基于邻接关系分析的景观空间区域完整度评价方法及系统

技术领域

本发明属于景观生态学领域，涉及一种基于邻接关系分析的整体景观空间区域完整度评价方法及系统。

背景技术

景观格局通常是指一系列大小、形状、排列不同景观镶嵌块在空间结构上的分布特征，是景观异质性的具体表现。景观格局的形成和变化规律受到自然和人为多种因素的影响，是对一定区域内整体生态系统的综合反映，研究区域景观空间格局，有利于揭示区域内生态状况和空间上异质分布特征。

利用景观指数描述景观空间格局一直以来都是地理学和生态学的热点内容，采用计算机技术实现自动化统计计算景观指数能够帮助理解和评价该地区的景观现状和土地利用格局，对不同时段的景观指数的计算还可以了解分析出该地区的景观格局变化和土地利用演变的趋势。目前，常用的景观指数主要是从斑块形状、斑块空间关系以及景观总体特征等方面对景观格局进行描述，其中大多数景观指数主要考虑单个要素以及同类型要素之间的空间关系，而考虑不同要素之间邻接关系和异同性的指数并不太多。其中从整体景观格局上考虑不同要素间的邻接关系和连通性的指标主要是聚集度指数，聚集度指数能够很好地评价景观中同一类型要素的聚集程度，但该指数的计算受到要素类型总数和均匀度的影响，且不同影像中同种要素的聚集分布情况无法直接利用该指标进行比较。

整体景观格局评价指数包括破碎度、聚集度、蔓延度等，但这些指数均无法对景观内部各类要素整体分布的集中连片情况进行有效评价。如破碎度能够整体评价景观在空间格局分布的复杂度，但其只考虑了要素破碎的斑块数，却未考虑斑块之间的面积差异和邻近程度；聚集度指数和蔓延度等指数评价整体景观的聚集程度时考虑了相邻栅格之间的关系，但无法直接比较不同区域内要素整体的聚集程度。本发明提出的完整度是对整个区域中各类要素整体分布的完整度情况进行评价，通过矢量的栅格化处理，充分考虑到各要素内部相邻栅格的异同性和连通性。同时，利用尺度变换的方式，能够解决不同区域间计算结果无法进行比较的问题，具有很好的适用性。

发明内容

针对现有景观指数缺乏整体景观要素完整连片程度评价指标的问题，本发明的目的是提出一种既充分考虑到内部相邻栅格的邻接关系，又能准确评价不同形状、大小栅格数据之间整体景观完整度的评价技术方案。

为实现上述目的，本发明的技术方案为一种基于邻接关系分析的景观空间区域完整度评价方法，包括以下步骤：

步骤a，初始完整度计算，包括将栅格数据中不同类型格网分别赋不同的值，遍历栅格中的每个格网，计算四连通方向上数值相同的格网个数，并进行累加求和，记为同值相邻数N

步骤b，尺度统一变换，包括对栅格进行尺度变换，尺度变换后的有值格网总数记为N′，所有格网四连通方向空值格网总数记为M′，所有格网四连通方向有值格网总数为定值C，根据N′和M′与尺度变换系数x的之间的定量关系，利用N、M、C求解尺度变换系数x；

步骤c，统一尺度完整度计算，包括根据尺度变换系数x及尺度变换后的N′、M′、C，计算尺度变换后的异值相邻数N

步骤d，最终完整度计算，包括为消除尺度变换对完整度数值上的影响，扩大完整度数值差异，利用函数

而且，步骤a中，完整度I

N

其中，N

而且，步骤b中，统一尺度下所有格网四连通方向有值格网总数C计算公式如下：

C＝10

其中，C是统一尺度下所有格网四连通方向有值格网总数，N是初始尺度下有值网格总数，p、E是对初始有值格网总数进行不同底数的对数函数运算的结果；t为常数，s为常数，G为常数项。

而且，步骤b中，尺度变换后的有值格网总数N′＝N·x

其中，N是初始尺度下有值网格总数，M是所有格网四连通方向空值格网总数，C是统一尺度下所有格网四连通方向有值格网总数，x是尺度变换系数。

而且，步骤c中，统一尺度下的完整度I

其中，I

而且，步骤d中，变换函数中的参数k的计算公式如下，

其中，K为常数系数，C表示尺度变换后所有格网四连通方向有值格网总数，L为常数；

最终完整度I的计算公式如下，

其中，I

另一方面，本发明还提供一种基于邻接关系分析的景观空间区域完整度评价系统，用于实现如上所述的一种基于邻接关系分析的景观空间区域完整度评价方法。

而且，包括以下模块，

第一模块，用于初始完整度计算，包括将栅格中不同类型格网分别赋不同的值，遍历栅格中的每个格网，计算四连通方向上数值相同的格网个数，并进行累加求和，记为同值相邻数N

第二模块，用于尺度统一变换，包括对栅格进行尺度变换，尺度变换后的有值格网总数记为N′，所有格网四连通方向空值格网总数记为M′，所有格网四连通方向有值格网总数为定值C，根据N′和M′与尺度变换系数x的之间的定量关系，利用N、M、C求解尺度变换系数x；

第三模块，用于统一尺度完整度计算，包括根据尺度变换系数x及尺度变换后的N′、M′、C，计算尺度变换后的异值相邻数N

第四模块，用于最终完整度计算，包括为消除尺度变换对完整度数值上的影响，扩大完整度数值差异，利用函数

或者，包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的存储指令执行如上所述的一种基于邻接关系分析的景观空间区域完整度评价方法。

或者，包括可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时，实现如上所述的一种基于邻接关系分析的景观空间区域完整度评价方法。

本发明能充分考虑栅格数据中相邻格网(像素)之间的邻接关系，有效评价不同形状、大小栅格数据之间的完整性情况，具有很强的适用性和有效性。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明实施例的所有格网四连通方向空值格网总数M的计算说明图；

图3为本发明实施例的实验地区A矢量栅格化后的数据(影像)图。

图4为本发明实施例的实验地区B矢量栅格化后的数据(影像)图。

图5为本发明实施例的实验地区C矢量栅格化后的数据(影像)图。

图6为本发明实施例的实验地区D矢量栅格化后的数据(影像)图。

具体实施方法

下面结合附图和实施例对本发明做进一步技术方案说明。

本发明的实施例是对A、B、C、D四个地区的栅格数据进行完整度计算，参照图1，本发明实施例的一种基于邻接关系分析的景观空间区域完整度评价方法实现流程包括步骤如下：

步骤a：初始完整度计算，包括将栅格数据(或影像)中不同类型格网(像素)分别赋不同的值，如0、1、2等，若为矢量则先对其进行栅格化操作。遍历栅格(影像)中的每个格网，计算四连通方向与其数值相同的格网个数，并进行累加求和，记为同值相邻数N

本发明中初始完整度计算主要是通过分析每个格网与其四连通方向相邻格网的异同性来实现的，计算公式如下：

N

其中，N

遍历影像中的每个格网，统计上、下、左、右四连通方向与该格网值相同的个数，将所有格网的同值相邻个数n

步骤b：尺度统一变换：为了消除不同形状、大小的影像分割格网数差异对完整度计算结果的影响，对栅格进行尺度变换，尺度变换后的有值格网总数记为N′，所有格网四连通方向空值格网总数记为M′，所有格网四连通方向有值格网总数为定值C。根据N′和M′与尺度变换系数x的之间的定量关系，利用N、M、C求解尺度变换系数x。

步骤b中，统一尺度下所有格网四连通方向有值格网总数C计算公式如下：

C＝10

其中，C是统一尺度下所有格网四连通方向有值格网总数，N是初始尺度下有值网格总数，p、E是对初始有值格网总数进行不同底数的对数函数运算的结果，无实际意义，是为了保证计算得到的C为一定值；t为常数，优选取10，s为常数，优选取4，G为常数项，优选取7。

对于不同形状、大小的影像，计算出的完整度无法直接进行比较。本发明将影像变换到同一尺度，目的是消除不同影像因形状、大小差异对计算结果造成的影响。

根据公式(5)(6)(7)计算统一尺度下的有值格网总数C时，常数s、t根据评价对象栅格格网总数间的比例差异进行确定，取其可能的最大比例差异值的对数值及更大的值，如最大比例差异为100倍，则常数s可取大于等于2的值，优选情况下可取4，t的取值是为了保证不同栅格总数的评价对象计算出的p值相同，优选情况下可取10。对格网数N进行对数、指数函数等运算求解C，保证最终计算的C为定值，指数函数中的G为常数，G的取值是为了保证所有影像都能缩放到同一尺度C上，可以根据评价对象的栅格格网总数进行确定，优选情况下可取7。

随着影像进行尺度变换，尺度变换后的有值格网总数N′＝N·x

最后对结果数值取整，得到变换系数x的最终结果，即：

其中，x表示尺度变换系数；N表示初始尺度下有值格网总数；M表示四连通方向空值格网总数；C表示尺度变化后所有格网四连通方向有值格网总数。在求解尺度变换系数x时，应注意x的取值应为正整数。

步骤c：计算统一尺度下的完整度：根据尺度变换系数x及尺度变换后的N′、M′、C，计算尺度变换后的异值相邻数N

N

其中，N是初始尺度下有值网格总数，M是所有格网四连通方向空值格网总数，N

尺度变换过程中，异值相邻数N

其中，I

步骤d：最终完整度计算，为消除尺度变换对完整度数值上的影响，扩大完整度数值差异，利用函数

实验发现，影像变换到统一尺度后，计算得到的完整度数值整体较大，且数值之间的差异很小，为了扩大完整度数值的差异性，对尺度变换后的计算结果进行函数变换，利用的函数形式如下：

其中，y为变换函数中的变量，k表示变换函数中的参数。k的计算公式如下：

其中，C表示尺度变换后所有格网四连通方向有值格网总数；常数系数K优选可取5，L为常数，优选可取10。

经过变换最终得到的完整度计算公式如下：

其中，I表示函数变换后最终的完整度；I

以A、B、C、D四个地区的影像为实验对象，证明本发明提出完整度评价指标的准确性和有效性。四个实验地区的影像见图3-6，影像中灰色区域是赋值为0的格网；黑色区域是赋值为1的格网。

计算结果：

对四个实验地区的影像按照实验步骤计算完整度，最终计算结果如下：

表1四个实验地区完整度计算结果

根据实验结果，四个地区影像的完整度从高到低依次为：D、C、B、A。从四个实验地区的影像可以看出，D地区影像中同值格网的分布最聚集、连通性最好；A地区影像中同值格网分布最散乱、连通性最差；C地区影像中同值格网分布的整体性比B地区高。对多张不同影像的实验结果表明，本发明提出的完整度评价指标是准确有效的，且具有较强的实用性。

具体实施时，本发明技术方案提出的方法可由本领域技术人员采用计算机软件技术实现自动运行流程，实现方法的系统装置例如存储本发明技术方案相应计算机程序的计算机可读存储介质以及包括运行相应计算机程序的计算机设备，也应当在本发明的保护范围内。

在一些可能的实施例中，提供一种基于邻接关系分析的景观空间区域完整度评价系统，包括以下模块，

第一模块，用于初始完整度计算，包括将栅格中不同类型格网分别赋不同的值，遍历栅格中的每个格网，计算四连通方向上数值相同的格网个数，并进行累加求和，记为同值相邻数N

第二模块，用于尺度统一变换，包括对栅格进行尺度变换，尺度变换后的有值格网总数记为N′，所有格网四连通方向空值格网总数记为M′，所有格网四连通方向有值格网总数为定值C，根据N′和M′与尺度变换系数x的之间的定量关系，利用N、M、C求解尺度变换系数x；

第三模块，用于统一尺度完整度计算，包括根据尺度变换系数x及尺度变换后的N′、M′、C，计算尺度变换后的异值相邻数N

第四模块，用于最终完整度计算，包括为消除尺度变换对完整度数值上的影响，扩大完整度数值差异，利用函数

在一些可能的实施例中，提供一种基于邻接关系分析的景观空间区域完整度评价系统，包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的存储指令执行如上所述的一种基于邻接关系分析的景观空间区域完整度评价方法。

在一些可能的实施例中，提供一种基于邻接关系分析的景观空间区域完整度评价系统，包括可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时，实现如上所述的一种基于邻接关系分析的景观空间区域完整度评价方法。