基于箱線圖的海南省東方市生態(tài)景觀格局穩(wěn)定性研究

董雅雯，佘濟(jì)云，陳冬洋，佘宇晨，鄧 櫸

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

基于箱線圖的海南省東方市生態(tài)景觀格局穩(wěn)定性研究

董雅雯，佘濟(jì)云，陳冬洋，佘宇晨，鄧 櫸

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

采用穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型、克里金插值法和箱線圖法，對(duì)海南省東方市2005年生態(tài)景觀格局穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。結(jié)果表明：海南省東方市生態(tài)環(huán)境整體態(tài)勢(shì)良好，大部分地區(qū)達(dá)到穩(wěn)定或一般穩(wěn)定狀況。其中穩(wěn)定區(qū)集中分布于西南部，主要為斑塊較完整的喬木林地，林種以天然闊葉混交林為主；中度穩(wěn)定區(qū)主要分布于東方市的陀興水庫(kù)和大廣壩水庫(kù)周邊；一般穩(wěn)定區(qū)主要分布于感恩河、南清河和大安水庫(kù)附近，以喬木林地和農(nóng)用地為主，且伴有水域零星分布；一般不穩(wěn)定區(qū)主要分布城鎮(zhèn)和村莊，以建設(shè)用地和其他用地為主，受人類活動(dòng)的影響；十分不穩(wěn)定區(qū)主要分布于四更鎮(zhèn)、新龍鎮(zhèn)、抱板鎮(zhèn)和東方市市區(qū)，以建設(shè)用地和其他用地為主。生態(tài)景觀格局穩(wěn)定性研究為海南省東方市生態(tài)景觀的可持續(xù)發(fā)展提供了理論依據(jù)。

穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型；克里金插值法；箱線圖；生態(tài)景觀格局

生態(tài)景觀格局直接反映社會(huì)形態(tài)下人類活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，與區(qū)域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)，具有多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)[1-2]。目前，景觀穩(wěn)定性的研究仍處于待發(fā)展階段，研究方法具有提升空間。研究利用景觀穩(wěn)定性模型，結(jié)合克里金插值法對(duì)現(xiàn)有方法進(jìn)行改進(jìn)，并利用箱線圖來(lái)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃?，為東方市今后的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和發(fā)展工作提供理論依據(jù)，促進(jìn)東方市經(jīng)濟(jì)、政治、文化、社會(huì)、生態(tài)的“五位一體”發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

海南省東方市位于海南島西南部（見(jiàn)圖1），地處東經(jīng) 108°36′46″～ 109°07′19″，北緯 18°43′08″～19°18′43″之間，東西 53.6 km，南北 65.4 km，總面積359 566.7 hm2。地勢(shì)東高西低，由東南向西北傾斜，東部及南部為山地和丘陵，西北部為平原和臺(tái)地。其中林地面積136 306.7 hm2，占土地面積的59.97%；非林地面積90 993.3 hm2，占土地面積的40.03%。全市林地面積中，有林地面積為132 266.7 hm2，占林地面積的97.03%，全市森林覆蓋率58.19%。是我國(guó)花梨木最大的生產(chǎn)地之一[3]。

圖1 東方市地理區(qū)位Fig. 1 Geographic area bitmap of Dongfang city

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

在Envi5.1環(huán)境下對(duì)Landsat8遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行決策樹分類，將東方市的遙感影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù)。利用Arcgis10.2將小班數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為不同粒度柵格數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入Fragstas4.2計(jì)算得到景觀指數(shù)，利用其分析得出適宜景觀粒度。將適宜粒度下的景觀柵格數(shù)據(jù)再次導(dǎo)入Fragstas4.2中的移動(dòng)窗口模型[4]，計(jì)算不同窗口下的景觀指數(shù)，并結(jié)合箱線圖法分析得出適宜分析幅度為2 610 m×2 610 m[5-6]。將適宜分析幅度下的柵格數(shù)據(jù)導(dǎo)入Arcgis10.2軟件中進(jìn)行魚網(wǎng)劃分，利用穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型并進(jìn)行克里金插值法，得出東方市生態(tài)景觀格局穩(wěn)定性分布[7-8]。在SPSS22中利用隨機(jī)點(diǎn)上的景觀指數(shù)與地形類型建立箱線圖來(lái)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃訹9]。

2.2 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型

選取的6個(gè)景觀指數(shù)通過(guò)是否有利于生態(tài)景觀格局穩(wěn)定性的判別標(biāo)準(zhǔn)來(lái)劃分為正、負(fù)指標(biāo)，其中，有利于生態(tài)景觀格局穩(wěn)定性的為正指標(biāo)，不利于生態(tài)景觀格局穩(wěn)定性的為負(fù)指標(biāo)[10,11]。對(duì)正負(fù)指標(biāo)無(wú)量綱化處理，公式為：

式（1）和式（2）中，X′i是無(wú)量綱指標(biāo)值，xi是原始指標(biāo)值，ximax原始指標(biāo)最大值，ximin原始指標(biāo)最小值。xi原始指標(biāo)值越大，生態(tài)景觀格局穩(wěn)定性越好，則該指標(biāo)為正指標(biāo)，對(duì)景觀穩(wěn)定性貢獻(xiàn)為正；xi原始指標(biāo)值越大，生態(tài)景觀格局穩(wěn)定性越差，則該指標(biāo)為負(fù)指標(biāo)，對(duì)景觀穩(wěn)定性貢獻(xiàn)為負(fù)。

景觀指數(shù)無(wú)量綱化之后，以主成分分析法為基礎(chǔ)構(gòu)建穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型，進(jìn)行生態(tài)景觀格局穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析。由主成分分析得出各指數(shù)權(quán)重值（ωi）：

式（3）中，λi為主成分i的貢獻(xiàn)率，m為主成分個(gè)數(shù)。由各主成分方差貢獻(xiàn)率計(jì)算權(quán)重，并建立生態(tài)景觀格局穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型。

式（4）中Fi為網(wǎng)格j景觀穩(wěn)定性指數(shù)，Zi為穩(wěn)定性評(píng)價(jià)景觀指標(biāo)無(wú)量綱值。

2.3 克里金插值法

克里金（Kriging）插值法又稱空間自協(xié)方差最佳插值法，是一種最優(yōu)內(nèi)插法?？死锝鸩逯捣蓪?duì)待插值點(diǎn)附近的屬性值進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算從而對(duì)待插值點(diǎn)的屬性值進(jìn)行預(yù)測(cè)，其原理類似于待插值點(diǎn)權(quán)重法。

式（5）中：Z(si)為采樣位置i處的屬性值，λi為采樣位置i處的屬性值相對(duì)應(yīng)的權(quán)重，s0為待插值點(diǎn)位置，N為采樣位置的個(gè)數(shù)。

2.4 箱線圖

箱線圖位于中央的線為中位數(shù)，線框?yàn)樯?、下四分位（即Q1～Q3），延長(zhǎng)線的上、下邊界為數(shù)據(jù)的上、下線分別表示最大值與最小值，其中“O”標(biāo)出異常值，研究時(shí)可以判斷所選的采樣點(diǎn)是否具有極端值點(diǎn)（見(jiàn)圖2）。分析上、下四分位以及上、下限相對(duì)于中位數(shù)的跨度，可以得出相關(guān)屬性值是否穩(wěn)定，而中位數(shù)可以對(duì)比不同類型的大致趨勢(shì)，通過(guò)箱線圖法可以分析出相關(guān)地類的景觀穩(wěn)定性狀況，從而驗(yàn)證研究區(qū)景觀穩(wěn)定性分布結(jié)果是否符合實(shí)際情況。

圖2 箱線圖示意Fig. 2 Schematic boxplot

3 結(jié)果與分析

3.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

東方市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣在景觀穩(wěn)定性研究分析過(guò)程中得以體現(xiàn)。結(jié)合區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)特征對(duì)景觀穩(wěn)定性進(jìn)行研究，選取斑塊密度、景觀形狀指數(shù)、平均分維數(shù)、景觀分離度、香農(nóng)指數(shù)和聚合度指數(shù)6個(gè)景觀指標(biāo)，構(gòu)建東方市景觀穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型。景觀穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型，基于主成分分析法計(jì)算6項(xiàng)景觀指標(biāo)權(quán)重，即X1（斑塊密度）、X2（景觀形狀指數(shù)）、X3（平均分維數(shù)）、X4（景觀分離度）、X5（香濃指數(shù)）、X6（聚合度指數(shù)），其中X1（斑塊密度）、X2（景觀形狀指數(shù)）、X3（平均分維數(shù)）、X4（景觀分離度）為負(fù)指標(biāo)，X5（香濃指數(shù)）、X6（聚合度指數(shù)）為正指標(biāo)。由表1可知，6項(xiàng)景觀指標(biāo)中前2項(xiàng)指標(biāo)X1（斑塊密度）、X2（景觀形狀指數(shù)）累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到93.25%，能夠較全面的反映東方市的景觀信息，并且滿足景觀穩(wěn)定性評(píng)價(jià)要求，符合主成分分析85%的精度要求。

表1 東方市各因子的貢獻(xiàn)率和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率Table 1 The contribution rate and the cumulative variance contribution rate of Dongfang city

6項(xiàng)景觀指標(biāo)的權(quán)重是網(wǎng)格內(nèi)景觀指標(biāo)加權(quán)求和的基礎(chǔ)，即景觀指數(shù)無(wú)量綱化值乘以其權(quán)重，得到相應(yīng)的景觀穩(wěn)定性指數(shù)。依據(jù)主成分分析可得各景觀因子的權(quán)重（見(jiàn)表2），其中，6項(xiàng)指標(biāo)中分離度的權(quán)重值最高，對(duì)東方市景觀穩(wěn)定性的影響最為顯著；而斑塊密度的權(quán)重值最低，對(duì)景觀穩(wěn)定性的影響較小。

表2 各景觀指標(biāo)因子權(quán)重Table 2 The landscape factor weight

3.2 景觀穩(wěn)定性空間格局分析

基于Arcgis 10.2克里金插值法，進(jìn)行東方市景觀穩(wěn)定性研究分析。利用漁網(wǎng)工具，創(chuàng)建漁網(wǎng)面單元格大小為2.61 km×2.61 km，把漁網(wǎng)單元格中邊緣的、不可靠的且單元面積小于完整單元格面積80%的漁網(wǎng)格剔除，最終獲取308個(gè)單元格，并提取漁網(wǎng)質(zhì)心。運(yùn)用景觀穩(wěn)定性評(píng)價(jià)計(jì)算模型，將每個(gè)漁網(wǎng)內(nèi)的景觀指數(shù)無(wú)量綱值進(jìn)行加權(quán)求和，計(jì)算每個(gè)漁網(wǎng)的景觀穩(wěn)定性指數(shù)，給對(duì)應(yīng)的質(zhì)心點(diǎn)進(jìn)行賦值，再利用克里金插值法進(jìn)行空間分析。由于Arcgis中“克里金插值”有7種方法，為了進(jìn)行判別，依據(jù)插值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，選擇線性模型的普通克里金插值法進(jìn)行景觀穩(wěn)定性插值最為理想。

依據(jù)普通克里金插值的結(jié)果，在前人研究成果的指導(dǎo)下，利用自然斷裂法對(duì)其進(jìn)行分類，將東方市景觀穩(wěn)定性指數(shù)劃分為5個(gè)等級(jí)：Ⅰ級(jí)（指數(shù)值為[0.301 4,0.417 2]），系十分不穩(wěn)定區(qū)；Ⅱ級(jí)（指數(shù)值為[0.417 2,0.488 3]），系一般不穩(wěn)定區(qū)；Ⅲ級(jí)（指數(shù)值為[0.488 3,0.575 6]），系一般穩(wěn)定區(qū)；Ⅳ級(jí)（指數(shù)值為[0.575 6,0.691 4]），系中度穩(wěn)定區(qū)；Ⅴ級(jí)（指數(shù)值為[0.691 4,0.819 3]），系十分穩(wěn)定區(qū)。最終生成東方市景觀穩(wěn)定性的空間分異圖，如圖3所示。

利用Arcgis10.2，對(duì)東方市景觀穩(wěn)定性空間分異圖按照景觀穩(wěn)定性等級(jí)進(jìn)行重分類。將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為矢量數(shù)據(jù)，依據(jù)等級(jí)劃分來(lái)統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)的景觀穩(wěn)定性面積，并得出各景觀穩(wěn)定性等級(jí)面積所占總面積的百分比。

圖3 景觀穩(wěn)定性的空間分異Fig. 3 Landscape stability of spatial distribution map

圖4 東方市景觀穩(wěn)定性分布Fig. 4 Landscape stability distribution of Dongfang city

由圖4分析可知，東方市景觀穩(wěn)定性分布特征與景觀類型特征基本保持一致，由此說(shuō)明景觀類型劃分基本合理，數(shù)據(jù)真實(shí)性較高。東方市景觀穩(wěn)定區(qū)主要分布于西南部，該區(qū)域主要為大面積的喬木林地，林種以天然闊葉混交林為主；中度穩(wěn)定區(qū)主要分布于東方市的陀興水庫(kù)和大廣壩水庫(kù)周邊，以喬木林為主，農(nóng)用地和水域交叉分布；一般穩(wěn)定區(qū)主要分布于感恩河、南清河和大安水庫(kù)附近，以喬木林地和農(nóng)用地為主，水域零星分布；一般不穩(wěn)定區(qū)主要分布于人類活動(dòng)強(qiáng)度較高的城市、村莊和濱海，以建設(shè)用地和其他用地為主，生態(tài)環(huán)境受人類活動(dòng)的影響，發(fā)生重大變化；十分不穩(wěn)定區(qū)主要分布區(qū)四更鎮(zhèn)、新龍鎮(zhèn)、抱板鎮(zhèn)和東方市市區(qū)，主要是建設(shè)用地和其他用地，生態(tài)環(huán)境遭受高強(qiáng)度人為改造，破壞嚴(yán)重。四更鎮(zhèn)四更沙角區(qū)域的紅樹林，地處昌化江入?？诤捅崩铻持胁?，是海南島向海洋過(guò)度的特殊熱帶生態(tài)系統(tǒng)，是候鳥遷徒和越冬的重要場(chǎng)所，更是海鳥的覓食棲息，生產(chǎn)繁殖的場(chǎng)所，具有防風(fēng)消浪、固岸護(hù)堤和凈化海水的功能。

由表3可知，景觀穩(wěn)定區(qū)占據(jù)東方市總面積的67.19%，不穩(wěn)定區(qū)占32.81%，整體景觀特征呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，生態(tài)環(huán)境較為良好。穩(wěn)定區(qū)中，一般穩(wěn)定區(qū)面積最大，占總面積的30.36%，并且分布于不穩(wěn)定區(qū)周邊，有向不穩(wěn)定區(qū)轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)；十分穩(wěn)定區(qū)面積最小，占總面積13.85%，主要為西南部的山地區(qū)域，整體受外界干擾較小，生態(tài)環(huán)境良好；中度穩(wěn)定區(qū)分布于西南部山脈的山麓區(qū)域，占總面積22.98%，容易受外界環(huán)境干擾，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有待加強(qiáng)。不穩(wěn)定區(qū)中，一般不穩(wěn)定區(qū)面積最大，占總面積32.81%，生態(tài)環(huán)境遭到一定程度的人為破壞，景觀呈現(xiàn)破碎化狀態(tài)，不利于東方市生態(tài)環(huán)境的良性發(fā)展，有待加強(qiáng)保護(hù)；十分不穩(wěn)定區(qū)，占總面積27.13%，主要分布于昌化江入?？?，亂墾亂伐現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，四更鎮(zhèn)、新龍鎮(zhèn)、抱板鎮(zhèn)和東方市市區(qū)周邊，人類活動(dòng)頻繁，開發(fā)利用強(qiáng)度大，景觀破碎化強(qiáng)，必須加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，尋求城市與環(huán)境和諧發(fā)展的途徑。

表3 東方市景觀穩(wěn)定性分區(qū)Table 3 Landscape stability district of Dongfang city

3.3 景觀穩(wěn)定性分布檢驗(yàn)

香濃指數(shù)和聚合度為正指標(biāo)，與生態(tài)穩(wěn)定性成正相關(guān)；而平均分維數(shù)、分離度、斑塊密度以及景觀形狀指數(shù)為負(fù)指標(biāo)，與生態(tài)穩(wěn)定性成負(fù)相關(guān)。圖5所示，從正指標(biāo)分析，發(fā)現(xiàn)喬木林地的香農(nóng)指數(shù)最低，對(duì)喬木林地生態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)成消極影響，可聚合度卻是最高，對(duì)喬木林地生態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)成積極影響；從負(fù)指標(biāo)分析，平均分位數(shù)與其他類型差別不大，而分離度、斑塊密度以及景觀形狀指數(shù)均為最低，對(duì)喬木林地生態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)成積極影響，然而，箱線圖中的上、下四分位以及上、下限跨度大，森林分布區(qū)域差異性大。綜合各指標(biāo)考慮，喬木林地大部分生態(tài)穩(wěn)定性高，部分生態(tài)穩(wěn)定性較低。水域與喬木林地類似，則大部分水域也較為穩(wěn)定，只有小部分不穩(wěn)定。建筑用地與其他用地相似，除了香濃指數(shù)和其他指數(shù)成積極影響，其余指數(shù)均為消極影響，箱線圖中的上、下四分位以及上、下限跨度小，可知建筑用地和其他用地均不穩(wěn)定。農(nóng)用地大多為較穩(wěn)定或較不穩(wěn)定，部分極不穩(wěn)定。箱線圖分析結(jié)論與景觀穩(wěn)定性分布結(jié)果相一致，驗(yàn)證了景觀穩(wěn)定性的空間分異與事實(shí)相符。

圖5 穩(wěn)定性分布檢驗(yàn)Fig. 5 Test of stability distribution

4 結(jié)論與討論

海南省東方市生態(tài)環(huán)境整體態(tài)勢(shì)良好，大部分地區(qū)達(dá)到穩(wěn)定或一般穩(wěn)定狀況。其中穩(wěn)定區(qū)集中分布于西南部，主要為斑塊較完整的喬木林地；中度穩(wěn)定區(qū)主要分布于東方市的陀興水庫(kù)和大廣壩水庫(kù)周邊，以喬木林為主，農(nóng)用地和水域交叉分布；一般穩(wěn)定區(qū)主要分布于感恩河、南清河和大安水庫(kù)附近，以喬木林地和農(nóng)用地為主，且伴有水域零星分布；一般不穩(wěn)定區(qū)主要分布城鎮(zhèn)和村莊，以建設(shè)用地和其他用地為主，受人類活動(dòng)的影響；十分不穩(wěn)定區(qū)主要分布于四更鎮(zhèn)、新龍鎮(zhèn)、抱板鎮(zhèn)和東方市市區(qū)，以建設(shè)用地和其他用地為主，生態(tài)環(huán)境遭受高強(qiáng)度人為改造，破壞嚴(yán)重。通過(guò)對(duì)比分析景觀類型分布與生態(tài)景觀格局穩(wěn)定性，并依據(jù)前人的研究成果，基本能夠較好地反映東方市生態(tài)景觀格局現(xiàn)狀，然而，局限于生態(tài)景觀格局指數(shù)研究分析，表征效果不夠全面真實(shí)，因此對(duì)于生態(tài)景觀格局穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)選取的科學(xué)性和合理性還有待進(jìn)一步的深入研究。

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Landscape pattern analysis of Dongfang city based on the stability evaluation model

DONG Ya-wen, SHE Ji-yun, CHEN Dong-yang, SHE Yu-chen, DENG Ju
(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Based on stability evaluation model, Kriging, box plot method, this study landscape pattern analysis of stability evaluation of Dongfang city, Hainan province. The results showed that: The ecological environment of the study area is in good condition, and the most of the area is stable. The landscape stability region are mainly woodland, forest and mixed forest distributed in the southwest; the surrounding medium stable region mainly distributed in the eastern city of Tuoxing reservoir and Daguangba reservoir; General stable area mainly distributed in the near of Gangen River, Nanqing River and Daan reservoir, the mainly in the area mainly of woodland and agricultural land;very unstable area mainly distributed in Sigen town, Xinlongtown, and Baoban town and the Dongfan city. The study provides a scienti fic basis of decision-making for the ecological environment the sustainable development and stability in Dongfang of Hainan province.

the stability assessment model; boxplot; Kriging method; landscape pattern

S718.57

A

1673-923X(2016)08-0104-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.08.018

2015-10-21

國(guó)家林業(yè)行業(yè)公益性項(xiàng)目“南方集體林區(qū)次生林撫育間伐與高效利用技術(shù)研究”（201004032）；海南省林業(yè)廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目“海南省五大河流域植被恢復(fù)與保護(hù)研究”(LK20118478)

董雅雯，碩士研究生

佘濟(jì)云，教授，博士生導(dǎo)師；E-mail：shejiyun@126.com

董雅雯，佘濟(jì)云，陳冬洋，等. 基于箱線圖的海南省東方市生態(tài)景觀格局穩(wěn)定性研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,36(8): 104-108, 120.

[本文編校：文鳳鳴]