基于TM数据的南阳盆地景观生态学分析-毕业论文

南阳师范学院20XX届毕业生毕业论文（设计） 题 目： 基于TM数据的南阳盆地景观生态学分析 完 成 人： 班 级： 学 制： 专 业： 地理信息系统 指导教师： 完成日期： 目 录摘要(1)0引言(1)1 研究区域概况(1)2 基础数据的获取和处理(3)2.1数据源(3)2.2遥感影像数据的处理(3)2.2.1 STRM数据处理(3)2.2.2遥感影像数据预处理(4)2.2.3影像地物分类(5)3 景观空间格局指标的选取(6)3.1景观空间格局指标的选取(6)3.2基于Fragstats的景观格局指数提取(7)3.3景观空间格局分析(9)4 结果和讨论(10)参考文献(11)Abstract(12)基于TM数据的南阳盆地景观生态学分析 摘要：以南阳盆地TM影像数据和90mSRTM地形数据为基础数据，利用遥感技术、GIS技术和景观生态学的原理和方法，进行影像解译，将南阳盆地分为东、北、西山区和中南部盆地区两个大区，并采用监督分类的方法将南阳盆地的景观类型分为建设用地、旱地、水田、林地、草地和水域六个大类,应用FRAGSTATS软件计算两个分区内景观的斑块个数、面积、多样性指数、均匀度、蔓延度指数等景观指数，对南阳盆地进行了景观格局研究。结果表明：南阳盆地景观类型以旱地为主，建设用地面积较大；各景观类型面积分配相差较大，均匀度不高；两个分区内景观类型大小和分布各有其特点，北部以旱地为主要景观类型，南部则以水田和建设用地为主，南部土地开发程度较高，景观破碎度较大，连通度和蔓延度较小；受人类活动的干扰较强烈。关键词：南阳盆地；遥感技术；景观生态；Fragstats软件0引言现代景观生态学（Landscape Ecology）是一门新兴的、正在深入开拓和迅速发展的学科，其产生和发展给传统生态学和地理学带来了许多新鲜的思想。它是以人类与地表景观相互作用为基本出发点，研究景观生态系统的结构、功能及变化规律，并进行有关评价、规划及管理的应用研究1。景观生态学研究三大核心内容是景观格局、景观功能和景观变化2，景观格局（Landscape Pattern）一词是在景观生态学文献中使用频率最高的术语之一，即景观空间格局，广义包括景观组成单元的类型、数目以及空间分布与配置3，是由自然或人为形成的，一系列大小、形状各异，排列不同的景观要素共同作用的结果；是各种复杂的物理、生物和社会因子相互作用的结果。景观格局及其变化是自然的和人为的多种因素相互作用所产生的一定区域生态环境体系的综合反映。对于景观生态学家来说，景观是由不同生态系统组成的异质性区域，生态系统在景观中通常形成斑块（patch），景观是由这些斑块组成的镶嵌体，而景观斑块的类型、形状、大小、数量和空间组合既是各种干扰因素相互作用的结果，又影响着该区域景观的生态过程和边缘效应4。因此，对区域景观空间格局的研究，是揭示其生态状况及空间变异特征的有效手段。近几年，越来越多的学者对景观格局的度量指标进行研究，并由此产生了许多指标，如多样性指标、均匀度、优势度、聚集度及分维数等4 5。这些指标为景观格局分析奠定了基础。而现代遥感技术的发展为土地利用景观格局的研究提供了信息源和技术手段。在中国版图上，南阳盆地具有南北居中、东西居中的特殊地位，为中国的核心腹地。南阳盆地地处北亚热带北缘，加之地形的影响，形成了明显的半环形结构。在景观生态学中，景观生态注重研究尺度效应，景观空间分析的结果严格地受制于尺度选择6。因此，在本研究中，为能在相同尺度上揭示研究区不同自然地带的景观空间格局特征及其与自然和人为活动的关系，根据本区域的自然环境条件及社会经济的发展格局，将研究区划分为两个研究单元：东、北、西山区和中南部盆地区。长久以来，由于城市建设、人为活动的干预加大，在亚热带和暖温带交替的气候条件、水资源分布的空间差异性和各种社会因素的综合作用下，该区景观具有较大的空间异质性和演变性。因此研究该区域景观生态空间格局及其与自然和社会活动的关系，对于土地资源的合理开发利用、景观生态设计具有重要指导意义。本文将综合运用遥感和地理信息系统相结合的技术方法，结合景观空间格局分析软件Fragstates3.3，对南阳盆地的景观格局进行全面分析，从而为南阳盆地整体可持续发展提供一定的参考依据。1 研究区域概况南阳盆地位于豫、鄂、陕三省交界，西依秦岭、北靠伏牛山、东扶桐柏山、南临汉江，三面环山，地势呈阶梯状，以河流为骨架，构成向南开口与江汉平原相连接的马蹄形盆地。广义上的南阳盆地即为南襄盆地，囊括了豫西南的南阳，鄂西北的襄阳、十堰三地区的大部分，总面积有26600km2。而本次研究则选择南阳盆地中心地区作为研究区域，主要包括河南省南阳市和湖北省襄樊市两大区域，湖北省西南部十堰市和东南部随州市不包括在研究范围内，研究区域面积大约为19695km2。南阳盆地边缘分布有波状起伏岗地，岗地海拔140200m，岗顶平缓宽阔，岗地间隔以浅而平缓的河谷凹地，呈和缓波状起伏。盆地中部为海拔80120m的冲积洪积和冲积湖积平原。盆地内有唐河、白河、丹江等主要河流，纵贯中部，南入汉水，其中以唐、白河流域面积较大。盆地内水库、湖泊分布较多，地貌类型多样，川、岗、丘兼有，北部地势较高，中南部地势低平，南北差异大，根据南阳盆地内部整体地势条件和自然地理条件，大体分为东、北、西山区和中南部盆地区。南阳盆地处于亚热带向暖温带的过度地带，气候温和，雨量充沛，土壤肥沃，适宜农耕。盛产小麦、杂粮、水稻和棉花、芝麻、烟叶等，是河南省商品粮、油、棉、烟基地之一。2 基础数据的获取与处理2.1 数据源本研究以2012年TM影像作为基本分析图件，并结合南阳盆地的高程数据影像图、矢量化等高线图、地形图等，同时收集研究区水文、气象、土地利用等资料作为辅助信息源。2.2 遥感影像数据的处理7 82.2.1 STRM数据处理在ArcGIS中根据高程数据提取南阳盆地的大致范围，南阳盆地外围岗地海拔140200m，盆地中部海拔80120m。因为STRM数据属性中自带有高程，首先利用工具箱中Extract by Attribute工具从STRM数据中提取出高程范围在80至200m内的地区，然后将提取出的STRM数据转换等高线，等间距为100m，提取出高程为200m的等高线，依据等高线进行矢量化得出南阳盆地边缘的大致界限；再根据高程数据和地形图进行进一步的编辑，将一些未闭合连接的线进行修改，删除一些细小的多边形，在盆地北部、西南部手动进行矢量化，依据地形图和高程影像在盆地边沿追踪出其大致的边界线，使其形成一个闭合的区域，可在Catalog中建立拓扑进行查错，保证线要素之间不能悬挂，不能重叠等。将修改后的线生成一个面要素，以便在ENVI中对TM影像进行裁剪，提取出南阳盆地影像数据。2.2.2 遥感影像数据预处理遥感影像的处理主要是利用遥感软件ENVI对研究区影像进行预处理，包括几何校正和图像增强：几何校正是利用地面控制点(Ground Control Point,GCP)进行影像到地图的校正，以STRM数据影像为基准影像，TM数据影像为校正影像，通过将光标放置在两幅影像的相同地物点上，来添加单独的地面控制点，利用控制点进行影像校正，其中控制点应当均匀分布。其次就是基于矢量文件的遥感影像的裁剪，利用ArcGIS中得出的面要素裁剪出TM影像中南阳盆地的范围：首先将面要素多边形叠加到影像上，以面要素作为感兴趣区ROI裁剪TM影像，使用ENVI主菜单下Basic Tools/Subset Data via ROIs工具进行裁剪。至此已基本上将南阳盆地范围内的TM影像数据提取出来；并查找相关资料，在影像图上画出盆地内比较重要的几条分界线，包括盆地南北分界线、河南省和湖北省省分界线及盆地内几条河流。南阳盆地影像及各分界线如图1所示。图1 南阳盆地影像及各分界线图2.2.3 影像地物分类在野外调查的基础上，对处理过的影像进行监督分类，首先创建感兴趣区，依据影像和调查结果，参照全国土地利用调查分类系统，分别创建了水域、建设用地、旱地、水田、林地和草地等6类感兴趣区，如表1；然后选择最大似然法（Maximum Likelihood）进行分类处理，由于数据分辨率及影响颜色的差异，需要对分类后的影像进行处理，评估分类的精度，并将一些破碎的类别进行合并或筛选，并修改类的颜色，建立光谱类与地类之间的联系。分类处理主要包括修改类别的颜色和名称，类别的集群（Clump Classes）、类别筛选（Sieve Classes）和类别的合并（Combine Classes）等，最后获得符合要求的分类结果影像图。将分类结果图保存成TIFF格式，以便在ArcGIS打开，通过GIS制图，得到南阳盆地南北分区景观类型现状图，见图2。 表1 研究区土地利用类型的划分及含义类型代码景观类型景观类型描述1旱地指无灌溉设施,主要靠天然降水种植旱生农作物的耕地,包括以种菜为主的耕地。2水田指可以经常蓄水，用于种植水稻等水生作物的土地。3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、沼泽等，总称为该地区的林地。4草地指生长草本植物为主的土地，包括天然草地、人工草地及草甸和未利用的荒地等。5建设用地指建设建造物的土地，包括城乡住宅和公共设施用地、交通设施用地等。6水域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。图2 南阳盆地南北分区景观类型现状图3 景观空间格局评价和分析3.1 景观空间格局指标的选取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，从而可以更好的理解生态景观的功能和过程，为景观格局变化的预测提供了有效的方法。因为表示景观信息的各种景观指数之间高度相关，且本研究主要以南阳盆地景观结构的基本信息为主，所选指数主要是用于景观分组特征分析的景观空间格局指数。景观空间格局指数包括两部分，即景观单元特征指数和景观异质性指数。景观要素特征指数是指用于描述斑块面积、周长和斑块数等特征的指标；景观异质性指数包括多样性指数、丰富度指数、聚集度指数、距离指数及景观破碎度指数四类。本文主要利用上述指数对景观格局进行分析。斑块类型面积（CA）斑块类型面积等于某一斑块类型中所以斑块的面积之和，即某斑块类型的总面积。单位：hm。斑块个数（NP）斑块个数指某一景观类型中所有相关斑块的数目。单位：个；范围：NP1；一般规律是斑块个数越多，破碎度越高。斑块平均大小（MPS）指某一景观或斑块类型的总面积除以该类型的斑块数目。单位：hm；范围：MPS1。景观类型百分比（PLAND）指一个景观或斑块类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：%，范围：0PLAND100；其值趋于0时，说明景观中此斑块类型十分稀少，其值等于100时，说明整个景观只有一类斑块组成4。香农均匀度指数（SHEI），均匀度指数用于描述景观中各组分的分配均匀程度，它等于香农多样性指数除以给定景观丰度下的最大可能多样性（各拼块类型均等分布）。单位：无；范围：0SHEI1；SHEI=0表明景观仅由一种拼块组成，无多样性；SHEI=1表明各拼块类型均匀分布，有最大的多样性。香农多样性指数（SHDI），多样性指数用于反映应该类型的多少和各景观类型所占比例的变化，它等于各拼块类型的面积比乘以其值的自然对数之后的和的负值。单位：无；范围：SHDI0；SHDI=0表明整个景观仅由一个拼块组成；SHDI增大，说明拼块类型增加或各拼块类型在景观中呈均衡化趋势分布。破碎度指数（FN）放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像较大，与自然资源合理开发和利用密切相关。无单位；范围0FN1; FN=0表示景观完全未被破坏，FN=1表示景观已被完全破坏。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，描述的是景观里不同拼块类型的团聚程度或延展趋势。单位：百分比；范围：0CONTAG100；理论上，CONTAG值较小时表明景观中存在许多小拼块；趋于100时表明景观中有连通度极高的优势拼块类型存在5 6。3.2 基于Fragstats的景观格局指数提取Fragstats软件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（patch）、类型（class）、景观（landscape）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，不同级别对应不同的指数，也对应着不同的生态学意义。在ArcGIS中首先将分类后的结果图按南北两个分区分别提取出来，以便分别计算南北分区的各类景观指数和进行对比分析。表2为研究区南北分区各类景观镶嵌体的数目、面积及所占比例统计，表3为研究区南北分区景观水平级别上的指标值。表2 各类景观镶嵌体的数目、面积及所占比例统计景观类型东、北、西山区中南部盆地区NP/个CA/km2PLAND/%MPS/hm2NP/个CA/km2PLAND/%MPS/km2旱地4688246.5073.9617.6218721344.0115.720.72草地152214.041.911.418926.950.310.32林地1440930.128.340.6414601331.7915.580.91水域16051315.5911.790.8217141822.9521.331.06建设用地739370.043.310.509521844.4521.581.94水田42473.320.650.1713502176.2125.461.61总计482811149.6310074378546.36100表3 景观水平级别上的指标值区域面积/kmSHDISHEIFNCONTAG东、北、西山区11149.630.90440.50480.43372.17中南部盆地区8546.361.60760.89720.87049.843.3 景观空间格局分析计算结果表明：研究区总面积为19695.99km2，斑块个数12265个。从表2可以看出，东、北、西山区面积为11149.63km，斑块个数为4828个；旱地类型所占面积最大，占整个分区的73.96%，其他分类所占比例都很小，反映出北部以旱地为主的主要景观格局；其次水域所占面积为分区面积的11.79%，主要因为北部范围内有唐河、白河、丹江等主要河流，水资源充足；林地面积为930.12km2，面积在北部分区中占第三位，因北部边缘地带有一些海拔较小的山地，因此林地资源比较丰富。中南部盆地区面积为8546.36km，斑块个数为7437个；区内各类景观类型所占面积比较协调，其中以水田所占面积最大，为2176.21km2，斑块个数共1350个，表明盆地中南部地区以水田为主要景观类型，其次建设用地所占面积为1844.45km2，占分区面积的21.58%，表明该地区人类开发程度较高，水域面积为1822.95km2，占分区面积的21.33%，在水资源方面南部水域面积比北部多，因为南部地区流经河流较多，流域面积较大，水流量较多，农田灌溉水资源丰富，且气候温暖湿润，适宜水稻等作物生长，因此水田种植面积较北部地区多。从表3可以看出，在景观水平级别上南北两个分区的显著差异：东、北、西山区在多样性和均匀性指标方面均低于中南部盆地区，景观破碎度值与景观多样性和均匀性具有一定的一致性。北部山区破碎值为0.433，反应了该地区景观类型分布不均匀，多样性较小，该区的土地开发强度小，受人类活动的影响较小。景观类型中以少数大斑块为主或同一类型斑块高度连接时，聚集度值较大，反之较小，而从表2中可以看出，北部仍以最原始的耕地为主要景观类型，因此蔓延度较大，景观类型之间的连通度较高。中南部盆地区有较高的破碎度，破碎值为0.870，高于北部地区，这反映出该中南部地区由于人类活动的干扰作用，土地利用已趋于多样化和均匀化，完整性变差，由于在相近的自然条件下, 土地分割的原因主要来自人类活动, 因此景观破碎度值的差异显示中南部地区的景观更强的受制于人类生产活动。 因此该地区的景观蔓延度指数也相对较低，为49.84，表明中南部各景观类型之间的连通度不高；结合表2可以了解到，当地的景观格局受自然条件,尤其是水资源条件的控制, 由于土地资源的开发程度主要取决于对水资源的利用程度,因此,越是水资源丰富的地区, 人类活动越强烈,景观的多样性及破碎度愈高。4 结果与讨论本文利用ENVI、ArcGIS及Fragstats软件，对南阳盆地的景观生态空间及现状进行了分析，研究结果表明：南阳盆地整体是盆地地形，但在其内部，地形状况仍有差异，分为东、北、西山地和中南部盆地两个分区。两个分区内因地形条件和水资源条件的差异，在农作物种植的类型、植被类型和建设用地等方面都有较大的差异，南部因水资源丰富，开发程度较高，景观格局破碎度较大，土地资源得到了充足的利用，土地利用趋于多样性和均匀化。北部地区以旱地为主要景观类型，但由于近年来人们不合理的开垦和经营，造成水土流失严重，“低荒”资源所占比重大。因此应加强土地资源利用的宏观调控，调整土地利用政策和方向，合理规划，治理水土流失、开发“低荒”资源，提高土地资源的利用效率，统筹兼顾经济发展、城市周边环境建设和自然生态平衡，实现土地资源的健康可持续发展。上述景观格局特点的形成与研究区内自然条件有很大的相关性，受自然地理条件的影响，特别是地形因素的影响，南阳盆地内南北分区在气候、植被和经济发展方面都有很大的不同。在气候和植被方面：南阳属北亚热带和北暖温带的气候过渡地带，优越的自然条件，孕育了丰富的林木资源。东、北、西山区为暖温带季风气候，冬季寒冷干燥，夏季暖热多雨；农作物主要种植小麦，主食以面食为主，植被是温带落叶阔叶林，主要树种有栓皮栎林、山杨林、白桦林等。主要经济作物有棉花、香菇、小辣椒等；中南部盆地地区为是亚热带季风气候，气候较为温和，四季较分明，夏季高温多雨，冬季少雨不甚寒冷；农作物主要为水稻，主食以大米为主，植被是亚热带常绿阔叶林，主要树种有华山松林、马尾松林、铁杉林和侧柏林等，树叶四季常绿、叶片为革质、稍坚硬，主要经济作物有烟叶、茶叶、橘子等。社会经济方面：从景观分类图上可以看到，南北地区建设用地分布格局的不同，南部的建设用地主要依水而建，沿河成片分布，且为平原地形，水路交通比北部地区发达，对外连通比较方便，经济发展能力强。北部建设用地主要分布于河谷地带，受地形影响，零星分布，区域开发整体能力较南部地区落后。以此更加鲜明的表明人类活动对水资源的依附程度及地形条件对区域自然环境和经济发展的影响。从南阳盆地影像图和各类分界线图上进行分析：南阳盆地内南北分界线主要依据地形和景观类型进行划分，界限东西部主要根据影像图上景观类型的不同和高程进行划分，中部则沿着伏牛山山脚处和白河流域进行划分；与河南省和湖北省分界线相比，两条界限走向大致相同，均是沿着山脉而划分，盆地南北分界线中部则有两个大的弯曲，区别于省界限。在普遍意义上，秦岭-淮河一线即为我国南北自然分界线，是我国一月份0等温线，也是北方暖温带和南方亚热带的分界，而在实际研究中，经过南阳盆地内的界限范围是很小的，与我们实际所划分的南北分界线并不吻合，主要是因为秦岭分界并非一条线，秦岭是一个南北平均宽达200多公里，长800多公里的一个庞大的山系，这条线划在哪里，划在山脊，还是山麓，这是一个值得争论的事。因此，秦岭淮河一线并不一定有固定的位置，具体地方要依据实际情况进行划分10。本次研究方法较简单方便，利用ENVI软件对影像进行数据预处理，然后使用监督分类方法快速获取研究区的景观分类图，为各种景观指数的计算和提取准备了数据条件；结合专门的景观分析软件Fragstats对景观指数进行计算并依据实际情况进行分析，最终完成了本次研究。通过本方法实现对区域景观格局的快速分析和评价，可以更加详细的了解南阳盆地区内社会、经济和生态的不同，大大地促进了区域进行规划、管理和恢复的科学性和可操作性。参 考 文 献1 傅伯杰，陈利顶. 景观生态学原理及应用M.北京：科学出版社，2001.202207.2 Forman R T T，Godron M，Landscape EcologyM.NewYork：Wi-Iey，1986.3 邬建国. 景观生态学格局、过程、尺度与等级M.北京：高等教育出版社，2000，1112.4 许慧,王家骥. 景观生态学的理论与应用M.北京：中国环境科学出社，1993.129-209.5 肖笃宁. 景观生态学理论、方法及应用M.北京:中国林业出版社,1991.186-1966 陈利顶,傅伯杰. 黄河三角洲地区人类活动对景观结构的影响分析J.生态学报，1996,16(4):334-337.7 邓书斌. 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