1 绪论
1.1 研究背景与意
随着全球环境变化问题的日益严重，土地利用覆被变化研究逐渐深入发展，目前已经成为全球环境变化的热点问题之一，景观格局分析方法也被越来越多的用于分析土地问题。景观生态学作为 80 年代以来迅速崛起的与人类密切相关的新兴学科，它强调研究对象的空间性和异质性，同时融合了地学和生态学的相关理论概念，成为地学与生态学间的一个交叉学科，在土地利用、生态管理、城乡规划等方面得到广泛应用且成果显著。景观格局研究是景观生态学理论研究的核心部分，一般是指其空间格局，是生态系统或系统属性空间变异程度的具体表现，主要包括空间异质性、相关性和空间规律性等内容。定量描述分析景观格局及其变化，重视景观组成和生态过程之间的关系研究，是揭示景观动态变化的基本途径。
目前阶段，随着相关研究的深入发展，景观指数法被广泛应用于土地景观格局变化的定量化分析中， 景观指数作为表述景观格局的定量化指标，既可以对景观格局信息进行整体概括，也可反映景观要素组成和空间配置特征，有助于建立景观组成与生态过程的关系，更好的解释景观功能。但是在实际应用中，一方面，景观指数数量众多且没有统一分类标准，不同指数间存在不同程度的相关性，如何选择所需的景观指数或组合可以科学合理地表现土地利用的变化还有待深入探究；另一方面，景观格局指数存在明显的尺度依赖性，同一景观指数随着尺度的改变会发生变化且不同景观指数随着尺度改变的响应也是不同的，进而可影响土地利用景观格局分析的准确性和真实性。因此，在选用景观指数对土地利用变化进行定量分析时，不仅需要考虑景观指数或其组合，也要考虑景观指数自身存在的尺度效应，只有选择适宜的尺度才能准确反映土地景观格局真实的变化情况，提高对未来土地变化预测的能力，为以后土地变化的多尺度研究提供经验和数据基础，也有助于探讨土地利用变化和景观生态过程的相互关系。
云蒙湖流域是临沂市主要的饮用水源地，地处淮河流域，其流域控制面积1693 km2，属暖温带半干旱大陆性季风气候，流域地质构造复杂，地形为低山丘陵，地带性土壤为棕壤与褐土，土层瘠薄，经济基础薄弱，近些年受人类活动影响巨大，土地利用动态变化较大，分析该流域景观格局指数的尺度效应，探讨选择可土地利用景观格局分析的适宜尺度，可为深化土地利用景观格局变化研究提供新思路，同时为该流域土地资源利用规划和保护提供理论基础。
1.2 国内外研究进展
1.2.1 土地利用变化研究进展
针对土地利用变化的研究常常集中在以下三个方面：土地利用的时间变化过程；土地利用的空间变化过程；土地利用的质量变化过程。在土地利用变化的分析过程中，尺度的变化对研究结果影响重大，尺度的含义包括四种：制图尺度、地理尺度、操作尺度和度量尺度。地学分析过程中，确定研究对象或过程的空间尺度和时间尺度是一个关键性问题，被研究的过程或现象需要在适合的时间或空间尺度下进行分析，大尺度的分析易忽略细节信息不可应用到较细的生态过程，较小尺度分析虽可观测到具体的生态过程但信息量过大，因此针对不同的研究目的应选择不同尺度进行研究分析。空间尺度的变化对研究结果的置信度具有不同影响，因此，在进行土地利用变化研究时需考虑研究对象的特征空间尺度，以正确反映区域土地利用变化的空间特征。时间尺度同样是土地利用变化研究时必须考虑的因素，若时间分析尺度不适用于土地变化过程现象的特征尺度，则无法发现长期的土地利用动态变化。
长期以来，土地利用变化的研究方法多是分析不同时期的土地利用图件、统计资料和遥感数据等基本资料来得到土地利用变化信息，随着对土地利用认识的深入、研究手段和空间分析技术的不断进步，引入了数学统计方法、遥感和地理信息系统和模型等方法技术。地统计学以区域变量为基础，对研究对象的空间相关性进行研究，是研究土地利用变化重要的解释分析空间数据的工具。遥感的图像分类识别和地理信息系统的空间分析功能也为土地利用变化研究提供了有效手段。土地利用变化分析的建模研究也由简单的环境影响模型到社会影响模型至今发展到含括环境作用、社会影响及反馈于一体的复杂模型，使土地利用变化研究方法变得多元化。
1.2.2 景观生态学研究进展
景观生态学是现代生态学的一个重要研究方向，人们对生态环境问题的逐步重视促使其产生和发展，同时地理科学进步、现代生态科学的发展及相关学科领域的突破也具有重要促进作用。景观生态学源于中欧，欧洲著名的植物学家Carl Troll 研究东非土地利用问题时第一次明确提出“景观生态学”的定义，代表着景观生态学发展的开始。而第 1 届国际景观生态学大会的举行是国际景观生态学学术组织正式确立的里程碑。国际景观生态学协会的建立标志着景观生态学的一个新的发展阶段，《景观生态学》的出版提高了景观生态学研究的水平，扩大了景观生态学的影响范围并促进了学科发展。20 世纪 90 年代的景观生态学呈现出高速增长的趋势，并成为研究区域生态问题一个新的角度。法国所举行国际景观生态学大会总结了90年代国际景观生态学发展的主要领域：生态空间理论及景观异质性研究、景观系统分析及 GIS 应用、景观变化模型及未来景观规划。荷兰举行的第七届国际景观生态学大会概述了景观生态学的理论原理、方法和应用成效，并讨论了景观生态学的发展趋势。
2 研究区概况与研究方法
2.1 研究区概况
2.1.1 地理位置
研究区位于临沂市云蒙湖流域，东经117°45'-118°23'，北纬 35°27'-36°20'，地处山东省中南部沂蒙山区腹地，属淮河流域沂沐泗河水系，距离临沂市蒙阴县城东15 km，临沂市 93 km。云蒙湖原名岸堤水库，始建于1959年，控制运用水位175.0 m，库容 3.95亿 m3，长30 km，宽1.53 km，控制流域面积高达1693 km2，是临沂市城市重要的水源地（图2-1）。
2.1.2 自然环境条件
流域内山岭起伏，沟壑纵横，地形南北高，中间低，自西北向东南倾斜，海拔范围 120-1108.3 m。整个流域地质结构复杂，出露地层主要是变质岩、灰页岩、砂页岩、砾岩和冲积土，地形以丘陵山地为主，地带性土壤为棕壤与褐土，土层瘠薄。流域按照地质类型主要分为 3 类：花岗岩缓坡丘陵小流域、石灰岩山地小流域、石灰岩/花岗岩混合山丘小流域。
流域内现有大中型水库 4 座，小型水库 84 座，季节性河流 41 条，气候为暖温带半干旱大陆性季风气候，多年平均年降雨量 822.2 mm，年平均气温12.8℃，无霜期平均 204 天，平均日照时间 2404.8 h，气候温和，四季分明，雨热同季，降雨集中在 6-9 月，占全年总降雨量的 65%，春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季晴和气爽，冬季寒冷少雪，气候垂直变化较为明显。
云蒙湖流域森林植被属暖温带落叶阔叶林，现有水土保持林和水源涵养林主要为天然次生林和人工林，有木本植物 59 科 87 属 188 种，草本植物 20 科50 属 200 种。
2.1.3 社会经济条件
云蒙湖流域涉及蒙阴、沂水 2 个县，14 个乡镇，流域内常住人口约为 56.3万人，农村经济收入主要来源于种植业和果园，流域内土地类型多样，农业用地方式以坡耕地和梯田为主，主要种植小麦、玉米、地瓜等不同作物以及各种树木，主要经济作物有苹果、栗子等。为了增加农民收入，减少水土流失，近年来流域内栽种了大面积的果树，不仅对保持水土流失起到了良好的效果，同时还给农民带来了可观的经济效益。
2.2 研究方法
2.2.1 数据来源及预处理
本研究采用的影像数据为1986、1995、2005和2010年9月的Landsat5 TM遥感图像，空间分辨率为30 m ，四景影像所处季节一致，影像数据色调丰富，质量较好，便于遥感图像解译。基础数据为流域 1：100000 土地利用现状图、统计年鉴及野外调查资料。
运用 RS 和 GIS 技术对各时期遥感图像进行影像预处理、辐射纠正和几何校正、图像配准，结合野外勘探调查及文字资料，利用计算机自动分类和目视判读相结合的方法提取土地利用类型信息，进行土地利用分类解译，并参考国土资源部制定的土地类型分类规范，采用《全国土地分类（试行）》标准进行分类。由于研究区未利用总土地面积和各斑块面积均比较小，所以分别与其他土地利用类型进行了合并处理，所以将流域内土地利用景观划分为耕地、林地、草地、水域和居民用地五种景观类型。
2.2.2 尺度变换
尺度变换对景观指数的变化具有明显影响，同一景观指数在不同尺度下的数值是不同的，且不同景观指数对于尺度变化的效应也是不同的。本研究以1986、1995、2005 和 2010 年土地利用分类图为数据源，在 ArcGIS 9.3 软件的支持下，利用 ArcToolbox 中的 Resample 工具对原始栅格数据进行不同分辨率的重采样，将四个时期的土地利用分类图分别转换成30 m、60 m、90 m、120 m、150 m、180 m、210 m、240 m、270 m 和 300 m 10 个粒度等级的衍生栅格数据，在重采样过程中选用优势类型法进行赋值，即指在生成的新像元中按照多数原则，采用占像元数目较多的属性作为新产生像元的属性，如果不同属性所占新像元的数目相同时则由程序随机决定新像元的类型。之后在ArcGIS空间分析模块中利用convert 命令将不同粒度土地利用图转换为GRID格式，为下一步景观格局分析提供数据源。
2.2.3 景观格局分析方法
2.2.3.1 景观指数的选取
景观格局是指具体生态系统或存在“元素”的空间关系，主要指与生态系统的大小、形状、数量、类型及构型相关的能量、物质和物种的分布。景观格局和空间异质性密切相关，且对尺度具有很大的依赖性，为此目前发展了空间分析方法和景观格局指数法对景观格局进行定量化计算分析，用来反映景观结构和功能过程的相互关系并为指导景观格局发展提供依据。其中，景观指数法是较常用的景观格局分析手段，它既可以高度浓缩景观格局的信息特征并可反映景观结构和空间配置等方面的特征，景观格局的特征变化可以从指数的变化上展现出来，是景观生态学中最常用的空间分析手段。
3 斑块类型水平上的空间尺度效应.............15
3.1 不同土地利用类型多尺度格局分析.................15
3.2 斑块类型指数对空间尺度变化的响应............19
4 景观水平上的空间尺度效应...............24
4.1 景观水平指数对空间尺度变化的响应........24
4.2 景观水平指数在不同空间尺度上的变异特征..............26
4.3 景观水平指数对空间尺度变化响应的模型拟合.............27
5 适宜尺度分析..................28
5.1 尺度选择方法........................28
5.2 适宜尺度选择..........................28
5 适宜尺度分析
5.1 尺度选择方法
生态系统的自然属性是存在尺度效应的，景观生态格局会随着尺度大小的变化发生改变，这主要因为当空间尺度较小即分辨率较高时，可从微观角度展现出景观中不同斑块类型的异质特性，当空间尺度较大即分辨率较低时，可从相对宏观的角度展现出景观的均质性而掩盖了景观的异质特性。在实际研究中，若选择的空间尺度较精细时，则会由于景观异质信息量过大造成处理过程中难度的增加；选择尺度较大则可能会忽略了部分所需细节不能反映景观真实情况。因此，在进行景观格局变化研究时需选择适宜的研究尺度，达到既可以准确反映景观格局变化的真实特征又降低工作量的效果。
景观指数的尺度效应是当指数值随尺度增加到一定程度后不再有较大变化而呈现规律性变化的现象。尺度域是指尺度检测曲线的两个相邻尺度转折点间所对应的粒度范围，在同一粒度范围内曲线相对平滑且变化幅度较小。在第一尺度域中，景观格局通常可以展现出较好的信息特征，而在第二和第三尺度域及之后的范围内，随着尺度的粗粒化可能会导致景观格局信息显示的不完整，因此在进行景观格局研究时应依据景观指数的第一尺度范围来选择较适宜的尺度。
综上所述，研究景观格局变化时需在适宜尺度下进行，且为了保证景观格局信息的有效性，选择第一尺度域内中等偏大的尺度效果最好。此外，在第一尺度域内进行适宜尺度选择 工作时，应选择指数值变化速率相对较小的对应尺度区域，避免选择景观指数值急速变化的尺度区域，综合考虑研究过程计算量和景观指数值变化速率等因素，确定对应于每个景观指数的适宜研究尺度。
6 结论与讨论
6.1 结论
景观格局作为景观异质性在空间上的综合表现，具有很强的尺度依赖性。分析景观格局在不同尺度下的特征及响应趋势，发现区域不同景观格局特征的尺度效应关系，才能更加准确的反映土地景观格局的真实情况，预测景观的未来演化方向，进而可以指导区域景观格局优化，实现土地资源的合理开发与生态环境的良性发展。
在对土地利用变化研究和景观格局尺度效应进行论述的基础上，利用1986、1995、2005 和 2010 年 4 期遥感影像，在软件 ArcGIS 9.3 和 FRAGSTAS 3.3 支持下，对云蒙湖流域斑块类型水平和景观水平特征指数的粒度效应进行分析，探讨不同景观指数随粒度变化的响应关系，确定该流域进行景观格局研究的适宜尺度，通过研究得到以下主要研究结论：
（1）在斑块类型水平上，粒度的变化对斑块面积百分比影响较小，而其他景观指数皆随着粒度的变化而发生改变，且不同土地利用类型的的尺度效应亦有差别。耕地对周长面积分维数和有效网格大小的粒度效应较其他类型强烈，而对斑块密度、斑块面积百分比和凝聚度的粒度变化响应较弱，居民用地和耕地对周长面积分维数和凝聚度的粒度效应中差异最大；不同年份多尺度格局存在差异，但存在尺度效应的指数在不同时期对粒度变化的响应趋势仍大体吻合；除斑块面积百分比和有效网格大小外，各土地利用类型的其他景观指数随粒度变化的曲线可以用一定的数学模型拟合且拟合效果很好。
（2）随着研究粒度的增加，不同景观指数随空间粒度的变化表现出不同的变化趋势。在景观水平上，可以将景观指数归为 4 类：第一种是单调下降型，指数随着尺度的增大而减小，具有比较明确的尺度效应关系，包括斑块密度、景观形状指数；第二种不规则变化型，指数呈现不规则变化，存在多处尺度转折点，包括最大斑块指数；第三种是波动变化型，指数随尺度增大呈现波动上升或下降的趋势，包括凝聚度指数、周长面积分维数；第四种是波幅增强型，包括Shannon多样性指数、Shannon均匀度指数，其整体变化趋势相对较稳定。所选景观指数中斑块密度和景观形状指数对尺度的响应相对较敏感；且斑块密度、景观形状指数、凝聚度和周长面积分维数拟合程度较好。
（3）部分景观指数存在尺度转折点，且转折点区域并不完全一致。该流域景观格局研究适宜空间尺度范围为，耕地适宜尺度为90 m，林地为 90-120 m，草地、水域和居民用地适宜粒度为60-90 m，综合斑块类型水平和景观水平指数适宜粒度范围，云蒙湖流域景观格局研究适宜粒度为90 m。
参考文献（略）