基于GIS的大地自然景觀空間格局研究

宋海宏 劉凌霄

摘要用景觀生態(tài)學(xué)原理對帽兒山國家森林公園景觀空間格局進行分析，運用GIS技術(shù)進行景觀空間分析、空間數(shù)據(jù)建模，將所得柵格圖轉(zhuǎn)入Fragstats中進行景觀指數(shù)計算，分析帽兒山景觀空間格局的不足之處，如交通用地景觀聚集度低、景觀邊緣形態(tài)復(fù)雜、景觀破碎化程度高、水域景觀斑塊面積小等。從而對景觀空間格局進行全面了解，以期指導(dǎo)景觀生態(tài)規(guī)劃。

關(guān)鍵詞帽兒山；景觀格局；空間分析；GIS

中圖分類號TU985.13文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）21-0158-04

Research on Landscape Pattern of Natural Landscape Based on GIS—Taking the Maoer Mountain National Forest Park as an Example

SONG Haihong， LIU Lingxiao

（School of Civil Engineering， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040）

AbstractBased on the principle of landscape ecology， the landscape spatial pattern of Maoer Mountain National Forest Park was analyzed， and the spatial analysis was carried out by using GIS technology. The lattice diagram was transferred into Fragstats for landscape index calculation. Lack of spatial pattern， such as low concentration of traffic land landscape， landscape edge shape complex， landscape fragmentation degree of high water landscape patch area is small. So as to comprehensively understand the pattern of landscape space and guide the landscape ecological planning.

Key wordsThe Maoer Mountain；Landscape pattern；Spatial analysis；GIS

景觀空間格局分析是景觀生態(tài)分析中的重要部分。景觀生態(tài)格局的分析就是對景觀斑塊、廊道、基質(zhì)的分析。景觀空間格局研究以其直觀性、方便性、有效性為特征對景觀空間結(jié)構(gòu)的內(nèi)在特點與變化規(guī)律進行解析[1]。研究以帽兒山的景觀格局優(yōu)化為例，旨在推進大地自然景觀格局優(yōu)化的研究。首先要對現(xiàn)有景觀格局指數(shù)進行深入研究，通過景觀斑塊平均面積、景觀邊緣密度、景觀斑塊密度對景觀破碎度進行評定；通過對景觀優(yōu)勢度、豐富度、均勻度的分析得出景觀結(jié)構(gòu)多樣性的程度和優(yōu)勢景觀；通過對景觀聚集度和結(jié)合度的分析了解景觀的異質(zhì)性與連通性；通過對景觀的分形分析了解景觀斑塊的邊緣復(fù)雜性。通過一系列的景觀指數(shù)分析后得出景觀格局中的問題，對景觀分別進行斑塊、廊道和基質(zhì)存在問題的解析，從而形成合理的景觀空間格局，優(yōu)化景觀生態(tài)環(huán)境。

1研究區(qū)概況

帽兒山國家森林公園位于黑龍江省中南部，是哈爾濱市附近最高的山峰，屬長白山支脈，在阿什河上游。北與延壽縣、方正縣、賓縣相連接，南與五常市接壤，西鄰阿城區(qū)，東界海林市。地理坐標為127°30′～ 127°34′E，45°20′～ 45°25′N[2]。帽兒山國家森林以山地森林生態(tài)環(huán)境、自然景觀及鄉(xiāng)土景觀為背景，以山、水、林、田、城相依相融為特色，公園總面積約為27 km2，森林覆蓋率達到76.1%。其始建于1958年，1992年經(jīng)林業(yè)部正式批準開始建園，2011年進行重新規(guī)劃建設(shè)，如今已成為別具特色的休閑度假的旅游勝地，同時也是東北林業(yè)大學(xué)的實驗林場。

2研究方法

2.1基本概念

景觀格局是景觀生態(tài)學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。景觀格局是指景觀要素在空間上分散或聚集的展布，它是景觀組分的空間分布和組合特征的表現(xiàn)，是在景觀內(nèi)部的自然條件約束和人為活動影響雙重作用下，為了適應(yīng)特定的景觀功能要求而形成的一種景觀整體結(jié)構(gòu)。在進行景觀格局分析之前要明確所選擇的景觀指數(shù)，景觀格局指數(shù)可分為斑塊水平指數(shù)、斑塊類型水平指數(shù)、景觀水平指數(shù)[3]。景觀格局優(yōu)化則是在對景觀格局、功能和過程綜合理解的基礎(chǔ)上，在空間和數(shù)量上對各景觀類型進行有目的性的優(yōu)化設(shè)計。

2.2數(shù)據(jù)獲取與技術(shù)路線

首先將帽兒山現(xiàn)狀土地利用CAD圖在ArcGIS中進行點、線、面的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，再將矢量圖轉(zhuǎn)換為柵格圖，導(dǎo)入Fragstats中，進行景觀空間指數(shù)的計算，將所生成的景觀空間指數(shù)繪制成表，進行分類分析。圖1為GIS中繪制的帽兒山景觀格局圖，表1為帽兒山土地利用的景觀分類標準。

3景觀格局指數(shù)分析

3.1景觀斑塊分析

對景觀斑塊的分析主要指對斑塊面積（表2）、邊緣和回旋半徑（表3）等相關(guān)指數(shù)的度量。斑塊面積是最容易被識別的斑塊格局特征，決定著物種的多樣性與能量流。雖然斑塊具有面積效應(yīng)[3]，即斑塊越大，空間異質(zhì)性越強，生境多樣性越高，但斑塊大小對不同物種的影響不盡相同，這與斑塊的內(nèi)緣比有關(guān)，其決定著物種的豐富度[4]。景觀要素間的邊緣在景觀中一般起到過濾器和半透膜的作用，斑塊邊緣通常呈現(xiàn)光照充足、氣候干燥的特點，同時與斑塊內(nèi)部環(huán)境相比更便于基質(zhì)物種的入侵，具有更高的多樣性，這就是斑塊的邊緣效應(yīng)。

大斑塊由于其生態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在景觀中主要起到生態(tài)保護和提高景觀豐富度的作用；小斑塊由于其邊緣生境經(jīng)充足，在景觀中起到物種傳播和提高景觀連接度的作用。斑塊邊界形狀決定了斑塊與斑塊或斑塊與基質(zhì)間的相互關(guān)系，與直線邊界相比，具有一定曲度的邊界更有利于人們的出行，大大提高了便捷程度[4]?？紫抖扰c邊緣效應(yīng)密切相關(guān)，對能流、物流和物種流有重要影響。當斑塊周長與面積之比較小時，回旋半徑較小，景觀斑塊呈圓形，有利于能量、物質(zhì)或資源的保護，當周長與面積之比較大時，回旋半徑較大，有利于系統(tǒng)的能量、物質(zhì)和物種與外界環(huán)境的交換[5]。由此可見，景觀斑塊的邊界形狀對景觀要素之間的相互作用至關(guān)重要，并通過流的輸入與輸出與其功能連接起來。所以邊界形狀對基質(zhì)與斑塊間的相互作用至關(guān)重要。

通過圖表中對帽兒山景觀斑塊面積的統(tǒng)計分析可知，在帽兒山景觀中林地面積最大，其景觀斑塊面積統(tǒng)計分布指數(shù)斑塊面積平均值（AREA MN）、斑塊面積標準差（AREA SD）、斑塊面積加權(quán)平均值（AREA AM）、斑塊面積方差（AREA CV）值分別為53.587 3、301.605 0、1 751.109 0、562.829 4 hm2，景觀斑塊類型總面積CA值為21 863.61，遠遠高出其他景觀類型?？梢娏值鼐哂休^穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境，內(nèi)部空間異質(zhì)性強，有較多的內(nèi)部種和邊緣種，物種豐富度極高。在表中可清楚地看到除林地景觀外，水域景觀的斑塊面積高于其余斑塊面積，可見帽兒山不僅植被覆蓋率高且具有較豐富的水源。與其他景觀類型相比，水域受周圍基質(zhì)的侵入程度較輕。交通用地、農(nóng)業(yè)用地的景觀斑塊面積基本相似，交通用地略高。由此可見，林地景觀斑塊的景觀破碎度最低，保持了較高的景觀生態(tài)性，這與近年來國家對帽兒山國家森林公園的不斷規(guī)劃與保護不無關(guān)系，使帽兒山成為林地景觀斑塊較為完整、具有舒適優(yōu)美自然環(huán)境的天然氧吧。

景觀邊緣密度指數(shù)（ED）和景觀總邊緣長度指數(shù)（TE）同屬景觀水平指數(shù)，是對景觀整體的評價。由表3可清楚地看出林地景觀的ED、TE值分別為47.927 0、1 268 580，水域景觀的ED、TE值分別為2.295 1、60 750，可見林地景觀具有較高的邊緣指數(shù)，其次為水域，交通用地次之。景觀斑塊邊緣指數(shù)與面積指數(shù)相同，都是對景觀破碎度的丈量。這與之前對景觀斑塊面積分析的結(jié)果不謀而合，林地與水域具有較低的景觀破碎度，可見帽兒山風(fēng)景區(qū)是林地占主導(dǎo)地位的自然景觀風(fēng)景區(qū)。

景觀旋轉(zhuǎn)半徑指數(shù)（GYRATE）是斑塊水平指數(shù)，是對單一斑塊進行分析的景觀分析指數(shù)，對景觀邊緣的研究也具有實際意義[6]?；匦霃绞怯脕矶攘堪邏K幅度的指標，因而它受斑塊大小和緊實程度的影響。通過對景觀面積的研究可知，林地景觀類型具有較高的斑塊面積指數(shù)，所以其回旋半徑也最高，回旋半徑變異系數(shù)（GYRATE CV）、平均回旋半徑（GYRATE MN）、回旋半徑范圍（GYRATE RA）值分別為270.983 1、124.457 4、3 474.767 0。

3.2景觀廊道分析

對景觀廊道的分析主要是對景觀整體連通性的分析，景觀格局中的景觀斑塊結(jié)合度指數(shù)COHESION是對景觀連通性的度量指數(shù)，林地景觀斑塊結(jié)合度指數(shù)最高，說明這類景觀用地有較好的連通性[7]。同時林地斑塊面積大大高出其他斑塊面積，說明在帽兒山景觀中林地為連通性較高的基質(zhì)。農(nóng)業(yè)用地和居住用地景觀斑塊結(jié)合度指數(shù)最低，水域和交通用地景觀類型的景觀斑塊結(jié)合度指數(shù)適中。由此可見，林地連通性最好，水域和交通用地連通性次之，農(nóng)業(yè)用地和居住用地的景觀連接度最低（表4）。

3.3景觀基質(zhì)分析

研究主要對景觀的優(yōu)勢度、多樣性、聚合度進行分析[8]。由表5可以看出，帽兒山風(fēng)景區(qū)的林地景觀優(yōu)勢度最大，PLAND指數(shù)達82.600 8%，LPI達總體的15.548 8%，明顯高出其余景觀類型，可見帽兒山風(fēng)景區(qū)具有豐富的林業(yè)資源，植被種類豐富。除林地外，水域的優(yōu)勢度高于其他景觀類型，PLAND和LPI值分別為0.563 1、8.693 3，說明帽兒山風(fēng)景區(qū)具有充足的水域景觀。由此可見，帽兒山是以林地景觀為主要景觀的森林公園，也因其水域資源充盈，使得該地區(qū)的景觀呈良性循環(huán)狀態(tài)。帽兒山的農(nóng)用地和居住用地景觀優(yōu)勢度較低，說明此處居住人口較少，且從事農(nóng)業(yè)勞作的人口較少。

在帽兒山的景觀指數(shù)中可清晰地看到各類景觀類型的聚合度（AI）指數(shù)都較高以林地、水域和道路為首，其他景觀類型次之（表6），可見帽兒山是典型的林業(yè)景觀森林公園[9]。農(nóng)用地和居住用地的聚合度較低，可見分布較為零散，具有較高的破碎性[10]。從表7可看出，帽兒山景觀多樣性指數(shù)SHDI為1.319 5，可見帽兒山具有較高的景觀豐富度，景觀異質(zhì)性自然也較高。帽兒山景觀均勻度指數(shù)SHEI為0.756 3，數(shù)值適中，說明帽兒山景觀具有一定程度的景觀多樣性，也存在優(yōu)勢景觀。綜上所述，在帽兒山景區(qū)的景觀異質(zhì)性分析中，林地的異質(zhì)性最高，并具有穩(wěn)定的生態(tài)格局體系。

3.4景觀格局分析結(jié)果

表8總結(jié)了帽兒山景觀格局定量分析中所選定的景觀指數(shù)、景觀整體特征對各斑塊類型的影響程度與各斑塊類型體現(xiàn)的景觀整體特征。從表8對帽兒山景觀豐富度的研究中發(fā)現(xiàn)，林地斑塊豐富度最高，其他用地斑塊豐富度最大，其他景觀斑塊類型豐富度適中，可見在林地斑塊中的物種極為豐富。破碎度的研究中發(fā)現(xiàn)，居住用地破碎度最高，說明在帽兒山景區(qū)中居住用地較分散，且被其他景觀斑塊分割程度高。從景觀邊緣破碎化的研究分析中得出，林地斑塊與小路斑塊景觀周圍受人類的干擾較為明顯，這與帽兒山的景觀屬性相關(guān)，帽兒山是國家森林公園，以林地為景觀基質(zhì)，主要供人們旅行觀光，因此林地邊緣或道路邊緣必然會受到游客的干擾[11]。從景觀優(yōu)勢度、聚合度和連通度的分析中可知，林地斑塊中具有良好的生態(tài)環(huán)境，道路與河流的聚集度連通度合理，但居住用地與農(nóng)用地的聚合度和連通度相對較低。

在帽兒山的景觀斑塊指數(shù)分析表呈現(xiàn)了各景觀斑塊的景觀特征。林地斑塊具有較高的豐富度、優(yōu)勢度、聚合度與連通度，景觀破碎度低，但景觀邊緣的破碎度較高，說明林地斑塊周邊受人類干擾程度較大，應(yīng)進行相應(yīng)的調(diào)理?？傮w而言，林地斑塊具有較好的景觀生態(tài)環(huán)境，為整個景區(qū)提供了綠色健康的旅行空間。河流斑塊與水域斑塊聚合度較高，但邊緣受損嚴重，其他景觀特征適宜。小路斑塊與道路斑塊均具有較高的連通度，但小路斑塊的道路周邊受人類干擾程度大。鐵路景觀斑塊各景觀特征適宜。農(nóng)用地斑塊表現(xiàn)出較低的物種豐富度與連通度，說明在自然景觀中，農(nóng)業(yè)已不作為景觀開發(fā)的主體。居住用地破碎度高，較分散，連通度差，應(yīng)進行相關(guān)調(diào)整。

帽兒山是典型的自然大地景觀的代表。與城鎮(zhèn)大地景觀有所不同，自然景觀的土地利用中更加注重對自然景觀的開發(fā)，居住和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不作為該景觀的土地利用重點考慮因素。從帽兒山的景觀斑塊分析中可知，對于自然大地景觀而言，林地斑塊應(yīng)具有較高的景觀優(yōu)勢度，提高整體景觀的生態(tài)環(huán)境，創(chuàng)造旅游經(jīng)濟收益。居住用地斑塊與農(nóng)用地斑塊面積較小，僅為景區(qū)旅客提供住宿服務(wù)及相關(guān)配套設(shè)施，不作為重點考慮。此外水域斑塊屬自然資源斑塊，應(yīng)盡量降低其邊緣破碎度，改善水體環(huán)境。道路用地斑塊應(yīng)具有較高的連通性，為游覽者提供順暢的旅游路線。對自然大地景觀各斑塊的分析優(yōu)化可提高景觀內(nèi)的整體生態(tài)環(huán)境。

4結(jié)語

基于在GIS中對景觀空間格局的定量分析，依據(jù)景觀生態(tài)規(guī)劃的相關(guān)理論，從景觀組分和格局組合兩方面對帽兒山的斑塊、廊道和基質(zhì)網(wǎng)絡(luò)進行分析并提出相應(yīng)的解決對策。從而解決了水域斑塊、小路斑塊、居住用地斑塊和農(nóng)田斑塊景觀邊緣破碎度高的問題。居住用地和水域的景觀斑塊面積較小，小路廊道邊緣、河流廊道邊緣、水域斑塊邊緣、林地斑塊邊緣景觀破碎化程度較大，也存在景觀聚合度相對較低的問題。通過GIS和Fragstats軟件對景觀格局進行定量分析，將景觀斑塊、廊道、基質(zhì)數(shù)字化、直觀化，給景觀格局與景觀生態(tài)學(xué)的研究工作提供了新的思路與方法，對景觀生態(tài)規(guī)劃具有一定的指導(dǎo)意義。

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