遥感及Fragstats在土地利用景观格局分析中的应用

收稿日期： 2010-05-19 基金项目：福建省教育厅 A类项目（JA08205） 作者简介：傅文杰（1967-），男，副教授，博士，主要从事遥感技术及 GIS应用研究。 0 引言 土地利用 / 土地覆盖变化是人类赖以生存的 地球 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 层生态环境变化的重要体现， 是对生态系 统影响最为重要的全球变化因素之一[1-2]。 对土地 利用 /土地覆盖变化的研究，成为生态与地理学研 究的前沿。 土地利用景观格局主要是指不同类型 的大小和形状不一的土地利用斑块在空间上的排 列，是景现异质性的具体表现。 对土地利用景观格 局研究的目的在于在似乎由无序的土地利用斑块 镶嵌而成的景观上， 发现其潜在有意义的有序或 规律， 是探讨景观空间格局和生态过程相互关系 的基础[3]。 现代遥感技术的发展，为土地利用景观 格局研究提供了信息源与技术手段[4-5]。 本文以遥感影像为主要数据源， 对研究区遥 感图像进行土地利用分类， 并借助 Fragstats 软件 计算目前相对成熟的景观格局指数， 对莆田市城 厢区土地利用景观空间格局和现状进行 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，对 促进土地利用结构的调整与优化、综合整治、保护 土地、 充分挖掘土地利用潜力及保持国民经济的 第 17 卷 第 5 期 莆 田 学 院 学 报 Vol.17 No.5 2010 年 10 月 Journal of Put ian University Oct. 2010 文章编号：1672-4143（2010）05-0045-05 中图分类号：TP79 文献标识码：A 遥感及 Fragstats在土地利用景观格局分析中的应用 傅文杰 （莆田学院 环境与生命科学系，福建 莆田 351100） 摘 要：以莆田市城厢区为例，应用 HJ-1B遥感影像为数据源，利用最大似然法对遥感图像进行土地利用分类 并运用 Fragstats3.3软件计算景观格局指数，选取斑块大小、分维数、破碎度、蔓延度、均匀度和多样性指数等指 标,对研究区土地利用景观空间格局进行了分析，揭示了研究区景观类型相对稳定、森林覆盖率高、景观形状较 规则的特点。 关键词：遥感；Fragstats软件；景观空间格局；土地利用；城厢区 Analysis on Landscape Patterns of Land-Use Based on Remote Sensing & Fragstats FU Wen-jie ( Environment & Life Sciences Department, Putian University, Putian Fujian 351100, China ) Abstract：This paper, taking Chengxiang district as an example, makes the land use classification by maximum likelihood classifier and establishs landscape pattern indices using the landscape structure analysis program Fragstats with HJ-1B remote sensing image. Through selecting patches, fractal dimension, fragmentation index, contagion index , evenness index, and diversity index, the landscape structure of land-use in this region were analyzed. The result shows that the study region has the features of stable landscape classes, high vegetation coverage and regular landscape shape. Key words：remote sensing；Fragstats software；landscape spatial pattern；land-use；Chengxiang district 莆 田 学 院 学 报 2010 年 10 月 持续健康发展等都具有重要意义。 1 研究区概况 莆田，史称“兴化”，位于福建省沿海中部。 现 辖荔城区、城厢区、涵江区、秀屿区和仙游县。 城厢 区地处海峡西岸经济区， 是扼东南沿海中部水陆 交通要冲的黄金地带， 有着突出的区位优势，324 国道、福泉高速公路、高速铁路贯穿全境，为莆田 市政治、文化、教育、商业中心。 全区面积 541km2， 人口 36万人。 辖霞林、凤凰山和龙桥三个街道，常 太、华亭、灵川和东海四个镇。 区内森林覆盖率大 于 60%，人均公共绿地面积 10m2，正在向国家园 林城市迈进。 历史文化源远流长，人文景观荟萃， 城内有千年古刹广化寺、 大型古堰木兰陂等著名 旅游景点，北部是水光潋滟的东圳水库，南面是碧 波荡漾的湄洲湾。 属南亚热带海洋性季风气候，四 季常青，物华天宝，气候温暖，雨量丰沛，日照充 足，土壤肥沃，生物资源和物产资源丰富。 2 土地利用分类 2.1 数据来源与预处理 环境减灾卫星 HJ-1B 是我国自主研制发射的 环境与灾害监测预报小卫星， 该卫星的主要任务 是对自然灾害、生态破坏、环境污染进行大范围、 全天候、全天时的动态监测。 搭载在 A、B 双星的 两台 CCD相机是卫星实现观测任务的重要武器， 其将在水体污染管理、城市 规划 污水管网监理规划下载职业规划大学生职业规划个人职业规划职业规划论文 、土地分类利用、 土地沙化、植被分类和测绘、农业估产、病虫害分 析、干旱分析、火灾分析、地质分析、矿产调查、海 岸带研究等方面发挥重要作用。 本文所用遥感影 像为环境减灾卫星 HJ-lB 的 CCD 影像数据，接收 时间为 2009年 12月 22日，轨道号为 449／88，中央 地理坐标为东经 119.138411°，北纬 24.0893975°。 CCD 图像一共有 4 个波段， 分别为：B1，0.609 5； B2，0.6226；B3，0.9313；B4，0.9129。 其属于二级 产品，分辨率为 30m。 为了提高分类精度，原始图 像 4 个波段合成后，对遥感图像包括大气校正、几 何校正、地理配准及裁剪等数据进行预处理。 选取 大小为 778×1276像元的子区作为试验区。实验区 包括平原、台地、丘陵及低山等各种地貌类型。 2.2 研究区土地利用分类 参考土地利用现状分类国家标准[6]，针对研究 区的特点，结合莆田市国土资源局提供的 1:50000 土地利用现状图， 确定该区土地利用的一级类别 为 7 类，即：水体、建设用地、耕地、园地、林地、草 地及裸地，如表 1所示。 表 1 研究区土地利用类型的划分及含义 2.3 基于 ENVI的土地利用分类 本文利用 ENVI 提供的监督分类中的最大似 然法（maximum likelihood）对莆田市城厢区土地 利用类型进行分类。 最大似然分类是监督分类方 法之一， 它通过求出每个像素对于各类别的归属 概率，把该像素分到归属概率最大的类别中去。 最 大似然法假定训练区地物的光谱特征近似服从正 态分布，利用训练区可求出均值、方差以及协方差 等特征参数，然后求出总体的先验概率密度函数， 并利用 Bayes 公式进行后验概率的计算， 根据其 编码 类型 类型含义 1 园地 指种植果树的园地，有专业性果园、果 农兼作果园和庭院式果园等类型。 2 林地 指覆盖在某一地区地面上具有一定密 度的许多植物的总和。 如森林、草原、 灌丛、荒漠、草甸、沼泽等，总称为该地 区的林地。 分为自然林地和人工 （栽 培）林地。 3 水体 指天然形成的或人工开挖的水体用 地，包括河流、水库、湖泊、人工沟渠等 水面， 不包括泄洪区和垦植 3 年以上 的滩地、海涂中的耕地、林地、居民点、 道路等。 4 耕地 指种植农作物的土地，包括熟地、新开 发复垦整理地、休闲地、轮歇地、草田 轮作地，以种植农作物为主，间有零星 果树，桑树或其他树木的土地。 5 草地 指生长草本植物为主的土地， 包括天 然草地、人工草地及改良草地等。 6 裸地 指表层为土质, 基本无植被覆盖的土 地； 或表层为岩石、 石砾， 其覆盖面 积≥70%的土地。 7 建设用地 指建造建筑物、构筑物的土地，包括城 乡住宅和公共设施用地、工矿用地、交 通水利设施用地、旅游用地、军事设施 用地等。 46 第 5期 傅文杰：遥感及 Fragstats在土地利用景观格局分析中的应用 类别 水体 园地 农田 植被 建筑地 草地 裸地 行总计 水体 39 1 0 0 0 0 0 40 园地 0 35 3 0 3 0 0 41 农田 0 4 37 3 0 5 0 49 植被 1 0 0 32 0 2 0 35 建筑地 0 0 0 0 35 0 1 36 草地 0 0 0 5 0 33 0 38 裸地 0 0 0 0 2 0 39 41 列总计 40 40 40 40 40 40 40 280 最大值原则判定类别归属[7]。 根据实地调查结果与城厢区 1:10000地形图， 同时参照遥感影像彩色合成解译标志， 对遥感影 像进行训练样本的选取。 不同地物由于自然、社会 因素的影响会出现同物异谱的现象， 因此样本的 选择应尽可能的与该种地类的分布在空间上相一 致，而不能集中在局部位置上。 最终得到最大似然 分类的土地利用景观分类图（见图 1）。分类结果采 用随机抽样检验的方法每类分别选取 40 个点，共 280 个样点，进行实地考查印证，以此来评价分类 结果的准确性，评价的混淆矩阵见表 2，验证结果 分类正确率达 89%以上， 表明遥感图像的土地利 用分类结果比较理想。 3 景观空间格局评价与分析 3.1 景观格局指标的构建 景观空间格局指数能够集中概括景观格局信 息， 可以用数据的形式建立景观结构与景观生态 过程的联系， 从而可以更好地理解生态景观的功 能和过程。 因为表示景观信息的各种景观指数之 间高度相关， 且本文以研究莆田市城厢区的景观 格局结构为目的， 因此所选指标以反映景观结构 基本信息为主要方面。 在考虑实用性、综合性和因 地制宜等原则的基础上， 本文主要选用了斑块个 数 （NP）、 斑块平均大小 （MPS）、 景观类型面积 （CA）、 景观类型百分比 （PLAND）、 分维数 （FRACT）、景观均匀度指数（SHEI）、景观蔓延度 指数（CONTAG）、景观破碎度指数（FN）、景观多 样性指数（SHDI）9 个指标来进行分析，各指标的 生态意义及描述见表 3。 3.2 基于 Fragstats的土地利用景观指数提取 Fragstats 软件 [8]是美国俄勒冈州立大学森林 科学系开发的一个景观指标计算软件， 可以相应 计算斑块、类型、景观 3 个级别上的 277 个景观指 标， 其中斑块指数有 22个， 斑块类型指数有 123 个，景观水平指数有 132个。 以往许多学者采用的 计算景观格局指数的软件， 如 SPSS、PANS、Excel 等，不仅缺乏专业的计算模块，且数据格式兼容性 差，存在很多的缺陷和不足。 本文运用 Fragstats3.3 软件对景观格局指数进行提取计算， 不但克服了 以上景观指数计算软件的缺点，而且计算效率高。 主要的操作步骤如下： （1）将分类后的图像用 ENVI转换成 Fragstats 表 2 最大似然分类混淆矩阵 注：分类总精度为 89.2857%，Kappa 系数为 0.8750。 图 1 莆田市城厢区土地利用分类结果图 47 莆 田 学 院 学 报 2010 年 10 月 软件能识别的标准 *.hdr 格式的遥感图像，以便进 行景观指数的计算； （2）根据分类图像中景观类型的属性信息，利 用文本文件建立名为 Properties.fdc 的影像分类属 性文档，选择编码为 ANSI，保存类型为所有文件； （3） 运行 Fragstats 软件，在 run parameters 的 界面中导入遥感分类图像和影像分类属性文档， 并进行必要的参数设置； （4） 分别点击进入斑块级别（patch-level）、斑 块类型级别 （class-level）和景观级别 （landscape- level）的界面，勾选需要计算的景观指数，执行计 算后保存相应指数的计算结果。 景观水平级别指 数计算结果如下：FRAC_MN 为 1.0510，CONTAG 为 52.868 8%， SHDI 为 1.446 4， SHEI 为 0.743 3， FN为 0.0866。 斑块类型级别指数计算结果如表 4 所示。 4 景观空间格局分析 4.1 景观格局总体特征分析 计算结果表明， 研究区的总面积为 54112.41 hm2，斑块总数 4684个。比较各景观类型的面积大 小， 可得出研究区中各组分的关系为： 林地＞园 地＞建设用地＞耕地＞草地＞水体＞裸地。 说明 林地景观为研究区的主导成分。 研究区景观多样性指数 SHDI 为 1.446 4，一 般来讲，景观类型多，多样性指数就大。 从土地利 用的面积来讲，7种土地利用类型中， 林地面积最 大， 为 27 252.45 hm2， 裸地面积最小， 为 403.56 hm2，两者相差悬殊，景观面积分配相差很大，所以 景观类型 NP/ 个 MPS/ hm2 CA/ hm2 PLAND/ % FRAC_MN 水体 231 8.0845 1867.5000 3.4511 1.0477 园地 1440 6.1503 8856.5400 16.3669 1.0475 耕地 928 6.6839 6202.6200 11.4625 1.0511 林地 419 65.0416 27252.4500 50.3627 1.0591 建设用地 455 15.8281 7201.8000 13.3090 1.0373 草地 892 2.6098 2327.9400 4.3020 1.0468 裸地 319 1.2651 403.5600 0.7458 1.0389 总计 4684 105.6633 54112.4100 100 7.3284 景观指数 缩写 描 述 斑块类型面积 CA 景观中某一类型景观要素类型的总面积。 单位：hm2 斑块个数 NP 指某一景观或斑块类型中所有相关斑块的数目。 单位：个；范围：NP≥1；一般规律是 NP大，破 碎度高；NP小，破碎度低。 斑块平均面积 MPS 指某一景观或斑块类型的总面积除以该类型的拼块数目。 单位：hm2；范围：MPS＞0。 景观百分比 PLAND 指一个景观类型占整个景观的面积比例，在相对意义上给出了每个景观类型对整个景观的贡 献率。 单位：%；0≤PLAND≤100。 其值趋于 0 时，说明景观中此斑块类型变得十分稀少；其值 等于 100 时，说明整个景观只由一类斑块组成。 分维数 FRACT 分维数主要揭示由斑块组成的景观的形状和面积大小之间的相互关系，它反映了在一定的观 测尺度上景观类型形状的复杂程度和稳定性。 无单位，范围：1.0—2.0。 D 值越大，表明斑块形 状越复杂，1.0 代表形状最简单的正方形斑块，2.0 表示等面积下周边最复杂的斑块。 均匀度指数 SHEI 均匀度指数用于描述景观中各组分的分配均匀程度。无单位，范围：0≤SHEI≤1。SHEI=0 表明 景观仅由一种斑块组成，无多样性；SHEI=1 表明各斑块类型均匀分布，有最大多样性。 蔓延度指数 CONTAG 是用于测量景观是否由多种要素聚集分布的指标。单位：%；0≤CONTAG≤100。指数较高，说 明景观中的某种优势斑块类型形成了良好的连接性；反之则表明景观是具有多种要素的密集 格局，景观的破碎化程度较高。 破碎度指数 FN 反映景观被分割的破碎程度和结构复杂性,主要受人类活动的影响较大，与自然资源合理开发 利用密切相关。 无单位，范围：0—1，0 表示无破碎化，1 代表已完全破碎。 多样性指数 SHDI 该指数的大小反映景观类型的多少和各景观类型所占比例的变化。 无单位，范围：SHD≥0，无 上限。 如在一个景观系统中，土地利用越丰富，破碎化程度越高，其不定性的信息含量也越大， 计算出的 SHDI值也就越高。 表 3 景观空间格局特征指标及描述 表 4 斑块类型级别指数计算结果 48 第 5期 傅文杰：遥感及 Fragstats在土地利用景观格局分析中的应用 均匀度不高，均匀度 SHEI为 0.7433。。 通过计算研究区土地利用斑块的分维数可 知，各类土地利用类型斑块的平均分维数均较小， 介于 1.0373—1.0591，差异不十分明显。 这表明在 研究区， 土地利用斑块的形状主要取决于自然地 貌与自然环境条件。 其中， 林地的平均分维数最 大，为 1.0591，反映它的形状最复杂，最不规则，表 明它是受人类活动影响相对最小的地类。 建设用 地、裸地分维数分别为 1.037 3 和 1.038 9，形状较 规则， 表明这 2 种类型是受人类活动影响相对较 大的地类。 区域景观蔓延度为 52.8688%，说明该区景观 类型在空间构型上聚集度较适中。 研究区景观破 碎度指数为 0.0866， 说明研究区整体景观被分割 破碎不严重，自然或人为干扰较轻。 这主要是因为 占地面积最大的林地较其他景观类型相对完整， 破碎程度较低。研究区整体分维数为 1.0510，数值 低于 1.5，说明研究区景观的总体景观形状较规则 简单，有利于区域景观的规划和管理。 4.2 各斑块类型景观指数分析 从表 4 可知， 从各类景观所占地区面积百分 比上看，林地最大，其后依次是园地、建设用地、耕 地、草地、水体，最小是裸地，仅占 0.745 8%，说明 研究区景观以林地为主，森林覆盖率高，农业种植 以果园为主，水资源含量较少，林地面积占总体景 观的一半以上。 比较各景观组分的个数可知：园地 的斑块个数最多（1440 个），其次是耕地（928 个）， 最少是水体，仅为 231个。 斑块平均面积最大的是 林地，为 65.041 6hm2，平均面积最小的为裸地，为 1.2651hm2，说明林地聚集面积大，连通性好。 平均 斑块大小（MPS）间接反映景观的离散程度和破碎 化程度的大小，越小代表破碎化程度越严重。 比较 表 4 中各种类型的平均斑块大小， 可知研究区中 景观中各类别平均斑块大小为： 林地＞建设用 地＞水体＞耕地＞园地＞草地＞裸地。 说明研究 区中林地最为完整，破碎化程度最小，受干扰影响 相对较小；裸地景观的破坏程度最大。 这与景观格 局总体特征分析是一致的。 虽然林地景观作为基 质，散布许多小斑块，但其余组分的分布并未中断 林地的连通，所以林地受破坏程度较低。 5 结论 本文利用 ENVI及 Fragstats软件，对莆田市城 厢区的土地利用景观空间格局现状进行了分析， 研究结果表明：莆田市城厢区森林覆盖率高、果园 及建设用地数量多、水资源含量较少；林地聚集面 积大，连通性较好，整体研究区属于一个大斑块类 型中镶嵌许多中、 小型斑块类型的景观格局分布 模式；研究区的各类景观面积分配相差较大，均匀 度不高；景观的分维数表明，研究区的总体景观形 状较规则简单，有利于区域景观的利用和管理。 本文研究方法方便有效， 但仍有些方面需要 改进，如景观类型的分类方法比较简单，研究结论 也仅是现状的分析描述。 下一步研究应采用较为 严密复杂的分类方法，结合景观生态学原理，对研 究区的景观空间格局作深层次的分析和概括。 参考文献： [1]王秀兰，包玉海.土地利用动态变化研究方法探讨[J].地 理科学进展，1999，18（1）：81-87. [2]薛欣飞.太原市杏花岭区土地利用景观格局分析[D].太 原：山西大学，2008. [3] Mendon觭a-Santos M L , C Claramunt. An integrated landscape and local analysis of land cover evolution in an alluvial zone[J]. Compurters, Environment and Urban Systems, 2005, 25：557-577. [4] 潘琛，耿直，王琛. 基于遥感技术的城市景观格局分析 [J].黑龙江科技信息，2008，32（5）：31-32. [5]夏兵，牛树奎.基于遥感的北京地区景观格局演变研究 [J].江西林业科技，2006，16（1）：43-50. [6] GB/T 21010-2007,土地利用现状分类[S]. [7] J D Paola, R A Schowengerdt. A detailed comparison of backpropagation neural network and maximum- likelihood classifiers for urban land use classification [J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1995, 33（4）：981-996. [8] Neel, Maile C , McGarigal, et al. Behavior of class-level landscape metrics across radients of class aggregation and area[J]. Landscape Ecology, 2004, 19：435-455. [责任编辑 林 锋 ] 49