全 文 ：基于遥感数据的晋陕蒙交汇区景观格局定量分析
———以榆林幅 1/ 25 万 TM 影像分析为例 3
李团胜
(长安大学地球科学与国土资源学院 ,西安 710054)
Quantitative analysis of landscape patterns at the juncture of Shaanxi ,Shanxi and Inner Mongolia ,based on re2
mote sensing data —Taking Yulin sheet TM image as an example. L I Tuansheng ( College of Earth Science and
L and Resources , Chang’an U niversity , Xi’an 710054 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2004 ,15 (3) : 540～
542.
Based on the TM image of Yulin sheet and with the help of ERDAS ,ARC/ INFO and ARC/ V IEW software ,the
landscape of Yulin sheet was classified. Using the spatial pattern analysis software FRA GSTA TS of the vector
version ,a set of landscape indices were calculated at three scale levels of patches ,classes and landscape. The re2
sults showed that landscape pattern indices could be successfully used in characterizing the spatial pattern of the
studied area. However ,this study should be further extended to the landscape of the same area in other period to
analyze its dynamic change. FRA GSTA TS was a good software ,but should be improved by adding some indices
such as PD2 developed by us.
Key words 　RS and GIS , Landscape pattern analysis , Landscape indices , FRA GSTA TS.
文章编号 　1001 - 9332 (2004) 03 - 0540 - 03 　中图分类号 　TP79 　文献标识码 　A
3 国家自然科学基金重点项目 (90102004)和陕西省科学计划资助项
目 (2002D06) .
2003 - 03 - 17 收稿 ,2003 - 07 - 14 接受.
1 　引 　　言
景观生态学的产生与发展 ,给传统生态学与地理学带来
了活力与许多新思想. 其研究方法与成果为资源开发和环境
生态保护提供了新的科学方法和决策依据. 景观异质性是景
观生态学的核心概念之一. 景观格局是景观异质性的表
现[2 ,3 ,5 ,9 ] .景观格局分析是景观生态学研究任务之一 ,是定
量研究斑块在景观中的分布规律. 空间格局分析的目的是从
无序的景观上发现潜在的有意义的秩序和规律 [5 ] . 而景观格
局分析是因为景观格局对其中元素流产生影响 ,不同景观格
局或景观格局动态演变导致区域景观功能发生变化 [7 ] ,景观
格局会影响到物种的丰度、分布和种群的生存能力与抗干扰
能力[1 ,4 ] ,以及各种生态过程 ,即景观结构或景观格局决定
景观功能. 景观结构与功能是景观生态学的基本命
题[6 ,8～11 ] .本文基于 TM 影像遥感数据 ,通过 GIS 软件的处
理和分析 ,对研究区进行了景观分类与格局分析.
2 　研究地区与研究方法
211 　研究地区概况
晋陕蒙交汇区是一个典型的生态过渡区 ,在地质、地貌、
气候、土壤和生物等自然条件与社会经济条件方面 ,都表现
出强烈的过渡性和波动性. 该区一直是我国荒漠化研究重点
地区之一. 本研究区是 1/ 25 万 TM 影像榆林幅所涉及的范
围 (38°00′～39°00′N ,109°30′～111°00′E) ,包陕西的榆林、神
木 ,内蒙的乌审旗和山西的兴县、临县的部分地区.
212 　研究方法
21211 景观分类 　景观分类有多种体系 [11 ] . 本文根据地貌
特征、植被特征及土地利用对 TM 遥感图像进行分类处理 ,
所用 TM 影像是 1996 年 8 月 20 日 1/ 25 万榆林幅 1 景 ,对
TM 影像数据进行假彩色合成 ,合成方案为波段 3、波段 4 和
波段 5 ,形成景观图. 利用此图在野外实地调查 ,通过 GPS 实
地定位 ,选择可以识别或借助实地调查的地面信息作为判定
其类型的像元建立模板 ,最后基于该模板用监督分类使计算
机系统自动识别具有相同特征的像元 ,并辅之以人工目视校
验 ,在此基础上形成景观分类图 (图 1) . 共分出耕地、草地、
林地、沙地、盐碱地、裸岩石砾地、城镇用地、水体、滩地 9 类.
图 1 　榆林幅景观图
Fig. 1 Landscape map of Yulin sheet .
1)草地 Grassland ; 2) 城镇 City and town ; 3) 耕地 Farmland ; 4) 林地
Forest land ;5)裸岩石砾地 Rock ;6) 沙地 Sand land ;7) 水体 Water ;8)
滩地 Flood land ;9)盐碱地 Saline2alkali land.
21212 景观空间格局分析 　通过 ARC/ INFO、ARCV IEW 等
应 用 生 态 学 报 　2004 年 3 月 　第 15 卷 　第 3 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Mar. 2004 ,15 (3)∶540～542
GIS软件对景观图进行处理后 ,采用 FRA GSTA TS软件从斑
块、斑块类型和景观 3 个水平上计算了景观格局指数 ,以揭
示研究区内的景观格局特征.
3 　结果与分析
311 　斑块特征
榆林幅景观图共有 2 541 块斑块 . 在斑块水平上 ,计算
了这些斑块的特征参数和相应的景观指数 (如面积、周长、形
状指数、分维数等) . 这些指数对研究物种的某些生态学特征
(如物种的扩散与迁移、种群动态等) 具有重要意义. 表 1 是
部分斑块的特征. 最小的斑块是第 29 号斑块 (耕地) ,面积
0. 6 hm2 ,最大斑块是 834 号斑块 (草地) ,面积为 264 302. 5
表 1 　榆林幅景观图斑块水平上的景观指数(部分斑块)
Table 1 Each patch landscape metrics of Yulin sheet( partial patches)
类型
Type
斑块号
Patchid
周 长
Perimeter
(m)
面 积
Area
(hm2)
景观相似
性指数
Landscape
similarity
index
形状指数
Shape
index
分维数
Fractal
dimension
边缘对
比指数
Edge contrast
index
( %)
耕 　地 29 360. 0 0. 60 26. 79 1. 31 1. 35 0. 01
Farmland 966 1131270. 0 37965. 90 26. 79 16. 38 1. 41 0. 02
草 　地 834 7256174. 0 264302. 50 53. 81 39. 82 1. 46 0. 03
Grassland 2332 33481. 0 591. 70 53. 81 3. 88 1. 34 0. 02
林 　地 2041 3805. 0 43. 60 6. 59 1. 63 1. 27 0. 04
Forestland 1737 9262. 0 352. 20 6. 59 1. 39 1. 21 0. 04
沙 　地 523 2680. 0 53. 60 10. 54 1. 03 1. 20 0. 06
Sand land 1353 1370. 0 9. 40 10. 54 1. 26 1. 26 0104
盐碱地 121 4217. 0 39. 10 0. 02 1. 90 1. 30 0. 05
Saline alkali land 139 4890. 0 91. 30 0. 02 1. 44 1. 24 0. 05
裸岩石砾 1722 5147. 0 75. 60 1. 12 1. 67 1. 26 0. 06
Rock 1862 5752. 0 93. 10 1. 12 1. 68 1. 26 0. 06
城镇用地 1843 7050. 0 241. 10 0. 14 1. 28 1. 21 0. 08
City and town 478 20673. 0 627. 20 0. 14 2. 33 1. 27 0. 07
水 　体 2411 40301. 0 541. 40 0. 66 4. 88 1. 37 0. 06
Water 1646 5777. 0 42. 70 0. 66 2. 17 1. 31 0. 07
滩 　地 1072 1727. 0 8. 40 0. 33 1. 68 1. 31 0. 03
Flood land 2295 4161. 0 28. 00 0. 33 2. 22 1. 33 0. 05
hm2 .
312 　类型特征
　　在类型层次上 ,计算了 9 个景观类型的景观指数 (如形
状指数、斑块面积变异系数、分维数等) . 由表 2 可见 ,1) 分布
面积占研究区域总面积达 531811 %的草地景观的最大斑块
指数、平均形状指数、面积加权平均斑块分维数、斑块面积标
准差、边缘密度、加权边缘总长度、对比度加权边缘密度、总
边缘长度、平均斑块大小、面积加权平均形状指数都显著大
于其它景观类型 ,表明该景观在研究区域内占绝对优势 ,其
连接性、完整性比其它景观类型好 ,是研究区内的基质 ,但斑
块和景观的空间形状较为复杂 ,表现出受到强烈的干扰特
征 ;2)耕地的斑块数量最多 ,面积也较大 ,仅次于草地景观的
面积 ,因而斑块密度最大 ,斑块面积变异系数、景观形状指数
最大 ,表明耕地在研究区有较高的连通性和大块聚集分布的
特征 ,且景观的空间形状复杂 ,表现出人为活动强烈影响特
征 ;3)沙地面积占整个景观面积的 101542 % ,居第 3 ;斑块数
占 11. 4 % ,居第 2 ,其最大斑块指数、面积加权平均边缘对比
度指数、平均形状指数、面积加权平均斑块分维数、平均边缘
对比度指数、总边缘对比度指数都较小 ,表现出萎缩特征.
313 　景观特征
在景观水平上计算了整个榆林幅的景观格局指数 (如多
样性指数、面积指数、斑块密度指数等 30 个指数) (表 3) ,为进
一步研究整个地区的生态过程变化提供了必要的条件. 利用
景观水平的指数适合于进行不同时相或不同区域景观格局和
变化特征的比较分析 ,由于本研究只有 1 景遥感数据 ,因而对
景观水平上计算的指数只是表明研究区总的景观格局特征.
4 　讨 　　论
晋陕蒙交汇区是农牧过渡带 ,一直是人们所关注的重点
区域之一 ,通过 3S技术 ,能很好地监测农牧过渡带景观的变
表 2 　榆林幅每种景观类型的景观指数
Table 2 Each class landscape metrics of Yulin sheet
景观参数与指数
Landscape indices
耕　地
Farmland
草　地
Grassland
林　地
Forestland
沙　地
Sand land
盐碱地
Saline alkali land
裸岩石砾
Rock
城镇用地
City and town
水　体
Water
滩　地
Flood land
面积 Area(hm2) 388850. 90 781049. 40 95713. 70 153016. 60 267. 60 16210. 90 2007. 30 9637. 80 4724. 70
斑块数 Number of patches( # ) 1855 204 85 290 4 40 3 28 32
景观比例 Percent of landscape( %) 26. 790 53. 811 6. 594 10. 542 0. 018 1. 117 0. 138 0. 664 0. 326
最大斑块指数 Largest patch index( %) 2. 991 18. 209 2. 515 1. 497 0. 007 0. 170 0. 078 0. 361 0. 217
斑块密度 Patch density( # ·100 hm - 2) 0. 128 0. 014 0. 006 0. 020 0. 000 0. 003 0. 000 0. 002 0. 002
平均斑块大小 Mean patch size(hm2) 209. 623 3828. 674 1126. 044 527. 643 66. 900 405. 272 669. 100 344. 207 147. 647
平均边缘对比度指数 Mean edge contrast index( %) 0. 023 0. 031 0. 043 0. 045 0. 050 0. 062 0. 077 0. 068 0. 046
面积加权平均边缘对比度指数 Area2weighted mean edge contrast index( %) 0. 000 0. 010 0. 030 0. 010 0. 060 0. 020 0. 080 0. 060 0. 030
平均形状指数 Mean shape index 2. 095 3. 083 2. 118 1. 776 1. 615 2. 379 1. 740 2. 903 2. 316
面积加权平均形状指数 Area2weighted mean shape index 6. 696 28. 980 6. 110 4. 067 1. 635 3. 216 1. 796 8. 202 7. 500
平均斑块分维数 Mean patch fractal dimension 1. 287 1. 281 1. 256 1. 248 1. 263 1. 281 1. 230 1. 307 1. 304
面积加权平均斑块分维数 Area2weighted mean patch fractal dimension 1. 152 1. 408 1. 314 1. 279 1. 260 1. 304 1. 229 1. 394 1. 385
斑块面积标准差 Patch size standard deviation(hm2) 1454. 511 23526. 485 4423. 474 1794. 444 33. 647 471. 662 450. 414 995. 009 551. 250
斑块面积变异系数 Patch size coefficient of variation( %) 693. 870 614. 481 392. 833 340. 087 50. 294 116. 382 67. 316 189. 073 373. 357
总边缘长度 Total edge length(km) 20014. 353 23730. 597 2213. 550 4132. 531 18. 409 701. 974 46. 961 643. 895 366. 688
边缘密度 Edge density(km·hm - 2) 0. 014 0. 016 0. 002 0. 003 0. 000 0. 000 0. 000 0. 000 0. 000
加权边缘总长度 Total weighted edge length(km) 4472. 782 5956. 327 1032. 592 1871. 209 9. 582 442. 162 34. 187 449. 932 145. 343
对比度加权边缘密度 Contrast2weighted edge density(km·hm - 2) 0. 003 0. 004 0. 001 0. 001 0. 000 0. 000 0. 000 0. 000 0. 000
总边缘对比度指数 Total edge contrast index( %) 22. 348 25. 100 46. 649 45. 280 52. 049 62. 988 72. 799 69. 877 39. 637
景观形状指数 Landscape shape index 0. 091 0. 076 0. 020 0. 030 0. 003 0. 016 0. 003 0. 019 0. 015
加权景观形状指数 Landscape shape index calculated using weighted edge length 0. 020 0. 019 0. 009 0. 013 0. 002 0. 010 0. 002 0. 013 0. 006
1453 期 　　　　　　　　　　　　　李团胜 :基于遥感数据的晋陕蒙交汇区景观格局定量分析 　　　　　　　　　　　
表 3 　榆林幅整个景观的景观指数
Table 3 Landscape metrics of Yulin sheet
景观指数
Landscape indices
值
Value
景观指数
Landscape indices
值
Value
总景观面积 Total landscape area (hm2) 1451478. 9 Shannon 多样性指数 Shannon’s diversit y index 1. 216
斑块总数 Number of patches( # ) 2541 Simpson 多样性指数 Simpson’s diversity index 0. 623
景观比例 Percent of landscape( %) 100. 000 修正的 Simpson 多样性指数 Modified Simpson’s diversity 0. 976
斑块密度 Patch density( # ·100 hm - 2) 0. 175 Shannon 均匀度指数 Shannon’s evenness index 0. 553
最大斑块指数 Largest patch index( %) 18. 209 Simpson 均匀度指数 Simpson’s evenness index 0. 701
平均斑块大小 Mean patch size (hm2) 571. 223 修正的 Simpson 均匀度指数 Modified Simpson’s evenness index 0. 444
平均边缘对比度指数 Mean edge contrast index( %) 0. 028 总边缘长度 Total edge length(km) 25934. 479
面积加权平均边缘对比度指数 Area2weighted mean edge contrast index( %) 0. 010 边缘密度 Edge density(km·hm - 2) 0. 018
平均形状指数 Mean shape index 2. 153 加权边缘总长度 Total weighted edge length(km) 7207. 057
面积加权平均形状指数 Area2weighted mean shape index 18. 209 对比度加权边缘密度 Contrast2weighted edge density(km·hm - 2) 0. 005
平均斑块分维数 Mean patch fractal dimension 1. 202 总边缘对比度指数 Total edge contrast index( %) 27. 789
斑块面积标准差 Patch size standard deviation(hm2) 6911. 835 景观形状指数 Landscape shape index 0. 061
斑块面积变异系数 Patch size coefficient of variation( %) 1210. 006 加权景观形状指数 Landscape shape index calculated using weighted edge length 0. 017
斑块丰富度 Patch richness( # ) 9 相对斑块丰富度 Relative patch richness( %) 100. 000
斑块丰富度密度 Patch richness densit y( # ·100 hm - 2) 0. 001 面积加权平均斑块分维数 Area2weighted mean patch fractal dimension 1. 202
化.景观格局的定量分析为定量监测提供了有效的分析方
法.基于 GIS技术的榆林幅景观分类及景观格局的定量分
析 ,仅仅是研究该区域景观格局的初步结果 ,是进行深入研
究和揭示农牧过渡带生态过程的基础. 景观生态学主要是通
过景观格局的分析 ,来分析和理解景观生态过程. 本文只有 1
景 TM 影像 ,如能获取不同时期的 TM 影像或其它遥感数
据 ,则可研究该区域景观格局及生态过程的动态变化 ,对该
区域实现动态监测和分析.
FRA GSTA TS是著名的景观分析软件 ,其中的很多指数
具有重要意义. 但对其指数认真分析发现也有某些不足 ,如
依据各种形状指数来反映景观的破碎化程度很有意义 ,但忽
略了从斑块数与其面积的对比方面来反映斑块的破碎化. 因
此 ,这里引入一个斑块密度指数的概念. 斑块密度表示的是
某种景观类型的斑块数与该类型的总面积之比. 由于
FRA GSTA TS软件包中已有一个斑块密度 ( PD) ,新构建的
斑块密度可用 PD2 表示 ,软件包中的斑块密度用 PD1 表示.
根据我们的定义 ,则某种景观的斑块密度为 :
PD2 i = ( N i / A i) ×100 (块 ·100 hm- 2)
式中 , PD2 i 为某类景观的斑块密度 , N i 为某类景观的斑块
数 , A i 为该类景观的总面积. 对整个景观而言 , PD2 和 PD1
都等于景观内斑块总数与景观总面积之比 . 需说明的是 ,在
类型层次上 ,新构建的斑块密度指数和软件包中的斑块密度
指数含义不同 ,软件包中的斑块密度指数是某种类型景观斑
块数与整个景观面积之比.
假设有两种景观类型 ,其斑块数相等 ,但面积不同. 显
然 ,面积大者 ,其斑块密度小 ,平均每个斑块的面积大 ,其破
碎化程度小 ;反之 ,面积小者 ,其斑块密度大 ,平均每个斑块
的面积小 ,其破碎化程度大. 但根据软件包中斑块密度的定
义 ,则二者的斑块密度相等. 由此可见 ,新构建的斑块密度指
数含义明确 ,计算简便 ,把它与其它形状指数结合起来 ,可以
很好地表示景观破碎化的程度.
通过对本文研究区内 PD2 的计算 ,得出耕地的斑块密
度 ( PD2)为 0. 477 块·100 hm - 2 ,草地为0. 026块·100 hm - 2 ,
林地为 0. 089 块·100 hm - 2 ,沙地为 0. 189 块·100 hm - 2 ,盐
碱地为 1. 495 块·100 hm - 2 ,裸岩石砾地为 0. 247 块·100
hm - 2 ,城镇用地为 0. 149 块·100 hm - 2 ,水体为 0. 291 块·100
hm - 2 ,滩地为 0. 667 块·100 hm - 2 . 整个景观的斑块密度为
0. 175 块·100 hm - 2 . 可见林地分布较为集中 ,破碎程度小 ,
草地破碎化程度最小. 从前面其它指数分析也可看出 ,草地
的连通性好 ,呈大片分布 ,而盐碱地破碎化程度大.
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作者简介 　李团胜 ,男 ,1963 年生 ,博士 ,副教授 ,主要从事景
观生态、自然地理及 GIS 应用研究 ,发表论文 50 余篇 ,出版
著作 3 部. E2mail :tunshl @sina. com
245 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷