基于GIS的高黎貢山南段森林景觀變化驅(qū)動力分析

朱春梅，岳彩榮（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)熱帶作物學(xué)院，云南普洱665000；西南林業(yè)大學(xué)，昆明6504）

基于GIS的高黎貢山南段森林景觀變化驅(qū)動力分析

朱春梅1，岳彩榮2
（1云南農(nóng)業(yè)大學(xué)熱帶作物學(xué)院，云南普洱665000；2西南林業(yè)大學(xué)，昆明650224）

摘要：為研究高黎貢山南段森林景觀變化與驅(qū)動力之間的相互關(guān)系，在GIS支持下對高黎貢山1974、1987、1997、2006年4個時期遙感影像森林景觀分類數(shù)據(jù)，利用成本距離分析方法對村莊居民地和道路對森林景觀變化的關(guān)系進行研究，并分析成本距離和景觀空間變化關(guān)系。結(jié)果表明：高黎貢山森林變化呈先增加后減少的趨勢；森林變化在海拔1000～2000 m最為活躍。森林變化與村莊居民地和道路的距離具有較高的相關(guān)性，通過數(shù)學(xué)擬合達到較高顯著性。

關(guān)鍵詞：森林景觀變化；驅(qū)動力；GIS

0　引言

森林景觀及其變化趨勢是區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況的綜合表現(xiàn)形式，能夠在一定程度上反映生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣程度[1-3]。利用景觀生態(tài)學(xué)的原理來研究森林生態(tài)系統(tǒng)，可以更好地了解森林景觀的格局、結(jié)構(gòu)、功能和變化規(guī)律[4-13]。目前，3S技術(shù)，即遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GPS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)，作為一種研究大尺度或跨尺度的景觀生態(tài)學(xué)常用的“空間手段”[7,14-15]，廣泛應(yīng)用于景觀格局空間特征和定量分析[5-6,8-10,16-19]、景觀動態(tài)變化與驅(qū)動力分析[11,20-21]、土地利用變化與驅(qū)動力分析[22-28]、土壤景觀格局特征分析[29-30]等，研究結(jié)果顯示，不同類型景觀格局受自然地理因素（海拔、地形、水系等）、生物因素（動植物群落）和人文因素（人類生產(chǎn)生活、政策導(dǎo)向等）相互作用影響呈現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)特征，其中人文因素是導(dǎo)致景觀格局變化的關(guān)鍵驅(qū)動因子，景觀格局往往隨驅(qū)動因子作用呈現(xiàn)相應(yīng)的時空變化規(guī)律。這為不同類型景觀可持續(xù)利用和科學(xué)管理工作提供了參考依據(jù)。

高黎貢山自然保護區(qū)位于云南省西南邊境的保山、騰沖和瀘水交界處，地理位置為北緯24o56'—26o09'、東經(jīng)98o34'—98o50'。1962年開始中上部森林劃為國有林，并設(shè)置林管所等機構(gòu)進行保護管理，1983年經(jīng)云南省人民政府批準建立高黎貢山自然保護區(qū)，1986年經(jīng)國務(wù)院批準成為國家級自然保護區(qū)，通過50余年保護工作，保護區(qū)內(nèi)的人為活動總體得到有效控制，森林植被逐年恢復(fù)。本研究區(qū)為高黎貢山南段，處于隆陽區(qū)和騰沖縣境內(nèi)，面積81443 hm2，為實驗區(qū)外圍局部地段，且存在保護區(qū)和集體林的林地權(quán)屬爭議，仍然存在森林保護與周邊群眾生產(chǎn)生活之間的矛盾沖突[31]。

表1　1974—1987年研究區(qū)土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣（面積）　hm2

前人根據(jù)不同時期的遙感數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型，通過Logistic逐步回歸分析等數(shù)據(jù)分析手段，在地形、海拔、水系、道路交通、城鎮(zhèn)和居民點分布等多種自然地理和社會經(jīng)濟因素中，篩選出不同時期對研究地主要土地利用類型空間分布及其變化具有決定作用的驅(qū)動因子[11,20-28,33-34]。利用3S技術(shù)結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)原理研究高黎貢山自然保護區(qū)（南段）森林景觀動態(tài)變化與驅(qū)動力空間區(qū)位作用及土地利用空間格局動態(tài)變化模擬，這在該研究區(qū)還是空白。

本研究利用RS和GIS技術(shù)，在ENVI 4.3中按照研究區(qū)邊界準確切割出研究區(qū)域，在GIS支持下得到研究區(qū)4個時段的森林景觀分類數(shù)據(jù)，并對森林景觀變化與驅(qū)動力之間的相互關(guān)系進行研究。從地形因素、村莊和道路因素進行森林變化的驅(qū)動力機制進行研究，了解高黎貢山南段森林景觀變化特點和趨勢，探討森林景觀變化與地形因子和人文因子之間的關(guān)系和規(guī)律，為制定高黎貢山自然保護區(qū)森林保護與可持續(xù)經(jīng)營方案提供依據(jù)。

1　資料與方法

1.1資料

利用1974、1987、1997、2006年4期遙感影像，森林二類調(diào)查GIS成果圖和其他地形圖等相關(guān)資料。

1.2景觀分類系統(tǒng)

景觀分類是景觀結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)，由于對景觀概念的理解和研究目的的不同，目前還沒有一個統(tǒng)一的景觀分類體系[35]?？紤]到TM圖像的分辨率較低，筆者結(jié)合森林二類調(diào)查GIS成果圖，利用分層分類方法進行分類，將研究區(qū)域景觀構(gòu)成要素分為農(nóng)地、居民地、林地、水體、荒山、河灘和巖石裸露地幾類[35]。其中林地分為常綠闊葉林、針葉林、灌草叢和其他林地。利用ArcMap修正分類過程中產(chǎn)生的拓撲錯誤，進行綜合制圖并輸出研究區(qū)各時期景觀類型圖。在ArcInfo平臺下，將景觀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為滿足FRAGSTATS軟件運行要求的柵格格式。為保證分析的尺度能夠準確反映景觀特征避免最小的圖斑單元丟失[9-10]，同時根據(jù)所用的數(shù)據(jù)源TM圖像的分辨率，將格網(wǎng)分辨率設(shè)置為30m×30 m。

1.3森林景觀類型空間數(shù)據(jù)的獲取

研究區(qū)內(nèi)地形起伏較大，在ENVI 4.3中對研究區(qū)邊界準確切割出研究區(qū)域。采用目視解譯方法獲取圖像信息，進行綜合制圖并輸出研究區(qū)各時期景觀類型圖。

1.4森林變化的驅(qū)動力分析

1.4.1森林變化的地形影響在GIS的空間分析功能支持下，將4個時相的森林景觀分布圖進行空間疊置分析，得到1974—1987、1987—1997和1997—2006 3個時間段的森林變化數(shù)據(jù)，再將變化數(shù)據(jù)和DEM進行疊置分析，得到地形因素與森林變化的時空轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

1.4.2森林變化的人文驅(qū)動利用ArcGIS中的Spatial Analyst模塊進行分析，探討村莊和道路對森林變化的影響，獲取村莊和道路的成本距離，并分別對森林變化與2種成本距離進行曲線擬合，得出森林變化與村莊和道路的空間區(qū)位關(guān)系[33-34]。

2　結(jié)果與分析

2.1景觀變化分析

在GIS的空間分析功能中對4個時相景觀分布圖進行疊置分析，得出高黎貢山1974—1987、1987—1997、1997—2006年的景觀變化數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進行景觀變化轉(zhuǎn)換過程分析，得到景觀變化類型之間的轉(zhuǎn)移矩陣（表1～3）。

由表1可知，林地所占總面積最大，1974—1987年荒山面積減少量最大，而林地和農(nóng)地的面積都有所增加，多為荒山轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾娃r(nóng)地。由表2可知，1987—1997年的土地利用類型的轉(zhuǎn)變主要是林地和農(nóng)地之間的轉(zhuǎn)變，1987年農(nóng)地土地面積為8899.2 hm2，1997年農(nóng)地面積增加到10981.98 hm2；1997年有林地從1987年的26746.02 hm2減少到24424.83 hm2；村莊居民地土地利用類型也有所增加，而其他土地利用類型也均有所變化，但是變化不大。由表3可知，1997—2006年的林地和農(nóng)地之間的轉(zhuǎn)變是土地利用類型的主要變化，1997年農(nóng)地土地面積為10981.98 hm2，2006年農(nóng)地面積減少到8691.39 hm2；2006年有林地從1997年的24424.83 hm2增加到26169.03 hm2；其他土地利用類型也均有所變化，但是變化不大。

表2　1987—1997年研究區(qū)土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣（面積）　hm2

表3　1997—2006年研究區(qū)土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣（面積）　hm2

圖1　高程對于林地變化的影響

2.2森林景觀變化的驅(qū)動力分析

2.2.1地形對森林景觀變化的影響

（1）海拔對森林景觀變化的影響。如圖1所示，1987—1997年林地減少74.6%，1997—2006年林地增加70.3%，主要集中于1000～2000 m高程范圍內(nèi)。

（2）坡度對森林景觀變化的影響。由圖2可知，隨坡度的增大，林地變化的面積相應(yīng)增大，1987－1997年林地減少69.4%，1997－2006年林地增加71.3%，主要集中于25°—90°之間，是較易受人類活動影響的區(qū)域，林地變化隨坡度的增加，其變化逐漸增大。

（3）坡向?qū)α值刈兓挠绊憽?yīng)用1987—1997年林地減少與1997—2006年林地增加的空間數(shù)據(jù)與研究區(qū)1:50000地形圖提取的地形因素坡向，研究坡向?qū)α值刈兓挠绊?。由圖3～4可知，南坡林地面積的減少量大于東西坡，北坡林地面積的減少量次之，平坦區(qū)域林地面積減少量最小。南坡林地面積增加量最大，東西北坡林地面積增加量次之于南坡，平坦區(qū)域林地面積增加量最小。

圖2　坡度對于林地變化的影響

圖3　坡向?qū)τ诹值販p少的影響

圖4　坡向?qū)τ诹值卦黾拥挠绊?/p>

圖5　林地減少與村莊的空間區(qū)位作用

圖6　林地增加與居民用地的空間區(qū)位作用

由此可知，林地變化與地形因素有密切關(guān)系，在1000～2000 m高程范圍內(nèi)，在25°—90°坡度之間的區(qū)域，適宜植被生長，也有人類活動的適宜區(qū)范圍，這將有利于林地的砍伐或毀林開荒活動，進而導(dǎo)致林地面積發(fā)生大規(guī)模的變化。

2.2.2森林景觀變化的空間區(qū)位作用分析

（1）村莊對森林景觀變化的影響。利用GIS的GRID分析，研究村莊居民地對于林地變化的空間區(qū)位作用關(guān)系。研究結(jié)果表明，林地的變化與距離村莊遠近呈指數(shù)衰減關(guān)系，說明村莊用地對于林地的變化具有很大的影響。村莊用地對1997－2006年林地增加比1987－1997年林地減少的影響更為顯著（前者的復(fù)相關(guān)系數(shù)大于后者）（圖5～6）。

（2）道路對森林景觀變化的影響。利用GIS的GRID分析，進行道路對林地變化的空間作用關(guān)系研究。結(jié)果表明，林地的變化與距公路的最短距離呈指數(shù)衰減，距離道路越近，林地的變化越劇烈，而且1997—2006年林地增加較1987－1997年年林地增加更為顯著（前者復(fù)相關(guān)系數(shù)大于后者）（圖7～8）。

圖7　林地減少與道路的空間區(qū)位作用

圖8　林地增加與道路的空間區(qū)位作用

3　結(jié)論與討論

（1）高黎貢山森林景觀在1987—2006年受海拔、坡度的影響變化較明顯。森林變化最為頻繁的地段在海拔1000～2000 m；在坡度上，隨著坡度的增大，變化逐漸減??；在坡向上，主要在南坡和東西坡地區(qū)。人類活動與森林變化在空間上也表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，在空間上影響森林變化的主要因素是距離村莊和道路的距離，森林的變化隨成本距離的增加呈指數(shù)衰減。

（2）在GIS支持下研究森林景觀變化與驅(qū)動力之間的相互關(guān)系，得到地形因素、距離村莊遠近和道路的距離等空間區(qū)位作用因素是林地變化空間區(qū)位選擇的重要影響因素。本研究的驅(qū)動力分析方法，揭示了地形因素、村莊、道路等因素與林地空間變化關(guān)系，對保護區(qū)制定合理的保護辦法具有重要的參考價值。但由于數(shù)據(jù)量獲取有限，森林景觀空間變異的規(guī)律與其他驅(qū)動因子的驅(qū)動力分析不夠全面。

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Driving Force of Forest Landscape Change in Southern Section of Gaoligong Mountain Based on GIS

Zhu Chunmei, Yue Cairong
(1Yunnan Vocational College of Tropical Crops, Pu’er 665000, Yunnan, China;2Southwest Forestry University, Kunming 650224, Yunnan, China)

Abstract:In order to study the relationship between the forest landscape change of Gaoligong Mountain and its driving force, remote sensing satellite images of 1974, 1987, 1997 and 2006 in Gaoligong Mountain were obtained and interpreted. The cost-distance analysis was used to study the effect of villages and roads on forest landscape change, and function fitting was carried out to explore the relationship between cost-distance and landscape spatial change. The results indicated that the variation of forest in Gaoligong Mountain showed a trend of first increase and then decrease, the changes of forest were obvious in the elevation of 1000-2000 m. There was a significant correlation between forest changes and villages and roads, mathematical fitting showed high significance.

Key words:Forest Landscape Change; Driving Force; GIS

中圖分類號：S757.1，P208，Q149

文獻標(biāo)志碼：A論文編號：cjas15070012

第一作者簡介：朱春梅，女，1982年出生，云南人，講師，碩士研究生，主要從事遙感與地理信息系統(tǒng)的教學(xué)研究。

通信地址：665000云南省普洱市思亭路3號云南農(nóng)業(yè)大學(xué)熱帶作物學(xué)院，E-mail：772565709@qq.com。

通訊作者：岳彩榮，男，1964年出生，教授，博士，從事遙感與GIS的教學(xué)研究。E-mail：cryue@public.km.yn.cn。

收稿日期：2015-07-24，修回日期：2015-10-27。