3S技術(shù)支持下的公路路域景觀格局特征變化研究*

田 雷,沈 毅,李宗禹,董博昶,魏顯威

(交通部公路科學(xué)研究院,北京 100088)

高速公路是長距離連續(xù)的大型建筑構(gòu)造物,它的建設(shè)和營運(yùn),對生態(tài)環(huán)境造成的影響是永久的、不可逆轉(zhuǎn)和再生的[1],作為一種線狀干擾廊道,其特點是連通性較高,新廊道的出現(xiàn)將對現(xiàn)有景觀功格局產(chǎn)生一定的不利影響。公路景觀環(huán)境評價研究是我國公路建設(shè)中的新課題[2],景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)展為公路景觀環(huán)境評價研究提供了新理論、方法和技術(shù)手段,研究高速公路的建設(shè)對沿線景觀格局的影響有利于維護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)的規(guī)劃管理和區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展,為景觀動態(tài)研究提供基礎(chǔ)信息,同時也有利于進(jìn)一步研究道路和生態(tài)系統(tǒng)的交互作用機(jī)制[3]。土地利用/土地覆被變化(LUCC)越來越多的應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境變化的研究中,它是全球變化研究的核心內(nèi)容之一[4-6],研究土地覆被動態(tài)變化可以把握公路的建設(shè)對陸表的干擾程度。顏長珍等人利用LandsatˉTM衛(wèi)星數(shù)據(jù),對地處半干旱區(qū)的張家口、榆林和定西3個典型區(qū)在1997年和2002年的土地覆被進(jìn)行了遙感監(jiān)測,并以土地覆被類型變化面積和景觀格局指數(shù)為指標(biāo)分析了生態(tài)環(huán)境建設(shè)工程的效果及由此而產(chǎn)生的土地覆蓋景觀格局的變化特點[7]。張帥等人利用1977年、1993年及2003年的MSS和 TM三個時相的衛(wèi)星數(shù)據(jù),通過人機(jī)交互式解譯在GIS的平臺下分析了兩個時段的土地覆被變化和景觀格局的動態(tài)變化規(guī)律[8]。目前國內(nèi)的研究主要集中在概念或框架上,在土地覆被變化和景觀格局指標(biāo)的定量化應(yīng)用尚缺少進(jìn)一步的研究,文章利用了思小公路建設(shè)前后的衛(wèi)星數(shù)據(jù),對公路路域范圍內(nèi)的土地利用變化和景觀格局指標(biāo)進(jìn)行了分析,總結(jié)了公路建設(shè)前后的土地利用變化和景觀格局的動態(tài)變化規(guī)律。

1 研究區(qū)域概況

思小高速公路位于云南省思茅市和景洪市境內(nèi),呈南北走向,境內(nèi)為橫斷山脈與無量山脈南延部分,總趨勢北高南低,峰巒疊嶂、此起彼伏,一片綠原林海。根據(jù)地貌成因可分為:山間盆地、河谷、構(gòu)造剝蝕地形3種地貌單元。本項目所在區(qū)域?qū)贌釒?亞熱帶氣候區(qū),干旱季節(jié)分明,交替時間為5-10月,夏秋多雨濕熱,冬春少雨干燥。氣候隨海拔高度變化明顯,具垂直分帶特征,動植物資源較豐富。思小高速路的開工時間是 2003年初,竣工時間是2006年初。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究所用數(shù)據(jù)來源于美國陸地衛(wèi)星Landsat-5的TM 傳感器,時相分別為2001-04-10、2007-01-21的7個波段的遙感數(shù)字信息(思小公路施工期為2003—2006年,所以,以時相為 2001-04-10的數(shù)據(jù)代表施工建設(shè)之前的環(huán)境本底值數(shù)據(jù),以2007-01-21時相代表公路建成之后的數(shù)據(jù));影像的空間分辨率為30 m×30 m,投影方式是T ransverse Mercator投影。該數(shù)據(jù)無云覆蓋,總體成像質(zhì)量效果較好。結(jié)合地面調(diào)查點作為參考,該遙感數(shù)據(jù)空間分辨率可以滿足宏觀、快速對植被覆蓋狀況獲得認(rèn)識的基本要求。

2.2 研究方法

2.2.1 圖像預(yù)處理 擇思小高速公路兩側(cè)10 km范圍的不同緩沖區(qū)為研究區(qū)域,選用完全覆蓋研究區(qū)的2景不同時相的Landsat5-TM數(shù)據(jù)為基本數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)通過輻射糾正,以1∶5萬的地形圖為基準(zhǔn),利用二次多項式和雙線形內(nèi)插法對圖像進(jìn)行了幾何校正,經(jīng)重新選點檢驗,誤差在一個象元內(nèi)。以2007-01-21的TM數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),應(yīng)用SCR(Scattergram Controlled Regression)方法[9],以一次線形回歸形式,對不同時期的遙感影像做簡易標(biāo)準(zhǔn)化處理,以消除可能的物候狀況差異。

2.2.2 土地覆被變化數(shù)據(jù)處理 參照全國土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程、全國土地利用現(xiàn)狀分類系統(tǒng)及思茅、景洪土地利用現(xiàn)狀,根據(jù)實地調(diào)查和遙感衛(wèi)星影像解譯,將評價區(qū)土地利用情況劃分為林地、稀樹灌木草地、耕地(包括水澆地和旱地)、水域、城建用地5種類型。

在野外查勘、調(diào)查研究的基礎(chǔ)上,充分利用現(xiàn)有資料,基于遙感和地理信息系統(tǒng)軟件等先進(jìn)的技術(shù)手段和方法,進(jìn)行分析。技術(shù)路線為:遙感圖像選取→圖像分析解譯標(biāo)志建立→判讀與制圖→面積量算,已形成一套成熟技術(shù)路線。

2.2.3 景觀格局指標(biāo) 景觀生態(tài)學(xué)是一門橫跨自然和社會科學(xué)的綜合性學(xué)科,其研究領(lǐng)域十分廣泛。景觀生態(tài)學(xué)研究的內(nèi)容大致分為3個部分:景觀的結(jié)構(gòu)、景觀功能、景觀動態(tài),景觀的結(jié)構(gòu)、功能和動態(tài)是相互依賴、相互作用的,無論在哪一個生態(tài)學(xué)組織層次上(如種群、群落、生態(tài)結(jié)構(gòu)或景觀),結(jié)構(gòu)與功能都是相輔相成的。結(jié)構(gòu)在一定程度上決定功能,而結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展又受到功能的影響。景觀指數(shù)是指能夠高度濃縮景觀格局信息,反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面特征的簡單定量指標(biāo)。為了系統(tǒng)的分析評價區(qū)內(nèi)景觀格局結(jié)構(gòu)的特點,景觀生態(tài)學(xué)家對景觀分析提出了許多不同的指標(biāo)[10-12]。項目分別選取了景觀屬性分析指標(biāo)、景觀形狀分析指標(biāo)、景觀配置指標(biāo)、景觀連通性指標(biāo)中的具有代表性的景觀指標(biāo)評估公路建設(shè)前后的生態(tài)結(jié)構(gòu)變化情況。各類指標(biāo)的代表意義見表1所示。

2.2.4 景觀結(jié)構(gòu)空間變化 公路建設(shè)項目景觀生態(tài)影響關(guān)注的內(nèi)容是景觀生態(tài)系統(tǒng)在公路建設(shè)的干擾下發(fā)生了怎樣的變化。景觀空間格局指數(shù)可以反映景觀各組分以及景觀整體空間格局的變化特征,但是還不能反映出景觀各組分之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系,這就需要依賴于景觀空間結(jié)構(gòu)變化轉(zhuǎn)移矩陣分析。景觀類型之間的相互轉(zhuǎn)化情況,可以采用馬爾柯夫轉(zhuǎn)移矩陣來進(jìn)一步描述[13]。這是一種以地圖代數(shù)原理為基礎(chǔ),定量化度量景觀空間組分變化的有效手段。通過馬爾柯夫轉(zhuǎn)移矩陣,可以定量說明土地利用景觀類型之間的相互轉(zhuǎn)化狀況,從而可以更好的了解土地利用的時空演變過程。

式中:Ci×j——由k時期到k+1時期的景觀格局變化圖,它反映了景觀變化的類型及其空間分布,由此可以求得景觀類型相互轉(zhuǎn)移的數(shù)量關(guān)系和轉(zhuǎn)移矩陣。

在對景觀類型變化圖進(jìn)行統(tǒng)計分析后,可以得到由k時期到k+1時期第k+1類土地利用類型轉(zhuǎn)換為第j類土地利用類型的面積數(shù)Aij。由此,土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣中的各項因子可由以下各式求得。

式中:Bij——k時期第i類土地利用類型轉(zhuǎn)換為k+1時期第j類土地利用類型的比例(%);Cij——k+1時期第j類土地利用類型由k時期第i類土地利用類型轉(zhuǎn)換來的比例(%);T——k+1時期各土地利用類型相對于k時期變化的程度。從而可以得到景觀轉(zhuǎn)移矩陣表。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用現(xiàn)狀分析

基于ENV I4.2遙感數(shù)據(jù)處理軟及以A rcGIS 9.0地理信息分析軟件為輔助平臺,通過以上方法將思小高速公路沿線兩側(cè)10 km范圍內(nèi)不同距離的緩沖區(qū)域進(jìn)行土地利用現(xiàn)狀人機(jī)交互式解譯得到公路修建之前及建路之后的土地利用現(xiàn)狀圖如圖1。

表1 各類景觀指標(biāo)的代表意義一覽表

圖1 2001年思小路土地利用現(xiàn)狀圖

以建設(shè)公路前后土地利用圖為依據(jù),以A rcGIS軟件為平臺計算不同緩沖區(qū)研究區(qū)域在公路建設(shè)前后的各土地利用類型的面積變化情況。以公路路線為中心統(tǒng)計沿線兩側(cè)1,2,5,10 km等4個緩沖區(qū)建設(shè)前和建路后土地利用類型的面積變化情況,具體數(shù)據(jù)如表2所示。建路前后各土地利用類型相對相應(yīng)的緩沖區(qū)面積變化見圖2所示。

從表2及圖2中可以看出,各土地利用類型在相應(yīng)緩沖區(qū)隨著時間的變化,整體上稀樹灌木草地和耕地面積有所減少,城鎮(zhèn)建設(shè)用地的面積明顯增加,主要是因為公路建設(shè)占用的國土面積很大時該地類的占用比例增加。整體上林地面積在修路以后面積有微弱增加的趨勢,這主要是因為公路設(shè)計的路線基本上是沿著沿線人為干擾較大、陸表破壞度較高的山坡或山腳,其所占用的林地面積較少,研究范圍內(nèi)林地有向外擴(kuò)充的增長趨勢。隨著距離公路路線中心越近,大部分地類的面積變化越劇烈,建設(shè)前后土地利用類型面積變化幅度越大,其中,城建用地的變化面積最大,這是因為公路建設(shè)(屬于城建用地類型)占用最大的地類是灌木草地和耕地。在距離較大的10 km范圍緩沖區(qū)各地類在建設(shè)前后的變化趨勢就較為接近了。

3.2 景觀空間結(jié)構(gòu)變化轉(zhuǎn)移矩陣分析

為了能明顯的統(tǒng)計分析出公路路線周圍的路域土地利用類型變化情況,從而總結(jié)公路建設(shè)對各土地利用類型的影響,所選用的研究區(qū)域范圍過大則使公路所屬的地類在分析其對其他地類影響時不明顯,過小則不能反映其對其它地類的整體影響程度,故選用沿線周圍2 km緩沖區(qū)范圍為景觀轉(zhuǎn)移分析的研究區(qū)域,統(tǒng)計其各地類的轉(zhuǎn)移變化情況。通過以上方法將兩期影像進(jìn)行疊加運(yùn)算后得到研究區(qū)域隨時間推移,得到景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣表如表3所示。

土地利用類型的空間轉(zhuǎn)變分布圖如圖3所示。將各土地利用類型從k時期到k+1時期的轉(zhuǎn)換為另一種土地利用類型面積所占的比例(用B表示)和由另一種土地利用類型轉(zhuǎn)化而來的面積所占的比例(用C表示)繪制成圖表可以形象地判斷出各地類的轉(zhuǎn)化比例大小情況,如圖4所示。

表2 不同緩沖區(qū)各地類修路前后面積變化

圖2 緩沖區(qū)面積變化對比

表3 k時期到k+1時期景觀面積轉(zhuǎn)移矩陣

圖3 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣時空變化圖

圖4 林地 B、C變化圖

圖5 稀樹灌木草地B、C變化圖

圖6 城建用地 B、C變化圖

從表3及圖3-8中可以看出,林地、水域與其它地類的轉(zhuǎn)化面積最小,只有稀樹灌木草地與林地系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的數(shù)量相對較大,其它包括公路在內(nèi)的城建用地與林地、水域的面積交換數(shù)量很小,說明在公路建設(shè)過程中,施工建設(shè)和公路占地對林地這種地類干擾很小,公路在選線時已經(jīng)考慮了避讓大片林地,公路建設(shè)對其他地類干擾程度將增大。從表3及圖7-11中可以看出稀樹灌木草地系統(tǒng)、耕地系統(tǒng)均與城建用地面積交換量值很大,城建用地與這兩種地類的面積轉(zhuǎn)化集中體現(xiàn)在圖4-6中,從圖中可以清晰的判別出城建用地轉(zhuǎn)化為灌木草地及耕地的面積比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于灌木草地及耕地轉(zhuǎn)化為城建用地的面積。

從土地利用空間變化圖上可以看出,在隨著建路的時間前后,變化的地類中,城建用地的變化最大,變化的城建用地中包括公路和因為城市擴(kuò)張而形成的城建用地。轉(zhuǎn)變成其它地類(如轉(zhuǎn)變成的林地、灌木草地等)的空間分布都是零星均勻分布在路線的兩側(cè)。

圖7 耕地 B、C變化圖

圖8 水域地B、C變化圖

4 結(jié)論

(1)景觀生態(tài)學(xué)作為一門新興的課題,可以為公路景觀環(huán)境評價研究提供新理論、方法和技術(shù)手段。

(2)對于景觀指標(biāo)應(yīng)用于思小公路而言,林地、水域與其它地類的轉(zhuǎn)化面積最小,只有稀樹灌木草地與林地系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的數(shù)量相對較大,其它包括公路在內(nèi)的城建用地與林地、水域的面積交換數(shù)量很小;城建用地轉(zhuǎn)化為灌木草地及耕地的面積比例遠(yuǎn)小于灌木草地及耕地轉(zhuǎn)化為城建用地的面積。

(3)高速公路線性走廊對景觀是一種線性切割過程,修建前后的沿線不同緩沖區(qū)范圍內(nèi)景觀指標(biāo)變化的幅度不相同,離公路距離越近的緩沖區(qū),景觀指標(biāo)值的變化幅度越大,公路修建對近距離緩沖區(qū)內(nèi)景觀格局的影響越大,隨著公路兩側(cè)緩沖區(qū)距離的增加,其對研究范圍內(nèi)景觀格局的影響減小。

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