华中区自然区划研究的新方法.doc

收稿日期:1999-06-09基金项目:国家自然科学基金资助项目(49271001)作者简介:杨国良(1965-),男,副教授华中区自然区划研究的新方法杨国良(四川师范大学地理系,四川成都610066)摘要:着重说明怎样在自然景观类型分布规律定性与定量研究基础上,通过数量分析方法完成自然区划的步骤与方法.关键词:遥感;自然区划;聚类分析中图分类号:K921/927文献标识码:A文章编号:1001-8395(2000)01-0054-05研究区域为华中地区,北起秦岭、淮河一线,南到南岭以南,西起四川盆地边缘,东至沿海,总面积200万km2.研究的方法和步骤是在在遥感图像上解译出自然景观类型并加以制图的基础上,根据对自然景观类型的定性与定量分析,通过自下而上归并与自上而下划分相结合,确定各级自然区划单位,调整并确定区划界线,最终提出区划方案.限于篇幅,本文着重说明怎样在自然景观类型聚类归并基础上完成自然区划的步骤和方法.1自然景观类型的数据处理1.1原始数据的收集根据均匀、合理布点原则,在华中地区选取了316个样点,每一样点选择15种参数,它们是:10积温、10日数、年均温、一月均温、七月均温、年较差、平均相对湿度、无霜期、年降雨量、蒸发量、日照时数、地貌参数、土壤参数、植被参数和自然景观参数.共收集了4 740个原始参数1,2.除地貌、土壤、植被和自然景观类型参数是根据各自的特征序列确定经验参数外,其余皆为实测资料.地貌与自然景观类型参数的确定原则,是根据样点海拔高度由低至高依次递增,土壤和植被参数则是根据从南至北带谱或由低地向高地结构变化规律予以确定,均为经验值.1.2区域的初步划分为便于用数量分析方法对由卫星图像解译所划分出的自然景观类型进行自下而上逐级归并,首先必须应用演绎方法及根据影像特征的宏观分异大势并结合对各自然要素分布规律的分析,将整个研究区自上而下初步划分为5个区域3,再以这5个区域为框架和控制并应用归纳方法对自然景观类型作自下而上归并.应说明的是,这5个区域只是大体上等同上述研究区的一级自然区划单位即自然区,它们的具体边界并不一定与所在处的自然景观类型的边界恰好重合.凡遇此类不重合之处,区划单位的界线留待对自然景观类型聚类型聚类分析并结合自然要素特征值分析之后作适当调整而加以确定.1.3原始数据的整理和计算将上述5个区的原始数据列表(略),求取每一区同种自然景观类型特征变量的平均值,再通过计算机处理,计算每一区各种自然景观类型之间的隶属度Uij,计算步骤为:(1)计算不同景观类型之间的相似系数Rij=mk=1(xik-xi)(xjk-xj)mk=1(xik-xi)2mk=1(xjk-xj)2, (1)式中,Rij为第i种景观与第j种景观之间的相似系数;xik与xjk为第i种景观和第j种景观的第k个特征变量值;-xi与-xj表示同一自然区域由样点统计得出的第i种景观和第j种景观的同一特征变量均值;ij,i,j=1,2,n,k=1,2,m,n为自然区域内景观类型总数,m为景观类型特征变量个数.(2)计算各景观类型的邻接系数Lij=1镶嵌关系maxLi+Lj-LnLi,Li+Lj-LnLj,相关关系(2)0不接触关系式中,Li,Lj,Ln分别为第i种景观、第j种景观以及2000年1月第23卷第1期四川师范大学学报(自然科学版)Journal of Sichuan Normal University(Natural Science)Jan.,2000Vol.23,No.1i种与第j种景观构成的新图斑的周长.由于景观类型图斑数量多,两两合并组成的新图斑数更多,周长量算的工作量大,本文仅选择其中一个自然区域即四川盆地进行计算,其余4个自然区域的邻接系数计算作了简化处理,即如果两种景观之间的相似度大,Lij取经验值0.8,相似度较大取0.6,依次类推.(3)计算各景观类型的演替转换系数Pij= Pi/Pj, (3)式中,Pi和Pj分别为第i种景观和第j种景观之间的多度比和面积比的平均值,即Pi=Rdi+Lpi2,Pj=Rdj+Lpj2.其中,多度比Rdi= Zi/Z0,Zi和Z0分别为自然区域第i种景观类型个数和该自然区域景观类型的总数;面积比Lpi= si/s0,si和s0分别为该自然区域内第i种景观面积和自然区域的总面积.(4)计算自然景观类型的隶属度Uij= KijLijPij13, (4)式中,Kij,Lij,Pij的含义同前.Uij值越大,表明两种景观同属一个自然区划单元的可能性越大.上述步骤用C语言编程,如图1所示4.将各特征变量参数的平均值及Lij,Zi,Z0,si,s0的值输入计算机,运行计算后得5个自然区Uij矩阵:(i)秦岭、大巴山自然区Uij矩阵:1.01.10.6 -0.6 -0.30.81.00.5 -0.6 -0.30.60.81.00.3 -0.3-0.8 -1.10.41.00.4-1.2 -1.8 -1.41.41.0(ii)长江中下游平原区Uij矩阵:1.01.1 -0.3 -0.60.50.71.00.3 -0.6 -0.5-0.40.61.00.5 -0.7-0.9 -1.20.61.00.9-0.6 -0.9 -0.60.71.0(iii)贵州高原区Uij矩阵:1.0 -1.0 -1.01.21.0-0.71.01.0 -1.5 -1.4-0.60.81.0 -1.3 -1.40.3 -0.5 -0.51.01.00.2 -0.4 -0.40.81.0(iv)四川盆地区Uij矩阵:1.0 -1.60.50.30.2-0.51.0 -0.3 -0.2 -0.11.3 -2.51.00.70.51.6 -3.11.31.00.71.7 -3.61.51.21.0(v)江南、南岭山地丘陵区Uij矩阵:1.00.9 -0.6 -0.1 -0.50.71.00.4 -0.5 -0.5-0.60.51.0 -0.40.3-0.3 -1.1 -0.81.0 -0.5-0.6 -0.80.4 -0.41.02自然景观类型的聚类分析2.1聚类分析的步骤及方法聚类分析包括以下3个步骤:2.1.1对Uij值作标准化处理由于每一特征指55第1期杨国良:华中区自然区划研究的新方法量纲、数量级和数值变化范围存在差异,将其直接用于聚类分析会导致某些指标在计算过程中作用的夸大.为克服该缺点,须按(5)式对Uij值进行标准化处理.Uij=Uij- UjSj, (5)式中,Uj=1nni=1Uij,S2j=1n-1ni=1(Uij- Uj)2.其中,i =1,2,n,j=1,2,m,n =5,m =5.因为本研究区共5种景观类,故n与m最大取值为5.2.1.2计算各自然景观类型之间的欧氏距离dij=mk=1(Uik-Ujk)2, (6)式中,dij表示第i种景观与第j种景观之间的欧氏距离.所谓欧氏距离,是把每一种景观看作m维空间的一个点,并在空间定义的两点之间的距离.将Uij值代入(6)式,求得各自然区域的欧氏距离矩阵:D= dij =d11d11d11d1nd21d22d23d2n dn1dn2dn3dnn距离矩阵具有如下性质:(1)当景观i和景观j的各指标值相同时dij为零;(2)对一切i,j,dij0,且dij= dji;(3)对一切i,j,k,dijdik+dkj,即三角不等式成立.2.1.3景观类型的逐步归类以本项研究所初步划分的第自然区域(秦岭、大巴山自然区)为例,归类步骤如下:第一步,算出距离矩阵D0.D0G1G2G3G4G5G10G20.238 0G31.170 1.151 0G43.200 3.050 2.488 0 2.339G54.882 4.715 4.470 2.339 0第二步,用最短距离法逐步聚类(1)选取D0中数值最小的元素(对角元素除外)为D12=0.238,把第一类G1与第二类G2合并,记为第6类G6,即G6= G1,G2;(2)用最短距离公式计算G6和G3,G4,G5之间的距离.最短距离公式Drr=min(dpr,dgr).则d63=min(d13,d23) =min(1.170,1.151) =1.151;d64=min(d14,d24) =min(3.200,3.050) =3.050;d65=min(d15,d25) =min(4.882,4.715) =4.715.构成新的D1矩阵:D1G6G3G4G5G60 0G31.151 0G43.050 2.488 0G54.715 4.470 2.339 0(3)重复上述过程,直至所有样本(景观)都归为一类为止.下面给出各步计算结果:d63=1.51, G7= G6,G3,所以d74=min(d64,d34) =min(3.050,2.488) =2.488;d75=min(d65,d35) =min(4.715,4.470) =4.470.构成新的D2矩阵:D2G7G4G5G70G42.488 0G54.470 2.339 0又d45=2.339,所以G8= G4,G5,所以d87=min(d47,d57) =min(2.488,4.470) =2.488.构成新的D3矩阵:D3G7G8G70G82.488 0最后d78=2.488,G9= G7,G8.第三步:作出如下聚类分析,如图2所示.从聚类分析图2可以看出:56四川师范大学学报(自然科学版) 23卷当d0.238,每一种景观各自组成一类,共分为5类;当0.238d 1.151,可分成4类:G1,G2,G3,G4,G5;当1.151d 2.339,可分成3类:G1,G2,G3,G4,G5;当2.339d 2.488,可分成2类:G1,G2,G3,G4,G5;当d2.488,所有景观归为一类.第,自然区域的自然景观类型的归并过程与第自然区域相似,结果如下:第自然区域的自然景观类型归并结果,如图3所示.从聚类分析图3可以看出:当d 0.992,每一种景观各自组成一类,共分为5类;当0.992d 1.941,可分成4类:G1,G2,G3,G4,G5;当1.941d 2.282,可分成3类:G1,G2,G3,G4,G5;当2.282d 2.752,可分成2类:G1,G2,G3,G4,G5;当d2.752,所有景观归为一类.第自然区域的自然景观类型归并结果,如图4所示.从聚类分析图4可以看出:当d 0.866,每一种景观各自组成一类,共分为5类;当0.866d 0.948,可分成4类:G4,G5,G3,G1,G2;当0.948d 1.356,可分成3类:G4,G5,G3,G1,G2;当1.356d 2.719,可分成2类:G4,G5,G3,G1,G2;当d2.791,所有景观归为一类.第自然区域的自然景观类型归并结果,如图5所示.从聚类分析图5可以看出:当d 0.261,每一种景观各自组成一类,共分为5类;当0.261d 0.309,可分成4类:G4,G5,G1,G2,G3;当0.309d 1.280,可分成3类:G4,G5,G1,G2,G3;当1.280d 3.367,可分成2类:G4,G5,G1,G2,G3;当d3.367,所有景观归为一类.第自然区域的自然景观类型归并结果,如图6所示.从聚类分析图6可以看出:当d 1.526,每一种景观各自组成一类,共分为5类;当1.526d 1.858,可分成4类:G1,G2,G3,G5,G4;57第1期杨国良:华中区自然区划研究的新方法.858d 2.292,可分成3类:G1,G2,G3,G5,G4;当2.292d 3.208,可分成2类:G1,G2,G3,G5,G4;当d3.208,所有景观归为一类.2.2编译景观类型归并图将自然景观类型聚类的结果转绘成景观类型图,即得景观类型归并图.在景观类型归并图基础上结合景观要素特征分析完成自然区划工作,限于篇幅,华中地区自然区划系统及其新方案另撰文叙述.参考文献1四川植被协作组.四川植被M.成都:四川人民出版社,1980.1152.2安徽植被协作组.安徽植被M.合肥:安徽科技出版社,1983.1001303林炳耀.计量地理学概念M.北京:高等教育出版社,1985.81100.4陈述彭.遥感地学分析M.北京:测绘出版社,1990.89138.The NewMethod of Physicalgeographical Regionalization of Central ChinaYANG Guo-liang(Department ofGeography, Sichuan Normal University, Chengdu610066, Sichuan)Abstract:Based on the interpretation and classification of natural landscape types of central China, a physicalgeographical regionalizationplan of central China is 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