3S技術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

(交通部公路科學研究院,北京 100088)

高速公路是長距離連續的大型建筑構造物,它的建設和營運,對生態環境造成的影響是永久的、不可逆轉和再生的[1],作為一種線狀干擾廊道,其特點是連通性較高,新廊道的出現將對現有景觀功格局產生一定的不利影響。公路景觀環境評價研究是我國公路建設中的新課題[2],景觀生態學的發展為公路景觀環境評價研究提供了新理論、方法和技術手段,研究高速公路的建設對沿線景觀格局的影響有利于維護區域生態環境建設的規劃管理和區域的可持續發展,為景觀動態研究提供基礎信息,同時也有利于進一步研究道路和生態系統的交互作用機制[3]。土地利用/土地覆被變化(LUCC)越來越多的應用于生態環境變化的研究中,它是全球變化研究的核心內容之一[4-6],研究土地覆被動態變化可以把握公路的建設對陸表的干擾程度。顏長珍等人利用LandsatˉTM衛星數據,對地處半干旱區的張家口、榆林和定西3個典型區在1997年和2002年的土地覆被進行了遙感監測,并以土地覆被類型變化面積和景觀格局指數為指標分析了生態環境建設工程的效果及由此而產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三個時相的衛星數據,通過人機交互式解譯在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變化規律[8]。目前國內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的定量化應用尚缺少進一步的研究,文章利用了思小公路建設前后的衛星數據,對公路路域范圍內的土地利用變化和景觀格局指標進行了分析,總結了公路建設前后的土地利用變化和景觀格局的動態變化規律。

1 研究區域概況

思小高速公路位于云南省思茅市和景洪市境內,呈南北走向,境內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。根據地貌成因可分為:山間盆地、河谷、構造剝蝕地形3種地貌單元。本項目所在區域屬熱帶-亞熱帶氣候區,干旱季節分明,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 數據來源和研究方法

2.1 數據來源

研究所用數據來源于美國陸地衛星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的數據代表施工建設之前的環境本底值數據,以2007-01-21時相代表公路建成之后的數據);影像的空間分辨率為30 m×30 m,投影方式是T ransverse Mercator投影。該數據無云覆蓋,總體成像質量效果較好。結合地面調查點作為參考,該遙感數據空間分辨率可以滿足宏觀、快速對植被覆蓋狀況獲得認識的基本要求。

2.2 研究方法

2.2.1 圖像預處理 擇思小高速公路兩側10 km范圍的不同緩沖區為研究區域,選用完全覆蓋研究區的2景不同時相的Landsat5-TM數據為基本數據源。數據通過輻射糾正,以1∶5萬的地形圖為基準,利用二次多項式和雙線形內插法對圖像進行了幾何校正,經重新選點檢驗,誤差在一個象元內。以2007-01-21的TM數據為基準,應用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準化處理,以消除可能的物候狀況差異。

2.2.2 土地覆被變化數據處理 參照全國土地利用現狀調查技術規程、全國土地利用現狀分類系統及思茅、景洪土地利用現狀,根據實地調查和遙感衛星影像解譯,將評價區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、調查研究的基礎上,充分利用現有資料,基于遙感和地理信息系統軟件等先進的技術手段和方法,進行分析。技術路線為:遙感圖像選取→圖像分析解譯標志建立→判讀與制圖→面積量算,已形成一套成熟技術路線。

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

2.2.4 景觀結構空間變化 公路建設項目景觀生態影響關注的內容是景觀生態系統在公路建設的干擾下發生了怎樣的變化。景觀空間格局指數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化關系,這就需要依賴于景觀空間結構變化轉移矩陣分析。景觀類型之間的相互轉化情況,可以采用馬爾柯夫轉移矩陣來進一步描述[13]。這是一種以地圖代數原理為基礎,定量化度量景觀空間組分變化的有效手段。通過馬爾柯夫轉移矩陣,可以定量說明土地利用景觀類型之間的相互轉化狀況,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移的數量關系和轉移矩陣。

在對景觀類型變化圖進行統計分析后,可以得到由k時期到k+1時期第k+1類土地利用類型轉換為第j類土地利用類型的面積數Aij。由此,土地利用類型轉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移矩陣表。

3 結果與分析

3.1 土地利用現狀分析

基于ENV I4.2遙感數據處理軟及以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10 km范圍內不同距離的緩沖區域進行土地利用現狀人機交互式解譯得到公路修建之前及建路之后的土地利用現狀圖如圖1。

表1 各類景觀指標的代表意義一覽表

圖1 2001年思小路土地利用現狀圖

以建設公路前后土地利用圖為依據,以A rcGIS軟件為平臺計算不同緩沖區研究區域在公路建設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計沿線兩側1,2,5,10 km等4個緩沖區建設前和建路后土地利用類型的面積變化情況,具體數據如表2所示。建路前后各土地利用類型相對相應的緩沖區面積變化見圖2所示。

從表2及圖2中可以看出,各土地利用類型在相應緩沖區隨著時間的變化,整體上稀樹灌木草地和耕地面積有所減少,城鎮建設用地的面積明顯增加,主要是因為公路建設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,研究范圍內林地有向外擴充的增長趨勢。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(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范圍緩沖區各地類在建設前后的變化趨勢就較為接近了。

3.2 景觀空間結構變化轉移矩陣分析

為了能明顯的統計分析出公路路線周圍的路域土地利用類型變化情況,從而總結公路建設對各土地利用類型的影響,所選用的研究區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緩沖區范圍為景觀轉移分析的研究區域,統計其各地類的轉移變化情況。通過以上方法將兩期影像進行疊加運算后得到研究區域隨時間推移,得到景觀類型轉移矩陣表如表3所示。

土地利用類型的空間轉變分布圖如圖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化比例大小情況,如圖4所示。

表2 不同緩沖區各地類修路前后面積變化

圖2 緩沖區面積變化對比

表3 k時期到k+1時期景觀面積轉移矩陣

圖3 土地利用類型轉移矩陣時空變化圖

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化面積最小,只有稀樹灌木草地與林地系統進行轉換的數量相對較大,其它包括公路在內的城建用地與林地、水域的面積交換數量很小,說明在公路建設過程中,施工建設和公路占地對林地這種地類干擾很小,公路在選線時已經考慮了避讓大片林地,公路建設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、耕地系統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化集中體現在圖4-6中,從圖中可以清晰的判別出城建用地轉化為灌木草地及耕地的面積比例遠遠小于灌木草地及耕地轉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張而形成的城建用地。轉變成其它地類(如轉變成的林地、灌木草地等)的空間分布都是零星均勻分布在路線的兩側。

圖7 耕地 B、C變化圖

圖8 水域地B、C變化圖

4 結論

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

(2)對于景觀指標應用于思小公路而言,林地、水域與其它地類的轉化面積最小,只有稀樹灌木草地與林地系統進行轉換的數量相對較大,其它包括公路在內的城建用地與林地、水域的面積交換數量很小;城建用地轉化為灌木草地及耕地的面積比例遠小于灌木草地及耕地轉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范圍內景觀指標變化的幅度不相同,離公路距離越近的緩沖區,景觀指標值的變化幅度越大,公路修建對近距離緩沖區內景觀格局的影響越大,隨著公路兩側緩沖區距離的增加,其對研究范圍內景觀格局的影響減小。

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