基于移動(dòng)窗口法的苗二河流域森林景觀格局分析

馮陸春，杜 燕，孟 偉，3

(1.貴州省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，貴州 貴陽(yáng) 550000； 2、貴州省清鎮(zhèn)市生態(tài)文明建設(shè)局，貴州 貴陽(yáng) 550000； 3.貴州林業(yè)勘察設(shè)計(jì)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000)

基于移動(dòng)窗口法的苗二河流域森林景觀格局分析

馮陸春1，杜 燕2，孟 偉1，3

(1.貴州省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，貴州 貴陽(yáng) 550000； 2、貴州省清鎮(zhèn)市生態(tài)文明建設(shè)局，貴州 貴陽(yáng) 550000； 3.貴州林業(yè)勘察設(shè)計(jì)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000)

基于移動(dòng)窗口法，對(duì)2014年苗二河流域森林景觀格局進(jìn)行分析。結(jié)果表明：非林地和有林地為優(yōu)勢(shì)地類景觀，面積大，斑塊形狀較復(fù)雜，分布廣泛；無立木林地為劣勢(shì)地類景觀，面積小，斑塊形狀較規(guī)則，分布比較集中；森林景觀適宜景觀粒度為150 m；森林景觀適宜窗口尺度為900 m?；诹６刃?yīng)、面積信息損失精度和移動(dòng)窗口法對(duì)苗二河流域森林景觀格局的研究，可為優(yōu)化流域森林景觀提供參考。

移動(dòng)窗口法；流域；局部空間自相關(guān)；景觀格局

景觀既是生物的棲息地，更是人類賴以生存的環(huán)境，具有高度的綜合性和明顯的地域性，其整合和濃縮了特定地域上諸多自然要素和人文現(xiàn)象間的內(nèi)在聯(lián)系。景觀格局是社會(huì)形態(tài)下人類活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r的直接反映，森林景觀格局與區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)。目前，森林景觀格局粒度影響研究，主要針對(duì)山地[1]、濕地[2]等，基于移動(dòng)窗口法的森林景觀研究比較成熟，目前主要針對(duì)干旱河谷[3]、山地丘陵[4]等。本文基于移動(dòng)窗口法，研究平塘縣苗二河流域森林景觀格局，分析得出苗二河流域森林景觀異質(zhì)性和特征，為平塘縣的苗二河流域森林景觀格局優(yōu)化提供參考。

1 研究區(qū)概況

苗二河流域?qū)僦榻饔蚣t水河系，位于貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣東部，屬平塘縣東南部低山河谷壩地輕度石漠化封山育林與生態(tài)農(nóng)業(yè)綜合治理亞區(qū)，流域總面積35.73 km2。地層出露為三疊系，巖石主要有石灰?guī)r、沙頁(yè)巖、白云巖，地貌特征為南北向呈淺切割低山帶狀分布，區(qū)域內(nèi)山巒重疊，溝谷縱橫。屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，雨量分布不均，雨水主要集中在5—8月，占全年降水量的53%。土壤以黃壤、石灰土、石沙土為主。森林覆蓋率45.3%，林草覆蓋率51.5%，樹種以馬尾松為主[5]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

選取平塘苗二河流域2014年調(diào)查小班數(shù)據(jù)，60 m精度DEM數(shù)據(jù)、分辨率30 m的2014年Landsat 8遙感影像等。依據(jù)當(dāng)前森林景觀相關(guān)研究成果和相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)根據(jù)研究分析需要，將研究區(qū)森林景觀類型劃分為5種，分別為有林地、灌木林地、宜林地、無立木林地、非林地[6](圖1)。在ARCGIS 10.2中將小班數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為不同粒度柵格數(shù)據(jù)，將不同粒度柵格數(shù)據(jù)導(dǎo)入Fragstas 4.2計(jì)算景觀指數(shù)，研究分析得出森林景觀適宜粒度。將適宜粒度森林景觀柵格數(shù)據(jù)導(dǎo)入景觀軟件Fragstas 4.2移動(dòng)窗口模型進(jìn)行不同窗口景觀指數(shù)計(jì)算分析，得出適宜分析幅度。

2.2 景觀指數(shù)選擇

景觀指數(shù)定量說明森林景觀特征和變化趨勢(shì)。景觀指數(shù)主要包括3種水平，分別為斑塊尺度(PATCH)、景觀類型尺度(CLASS)、景觀尺度(LANDSCAPE)。根據(jù)各景觀指數(shù)表征意義相關(guān)性差異，本文景觀指標(biāo)主要選取類型尺度和景觀類型水平進(jìn)行研究分析，針對(duì)研究分析需要，森林景觀特征分析主要選取具有代表性的4個(gè)指數(shù)，分別為平均形狀指數(shù)(MSI)、平均斑塊分維數(shù)(MPFD)、斑塊數(shù)(NP)、斑塊面積(CA)。適宜粒度和幅度的分析主要選取景觀水平的4個(gè)景觀指數(shù)，分別為香農(nóng)指數(shù)(SHDI)、斑塊密度(PD)、平均分維數(shù)(MNFRAC)、聚合度(AI)[7-8](表1)。

表1 景觀指數(shù)選取的生態(tài)學(xué)依據(jù)及公式

2.3 計(jì)算方法

基于Geoda軟件的局部空間自相關(guān)模型，描述一個(gè)空間要素?cái)?shù)據(jù)與其周邊要素?cái)?shù)據(jù)的相似程度，能夠準(zhǔn)確反映每個(gè)局部要素與全局總趨勢(shì)一致性的程度(包括方向和量級(jí))，并提示空間異質(zhì)。其空間要素?cái)?shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模式細(xì)分為4種類型：高高關(guān)聯(lián)、低低關(guān)聯(lián)，屬于正的空間關(guān)聯(lián)，高低關(guān)聯(lián)、低高關(guān)聯(lián)，屬于負(fù)的空間關(guān)聯(lián)[10]。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀類型特征

森林景觀特征包括景觀組成、景觀斑塊多樣性等。表2可知，苗二河流域有林地與非林地面積之和占總面積的90.17%，剩余地類面積之和占總面積的9.83%。其中有林地面積最大，占60.77%，無立木林地面積最小，占0.19%。表明苗二河流域有林地和非林地景觀為優(yōu)勢(shì)地類，其他地類景觀為劣勢(shì)地類。非林地景觀斑塊數(shù)最大，有林地次之，無立木林地最小。表明苗二河流域非林地和有林地面積大，分布比較廣泛；無立木林地面積小，分布比較集中。非林地景觀的平均形狀指數(shù)最大，有林地次之，無立木林地平均形狀指數(shù)最小。表明苗二河流域非林地和有林地景觀的斑塊形狀較復(fù)雜，無立木林地景觀的斑塊形狀較規(guī)則。非林地景觀的平均斑塊分維數(shù)最大，有林地次之，灌木林地最小。表明苗二河流域非林地景觀斑塊的邊界最復(fù)雜，斑塊邊界曲折比較嚴(yán)重；有林地森林景觀斑塊邊界與非林地相比，較規(guī)則；灌木林地景觀斑塊邊界最規(guī)則，斑塊邊界迂回曲折程度最小。

表2 森林景觀特征

3.2 景觀適宜粒度

森林景觀粒度變化，直接影響研究區(qū)景觀格局分析的精度。參考當(dāng)前學(xué)者的研究成果和研究需要，本文在森林景觀粒度分析過程中，利用ArcMap 10.2進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，將苗二河流域小班數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)換為不同粒度柵格數(shù)據(jù)，森林景觀的起始粒度選取轉(zhuǎn)換工具默認(rèn)的30 m，起始粒度的整數(shù)倍為其他粒度選取準(zhǔn)則，即轉(zhuǎn)換粒度間隔30 m，最大粒度為300 m，共獲取10幅不同粒度景觀類型柵格數(shù)據(jù)。將10幅不同粒度柵格數(shù)據(jù)導(dǎo)入Fragstats 4.2軟件，計(jì)算其相應(yīng)的景觀指數(shù)，分析10幅景觀指數(shù)變化趨勢(shì)確定研究區(qū)適宜粒度。

由圖2可知，隨著景觀粒度的增加，斑塊密度、平均分維數(shù)、香農(nóng)指數(shù)和聚合度4個(gè)景觀指數(shù)呈現(xiàn)不同變化趨勢(shì)。斑塊密度和聚合度指數(shù)整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明隨著景觀粒度的增加，苗二河流域森林景觀破碎化程度不斷下降；平均分維數(shù)指數(shù)曲線整體趨勢(shì)先下降后趨于穩(wěn)定，表明隨著景觀粒度增加，研究區(qū)森林景觀的斑塊復(fù)雜程度趨于規(guī)則；香農(nóng)指數(shù)變化復(fù)雜，無明顯趨勢(shì)，表明隨著粒度增加，研究區(qū)森林景觀斑塊類型增加趨勢(shì)和面積比重均衡化趨勢(shì)不明顯。但4個(gè)景觀指數(shù)變化趨勢(shì)均出現(xiàn)粒度轉(zhuǎn)折點(diǎn)。矢量數(shù)據(jù)柵格化過程中，森林景觀的小班邊界和相鄰斑塊的特性與屬性發(fā)生變化，導(dǎo)致景觀指數(shù)出現(xiàn)各異變化趨勢(shì)。根據(jù)4個(gè)景觀指數(shù)拐點(diǎn)分布特征和變化趨勢(shì)，選定苗二河流域適宜粒度域[120 m，180 m]。此粒度域內(nèi)存在適宜粒度，其景觀指數(shù)能有效反映區(qū)域森林景觀的景觀格局特征。

由改進(jìn)型景觀面積損失精度評(píng)價(jià)指數(shù)模型計(jì)算得知粒度域?yàn)閇120 m，210 m]，當(dāng)150 m≥柵格粒度≥120 m時(shí)，森林景觀面積精度損失指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，由14.33降至6.57；當(dāng)180 m≥柵格粒度>150 m時(shí)，森林景觀面積精度損失指數(shù)大幅上升至23.60(圖3)。

不同粒度森林景觀指數(shù)分析和面積信息損失精度評(píng)價(jià)結(jié)果表明：苗二河流域森林景觀適宜的景觀粒度為150 m，既保證準(zhǔn)確反映研究區(qū)景觀信息，又保證計(jì)算機(jī)工作效率。

3.3 景觀分析幅度

基于粒度效應(yīng)分析和面積信息損失精度分析得出，苗二河流域適宜分析粒度為150 m。研究分析得出，適宜粒度奇數(shù)倍窗口尺度造成數(shù)據(jù)處理冗余，產(chǎn)生誤差，本研究采用其偶數(shù)倍作為移動(dòng)窗口分析尺度，得出3個(gè)移動(dòng)窗口半徑分別為300、600、900、1200、1500 m。為了避免移動(dòng)窗口的邊緣效應(yīng)，移動(dòng)窗口法由柵格數(shù)據(jù)左上角向右移動(dòng)，每次移動(dòng)1個(gè)柵格，計(jì)算窗口半徑內(nèi)所選取的4個(gè)景觀指數(shù)，分別為斑塊密度、平均分維數(shù)、香農(nóng)指數(shù)、聚合度，再將指數(shù)值賦給該窗口中心柵格，最終計(jì)算出相應(yīng)的4個(gè)景觀指數(shù)柵格圖。為避免人為因素影響，景觀指數(shù)值提取過程中，利用GIS軟件數(shù)據(jù)管理中的產(chǎn)生隨機(jī)點(diǎn)工具，在研究區(qū)內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生150個(gè)樣點(diǎn)，并提取4幅景觀指數(shù)柵格圖中相應(yīng)的景觀指數(shù)值，利用Geoda的局部空間自相關(guān)模型對(duì)5幅窗口尺度的景觀指數(shù)空間關(guān)聯(lián)變化進(jìn)行分析。

表3 不同分析幅度景觀指數(shù)空間關(guān)聯(lián)變化

*：HH為高高關(guān)聯(lián)；LL為低低關(guān)聯(lián)；LH為低高關(guān)聯(lián)；HL為高低關(guān)聯(lián)。

由表3得出，移動(dòng)窗口幅度擴(kuò)大時(shí)，斑塊密度、平均分維數(shù)、香農(nóng)指數(shù)、聚合度4項(xiàng)景觀指數(shù)空間相關(guān)性變化趨勢(shì)顯著。正的空間關(guān)聯(lián)為HH、LL，負(fù)的空間關(guān)聯(lián)為L(zhǎng)H、HL，分析得出4項(xiàng)景觀指標(biāo)隨著窗口幅度增加，正空間關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)點(diǎn)整體呈先上升后下降趨勢(shì)，其中900 m時(shí)4項(xiàng)景觀指標(biāo)的正空間關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)整體達(dá)到最大。綜上分析得出，900 m窗口尺度為苗二河流域比較適宜分析尺度，該尺度時(shí)景觀指數(shù)空間相關(guān)性效果最好，能夠準(zhǔn)確反映區(qū)域景觀變化特征。

4 結(jié)論與討論

本文主要基于粒度效應(yīng)、面積信息損失精度和移動(dòng)窗口法對(duì)平塘縣苗二河流域森林景觀格局進(jìn)行研究分析，得出以下結(jié)論：①苗二河流域非林地和有林地為優(yōu)勢(shì)地類景觀，面積大，斑塊形狀較復(fù)雜，分布廣泛；無立木林地為劣勢(shì)地類景觀，面積小，斑塊形狀較規(guī)則，分布比較集中。非林地景觀斑塊邊界曲折比較嚴(yán)重；有林地森林景觀斑塊邊界較規(guī)則；灌木林地景觀斑塊形狀較規(guī)則，周長(zhǎng)迂回曲折程度最小。②基于粒度效應(yīng)分析和面積信息損失精度分析得出，苗二河流域森林景觀適宜的景觀粒度為150 m，既保證準(zhǔn)確反映研究區(qū)景觀信息，又保證計(jì)算機(jī)工作效率。③基于移動(dòng)窗口法分析得出，900 m窗口尺度為苗二河流域比較適宜分析尺度，該尺度時(shí)景觀指數(shù)變化趨勢(shì)形成較為平滑的效果。

本研究通過對(duì)平塘縣苗二河流域景觀格局進(jìn)行分析研究，得出苗二河流域森林景觀特征、適宜分析粒度和適宜分析尺度，為科學(xué)合理規(guī)劃建設(shè)苗二河流域森林景觀提供指導(dǎo)。但仍存在一些問題：①本文森林景觀格局主要基于二維水平，未考慮三維因子對(duì)森林景觀格局影響。②適宜粒度和尺度分析過程中，粒度數(shù)據(jù)和窗口尺度選取主要基于離散數(shù)據(jù)進(jìn)行，分析得出的適宜粒度和尺度不夠精確，粒度和尺度選取方法應(yīng)向連續(xù)數(shù)據(jù)模型突破。

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Forest Landscape Research of Miaoer River Basin Based on Moving Window

FENG Lu-chun1，DU Yan2，MENG Wei1，3

(1.GuizhouInstituteofForestInventoryandPlanning，Guiyang550000，Guizhou，China；2.EcologicalcivilizationconstructionbureauofQingzhenCityinGuizhouprovince，Guiyang550000，Guizhou，China；3.GuizhouForestrySurveyandDesignCo.，Ltd.，Guiyang550000，Guizhou，China)

Based on moving window，studying of forest landscape pattern analysis of Miaoer River basin in 2014 year.Results show that：non-woodland and woodland landscape patch shape complex，large size，widely distributed，as the advantaged class landscape；free standing woodlands for the disadvantaged class landscape，small size，patch shape regular distribution more concentrated；suitable for landscape size is 150 m；suitable window scale is 900 m.Based on size effect，area information loss of precision and moving window，studying on forest landscape pattern of Miaoer River basin，provide scientific and reasonable reference for watershed forest landscape optimization.

moving window；basin；local spatial autocorrelation；landscape pattern

2015-09-15；

2015-10-28

貴州省石漠化綜合治理效益監(jiān)測(cè)

馮陸春(1970—)，女，廣西博白人，貴州省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院高級(jí)工程師，從事林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)和森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)方面的工作。E-mail：780448247@qq.com。

孟偉。E-mail：641816613@qq.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2016.03.020

P901

A

1002-7351(2016)03-0096-05