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空间粒度作为反映空间格局的重要指标,越来越受到地理学家、生态学家、环境学家的广泛关注。在土地利用格局动态模拟研究中,空间粒度问题同样不容忽视。目前广泛应用的土地利用空间格局动态模拟模型主要将栅格数据作为基础数据,因而在应用中需要确定所选择数据源的分辨率。在土地利用空间格局动态模拟过程中,选择的空间粒度不同,所用的栅格大小也会相应变化,由此影响到栅格单元对斑块的分割、融合和边界的改变。在空间粒度改变时,土地利用格局的重要特征是否得以保留是进行土地利用格局动态模拟所要最先明确的问题。其次,在某一空间粒度之下,模型是否能较好地实现空间格局动态模拟也是迫切需要关注的问题。然而以往的许多研究对不同粒度下的土地利用格局的空间特征变化往往重视不足,忽略了所选用空间粒度对运用模型进行空间格局动态模拟所产生的影响,很可能影响研究成果的科学性。
本研究即针对上述两个问题,探索了SLEUTH模型的粒度效应和粒度适用问题。主要内容包括:遥感信息空间尺度转换、粒度效应分析指标选择与试验粒度集合确定、SLEUTH模型的粒度效应及粒度适用三个方面:
1.遥感信息空间尺度转换。在遥感信息空间尺度的研究中,空间尺度通常指遥感影像的空间分辨率。随着遥感信息应用领域的不断扩展,不同的研究对象需要不同空间尺度的遥感影像提供支持,这就有赖于多源遥感数据的不断丰富以及遥感数据空间尺度转换方法的持续完善。最近邻法、三次方插值法等传统的基于统计的尺度转换方法能够保证尺度转换结果的统计特征得以较好的保留,然而在空间依赖特征方面却受到明显损失,引入基于机理的尺度转换方法——基于模拟点的扩散函数的尺度转换方法以改善以上方法的不足。并运用传统统计指标和空间统计指标综合评价上述三种方法的尺度转换效果,验证基于模拟点的扩散函数的尺度转换方法的优越性。
2.粒度效应分析指标选择与试验粒度集合确定。土地利用格局空间粒度效应评价及适宜粒度的选择需要合适的指标。景观格局指数种类多、信息量丰富,但需要针对特定研究区对景观格局指数粒度效应进行分组和筛选。选取对粒度变化具有较规律敏感性响应的指数,继而从这类指数中通过相关性检验,选择一二有代表性的指数用于研究区土地利用格局粒度效应分析。此外结合空间自相关指数Morans I来对土地利用格局进行粒度效应分析,选择空间特征较为稳定的粒度区间作为进行SLEUTH模型粒度效应分析的基础粒度集合。
3.SLEUTH模型的粒度效应。以Cygwin虚拟Unix环境,根据不同基础粒度集合中各粒度的坡度数据、土地利用数据、排除层数据、城市范围数据、交通层数据以及山影数据,分别展开不同粒度下SLEUTH模型的实验,确定最优的系数组合并得到模拟预测数据。在模型校验评价方法中建立基于空间自相关指数的校验指标ComMorans I,并结合面积控制指标Compare和形状控制指标Lee—sallee,运用改进后的校验步骤实现模拟精度精度的提高。结果表明:SLEUTH模型的应用粒度域较为广泛,但其模拟精度、模拟结果的粒度效应指标取值与真实数据的粒度效应指标取值的差异对粒度变化有一定的敏感性;每个粒度上,校验指标达到最优的情况下所对应的系数组合有显著差异,5个模型运行系数随粒度变化的效应曲线也有各自的特点。这从一定程度上表明了在不同的粒度上,影响土地利用格局变化、城市范围扩展的驱动因素会发生微妙变化。SLEUTH模型能够随着粒度的变化来调节系数的取值,这也是其具有较广的粒度适用范畴的原因。
本研究的创新之处如下:(1)运用基于模拟点扩散函数的尺度转换方法,实现了遥感影像数据的尺度转换,并将其应用于多粒度土地利用数据提取。(2)基于空间自相关指数Morans I建立了ComMorans I指标,提出了提高模拟精度的模型校验方法。(3)将景观格局指数、空间自相关指数引入到SLEUTH模型粒度效应分析中,扩展了模型粒度效应研究的方法。