分析尺度对祁连山地区小尺度斑块提取的影响

分析尺度对祁连山地区小尺度斑块提取的影响

近年来，生态研究中的比例问题越来越受生态学家的影响，尤其是景观生态学的研究。规模分析是景观生态学的重要组成部分，规模思维贯穿景观生态学的整个过程。尺度具有多样性和相对性,即不同现象和生态过程对应不同尺度,尺度的选择直接或间接作用于景观格局特征分析过程及与各种景观指数相关的一些生态学过程——能流、物流、生物流,所以,在两者之间关系不确定的情况下,相关问题的研究结果存在偏差,甚至导致不同结论。在景观生态学研究中,对景观结构、格局、过程与变化的研究是在一定观测和分析尺度下进行的,选取不同的观测和分析尺度,将可能检测到不同的现象,所以尺度研究的根本目的在于通过适宜的观测和分析或模拟尺度来揭示和把握尺度现象中的规律性,简化研究过程已期得到相对准确的研究结果。空间尺度效应的研究包括两个方面的内容:一是研究区域(extent)变化引起的尺度效应;二是分析尺度(resolution)变化导致的尺度效应[12,16,17,18,19,20]。其中,目前基于“3S”技术的景观生态学研究,尺度变化主要集中在由矢量数据向栅格数据转化中的尺度效应分析,而对于不同显示精度(比例尺)的机助目视解译的研究尚不多见,特别是针对高山云杉-高山草甸景观的研究。为此,选择祁连山北麓青海云杉-高山草甸景观为研究对象,从斑块面积、形状、密度等数量化指标入手,探讨解译显示精度对机助目视解译信息提取的影响,为黑河流域典型生态系统的需水量计算和适宜尺度的景观结构特征分析提供理论依据。1土壤和植被组成研究区位于祁连山中段西水林区排露沟流域(38°24′N,100°17′E),流域总面积2.85km2,长4.25km,纵坡比降1∶4.2,海拔2600～3800m。流域阳坡为草地,阴坡、半阴坡为斑块森林景观,年平均气温-0.6～2.0℃,年降水量363mm,蒸发量1052mm,年日照时数1893h,年平均相对湿度为60%。研究区土壤和植被随山地地形而形成明显的垂直分布带,主要土壤类型有山地森林灰褐土、山地栗钙土以及亚高山灌丛草甸土3个类型,土壤机械组成中粘粒含量(<0.002mm)约占9%,粉粒含量(0.002～0.05mm)约占80.3%,沙粒含量(>0.05mm)约占18.8%,土壤孔隙大小分布指数为5.39。成土母质主要是泥炭岩、砾岩、紫红色沙页岩等。有机质含量中等,pH值7.0～8.0。森林类型是以青海云杉(Piceacrassifolia)林为主,呈斑块状或条状分布在阴坡、半阴坡;祁连圆柏(Sabinaprezewalskii)林呈小斑块状分布于阳坡、半阳坡;灌木优势种有:金露梅(Potentillafruticasa)、箭叶锦鸡儿(Caraganajubata)和吉拉柳(Salixgilashanica)等,草本主要有珠牙蓼(Polygonumviviparum)、黑穗苔(Carexatrata)和针茅(Stipasp)等。2斑块类型划分为保证数据转换中的信息损失最小,在grid模块下转换矢量数据为栅格数据时,栅格单元统一设为3m。所有的景观指数计算采用Fragstats3.3完成,并运用excel软件进行数据单位调整、数据排序、制图等辅助处理分析。3结果与分析3.1斑块等级分析为了保证斑块等级划分的合理性,以文中斑块等级的划分依据面积为要素,分析各斑块等级间是否差异显著,若差异显著则说明不同等级斑块间存在区别,划分基本合理,否则无意义。结果表明(表1),F计算值远远大于0.05水平和0.01水平F标准值,不同分析尺度的斑块等级间差异极显著。说明本文以面积作为标准,对斑块等级的划分基本合理可行。需要说明的是,文中对斑块等级的划分方法不是惟一正确方法,还应该存在以面积为标准的其他正确的斑块等级和以其他因素为标准的正确的等级划分方式。3.2斑块面积的尺度效应斑块等级水平尺度效应分析如图1,小斑块各景观指数尺度效应曲线斜率大,对尺度依赖性都较强。斑块数量、斑块面积、斑块密度和周长密度都有阶段性下降趋势(斑块密度在显示尺度>1∶8000后略有上升),并在显示尺度1∶8000处达到平衡。由于随显示尺度增加斑块密度减小,使平均斑块面积阶段性增大,当显示尺度达到1∶8000后有所减小,在平均斑块面积有规律性变化的尺度效应曲线上,1∶8000是拐点。在斑块形状不断趋于规则过程中,平均斑块形状指数在1∶4000处有不明显尺度转折点。中斑块除平均斑块形状指数在1∶4000处有明显尺度转折点外,各指数的响应模式与小斑块的对应相似。与小斑块、中斑块相比,大斑块对分析尺度的响应模式有所区别,景观指数波动明显。斑块数量在1∶8000处有最小值69。斑块密度(平均斑块面积)在1∶2000～1∶4000间大幅下降(上升),大于1∶4000后小幅波动平衡。周长密度与平均斑块形状指数明显阶段性减小,在分析尺度大于1∶8000后保持不变,≤1∶4000时显著下降。斑块面积变化相对复杂,尺度效应起伏变化强烈,分别于1∶4000和1∶8000处达到极大值208.25hm2和极小值192.78hm2。存在拐点1∶4000和1∶8000。与等级斑块间增减相消作用方式有关,斑块面积的累加和不变的性质可能是造成其复杂变化的原因,当某等级斑块面积减少,其他等级斑块必然增加相同面积,不存在融合消失,只有小型斑块向大型斑块转化。其中,面积累积增加的渐变过程和斑块类型转化的瞬时过程共同作用,使斑块面积的尺度效应复杂。利用斑块面积这种增长相消性质可以估算尺度转化中斑块损失量和增加量。如表2、表3,1∶4000处大斑块面积增加5.09%(10.09hm2),主要来源于小斑块和中斑块损失,1∶6000和1∶8000处巨斑块面积分别增加5.08%(23.09hm2)与3.40%(16.21hm2)主要来源于中斑块、大斑块损失,但是对小斑块的影响最显著,小斑块损失均超过10%,其次是中斑块,损失超过5%。≤1∶4000和>1∶8000时面积绝对变化量都较小。巨斑块的数量、斑块密度(平均斑块面积)在1∶2000～1∶6000之间线性增加(减小),显示尺度≥1∶6000后不随尺度变化而变化,斑块面积在1∶4000～1∶8000间大幅增加,而≤1∶4000或≥1∶8000时则处于平衡。周长密度与平均斑块形状指数1∶2000～1∶4000线性减小,≥1∶4000后达到平衡状态。小尺度下巨斑块破碎化减小,形状规则,大多数指数当分析尺度>1∶6000后都有不受尺度变化影响的趋势。就斑块等级水平而言,1∶4000与1∶8000处是尺度阈值,1∶4000是尺度响应强烈的下限,1∶8000是尺度响应变弱或消失的上限,根据尺度对景观指数的影响可将分析尺度分为≤1∶4000,1∶4000～1∶8000,≥1∶8000三个尺度域。斑块数量、斑块面积、斑块密度尺度效应由小斑块和中斑块的整体下降到大斑块的波动变化,巨斑块的整体上升趋势,表现在尺度效应上即下降→过渡→上升,巨斑块尺度效应的增加或减少阶段性最明显,当分析尺度达到1∶6000后斑块数量、斑块密度保持不变,1∶8000后斑块面积尺度响应减弱。同时,尺度效应变化幅度随斑块面积增大而减小,斑块数量极差:小斑块(267)>中斑块(109)>大斑块(8)>巨斑块(2);斑块密度极差:小斑块(6.80)>中斑块(0.47)>大斑块(0.028)>巨斑块(0.0037)。小斑块变化速率最快,其次为中斑块,而大斑块和巨斑块表现出相似特征,均较小。揭示随分析尺度的增加小型斑块数量迅速减少,大型斑块缓慢增加;目视解译中大型斑块对小型斑块融合后的响应不敏感,小型斑块是分析尺度响应敏感斑块。验证分析尺度对数据的影响主要由中小斑块损失造成。斑块化的另一个指标平均斑块面积,除巨斑块外,各级斑块平均斑块面积随显示尺度增加有逐渐聚合增大现象。同时伴随着小面积级别斑块转化为大面积级别斑块,导致一定尺度后平均斑块面积有所下降(中小斑块1∶8000,大斑块1∶4000～1∶6000)。巨斑块平均斑块面积尺度效应在1∶2000～1∶6000间下降,>1∶6000后保持平衡,巨斑块一方面面积增加,另一方面伴随有数量增加,分析尺度从小到大对应的斑块数依次为5、6、7、7、7,转化而来的斑块,面积多处于大斑块和巨斑块临界值,所以其平均斑块面积对应有减小→平衡的变化趋势,也是导致斑块等级越高,平均斑块面积变幅越大的原因,这与前述结论并不矛盾,是景观破碎化降低的表现。平均斑块面积从另一个方面论证了景观破碎化随尺度增加而减小。从周长密度、平均斑块形状指数都随显示尺度增加而持续减小来看,所有斑块形状都趋于规则化,周长密度有上述变幅逐级减小现象,而平均斑块形状指数变幅却逐级增加,说明一方面小型斑块的大量消失使斑块越小边界变化越大,是目视解译中对数据提取量影响的体现;另一方面斑块面积越大,形状越不规则。从景观指数变化来看,不同分析尺度下获取的数据不同,各种景观指数随分析尺度变化而明显变化,在景观格局特征上表现出差异性,这种差异是由于不同解译尺度造成的,并非景观特征本身随分析尺度的变化而发生改变。必将影响到以景观格局特征为要素的土壤、生物、小气候等其他后续研究。综合分析各指数的尺度效应可见,多数小斑块\,中斑块有相同的变化趋势,即阶段性变化,各指数尺度效应相同尺度区域对应相似;大斑块和巨斑块景观指数受融合中小斑块和显示尺度增加双重影响有增有减,但以大斑块景观指数波动变化,小尺度时变化显著,大尺度时波动平衡,以及巨斑块指数在分析尺度达到1∶6000以后变化非常缓慢为特点,且大斑块和巨斑块与中小斑块相比变化幅度小(除斑块面积、平均斑块形状指数)。说明不同等级斑块对分析尺度敏感性不同,小面积斑块尺度效应敏感,贡献大。3.3不同景观类型的斑块土地利用类型及尺度变化各种土地利用类型随显示尺度增加斑块数量减少,导致平均斑块面积增大,斑块密度、平均斑块形状指数减小(图2)。青海云杉、高山草甸斑块数量单调减少,当显示尺度达1∶8000后基本不变;作为优势土地利用类型,青海云杉、高山草甸平均斑块面积大幅增加,1∶8000后也有保持平衡状态趋势。与表达斑块化密切相关的斑块密度尺度效应虽然与平均斑块面积有相反的变化趋势,但都表达相同信息,尺度转折点也相同。表征斑块形状复杂程度的平均斑块形状指数和周长密度,青海云杉、高山草甸对前者响应强烈,在1∶4000处有临界值,后者无明显临界值。高山灌丛斑块数量、斑块密度、周长密度(平均斑块面积)在分析尺度1∶2000～1∶4000之间速度减小(增加)最快,此后缓慢降低(升高),于1∶8000时达平衡状态。平均斑块形状指数缓慢减小中1∶8000处有不明显突变点。分析尺度1∶4000处斑块面积有不明显尺度转折点。相比较而言,裸地斑块数量多,平均斑块面积小,平均斑块形状指数小,是破碎化严重,斑块形状规则的一种土地利用类型。尺度对裸地斑块面积、平均斑块形状指数没有明显影响,斑块数量、斑块密度均在1∶4000和1∶8000处,周长密度在1∶4000处有不明显临界阈。各种景观类型的景观指数除斑块面积外,斑块数量、平均斑块面积、斑块密度、平均斑块形状指数、周长密度对显示尺度响应强烈,尺度阈出现在1∶4000～1∶8000之间,其中,1∶4000和1∶8000处居多,高于或低于尺度阈,景观指数发生迅速增减变化,尺度阈内景观指数不随尺度变化而变化或变幅较小。一些土地利用类型的部分景观指数存在两个尺度阈1∶4000和1∶8000或1∶4000和1∶6000,其中,1∶4000是景观指数发生剧烈变化的上限,当小于1∶4000时指数剧增或剧减,1∶8000是指数平衡的下限,大于1∶8000后指数不随分析尺度的变化而变化。如表2表3,不同景观类型间斑块损失与融合以1∶4000中最明显,净变化50.06hm2,主要是青海云杉和高山草甸面积损失,分别为4.51%(10.02hm2)和3.56%(12.92hm2),使高山灌丛面积增加33.33%(22.65hm2);其次为1∶6000时,主要发生次要景观类型7.02%(6.36hm2)高山灌丛和9.25%(10.65hm2)裸地转化成4.69%(16.43hm2)高山草甸。显示尺度≥1∶8000后多数景观类型面积不明显的波动,其中青海云杉面积不断增加,1∶8000到1∶10000间增加最多为3.00%(6.55hm2),主要来源于高山灌丛和少部分高山草甸、裸地的损失。对土地利用类型的分析得出与上述相似结论,1∶4000与1∶8000处是尺度阈值,1∶4000是尺度响应强烈的下限,1∶8000是尺度响应变弱或消失的上限,根据尺度对景观指数的影响可将分析尺度分为小于1∶4000,1∶4000～1∶8000,大于1∶8000三个尺度域。从斑块面积优势度角度考虑,有与等级斑块相似的尺度响应模式:次要土地利用类型裸地、高山灌丛和其他,前两者斑块数量变化最显著,优势土地利用类型青海云杉和高山草甸平均斑块面积和平均斑块形状指数变化显著。类型其他,包含线状地物,其形状变化最剧烈,边界最复杂,斑块数量和平均斑块面积小。3.4显示尺度响应景观水平上综合讨论各种指数尺度效应,如图3所示。景观面积对分析尺度响应不敏感,斑块数量、斑块密度、周长密度、平均斑块形状指数(平均斑块面积)都随显示尺度增加而阶段性减小(增加),随显示尺度增加斑块有聚合增大、形状规则化现象,景观破碎度减小、结构趋于简单。斑块数量在显示尺度小于1∶8000时单调递减,大于1∶8000后不随尺度变化而变化。由于数量的尺度响应方式,引起斑块化指标平均斑块面积从1∶2000～1∶8000单调上升,斑块密度单调下降,达到1∶8000后两者对显示尺度依赖性均变弱。周长密度既是指示斑块形状复杂程度指标,也是表达斑块破碎化指标,与上述斑块密度响应模式相似,1∶2000～1∶8000间随显示尺度增加而减小,在1∶8000处出现尺度转折点。平均斑块形状指数在1∶4000时达到平衡,此后保持变化。另外与小型斑块的相同之处是,各尺度效应曲线形态相似,以1∶6000处为分割点,两侧变化趋势对应相同,即1∶2000～1∶4000之间与1∶6000～1∶8000之间变化速率快,1∶4000～1∶6000之间与1∶8000～1∶10000之间变化缓慢。同时,相对应的两段曲线形状也存在相似性,除斑块密度、平均斑块面积1∶2000～1∶4000比1∶6000～1∶8000之间变化显著外,均前者较后者变化强烈,当显示尺度≥1∶8000时变化缓慢。说明:①各种景观指数对显示尺度变化的响应具有阶段性;②随显示尺度增加景观指数的变化速率趋于减小,不同显示尺度下所提取的数据差别减小,信息量损失主要发生在较大显示尺度下小面积斑块的融合消失;③大面积斑块融合小面积斑块后其本身对数据变化贡献不明显;④1∶4000和1∶8000处是尺度转折点。从景观水平而言,1∶4000与1∶8000处是尺度阈值,1∶4000是尺度响应强烈的下限,1∶8000是尺度响应变弱或消失的上限,根据尺度对景观指数的影响可将分析尺度分为小于1∶4000,1∶4000～1∶8000,大于1∶8000三个尺度域。4视角解译的显示尺度依据面积因素在斑块等级划分合理的基础上,从景观水平、景观类型水平、斑块等级水平全面分析了各种景观指数的尺度效应。景观整体水平上景观面积是分析尺度弱敏感指数,斑块数量、斑块密度、周长密度、平均斑块形状指数尺度效应曲线,随分析尺度增加单调下降,平均斑块面积尺度效应曲线单调上升。景观随显示尺度增加破碎化减小,斑块形状趋于规则。斑块等级水平上的小斑块、中斑块相应的尺度效应曲线阶段性持续增减;部分大斑块波动性变化,但是变化幅度较小,大斑块变化趋势呈现出过渡性;巨斑