基于Ant-Density的瀏陽(yáng)市景觀格局優(yōu)化分析

郭曉妮，董雅雯，丁 山，張 娟，廖菊陽(yáng)，鄧 櫸

(1.國(guó)家林業(yè)和草原局中南調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)沙 410014； 2.湖南省森林植物園，長(zhǎng)沙 410116)

森林在地球上分布廣、類(lèi)型豐富且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是非常寶貴的自然資源，發(fā)揮著巨大的生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，在應(yīng)對(duì)全球氣候變暖、維持人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展等方面發(fā)揮著重要作用[1-2]。景觀格局優(yōu)化研究是景觀生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)課題之一[3-4]。景觀格局的優(yōu)化，使得各組分之間達(dá)到和諧有序的狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)人與自然和諧可持續(xù)的發(fā)展[5]。以湖南省瀏陽(yáng)市為研究對(duì)象，利用地理信息系統(tǒng)及相關(guān)軟件，結(jié)合本地生態(tài)資源，優(yōu)化瀏陽(yáng)市景觀格局，以期為當(dāng)?shù)卣畱?yīng)對(duì)森林景觀格局變化，及時(shí)、合理、有效制定優(yōu)化方案，為瀏陽(yáng)市經(jīng)濟(jì)社會(huì)和林業(yè)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

瀏陽(yáng)市位于113°10′24″—114°14′58″E和27°51′20″—28°34′06″ N之間，總面積5007.8km2，森林覆蓋率66.82%，牧草地14.3萬(wàn)hm2。地勢(shì)東北高、西南偏低，海拔最高點(diǎn)1608m、最低點(diǎn)37.5m，相差1570.5m；屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，熱量充足，年均氣溫17.5℃；境內(nèi)河道流域面積4979.8km2，總長(zhǎng)度1224.1 km，徑流總量44.6億m3；瀏陽(yáng)市共有國(guó)家級(jí)保護(hù)動(dòng)物17種。

2 研究方法

2.1 單目標(biāo)0-1整數(shù)規(guī)劃

本研究采用0-1整數(shù)規(guī)劃是變量為二進(jìn)制的整數(shù)規(guī)劃[6]，其數(shù)學(xué)模型為：

(1)

其中：min表示求極小值，f(x)是目標(biāo)函數(shù)，s.t.表示約束條件。

2.2 優(yōu)化路徑構(gòu)建方法

采用Ant-Density(蟻密系統(tǒng))算法來(lái)構(gòu)建優(yōu)化路徑[7]，思路如下：

1)首先，建立i(特殊生態(tài)源地序號(hào))行j(一般生態(tài)源地序號(hào))列距離矩陣Dij：

(2)

建立特殊生態(tài)源地鄰接矩陣yij：

(3)

2)其次，建立i(一般生態(tài)源地序號(hào))行j(一般生態(tài)源地序號(hào))列距離矩陣Aij：

(4)

根據(jù)i，j生態(tài)源地間是否有生態(tài)廊道，建立鄰接矩陣cij：

地間有廊道連接

0 否則

(5)

3)建立生態(tài)流的流經(jīng)軌跡i：

的流經(jīng)軌跡i上

0 否則

(6)

最少目標(biāo)函數(shù)為：

(7)

約束條件為：途經(jīng)生態(tài)廊道數(shù)小于3條：

(8)

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)廊道的構(gòu)建

在生態(tài)廊道的構(gòu)建中采用累積耗費(fèi)距離模型，類(lèi)型可分為林地生態(tài)廊道、建設(shè)用地生態(tài)廊道、耕地生態(tài)廊道和水域生態(tài)廊道四種。由表1和圖1可知，生態(tài)廊道共65條，其中：林地生態(tài)廊道51條，占廊道數(shù)的78.46%；耕地生態(tài)廊道11條，占廊道數(shù)的16.92%；建設(shè)用地生態(tài)廊道2條，占廊道數(shù)的3.08%；水域生態(tài)廊道1條，占廊道數(shù)的1.54%。生態(tài)廊道總長(zhǎng)463.04km，其中：林地生態(tài)廊道總長(zhǎng)404.2km，主要分布于中部地區(qū)；耕地生態(tài)廊道總長(zhǎng)51.36km，分布不均勻；建設(shè)用地生態(tài)廊道總長(zhǎng)5.5km，分布于西部、南部地區(qū)；水域生態(tài)廊道總長(zhǎng)1.98km，分布于西南部地區(qū)。

表1 瀏陽(yáng)市各類(lèi)型生態(tài)廊道廊道類(lèi)型廊道長(zhǎng)度/km最長(zhǎng)最短總和平均數(shù)量/個(gè)占比/%耕地生態(tài)廊道22.430.5851.364.671116.92建設(shè)用地生態(tài)廊道3.851.655.502.7523.08林地生態(tài)廊道25.360.43404.207.935178.46水域生態(tài)廊道1.981.981.981.9811.54

圖1 瀏陽(yáng)市生態(tài)廊道分布

3.2 生態(tài)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建

在生態(tài)廊道的基礎(chǔ)上構(gòu)建生態(tài)節(jié)點(diǎn)，詳見(jiàn)表2和圖2?？芍?，瀏陽(yáng)市共有生態(tài)節(jié)點(diǎn)61個(gè)，其中：林地生態(tài)節(jié)點(diǎn)47個(gè)，占節(jié)點(diǎn)數(shù)的77.05%；耕地生態(tài)節(jié)點(diǎn)11個(gè)，占18.03%；建設(shè)用地生態(tài)節(jié)點(diǎn)2個(gè)，占3.28%；水域生態(tài)節(jié)點(diǎn)1個(gè)，占1.64%。

表2 瀏陽(yáng)市各類(lèi)型生態(tài)節(jié)點(diǎn)類(lèi)型節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度/ km最長(zhǎng)最短總和平均數(shù)量/個(gè)占比/%耕地生態(tài)節(jié)點(diǎn)59.1048.13553.3150.301118.03建設(shè)用地生態(tài)節(jié)點(diǎn)58.7750.23109.0054.5023.28林地生態(tài)節(jié)點(diǎn)50.9140.682014.7942.874777.05水域生態(tài)節(jié)點(diǎn)32.9532.9532.9532.9511.64

圖2 瀏陽(yáng)市生態(tài)節(jié)點(diǎn)分布

3.3 景觀格局優(yōu)化路徑分析

3.3.1 景觀格局優(yōu)化路徑構(gòu)建

采用圖論繪制生態(tài)源地連通圖，選取生態(tài)連通度高且獨(dú)立的生態(tài)源地為特殊生態(tài)源地，將其視為多車(chē)場(chǎng)路徑規(guī)劃問(wèn)題中的車(chē)場(chǎng)，剩余的生態(tài)源地視為一般生態(tài)源地及車(chē)輛經(jīng)停點(diǎn)。從表3及圖3可知，生態(tài)源地平均連通數(shù)量5.2條。由于特殊生態(tài)源地(車(chē)場(chǎng))數(shù)量不宜太多，本研究?jī)H選取3個(gè)以下特殊生態(tài)源地。首先，選取連通線數(shù)量最多的生態(tài)源地，序號(hào)為12。特殊生態(tài)源地應(yīng)連通度高且獨(dú)立，因此排除8號(hào)、16號(hào)、17號(hào)、13號(hào)和21號(hào)的生態(tài)源地，從剩余的3號(hào)、5號(hào)和6號(hào)中選取特殊生態(tài)源地；綜合考慮特殊生態(tài)源地特征，選取3號(hào)作為特殊生態(tài)源地，并排除5號(hào)和6號(hào)生態(tài)源地。最終確定12號(hào)和3號(hào)作為特殊生態(tài)源地。

表3 各生態(tài)源地連通線數(shù)量表連通線數(shù)量個(gè)數(shù)源地序號(hào)平均連通線數(shù)量131,2,9244,7,24,253410,19,22,234218,205211,14626,21725,135.28215,1791161113121815112

圖3 生態(tài)源地連通線分布圖

從圖4可知，特殊生態(tài)源地3為起點(diǎn)的路徑僅4條，剩余19條路徑的起點(diǎn)均為特殊生態(tài)源地12。特殊生態(tài)源地3為起點(diǎn)的路徑均可直達(dá)，不需經(jīng)過(guò)任何中轉(zhuǎn)點(diǎn)；特殊生態(tài)源地12為起點(diǎn)的路徑，11條不能直達(dá)，其中有9條需通過(guò)一個(gè)中轉(zhuǎn)點(diǎn)，2條需通過(guò)兩個(gè)中轉(zhuǎn)點(diǎn)。

從表4可知，需通過(guò)兩個(gè)中轉(zhuǎn)點(diǎn)的路徑的終點(diǎn)分別為15號(hào)和23號(hào)；需通過(guò)一個(gè)中轉(zhuǎn)點(diǎn)的路徑的終點(diǎn)分別為6號(hào)、7號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、14號(hào)、16號(hào)、18號(hào)、20號(hào)和21號(hào)；不需通過(guò)中轉(zhuǎn)點(diǎn)的直接路徑的終點(diǎn)分別為1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、8號(hào)、11號(hào)、13號(hào)、17號(hào)、19號(hào)、22號(hào)、24號(hào)和25號(hào)。

表4 生態(tài)源地路徑分析表終點(diǎn)路徑起點(diǎn)中轉(zhuǎn)點(diǎn)1中轉(zhuǎn)點(diǎn)2距離/km13-134.614 223-231.007 63330.000 043-431.723 253-530.923 7612-8-61283.195 8712-8-71283.347 3812-8122.770 1912-8-91284.394 31012-8-101285.987 11112-11121.743 91212120.000 01312-13120.665 11412-8-141283.653 41512-8-14-15128145.729 01612-17-1612174.370 21712-17122.445 91812-17-1812173.616 11912-19121.843 12012-19-2012196.380 2

續(xù)表4 生態(tài)源地路徑分析表終點(diǎn)路徑起點(diǎn)中轉(zhuǎn)點(diǎn)1中轉(zhuǎn)點(diǎn)2距離/km2112-19-2112193.477 32212-22126.920 62312-19-21-231219218.776 52412-24122.601 42512-25121.976 7

3.3.2 景觀格局優(yōu)化路徑分析

在景觀格局優(yōu)化路徑時(shí)，首先由特殊生態(tài)源地出發(fā)，構(gòu)建一級(jí)生態(tài)廊道及節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)是3號(hào)和12號(hào)；其次，由一次中轉(zhuǎn)生態(tài)源地出發(fā)，構(gòu)建二級(jí)生態(tài)廊道及節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)是8號(hào)、17號(hào)和19號(hào);再次，由二次中轉(zhuǎn)生態(tài)源地出發(fā)，構(gòu)建三級(jí)生態(tài)廊道及節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)14號(hào)和21號(hào)；最后，由各個(gè)生態(tài)源地出發(fā)，構(gòu)建四級(jí)生態(tài)廊道及四級(jí)生態(tài)節(jié)點(diǎn)。詳見(jiàn)表5、圖5。

表5 各等級(jí)生態(tài)廊道生態(tài)廊道等級(jí)廊道數(shù)量距離/km一級(jí)生態(tài)廊道(3-1)(3-2)(3-4)(3-5)(12-8)(12-11)(12-13)(12-17)(12-19)(12-22)(12-24)(12-25)1229.235 5二級(jí)生態(tài)廊道(8-6)(8-7)(8-9)(8-10)(8-14)(17-16)(17-18)(19-20)(19-21)915.993 2三級(jí)生態(tài)廊道(14-15)(21-23)27.374 8四級(jí)生態(tài)廊道……42410.435 6 注: 四級(jí)生態(tài)廊道過(guò)多,在表格中不一一列出。

圖5 生態(tài)源地連通分布圖

4 結(jié)論與討論

針對(duì)瀏陽(yáng)市景觀格局優(yōu)化進(jìn)行分析研究，共有生態(tài)廊道65條，其中林地生態(tài)廊道51條、耕地生態(tài)廊道11條、建設(shè)用地生態(tài)廊道2條、水域生態(tài)廊道1條；生態(tài)節(jié)點(diǎn)共61個(gè)，其中林地生態(tài)節(jié)點(diǎn)47個(gè)、耕地生態(tài)節(jié)點(diǎn)11個(gè)、建設(shè)用地生態(tài)節(jié)點(diǎn)2個(gè)、水域生態(tài)節(jié)點(diǎn)1個(gè)。

以特殊生態(tài)源地3號(hào)和12號(hào)為起點(diǎn)，分別有4條、8條可以直達(dá)，這12條路徑為一級(jí)生態(tài)廊道，該生態(tài)廊道上的生態(tài)節(jié)點(diǎn)為一級(jí)節(jié)點(diǎn)。瀏陽(yáng)市生態(tài)廊道主要集中在在關(guān)口街道、淳口鎮(zhèn)、集里街道、小河鄉(xiāng)、張坊鎮(zhèn)、蕉溪鄉(xiāng)和中和鎮(zhèn)7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)；而生態(tài)節(jié)點(diǎn)

主要集中在在沙市鎮(zhèn)、集里街道、關(guān)口街道、淳口鎮(zhèn)、中和鎮(zhèn)、張坊鎮(zhèn)和蕉溪鄉(xiāng)7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。結(jié)合生態(tài)廊道、生態(tài)節(jié)點(diǎn)分布情況發(fā)現(xiàn)，生態(tài)節(jié)點(diǎn)與生態(tài)廊道的分布情況大致相同，但也有特例存在，在確定景觀格局優(yōu)化重點(diǎn)建設(shè)區(qū)域時(shí)，須從生態(tài)廊道及生態(tài)節(jié)點(diǎn)分布情況兩方面權(quán)衡其重要性。