1、使用斑块参数和景观指标定量分析城市景观动态:一个关于兰契的研究收到：2010年1月12；公示：2010年5月23 ；在线出版：2011年2月12日#2011印度遥感社文摘城市化面临增长及管理的严峻挑战。城市化的问题体现在形式的过度拥挤,交通拥堵,基础设施不完善,服务供应不足、环境退化、污染等，影响了城市社会经济的发展。兰契,加尔克汉德邦(印度)新成立的首都，目睹了同样的场景。提出研究城市发展所面临的计划与管理的问题，使经济增长更加高效和可持续。在兰契，提出研究城市化的模式,以及城市化如何影响其他土地利用/土地覆盖类别的必要性。为了评估城市化模式和时空动力学研究区,兰契城市中，影响土地利用/土地
2、覆盖类别在一个时间梯度代表前资本和职成资本形成阶段的所有因素，如改变模式的三个重要的斑块参数，斑块频率、最大斑块的大小和斑块的平均规模都被一一分析。这两个常见的景观指数，即香浓的多样性指数和辛普森多样性指数和新开发的指标“归一化斑块尺寸范围指数“ 被用于分析兰契城市，不仅确定了发现来源，而且对城市景观的时空动态提供了有意义的见解。关键词城市化斑块景观指数参数景观动态时空动力学介绍城市化面临增长及管理的严峻挑战。跨地域,城市化的问题体现在形式的过度拥挤,交通拥堵,基础设施不完善、服务供应不足、 环境退化、 污染等。这些,加上快速增长后管理不善,影响城市社会经济的发展。兰契,印度加尔克汉德邦的新成
3、立的首都,也目睹了同样场景。提出研究城市发展所面临的规划和管理问题，使经济增长更加高效和可持续。兰契,在 2000 年成为印度加尔克汉德邦新成立的首都，目睹了城市化步伐不断加快,甚至持续猖獗。自成立以来已观察到的其他显著的土地利用、土地覆盖类别即水体、植被、农业的影响重大，修改了城市的景观格局。在兰契，提出研究城市化的模式 ,及城市化如何影响其他土地利用/ 土地覆盖类别的必要性。斑块参数和景观指数是被不同研究者提出的理解城市景观动态的方法之一。GIS 和遥感数据以及附属数据辅助分析城市扩张模式(Sudhira et al . 2004)中景观的增长、模式和程度的。他们还指出：扩张的程度可以被模
4、式化来识别模式的扩张和以后预测未来扩张的本质。他们还描述了一些需要量化扩张的景观指数。Turner 和 Ruscher(1988)在美国佐治亚州使用平均数量和规模上的斑块,分形维数的斑块,和指数的多样性支配和传染量化土地利用模式。他们发现,简单的斑块形状表示分形维数减少，而增加的趋势表明复杂的斑块形状。他们说,更换景观模式影响生态过程和资源。Munroe 以及其人(2005)在景观破碎度和各种社会经济，生物物，与空间变量关联的土地利用和土地覆盖中发现统计关系。在此基础上他们由研究了景观破碎化模式产生的城市膨胀发展到农业和森林覆盖的土地上。Lee 等人。(2008)试图理解景观结构和得克萨斯州大
5、学城城市社区满意度之间的关系，美国利用 IKONOS（贸易卫星拍摄） 多谱线扫描器 和全全色波段影像来测量景观结构。他们总结了景观结构使用归一化植被指数(NDVI)方法。在一个假设的框架和理论和模型在景观生态学、景观偏好和邻里满意的应用,他们的研究成果对居住环境优化社区居民满意度和生态功能的规划和管理策略提供了深刻理解。Sun 等人。(2006)在各种景观指数如斑块大小、斑块分维数、多样性指数和均匀度指数的基础上，两个时期 1985 年和 2004 年分析了中国贵港市城市空间格局。他们发现,在 2004 年平均尺寸是大斑块的景观形状比 1985 年更普通,。此外,在 2004 年香农多样性指数
6、增加斑块丰富性和均匀度。景观指数计算主要景观类型(公共设施土地、工业房地产土地、住宅用地和农用地)注明发生在类型的更改。Newell 等人(2005)从 1974 年到 1998 年在美国西雅图的东部的土地覆盖和土地利用上量化转换来研究成长管理在城市边缘地区的使用斑块参数的影响。他们在 1974 年和 1998 年之间比较斑块图案、大小、 发展类型和植被,在城市地区发现连续的增长。Weng（2007)分析了美国威斯康辛州麦迪逊市一个区域发生在住宅模式的改变关系到城市发展,代表一个连续的农村-城市-乡村景观由 4 个景观指标的百分比(面积百分比)、香农的均匀度指数(SHEI)、斑 块密度(PD)
7、,平均斑块大小(MPS)。他 发现土地利用多样性和景观破碎度的程度的是和城市化程度正相关的。Hahs 和 McDonnell(2006)显示,利用城乡梯度已经被证明是一个用来研究生态模式和在城市化景观流程变化的有用工具。他们在澳大利亚墨尔本定义了一个城乡梯度,使用主成分分析、景观指标等等。他们用四个措施即(1)综合指标;(2)每 单位城市土地覆盖人的比例 ;(3)景观形状指数 ;(4)主导量化墨尔本城乡梯度土地覆盖。Griffith 等人(2000)利用包括统计数据还原技术在内的景观格局指标，量化堪萨斯州的景观格局。他们发现,个人指标成为最重要的指标有修改后的辛普森多样性指数、面积加权平均斑块
8、分形维数、散布和并列指数,和指数最大的斑块。在目前的研究中,城市化模式在快速城市化景观中已采用了一些重要的斑块参数和景观指数。由于兰契 城城市发展步伐的加快,在一定时间梯度,跨度从前资本形成阶段到后资本阶段，城市化模式和大小及其对斑块动力学和多样性，这中评估是觉得合理的。目前的研究从 1996 年保持到 2004 年,分别代表一个相对温顺的时期(1996) 和一个显 著的动态周期(2004) 前和后形成的资本(2000),这样引人注目的城市化的差异程度及其后续效应进行分析。兰契市政公司目前研究的主要目的是开展量化城市动力学，使用各种斑块参数和景观指数来确定盛行在不同的土地利用/土地覆盖分类的城
9、市化规模和模式 。研究的范围还包括各种斑块参数和景观指数用于这项研究潜力的评估。在目前的研究中兰契市政公司(RMC)面积覆盖的时间的多样性的景观格局，观察基于 斑块动力学和土地利用和土地覆盖动态及其对应的斑块动态关联。研究区域开展的研究设想在一个城市化景观所涉及的城市位于印度(图 1)恰尔肯德邦兰契地区兰契市。兰契 2000 年成为印度加尔克汉德邦的新成立的首都,。虽然城市化进程在整个兰契城市和它周围是普遍的,在兰契市政公司(RMC) 的边界内以模式和大小两个方面大量的多样性为特点。所以,在目前的研究中,在兰契市政公司名下的面积已被调查 。图 1 在印度恰尔肯德邦,FCC 的研究领域以及它的位
10、置材料和方法 国税局 1 C LISS III1996 年的同一季节的卫星数据和国税局 P6 丽丝III2004 年的卫星数据被使用，为了描绘四个土地利用/ 土地覆盖类别考虑到探讨城市化的在兰契城市本质。8.6 版要干图像处理教程用于执行所需的图像处理和分类操作,同时各种斑块参数四个土地利用/ 土地覆盖类别如斑块频率、最大的补斑块的大小和斑块平均规模已经通过 Arc GIS 8.3 版本软件确定各自的年的分类图像。三个基本参数确定。对斑块频率、最大 斑块的大小和斑块平均规模进行了分析。两个广泛使用的景观指数香农的多样性指数(H) 和辛普森多样性指数( 一维)也被确定为研究区域。一个新的索引“归
11、一化斑块尺寸范围指数”已经被开发并用于本研究。20112986吴秋燚香农多样性指数（H）香农多样性指数量化的多样性是以社区为基础的两个组成部分：丰富性和物种的丰富度。在本研究中物种通过土地利用/土地覆盖物的类别来表示。丰富度不仅表示土地利用/ 土地覆盖分类的数量而且代表不同土地利用/土地覆盖分类的相对比例 . 该指数计算公式如下 H =（PI* logPi）其中：H 香农多样性指数i 土地利用/土地覆盖分类Pi i 的概率= FI/ N物种频率即斑块频率不同的土地利用/土地覆盖类别 （i）及 N =物种数量（土地利用/土地覆盖类别）频率（在本研究中等于 4）的对数。在本研究中个别土地利用/土地
12、覆盖类别的相对丰度代表各自的斑块频率，而本研究认为丰富的土地利用/土地覆盖类别的数量等于四。由于丰富在前期资本和后期资本是一样的，香农多样性指数将主要取决于四个目前在研究区域中的土地利用/土地覆盖类别的相对丰富度。辛普森多样性指数（D）辛普森多样性指数（D）所采取的措施是测量一个景观（ Offwell 林地和野生动植物信托基金，2005; http:/www.countrysideinfo.co.uk/simpsons.htm）之间的物种在其分配的公平性方面的多样性，由等式 D =（PI）2 表示含义D 辛普森多样性指数P i 第 i 个概率土地利用/土地覆盖分类= FI/ N其中 F I 种
13、，即斑块频率不同的土地利用/土地覆盖类别（i ）及 N =物种数量（土地利用/土地覆盖分类）（在本研究中等于 4）的频率。D 值的范围从 0 到 1 其中 D=0 表示无限多样性 D= 1 表示没有多样性。由于它既不直观，也不合乎逻辑的，所以 D 经常减去 1 即 1-D（辛普森多样性指数）或它的倒数即 1/D（辛普森的相互指数）以此来计算研究景观的多样性（Offwell 林地和野生动植物信托基金， 2005;http:/www.countrysideinfo.co.uk/simpsons.htm）。在本研究中，辛普森多样性指数（1-D）已被使用。辛普森多样性指数（1-D ）值范围在 0 和
14、1 之间，数值越大，代表更高的多样性和反之亦然。标准化斑块大小范围指数在本研究中，一个被称为“归一化斑块范围指数”的新指数已经制定，主要目的是评估斑块动态在两个时间段之间的区域通行。标准化斑块大小范围指数表示在随后的时间间隔（t2）的最大和最小的斑块尺寸的单个类别（即斑块尺寸范围）之间的差异与较早的时间段 t1 的类别有相同比例 。在本研究中，T2 和T1 分别代表资本后期（2004 年）和资本前期（1996 年）。标准化斑块大小指数=T2 时间段下在土地利用/土地覆盖下的斑块的最大值与最小值之差T1 时间段下在土地利用/土地覆盖下的斑块的最大值与最小值之差根据该方程，如果一个类别之间的斑块尺
15、寸的大小范围在两年中最大值和最小值一样，那么该数值将等于一。如果斑块尺寸范围在以后的 t2 时间中增加，那么 t2 与 t1 相比，该指数将大于 1；另一方面，如果 t2 时间段中斑块尺寸范围与 t1 时间相比降低，指数值将小于 1。标准化斑块大小指数描绘了以下几种情况: （1）指数值大于 1：在 t2 时间内，可能是最大的斑块尺寸增加或最小的斑块尺寸减少也可能两者都有。（2）指数值小于 1：在 t2 时间内，可能是最大的斑块尺寸减少或最小的斑块尺寸增加也可能两者都有。（3）指数值等于 1：在 t2 时刻，最大和最小的斑块尺寸可能同时发生按比例增加或减少的情况，因此 t2 时间的斑块尺寸范围与
16、 t1 相等。目前的研究支持通过上述方法来调查和观测新的归一化斑块尺寸范围指数的开发和使用。图 2 显示了此研究采用的方法。流程图：用于城市景观动态的量化方法论图形曲线显示斑块频率，最大斑块和平均斑块大小，主要是资本前期（1996 年）和资本后期（2004 年）所共有的四个独立的土地利用/土地覆盖分类，图3，4，5 分别表示了 RMC 区聚居，水体，植被和农业的斑块频率、最大斑块及平均斑块的变化图。图 3 资本前期（1996）至资本后（期 2004 年）在 RMC 面积下不同土地利用和土地覆盖类别之间的斑块的频率变化.图 4 资本前期（1996）至资本后期（2004 年）在 RMC 面积下变化
17、最大的斑块大小图 5 资本前期（1996）至资本后起（2004 年）在 RMC 面积下变化的平均斑块大小如图 3 所示，很明显，出现的的斑块频率的三个类别都显着减少，其中 1996 至 2004 年聚居，水体和植被的减少程度为 11，15和 13。另一方面，农业用地表现出斑块的频率显着增加了近 300（3 次）。聚居斑块频率减少的结果是 RMC 区域内聚居斑块的凝聚，导致大多数其他土地利用/土地覆盖类别斑块的成本大规模的城市化的结果。这一进程反过来又导致植被和水体的斑块频率（图 3）比例下降，也支持根据当时的不同的土地利用/土地覆盖的聚居面积减少（见表 1）表 1，1996 年到 2004 年
18、，兰契市政公司（RMC）在不同面积（平方公里）下的土地利用/土地覆盖大幅增加了近 3 倍的农业土地的斑块频率是由于大型破碎现有城市结块和最近建成的活动对农业的土地扩张。另一方面，因为最大的斑块大小和陡峭的下降，所以平均斑块大小相同的大幅下降显示出那里有着大量侵占农业用地建成区的广泛的城市化进程。（图 3 和图 4）另一方面从图 4 看，很明显，聚居规模最大的斑块出现显着增加，也支持1996 年至 2004 年这一时期的平均斑块大小（图 5）的相应增加。最大聚居斑块大小和平均聚居斑块大小（图 4 和图 5）增加可以归因于通过其扩张的城市化进程，观察图 3 粘结聚居斑块课看出其斑块频率的合成减少。
19、分析图 4，还揭示了水体，植被和农业这三个类别最大的斑块大小从资本前期规模最大变成资本后期比不上聚居斑块，通过实地观察证实合理减少，这是这三个类别分散城市化的结果。唐烯城市化的快速增加在斑块频率与最大斑块大小和平均斑块大小上导致猖獗的城市化的资本形成后明显造成了自然植被大规模的分裂 (如图 3、4 和 5)。对水体来说，发生的在城市化斑块频率和最大斑块大小和平均斑块大小的增长也造成了水体的收缩使得它们的数量因城市化减少。表 1. 兰契市政公司(RMC) 在 1996 年和 2004 年不同的土地利用/ 土地覆盖类别的面积(以平方公里计)土地利用/土地覆盖 1996 2004聚居 51.7099
20、7 75.7058水体 26.8284 26.20246自然植被 28.74921 19.9237农业土地 64.42105 49.20545景观指数参数的分析正如前面提到的,这两个常见的景观指数即：即香浓的多样性指数和辛普森多样性指数和新开发的指标“归一化斑块尺寸范围指数”。对归一化斑块尺寸范围指数进行了分析以用来评估城镇化过程的研究区域。对 H 值的分析显示，发现了 H 值从资本主义前期（1996）到资本主义后期（2004）内的 RMC 面积表现出相当大的下降的缺口的情况下从 0.4771 到 0.522的显著增加的相对丰富的四个后资本主义的土地利用/土地覆盖类别。意味着城市景观在研究区资
21、本主义后期时期已经更加多样化，这是由于在 19962004 期间的集约型城市化发展。辛普森多样性指数（1-D）计算了 RMC 区域的资本主义前期和资本主义后期形成周期分别为 0.6165 和 0.686,也分别证实了这些研究区域的香浓的多样性指数（H）的表现形式为资本主义前期(1996 年)和资本主义后期(2004)形成时期，从而证明各种土地利用/土地覆盖类别的患病率的显著地均匀增加是在 RMC 从资本主义前期到资本主义后期的转换期。RMC 区域内的以不同的土地利用/土地覆盖类别为研究区的归一化斑块尺寸范围指数已在表 2 和图 6 中描述给出。对比分析了各个研究区不同的土地利用/土地覆盖类别的
22、指标值揭示了以下的观察。表 2 兰契市政公司(RMC)在 1996 2004 时期不同土地利用/ 土地覆盖类别的归一化斑块尺寸范围指数(NPSRI)土地利用/土地覆盖 RMC 区域的 NPSRI聚居 1.18水体 0.95自然植被 0.37农业土地 0.76研究对象聚居斑块的值大于 1,清楚地表明了第一种情况(1)的归一化斑块尺寸范围指数。从对上面部分的斑块参数的分析表示,很明显,各类研究区的归一化斑块尺寸范围指数的巨大增加是表现在土地利用/土地覆盖中聚落斑块这一分类，这是由于在 1996 - 2004 年期间相似的最大斑块面积的增加，在图 4 中同样明显表示。这可以归因于由于资本主义的形成而
23、产生的激烈的城市化。另一方面, RMC 区域发生的相关水体斑块接近 1 的一个指标值为 0.95 ,可能会导致这类斑块的最大斑块面积收缩而使得这类斑块在其最大的和最小的斑块大小之间的距离的减少。自然植被类型呈现非常低的指数值为 0.37，这是由于在这 8 年的跨度时期其最大的斑块的大小相当大的减少。它确实可以归因于在2000 年由于密集的城市化之后形成的资本主义而造成的这一类斑块的大规模分裂。在 RMC 的农业土地面积指标值为 0.76 也归因于在 RMC 区域内的这一类斑块的最大的斑块大小的比较大的降低(如图 4 所示);同时从野外观察的结果也证实了这一点。图 6、RMC 区域面积内不同的土
24、地利用和土地覆盖分类在归一化斑块尺寸范围指数上的变化总的来说,土地利用/ 土地覆盖的三种类型：农业土地,自然植被和水体已明显受到城市化活动的影响。在 RMC 地区的城市化发展的动力源泉是耕地和植被斑块,也就是说城市群斑块大小的增加导致了耕地和植被斑块大小的减少。在这段时间的调查中水体以孤立的池塘为表现形式大体上没有受到城市化的活动,因此不具有明显的变化。结论对于兰契的城市规划和管理来说, 量化模式和城市的城市景观动态变化幅度是必要的。因此本研究的目的是切身实地的调查兰契的景观动态以用来做大规模的评估。来源于调查的显著发现可以概括如下。在 RMC 中城市化发展通过对农业土地和植被的消耗。在 RM
25、C 边界的农业土地变成了密集的碎片这是由于土地斑块数量的增加但是斑块大小的减小而植被则由于建筑活动被清除，这些方面的影响通过在土地储备数量的显著减少来证明。在资本主义后期相同的大面积的自然植被斑块的减少也表明了 RMC 区域内的城市化活动。RMC 区域内的聚居斑块频率显着下降是由于相同的最大斑块面积的增加造成的斑块的扩大和聚合。在各自的研究领域的资本主义前期和后期确定的香浓的多样性指数（H）和辛普森多样性指数（1-D）也表现出类似的趋势，标志着它们之间存在着很强的相关性。即在资本主义后期 RMC 的香浓的多样性指数（H）和辛普森多样性指数（1-D）值的急剧增加这种情况的发生意味着相应的不同的土地利用和土地覆盖类别的多样性和均匀度分别的增加。综上所述,我们可以观察到斑块的参数更加适合我们用来分析城市景观格局和幅度的景观动态变化，反之香浓的多样性指数和辛普森多样性指数更能够胜任核算不同的土地利用和土地覆盖分类的多样性和均匀度的动态变化。调查得出的归一化斑块尺寸范围指数可以显著地提高我们对板块动力学特别是特定的土地利用/土地覆盖分类斑块的扩展的理解并由此思考分析造成这种特定的土地利用/土地覆盖分类斑块的扩展的原因。可以明显观察到,聚居斑块在 RMC 边界内扩展而其他三个斑块分类的范围在不断减小。
