景观格局指数相关性粒度效应研究——以西洞庭湖区为例（可编辑）

景观格局指数相关性粒度效应研究——以西洞庭湖区为例（可编辑） 景观格局指数相关性粒度效应研究——以西洞庭湖区 为例 , ,..,中南林业科技大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品,也不 包含为获得中南林业科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用 过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中 以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名:妈冲霉之 咖年月 日 中南林业科技大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件或电子版,允许论文被查阅或借阅。本人授权中南林 业科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。 本学位论文属于: 、 保密口,在年解密后适用本授权书。 、 不保密彤 请您在以上相应方框打“?” 二 导师签 作者签名:鸥坤兰 旧 如年 加一年多月『日摘要 表现出随着粒度变化而变化的无规律尺度推绎,即粒度效应,而 数之间不满足相互独立的统计性质。前人研究表明,不同尺度下 果是不同的,需要研究指数的粒度效应:而用多个不同的指数分 研究指数之间的相关关系, 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 尽量使用相互独立的指数描述景 方面结合起来的研究相对较少,从景观指数的粒度效应可以初步 关性也应该具有粒度效应。因此,研究不同粒度下森林景观格局 研究景观指数和景观格局分析具有极其重要的理论指导意义。 为研究区域,运用、、和软件划分森 林景观类型,计算景观格局指数,在分析森林景观格局和景观格局指数的粒 度效应 的基础上主要研究景观格局指数相关性及其相关性随着粒度变化而表现出的粒度 效应,具体的研究内容和结论如下: 选取景观水平的四种指数类型共个景观格局指数作为研究指标。在 粒度下,分析整个西洞庭湖区的森林景观空间格局。结果表明:景观中非林地景观 类型与阔叶类、经济林类、松类景观类型是西洞庭湖区主要景观类型和调控景观格 局的重要组成部分。 研究粒度粒度共个粒度下个景观格局指数的粒度效应。结 果表明:除多样性指数外均存在不同程度的粒度效应。各类指数对粒度变化的响应又 各具特点:其中面积指数体现出无规律性的粒度变化效应,变化幅度较小;形状指数 变异系数、最大斑块指数、分散指数、分离度、分割度的粒度效应响应曲线比较平滑, 呈现出规律性,具有一定的可预测性。 计算个景观每个粒度下的景观格局指数,研究指数之间相关性的粒度 效应。结果表明:景观格局指数相关性的粒度效应可以分为两类,一类指数对的相 关关系不会随着粒度的变化而出现质的改变。另一类指数对的相关关系存在明显的 粒度效应,即随着粒度的改变而发生了质的改变,这说明粒度不同时,相同的景观 格局指数对的相关关系是不同的。景观格局指数具有粒度效应,所以才导致景观格 局指数间的相关性也具有粒度效应,但两种粒度效应的变化趋势并没有必然联系。 影响景观格局指数间相关关系的粒度效应的因子主要有四个,景观格局本身、指数生态学意义、指数 计算公式 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 、空间分辨率。 本文研究发现的景观格局指数相关性具有粒度效应的现象是普遍存在的,即不 同的粒度下,景观格局指数的相关关系可能是不变的,但也有可能是完全不同的。 但影响景观指数的因子很多,所以针对西洞庭湖区在研究粒度范围内的研究结果能 否推绎到其它区域或其它粒度范围,有待进一步研究。 关键词:景观格局指数;粒度效应;相关关系;西洞庭湖区 ? . ,, , .,。 :.. , ? , . , :. ..;,,& ., : , ,. . ; .,, , , ., ,. , , : , ???.??.?...?.??..??.. .?.??..??.?. .??.?...?.?.?.?.??.??..?.:??..: .....:;.?.??.??.?.??.??..??..; .?.?.?.. .研究内容研究区概况与研究方法.. .研究区概况。 .研究方法? ..森林景观类型的划分??.. ..数据处理 ..相关分析..景观格局分析软件.及景观格局指数 ..技术路线?一 西洞庭湖区森林景观格局分析 .景观组成结构分析 .景观形状特征分析 .景观格局指数粒度效应研究? .面积/密度/边界指数粒度效应研究??~ .形状指数粒度效应研究? .蔓延度/分散指数粒度效应研究? .多样性指数粒度效应研究 .本章小结?. 景观格局指数相关性粒度效应研究?.面积/密度/边界指数相关性粒度效应 研究??.. .形状指数相关性粒度效应研究? 蔓延度/分散指数相关性粒度效应研究? .多样性指数相关性粒度效应研究 .不同类型指数之间相关性粒度效应研究 ..面积/密度/边界指数与形状指数之间相关性粒度效应研究面防酌努也剩 首数与蔓?醪彤精财;娄鸵阳期关幽鲤竣啦硼究? ..面积/密度/边界指数与多样性指数间相关性粒度效应研究..形状指数与 蔓延度/分散指数之间相关性粒度效应研究. ..形状指数与多样性指数之间相关性粒度效应研究??一 ..蔓延度/分散指数与多样性指数之间相关性粒度效应研究??. .本章小结? 结论与讨论??. .结论? .讨论? .创新点??. 参考文献附录攻读学位期间的主要学术成果?.. 致谢.局指数相关性粒度效应研究 一个年轻分支,它的产生和发展得益于人们对现实 ,得益于现代生态科学和地理科学的发展与融合, 累。现代遥感技术、计算机技术及数学模型技术的 有力的技术支持。现代生态学、地理学、系统学、 为景观生态学的发展奠定了坚实的理论基础,使景 把握大尺度生态问题的新范式,而且成为真正具有 生态学分支【】。空间异质性或格局的形成和动态及 局一过程一尺度之间的相互关系;景观的等级结构 和功能特征以及尺度推移问题;人类活动与景观结构、功能的相互关系以及景观异 质性的维持和管理一直是景观生态学研究的重点。有关空间异质性、格局、过程、 尺度和等级的概念和理论不断涌现并逐渐形成了现代景观生态学理论的主体构架 口】。许多研究表明在不同空间尺度和时间尺度上占主导地位的格局和过程是不同的, 在单一尺度上的观测结果只能反应该观测尺度上的格局和过程,当描述或解释同时 涉及几个层面或尺度时必须在几个尺度上进行,绝不可未经研究,就把在一 种尺度上 得到的概括性的结论推广到另一尺度上型。 景观生态学研究最突出的特点是强调空间异质性、生态学过程和尺度的关系。 研究空间异质性自然会用到一些已经在生态学中应用的空间格局分析方法,同时又 有必要发展新的方法来弥补传统方法的不足。研究景观的结构是研究景观功能和动 态的基础。景观生态学中的空间分析方法有多种,可分为两大类:格局指数方法和 空间统计方’法【。世纪年代开始,为了测定景观格局对生态过程的影响,必 须用简单数字描述复杂的景观格局【,】,因而产生了景观格局指数 。景观格局指数已在景观生态学中广泛应用,但它们本身对不同景观特征 和分析尺度的反应及其生态学意义尚不是很清楚。如何把景观格局指数与生态学过 程联系在一起这一基本问题在很大程度上尚未解答。尺度幅度和粒度变化对景 观格局指数的影响往往是很显著的。最近的一些研究表明,某些景观格局指数表现 出不随景观类型变化的普遍性尺度推绎规律,而大多数则变化多端【】。要使景观格中南林业科技大学硕十学位论文 局指数成为真正反映景观格局与过程相互关系的指数,要合理地解释景观格局指数 的结果,景观生态学者不仅要了解景观格局指数的具体算法、理念依据及变化规律, 还必须透过指数的数字外表而理解其生态学内涵。这就需要对格局与过程间的内在 关系及机理做更多更深入的研究【。在国内外的研究中,众多学者用一些景观格局 指数对景观结构及动态变化进行了分析,但是事实上很多景观格局指数之间不满足 相互独立的统计性质,所以在指数的取舍和对景观格局描述的说服力上稍显孱弱【】。 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【,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问的对比难度,甚 至产生生态学谬误 。景观格局指数的尺度效应要求更深入地认识 和分析景观格局指数,选择合理的景观格局指数和适宜尺度进行景观格局分析【。 以西洞庭湖区为研究区域,在分析森林景观格局、景观格局指数的粒度效应和 景观格局指数的相关性的基础上,研究景观格局指数的相关性随着粒度的变 化而发 生的改变,即景观格局指数相关性的粒度效应,可为今后景观格局分析中如何进行 景观格局指数选用、景观格局指数相关分析以及分析结论的尺度推绎提供依据,使 各指数能从不同的侧面、不同的尺度对景观空间格局进行描述。综上所述,研究不 同粒度下森林景观格局指数的相关性,对研究景观格局指数和景观格局分析具有极 其重要的理论指导意义。 .理论基础 . ..景观及景观生态学 景观是人为过程与自然过程结合的产物,是景观生态学研究对象和核心概念 【。在生态学中,景观的定义可概括为狭义和广义两种【】。狭义景观是指在几十千 米至几百千米范围以内,由不同类型生态系统所组成的、具有重复性格局的异质性 地理 单元 初级会计实务单元训练题天津单元检测卷六年级下册数学单元教学设计框架单元教学设计的基本步骤主题单元教学设计 【】。而反映气候、地理、生物、经济、社会和文化综合特征的景观复合体 相应地称为区域【。狭义景观和区域即人们通常所指的宏观景观。广义景观则包括 出现在从微观到宏观不同尺度上的,具有异质性或斑块性的空间单元【】。 美国著名景观生态学家和【】在总结前人关于景观及景观生态学 的论述之后将景观较严格的定义为:“由相互作用的生态系统镶嵌构成,并以类似的 方式重复出现,具有高度空间异质性的区域”。后来进一步将其定义为空间上镶嵌 出现和紧密联系的生态系统组合。在更大尺度的区域中,景观是互不重复且对比性 景观格局指数相关性粒度效应研究 强的基本结构单元,它的主要特征是可辨识性、空间重复性和异质性【。肖笃宁【】 对景观概念的综合表述为“景观是一个由不同土地单元镶嵌组成,具有明显视觉特 征的地理实体;它处于生态系统之上,大地理区域之下的中间尺度,兼具经济、生 态和美学价值。” 景观生态学是由生态学、地理学、林学、森林学、野生生物管理学和景观规划 学等学科衍生出来的多学科与跨学科的新兴学科,它的主体是地理学与生态学 之间的交叉。景观生态学研究在一个相当大的区域内,有许多不同的生态系统所组 成的整体景观的空间结构、相互作用、协调功能及动态变化。它以整个景观为 研究对象,强调空间异质性的维持与发展,以及人类对景观及组分的影响。景观生 态学作为横跨自然和社会学科的综合学科,它把生态学中的结构、功能关系研 究与地理学相互作用的研究融为一体,通过景观及其空间要素了解景观的结构、功 能演变规律及与人类系统的相互作用,为景观优化利用和管理保护提供有效的途 】 径。景观生态学强调异质性、重视尺度性、具有高度综合性。【 ..景观格局指数 景观格局是由自然或人为形成的,一系列大小形状各异,排列不同的景观要素共 同作用的结果,是各种复杂的物理、生物和社会因子相互作用的结果【?。世纪 年代歼始,为了测定景观格局对生态过程的影响【?】,必须用简单数字描述复杂的 景观格局,因而产生了景观格局指数 弼】。景观格局指数 是指能够高度浓缩景观格局信息,反映其结构组成和空间配置某些方面特征的简单定 量指标,已被广泛应用于景观空间格局分析。景观格局特征可以在个层次上分析: ?单个斑块 。?由若干单个斑块组成的景观类型 或。 ?包括若干景观类型的整个景观镶嵌体 。景观格局指数也就可相应 地分为斑块水平指数. 、景观类型水平指数. 以及景 观水平指数 。其中斑块水平上的指数包括与单个斑块面积、形 状、边界特征以及距离其它斑块远近相关的一系列简单指数,另外也包括一些相应的 统计学指标如斑块形状指数、平均斑块面积等。斑块水平指数通常是是计算其它 水平景观格局指数的基础,计算结果适用于微观尺度,其本身对了解整个景观的结构 并没有很大的解释价值瞰’。许多斑块指数在景观类型水平和景观水平上有对用的 指数。尽管很多景观类型指数和景观指数代表了相同的信息,算法却略有不同。景观 中南林业科技大学硕学位论文 类型水平指数综合了某一景观类型上所有斑块的信息,但景观指数代表了整个景观镶 嵌体的空间格局,将所有的景观类型一起考虑。所以,在景观斑块水平和景观水平都 有的相应的指数解译却有所不同。此外,在景观水平上,除在景观类型水平上出现的 指数外,还可以计算各种多样性指数如多样性指数、多样性指数等 和聚集度指数【】。运用景观格局指数描述景观格局需考虑方面的问题:?指数体系 中的各个指数能否相互独立地描述景观格局的不同方面;?景观格局指数或指数体系 】 对生态过程或数据中错误的敏感程度;?景观格局指数随空间分辨率的变化情况。【 .国内外研究现状 ..国外研究现状 世纪年代,国外一些景观生态学者为测定景观格局对生态过程的影响, 在用简单数字描述复杂景观格局的过程中逐渐开始运用景观格局指数【。利用景观 格局指数来描述景观格局及其变化,建立景观格局与景观过程间的联系,是景观生 态学中最常用的定量化研究方法【.。 在景观格局指数的构建上,很多外国的景观生态学者提出了许多用于描述景观 格局及其变化的景观格局指数。,】基于等级理论、经济地理理论提出了一些 景观格局指数构想。】等在岛屿生物地理学理论的基础上提出了斑块邻近 度指数,用于描述生境斑块之间的空间关系;提出并使用了用于描述相邻 生态系统对比程度的相对镶嵌度指数;和】为了来检验群落中个体的分 布状况,提出了最小距离指数;基于渗透理论提出了用于描述景观生 境破碎程度的斑块聚合度指数;】等也基于渗透理论提出了描述斑块聚合程度的 聚合度指数;】等在分析景观格局分维数的基础上发展了一种修改分维数,用于描述景观空间格局的多样性。等【】将构 建新景观格局指数的理论基础归纳为岛屿生物地理学理论 三个方面 、渗透理论 、等级理论 。除此以外,信息论、分形理论及经济地理理论等也为景观格局指数的构建提 供了一定的理论基础。新的景观格局指数必须要经过验证才能用于实践中。 在景观格局指数分类上,由于景观指数的数量较多,并且在景观生态学的应用 中不断出现新的理论,所以目前对景观格局指数的分类还没有统一的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。 】把描述斑块的景观指数分描述斑块形状的景观指数及描述斑块镶嵌度的 景观格局指数相关性粒度效应研究 景观指数两类。等把景观格局指数分为斑块数目与大小、斑块分维数 、景观要素之间的边缘数和多样性、优势度与蔓延 度。以上划分都是国外学者在对现有景观格局指数进行功能分析基础上 确定的。另一种分类则从景观指数的整体出发,应用统计学方法对景观指数进行分 类。 .用主成分分析法和聚类分析法对景观类型水平的个景观 指数和景观水平的个景观指数进行了筛选,定义出个景观类型水平指数和 个景观水平指数,并提出了景观指数筛选的要点是:优势性、相容性和普遍性。 在景观格局指数间的相关性研究上,等【】在研究源于信息论的两个指数 即优势度和蔓延度及源于分形理论的分维数 时】,对它们之间的相互关系进行了研究,指出个景观格局指数之间不 完全相互独立,会使描述信息重复。但同时也指出,景观指数间存在相关性并不意味 着将其中任何一个指数放弃不用。等【采用了相关分析和因子分析结合的方 法,首先应用相关分析将个指数分成个组,从每组中选出一个代表指数,再 进行因子分析,最后将个景观指数压缩成六个指标:平均斑块周长面积比、蔓 延度、相对斑块面积、斑块周长面积比、斑块类型数和最大斑块密度面积比。 在景观格局指数的尺度效应上,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研究 】。景观的结构、功能和变化都具有尺度依赖性,所以在运用景观指数进行景观 格局分析时必须要考虑到尺度效应。..列等通过研究景观边界的多尺度复 杂性,发现斑块的几何形状随着尺度的变化而变化;和研究了尺度变化对利 用空间自相关指数分析景观结构结果的影响,结果表明,随着分析尺度的变化,空 间白相关指数也随着发生变化;等【】认为在景观指数应用时斑块大小至少是 粒度的.倍,景观大小至少是斑块的.倍。 另外,遥感、地理信息系统和计算机技术已广泛应用于景观格局的定量化研究。 地理信息系统使快速、准确地处理大规模空间数据成为可能,它与遥感技术相结合大 大拓宽了人类的视觉范围,计算机技术的发展提高了数据处理能力和分析能力,这些 都为利用景观指数来研究景观格局与过程提供了有效的手段。】 、 ..国内研究现状 在景观格局指数构建和评价方面,我国学者做了很多研究。马克明等唧为测定 中南林业科技人学硕十学位论文 景观中各单元的相对位置和镶嵌多样性,总结出景观格局多样性亲和度分析 的原理和方法。李哈滨【等采用变异函数定量研究空间异质性。 近年来,在遥感领域,用描述影像纹理特征的反差矩 等来描述景观异质性【】。这些景观格局指数从 和角秒矩 不同角度描述了景观格局及动态,丰富了景观格局指数的内容,弥补了以往景观格 局指数及指数体系的缺陷。 在景观格局指数的分类方面,我国学者陈文波掣】从“斑块、廊道、基质”的基 本结构出发,将景观格局指数分为描述景观要素和描述景观总体特征两个层次;肖 笃宁【】根据景观生态学基本原理把景观格局指数分成了描述景观要素的和描述景 观总体特征的两大类指标,两大类指标又可再分为六小类,同时指出也可根据指数 描述的对象分为斑块水平、类型水平及景观水平三类;郭晋平【】根据景观格局指数 的意义将其分为三类:斑块特征、景观异质性和相互关系;而傅伯杰】认为景观格 局指数包括两部分:景观单元特征指数和景观异质性指数。 在景观格局指数描述能力的研究方面,我国学者也做了比较多的研究引。目 前提出的景观格局指数已将近百种,其中相对简单的指数一般直接来自于数理统计 或拓扑计算公式,而很多较复杂的景观指数则来源于信息论,其本身对不同景观特 征和分析尺度的反应及其生态学意义尚不十分清楚,甚至是相互矛盾的【删。李秀 珍等【】通过比较八个景观格局指数对由中性随机模型产生的不同景观格局系列的 反应,定性的描述了部分景观格局指数对不同格局的变化和灵敏程度,探讨了这些 指数的使用性和局限性,并认为在对比不同时期的景观格局时必须先统一分辨率 【。杨国靖等【利用斑块面积、斑块周长、斑块数和分维数等景观格局指数对祁连 山西水自然保护区景观格局和破碎化程度进行了分析和评价。王景伟【】挑选了典型 的四种景观格局指数对景观格局进行描述,结果表明实际应用中只用少量的指数就 可完全满足格局分析的需要。甄霖掣‘】利用斑块数、斑块面积、斑块密度、优势度、 聚集度和分维数研究泾河流域景观格局特征,发现各景观指数值可以反映泾河流域 土地利用的变化情况。 在景观格局指数相关性研究方面,我国不少研究者在景观格局指数研究的早 期,就注意到了景观格局指数之间的相关性。当前,描述景观格局的景观格局指数 虽多,但大部分景观格局指数之间信息重复,不能满足相互独立的统计性质【】,因 此用一组不相互独立的景观格局指数描述景观格局时自然说服力不强。在理想状态 景观格局指数相关性粒度效应研究 下存在一个景观格局指数体系,用之足以描述景观格局但又不冗余。布仁仓等】 以辽宁省景观类型图为基础计算个景观水平的景观格局指数,经相关分析得出: 总面积指数决定景观总边界长度、斑块数、类型密度等基本指数,同时与多个指数 有显著的相关关系;形状指数极少与其它指数有显著的相关系;多样性指数和蔓延 度指数之间信息重复量最多。景观格局指数问的相关性不仅与景观格局本身有关, 还与空间尺度、分类系统、计算公式及其参数、计算单元和生态学意义关系密切; 指数问影响因子的相同之处越多,存在显著相关关系的概率越大。甄霖等【】在对泾 河流域景观格局特征进行分析中发现:斑块数、斑块面积、斑块密度、优势度、聚 集度和分维数之间存在相关性。在实际应用中,应根据不同景观格局指数的 特点和 不同的研究目的、研究内容,选择恰当的景观格局指数,避免忽略景观格局指数的 实际意义,而罗列许多景观格局指数计算结果的情况发生【??。 景观空问格局尺度效应研究,已然成为热点【韶】。尺度具有复杂性和多样性, 它是景观生态学研究的核心问题之一。在生态学研究中,空间尺度指所研究生态 系统的面积大小或最小信息单元的空间分辨率水平;而时间尺度是其动态变化的时 间间耐硒。在景观生态学中,尺度往往以粒度和幅度来表达。空间粒 度指景观中最小可辨识单元所代表的特征长度、面积或体积;时间粒度则指某一现 象或事件发生的频率或时期间隔。我国对景观指数的粒度效应研究的较多,赵文武 等【】基于不同比例尺的土地利用图,利用软件研究了景观水平上的个 景观格局指数随粒度增加的变化特征;申卫军【】等以两种真实景观和景观 中性模型产生的模拟景观为对象,利用软件系统的分析了种常用指数, 并根据指数对粒度变化的响应特征将景观指数分为三类,结果表明粒度变化对景观 格局分析结果有明显影响;杨丽【舛】等分析了个景观格局指数的粒度效应,并确定 了在研究区域进行景观指数计算的适宜粒度范围。 ..存在的问题及研究前景 国内外研究景观格局指数构建、景观格局指数分类、景观格局指数描述能力、 景观格局指数相关性、景观空间格局尺度效应的文献非常之多,但是,把景观格局 指数的相关性和景观格局指数的粒度效应结合起来研究,却是前人几乎没有涉及 到。因此也存在一些问题: 研究景观格局指数的相关性是在同一不变粒度下进行研究并得出结论, 中南林业科技人学硕十学位论文 而景观格局指数本身就随着景观空间分辨率即粒度的变化而呈现出复杂的变化,因 此,两个景观格局指数的相关性在不同粒度下由于指数本身的粒度效应必然会导致 它们之间相关性的随着粒度的变化而变化。 景观格局指数的粒度效应研究成果丰富,但如何将景观格局指数的粒度 效应研究结果与景观格局指数相关性研究结合起来,涉及这方面的研究较少。 在分析森林景观格局、景观格局指数的粒度效应和景观格局指数的相关性的基 础上,研究景观格局指数的相关性随着粒度的变化而变化,即景观格局指数相关性 的粒度效应,可为今后景观格局分析中如何进行景观格局指数选用、景观格 局指数 相关分析以及分析结论的尺度推绎提供依据,使各指数能从不同的侧面、不同的尺 度对景观空间格局进行描述。 .研究内容 森林景观格局特征分析。以西洞庭湖区年二类调查数据为基础,将 研究区域森林景观划分为九种景观类型,在粒度下利用景观格局指数进行森林 景观要素和景观构成成分以及景观类型形状特征分析。 景观格局指数的粒度效应研究。选取个景观水平的景观格局指数,利 用景观格局分析软件进行计算,分析每个景观格局指数在到粒 度范围内随粒度增加的变化特征。 景观格局指数之间的相关性及其相关性的粒度效应研究。以十五个景观 为样本,按景观指数的生态学意义的分类标准把景观水平上的个景 观指数分为四个类型,研究各粒度下同类景观格局指数间的相关性及其相关性的粒 度效应,并根据同类景观格局指数间相关性研究结论以及生态学意义从四种类型中 挑选出十个景观指数,用于分析不同类型指数间的相关关系以及其相关关系的粒度 效应。景观格局指数相关性粒度效应研究 研究区概况与研究方法 .研究区概况。 西洞庭湖区位于湖南省北部,长江中游荆江段南侧,总面积为 主要有常德市的桃源县、汉寿县、安乡县、澧县、临澧县、津市市、鼎城区、武陵 区等县市、区,包括西湖农场、贺家山原种场、西洞庭农场、常德林场、和溃 林场、涔澹林场,柳叶湖旅游度假区。 从地势看,位于第二阶梯云贵高原、湘西山地向第三级阶梯洞庭湖平原过渡的交 接地带。西北部属武陵山系,中低山区;中部多见红岩丘陵区;其间也出现断块隆起 山如太阳山和蚀余岛状弧形山如太浮山;东部为沅、澧水下游及洞庭湖平原 区;西南部为雪峰山余脉,组成中山区。由此构成区内南、北高,中间低,两山夹一 凹的基本地貌轮廓。平原包括湖积平原和河流冲积平原,分布于东部。湖积平原主要 分布于澧县东部、安乡、汉寿湖区和鼎城东北部。河流冲积平原包括沅水下游的常桃 平源和澧水下游的澧阳平原,由河流冲积而成。 气候属中亚热带向北亚热带过渡的湿润季风气候区,兼有润湿的滨湖气候和潮 湿的山地森林气候特征,年平均气温.?,月最冷,平均为.,月最热, 平均为.?,极端最低气温为零下.?,极端最高气温为.?,多年平均年 降水量为. 。热量丰富,光照充足,降水充沛,四季分明,春季冷空气频 繁,气温回升不稳定、阴雨寡照,夏季温高酷热、易干旱、多暴雨和雷雨大风等剧 烈天气;秋季变温幅度大、前期多干旱、后期多阴雨,冬季气候寒冷,前期多晴天, 后期多雨雪。中部丘岗地区,光热充足,年平均气温较高。~般在.。以上,年 ?,年日照高于 。降水南少北多,年降 日温?活动积温在?一 水量南部至 姗北部,形成丘陵气候。西部山地气候,温和多雨, 日照较短,湿度较大。年平均气温在?以下,年日照少于 ,年降水量在 以上,且随地势的尹高而变化,形成山地气候。 植被区划属中亚热带北部常绿阔叶林地带,地理环境优越,地貌类型多样,气候 温和湿润,土壤种类繁多,自然条件有利于生物的生存和繁衍,境内动植物资源丰富, 具有多种利用价值,是国民经济建设中的重要自然资源。 中南林业科技大学硕士学位论文 .研究方法 ..森林景观类型的划分 根据景观划分原则【舯】,结合西洞庭湖区森林景观结构特点及研究目的,以土 地类型及森林群落优势树种为主要依据,将研究区森林景观划分杉木类、松类、阔 叶类、经济林、灌木类、柏木类、竹类、无立木林地类和非林地类等九种景观类型。 ?杉木林景观类型 天然杉木林因历年采伐已保存不多,在边远山区散布有成片的中幼林,低山岗 地多为人工杉木林。杉木林一般分布在海拔 以下的山地。 ?松林景观类型 马尾松林生长适应性强,广泛分布于低山、中低山、丘陵和岗地,多为次生林, 中幼林及疏林。 ?阔叶林景观类型 常绿阔叶林分布在南部雪峰山区和西北武陵山区,在部分河谷地带或深山老林 中,保存较完整的常绿阔叶林。落叶阔叶林分布在西部山区的中山地带,海拔 ? 山地,以北亚热带植物成分为主。 ?柏木林景观类型 这类景观在区内占的比例很少,只分布在少数石灰岩发育地区。 ?经济林景观类型 经济林景观是人工栽培或天然起源经人工抚育而成的、主要由经济树种组成的 一种景观类型。在经济林中按林种分为药用林、食用原料林、果木林、林化原料林 和其它经济林,主要经济树种有油桐、油茶、杜仲、黄柏、柑桔、茶叶、板栗等。 ?竹林景观类型 主要分布在桃源、鼎城、汉寿县南部山地丘陵地带。楠竹林集中成片,多为纯 林,也有同其他针叶阔叶树混交的。 ?灌木林景观类型 灌木林景观是指由灌木树种不含灌木经济树种或因生境恶劣矮化成灌木型的 乔木树种以及胸径小于的小杂竹构成,覆盖度在%以上的林地景观。 ?无立木林地景观类型 无立木林地景观主要包括采伐迹地、火烧迹地、其它无立木林地、宜林沙荒地、 景观格局指数相关性粒度效应研究 宜林荒山荒地和其他宜林地等地类。 ?非林地景观类型 指土地类别划分中属于非林业用地的景观,主要包括农地、水域、难利用地及 包括交通、城镇、乡村居民点、工矿用地等其他土地。其中农业用地所占比例最大。 ..数据处理 矢量数据转换为栅格数据目前矢量数据转换为栅格数据常采用以最大面积为基础 ,简称为基础的两 ,简称或以中心属性值 种矢栅转换方法【】,前者可以理解为优势规则,后者对应为随机规则。在面积最大 值原则中,每个栅格的输出值为该栅格内所占面积最大的景观类型的代码值,如果 存在两个或多个优势景观类型,随机选取其中一个作为输出网格的景观类型;在中 心属性值原则中,每个栅格的取值为该栅格内中心点的景观类型的代码值。由于存 在着某些景观类型优势不明显,导致其原始信息损失较大,两种方法中方法 具有精度损失较少的特点。因此,结合本研究区域特点,同时考虑到研究的计算和 工作量,本文选取方法将景观格局空间矢量数据转换为栅格数据,并且每个 粒度均由原始矢量数据转换而来,而不由其它粒度的栅格转换,以保证数据的精度。 转换粒度范围的确定 在栅格数据结构中,点由一个单元网格表示。线由一串有序的相互连接的单元 网格表示,各个网格的值相同。多边形由聚集在一起的相互联结的单元网格组成, 区域内部的网格值相同,但与外部网格的值不同。栅格数据结构表示的是二维表面 上地理要素的离散化数值,每个栅格对应一种属性。网格边长决定了栅格数据的精 度,但是,当栅格数据来表示地理实体时,无论网格边长多小,与原实体特征相比 较,信息都有丢失,这是由于复杂的实体采用统一的网格所造成的。~般地,可以 通过保证最小多边形的精度标准来确定网格尺寸,使形成的栅格数据既有效地逼近 地理实体,又能最大限度地减少数据量【。 假设一个区域的矢量数据中面积最小的矢量多边形的面积为,当网格边长小 于等于?么时,该多边形得到表示。所以,合理的网格尺寸为: 三 . ? 式中,为景观中斑块的面积。二类调查中规定最小小班面积为.,即中南林业科技人学硕七学位论文 ,根据公式.计算最小网格尺寸为,因此,粒度转换中确定最小 粒度为。另外,考虑到非优势景观类型柏木类景观随着粒度的增加而消失, 最 大粒度选择。因此,本文粒度转换中确定粒度范围为.。 不同粒度的矢栅转换 在地理信息系统软件支持下,利用模块下的 命令,以为粒度转换下限,为粒度转换上限,为间隔,在 方法下进行矢栅转换,产生了不同粒度的景观类型栅格图像,可以得到幅不同 粒度的景观类型图。对研究区域个景观转换总计得到幅景观类型图。如图 .为粒度转换的景观类型栅格图。 图. 粒度的景观类型栅格图 醇. .相关分析 相关分析是研究变量之问相关关系的数理统计方法,它可能从影响某个变量的 诸多变量中判断哪些是显著的,哪些不是显著的。而且,在得到相关分析的结果后, 著水平查表得临介值名,若?屹,接受日。,否则在口水平上显著。 在.中,相关分析又可分为双变量相关分析和偏相关分析 。结合研究的实际,采用双变量相关分析。 ..景观格局分析软件.及景观格局指数 是由美国俄勒冈州立大学森林科学系学者 等人,于 年进行美国农业部委托 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 时所研发。目前最新的版本是 .,可计算的指数包括了种类型,各类型之下又包括了许多个指数。总共在斑 块 水平共有个、在景观类型水平共有 个、在景观水平共有个指数,见表.。 表. ?指数基本分类表 . 芦 中南林业科技大学硕士学位论文 最新版.增加了许多新的指数,并对部分指数的计算方法进行了 修改。这些指数分为三组级别,分别代表不同的应用尺度:斑块水平. 指标,反映景观中单个斑块的结构特征,也是计算其他景观级别指标的基础; 景观 类型水平.指标,反映景观中不同景观类型各自的结构特征;景观水平 .指标,反映景观的整体结构特征。使用时,可根据研究目标和数 据的来源与精度选择合适的指数。本文选用景观水平的四种类型的景观格局 指数: ?面积/密度/边界指数// ;?形状指数 ;?蔓延度/分散指数/ ;?多 样性指数 。 表.景观格局指数表 . 各景观格局指数的定义及生态学意义如下【】: 面积/密度/边界指数// ?总面积 ,单位: 总面积指整个景观的总面积。景观总面积本身对了解整个景观格局并不具有很 大的解译价值,但它很重要,因为它定义了景观的研究范围与尺度,更多的时候, 景观总面积往往作为计算其它景观格局指数的基础。 ?斑块数 斑块数指景观斑块总数。斑块数是描述景观异质性的指数之一,可用来指示景 观或生境的破碎化。 ?斑块密度 ,单位:块每 景观格局指数相关性粒度效应研究 . 等,。四 式中,?指景观斑块总数,彳指景观总面积以为单位。斑块密度肋即 单位面积上的斑块个数,斑块密度是反映景观格局的基础指数,能够反映斑块的密 集程度,是与斑块数有着一样基础作用的指数。 ?总边界长度 ,单位: 总边界长度是景观中所有边界总长度。在栅格数据中,边界总长度是以处在边 界上的栅格数来计算的。与斑块周长有一定的联系和区别。 ?边界密度 ,单位:/ . 扣 式中,景观中所有边界总长度,指景观总面积以为单位。边界密度肋 是一个基于总斑块边界长度边界栅格数与以栅格数表示的总面积之比的指 标,它 也可以用来指示景观或某一类型的破碎化程度。 ,单位:% ?最大斑块指数 妒 . 删?卜 式中,%指斑块护的面积,彳指景观总面积以为单位, 扩为景观所 有的斑块中面积最大的斑块。最大斑块指数 ?即是景观中所有斑块中最大 的 斑块与整个景观的面积比,是反映景观的优势类型的一个简单指数。 ?平均斑块面积 ,单位: .. :??竺弋 ??二二?弋 一 式中,?指景观斑块总数,彳指景观总面积以为单位。平均斑块面积也是 一个比较简单又富有生态学意义的格局指标,它既可用来对比不同景观的聚集或破 碎程度,也可以指示景观各类型之间的差异。 伍 ?斑块面积变异系数 中南林业科技大学硕士学位论文 彳删 。 厶一删 式中,?指景观斑块总数,指景观总面积以为单位,平均斑块面积是平 均斑块面积。斑块面积变异系数又称“标准差率”,是衡量研究区域各个景观斑块面 积变异程度的一个统计量。进行两个或多个景观斑块面积变异程度的比较,反映景 观斑块面积在均值上的离散程度,也从一个侧面反映了景观的复杂程度。 形状指数 ?景观形状指数. ?彳 /:一. 式中,为景观中所有斑块边界的总长度,彳为景观总面积以为单位。景 观形状指数的取值一般都大于,其值越接近,说明该景观中斑块的形状越接近 正方形,当景观中斑块形状不规则或偏离正方形时,景观形状指数增大。 ?周长面积分维数 . / 式中,为通过斑块面积的对数与斑块周长的对数回归而得到的 直线的斜率。取值范围:。周长面积分维数主要用于测定斑块形状的 复杂程度。对二维空间的斑块来说,周长面积分维数大于表示偏离欧几里德几何 形状。当斑块边界形状极为复杂时,趋于。 ?面积加权平均周长面积匕 ? 刚删一彳兰喜詈?等 式中,嘞指斑块耖的面积,指斑块耖的周长,为景观总面积以为单位。 面积加权平均周长面积比是简单地以斑块周长与斑块面积的比值来测定斑块形状 的复杂程度,景观中斑块的形状越接近于圆形或正方形,该指数值越小。?周长面积比变异系数. ?。 :堕 式中,为景观中所有斑块周长面积比标准差,为景观中所有斑块周长 面积比平均值。周长面积比变异系数是衡量研究区域各个景观的斑块周长面积比的 景观格局指数相关性粒度效虑研究 变异程度,反映景观斑块周长面积比的离散程度。 ?面积加权平均形状指数 . 晓七 一一 产、/“『 , 列等?了 式中,%指斑块驴的面积,既指斑块扩的周长,为景观总面积以为单位。 斑块形状指数为景观中斑块周长除以斑块面积的平方根,再乘以正方形校正常数。 斑块形状指数的取值一般都大于,其值越接近,说明该斑块的形状越接近正方 形。景观面积加权平均形状指数则是景观内所有斑块形状指数的面积加权平均值。 对于斑块面积越大的斑块来说,它的形状指数的权重越大,也越能决定整个景观的 形状指数。当景观中斑块形状越不规则时,面积加权平均形状指数增大。?形状指数变异系数 . ?。:旦 式中,为景观所有斑块形状指数标准差,为景观所有斑块形状指数平 均值。形状指数变异系数是衡量研究区域各个景观形状指数的变异程度,反映景观 形状指数的离散程度。?面积加权平均分维数 七? 扛 ““盯 删?喜窆掣?爿 式中,指斑块,的面积,既指斑块驴的周长,为景观总面积以为单位。 景观中每一斑块的斑块周长的对数的倍,.为正方形校正常数,除以该斑块面 积的对数,再乘以斑块面积占景观总面积比为权重进行加权平均得到。取值 范围: 蜊 ,同面积加权平均形状指数一样,面积越大的斑块,它的分维数对 的决定作用越大。面积加权平均分维数大于表示偏离欧几里德几何形状。当 斑块 形状极为复杂时,面积加权平均分维数趋于。 ?分维数变异系数. :旦 式中,为景观中所有斑块分维数标准差,为景观中所有斑块分维数平 中南林业科技大学硕士学位论文 均值。分维数变异系数是衡量研究区域各个景观的分维数的变异程度,反映 景观分 维数的离散程度。 蔓延度/分散指数/ ?聚集度 ,单位:% 晓怕, 小姜.。 式中,是景观类型总数,岛是为景观类型的网格自相邻的公共边缘数, ?盯为景观类型的网格间最大可能公共边数,只为景观类型的占整个景观的 面积比。聚集度通常度量同一类型斑块的聚集程度,但其取值还受到类型总数及其 均匀度的影响。 ?蔓延度,单位:% 兰芝曰?只粤 扣同?‰ ?鼠 ?????虹?????尘 . 式中,只为景观类型的面积占整个景观的面积比,衍为景观类型和景观类 型的网格相邻的公共边缘数,朋为景观类型最大值。蔓延度反映景观中不同景观 类型的非随机性或聚集程度。如果一个景观由许多离散的小斑块组成,其蔓延度的 值较小;当景观中以少数大斑块为主或同一类型斑块高度连接时,其蔓延度的值则 较大。 ?景观分离度 七七 所一;言剐 式中,甜指斑块/的面积,指景观总面积以为单位,取值范围: 。当景观由一个单一的斑块构成时,景观分离度为,当景观被最 大程度细分时,也就是每一个栅格都是一个单独的斑块时,该指数值最大。 ?分割度 翻哪:?? . ??口 景观格局指数相关性粒度效应研究 式中,%指斑块,的面积,彳指景观总面积以为单位,取值范围:% ,单位:% ?分散度 一丐,,一小? 厶一 . 肼?旦擘生竺?半 .,, ’ . 肼:掣 一 式中,%为景观类型和景观类型的网格相邻的公共边界长度,为景观总 边界长度,为景观类型最大值。分散度是用景观类型的相邻程度来表示景观 分散 程度,以景观类型为计算单元,在一定意义上表示景观边界分布的均匀程度。 ?类相邻百分比 ,单位:% 抒 . ?让 七 式中,‰为景观类型的网格自相邻的公共边缘数,址为景观类型和景观类 型的网格相邻的公共边缘数,为景观类型最大值。类相邻百分比反映了景观 类 型的聚集程度,如果一个景观由少数形状简单的大斑块组成,其类相邻百分 比值较 大,当景观由由许多形状复杂的小斑块组成时,其类相邻百分比值较小。 ’ 多样性指数 ?相对斑块丰富度 ,单位:% . 旦 聊舣 式中,是景观中景观类型数,一景观类型最大可能数目。 匡多样性指数’ . 册讲一?只只 扛 式中,只是景观类型的面积占整个景观面积的百分比。常以该类型占栅格像 元 或栅格数占景观栅格细胞总数的变化估算,是景观类型总数,范围:。 ?多样性指数’ . ? 式中,只是景观类型的面积占整个景观面积的百分比,是景观中景观类型数。 中南林业科技大学硕士学位论文 取值范围:。多样性指数的大小取决于两个方面:一是景观类型的多少, 二是各景观类型在面积上分布的均匀程度。对于给定的,当各斑块面积比例 相同 时即,/,多样性指数达到最大值多样性指数:; 多样性指数:一。通常,随着多样性指数的增加,景观结构组 成的复杂性也趋于增强。 均匀度’ 一?鼻 . ?上生??一 式中,只是景观类型的面积占整个景观面积的百分比,朋是景观中景观类型 数。 取值范围:。均匀度反映景观中各斑块在面积上分布的不均匀 程度,通常以多样性指数和其最大值的比表示。当该指数值趋于时,景观斑块 分 布的均匀程度亦趋于最大。 均匀度’ 卜?只 ’ 册 式中,只是景观类型的面积占整个景观面积的百分比,是景观中景观类型数。 取值范围:。均匀度生态学意义与均匀度指数基本相同。 ..技术路线 具体技术路线如下: 以西洞庭湖为研究区域,并以西洞庭湖区年二类调查空间数据和属性 数据库为基础,以土地类型及优势树种为主要划分依据将研究区域内森林景观分为 杉木景观类、松类景观类、阔叶林景观类、经济林景观类、灌木林景观类、柏木林 景观类、竹类景观类、无立木林地类和非林地景观类型共九种景观类型。 以研究区域个县市区和林场农场作为个景观,分别为津市景观、安 乡县景观、汉寿县景观、澧县景观、临澧县景观、桃源县景观、涔澹农场景观、西 湖农场景观、西洞庭湖农场景观、柳叶湖农场景观、贺家山原种场景观、常德林场 景观、河伏林场景观、鼎城区景观、武陵区景观。将每个景观的矢量数据在 之间每一个粒度按景观类型转换成栅格格式数据。景观格局指数相天性粒度效应研究 将每个粒度的各个景观的栅格数据导入.景观格局指数分析软件 中计算景观水平指数。 在软件中对各个景观的不同粒度下各类景观格局指数进行双变量相 关分析,得到不同粒度下各指数间的相关系数。 在中分析各景观格局指数间的相关系数的粒度效应。 二类调查矢量文件划分景观类型 ??刊 .. 弋, 不同粒度景观类型栅格图文件 仁剖 ~. \, 计算不同粒度下景观指数并分析粒度效应 弋 。户哪. 分析不同粒度下各类景观指数相关性 弋 、户眦 分析各类景观指数相关性的粒度效应 图..技术路线图 . 中南林业科技大学硕十学位论文 西洞庭湖区森林景观格局分析 .景观组成结构分析 景观是由相互作用的、以某种方式重复出现的异质性生态系统组成的区域,这 些异质生态系统,可称之为景观类型。景观类型组成结构就是由这些不同类型的景 观类型的种类、数量和相对数量关系。景观类型的组成结构对景观整体结构和功能 具有重要控制作用【 。景观类型的组成结构可以用景观要素的斑块数量、面积及其 在景观中的分布情况来反映。 由表.可见,研究区域以非林地为主,其面积占景观总体面积的.%,其 次是阔叶类,占.%,经济林类占总面积.%,松木类占总面积.%,前述 种景观类型是调控森林景观格局的重要组成部分。柏木类面积比最小,仅占总面积 的.%。从斑块数和斑块比来看,阔叶类的斑块数最多,斑块数目为块, 其次是经济林类和杉木类,斑块数分别为和,松类斑块数也较多,柏 木类和灌木地斑块数最少。阔叶类的斑块密度最大,柏木类、灌木类、竹类和无立 木林地类斑块密度都小于块/。非林地斑块平均面积最大,远大于其它景观类 型,其变动系数也大,原因是研究区域居民点、天然水库、湖泊等的零星分布使其 变动系数增大。阔叶类、竹类和灌木类斑块平均面积较大,其中阔叶类和竹 类变动 系数大小仅次于非林地类。灌木类变动系数小,原因是灌木类斑块数少且斑 块大小 均匀,破碎化程度低。松木类和杉木类平均面积和变动系数偏低,柏木类斑块 平均 面积最小,变动系数小,原因是柏木类总面积小,斑块大小均匀、分布集中。 表. 粒度森林景观组成结构 . . . . . 杉木类 . , . . . 松木类 . , . . . 阔叶类 . . . . . 经济林类 .. . 灌木类 . . . . . 柏木类 . .. . 竹类 . . .. . . . . 无立木 . . . . 非林地.景观格局指数相关性粒度效应研究 .景观形状特征分析 形状指数能够表达景观类型边界的复杂程度,他们的规律基本相同,都是表达 景观形状复杂程度的信息。一般来说,总边界与景观类型总面积是成正比的,景观 类型的面积越大,其总边界也就越长。由表.可见,非林地的面积加权平均形状 指数、周长面积分维数和边界密度最大,表明非林地斑块形状最复杂,原因是由于 其边缘形状延伸到其他各个景观类型中,河流、公路等带状地物在要素中的分布, 其边缘形状延伸程度更为明显,其形状指数变异系数也是最大,研究区域居民点、 天然水库、湖泊等的零星分布,斑块大小和形状差别很大。其次是竹类和阔叶类的 形状指数数较大,其主要原因是这两类景观类型基本上成带状分布。经济林类斑块 形状的复杂程度位居第四,主要是经济林自身特点及受人为干扰影响较大。杉木类、 松