（土壤学专业论文）土地利用空间数据转换的尺度效应研究.pdf

摘要 宅间数据的尺度问题是1 ；t 前许多科学研究中的核心问题之一。从不同的空间尺度研究土 地利用空间数据对土地利用景观格局的表达，有利于从不同的层次，认识1 地利刖与覆盖变 化的机理与过程。本文选择北京市怀柔区作为研究对象，在土地利用详查数据和遥感、地理 信息系统的支持f ，试图从四个角度来探讨土地利_ j 空间数据转换过程中的尺度效应。土要 结论如下： ( 1 ) 在空间粒度逐渐增大过程中，面积最大值原则f r m a ) 下生成的棚格数据相对误筹 较人，各地类精度损失的绝对值与栅格大小之问成正相关：中心值原蛐j ( r c c ) f ，各地类的 相对误差较小且决定系数均根小，表现出很强的随机性。 ( 2 ) 对高程影响f 土地利用空间数据尺度效应的研究表明，土地利崩类型和高程之问 存在尺度依赖性。r m a 法突出了整体的分布规律，而r c c 法突出了1 ：地利f j 复杂程度的空 间分布特征：依据原始矢量数据计算的土地利州景观格局指数，可以在一定程度上揭示精度 损失变化特征的规律和成圆。 ( 3 ) 景观指数能够指示尺度分析中粒度的变化效应：比例尺不同，景删指数的尺度域 和第一个尺度转折点也不相同：不同景观指数的不同响应趋势反映了不同的矢栅转换方法 在继承原始信息上的筹异性。 ( 4 ) 基于不同空间分辨率遥感影像的七地利用卒l 刈数据县有尺度效应，其所反映的区 域土地利用景观格局在宏观上是一致的，但类裂的边界、彤状和数量均产中较大的筹异：景 观格局指数能反映不同遥感影像所记录的地表信息，从4 i 同遥感数据源、不周空问分辨率的 角度定量化判断尺度放大过程中区域土地利用景观特征信息的尺度放麻。 关键词：尺度效应，精度损失，面积最大值原则，中心值原则 a b s t r a c t s c a l ei s s u eo fs p a t i a ld a t ai su n d o u b t e d l yo n eo ft h em o s tf u n d a m e n t a la s p e c t so fa n y r e s e a r c h r e s e a r c h i n gt h el a n d s c a p ep a t t e mo f t h ed i f f e r e n tl a n du s ei nt h ed i f f e r e n ts p a t i a ls c a l ei s h e l p f u lt ok n o wt h em e c h a n i s m sa n dp r o c e s s e so f t h el a n d - u s e l a n d c o v e tc h a n g ea tv a r i o u sl e v e l s ， s e l e c t i n gh u a i r o ud i s t r i c ta ss t u d ya r e a , b a s e do nt h el a n du s es u r v e yd a t a , r sa n dg i s ，t h i sp a p e r m e st od i s c u s st h es c a l ee f f e c to fl a n dl i n es p a t i a ld a t ai nt h es c a l i n gf r o mf o u ra s p e c t s t h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sc a nb ei n f e r r e d ： ( 1 ) t h ee r r o ro ft h ed i f f e r e n tl a n da s et y p e sf r o mr a s t e rd a t aw i t ht h er u l eo fm a x i m u m a r e a ( r m a ) i n c r e a s e sw h e ns p a t i a lg r a i ni n c r e a s e s ，w h i l et h ee r r o rw i t ht h er u l eo fc e n t r i c c e l i ( r c c ) r a n d o m l yd i s t r i b u t e sw h e ns p a t i a lg r a i ni n c r e a s e s a c c o r d i n gt or m a ，t h ea r e a a c c u r a c yl o s so fa l lt y p e so fl a n du s eh a sm o r ec o r r e l a t i v i t yw i t ht h eg ds i z e ( 2 ) t h es t u d yo f s c a l ee f f e c ti m p a c t e db ye l e v a t i o ns h o w st h a t ：t h e r ea r es c a l ed e p e n d e n c e s b e t w e e nl a n du s et y p e sa n de l e v a t i o n t h eh o l i s t i cd i s t r i b u t i n gr u l ec a nb eg o tu s i n gt h er m a w h i l et h ec o m p l e x i t ya n dt h ec h a r a c t e ro fi t ss p a t i a ld i s t r i b u t i o nc a i lb eg o tu s i n gt h er c c t h e l a n d s c a p ei n d i c e s , c a l c u l a t e df r o mt h eo r i g i n a lv e c t o rd a t a ，c a ni n d i c a t et h el a wo ft h ec h a n g eo f t h ea r e aa c c u r a c yl o s s ( 3 ) l a n d s c a p ei n d i c e sc a ni n d i c a t et h eg r o i ne f f e c tw i t ht h es c a l ec h a n g i n g t h es c a l e d o m a i na n dt h ef i r s ts c a l ei n f l e x i o no fl a n d s c a p ei n d i c e sa r ev a r i o u si nm a p sw i t hd i f f e r e n ts c a l e s t h ed i f f e r e n tr e s p o n d so fd i f f e r e n tl a n d s c a p ei n d i c e ss h o wt h ed i v e r s i t yo fi n f o r m a t i o nd e r i v e d f r o mt h eo r i g i n a ld a t au s i n gt h ed i f f e r e n tm e t h o d so f v e c t o r - r a s t e rc o n v e r s i o n ( 4 ) t h el a n du s es p a t i a ld a t ad e r i v e df r o mt h ed i f t - e r e n tr e m o t es e n s i n gi m a g e sh a v e d i f f e r e n ts c a l ee f f e c ti ns o m ew a y i nt h eg e n e r a l ，t h er e g i o n a ll a n d s c a p ep a t t e r n s ，r e p r e s e n t e db y t h ei m a g e so fd i f f e r e n ts p a t i a lr e s o l u t i o nf r o md i f f e r e n ts e n s o r s ，a r ec o n s i s t e n t ，h o w e v e ri th a s g r e a td i v e r s i t yi nt h eb o u n d a r y ，s h a p ea n dq u a n t i t yo f t h el a n d - u s et y p e s ；t h el a n d s c a p ei n d i c e sc a n r e f l e c tt h ei n f o r m a t i o no f v a r i o u sr e m o t es e n s i n gi m a g e s ，a n di n d i c a t et h eg r a i ne f f e c to fl a n d s c a p e c h a r a c t e ri n f o r m a t i o nw i t hs c a l i n gu pm e t h o d sf r o mt h ed i f f e r e n tr e m o t es e n s i n gd a t aa n dd i f f e r e n t s p a t i a lr e s o l u t i o n k e yw o r d s ：s c a l ee f f e c la c c u r a c yl o s s ，r u l eo f m a x i m u ma r e a , r u l eo f c e n t r i cc e i i 图目录 图1 1 研究区地理位置示意图5 图2 - 1 两种比例尺下的土地利用结构图9 图2 2 整个区域的损失面积和损失精度，1 1 图2 3 耕地损失面积和损失精度，1 2 图2 - 4 园地损失面积和损失精度，1 2 图2 5 林地损失面积和损失精度1 3 图2 - 6 建设用地损失面积和损失精度1 3 图2 7 水域损失面积和损失精度1 4 图2 - 8 未利用地损失匿积和损失精度1 4 图2 - 9 景观类型面积百分比与空闻粒度的关系1 7 图2 1 0 最大斑块面积与空间粒度的关系，+ 1 7 图2 一i i 林地最大斑块面积与空间粒度的关系1 8 图2 1 2 平均斑块面积与空间粒度的关系，18 图2 1 3 斑块数与空间粒度的关系1 9 图2 1 4 分离度与空间粒度的关系，1 9 图2 1 5 景观多样性和聚集度与空间粒度的关系2 0 图3 1 数据预处理流程，2 2 图3 2 不同高程区域地类的损失精度2 4 图3 3 面积最大值原则下随粒度变化的损失精度，2 8 图3 - 4 中心值原则下随粒度变化的损失精度2 9 图4 1 怀柔区第一种趋势的景观指数变化3 2 图4 2 怀柔区第二种趋势的景观指数变化3 3 图4 3 怀柔区第三种趋势的景观指数变化，3 4 图4 4 怀柔区第四种趋势的景观指数变化，3 5 图4 5 怀柔区景观指数值随粒度的变化( 1 ：1 0 万) ，3 8 图4 - 6 怀柔区景观指数值随粒度的变化( 1 ：j 万) ，3 9 图5 1 一a o 5 m 分辨率航片分类结果，4 3 图5 1 b1 5 m 分辨率卫片( e t m l 分类结果4 4 图5 2 不同空间分辨率影像问的信息转移过程4 5 图5 - 3 不同分辨率影像的土地覆盖结构图4 9 图5 - 41 5 m 分辨率与3 0 m 分辨率信息转移+ 4 9 表目录 表2 1 整个区域的面积和精度损失表1 0 表2 2 土地利用空间结构及形态1 1 表2 3 面积最大值原则下面积和精度损失汇总表1 5 表2 - 4 中心值原则下面积相精度损失汇总表15 表2 5 精度损失与栅格大小的线性回归模型及参数1 6 表2 6 景观多样性指数和集合度指数与空间粒度的关系，2 0 表3 1 土地利用类型在不同高程区的空间分布( 百分比) 2 3 表3 2 不同高程等级地类的平均斑块面积( 公顷) ，2 3 表3 3 高程等级地类结构图( 百分比) 2 6 表3 - 4 不同高程区土地利用类型的破碎度指数，：2 6 表3 5 不同高程区土地利用类型的分离度指数2 6 表3 - 6 不同高程等级区的景观多样性指标2 7 表4 1 面积最大值原则下景观指数计算的第一尺度域，3 6 表4 2 中心值原则下景观指数计算的第一尺度域4 0 表5 1o 5 m 分辨率与2 5 m 分辨率分类信息转移矩阵，4 6 表5 2 25 m 分辨率与1 5 m 分辨率分类信息转移矩阵4 7 表5 3 不同数据源的景观空间特征。4 8 表5 - 41 5 m 分辨率与3 0 m 分辨率分类信息转移矩阵5 0 表5 5 不同分辨率的景观空间特征5 1 v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果。也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了嘲意。 研究生签名： 趁磊 时间：埘5 年岳月劫f t 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：叫迄 导师签名 倚、叔 参 时阳j ：汩岁年6 月油f j i g i l l ：、玎年f 月矿日 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 土地利用覆盖变化客观地记录了人类对地球表面空间格局的改变人类的生存与发展对土地 的开发利用以及引起的土地覆盖变化被认为是全球环境变化的重要组成部分和主要原因，因此国 际地圈一生物圈计划( i g b p ) 与全球环境变化人文计划( i h d p ) 于1 9 9 5 年联合提“十地利用和 土地覆盖变化”( l u c c ) 研究计划，使土地利用，土地覆盖变化研究已经成为全球变化研究的前 沿和热点课题。 地表系统是由各种不同级别子系统组成的复杂巨系统。地表空间数据以其表达地表系统中各 部分规模的大小和空间范围的大小，分为不同的层次即不间空间尺度。宅间尺度是空间数据的 重要特征之，是指空间数据集表达空间范围的相对大小，不同尺度的数据，其表达的信息密度 的差异很大( 弗特普费尔，1 9 8 2 ) 。在地理学、生态学、环境科学以及其他自然和社会科学研究 中，研究人员常常首先需要回答以f 问题：( 1 ) 研究在多人空间范围或多大空间分辨率( 空问尺 度) 上进行? ( 2 ) 在某一空间分辨率( 空间尺度) 上的研究结果是否能推广到其他空间尺度? 这两个问题所关心的核心概念是研究的尺度问题，因此尺度问题是许多科学研究中的核心问题之 一( 柏延臣，土劲峰，2 0 0 3 ) 。 尺度研究的根本目的在于通过适宜的空间和时间尺度来揭示和把握复杂的生态地理变化规 律。土地利用是生态地理学的分支，生态地理中有关尺度的概述同样适用j 二十地利j ，尺度在_ 十 地利用中可以说是现实、观测及研究士地利用的时间或空问单位( 郝仕龙，李壁成。2 0 0 4 ) 。通 过对土地利用尺度转换问题的研究将有助于实施_ 十地利用模，在不同尺度问的转换和促进深刻 认识不同尺度下土地利用与覆被变化的机理与过程。 在当今数字化、数字地球正向我们走来的时代，栅辂形式的g i s 数据在空间叠烟、宅间相天 和空间模拟等空间分析方面操作方便，表现出很强的优势，特别是在计算景观指数，分析景观格 局特征时，常用的景观格局分析程序多需要栅格数据为数据源。由于不同的应用目的，所选取的 尺度不同，在这种转化过程中，所用栅格的大小是不同的这就导致信息损失的程度也不一样， 因此尺度分析的研究势在必行( 布仁仓，李秀珍，胡远满2 0 0 4 ) 。 1 2 国内外研究进展 在自然年l 社会科学中，尺度并不是一个新的概念。地理学家、生态学家等很早就认识到j ，几 度问题的重要性，特别在生态学中，j t 度问题得到广泛重视和1 常深入的研究。景观动态分析等 都需要从陆地或全球的角度，在不同空间尺度上分析或考虑问题，因此尺度选择对许多学科的再 界定具f i 重要意义。如果把小尺度上观测到的数据转换到人尺度上，由于数据量和运掉, j - f u q 等限 制更需要合适的尺度分析方法。 1 2 1 尺度的概念 般来说，尺度( s c a l e ) 是指所观测和描述实体、结构年i i 过程的空间维( m a r c e a u ，1 9 9 9 ) 。乍 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 态学家定义的尺度具有两种含义：粒径( g r a i n ) 和范围( e x t e n t ) 。前者对应于观测的最小空间采 样单元，后者则指观测所覆盖的总面积( o n e i l la n dl a m ，1 9 9 6 ) 。 不同学者对尺度有着不同的理解。f a r i n a ( 1 9 9 8 ) 认为尺度是指被研究物体或对象在时问或 空间上的量度，是关于时间和空间的维度，在这个时间和空间维上，对象被观测或模拟。s c h u l z e ( 2 0 0 0 ) 认为尺度是观测、过程或过程模型在空间或时问方面的基准尺寸，它囊括过程的离散状 态或过程状态间的临界点。t u r n e r ( 2 0 0 1 ) 认为尺度是指一个物体或一个过程的时间、空间幅度。 傅伯杰( 2 0 0 1 ) 将尺度定义为观察或研究的物体或过程的空问分辨率和时间单位。邬建国认为广 义上的尺度是指在研究某一物体或现象时所采用的空间或时间单位，同时又可指某一现象或过程 在空间和时问上所涉及到的范围和发生的频率。 总的说来，不同学者分别从不同角度对尺度概念进行了表述，说明了尺度具有变化或动态的 特征，是时空大小的范围，具有可分解性和不同的水平层次。l a m 等( 1 9 9 2 ) 从地理学的角度， 定义了三个意义e 的尺度。c a oa n d l a m ( 1 9 9 7 ) 将此发展为四个意义上的尺度：制图尺度或 地图尺度，即地图比例尺，它是地图上的距离与相应的地面实际距离的比，大比例尺的地图一般 提供更详细的信息；地理或观测尺度，即研究区域的空间范围，它对廊于生态学中的范围，大 尺度的研究覆盖较大的研究区域；运行尺度，指特定地学过程远行的尺度。一些研究者将其称 为“作用尺度( a c t i o ns c a l e ) ”，运行尺度是由所研究的地学现象或过程本身决定的，而观测尺度 的决定则常常具有很大的主观性；测量尺度或分辨率，空间分辨率是指研究对象的最小可分辨 部分的大小，它相当于生态学中的粒径( g r a i n ) 。 1 2 2 有关尺度效应的研究进展 尺度分析( s c a l ea n a l y s i s ) 和尺度效戍( s c a l ee f f e c t ) 研究对于景观格局的分析，有着重要的 意义。在生态学中，早在2 0 世纪5 0 年代，r o b i n s o n ( 1 9 5 0 ) 就提出了“生态谬论( e c o l o g i c a l f a l l a c y ) ”的概念以解释聚集关系到个体关系的统计推理中的误差问题。此后，尺度问题成为生 态学中的一个主要研究方向。q i a n d w u ( 1 9 9 6 ) 利用空间自相关指数研究了尺度变化对景观结构 分析结果的影响，其结果表明，随着分析尺度的变化，空间自相关指数也随着变化。w ua n d g a o e ta 1 ( 1 9 9 7 ) 分析了景观数据统计分析结果随空间尺度的变化。周红章等( 2 0 0 0 ) 研究了生物多 样性的变化格局与时空尺度的关系。 在地理学，尺度效应问题也早已得到广泛关注。2 0 世纪5 0 年代，m c c a r t h y e ta 1 ( 1 9 5 6 ) 就 认识到：“在地理研究中，不能期望在某一尺度上的研究得出的结论能适_ 【i ；i 于其他尺度上，尺度 的每一个变化都会引出新的问题，没有理由假设在某尺度卜的关联在其他尺度上仍然存在”。 2 0 世纪6 0 年代，地理学家进一步认识到了尺度问题的重要性，o p e n s h a w ( 1 9 7 7 ，1 9 7 8 ，1 9 7 9 1 9 8 1 ，1 9 8 4 a ，1 9 8 4 b ) 在前人上作的基础上，系统研究了地理学中的尺度效应问题，提 b 了著名 的“可变面元问题( m o d i f i a b l ea r e au n i tp r o b l e m ，m a u p ) ”，邮存香许多不同的方式将地理研 究区划分为互不重叠的面元以进行空间分析成为空间尺度效应分析的经典理论。 在水文、气象等学科中，尺度问题也被作为一个核心问题受到重视，提出丫“代表单元尺度” 的概念，特别是在结合遥感信息进行水文学参数尺度转换的方法研究方面取得了很大进胜( b e v e n a n df i s h e r ，1 9 9 6 ) 。 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 研究尺度效应需要解答的闯题主要在于：( i ) 在哪种尺度上，可以正确的表达特定的地理 现象? ( 2 ) 如何有效的将数据和信息从一种尺度转换为另一种尺度? ( m a r c e a u ，h a y ，1 9 9 9 ) ( 3 ) 原始数据和信息经过尺度转换后，会出现何种信息的损失或效应? 即不同尺度的数据反映 相同的地物和现象时的差异如何( 刘明亮等，2 0 0 1 ) ? 针对这些问题，学者们做了大量的工作。h o w a r d ( 2 0 0 0 ) 对丁线型地物随尺度变化所引起 的误差问题进行了研究。杨存建，刘纪远，张增祥等( 2 0 0 1 ) 对不同的地物精度随尺度的变化而变 化的情况进行了研究。赵文武，傅伯杰，陈利顶( 2 0 0 3 ) 则研究了不同比例尺下，景观指数的尺 度效应。刘明亮，唐先明，刘纪元等( 2 0 0 1 ) 研究了类型数据空间尺度转换过程中的面积误差分布 特征，并探讨了地貌特征对这种尺度效廊的影响，结果表明：地理空间数据具有尺度效应，舀：不 同的空间尺度上，地理实体所表现的特性不一样。地理数据尺度变化必然引起数据空间、属性的 相应变化。 2 0 世纪9 0 年代以来，多尺度问题被称为生态学和地理学的新前缘受到生态地理学界的高度 重视。为此，美国环境保护局建立了多尺度实验生态系统研究中一) ( m e e r c ) ，尺度转换问题也在 研究中得到重视，理论研究也得到相应发展。 r ，h g a r d n e r 等提出了实验生态学的多尺度分析理论；g d p e t e m s o n 引入了等级理论解决全 球变化影响的跨尺度问题，o n e i l l 等( t 9 8 6 ) 将等级理论( h i e r a r c h yt h e o r y ) 作为生态学中联系 空间尺度和信息的理论框架。根据这个理论，景观被理解为一个具有连续层次组织结构的集聚实 体。在景观生态学中，结合斑块动力学理论和层次理论，发展了层次斑块动力学理论( h i e r a r c h i c a l p a t c hd y n a m i c sp a r a d i g m ，h p d p ) f w ua n dl o u c k s ，1 9 9 5 ：w ua n dl c v i n ，1 9 9 8 ) ，提供了一个研 究时空异质性、尺度和层次组织如何影响生态系统结构和动态的理论框架。 1 2 3 有关尺度转换的研究进展 尺度转换( s c a l i n g ) 是将数据或信息从一个尺度转换到另一个尺度的过程。尺度转换可以是 向上尺度转换( u p s c a l i n g ) ，也可以是向下尺度转换( d o w n s c a l i n g ) 。向卜尺度转换也称尺度扩 张或尺度上推是从较小尺度观测中获得较大尺度上信息的过程，m 向卜- 尺度转换又称尺度收缩 或尺度下推则是将大尺度上的信息分解到更小尺度上的过程( j a r v i s ，1 9 9 5 ) 。尺度缩小难度人， 而且正确程度很低，所以。一般用尺度扩张。 尺度转换最早开始于海岸线的长度表达问题，不同尺度的基本度量单位将作出不同长度的测 量结果。2 0 世纪7 0 年代中期，m a n d e l b r o t 创建了分形几何，为尺度转换提供了一个数学手段。 岳天祥和刘纪远等( 2 0 0 1 ) 建立了多尺度生态多样性模型、提出，多尺度信息融合模型的框架。 尺度分析常用的方法是网格分析法( r o b e r t1 9 9 4 ，h e1 9 9 4 ，o n e i l l1 9 9 6 ，j a y a n t h a1 9 9 7 ) 。布f i 仓( 1 9 9 9 ) 在网格分析的理论基础上，发展了一种矢量分析( v e c l o ra n a l y s i s ) 方法，在矢量化地 理信息系统的支持r ，分别用不同的度量精度( 尺度) 来分析景观斑块边界的变化过程。这种方 法既可保障廊道的连通性，义能虽大程度上保障斑块之间的空间相邻关系。也有人探讨了多尺度、 多级抽象下的线型特征提取，并详细分析了高速公路的细微结构随尺度而变化的情况。只- i , q s n 傅伯杰( 2 0 0 1 ) 对生态学中常见的尺度转换方法进行r 分析和总结。布f ：仓，李秀珍，胡远满， 常禹等则从景观指数的角度入手，分析景观格局指标在尺度转换巾的变化特征。 中国农业人学硕士学位论文第一章绪论 在信息技术蓬勃发展的今天，遥感、地理信息系统和数学模型等研究手段已经成为尺度变化 分析过程中的重要工具。不同遥感测量方式获取的数据及地面测量数据在尺度上存在不一致性， 因此在应用不同尺度的遥感数据时，尺度转换显得格外重要。不同分辨率的遥感影像，如l o r e 分 辨率的s p o t 3 0 m 分辨率的l a n d s a t t m 和l k m 分辨率的n o a a a v h r r ，就是不同尺度的遥感 影像数据对地物不同综合程度的影像反映。对丁：不同的应用h 的，所要求的精度不同，所选取的 影像尺度和所用信息提取的方法也不相同( 杨存建，刘纪元，张增祥等，2 0 0 1 ) 。b t m i l n e 和 w b c o h e n 根据分形的自相似性建立了针对m o d i s 数据的尺度转换方法：k m k o n a r s k a 等通过 比较n o a a a v h r r 和l a n d s a tt m 数据集的分析结果，提出，空间尺度对生态系统服务功能评价 影响的分析方法：刘悦翠，樊良新( 2 0 0 4 ) 以我国内蒙东北部州时相的3 种空间分辨率l k m ，4 k m ， 8 k m 的n o a a a v h r r 数据为数据源，比较了三种空间分辨率的土地覆盖类型斑块在棚格频度( 面 积) 上、形状上以及分割的破碎程度上所表达的信息差异。 1 3 研究内容和研究方法 1 3 1 研究内容 1 ) 土地利用空间数据尺度转换的精度损失分析 本文在地理信息系统的支持下，利用两种久栅转换原则对十：地利川空间数据进行尺度转换， 并对土地利用类型的精度损失特征以及土地利用景观指数的尺度效应进行了分析。 2 ) 高程影响f 土地利用空间数据尺度效廊分析 本文通过对不同高程等级区的土地利用类型的精度损失趋势进行定量分析，井结合原始欠量 图所反映的土地利用景观格局，探讨精度损失变化特征的规律和成冈。 3 ) 不同比例尺下十- 地利用景观格局特征的粒度变化效应 本文运用景观格局分析程序( f m g s i a t s3 3 扮析了不同比例尺条件下景观指数的粒度变化特征 和尺度效应，探讨比例尺与粒度变化对景观格局指数的影响，从而为选择适宜粒度进行景观指数 的计算和尺度转换提供理论依据。 4 ) 基于多尺度遥感的区域土地利用景观格局特征的尺度效应分析 本文在遥感和地理信息系统的支持f ，从不同遥感数据源、不同守问分辨率角度探讨空间粒 度( 分辨率) 放人的试验方案，定量化判断尺度放大过程中区域土地利用景观特征信息的尺度效 应。 1 3 2 研究方法 本文采用地理信息系统、数理统计分析、景观格局定量分析方法与文献调有、理论分析的定 性分析方法相结合的方式去分析土地利用空间数据在尺度转换中的尺度效应。 1 4 研究区概况 1 4 ，1 行政区划、地理位置 怀柔区地处燕山山脉j 华北平原的交接处，是北京市远郊区县之，何于北京市尔北部，北 4 中国，农、【k 入学硕l 学位论文 第葶= 绪论 纬4 0 。1 4 - - 4 1 0 0 4 ，尔经1 1 6 。1 7 1 1 65 3 2 问。尔邻密云县，南接顺义县，南靠昌平区，肉与 延庆县为界，眄北、北、东北面分别与河北省的赤城、阜j ：、滦平三县接壤。 全区南北狭长，呈岍铃形，南北长1 2 8 公里，东曲最宽处3 7 公咀，最窄处1 1 公里。伞区面 私 为2 1 2 2 6 平方公甲。仝区共辖1 2 个镇2 个乡，共计2 8 1 个村比委员会。 1 4 2 自然环境 1 4 2 1 地貌条件 研究区( 怀柔区) 圈卜1 研究区地理位置示意图 f i g1 1 l o c a t i o no fs t u d ya r e a 怀柔区地处北京湾由平原向山地过渡的阶梯地带，地貌类聚有平原、t i 陵山地、河谷及沟符 等三种类型： ( 1 ) 平原地貌分布十怀柔区尔南部杨宋庄、北房及庙城镇的尔部，海拔3 0 一7 0 米，由潮白 河支流冲积而成，自北向南稍有倾斜。山前一带有 _ 积平原分布，向p q 此逐渐过渡为分布r 丘陵 之间的切割洪积台地。 ( 2 ) 怀柔区丘陵、山地地貌分为丘陵、低u i 、巾i 等种类型。陵地瓤一般海拔高度为 1 0 0 - - 2 5 0 米，但山地内部斤陵的海拔高度在3 0 0 米以上。低i 【是怀柔分布而积最人n 勺一个地貌类 型，主要分布在氏城南北一带以及南北两条中山带之间的二级分水岭上。低山地貌形态萍圳较人 石灰岩分布的地区坡陡峰峻，其他岩石分布的地l x ，坡度相对_ f 1 1 缓，低山地乳一般海拔高度为 2 5 0 8 0 0 米。怀柔高于8 0 0 米的中山地貌，有两个延伸带：南部互正仲带和北部延伸带，其巾以喇 叭沟fj 乡猴顶j | i ( 1 7 0 5 米1 为最高。 ( 3 ) 平原河谷以潮白河展大，具有较宽广的低缓河漫滩和河漫滩低阶地。山地再河谷阶地 包括一、二级阶地，宽窄不等，级阶地相对高群为2 0 一2 5 米，更高阶地多已遭受切割，转 变为台梁丘陵形态。上质沟谷两侧具有阶地，节断续分布，i j 质沟谷则基本r 没有阶地分布。 s 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 2 2 气候条件 怀柔气候属暖温带大陆性季风气候，冬季最长，夏季次之，春秋两季最短。气温受地形及海 拔高度影响显著。平原区年平均气温为1 1 7 c ，山区年平均气温为9 3 。c 。平原区o 积温为 4 6 1 6 7 ，8 0 保证率为4 4 8 6 2 。山区0 积温为4 0 2 7 3 ，8 0 保证率为3 9 0 0 7 。无霜期 为1 4 0 天2 0 0 天。 怀柔地区年降水量4 5 0 - 8 5 0 毫米，受季风和地形影响，区域分布差异明显。山前迎风坡多 雨区年降水量达8 5 0 毫米，平原地区仅为6 0 0 - 7 5 0 毫米。云蒙山区后的汤河口、宝山寺、长哨 营等宽口谷地，处在背风坡，是全区降水量最少的地区，降水量仅为4 5 0 - - 5 0 0 毫米。降水季竹 分配不均，夏季6 8 月降水高度集中，占年降水量的7 0 7 5 。冬季降水极少，不及全年降水 量的2 。降水量年际变化大，不稳定，易出现旱涝灾害。 怀柔地区平原日照时数为2 7 3 4 小时，山区为2 8 7 2 3 小时，比平原日照多。但高山中的峡谷 地带，受高山的遮蔽，夏季云雨又多，日照时数明显减少。平原地区日照百分数为6 2 ，北部山 区年日照百分数为6 5 。 1 ，4 2 3 土壤条件 怀柔土壤分棕壤、褐土、潮土及水稻土4 个十类，卜分1 2 个亚类，2 8 个土属，1 0 2 个十种。 棕壤为垂直带中分布的土壤类型，主要分布在海拔8 0 0 1 0 0 0 米以上的中山山地。褐十是分布最 广、面积最大的土类。在垂直分布上位于棕壤以下，潮土以上，主要分布于低山丘陵的坡地卜， 褐i 二分为淋溶褐土、碳酸盐褐1 二、褐土性土、普通褐土及潮褐土，黄土分布区主要发育碳酸盐褐 土。潮士分布于河谷平原，包括褐潮一卜- 、潮土、湿潮土等不同砸类。水稻土主要分布于唐自f 】、 南房、花园一带，面积较小，分布三个亚类。土壤类型的分布与地形地貌关系密切，由山地至平 原，依次分布棕壤、褐土、潮t 及低洼地中分布有水稻士。 1 4 2 4 水文条件 怀柔水资源丰富地表水及地卜水水质较好，基本无污染，是北j ( 城区h j 水的主要水源基地 之一。多年平均统计，怀柔入境客水总来水量为年9 4 9 亿立方米，仄境内产水簧为3 6 2 亿立方 米，f j j 境水量为年7 7 5 亿立方米。 怀柔河流，分属海河流域的潮白河和北运河两个水系，4 级以上河流有十七条，以东起云蒙 山，西至凤坨梁一线的山脉为分水岭，岭南水系有潮白河及北运河两个水系，岭北水系为潮白河 水系。山后区白河流域和1 1j 前区的怀河流域同属潮白河水系。白河为区境内第一大河，向河及其 j 二要支流汤河、琉璃河、天河的两岸形成山区主要的大川居住村落，行政村多位 沿河两岸，f l 然村则位丁远离河川的山沟。怀河流域支流包括有怀九河、怀沙河、斗亡牛河、雁牺河等。 1 4 2 5 植被条件 植被是土地资源构成中的一个最为活跃的要素，是构成士地生态的重要要素，影响着士地利 用的生态效益。区境内天然植被属暖温带落叶阔叶林带，f 1 于原始森林的破坏，现存植被为次， ： 6 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 演替过程中产生的次生植被类型。山区乔木树种主要有辽东栎、侧柏、山杨、桦树等，灌木主要 有荆条、酸枣、绣线菊、山杏、平榛等，革本以黄草、白草、大油芒、菅草等为主。平原区则以 人工植被为主。由于林地面积大，植被覆盖率较高，植树造林力度逐年加大，怀柔区已经成为首 都北京的重要生态保护区和绿色屏障。 1 4 3 社会经济条件 据2 0 0 3 年统计资料，北京市怀柔区常住户籍人口为2 6 9 万人，其中非农业人口9 8 万人， 占总人口的3 6 4 ：农业人口1 7 1 万人，占总人口的6 3 6 。人口密度为1 0 5 人平方公里。人 均土地面积为1 4 2 6 亩。 改革开放以来，怀柔区经济持续稳定增长，综合经济实力明显增强，2 0 0 3 年全区国内生产总 值实现6 2 2 7 5 1 2 万元，比2 0 0 2 年增长1 8 4 0 人均国内生产总值达到2 3 1 5 万元。工业总产值 1 7 4 6 亿元，比2 0 0 2 年增长4 1 4 。2 0 0 3 年的国内生产总值中，第一产业占2 6 1 ，第二产业占 3 5 8 1 ，第三产业的达到6 1 5 8 ，第一、第二、第三产业比例由1 9 9 5 年的1 6 ：5 2 ：3 2 调整到2 0 0 3 年的3 ：3 6 ：6 1 ，产业结构更趋丁优化。 经济总量的增长使全区财力显著增强2 0 0 3 年的地方财政收入为5 4 0 3 6 0 元，同比增睦1 7 3 ；，城镇居民人均可支配收入达到1 2 7 8 5 0 元同比增长1 4 6 ，农民人均纯收入5 8 1 4 2 元 与2 0 0 2 年相比，实际增长9 6 。全区人民生活水平整体达到小康标准，向更加富裕阶段迈进。 7 中国农业大学硕上学位论文第二章土地利用空间数据转换中的精度损失分析 第二章土地利用空间数据转换中的精度损失分析 2 1 理论依据 空间数据是指用来表示空间实体的位置、形状、大小及其分布特征诸多方面信息的数据。在 生态学中尺度通常是指空问或时间幅度( e x t e n t ) 或粒度( g r a i n ) 。空间粒度指空问晟小可辨识单元 所代表的特征长度、面积或体积( 如栅格、像元) ；时间粒度指某一现象或事件发生的( 或取样的) 频率或时间间隔( 邬建国，2 0 0 0 ) 。空间尺度是空间数据的重要特征之一，是指空间数据集表达 空间范围的相对大小，为了认识景观空问格局对生态学过程的影响或受生态学过程的影响，需要 通过尺度转换分析得到不同空间和时间尺度的空间数据。 尺度转换分为尺度上推和尺度下推，尺度上推也称尺度扩展，是从较小尺度观测中获得较大 尺度上信息的过程，本文中涉及的尺度变化分析都是指尺度上推，即小尺度上的景观格局经过尺 度的筛选重新组合而形成较大尺度上的景观格局的过程。大尺度上的空间格局取决于较小尺度上 的各生态过程的综合作用( f a f i n d1 9 9 8 ) ，因此尺度转换过程中研究对象具有继承性( 肖笃守， 2 0 0 3 ) 。在不同的空间尺度上，实体所表现的特性不一样，数据尺度变化必然会导致地物精度的 变化，引起数据空间、属性的相应变化这种变化不可避免地受尺度的影响，也即景观格局的尺 度依赖性( s c a l ed e p e n d e n c e ) 。这些随尺度变化分析而出现的一系列变化，如随着尺度增加而造成 的景观格局的简单化等，称为尺度效应( s c a l ee f f e c t ) 景观指数随空间尺度变化的曲线称之为尺 度效应曲线( s c a l ee f f e c t c u r v e s ) ；数据精度随尺度变化的函数关系则称之为尺度效应关系( s c a l i n g r e l a t i o n s ) ( 申卫军等，2 0 0 3 ) 。 在自然科学研究中，分析尺度问题的一个重要方向是发展一套合适豹、在不同尺度上出现的 规则和不规则的景观模式，以及发展检测尺度的定量化方法体系和指标体系( 李晓兵，陈云洽， 2 0 0 3 ) 。以往的大多数有关二e 地利用景观格局方面的研究是在特定的空问尺度进行的，对栅格数据进 行景观空间格局分析也局限在某一尺度上和某一方法上( 田光进，2 0 0 2 ) ，而且在栅格大小对景观格 局的影响方面重视不够，往往忽略了尺度转换中空间信息的丢失程度。因此本章试图从两种欠栅转 换原则出发，对士地利用空间数据进行尺度转换( 本文中的尺度均指空间粒度) ，并对土地利用 类型的精度损失特征以及土地利用景观指数的尺度效应进行分析。 2 2 数据来源及研究方法 2 2 1 数据来源 本文数据主要依据