基于土地利用的三維景觀格局指數(shù)變化分析

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(jìn)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(shí)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(shí)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(huì)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用三維分析來還原真實(shí)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(shí)重慶主城區(qū)的景觀格局受地形影響較大，引入地形進(jìn)行研究更能準(zhǔn)確反映實(shí)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(kuò)張?jiān)诖怪狈较蛏媳憩F(xiàn)出強(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yàn)，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(jì)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(jì)算方法

二維景觀格局指數(shù)的計(jì)算通過Fragstats4.2 軟件完成。三維景觀格局指數(shù)的計(jì)算還沒有完備的軟件支持，因此本文首先利用ArcGIS10.5 軟件計(jì)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(diǎn)轉(zhuǎn)換TIN 來逼近地表真實(shí)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(jì)算得到多邊形的表面面積[18-22]；最后利用3D 分析計(jì)算多邊形的表面周長，并代入各景觀格局指數(shù)的計(jì)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(jìn)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(diǎn)；隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，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(jìn)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(gè)景觀中所占比例會(huì)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(jì)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(dòng)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(jì)算時(shí)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(jì)、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(dòng)干擾也更加明顯。

2.2.3 景觀多樣性指數(shù)

基于二維計(jì)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(jì)算是基于景觀中各地類面積在整個(gè)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(shí)際二維指數(shù)更能反映現(xiàn)實(shí)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(jì)算各地類的表面積與周長，對二維景觀格局指數(shù)進(jìn)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(jìn)程的加快，旅游和經(jīng)濟(jì)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(shí)反映實(shí)際情況，但三維的形狀與多樣性指數(shù)變化不明顯。