景观格局指数的粒度效应_以沈阳城市森林为例

景观格局指数的粒度效应_以沈阳城市森林为例 西北林学院学报2009,24(2):166~170 JournalofNorthwestForestryUniversity 景观格局指数的粒度效应 ??????以沈阳城市森林为例 李小马,刘常富* (沈阳农业大学林学院,辽宁沈阳110161) 摘??要:基于沈阳市2006年QuickBird卫星影像,以城市森林为对象,从景观和斑块类型水平研究了25个常用景观格局指数在细粒度范围(粒度边长<30m)的粒度效应。结果显示:(1)25个指数随粒度增加的响应可分为3类:单调上升或下降、u型或n型变化和无规律变化。(2)5种城市森林类型对景观格局指数的粒度效应表现出2种趋势:以小斑块为主的附属林和道路林随粒度增加斑块数量急剧减少,相应指数变化幅度较大;以大斑块为主的风景游憩林、生产经营林和生态公益林,景观格局指数对斑块数量变化不敏感,但随粒度增加斑块面积增加,引起面积加权平均斑块面积和有效格网大小等指数较大变化。(3)通过景观格局指数尺度检测图的拐点,沈阳城市森林景观格局 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 的适宜粒度为5m。 关键词:景观格局指数;粒度效应;城市森林 中图分类号:S731.2??????文献标识码:A??????文章编号:1001??7461(2009)02??0166??05 ——————————————————————————————————————————————— GrainSizeEffectonLandscapePatternIndices ??????ACaseStudyofShenyangUrbanForest LIXiao??ma,LIUChang??fu* (ForestryCollege,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang,Liaoning110161,China) Abstract:GrainsizeeffectonlandscapepatternindicesofShenyangurbanforestwasinvestigatedatthefine??grainscale(onesideofapixelwaslessthan30m)through25commonlyusedlandscapeindicesbasedontheQuickBirdsatelliteimagetakenin2006.Theresultsshowedthat(1)the25landscapepatternindi??cescanbedividedintothreetypesaccordingtotheirresponsestograinsizechanging.Indicesofthefirsttypeincreasedordecreasedmonotonically,andthesecondtypeshoweduornstyle,whilethethirdgroupdisplayeduncertainresponses;(2)Responsesoflandscapepatternindicestograinsizechangingofthefiveurbanforesttypesfellintotwotrends.Patchnumberofsubordinatedforestandroadforestdecreasedfastwithgrainsizechanging,whichcausedthecorrespondinglandscapepatternindicestochangegreatly,be??causethetwourbanforesttypesweremainlycomposedofsmallpatches.Onthecontrarylandscapeandrecreationforest,productionandmanagementforest,andecologicalandpublicwelfareforest,character??izedbybigpatches,werenotsensitivetopatchnumberbutsensitivetopatcharea,whichmadelandscapepatternindicessu——————————————————————————————————————————————— chasareaweightedmeanpatchsizeandeffectivemeshsizetochangegreatly;( 3)5mwastheoptimalgrainsizeforShenyangurbanforestlandscapepatternre searchbasedonlandscapepatternindicesscalogram. Keywords:landscapepatternindices;grainsizeeffect;urbanforest ????景观格局指数是指能够高度浓缩景观格局信息,反映景观结 构组成和空间配置特征的定量指标,????收稿日期:2008??05??36??修 回日期:2008??07??27??基金项目:国家自然科学基金(30600482)。?? 作者简介:李小马,男,硕士,从事城市森林生态研究。*,,,, 第2期李小马等??景观格局指数的粒度效应 167 已被广泛应用于景观空间格局分析。但景观格局具有尺度依赖性, 对空间数据的幅度和粒度变化反应较敏感[1??2],这无疑增加了景观 格局指数的生态学解释难度和不同区域景观格局分析间的对比难度, 甚至产生生态学谬误(ecologicalfallacy)[3]。研究景观格局指数的尺度 效应有助于深入认识景观格局指数,并选择合理的景观格局指数和适 宜尺度进行景观格局分析。其中保持幅度不变的景观格局指数粒度效 应研究已有大量报道,但多以土地利用或植被覆盖为对象,且研究粒度 较粗的主要内容 [10??11] [4??9] 理信息系统软件ArcGIS8.3结合实地调查对其进 行人工目视解译,参考何兴元等[13]的分类方法得到研究区城市 ——————————————————————————————————————————————— 森林景观矢量图(图1)。 1.2.2??粒度变换??利用ArcGIS8.3将解译的沈阳城市森林矢量图转化为一系列不同粒度(栅格大小)的栅格图,聚合规则为优势原则。考虑到城市森林小斑块占主导的特点[11,14],本文研究景观格局指数对城市森林在细粒度范围的粒度效应。粒度(像元边长)从2~20m每次增加0.5m,20~30m每次增加1m,共生成47 个粒度不同的栅格图。 。随着城市森林研 究的发展,城市森林景观格局已成为城市森林研究 ,但景观格局指数对城市森林的粒 度效应如何,城市森林景观格局研究中如何选择适宜的粒度,相关研究还未见报道。此外先前的粒度效应研究多集中在景观水平上,仅有的涉及到斑块类型水平的研究也未能揭示景观格局指数在2个水平上的关系[7??8,12]。 以沈阳城市森林为例,以高分辨率QuickBird卫星影像为基础,选取25个常用景观格局指数,从景观和斑块类型水平上分析其在细粒度范围(粒度边长<30m)的粒度效应,目的在于:(1)探寻城市森林景观格局分析的粒度效应,丰富景观格局指数粒度效应研究;(2)探索景观格局指数对城市森林斑块类型的粒度效应及其与景观水平粒度效应的关系;(3)筛选城市森林景观格局分析的适宜粒度,为城市森林景观格局研究中粒度和遥感数据源的选择提供理论基础。 图1??沈阳城市森林分布 ——————————————————————————————————————————————— Fig.1??UrbanforestdistributioninShenyang 1.2.3??景观格局指数选择及计算??从景观和斑块类型水平选取总面积(CA)、斑块面积百分比(PLAND)、斑块数(NP)、斑块密度(PD)、景观形状指数(LSI)、最大斑块指数(LPI)、平均斑块面积(AREA_MN)、面积加权平均斑块面积(AREA_AM)、周长面积分维数(PAFRAC)、平均周长面积比(PARA_MN)、面积加权平均周长面积比(PARA_AM)、平均形状指数(SHAPE_MN)、面积加权平均形状指数(SHAPE_AM)、平均分维数(FRAC_MN)、面积加权平均分维数(FRAC_AM)、相似邻接百分比(PLADJ)、凝聚度(CONTAG)、聚集度(AI)、散布与毗连指数(IJI)、有效格网大小(MESH)、蔓延度(COHESION)、香农多样性指数(SHDI)、辛普森多样性指数(SIDI)、香农均匀度指数(SHEI)、辛普森均匀度指数(SIEI)共25个景观格局指数来分析城市森林景观格局指数随粒度变化的响应(其中斑块面积百分比仅计算斑块类型水平;凝聚度、香农多样性指数、辛普森多样性指数、香农均匀度指数、辛普森均匀度指数仅计算景观水平)。利用Fragstats3.3分别对47个粒度不同的栅格图进行景观格局指数计算,各指数计算公式及生态学意义见参考文献[15]。计算结果采用Excel 1??研究地区概况与研究方法 1.1 自然概况 沈阳市(41??11??~42??17??N、122??21??~123??48??E)地处长白山余脉与辽河冲积平原的过渡地带。东部为低山丘陵区,海拔70~200m;西部和中部为浑河和辽河冲积平原,海拔20~40m。该区气候——————————————————————————————————————————————— 属 暖温带季风气候区,年均气温7.9??,7月均温24.6??,1月均温-12.0??,??5??积温3870.6??,无霜期平均150d,年均降水量727.4mm,降水集中在夏季,约占全年降水量的64.4%,冬季仅占4.6%,年均蒸发量1407.7mm,夏季蒸发量最高为603.6mm,占全年蒸发量的43.2%。1.2 研究方法 1.2.1??城市森林信息提取??以沈阳市2006年8月19日的QuickBird卫星影像为基础数据(分辨率0.61m)。首先利用遥感图像处理软件Erdas8.7对卫星影像进行几何校正、剪裁等处理,然后利用地 168 软件统计分析。 西北林学院学报24卷?? 2??结果与分析 2.1 景观水平上景观格局指数对城市森林景观的粒度效应 ????景观粒度变化能够改变斑块边界、分割或融合斑块,从而引起景观格局变化,致使描述这些格局的指数发生相应变化。通过景观格局指数对城市森林在细粒度范围随粒度变化的响应曲线(图2(斑块面积百分比与总面积响应一致,斑块密度与斑块数量响应一致,香农均匀度指数、辛普森多样性指数和辛普森均匀度指数与香农多样性指数响应一致,未列出)),25个指数可分为3类:1)单调上升或下降,指数对粒度变化响应较简单,可用线性函数或幂函数等表达式拟合。这类指数有:总面积、斑块面积百分比、景观形状指数、平均斑块面积、平均形状——————————————————————————————————————————————— 指数、平均分维数、面积加权平均周长面积比、相似邻接百分比、蔓延度、聚集度、香农多样性指数、辛普森多样性指数、香农均匀度指数、辛普森均匀度指数。2)u型或n型变化,指数随粒度增加响应曲线平滑但在粒度增加前期存在明显波峰或波谷。这类指数包括斑块数量、斑块密度、平均周长面积比、凝聚度、散布与毗连指数、周长面积分维数、面积加权平均分维数。3)无规律变化,指数粒度效应较复杂,包括最大斑块指数、面积加权平均斑块大小、面积加权平均形状指数、有效格网大小。 2.2 斑块类型水平景观格局指数对城市森林景观的粒度效应及其对景观水平的影响 ????斑块类型水平景观格局指数对城市森林景观的粒度效应与景观水平基本一致。同一指数对不同城市森林类型的粒度效应不同,5种城市森林类型可分为2组:以小斑块为主的附属林和道路林对应指数粒度效应一致,其他3类则同时表现出大斑块影响着指数的粒度效应。附属林和道路林均表现出小斑块广泛散布的格局,随粒度增加,斑块面积和数量均大幅下降,进而引起斑块间的配置格局变化,大部分指数变化幅度较大;风景游憩林、生产经营林和生态公益林斑块面积较大,小于30m的粒度范围还不足以使其面积发生显著改变,除少数指数外各指数均在较小幅度内变化。但组别内部也存在差异:1)与附属林相比,道路林的线性廊道特征更为突出,在粒度增加到与道路林宽度一致时,斑块易断裂;当粒度超过此阈值,则会被合并,因此道路林斑块数量先增后减进而引起相应景观格局指数的变化是其最大特点。2)风景游——————————————————————————————————————————————— 憩林、生产经营林和生态公益林 斑块分布格局具有一定差异:风景游憩林和生产经 营林均以小范围聚集的格局散布于城区(风景游憩林以公园形式,生产经营林以苗圃形式),而生态公益林则广泛分布于城市外围,斑块间联系紧密。随粒度增加重采样过程中,风景游憩林和生产经营林受影响较小,对生态公益林而言,斑块易合并或断裂,引起某些景观格局指数发生突变。如有效格网大小和最大斑块指数在粒度小于3.5m前上升是由于斑块合并所致,而在19.5m及以后的显著波动则是由于该粒度正好对应连接2超大斑块的带状斑块的宽度,粒度的变化改变了斑块间的连接状态,致使指数发生突变。 景观水平上景观格局指数随粒度变化的响应受各斑块类型共同影响,但也存在景观格局指数受部分城市森林类型控制的现象。如总面积、斑块数量、斑块密度和平均周长面积比受道路林和附属林影响较大,表现出与其一致的响应。这主要是因为上述指数与斑块数量联系紧密,而粒度增加主要导致小斑块被合并和线性廊道斑块被分割进而引起斑块数量的变化,这分别恰是附属林和道路林的特点,而以大斑块为主的风景游憩林、生态公益林和生产经营林受影响较小。最大斑块指数、面积加权平均斑块面积和有效格网大小则受生态公益林的影响较大。这些指数受占景观优势的斑块类型控制,本文的粒度增加范围还不足以改变主导景观类型在景观中的优势地位致使这些景观指数在整个粒度变化过程中都表现出与主导景观类型一致的变化。2.3 城市森林景观格局分析的适宜粒度 ——————————————————————————————————————————————— 景观格局具有粒度效应,探寻景观格局分析的适宜粒度一直是景观生态学的研究内容之一,并取得了一定的成果[6,9,16]。通过景观格局指数在城市森林斑块类型和景观水平上随粒度增加的尺度检测图来看(图1):3.5m是第一个转折点,以此为拐点的景观格局指数有:面积加权平均斑块面积、最大斑块指数、平均斑块周长面积比、周长面积分维数和有效格网大小;5m是另一个尺度转折点,在此出现转折的指数有:斑块数量、斑块密度、面积加权平均分维数、散布与毗连指数和面积加权平均斑块形状指数。景观格局指数在3.5和5m产生明显的转折主要是因为该粒度范围对应大量孤立木的冠幅和道路林等带状斑块的宽度,这些斑块随粒度增加在重采样过程中易断裂或被合并,进而导致斑块数量、斑块密度以及斑块形状的变化。参照相关研究[6,9],确定沈阳城市森林景观格局分析的适宜粒度为5m。 第2期李小马等??景观格局指数的粒度效应169 图2??沈阳城市森林景观格局指数尺度检测图(X轴为粒度大小) Fig.2??LandscapepatternindicesscalgramsofShenyang'surbanforest( Xaxisdenotesgrainsize) 3??结论与讨论 各景观格局指数对城市森林景观均存在粒度效 应,可分为3种类型(单调上升或下降、u型或n型 变化和无规律变化),部分指数与先前报道的研究结果并不一致。景观格局指数粒度效应研究中,所选粒度的变化范围、空间数据聚合——————————————————————————————————————————————— 方式、景观类型多少以及景观格局指数本身算法的差异都可能造成分析结果的差异[5,8,17]。有研究发现斑块数量和斑块密度随粒度增加有规律地下降,本文显示这2个指数随粒度增加先增后减,呈n型变化(图2),与孟[9][18][12][5,7??8] 170 西北林学院学报24卷?? 对广州土地覆盖景观格局的研究一致。这主要是由于这些景观对象拥有丰富的带状斑块(线性廊道)。当粒度增加到带状斑块宽度范围时,带状斑块在重采样过程中易断裂导致斑块数量增加;当粒度超过带状斑块宽度,斑块会被其他斑块类型合并引起斑块数量下降。城市森林线性廊道具有重要的生态、经济和社会效益[19],在城市森林景观格局分析和规划设计时应引起高度重视。Wu等[7??8]发现香农多样性指数随粒度增加呈阶梯状下降,而本文检测到的变化呈多项式下降。香农多样性指数与景观斑块类型数和各类型所占面积比例有关,其产生阶梯下降的主要原因是某斑块类型在粒度增加过程中被完全合并导致斑块类型数减少。沈阳城市森林景观斑块类型较少且研究粒度范围较窄,粒度增加还不足以使某斑块类型被完全合并,指数下降源于各斑块类型间面积的不均匀再分配。Wu等[7??8]研究得出平均斑块形状指数和平均斑块分维数粒度效应复杂,而面积加权平均斑块形状指数、面积加权平均分维数和最大斑块指数具有可预测的粒度效应;本文得出的结果正好相反;申卫军等 [5] ——————————————————————————————————————————————— 效格网大小等指数则受生态公益林影响较大。这说 明反映不同景观信息的景观格局指数可能受不同斑块类型影响。在进行整体景观格局分析时需要借助斑块类型水平上的信息来探求景观格局与其所对应的生态过程。在进行城市森林景观格局优化时必须重视主导景观要素,以达到事半功倍的效果。 本文研究显示沈阳城市森林景观格局分析的适宜粒度为5m。探求景观格局分析的适宜粒度是解决??可塑性面积单元问题(modifiablearealunitproblem)??的方法之一。不同的景观对象、不同的生态学过程对应不同的空间格局分析适宜粒度[6,9,16,21??22],但对于城市森林景观格局研究的适宜粒度仍未见报道。现有的城市森林景观格局研究多将此问题忽略或尽量选取较小的粒度,这大大增加了景观格局指数的生态学解释难度以及不同时间和空间研究的对比难度,也使得研究结果的科学性受到质疑。本文根据景观格局指数对沈阳城市森林景观粒度变化的响应曲线,参照适宜粒度选择原则[6,9],确定沈阳城市森林景观格局分析的适宜粒度为5m,为城市森林景观格局研究提供参考。此外,随着遥感数据分辨率的提高和解译方法的改进,高分辨率遥感影像被广泛应用于城市森林景观格局研究[23??25]。高分辨率遥感影像能够获取更精确的城市森林信息。从本文研究结果来看,分辨率为5m左右的遥感影像更适合城市森林景观格局研究。参考文献: [1]??BENSONBJ,MACKENZIEMD.Effectsofsensorspatial ——————————————————————————————————————————————— resolutiononlandscapestructureparameters[J].LandscapeEcology,1995,10(2):113??120. 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[8]??WUJ.Effectsofchangingscaleonlandscapepatternanalysis: scalingrelations[J].LandscapeEcology,2004,19(2):125??138. ——————————————————————————————————————————————— [20] 则指出面积加权 斑块形状指数、平均斑块分维数和面积加权平均分维数粒度效应具有较好的可预测性。这可能是因为这些研究涉及不同的景观对象,具有各自独特的结构组成和空间配置特征,导致同一景观格局指数表现出不同的粒度效应。城市森林景观格局研究在借鉴一般格局研究理论和方法的同时应加强适合其特征的基础研究(适宜粒度,适宜景观格局指数等),以更准确地反映城市森林景观格局信息。 景观格局指数对不同城市森林景观类型的粒度效应不同,部分景观格局指数在景观水平上的粒度效应由某个或某几个斑块类型主导。附属林和道路林各景观格局指数随粒度增加变化幅度最大(面积加权平均斑块面积、有效格网大小和最大斑块指数除外),粒度检测图较平滑;生态公益林、生产经营林和风景游憩林各指数随粒度增加变化较小(面积加权平均斑块面积、有效格网大小和最大斑块指数除外)。这主要是由城市森林类型的特征和本文的粒度变化范围共同决定的。在30m以下的粒度范围只能影响到以小斑块为主的附属林和道路林,所以指数在这2个类型上变化幅度较大。一般而言,景观格局指数在景观水平上受各斑块类型共同影响,但本研究发现部分景观格局指数受某一个或几个斑块类型主导的现象,如斑块数量和斑块密度受以小斑块为主的道路林和附属林的影响表现出与其一致;() 第2期杨??艳等??园林??围墙??浅说 101??103. ——————————————————————————————————————————————— 219 参考文献: [1]??汪菊渊.中国古代园林史[M].北京:中国建筑工业出版社, 2006:58??66. [2]??冯钟平.中国园林建筑[M].北京:清华大学出版社,1988: 135??137. [3]??王??毅.中国园林文化史[M].上海:上海人民出版社,2004: 56??101. [4]??游泳.园林史[M].北京:中国农业科学技术出版社,2002:44?? 45. 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