基于GIS的帽兒山景觀生態(tài)綜合評價

孔 達，龔文峰

（黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150086）

景觀利用在“垂直”方向不適宜的匹配（如陡坡墾殖）和在“水平”方向不合理的空間布局（如景觀碎裂化）［1］，造成坡地區(qū)域水土流失和自然生態(tài)環(huán)境破壞，從而導(dǎo)致其景觀生態(tài)質(zhì)量退化。為了合理調(diào)整景觀利用格局，維持高質(zhì)量的景觀生態(tài)水平，對景觀生態(tài)現(xiàn)狀進行評價和景觀生態(tài)規(guī)劃，促使景觀的優(yōu)化利用與其生態(tài)條件相適應(yīng)、相協(xié)調(diào)，并維持景觀生態(tài)健康發(fā)展。本文在地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)支持下，以景觀生態(tài)學(xué)為理論基礎(chǔ)，以土地利用類型單元為評價單元，研究景觀格局對生態(tài)過程的影響［2－5］，對研究區(qū)域的景觀生態(tài)質(zhì)量現(xiàn)狀進行分析和綜合評價，國內(nèi)的研究主要側(cè)重于基于景觀分析和綜合評價上，并提出景觀資源合理利用的方案［6－7］。但借助于數(shù)字高程模型（DEM），通過DEM和景觀生態(tài)評價進行疊加處理，完成研究區(qū)域的景觀生態(tài)質(zhì)量的地域分異規(guī)律的這方面研究較少，因此，基于DEM的景觀生態(tài)評價分異規(guī)律可真實反映景觀生態(tài)質(zhì)量的空間特征，反映環(huán)境狀況的區(qū)域性差異，對其景觀生態(tài)環(huán)境的改善及可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。

1 研究區(qū)域

帽兒山實驗林場位于黑龍江省尚志市帽兒山鎮(zhèn)境內(nèi)，經(jīng)緯度坐標(biāo)為45°20′－45°35′N，126°20′－126°25′E。帽兒山實驗林場東部以自然山脈與尚志市黑龍宮、小九林場相鄰，南部以哈綏鐵路與國營林場局所轄的帽兒山林場為界，西部和北部以自然分水嶺為界與阿城市平山林場、山河林場相接壤，共劃分10個森林經(jīng)營施業(yè)區(qū)。發(fā)源于本場尖砬溝、老嶺施業(yè)區(qū)的阿什河，自北向南貫穿于本場施業(yè)區(qū)。該區(qū)域是大陸性氣候，四季比較分明，年平均溫度為2.8℃，無霜期為120～140 d，年降水量為723.8 mm；本區(qū)土壤條件較好，暗棕壤土面積占的比重比較大，有機質(zhì)含量較高。植物生長期較長，適宜于農(nóng)、林、牧業(yè)的發(fā)展。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)收集

研究以2006年1∶5 000的林相分布圖和Landsat TM遙感數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，同時還收集到1990年1∶5 000的國家標(biāo)準(zhǔn)分幅地形圖、固定樣地數(shù)據(jù)、二類調(diào)查數(shù)據(jù)和其它的文字、數(shù)據(jù)材料。

2.2 數(shù)據(jù)處理

將2006年帽兒山林場的林相分布圖進行掃描，選取控制點對圖像進行校正，并保證精度，在ArcGIS 9.0下對校正后的圖像矢量化，在屬性庫中輸入小班號，同時，在屬性庫上添加一個與外部空間數(shù)據(jù)庫相連接的通用字段，通過該字段，以便與外部空間數(shù)據(jù)庫進行連接，以實現(xiàn)林相圖的屬性庫和外部空間數(shù)據(jù)庫的連接，進一步完善其屬性信息，從而實現(xiàn)主要土地的自然生態(tài)和利用屬性劃分 ，進而完成對土地類型的劃分。利用ArcGIS 9.0對地形圖進行幾何校正并對其矢量化并獲取高程值，在該軟件的支持下，生成DEM，并派生出坡度等數(shù)據(jù)。借助ERDAS IMAGINE遙感圖象處理軟件，在1∶5 000的地形圖選取地面控制點和采用多項式方法對Landsat TM圖像進行幾何校正，保證總體誤差均控制在一個像元點之內(nèi)，此外還進行增強等處理。根據(jù)研究區(qū)域的邊界，對圖像進行剪裁。

2.3 研究方法及技術(shù)路線

2.3.1 景觀評價指標(biāo)和權(quán)重 在綜合區(qū)域景觀生態(tài)綜合評價和景觀區(qū)劃的基礎(chǔ)上，運用層次分析法構(gòu)造評價指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)。指標(biāo)體系的建立包括層次結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建和因子權(quán)重的定量化表達，見圖1。

圖1 景觀生態(tài)綜合評價指標(biāo)體系

式中：ILTF——景觀類型破碎度指數(shù)Ai——景觀類型i的總面積（hm2）；Ni——景觀類型i的斑塊數(shù)。該指數(shù)揭示了景觀要素被分割的破碎程度，反映景觀空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和人類活動對景觀結(jié)構(gòu)的影響程度。對計算結(jié)果、數(shù)據(jù)進行重新分類和等級劃分，分為5個等級，生成GRID格式的數(shù)據(jù)。

（2）景觀形狀指數(shù)（LSI）ILS

2.3.2 評價指標(biāo)

（1）景觀類型破碎度指數(shù)（LTFI）

式中：ILS——景觀形狀指數(shù)；ei——景觀類型i所有斑塊的周長（m）；minei——景觀類型i最小周長（m）。該指數(shù)主要反映斑塊形狀的復(fù)雜程度，它是景觀空間格局中一個很重要的特征，對于研究功能如景觀中物質(zhì)的擴散、能量的流動和物質(zhì)的轉(zhuǎn)移等情況有非常重要的意義［9］。同樣，對結(jié)果進行重新分類和5個等級的劃分，生成GRID格式的數(shù)據(jù)。

（3）土壤侵蝕類型。水力侵蝕是區(qū)域內(nèi)主要侵蝕類型，侵蝕程度越大，環(huán)境質(zhì)量越差。土壤侵蝕數(shù)據(jù)來自于中國科學(xué)院遙感所利用Landsat TM（30×30）假彩色合成數(shù)字影像完成的全國土壤侵蝕遙感調(diào)查數(shù)據(jù)。根據(jù)研究區(qū)域和研究的需要，土壤侵蝕的類型采用6個等級量化指標(biāo)，主要分為微度、輕度、中度、強度、極強度和劇烈。

（4）地形因素（坡度）。在地形因子中，坡度對水土流失影響最大。通常情況下，侵蝕量和坡度呈正相關(guān)。本文在ArcGIS 9.0的支持下，從DEM上提取坡度，按照＜5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°和＞25°坡度等級進行劃分，對坡度數(shù)據(jù)進行重新分類，最后生成GRID格式的坡度分級圖。

（5）土地利用類型。土地覆蓋具有特定的時間和空間屬性，土地利用狀況集中反映了人類活動對生態(tài)環(huán)境的干擾程度，是土地形態(tài)和特征多種形式在時空格局上的變化，結(jié)合區(qū)域生態(tài)環(huán)境實際情況，可以將土地利用狀況對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響的有利順序為：林地＞草地＞水體＞旱地＞城鎮(zhèn)居民點和交通工礦用地＞未利用土地［10］，按照此順序，對土地進行等級上的量化處理。

（6）植被蓋度指數(shù)。植被是抑制侵蝕發(fā)生、發(fā)展的主要自然因素，植被覆蓋度是水土流失因素中最為活躍的因素，本文通過Landsat TM對研究區(qū)域的植被指數(shù)進行定量反演，進而計算植被蓋度，根據(jù)植被蓋度等級＜25%、25%～40%、40%～60%、60%～80%和＞80%進行5個等級的劃分，對數(shù)據(jù)進行重新分類，最后生成GRID格式的坡度分級圖。

式中：INDV——植 被 指 數(shù)；TM4——近紅 外 波 段；TM3——紅波段；Fc——植被蓋度。

（7）氣象因子（年降水量）。降水量影響植被的生長狀況，本文主要借助觀測站提供的地理坐標(biāo)和年降水量數(shù)據(jù)，通過內(nèi)插的方法生成研究區(qū)域的年降雨量，根據(jù)降雨量的不同，采用數(shù)據(jù)間隔相等的原則重新分類并劃分為5個等級，最后生成的GRID格式。2.3.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化 由于各指標(biāo)性質(zhì)不同，量綱各異，需要實現(xiàn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下的定量化表達，使其在參與多因子綜合分析時，保持因子要素間的均衡與合理性［11］。各個參評因子數(shù)據(jù)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，是一組反映其屬性特征的數(shù)值，其值居于0～1之間。

式中：wi——某一參評因子第i級標(biāo)準(zhǔn)化值；xi——某一參評因子第i級值；xmax——某一參評因子最高閾值；xmin——某一參評因子最低閾值。

2.3.4 景觀綜合評價模型 采用多級加權(quán)求和的方法，實現(xiàn)對區(qū)域的景觀生態(tài)綜合評價的定量化分析。加權(quán)求和的綜合評價指數(shù)用式（6）計算［10］：

式中：ep——第p個分析單元的景觀生態(tài)綜合評價指數(shù)；wi——第i個專題指標(biāo)要素經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后的定量表達值；ci——反映該專題要素對于綜合評價重要性的權(quán)重值；m——參與景觀生態(tài)綜合評價的專題指標(biāo)要素的數(shù)量，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)綜合評價的結(jié)果，進而統(tǒng)計和分析研究區(qū)域的景觀生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀生態(tài)綜合評價分級

景觀生態(tài)評價綜合指數(shù)代表了景觀生態(tài)質(zhì)量狀況［11］。研究區(qū)域的景觀生態(tài)綜合指數(shù)分布范圍在1.125～9.313。在全面分析綜合指數(shù)的基礎(chǔ)上，為了便于比較，將景觀生態(tài)評價綜合指數(shù)進行分級處理，在此基礎(chǔ)上，區(qū)劃為不同的景觀生態(tài)區(qū)域，其結(jié)果不僅體現(xiàn)不同等級的綜合評價指數(shù)的分級空間分布特征，而且還能夠反映環(huán)境狀況的區(qū)域性差異。分級結(jié)果如下：Ⅰ級區(qū)域（綜合指數(shù)為7.138～9.313），Ⅱ級區(qū)域（綜合指數(shù)為5.378～7.138），Ⅲ級區(qū)域（綜合指數(shù)為4.323～5.378），Ⅳ級區(qū)域（綜合指數(shù)為3.203～4.323），Ⅴ級區(qū)域（綜合指數(shù)為1.125～3.203），分級結(jié)果分別代表好、較好、中、較差和差5個級別，見圖2。

3.2 景觀生態(tài)綜合評價數(shù)量結(jié)構(gòu)分析

從表1可以看出，Ⅱ級區(qū)域面積占到82.29%，所占的比例最大，在整個研究區(qū)域中占據(jù)絕對的優(yōu)勢；其次是Ⅲ級區(qū)域，其分布面積也較大，面積百分比占到14.28%；再次是Ⅳ級區(qū)域和Ⅰ級區(qū)域，分布較小，面積百分比分別為1.84%和1.25%；面積分布最小的為Ⅴ級區(qū)域，面積百分比僅為0.33%。就總體來說，研究區(qū)域的景觀生態(tài)質(zhì)量屬于較好的水平。

3.3 景觀生態(tài)評價與DEM的疊加

高程是衡量地形分異的主要屬性特征，可以直接影響熱量變化，同時也是決定景觀其它要素分異（如土壤、小氣候和水文等）的主導(dǎo)因子。因此，在Arc-GIS 9.0的支持下，分析研究區(qū)域地形數(shù)據(jù)，對其DEM進行高程分帶處理，基本原則是數(shù)據(jù)間隔相等［12］，分為5個高程帶，在此基礎(chǔ)上與景觀生態(tài)綜合評價結(jié)果進行疊加處理，并結(jié)合土地利用狀況，建立起景觀生態(tài)區(qū)劃在高程上的分布系列，真實反映景觀生態(tài)質(zhì)量的空間特征。

圖2 研究區(qū)域景觀生態(tài)綜合評價分級圖

表1 研究區(qū)域景觀生態(tài)綜合評價區(qū)劃

第1高程帶（249～362 m）：景觀生態(tài)評價區(qū)域所占面積的排列順序為：Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅰ＞Ⅴ，所占比例分別為：20.236%，10.627%，1.808%，0.979%和0.177%。Ⅱ級區(qū)域所占的面積百分比最大，Ⅴ級區(qū)域所占的面積百分比最小。從土地利用狀況出發(fā)，對于Ⅰ級區(qū)域而言，其對應(yīng)的土地利用類型是有林地，森林景觀是重點生態(tài)公益林，屬于天保林，該森林景觀具有良好的涵養(yǎng)水源，景觀生態(tài)質(zhì)量好主要歸功于天保工程；對于Ⅴ級區(qū)域而言，其對應(yīng)的土地利用類型多數(shù)為采伐跡地，此外還有一部分的荒山荒地，該區(qū)域容易受到外界的干擾，土地開發(fā)利用程度較高，立地條件差，生態(tài)功能比較脆弱，造成景觀生態(tài)質(zhì)量差。就總體而言，該高程帶景觀生態(tài)質(zhì)量處于較好的水平。

第2高程帶（362～475 m）：景觀生態(tài)評價區(qū)域所占面積的排列順序為：Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ＞Ⅴ＞Ⅳ，面積百分比分別為：32.585%，1.903%，0.273%，0.116%和0.0286%。Ⅱ級區(qū)域所占的面積百分最大，Ⅳ級區(qū)域所占的面積百分比最小。對于Ⅰ級區(qū)域而言，其對應(yīng)的土地利用類型同樣為有林地，森林景觀主要是水土保持林和水土涵養(yǎng)林，同樣屬于天保林，該區(qū)域一般人為干擾相對較少，保留部分完整原始森林景觀結(jié)構(gòu)，具有良好的水土保持作用，景觀生態(tài)質(zhì)量好；對于Ⅴ級區(qū)域其對應(yīng)的土地利用類型為荒山荒地，該區(qū)域是一些陡坡旱地、撂荒地以及受到農(nóng)牧民砍伐、過度放牧后退化所形成，水土流失較為嚴(yán)重，景觀生態(tài)質(zhì)量差，人為活動是景觀生態(tài)質(zhì)量差的主要原因；對于Ⅳ級區(qū)域而言，其對應(yīng)的土地利用同樣為荒山荒地，具體情形和Ⅴ級區(qū)域基本相似。就總體而言，該高程帶景觀生態(tài)質(zhì)量處于較好的水平，Ⅱ級區(qū)域在該高程帶分布區(qū)域達到了最大。

第3高程帶（475～588 m）：景觀生態(tài)評價區(qū)域所占面積的排列順序為：Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅴ＞Ⅳ＞Ⅰ，其面積百分比分別為：21.078%，0.910%，0.019 4%，0.001 7%和0.000 7%。Ⅱ級區(qū)域所占的面積百分比最大，Ⅰ級區(qū)域所占的面積百分比最小。在該高程帶，Ⅴ級區(qū)域所占的面積百分比相對要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Ⅰ級區(qū)域。對于Ⅰ級區(qū)域而言，其對應(yīng)的土地利用類型是一些水土保持林，同樣屬于天保林，但是分布面積相對很??；對于Ⅴ級區(qū)域，其對應(yīng)的土地利用類型為除了荒山荒地外，還有部分未利用地。除了人為干擾因素外，加上自然環(huán)境因素，主要表現(xiàn)為水土流失較嚴(yán)重，景觀生態(tài)質(zhì)量差，但是該區(qū)域分布相對較小。Ⅱ級區(qū)域在該高程帶分布較大，就總體而言，該高程帶景觀生態(tài)質(zhì)量處于較好的水平。

第4高程帶（588～701 m）：景觀生態(tài)評價區(qū)域所占面積的排列順序為：Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅴ＞Ⅳ，其面積百分比分別為：7.542%，0.791%，0.013 3%，0.000 341%。Ⅱ級區(qū)域所占的面積百分最大，Ⅰ級區(qū)域在該高程帶沒有分布。Ⅳ級區(qū)域在該高程帶所占面積百分比最小，Ⅴ級區(qū)域次之，其對應(yīng)的土地利用類型主要是未利用地和裸露地，未利用地所占比重較大，景觀生態(tài)質(zhì)量顯然很差。

第5高程帶（701～814 m）：景觀生態(tài)評價區(qū)域所占面積的排列順序為：Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅴ，其面積百分比分別為：0.851%，0.053 5%，0.007 153%。Ⅱ級區(qū)域所占的面積百分比最大，Ⅰ和Ⅳ級區(qū)域在該高程帶沒有分布，Ⅴ級區(qū)域在該高程帶所占面積百分比最小，其對應(yīng)的土地利用類型主要是裸露地（裸露巖石）等，故其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差，自然環(huán)境條件是造成該區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量差的主要原因。

總體而言，Ⅰ級區(qū)域在第一、二和三高程帶都有分布，并且在第一高程帶達到最大；Ⅱ級區(qū)域在各高程帶都有分布，且占據(jù)較大的比重，在第二高程帶達到最大，第三高程帶次之，第五高程帶最?。虎蠹墔^(qū)域同樣在各高程帶都有分布，占有一定的比重，在第一高程帶達到最大，第三高程帶最??；Ⅳ級區(qū)域在第一、二、三和四高程帶都有分布，在第一高程帶達到最大，第四高程帶最?。虎跫墔^(qū)域在各高程帶都有分布，但是所占比重較小，并且在第一高程帶達到最大，第五高程帶達到最小，見圖3。

圖3 研究區(qū)域景觀生態(tài)綜合評價分級圖在高程分帶的分布

4 結(jié)論

利用GIS為手段對研究區(qū)域進行區(qū)域生態(tài)性景觀生態(tài)綜合評價，改變了以往花費大量人力和物力為代價獲取環(huán)境背景數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)做法，具有數(shù)據(jù)獲取相對容易、信息豐富、分析快速的優(yōu)點［13－15］。

（1）景觀類型破碎度、景觀形狀指數(shù)、土壤侵蝕類型、地形因素（坡度）、土地利用類型、植被蓋度指數(shù)與氣象因子（年降水量）等7個指標(biāo)對研究區(qū)域進行景觀生態(tài)綜合評價，其評價結(jié)果與實際情況基本一致。

（2）在全面分析景觀生態(tài)綜合評價指數(shù)的基礎(chǔ)上，對景觀生態(tài)評價綜合指數(shù)進行分級處理，進行景觀生態(tài)區(qū)劃，劃分的等級為：Ⅰ級區(qū)域、Ⅱ級區(qū)域、Ⅲ級區(qū)域、Ⅳ級區(qū)域和Ⅴ級區(qū)域，分級結(jié)果分別代表好、較好、中、較差和差5個級別，該結(jié)果體現(xiàn)了不同等級的綜合評價指數(shù)的分級空間分布特征，在一定程度上反映環(huán)境狀況的區(qū)域性差異。

（3）研究區(qū)域景觀生態(tài)綜合評級區(qū)域所占面積百分比的排列順序為：Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅰ＞Ⅴ，Ⅱ級區(qū)域所占的比例最大，在整個研究區(qū)域中占據(jù)絕對的優(yōu)勢，因此，研究區(qū)域的景觀生態(tài)質(zhì)量屬于較好的水平。

（4）Ⅰ級區(qū)域在第一、二和三高程帶都有分布，在第一高程帶達到最大；Ⅱ級區(qū)域在各高程帶都有分布，且占據(jù)較大的比重，在在第二高程帶達到最大，第五高程帶最??；Ⅲ級區(qū)域在各高程帶都有分布，占據(jù)一定的比重，在第一高程帶達到最大，第三高程帶最??；Ⅳ級區(qū)域在第一、二、三和四高程帶都有分布，在第一高程帶達到最大，第四高程帶最小；Ⅴ級區(qū)域在各高程帶都有分布，但是所占比重較小，并且在第一高程帶達到最大，第五高程帶達到最小。

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