粒度效应对城_乡过渡区景观格局分析的影响

JOURNALOFNORTHEASTFORESTRYUNIVERSITYVol.32No.2Mar.2004粒度效应对城󰀁乡过渡区景观格局分析的影响

国庆喜󰀁肖少英

(东北林业大学,哈尔滨,150040)

1)

󰀁󰀁摘󰀁要󰀁以TM遥感数据为数据源,应用地理信息系统技术,对哈尔滨市区至帽儿山天然次生林区之间的过渡区域进行了景观格局分析,选取的景观空间格局度量指标包括:景观边缘密度、平均分维数、景观多样性、均匀性。比较了不同粒度对景观格局指数计算结果的影响,结果表明:景观多样性与均匀性对粒度效应反应不敏感;景观边缘密度、平均分维数都具有随着空间粒度的增加而明显变小的趋势,是对粒度效应比较敏感的参数。但在不同粒度下,依靠景观边缘密度、平均分维数计算的城󰀁乡景观格局梯度的变化趋势基本没有改变。

关键词󰀁粒度;景观格局;城󰀁乡过渡带分类号󰀁Q149

TheInfluenceofGrainEffectontheAnalysisofLandscapePatternGradientalongUrban-ruralTransect/GuoQingx-i,XiaoShaoying(NortheastForestryUniversity,Harbin150040,P.R.China)//JournalofNortheastForestryUniver-sity.-2004,32(2).-49~51

Thelandscapepatternsalongtheurban-ruraltransectfromHarbintoMaoershannaturalsecondaryforestregionwereanalyzedwiththehelpofTMdataandGIS.Themeasuredindexesoflandscapepatternsincludeedgedensity,frac-taldimension,diversityandevennessoflandscape.Theeffectsofdifferentgrainsonthecalculationresultoflandscapepatternindexwerecompared.Theresultshowsthatdiversityandevennessindexesoflandscapearenotsensitivetograin,whileedgedensityandfractaldimensionshowobviousdecliningtendencieswithgrainincreasing.Howeverthegraindoesnotshowanyeffectonthegradientoflandscapepatterncalculatedbyedgedensityandfractaldimensionalongtheurban-ruraltransect.

Keywords󰀁Grain;Landscapepattern;Urban-ruraltransect󰀁󰀁尺度一般是指对某一物体或现象在空间上或时间上的量度,同时又可指某一现象或过程在空间和时间上所涉及到的范围和发生的频率。在景观生态学中,空间尺度往往以粒度和幅度来表达,其中空间粒度(分辨率)是指景观中最小可以辨识单元代表的特征长度、面积或体积[1]。尺度性是生态系统的自然属性。许多生态学格局随空间尺度不同而显著改变,因此尺度问题是景观生态学的核心问题之一。如何确立合适的观察尺度以及景观格局的粒度效应问题,是当前景观生态学研究的热点,国外许多学者在这方面开展了大量的工作[2~4]。国内学者常学礼等人对科尔沁人工固沙区中的固定沙丘格局特征的分析表明,景观格局分析的量化结果受观测尺度大小的影响,尺度越大(分辨率越低),景观间隙度指数越小,反之亦然[5]。曾辉等对珠江三角洲东部地区景观格局空间分辨率效应的研究发现,景观格局随分辨率的不断降低出现了显著的变化,不同的景观指数对分辨率的敏感程度也不同[2]。

在对哈尔滨市区到帽儿山天然次生林区之间过渡带景观格局梯度的分析中,为了较好地评价不同程度的人为干扰对景观的影响,不能忽视粒度效应的问题,笔者通过变换景观粒度,探讨其对景观格局分析的影响,可以为今后相关分析研究提供尺度性参考。

山实验林场之间长达90km的区域,属于松嫩平原向东北东部山区的过渡地带。

帽儿山地区(东经127󰀁30󰀁~127󰀁34󰀁,北纬45󰀁20󰀁~45󰀁25󰀁)属于长白山支脉张广才岭西北部小岭的余脉,平均海拔300m。由于远离城市,天然植被保存较好。该地区植被是由地带性顶极植被󰀁󰀁󰀁阔叶红松林经过大规模人为干扰破坏后形成的较典型的天然次生林,主要以蒙古栎(Quercusmon-golica)、白桦(Betulaplatyphylla)、山杨(Populusdavidiana)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、水曲柳(Fraxinusmandshuri-ca)、黄菠萝(Phellodendronamurense)等树种为主,形成各种次生林群落类型。

哈尔滨市(东经126󰀁20󰀁~126󰀁25󰀁,北纬45󰀁25󰀁~45󰀁30󰀁)是我国东北北部最大的中心城市。幅员面积为53067.95km2,总人口941.33万人。哈尔滨市位于黑龙江省的中南部,地处松嫩平原的东部。哈尔滨的工业崛起于上个世纪50年代,在第一个五年计划期间,哈尔滨是国家重点建设城市之一,拥有大、中型工业企业217家,是一个工业基础比较雄厚的中心城市,多年的建设大大改变了当地及周围地区的景观。

2󰀁研究方法

2.1󰀁基础数据来源及预处理

本研究采用1998年8月16日的TM卫星遥感(轨道号为117/28)数据,用ERDAS软件对TM数据进行影像合成、增强、几何精校正处理和有监督分类,结合GPS野外实地调查数据和遥感影像特征,确定了居民点、旱田、水田、河流、针叶林、灌丛、阔叶林7种主要的景观要素类型。依据经高斯投影转换的TM图像,在哈尔滨市区与帽儿山天然次生林区之间设置一条长90km、宽16km的西北󰀁东南走向的生态样带,该样带4个顶点坐标分别为(309.412,5065.879)、(319.662,5078.862)、

1󰀁研究区概况

研究地区选在从哈尔滨市区到位于天然次生林区的帽儿

1)国家自然科学基金重大项目(39899370)、黑龙江省杰出青年

基金资助。

第一作者简介:国庆喜,男,1965年9月生,东北林业大学林学院,副教授。北京师范大学博士后。

收稿日期:2003年3月13日。责任编辑:张建华。50󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁东󰀁北󰀁林󰀁业󰀁大󰀁学󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第32卷

1mm

󰀁󰀁P󰀁󰀁(j󰀁i)。Ai=1j=1ij

式中:ED󰀁󰀁󰀁景观边缘密度(m/km2);

A󰀁󰀁󰀁研究范围内的景观总面积;

m󰀁󰀁󰀁研究范围内某一空间分辨率上景观要素类型总数;Pij󰀁󰀁󰀁景观中第i类景观斑块与相邻第j类景观要素

ED=

斑块间的边界长度。(4)分维数

P=KAD/2,D=2ln(P/4)ln(A)。

分维数特征是建立在单个斑块的基础上。式中:K󰀁󰀁󰀁常数,K=4;

P󰀁󰀁󰀁单个斑块周长;A󰀁󰀁󰀁单个斑块面积;

D󰀁󰀁󰀁分维数,且满足1(388.675,5017.706)、(396.875,5031.714)。将其划分成5个长度为18km的梯度区,并从哈尔滨至帽儿山地区方向依次标号为1至5。用ARC/INFO系统对该研究样带进行空间插值处理,划分5个粒度等级:30、60、90、120、150m,分别用Fragstat软件计算相关的景观格局指数,以探讨景观格局随粒度变化的规律性。

2.2󰀁景观格局分析指数

笔者选用景观边缘密度、平均分维数、景观多样性、景观均匀度4个指数来描述该过渡区内的景观格局特征,及其在不同粒度条件下的变化情况。

(1)Shannon-Weaver多样性指数

H=-󰀁Pkln(Pk)。

k=1n

式中:Pk󰀁󰀁󰀁斑块类型k在景观中出现的概率(通常以该类

型的面积占景观总面积的比例来估算);n󰀁󰀁󰀁景观中斑块类型的总数。

H值越大,景观要素类型越丰富,破碎化程度愈高,景观多样性越大。

(2)景观均匀度指数

均匀度指数E用来反映景观中各斑块在面积上分布的均匀程度,通用以多样性指数和其最大值的比值来表示。其公式为:

HE=。

Hmax式中:H󰀁󰀁󰀁Shannon多样性指数;

Hmax󰀁󰀁󰀁其最大值。

当E趋于1时,景观斑块分布的均匀程度亦趋于最大。(3)景观边缘密度

30m

H1.051.141.541.561.63

E0.590.580.740.750.79

H0.551.151.471.541.64

60m

E0.550.590.790.760.84

H

3󰀁结果与分析

3.1󰀁粒度对景观多样性(H)与均匀度(E)的影响

景观多样性是生态评价的重要指标,指景观中类型的丰富度和复杂度,主要考虑不同的景观类型在景观中所占面积的比例和类型的多少,是用于描述和评价景观异质性水平的一个概念,反映了景观自然演替与干扰状况相适应的结果。多样性指数较大则意味着景观由多种群落或生态系统构成,且分布均匀,具有较复杂的依存关系和种群控制机制,因而具有较高的稳定性。粒度变化对景观多样性和均匀度的影响分析结果见表1。

表1󰀁不同粒度下的景观多样性(H)和均匀度(E)

梯度区12345

90m

E0.640.620.770.820.83

H0.591.161.471.541.64

0.641.101.501.491.60

120m

E0.590.590.790.840.82

H0.591.101.491.491.60

150m

E0.590.610.770.890.83

󰀁󰀁在同一梯度区内变换空间粒度,导致了景观多样性和均匀度计算结果的差异,但变幅较小。由计算公式可知,景观多样性主要受各斑块类型数量及其比例的影响,随着粒度增大,计算出的各种斑块类型的比例未发生较大的变化,因而在设置的粒度范围内,这两种景观格局指数对粒度变化不敏感。

同样,在不同粒度条件下,景观多样性和均匀度指数沿不同梯度区均呈现上升趋势。由于第一梯度区位于哈尔滨市区,人为干扰活动强度大,斑块要素类型少,景观多样性和均匀度都很小。第五梯度区属于天然次生林区,天然植被受到一定程度的人为干扰,但保护得较好,因而斑块类型多样,景观多样性和均匀度达到了过渡区的最大值。可见,不同粒度下的计算结果,在反映过渡区人为干扰对景观格局的影响趋势上,具有一致性。

3.2󰀁粒度对景观边缘密度值的影响

景观边缘密度,指所研究的景观范围内,单位面积上异质景观要素斑块间的边缘长度。景观边缘密度是景观要素斑块形状及其密度的函数,反映景观中异质斑块之间物质、能量、物种及其它信息交换的潜力及相互影响的强度。人工斑块的

边缘密度受人为活动方式的控制,自然斑块的边缘密度则表明了斑块动态自身的发展趋势。通过对景观要素󰀁󰀁󰀁边缘密度的分析,可以说明景观要素的动态特征[6]。在5个不同的粒度下各个梯度区的景观边缘密度分析结果见图1。

图1󰀁不同粒度下景观边缘密度

同一梯度区内,景观边缘密度值都呈现随粒度的增加而明显减小的趋势。说明在所研究的30m到150m的粒度区间内,景观边缘密度对粒度的变化比较敏感。因为在粒度增

第2期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁国庆喜等:粒度效应对城󰀁乡过渡区景观格局分析的影响󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁大时,重采样过程对于景观中的小面积斑块具有强烈的过滤作用,许多形状复杂的小斑块被合并为大斑块,从而降低了景观边缘密度。

尽管粒度改变,但景观边缘密度沿各梯度区的变化趋势却仍保持一致,最小值都是在第一梯度区内,该梯度区以人工景观为主,景观异质程度低,从而使得景观边缘密度小。第三、四梯度区属于平原与山区的过渡地带,地形复杂,农林交错,小斑块数量多,景观边缘密度有显著的增加。天然次生林所在的第五梯度区,植被保存较好,景观破碎化程度大大低于前两个梯度区,因此景观边缘密度有所下降。3.3󰀁粒度对景观平均分维数(FD)的影响

景观平均分维数可以反映斑块形状的复杂程度,FD值一般处于1~2之间。FD值越趋近于1,斑块的自我相似性则越强,几何形状越趋向于简单,表明受干扰的程度越大。这是因为人类干扰所形成的斑块一般具有较为规则的几何形状,因而易于出现相似的斑块形状。FD值越大,反映斑块的形状越复杂[7]。

不同粒度下的景观平均分维数值的变化结果见表2。

表2󰀁不同粒度下的景观平均分维数

梯度区12345

30m1.0711.0711.0661.0871.073

60m1.0341.0381.0391.0411.036

90m1.0301.0291.0311.0311.032

120m1.0281.0291.0321.0331.031

150m1.0271.0251.0291.0281.029

51

属于平原向山区过渡地带,农林混杂,斑块形状极不规则,往往具有较大的景观平均分维数值。

4󰀁结论

沿城󰀁乡过渡区设置干扰梯度研究样带,研究景观格局对干扰的响应是一种有效的途径。由于景观格局研究依赖于一定的空间尺度,因而对城乡过渡区景观格局的变化趋势分析要考虑粒度效应的影响,才能更好地保证分析结果的合理性。笔者分析结果表明,粒度效应对景观多样性与均匀度没有明显的影响,二者沿梯度区的变化趋势与受人为干扰活动的强度有关。景观边缘密度与景观平均分维数的变化除了与干扰程度有关外,粒度效应的影响也极为明显;二者都呈现随空间粒度的增大而变小的趋势,是对粒度效应比较敏感的参数。尽管粒度对上述景观格局计算结果影响不同,但在不同粒度下,依靠上述指数计算的城󰀁乡景观格局梯度的变化趋势基本没有改变。因此对不同的景观格局指数,粒度效应的影响也不同,在计算时应加以注意,以减少景观格局分析中的盲目性。

参󰀁考󰀁文󰀁献

1󰀁邬建国.景观生态学󰀁格局、过程、尺度与等级.北京:高等教育出

版社,2000

2󰀁曾辉,郭庆华,刘晓东.景观格局空间分辨率效应的实验研究󰀁󰀁󰀁

以珠江三角洲东部地区为例.北京大学学报(自然科学版),1998,34(6):820~826

3󰀁JerryAGriffith,EdwardAMartinko,KevinPPrice.Landscape

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4󰀁StephenJWalsh,DavidRButler,GeorgePMalanson.Anoverview

ofscale,pattern,processrelationshipsingeomorphology:aremotesensingandGISperspective.Geomorphology,1998(21):183~2055󰀁常学礼,邬建国.科尔沁沙地景观格局特征分析.生态学报,1998,

18(3):225~232

6󰀁张芸香,郭晋平.森林景观斑块密度及边缘密度动态研究󰀁󰀁󰀁关帝

山林区为例.生态学杂志,2001,20(1):18~21

7󰀁王宪礼,肖笃宁.辽河三角洲湿地的景观格局分析.生态学报,

1997,17(3):317~324

󰀁󰀁同一梯度区内,景观平均分维数随着粒度的增加而减小,这反映了在增加粒度的重采样过程中,由于过滤作用使斑块的不规则边界被迅速平滑,内缘比增加,斑块形状与同面积的正方形偏差减小,景观斑块形状的复杂程度有较为显著的降低。说明景观平均分维数也是对粒度效应反应比较灵敏的参数,而且由表2中的数据可知,在30~90m之间的粒度范围内,研究区域的景观平均分维数的计算结果变化较大。

从不同粒度条件下景观平均分维数的计算结果来看,各梯度区的变化趋势没有改变,位于市区的第一梯度区景观平均分维数值相对较小。距市区越远,数值越大。第四梯度区