基于遙感的京西北山地森林景觀格局特征及動(dòng)態(tài)1)

張彬彬 韓海榮 梁大雙 康峰峰 張麗謙 劉 利

(省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京林業(yè)大學(xué))，北京，100083) (遼東學(xué)院)

北京森林生態(tài)系統(tǒng)是首都社會(huì)經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是首都重要的生態(tài)屏障，森林質(zhì)量的好壞直接影響到北京地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。及時(shí)、快速地獲取山區(qū)森林景觀的宏觀狀況，對于維護(hù)北京山區(qū)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的穩(wěn)定性非常重要。而景觀格局分析是景觀生態(tài)學(xué)的基本研究內(nèi)容，數(shù)量化分析景觀組分的空間分布特征，是進(jìn)一步研究景觀功能和動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)［1-2］。分析森林景觀格局隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)過程可以揭示森林景觀演替的規(guī)律和機(jī)制，為最終實(shí)現(xiàn)森林資源的可持續(xù)利用提供理論依據(jù)［3-5］。關(guān)于森林景觀格局動(dòng)態(tài)，國內(nèi)學(xué)者曾進(jìn)行了較多的研究［6-10］，這些研究多為森林斑塊尺度上的動(dòng)態(tài)分析，且不同分類系統(tǒng)研究結(jié)果不同。本研究在遙感和GIS等技術(shù)支持下以北京西北部地區(qū)森林景觀為研究對象，運(yùn)用幾個(gè)主要的景觀空間格局分析指標(biāo)，在不同景觀水平上對山地森林景觀格局特征及景觀格局動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行量化研究，分析北京西北部山地森林景觀的組成及空間格局變化特點(diǎn)，為首都森林管理經(jīng)營實(shí)踐和景觀生態(tài)格局優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

北京市位于華北平原西北部，占地面積16 807.8 km2，地理位置 39°38'～41°05'N，115°24'～117°30'E。其骨架主要是由山地和平原構(gòu)成的，西部和北部為山地。平原地區(qū)面積約6 390 km2，占38%;山區(qū)面積約10 418 km2，占62%。北京森林景觀主要分布在西北和西南部山區(qū)，包括懷柔、延慶、門頭溝、房山、昌平等郊區(qū)，在市區(qū)包括八達(dá)嶺林場、西山林場及百花山等都有較密集的森林分布，文中選取延慶、昌平、門頭溝為研究區(qū)(圖1)，這3個(gè)區(qū)縣山區(qū)面積都超過了轄區(qū)總面積的一半以上，分別占 72%、59.2%、98.5%。

圖1 研究區(qū)區(qū)劃圖

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)的收集及處理

以覆蓋北京地區(qū)的 3期 LandsatTM(1991—05—16，1999—07—01，2007—05—28)衛(wèi)星影像資料為基本數(shù)據(jù)源，在Erdas Imagine 9.2和ArcGIS9.3等地理信息系統(tǒng)軟件支持下，對數(shù)據(jù)進(jìn)行波段疊加得出具有一致大地坐標(biāo)和投影信息的遙感圖像。在Landsat TM影像中，TM2、3、4、5波段的特性較為有利于森林植被分類的識(shí)別［11］，本研究采用的是TM4、3、2波段組合。對所得影像進(jìn)行了幾何精校正、投影變換和圖像的增強(qiáng)等前期預(yù)處理。最后利用北京行政區(qū)劃邊界圖從已校正的圖像中提取出研究區(qū)的子圖像，需要說明的是遙感影像覆蓋區(qū)域在門頭溝部分缺少極小部分，但對結(jié)果分析影響不大。

對遙感圖像的分類采用目視解譯和監(jiān)督分類相結(jié)合的方法，依據(jù)北京市二類調(diào)查小班資料和野外實(shí)地調(diào)查資料建立解譯標(biāo)志，采用分類方法中經(jīng)典的最大似然法對圖像進(jìn)行分類，對分類比較破碎的圖像，再進(jìn)行去除分析，以簡化分類圖像，提高分類精度。分類后對分類結(jié)果，用地面實(shí)際調(diào)查資料進(jìn)行精度估算和誤分類糾正。對每一時(shí)段的分類圖隨機(jī)選取250個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)，根據(jù)實(shí)地考察控制點(diǎn)進(jìn)行精度檢驗(yàn)，對于野外調(diào)查資料中無法反映的檢驗(yàn)點(diǎn)，通過參考北京市二類調(diào)查小班資料，利用Erdas Imagine9.2下AccuracyAssessment模塊進(jìn)行精度評價(jià)，最終總體分類精度達(dá)75%以上，滿足后續(xù)工作的要求。

2.2 景觀要素類型的劃分

建立景觀分類系統(tǒng)是影像分類、格局分析等工作的基礎(chǔ)。景觀要素類型劃分是按一定的特征把對象區(qū)域定義為幾種相對均質(zhì)的土地生態(tài)單位，是一個(gè)多級細(xì)化的結(jié)構(gòu)體系，類型定義的詳細(xì)程度既決定于數(shù)據(jù)和技術(shù)手段可達(dá)到的識(shí)別程度，也決定于工作目標(biāo)所需要的分類水平［7］。由于對景觀的理解不同，景觀分類也各不相同，目前尚未形成一個(gè)統(tǒng)一的景觀分類原則和方法。文中根據(jù)研究目的以及北京西北部地區(qū)土地利用與植被分布類型，結(jié)合森林調(diào)查的實(shí)際需要，對研究區(qū)采用了二級分類法構(gòu)建了適合本研究的景觀分類體系，一級分類中將景觀類型分為林地、水體、其他3大類，在二級分類中將林地劃分為針葉林、闊葉林、混交林、灌木林、疏林地;其他類中包括農(nóng)業(yè)用地、城鎮(zhèn)居民用地、裸地等非林地。

2.3 主要景觀格局分析指標(biāo)的計(jì)算

景觀指數(shù)是反映景觀格局的重要參數(shù)，森林景觀格局變化的定量分析可以從景觀指數(shù)的變化反映出來［3-5，12-14］，根據(jù)景觀格局特征的分析層次相應(yīng)分為斑塊水平指數(shù)、斑塊類型水平指數(shù)和景觀水平指數(shù)。本研究將分類后的圖像轉(zhuǎn)為Grid格式，選擇斑塊面積、景觀形狀指數(shù)、分維數(shù)、斑塊數(shù)、斑塊密度、聚集度、蔓延度、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)等指標(biāo)分別從斑塊類型水平和景觀水平兩方面來反映北京西北部近16 a森林景觀格局變化特征。所有景觀格局指標(biāo)均采用柵格版本的 FRAGSTASTS 3.01.02軟件計(jì)算得到。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀構(gòu)型和總體特征

從研究區(qū)1991、1999、2007年的 LandsatTM遙感影像解譯結(jié)果來看，研究區(qū)在1991—2007年的16 a中，景觀斑塊類型沒有發(fā)生變化，均由針葉林、闊葉林、混交林、灌木林、疏林地、水體、其他地類7種景觀類型組成，從影像圖上可以直觀地發(fā)現(xiàn)，林地大部分分布在山區(qū)且呈現(xiàn)出集中分布、規(guī)模較大并且連片分布的特征，平原區(qū)以建筑、城鎮(zhèn)用地為主，林地零星分布，3 a景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。

3.2 景觀要素結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析

3.2.1 景觀要素斑塊面積的變化

由表1可見，研究時(shí)段內(nèi)北京西北部地區(qū)林地面積始終是最高的，面積分別為 359 743.82、336 198.71、353 156.31 hm2，分別占研究區(qū)總面積的 76.13%、71.14%、74.72%，優(yōu)勢十分明顯，說明林地是研究區(qū)的景觀基質(zhì)。1991年到1999年林地面積減少，到2007年又有所回升，說明人類的強(qiáng)干預(yù)如砍伐森林、城市化進(jìn)程等在一定程度上影響了森林格局的變化，后8 a林地面積回升，這與北京市封山育林及退耕還林政策有密切關(guān)系。

表1 景觀要素組成動(dòng)態(tài)分析

1991—2007 年各類景觀要素的面積百分比隨時(shí)間的推移呈現(xiàn)不同程度的增減，分析可得，林地中1991年和1999年灌木林地優(yōu)勢顯著，到2007年疏林地面積占絕對優(yōu)勢。1991—1999年闊葉林、針葉林、水體、其他地類面積比增加，增加幅度不大，混交林、灌木林、疏林地面積有所減少;1999—2007年，只有疏林地面積增加且增加幅度大，其他景觀要素的面積均呈減少趨勢，其中針葉林和灌木林減少幅度較大?？傮w來說，在1991—2007年16a間，疏林地面積呈顯著增加，灌木林地持續(xù)減少，到2007年疏林地面積占絕對優(yōu)勢，說明疏林地增長的部分主要侵占了灌木林地，這可能是灌木林地的改造、造林力度加大的結(jié)果。

3.2.2 景觀要素斑塊形狀變化動(dòng)態(tài)

斑塊形狀指標(biāo)是描述景觀的重要因子，是景觀空間結(jié)構(gòu)度量中除面積外的另一個(gè)重要特征，它對生物生境以及森林經(jīng)營都是很重要的，文中選取景觀形狀指數(shù)和分維數(shù)來分析斑塊形狀變化。

表2 景觀要素斑塊格局特征指標(biāo)

從表2可知，1991—2007年，森林各景觀要素斑塊形狀指數(shù)總體均降低，其中針葉林和混交林的斑塊形狀指數(shù)變化最大，天然林逐漸為人工林、防護(hù)林所取代，說明北京西北部山地森林景觀空間格局受人類活動(dòng)的干擾程度越來越大。

從分維數(shù)分析結(jié)果看，各年各景觀類型分維數(shù)的值相差不大，且3 a間各林地景觀類型除疏林地外，變化趨勢均是先降后升，值遠(yuǎn)大于1，說明此區(qū)域林地景觀的邊界褶皺程度較高，景觀形狀復(fù)雜，在一定程度上也可以說明山區(qū)森林的斑塊形狀主要取決于自然地貌及自然環(huán)境條件。1991、1999、2007年林地類型中分維數(shù)最低的景觀類型分別是闊葉林(1.510 3)、闊葉林(1.473 5)、針葉林(1.494 6)，說明北京山地森林闊葉林、針葉林的分布最為簡單和規(guī)則，多是受人為干擾因素較大，但需要指出的是，分維數(shù)的高低并不能完全反映人類活動(dòng)對景觀的干擾程度，因?yàn)闆Q定斑塊分維數(shù)的，除了人為因素外，還有當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件，如地形、地貌、土壤、氣候、水分及整個(gè)景觀的生物區(qū)系［9］。

3.2.3 景觀破碎化程度的變化

景觀破碎化程度可用斑塊數(shù)量、斑塊密度、斑塊最大面積指數(shù)等指標(biāo)來反映。文中選取斑塊數(shù)和斑塊密度來反映。

在同一景觀中，斑塊數(shù)量越多，斑塊密度指數(shù)越大，其景觀破碎程度愈大［8］。從景觀斑塊數(shù)量變化(表1)可以看出，1991年全市景觀斑塊總數(shù)目為16 630塊;1999年上升為21 760塊，較1991年增加了5 130塊，增加幅度38.85%;2007年景觀斑塊數(shù)為15 712塊，較1999年減少了6 048塊，減少幅度27.79%;1991—2007年景觀總體斑塊數(shù)減少但減少的幅度不大，減少幅度只為5.52%。

1991、1999、2007 年，景觀整體的斑塊密度先增大后減小(表2)，說明研究區(qū)景觀的破碎化程度處于動(dòng)態(tài)變化之中，破碎化增加后又降低，整體呈降低趨勢，一定意義上反映了研究區(qū)前8 a受人類干擾的破壞程度較深，1999年后由于人類保護(hù)環(huán)境意識(shí)的不斷加深，各項(xiàng)林業(yè)政策的實(shí)施，進(jìn)行森林保護(hù)后破碎化程度降低。由于3個(gè)年度景觀的總體面積是一定的，所以景觀整體斑塊密度所反映的規(guī)律與斑塊數(shù)反映的規(guī)律是一致的。景觀要素類型水平上，1991年斑塊密度最大的是混交林，達(dá)0.793 9塊·km-2;1999年和2007年斑塊密度最大的都是疏林地，分別達(dá)1.046 4、0.885 6塊·km-2。說明1991年破碎化程度最高的景觀類型是混交林，1999年破碎化程度最高的景觀類型是疏林地，2007年破碎化程度最高的景觀類型依舊是疏林地。

3.3 景觀異質(zhì)性分析

景觀異質(zhì)性可以通過景觀斑塊邊緣密度、景觀多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)等指標(biāo)加以描述和分析。

研究區(qū)景觀整體的斑塊邊緣密度持續(xù)降低，反映了北京西北部山地景觀向保存完好連通性的方向發(fā)展，在一定程度上也反映了景觀區(qū)域破碎化程度在降低，這與斑塊密度所顯示的結(jié)果一致。疏林地的邊緣密度顯著增大，且2007年達(dá)到最高，達(dá)56.801 0 m·hm-2。說明研究時(shí)段內(nèi)疏林地的空間擴(kuò)展能力較強(qiáng)，在景觀中處于擴(kuò)張過程中。

表3 景觀水平指標(biāo)變化

由表3可以看出，北京西北部山地森林景觀中，多樣性指數(shù) 3 a 分別為 1.679 9、1.686 0、1.371 6，說明研究區(qū)各景觀結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，結(jié)合以上研究表明：由于景觀種類沒有發(fā)生變化，但面積差異增加，導(dǎo)致多樣性指數(shù)降低，異質(zhì)性下降，景觀結(jié)構(gòu)在多樣性方面維持較差。景觀變化沒有帶來強(qiáng)烈的景觀要素的流失，但從景觀要素斑塊規(guī)?？梢钥闯鼍坝^格局發(fā)生了巨大變化，各要素之間的分配和轉(zhuǎn)換情況有待于建立模型或矩陣進(jìn)一步分析。

當(dāng)均勻度指數(shù)趨于1時(shí)，說明景觀中沒有明顯的優(yōu)勢類型且各斑塊類型在景觀中均勻分布，而北京西北部山地森林景觀均勻度指數(shù)雖接近1但其值下降，說明景觀類型組成成分分布逐漸不均勻。

3.4 景觀要素空間相互關(guān)系分析

景觀要素空間相互關(guān)系分析包括同質(zhì)景觀要素的空間關(guān)系和異質(zhì)景觀要素之間的空間關(guān)系［8］，可以用聚集度指標(biāo)、分離度指標(biāo)、蔓延度指數(shù)等加以描述和分析。文中選取聚集度和蔓延度來分析。

在景觀水平上，由表2可以看出景觀整體空間聚集度增大且值均很高，平均聚集度指數(shù)達(dá)99.553 7，表明研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)是比較穩(wěn)定的。景觀要素類型水平上，針葉林和灌木林地聚集度指數(shù)下降，其穩(wěn)定性降低。1991年和1999年，各景觀要素的聚集度指數(shù)較為接近，2個(gè)年份均是混交林的聚集度指數(shù)最小，其連接性較差;2007年，各景觀要素中針葉林的聚集度指數(shù)明顯最小，其他景觀要素聚集度指數(shù)較大，表明其連接性好，物質(zhì)和能量遷移比較通暢。

蔓延度指數(shù)描述的是景觀里不同斑塊類型的團(tuán)聚程度或延展趨勢。一般來說，高蔓延度值說明景觀中的某種優(yōu)勢斑塊類型形成了良好的連通，反之，則表明景觀具有多種要素的密集格局，景觀的破碎化程度高。理論上，蔓延度值較小時(shí)表明景觀中存在許多小斑塊，趨于100時(shí)表明景觀中有連通度極高的優(yōu)勢斑塊類型存在［8］。1991、1999、2007年景觀蔓延度指數(shù)分別為41.282 9、42.0708、52.4526(表3)。2007 年景觀蔓延度指數(shù)較1991年增大，但值不是很高，表明景觀中沒有連通性高的優(yōu)勢斑塊，景觀破碎化程度降低，與上述結(jié)論一致。

4 結(jié)論與討論

北京西北部地區(qū)1991—2007年山地森林景觀格局的主要變化特征表現(xiàn)為：林地是研究區(qū)景觀整體的基質(zhì)，1991—1999年林地面積減少，由于各項(xiàng)林業(yè)政策的有效實(shí)施，1999—2007年林地面積回升，有效防止了森林面積的減少。各類景觀斑塊面積呈動(dòng)態(tài)變化，景觀優(yōu)勢類型由1991、1999年的灌木林地轉(zhuǎn)變?yōu)槭枇值?在景觀演替過程中，各類景觀要素規(guī)模和形狀都在發(fā)生顯著變化，景觀形狀復(fù)雜;研究區(qū)景觀破碎化程度降低;景觀邊緣密度持續(xù)下降，疏林地邊緣密度增大顯著，其空間擴(kuò)展能力強(qiáng);景觀異質(zhì)性下降，景觀要素分布逐漸不均勻，景觀在多樣性方面維持較差;景觀要素的空間相互關(guān)系顯示，景觀整體的聚集度增大。

北京西北部山地森林景觀格局的動(dòng)態(tài)變化分析表明，林地景觀變化明顯，一方面原因可能是遙感圖像季相差別所致，另一方面，是林地景觀斑塊間的相互轉(zhuǎn)換。這樣的格局形成除了受自然因素外，主要是人為干涉的結(jié)果，建議及時(shí)采用自然力結(jié)合人工進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，特別是出現(xiàn)輕度退化的生態(tài)脆弱區(qū)，更要加大封山育林的管理力度，增加林地面積，改善首都的生態(tài)環(huán)境。本研究只是初步定量進(jìn)行了格局分析，對景觀格局變化原因還需進(jìn)一步作深入探討，今后還應(yīng)在格局分析的基礎(chǔ)上，建立模型，分析各要素間的轉(zhuǎn)移變化關(guān)系和引起變化的驅(qū)動(dòng)力因子，為北京地區(qū)生態(tài)脆弱山區(qū)森林更新機(jī)理研究、森林景觀生態(tài)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

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