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基于SPOT影像与Fragstats软件的区域景观指数提取与分析 (1)


第 28 卷第 1 期 2008 年 1 月

海  洋  测  绘 H Y D R O G R A P H I CS U R V E Y I N GA N DC H A R T I N G

V o l . 28, N o . 1 J a n . , 2008

基于 S P O T 影像与 F r a g s t a

t s 软件的区域景观指数提取与分析
何原荣
1, 2

, 周青山

3

( 1. 中南大学 信息物理工程学院 , 湖南 长沙   410083; 2. 桂林旅 游高等专科学校 旅游管理系 , 广西 桂林   541006; 3. 湖南城市学院 城市建设系 , 湖南 益阳   413000)   摘要 :景观指数是衡量区域景观质量的重要参数 , 也是进 行区域生态规划 、管理和恢复的重要信息依据 。 针对 传统已有的矢量地图信 息源及 E x c e l 、S P S S 软件在景观指数计算中存 在的不足和不便之处 , 研究了 在 E N V I4. 2下 , 基于高分辨率 S P O T 5 遥感影像的自动景观分类 及 F r a g s t a t s 3. 3 软件支持下 的景观指 数自动提取 的计算方法 , 以屈 原农场为例进行了实验研究 , 制作了景观现状图和计 算部分 景观指 数 。 实验表 明 : 该方法 对景观质 量的评 价信息 获取效率高 、时效性强 , 通过快 速分 析与 评 价手 段 , 可以 大大 地促 进区 域进 行规 划 、管理 和恢 复的 科学 性和 可操 作性 。 关键词 :景观指数 ; S P O T 5; F r a g s t a t s ; 决策树分类 ; 屈原农场 中图分类号 :T P 751. 1   文献标识码 :A    文章编号 : 1671-3044( 2008) 01-0018-04

1  引  言 景观格局 ( l a n d s c a p ep a t t e r n ) 即景观结构 , 广义 包括景观组成单元的类型 、数目以及空间分布与配 置 。 景观指数是反映景观格局的重要参数 , 它高度 浓缩景观格局信息 , 反映其结构组成和空间配置等 方面的特 征 , 为 科学 衡量景 观结 构提 供定量 化依 据 。 近来很多 学者进行有关景观 格局的研究 , 但是在景观指数提取方面多数采用传统的以地形图 和土地利用图为基准 , 利用 M a p G I S 地理信息系统 软件为平台 , 通过对遥感影像进行目视解译 , 对斑块 属性的赋值建立景观分类图 , 然后利用 S P S S 、P A N S 等景观软件或 E x c e l 软件进行景观指数计算 。 此方 法过程复杂 , 其存在的不足概括有 : ①基本数据来源 于土地利用现状图及地形图 , 编辑工作烦琐 , 时效性 差; ② 利用 G I S 软件建立景观斑块的拓扑关系 , 然后 对斑块属性赋值 , 编辑复杂 , 工作量大 ; ③景观计算 多数采用 S P S S ,P A N S 、L S P A 等软件 , 缺乏专业的计 算模块 , 软件操作费事 费力且数据格 式兼容性差 。 针对传统景观指数提取方法的不足 , 本文以高分辨 率 S P O T 5 遥感影像为数 据源 , 采用 决策树分类方 法进行景观分类 , 利用 F r a g s t a t s 3. 3 软件对景观指数 的提取计算方法 , 数据采集快捷 , 信息丰富 , 计算自 动化程度高 , 工作效率高 。 2  技术方法与数据预处理简介
[ 1, 2]

2. 1 研究区域及技术方法的选择 本次研究区的屈原农场 , 地处洞庭湖畔 , 汨罗市 西北角 , 占地总面积 218 k m , 年平均气温 12. 4℃ ~ 18. 3℃, 年平均降水量 1 450m m~ 1 800m m , 舒适度 高 。 地表景观以林地 、 草地 、耕地 、 水体景观为主 , 生 态资源优越 。 由于 2000 年以来农场体制改革的深 化 , 以及近年来汨罗地区经济的快速发展 , 使得屈原 农场成为土地利用模式迅速改变和景观动态变化强 烈的地区 。 为考察该区近年来地表景观结构特征 , 选取了原农场高分辨率 S P O T 遥感影像为 数据源 , 结合野外调查建立景观分类系统 , 利用决策树分类 算法实现对遥感影像的自动分类 , 制成景观分类图 , 在 F r a g S t a t s 3. 3 软件平台下对研究区的景观指数计 算 , 并对景观结构的总体特征进行了分析评价 。 2. 2 数据预处理 ( 1) 1∶ 1万地形图预处理 在遥感影像的获取中 , 由于传感器及气候的影 响 , 影像一般存在 几何上的变形 , 本文利用 研究区 1∶ 1 万地形图对影像进行正射校正 。 地形图的编辑 过程包括对地形图等高线的加密及错误检查 、外业 调绘点的注记 、 次要地物的删除 , 在 E R D A S 软件中 通过 D a t e P r e p 模块生成研究区 D E M文件 。 ( 2) 遥感影像数据预处理 遥感影像预处理是为分类和 识别提供纹理清 晰 、信息丰富 、边界明显的具有投影信息的影像 。 卫 星影像中存在着各种几何 畸变和影像边界 的模糊
2

收稿日期 :2007-05-22;修回日期 :200710-09 作者简介 : 何原荣 ( 1977) , 男 , 福建漳州人 , 博士研究生 , 主要 从事资源环境信息与空间决策支持研究 。

第 1期

何原荣 , 等   基于 S P O T 影像与 F r a g s t a t s 软件的区域景观指数提取与分析

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性 , 另一方面影像的阴影占一定比例 , 阴影遮挡的地 物无法判别 , 从而严重影响分类的精度 , 为此必须对 影像进行几何纠正 , 增强和投影变换处理及正射校 正剔除影像阴影 。 其实施步骤如下 。 ①在 E N V I 软件中 , 根据地形图设置影像投影 参数 , 本次研究选择 U T M投影 、WG S84 坐标 ; ②在地图上的每个格网的区域范围内 , 选取最 具有代表性的曲线支撑点作为参加纠正的地面控制 点 G C P s , 控制点数目在 9 ~ 10 个左右且均匀分布 , 然后通过控制点对影像进行几何纠正 ; ③在 E N V I 中 , 利用 v e c t o r 矢量工具将 ﹡. d x f 格 式区域边界文 件导入转化成 ﹡. e v f 格式 , 利用 ﹡. e v f 文件生成感兴趣区 , 对影像进行裁减 , 提取研究区遥 感影像 ; ④打开 E R D A SI M A G I N E 8. 6 的主界 面 , 选择 D a t e P r e p 模块, 打开 I m a g eG e o m e t r i cC o r r e c t i o n ,采 用工作区 1∶ 1 万的地形图生成的 D E M , 对影像进行 正射校正 , 参考外业调绘数据设置 D E M 文件的最高 值和最低值 , 执行校正 。 3  遥感数据分类提取及其后处理 3. 1  建立景观分类系统 建立景观分类系统是影像分类 、 格局分析等工作 的基础 。 由于具体研究的区域情况不同 , 景观分类也 各不相同 , 本文采用中国科学院土地资源分类系统及 [ 8] 其编码原则 , 根据研究区的具体状况 , 将土地利用 景观构成要素分为耕地 、 园地 、 林地 、 城镇村及工矿用 地、 水域和未利用地等 7个类型 。 见表 1。
表 1 类型 代码 1 景观 类型 耕地 景观分类系统及描述 景观类型描述 种植农作物等的土地, 主要包括水田、 旱地 植被覆盖 状况 较 好 , 郁闭 度 高 , 图 斑颜 色 呈亮绿色 、深绿色 , 主要包 括针叶 林 、阔叶 林 、混生林 、灌木林地 、园地 植被覆 盖情况一 般 , 色 调明亮或灰 暗呈浅 黄绿色 , 常年 为 草本 植物 覆 盖 , 主 要包 括 牧地 天然形 成的人工 开挖的水体 用地 , 包括河 流 、水库 、湖泊 、人工沟渠等水面 土地覆盖 为 人工 建筑 , 包括 城乡 居 民 点 、 交通用地等 常年地 表裸露的 无人工建筑 的空地 , 一般 包括沙地 、盐碱地 、裸土地 、裸岩石砾地 常年被水 浸泡 或 覆盖 水的 长 有自 然生 草 本或木本植物的区域 ( A n d e r s o n , 1976) ,包 括沼泽 、苇地 、滩涂

 注释 : 郁闭度是反映林 分密度的指标 。 它是以林地树冠垂 直投影面积与林地面积 之比 , 以十分 数表示 , 完 全覆 盖地面 为 1。

3. 2 遥感数据分类提取及分类后处理 利用遥感影像地物特征进行景观信息提取 , 常 用的信息提取方法有两大类 : 一是目视解译 , 二是计 算机信息提取 。 本文采用决策树分类法 , 对屈原 农场遥感影像进行分类提取景观类型信息 , 主要步 骤如下 。 ( 1) 在 E N V I 中将影像转成反射率影像 , 对照外 业调查数据 , 利用坐标定位确定调查数据位置 , 分析 各景观类型地物的波谱特征 , 建立分类知识库 ; ( 2) 利用建立的分类知识库构造分类决策树算 法 , 建立分类决策树 , 并定义决策树节点算法及类颜 色和名称 , 其决策树如图 1;
[ 7]

图 1 影像分类决策树

( 3) 执 行 影像 分 类 , 对 照 原始 影 像 查看 分 类 效果 ; ( 4) 在分类后影 像主窗口中 , 打开 o v e r l a y / C l a s s i f i c a t i o n 对话框 , 修改明显错分的景观地物 ; 统 计分类后信息 , 利用外业调绘地面真实影像 , 生成分 类混淆 矩 阵 , 计 算分 类精 度 , 本 次 分类 精 度达 到 82. 23 %, 达到了研究要求 。 其预处理波段组合影像 和分类结果如图 2 ~ 3 。

2

林地

3

草地

4 5 6

水域 建设 用地 未利 用地 湿地

7

图 2 屈原农场影像波段组合图

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海  洋  测  绘
2

第 28 卷

164 620. 50h m , 占总体 面积的 75. 514%, 其次是水 体 与 人 工 建 筑 物 所 占 比 例 分 别 为 10. 358%、 10. 793%, 未利 用地与湿地较少共 7 268. 12 h m, 占 3. 334 %。 由此可知该区域植被覆盖率高 , 水资源丰 富且水土涵养条件好 , 宜于农作物的耕种 。 ( 3) 景观尺度上的空间格局分析 从表 2 上可以看出实验区林地 、耕地 、草地 、水 体斑块平均面积 ( M P S ) 比较大 , 其中耕地平均斑块 大小 3. 6h m , 水体达到 1. 71h m , 林地达到 1. 7h m; 林地 、 耕地 、 草地水体大斑块面积百分比 ( L P I ) 也比 较大 , 如水体最大斑块占到 4%, 林地 、耕地 、 草地都 占到了 2% 左右 。 景观优势度指数及景观多样性指
图 3 屈原农场影像分类图
2 2 2 2

数值分别为 3. 567、 1. 621, 说 明区域景观类 型相对 来说稳定 , 为该地区生物类型的稳定性创造了良好 条件 ; 景观的分维数在 1. 5 以下 , 说明景观 形状规 则 , 有利于景观的利用和管理 , 为进一步提高该地区 生态提供了很好的基础 。
表 2
景观类型 耕地 林地 草地 水体 湿地 未利用地

4  景观指数计算 4. 1  景观指数选择及计算 采用的 F r a g s t a t s 3. 3 景观计算软件 , 可以相应计 算景观 3个级别上 ( 斑块 、类型 、景观 ) 的大约 4O 多 个指标 。 但由于很多指标之间是高度相关 , 而且本文 主要以研究景观结构为主 , 所选指数主要是为反映景 观最基本结构信息 , 具体选用了斑块个数 ( N P ) 、 景观 类型面积 ( C A ) 、 景观类型百分比 ( %L A N D ) 、拼块平 均大小 ( M P S ) 、最大斑 块面积 百分比 ( l a r g e s t p a t c h i n d e x ,L P I ) 、 景观类型斑块破碎度指数 ( p e r i m e t e r a r e a f r a c t a ld i m e n s i o n ) 、景 观 优 势 度 指 数 ( l a n d s c a p e d o m i n a n c e i n d e x , L D I ) 、景 观多样 性指 数 ( l a n d s c a p e d i v e r s i t yi n d e x ) 等指数进行分析 。 在指数计算过程中 , 先在 E N V I 软件中将遥感 影像转成标准格式 , 导入 F r a g s t a t s 3. 3 软件 , 通过文 本文件建 立 影像 属 性文 件 并修 改 扩展 名 保 存为 ﹡ . f d c 格式 , 并在 r u np a r a m e t e r s 界面中的属性栏中添 加影像数据文件 , 选择要计算的指数 , 执行指数计算 即可获取相应指数的量值 。 4. 2  结果与分析 ( 1) 景观计算结果 表 2中 , N P 表示斑块个数 、C A 表示景观类型面 积 、%L A N D 表示斑块类型面积占整个景观面积的 百分比 , M P S 表示拼块平均大小 , L P I 指最大斑块面 积百分比 , P A F R A C 为景观分维数 。 在景观类型百分比的基础上求得的景观优势度 指数为 3. 567, 景观多样性指数值为 1. 621。 ( 2) 景观生态格局总体特征 2 研究区的总面积 218k m , 斑块总数 150 099 个, 从各景观类型面积和百分比可以看出 , 屈原农场的 景观类 型 以 耕 地 、林 地 、 草 地 为 主 , 三 种 景 观 共

景观指数 计算结果统计表
N P C A %L A N D M P S 2 2 ( 个) ( h m) % h m/ 个 25 343 44 962. 50 20. 625 1. 774 32 387 53 205. 06 24. 406 1. 643 13 277 22 580. 44 10. 358 1. 701 14 997 7 189. 64 3. 298 565 78. 48 0. 036 0. 479 L P I P A F R A C % 2. 120 2. 712 3. 908 0. 907 1. 341 8 1. 466 4 1. 291 2 1. 554 0

18 458 66 452. 94 30. 483 3. 600 2. 064 1 1. 402 5

建筑用地 45 072 23 528. 74 10. 793 0. 522 0. 538 7 1. 499 8

0. 139 0. 001 3 1. 368 3

5 结  论 ( 1) 研究表明屈原农场植被覆盖率高 、耕地数 量多 、 平均斑块面积较大 、 水资源丰富且水土涵养条 件好 , 有利于农业的发展 ; 通过景观优势度指数及景 观多样性指数评价表明该 区景观类型相对 来说稳 定 , 为该地区生物类型的稳定性创造了良好条件 ; 景 观的分维数在 1. 5以下 , 表明景观形状规则 , 有利于 景观的利用和管理 , 为进一步提高该地区生态提供 了很好的基础 。 ( 2) 本文利用高分辨率 S P O T 5 遥感数据源结 合决策树分类技术快速获 取屈原农场的景 观分类 图 , 为景观指数的自动提取与动态评价准备了数据 条件 , 该方法相对其他数据源 , 体现了数据更新周期 快 、费用低的优势 。 ( 3) 采用专门的景观分析软件 F r a g s t a t 3. 3 对景 观指数进行计算 , 相对其他方法 ( 如利用 M a p G I S 软 件通过编辑土地利用现状图及地形图得到景观分类

第 1期

何原荣 , 等   基于 S P O T 影像与 F r a g s t a t s 软件的区域景观指数提取与分析

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图 , 再在 E x c e l 或其他景观计软件中进行计算 ) ,提 高了计算自动化程度和工作效率 。 ( 4) 通过本方法实现对区域景观质量的快速分 析与评价 , 可以大大地促进区域进行规划 、 管理和恢 复( 特别是短周期的项目 ) 的科学性和可操作性 。 参考文献 :
[ 1]  卢  玲 . 黑 河流 域景 观结 构与 景观 变化 研究 [ D ]. 北 京: 中国科学院 , 2000. [ 2]  周  霞 , 廖圣东 , 廖其 芳 . 鹤 山市景 观格局 动态变 化研 究[ J ]. 热带地理 , 2005, 25( 3) : 206 ~ 210. [ 3]  张明阳 . 基于 R S , GI S和景 观格 局分析 的白 洋淀流 域 生态环境变化 研究 [ D ]. 南京 : 南京师范大学 , 2004.

[ 4]  成  武 . 雅安市雨 城区土地利 用类型与 景观格 局浅析 [J ]. 四川农业大学报 , 2005, 25( 3) : 359 ~ 363. [ 5]  何东进 , 洪  伟 , 胡海清 . 景观 生态学的 基本理 论及中 国景观生态 学 的研 究 进展 [ J ]. 江 西农 业 大学 学 报 , 2003, 25( 3) : 276 ~ 282. [ 6]  梁美霞 , 司马慧 , 蔡艺惠 . 福州 市土地利 用景观 格局分 析[ J ]. 福建地理 , 2005, 20( 3) : 7 ~ 10. [ 7]  吕国楷 , 洪启 旺 , 郝允充 , 等 . 遥 感概 论 [ M] . 北京 : 高 等教育出版社 , 1995. [ 8]  肖鹏峰 , 刘顺 喜 , 冯学 智 , 等 . 基于 中分 辨率 遥感 图像 的土地利用与覆被分类系统 构建 [ J ]. 中 国土地 科学 , 2006, 20( 2) : 33 ~ 38. [ 9]  秦  平 . 高分辨率 遥感影像的 快速几何 纠正研 究与实 现 [ D] . 武汉 : 武汉大学 , 2005.

E x t r a c t i o na n dA n a l y s i s o f R e g i o n a l L a n d s c a p e I n d e x e s B a s e do n S P O T 5I m a g e s a n dF r a g s t a t s S o f t w a r e
H EY u a n r o n g ,Z H O UQ i n g s h a n
( 1. S c h o o l o f P h y s i c s S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ,Z h o n g n a nU n i v e r s i t y ,C h a n g s h a ,H u n a n , 410083; 2. D e p a r t m e n t o f T o u r i s m Ma n a g e me n t ,G u i l i nI n s t i t u t e o f T o u r i s m, G u i l i n ,G u a n g x i , 541006; 3. D e p a r t m e n t o f U r b a nC o n s t r u c t i o n ; H u n a nC i t yU n i v e r s i t y ; Y i y a n g ; H u n a n , 413000)    A b s t r a c t :T h el a n d s c a p ei n d e xi sa ni m p o r t a n tp a r a me t e ro fj u d g i n gl a n d s c a p e ' sq u a l i t y , a n dt h e i m p o r t a n c e b a s i s o f c a r r y i n go u t t h e d e s i g na n dp l a n n i n go f r e g i o n a l e c o l o g ya s w e l l . B e c a u s e o f t h e i n s u f f i c i e n t a n ds h o r t o f t h e t r a d i t i o n a l v e c t o r g r a p ho f g e o g r a p h ya n dc o m p u t i n go f l a n d s c a p e s i g h t i nE x c e l o r S P S Sr e mo t e s e n s ei m a g e , i nt h i sp a p e ram e t h o do fl a n d s c a p ec o mp u t i n g , i ss t u d i e db a s e do na u t o ma t i cc l a s s i f i c a t i o no f l a n d s c a p eo f h i g h r e s o l u t i o nS P O T 5r e mo t e s e n s e i ma g e i nE N V I 4. 2a n d t h e e x t r a c t a u t o m a t i c a l l yo f l a n d s c a p e e x p o n e n t i nF r a g s t a t s 3. 3 s o f t w a r e . T h ee x p e r i m e n t w a sc a r r i e do u t i nQ UY u a nf a r ma n dg a i n e dl a n d s c a p e c u r r e n t s i t u a t i o nma pa n di n f o r m a t i o no f p a r t i a l l a n d s c a p ee x p o n e n t ,t h e e x p e r i m e n t s h o w s t h a t me t h o du s e dt o t h eg a i no f l a n d s c a p ei n f o r m a t i o ni sh i g he f f i c i e n t ,t i me l i n e s s i s s t r o n g ,w h i c hi s ae f f e c t i v et e c h n i c a l me a n s o f l a n d s c a p em a n a g e s ,d e s i g n s a n dp l a n n i n g . K e yw o r d s :l a n d s c a p ei n d e x e s ; S P O T 5; F r a g s t a t s ; d e c i s i o nt r e e c l a s s i f i c a t i o n ; Q UY u a nf a r m
1, 2 3

首批 “优秀作者 ”名单
为感谢广大作者对 《海洋测绘 》 的支持和厚爱 , 按照本刊 2007 年工作计划 , 根据近几年 来作者投稿 总数 、被采用 篇数 、论文质量及论文格式规范化等标准 , 评选出 “优秀作者 ” 5 名 。 分别是 : ( 1) 严伯铎 ( 山东省城乡建设勘察院 , 研究员 ) ( 2) 许家琨 ( 海军 92899部 队 , 高工 ) ( 3) 姜晨光 ( 江南大学土木工程学院 , 教授 ) ( 4) 任来平 ( 海军海洋测绘研究所 , 工程师 ) ( 5) 黄辰虎 ( 海军 92899部 队 , 工程师 ) 本刊编辑部对以上同志表示感谢 , 将 颁发 “优秀作者 ”证书 , 并给予一定的物质奖励 。

《海洋测绘 》编辑部 二〇〇八年一月十日


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