSI在1995年對粒度響應的敏感性為高敏感，2005年和2015年都為中等敏感。其他指數對粒度響應的敏感性等級并未隨著時間變化而改變。其中，NP和PD對粒度響應最敏感，AREA對粒度響應高度敏感，LPI對粒度響應中等敏感，SHAPE，CONTAG和AI對粒度響應低敏感，FRAC，SHDI和SHEI對粒度響應不敏感。

表4 景觀水平的景觀格局指數對粒度響應的變異系數

2.5 最佳分析粒度的選取

隨著粒度的增加，各景觀格局指數值出現了不同尺度的轉折點。斑塊類型水平上，NP，PD，ED和LSI在粒度150 m處出現轉折點，FRAC在粒度120 m處出現轉折點，草地和未利用地AI在粒度90 m處出現轉折點。景觀水平上NP，PD，ED，LSI和SHAPE在150 m粒度處出現轉折點，FRAC，CONTAG和AI在90 m粒度處出現轉折點，LPI在150 m粒度和390 m粒度各出現一個轉折點。結合拐點分布情況，選定150 m為適宜尺度。

計算三期不同粒度下面積信息損失(見圖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。總體來看，當粒度為30 m，150 m和240 m時，土地面積精度損失指數較小。

圖6 面積信息損失粒度變化圖

綜合指數-粒度擬合曲線拐點識別和柵格化面積信息損失評價方法的結果表明： 150 m為研究區景觀格局的適宜分析粒度，既能保證景觀描述精確度，又能降低冗余數據。

3 結論與討論

不同的景觀指數隨粒度變化趨勢不同。斑塊類型水平上：NP，PD，ED和LSI隨空間粒度增加單調下降， 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出現局部波動現象；FRACI隨空間粒度增加單調下降，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，但波動現象頻繁；不同景觀AI隨空間粒度變化趨勢差異較大。景觀水平上：NP，PD，ED， LSI和FRAC隨空間粒度增加單調下降，NP，PD，ED和LSI在30～150 m粒度范圍內，下降速度非常快，在150 m粒度處出現轉折點；FRAC在30～90 m粒度范圍內，下降速度非常快，在90 m粒度處出現轉折點。AREA隨空間粒度增加逐漸變大。SHAPE在30～150 m粒度范圍內有所減小，但變化幅度不大，大于150 m粒度后變化幅度非常小，出現極小幅度波動現象。CONTAG和AI在30～90 m粒度范圍內有所減小，變化幅度不大，大于90 m粒度后趨于平穩。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粒度范圍未呈現規律變化。

不同指數隨粒度變化擬合函數不同。NP隨粒度的增加呈三次多項式下降，有明顯的拐點，隨后變化較平穩。ED，LSI，SHAPE和FRA隨粒度的增加呈三次多項式下降，存在不明顯的拐點。CONTAG和AI隨粒度增加呈冪函數下降，且無明顯拐點。PR在30～600 m粒度范圍內不受粒度大小影響。SHEI 與 SHDI 均呈小幅波動的復雜變化，無粒度效應。

各景觀格局指數的敏感性差異較大。斑塊類型水平上：NP和PD對粒度響應最敏感；AREA對粒度響應高敏感；FRAC對粒度響應不敏感；SHAPE對粒度響應低敏感；ED，AI，LSI三個指數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年對粒度響應的敏感性為高敏感，2005年和2015年都為中等敏感；NP和PD對粒度響應最敏感；AREA對粒度響應高度敏感；LPI對粒度響應中等敏感；SHAPE，CONTAG和AI對粒度響應低敏感；FRAC，SHDI和SHEI對粒度響應不敏感。

綜合指數-粒度擬合曲線拐點識別和柵格化面積信息損失評價方法的結果表明： 150m為研究區景觀格局的適宜分析粒度，既能保證景觀描述精確度，又能降低冗余數據。

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在30～600 m粒度范圍的響應，當相鄰粒度大小發生變化，或者粒度范圍進一步加大，所產生的效應會有所變化。