基于網(wǎng)絡(luò)分析的道路生態(tài)干擾

吳仰婷　余婷婷　吳文婷　劉俏彤

摘 要：道路網(wǎng)絡(luò)對自然生態(tài)環(huán)境的影響日益顯著，并且對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)變化和格局特征具有重要作用。基于道路生態(tài)學道路網(wǎng)絡(luò)理論，利用地理信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)分析方法和拓撲函數(shù)，以怒江流域各縣為基本單元，分析研究了怒江流域各縣道路網(wǎng)絡(luò)的特征指標，即環(huán)形指標、線點指標和連接指標；根據(jù)道路網(wǎng)具有不同的特點，分析道路干擾與生態(tài)穩(wěn)定性的關(guān)聯(lián)。

關(guān)鍵詞：道路網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)分析；道路干擾

中圖分類號：F713.52 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）35-0032-04

Abstract： The impact of road network on the natural ecological environment is increasingly significant， and it plays an important role in the regional ecosystem changes and pattern characteristics. Based on the theory of road ecological road network， using GIS， network analysis method and topological function， the characteristic indexes of road network in Nujiang River Basin are analyzed and studied. The counties of Nujiang River Basin are taken as the basic units. According to the different characteristics of road network， the relationship between road disturbance and ecological stability is analyzed.

Keywords： road network； network analysis； road interference

1 概述

隨著經(jīng)濟與社會的發(fā)展，道路網(wǎng)在全世界蔓延，其分布之廣發(fā)展之快速，為人類帶來巨大效益的同時，也對自然景觀和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了不良影響——景觀破壞、生境退化、生物多樣性減少、生態(tài)阻隔等等[1]。道路網(wǎng)的存在在一定程度上影響著生態(tài)系統(tǒng)的演變格局與過程，區(qū)域道路的發(fā)達程度對生態(tài)單元空間相互作用的廣度與深度起著決定性作用。因而，本文重點鉆研怒江流域的道路網(wǎng)對生態(tài)穩(wěn)定性的影響，正確理解和全面分析道路網(wǎng)絡(luò)對自然生態(tài)系統(tǒng)的影響，能很大程度地降低道路干擾對多種群生態(tài)系統(tǒng)的影響，對于維護生物多樣性和維持種群生態(tài)系統(tǒng)的平衡有著重要的現(xiàn)實意義。

目前，我國在道路生態(tài)學上的研究還不夠全面，并且關(guān)于道路對生態(tài)系統(tǒng)所造成的影響的研究也遠遠不足。雖然GIS應(yīng)用對道路網(wǎng)絡(luò)分析的問題難以求解，但可以在GIS分析上運用復雜的拓撲關(guān)系。在生態(tài)系統(tǒng)運行時，更容易解決道路網(wǎng)絡(luò)所帶來的問題。

為此，本文以怒江流域為案例區(qū)，在橫向嶺谷區(qū)的長度較瀾滄江和紅河短且地勢較高[2]，具有獨特的地理環(huán)境、顯著的地貌梯度分異、和突出的生物多樣性等，而該區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)都受到了嚴重的道路干擾，故在該區(qū)域研究道路建設(shè)作用具有重要的實踐指導意義。本文基于道路生態(tài)學基礎(chǔ)中的道路網(wǎng)絡(luò)理論，應(yīng)用景觀生態(tài)學的方法、GIS分析以及拓撲知識，對怒江流域的道路網(wǎng)絡(luò)特性進行探究分析，進而闡述區(qū)域道路網(wǎng)絡(luò)特性與區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)受干擾程度兩者之間的關(guān)系。

2 研究區(qū)域

怒江流域（98°28'～99°11'E，24°05'～28°08'N）位于我國云南省西部，怒江由北向南貫穿，橫跨了保山市和兩個自治州即德宏傣族景頗族自治州和怒江傈僳族自治州，流域總面積為13.67×104km2。該區(qū)域具有獨特的地理環(huán)境、狹長的流域形狀、生物多樣性突出，土地覆蓋類別繁多，但隨著交通建設(shè)、旅游業(yè)的發(fā)展，該區(qū)域受到人類干擾的程度增加，生態(tài)環(huán)境保護意義重大，道路的存在和擴展對該流域不僅具有社會、經(jīng)濟效益，更突出的是其重要的生態(tài)影響[3]。

3 研究方法

3.1 數(shù)據(jù)及來源

本文研究分析的研究單位為縣域，以中國基礎(chǔ)地理信息的1：25萬道路要素圖、云南省最新的1：100萬交通地圖為基礎(chǔ)輔助工具，獲得分析所需關(guān)鍵要素的信息，進而利用后一工具進行數(shù)字化處理，得到所需的道路矢量數(shù)據(jù)。利用1985年和2005年這兩個時間段的1：10萬土地利用圖，提取生態(tài)系統(tǒng)的變化特征數(shù)據(jù)。本文主要基于R語言編寫，應(yīng)用GIS、網(wǎng)絡(luò)分析等方法對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)變化及其特征和道路的網(wǎng)絡(luò)特征進行探究分析。

3.2 網(wǎng)絡(luò)分析

網(wǎng)絡(luò)是由有關(guān)聯(lián)的諸多對象組成的系統(tǒng)，而節(jié)點和節(jié)點之間的連線構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)，其中節(jié)點表示真實系統(tǒng)中不同的元素，而節(jié)點的連線則用來表示相連節(jié)點之間的相關(guān)程度；當出現(xiàn)兩個節(jié)點之間以線段的形式連接，則表示這兩個節(jié)點之間存在著一定的關(guān)系[3]；如若兩個節(jié)點之間不連接，則是兩者之間沒有關(guān)系。對于通過線段連接的兩個節(jié)點，我們稱之為相鄰節(jié)點。

在道路系統(tǒng)中，縣城、城鎮(zhèn)、村落等都可以看成是節(jié)點；而他們之間的道路，廊道就是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的邊?？偠灾?，就是把復雜的道路看成是由節(jié)點和節(jié)點間相連的線所構(gòu)成的簡單的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。為了對道路的寬度、內(nèi)部環(huán)境等進行研究，本文將道路的長度、密度、區(qū)域的海拔等作為主要因素來進行研究。

如圖3所示，區(qū)域道路長度和道路密度都會隨著區(qū)域平均海拔的升高顯著降低，即擬合出的模型符合怒江區(qū)域的實際情況；對比于海拔較高的地區(qū)，海拔較低的地區(qū)經(jīng)濟會相對發(fā)達，在區(qū)域開發(fā)利用上更為充分全面；而隨著海拔的升高，地理條件也越來越差，村落也越來越少，道路網(wǎng)也相對比較稀疏。

4.2 區(qū)域道路網(wǎng)絡(luò)特征與生態(tài)系統(tǒng)干擾的關(guān)系

區(qū)域道路網(wǎng)絡(luò)對生態(tài)系統(tǒng)的影響主要是通過道路網(wǎng)絡(luò)的擴展延伸，影響主要體現(xiàn)在生態(tài)效應(yīng)和潛在性上，而生態(tài)效應(yīng)則是直接反映在區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的格局變化上[6]。為了研究區(qū)域道路網(wǎng)絡(luò)特征和生態(tài)系統(tǒng)干擾之間的關(guān)系，本文利用1：10萬土地利用類型，運用GIS空間模塊進行疊加分析之后，又進一步進行土地轉(zhuǎn)移空間分析。為能夠建立道路網(wǎng)絡(luò)特征與生態(tài)系統(tǒng)格局變化的定量化聯(lián)系，令兩者之間的影響關(guān)系可視化，為此選擇一個綜合干擾指數(shù)作為影響生態(tài)系統(tǒng)總體強度的指標，當綜合干擾指數(shù)越高，說明人類對生態(tài)系統(tǒng)的干擾程度越大。

區(qū)域道路網(wǎng)絡(luò)特征研究和生態(tài)系統(tǒng)干擾指數(shù)的分析表明，道路網(wǎng)絡(luò)對生態(tài)系統(tǒng)的干擾產(chǎn)生一定的直接影響。由圖4中可清晰看出，道路網(wǎng)絡(luò)的特征指數(shù)與生態(tài)系統(tǒng)干擾指數(shù)兩者之間存在著高度相關(guān)性。換言之，道路網(wǎng)絡(luò)的擴展，使生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和平衡都受到了威脅，甚至涉及到了整個生態(tài)系統(tǒng)。通過結(jié)果分析，道路網(wǎng)絡(luò)特征和生態(tài)系統(tǒng)干擾擬合度高，確定系數(shù)達到顯著水平，說明兩者之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。也就是說，隨著道路密度的增大，道路網(wǎng)絡(luò)也會越大，生態(tài)系統(tǒng)所受的干擾程度也會加深。

5 結(jié)束語

基于道路景觀生態(tài)學的研究可知，廊道作為景觀要素中的首要研究對象之一，它有著“通道-阻隔”的作用。本文利用道路景觀生態(tài)學和網(wǎng)絡(luò)分析，借助GIS的技術(shù)，對該研究的區(qū)域道路網(wǎng)絡(luò)特征和道路網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)系統(tǒng)進行分析[7]。對于怒江流域的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點，本文應(yīng)用logistic模型對？琢指數(shù)、？茁指數(shù)和？酌指數(shù)與道路密度的關(guān)系進行擬合，通過擬合結(jié)果可知，道路長度、廊道數(shù)量和節(jié)點數(shù)分別都呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，而道路長度、道路密度和區(qū)域平均海拔高度則是分別呈現(xiàn)出負相關(guān)關(guān)系。結(jié)果闡明，道路密度對生態(tài)系統(tǒng)的干擾程度最為明顯，可見干擾生態(tài)系統(tǒng)的影響因素中道路密度這一因素是關(guān)鍵，道路密度還與其他影響因素存在相關(guān)性。

換而言之，影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)變化的最主要因素之一是道路干擾。道路干擾也是影響道路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生態(tài)安全和空間格局動態(tài)變化的主要因素[8]。通過對道路網(wǎng)絡(luò)特征的分析，鉆研道路網(wǎng)絡(luò)的干擾，可以對地區(qū)生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展和道路網(wǎng)絡(luò)生態(tài)安全研究，有實際的重要意義。而由道路網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的生態(tài)系統(tǒng)效應(yīng)充分體現(xiàn)了區(qū)域道路網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)安全，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同時段的綜合干擾指數(shù)和？琢指數(shù)、？茁指數(shù)和？酌指數(shù)存在一定的正相關(guān)關(guān)系，因此道路密度和道路長度在一定程度上反映了該區(qū)域的干擾水平。雖然與區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)相比較，道路網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)的研究區(qū)域和研究尺度不同，因為研究區(qū)域涉及到的可能是整個景觀，也可以是一小部分區(qū)域，而道路生態(tài)針對的是道路，但是本文是一個通過綜合性的道路生態(tài)干擾分析，為研究道路和生態(tài)系統(tǒng)的交互作用機制提出有效的意義。因此，研究道路網(wǎng)絡(luò)特征和干擾強度這兩大板塊，對理解區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和道路網(wǎng)絡(luò)生態(tài)安全具有重要作用。

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