基于遙感的山地景觀健康診斷及格局演變研究——以新疆天山自然遺產(chǎn)地喀拉峻-庫爾德寧為例

韓 鑫,胡江玲,劉傳勝,王心源

1 新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 烏魯木齊 830054 2 新疆師范大學(xué)人文社會科學(xué)重點(diǎn)研究基地絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶城市發(fā)展研究中心, 烏魯木齊 830054 3 新疆環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院, 烏魯木齊 830011 4 新疆環(huán)境污染監(jiān)控與風(fēng)險預(yù)警重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830011 5 新疆清潔生產(chǎn)工程技術(shù)研究中心, 烏魯木齊 830011 6 中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院,北京 100094 7 聯(lián)合國教科文組織國際自然與文化遺產(chǎn)空間技術(shù)中心,北京 100094

景觀系統(tǒng)健康是近年來生態(tài)系統(tǒng)管理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1],是實(shí)現(xiàn)人類社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的根本保證[2],其為區(qū)域環(huán)境管理提供新思路和新方法[3- 4]。近年來景觀生態(tài)系統(tǒng)健康以實(shí)證研究為主,聚焦于濕地海岸[5- 6]、城市[7- 8]、草原[9]、河流[10- 11]以及森林[12- 13]的健康評價,其研究方法較多通過建立、改進(jìn)或套用評價指標(biāo)體系,部分研究再借助于軟件技術(shù)手段進(jìn)行。當(dāng)前通過遙感技術(shù)綜合調(diào)查數(shù)據(jù)[14]、PSR模型[15]、城市化因素[16]以及景觀自然演替[17]等實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)健康評估的研究應(yīng)用也較為常見。景觀健康診斷是在時間長河中對景觀狀態(tài)變化的客觀診斷,只有運(yùn)用比較的觀點(diǎn)才會有相對的健康與不健康[18],目前景觀健康診斷的研究還處在發(fā)展上升階段,其前沿性研究是將景觀生態(tài)健康概念與其它生態(tài)學(xué)理論以及RS與GIS等技術(shù)來相結(jié)合診斷景觀系統(tǒng)健康[19- 20],但診斷指標(biāo)體系和診斷模型的構(gòu)建是其研究的關(guān)鍵[21],同時在實(shí)際應(yīng)用中存在指標(biāo)體系過于龐雜、診斷模型可操作性較差等問題[22- 24],而且大都未能明確研究區(qū)域內(nèi)景觀健康問題突出的地點(diǎn),只是通過簡潔的數(shù)值來進(jìn)行評價,也基本上忽略了對評價結(jié)果的驗(yàn)證。針對以上關(guān)于指標(biāo)復(fù)雜、操作困難、結(jié)果不明以及驗(yàn)證不足的問題,以干旱區(qū)山地區(qū)域景觀為例,將RS與GIS方法與景觀生態(tài)學(xué)理論相結(jié)合,探索一套關(guān)于景觀健康診斷的新方法、新模式,為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與方法依據(jù)。

本文以新疆天山自然遺產(chǎn)地喀拉峻-庫爾德寧區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)(包括核心區(qū)與緩沖區(qū)),基于多源遙感影像,通過監(jiān)督分類、景觀格局指數(shù)計算,以景觀生態(tài)學(xué)等理論為基礎(chǔ),充分考慮研究區(qū)景觀空間格局對山地類自然遺產(chǎn)地生態(tài)系統(tǒng)健康的影響,運(yùn)用區(qū)域網(wǎng)格分析方法構(gòu)建評價單元,根據(jù)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn),構(gòu)建景觀健康診斷指標(biāo)體系,并采用GIS和RS技術(shù),對研究區(qū)1977—2017年間景觀健康狀態(tài)進(jìn)行時空動態(tài)診斷,進(jìn)一步豐富新疆天山自然遺產(chǎn)地關(guān)于景觀生態(tài)方向的研究,為區(qū)域景觀系統(tǒng)健康診斷提供一種新方法、新思路,為喀拉峻-庫爾德寧區(qū)域旅游資源合理開發(fā)利用和景觀資源可持續(xù)發(fā)展管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)依據(jù)和科學(xué)技術(shù)支撐,助力于我國自然遺產(chǎn)地保護(hù)與管理事業(yè)高效平穩(wěn)的進(jìn)行,進(jìn)而支撐區(qū)域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理、推動優(yōu)化國土空間開發(fā)布局、有針對性地實(shí)施生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程、維護(hù)國家和區(qū)域生態(tài)安全、為建設(shè)美麗中國貢獻(xiàn)力量。

1 研究區(qū)概況

2013年第37屆世界遺產(chǎn)大會在柬埔寨金邊成功舉辦,根據(jù)遺產(chǎn)遴選標(biāo)準(zhǔn)(7)和(9),我國新疆天山包括喀拉峻-庫爾德寧區(qū)域(伊犁哈薩克自治州)在內(nèi)的4個片區(qū)以“新疆天山”命名成功申請為世界自然遺產(chǎn)。喀拉峻-庫爾德寧片區(qū)位于新疆伊犁哈薩克自治州鞏留縣南部與特克斯縣東部地區(qū),自然遺產(chǎn)地核心區(qū)面積為1138.88km2,緩沖區(qū)面積為893.99km2。該區(qū)域被譽(yù)為是新疆天山生物多樣性最豐富區(qū)域[25],是天山針葉林和天山山地草原草甸最典型代表；是全球雪嶺云杉和中亞野果林的最佳生境區(qū)與起源地,并擁有完整的垂直自然景觀帶,是眾多第三紀(jì)殘遺物種的避難所,號稱歐亞大陸腹地野生生物物種“天然基因庫”[26],擁有天山美學(xué)價值最高的景觀資源,代表了新疆天山獨(dú)特的美學(xué)價值,具備世界級的美學(xué)價值和生物生態(tài)學(xué)價值[27]；是溫帶干旱區(qū)山地綜合自然景觀美的最突出代表。研究區(qū)位置圖(圖1)：

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1.1數(shù)據(jù)來源

(1)遙感數(shù)據(jù)

遙感數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)勘查局網(wǎng)站(https://www.usgs.gov/),在影像選取中考慮(1)研究區(qū)內(nèi)最好無云干擾；(2)成像時間較為接近；(3)不同時期影像時間序列具有可對比性。選取了MSS、TM、OLI、Sentinel-2類型的5景影像,影像具體情況表1所示。

表1 遙感影像原始數(shù)據(jù)

(2)圖件數(shù)據(jù)

新疆天山自然遺產(chǎn)地喀拉峻-庫爾德寧區(qū)域緩沖區(qū)(.shp)和核心區(qū)(.shp)來源于中國科學(xué)院新疆生態(tài)地理研究所。

圖2 2018年新疆天山自然遺產(chǎn)地?zé)o人機(jī)飛行區(qū)域位置圖Fig.2 Location map of UAV Flight Area in Xinjiang Tianshan natural heritage site in 2018

(3)野外實(shí)測數(shù)據(jù)

2017年7月前往研究區(qū)深入了解生物多樣性和自然景觀垂直帶分布情況,2018年7月使用無人機(jī)完成正攝飛行17架次,飛行點(diǎn)位圖2所示。

航測重疊度設(shè)置中航向和旁向重疊率為80%和70%,正射影像云臺俯仰角為90°,飛行高度視實(shí)際情況來設(shè)定,一般空曠地點(diǎn),高度為80—100m。

2.1.2數(shù)據(jù)處理

(1)遙感影像預(yù)處理

通過對獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、大氣校正、輻射校正、影像重采樣以及裁剪等預(yù)處理,形成適合開展分類解譯的數(shù)據(jù)。研究區(qū)景觀類型分為：冰雪、苔原、針葉林、針闊混交林、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、水體、裸地；關(guān)于景觀分類體系的建立、精度驗(yàn)證、景觀指數(shù)的計算、景觀格局演變及其生態(tài)健康狀態(tài)的初步評價等成果不再贅述[28]；本研究中景觀分類結(jié)果(圖3)是景觀健康診斷體系中各指標(biāo)計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖3 1977—2017年研究區(qū)景觀分類圖[28]Fig.3 Landscape classification map of the study area from 1977 to 2017

(2)無人機(jī)數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)數(shù)據(jù)處理流程如下：

1)導(dǎo)入經(jīng)過整理后的某一飛行區(qū)域相片到PhotoScan軟件中。

2)“對齊照片”,該軟件根據(jù)航片的位置、海拔以及相似程度等信息將照片自動進(jìn)行排列,其中精度選擇根據(jù)區(qū)域照片數(shù)量和電腦處理能力,設(shè)置為高或中。

3)“建立密集點(diǎn)云”,其中質(zhì)量等級的選擇與之前“對齊照片”一致。

4)“生成網(wǎng)格”,這一模塊中表面模型應(yīng)該選擇“任意”,源數(shù)據(jù)這一選項(xiàng)要選取“密集點(diǎn)云”,面數(shù)根據(jù)成像結(jié)果的質(zhì)量進(jìn)行設(shè)置。

5)“生成紋理”,到達(dá)這一步驟時映射模式應(yīng)該選“正射影像”,混合模式應(yīng)該選“鑲嵌”(默認(rèn)),紋理大小要設(shè)為“4096”。

6)“生成正射影像”,該步驟中投影要設(shè)為“WGS 84”,完成后進(jìn)行相片導(dǎo)出。

2.2 研究方法

為科學(xué)、準(zhǔn)確地反應(yīng)研究區(qū)復(fù)雜的景觀健康狀況,基于景觀分類結(jié)果,依據(jù)科學(xué)性、綜合性、系統(tǒng)性、可比性、實(shí)用性及可行性原則,結(jié)合自然遺產(chǎn)地突出普遍價值(OUV, Outstanding universal value)以及研究區(qū)景觀格局指數(shù),學(xué)習(xí)借鑒前人的相關(guān)研究,構(gòu)建景觀健康診斷體系。

2.2.1景觀健康診斷概念模型與診斷體系構(gòu)建

從景觀生態(tài)學(xué)角度出發(fā),基于遙感影像和研究區(qū)景觀時空格局指數(shù),參考陸麗珍[29]基于土地利用空間格局,構(gòu)建的適用于舟山島生態(tài)系統(tǒng)健康診斷的“活力-組織結(jié)構(gòu)-恢復(fù)力-生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能”評價指標(biāo)體系,遵循科學(xué)性、可持續(xù)性、系統(tǒng)性、代表性、數(shù)據(jù)可獲取性、普適性、獨(dú)特性原則[30],充分考慮目前區(qū)域景觀和旅游開發(fā)現(xiàn)狀、景觀格局動態(tài)演變過程、遺產(chǎn)地OUV在景觀演變中受到威脅的因素、景觀資源在區(qū)域開發(fā)規(guī)劃過程中承受的壓力,結(jié)合景觀健康、生態(tài)系統(tǒng)健康、生態(tài)安全度等研究中的評價體系,圍繞景觀受脅迫程度、景觀內(nèi)部與景觀相互間的活力狀況、突出普遍價值多樣性、受干擾后景觀恢復(fù)能力、景觀可提供的社會服務(wù)價值五個方面選取景觀健康診斷指標(biāo),構(gòu)建景觀健康診斷概念模型(圖4)與體系(表2),其中景觀脅迫度是反映景觀受到威脅程度；景觀活力是指景觀內(nèi)部活動狀況；景觀多樣性表現(xiàn)區(qū)域OUV的保持狀態(tài)；景觀恢復(fù)力是指景觀系統(tǒng)受到擾動后；景觀服務(wù)價值是指各景觀對人類社會所提供的物質(zhì)和生存環(huán)境的服務(wù)性能。

圖4 新疆天山自然遺產(chǎn)地喀拉峻-庫爾德寧區(qū)域景觀健康診斷概念模型Fig.4 Xinjiang Tianshan natural heritage site Karajun-Kurdening landscape health diagnosis conceptual model

2.2.2景觀健康診斷方法

景觀系統(tǒng)健康狀態(tài)綜合指數(shù)SHI：

SHIi=KLSDk×(1-LSDi)+KLVk×LVi+KLDk×LDi+KLRFk×LRFi+KLSVk×LSVi

(1)

式中,SHIi為i區(qū)域景觀健康狀態(tài)綜合指數(shù)；LSDi表示i區(qū)域景觀的景觀脅迫度值,LVi表示i區(qū)域景觀的景觀活力值,LDi表示i區(qū)域景觀的景觀多樣性值,LRFi表示i區(qū)域景觀的景觀恢復(fù)力值,LSVi表示i區(qū)域景觀的景觀服務(wù)價值數(shù)；KLSDk表示k年LSD的權(quán)重,KLVK表示k年LV的權(quán)重,KLDk表示k年LD的權(quán)重KLRFk表示k年LRF的權(quán)重,KLSVk表示k年LSV的權(quán)重。

表2 新疆天山自然遺產(chǎn)地喀拉峻-庫爾德寧區(qū)域景觀健康診斷指標(biāo)表

(1)景觀健康診斷指標(biāo)算法

脅迫度(LSD)：用裸地用景觀破碎度和景觀分離度[31]來表示。

景觀破碎度指數(shù)：

(2)

其中Ai表示i區(qū)域景觀破碎度；Aji表示i區(qū)域內(nèi)景觀j的破碎度；Ni表示i區(qū)域內(nèi)景觀類型數(shù)總和；Nji表示區(qū)域i內(nèi)景觀j的總斑塊數(shù)；Sji表示區(qū)域i內(nèi)景觀j的總面積。

景觀分離度指數(shù)：

(3)

其中,Bi表示i區(qū)域景觀分離度；Si表示i區(qū)域面積；Sij表示區(qū)域i內(nèi)景觀j的總面積。

景觀活力(LV)：通過植被指數(shù)、景觀聚集度[32]、景觀結(jié)合度[33]表示。

植被指數(shù)：

(4)

其中,Ci表示區(qū)域i內(nèi)植被指數(shù)；NDVIji表示區(qū)域i內(nèi)j景觀植被指數(shù)；Ni表示區(qū)域i內(nèi)景觀類型數(shù)。

景觀聚集度指數(shù)：

(5)

其中,Di表示i區(qū)域景觀聚集度指數(shù)；Sij表示區(qū)域i內(nèi)景觀j的總面積；S表示研究區(qū)總面積,AI表示整體研究區(qū)景觀聚集度指數(shù)。

景觀結(jié)合度指數(shù)：

(6)

其中,Di表示i區(qū)域景觀結(jié)合度指數(shù)；Sij表示區(qū)域i內(nèi)景觀j的總面積；S表示研究區(qū)總面積,CHOESION表示整體研究區(qū)景觀結(jié)合度指數(shù)。

景觀多樣性(LD)：選擇Shannon多樣性、Shannon均勻度[34]、景觀豐富度[35]指數(shù)表征景觀組織結(jié)構(gòu)。

Shannon多樣性指數(shù)：

(7)

其中,Fi表示i區(qū)域景觀結(jié)合度指數(shù)；Sij表示區(qū)域i內(nèi)景觀j的總面積；S表示研究區(qū)總面積,SHDI表示整體研究區(qū)景觀結(jié)合度指數(shù)。

Shannon均勻度指數(shù)：

(8)

其中,Gi表示i區(qū)域景觀Shannon均勻度指數(shù)；Fi表示區(qū)域i內(nèi)景觀Shannon多樣性指數(shù)；mi表示i區(qū)域斑塊類型數(shù)量。

景觀豐富度指數(shù)：

(9)

其中,Hi表示i區(qū)域景觀豐富度指數(shù)；Ni表示i區(qū)域景觀類型數(shù)；Si表示i區(qū)域面積。

景觀恢復(fù)力(LRF)：根據(jù)不同景觀類型對整體景觀系統(tǒng)恢復(fù)的貢獻(xiàn)和作用,考慮研究區(qū)位于我國伊犁河谷地帶,氣候溫和濕潤與我國西部干旱區(qū)氣候的差異性,因此選擇參考劉明華[36]等的研究,構(gòu)建適用于本研究區(qū)的各類型景觀恢復(fù)力值(表3)。

表3 新疆天山自然遺產(chǎn)地喀拉峻-庫爾德寧區(qū)域各類型景觀恢復(fù)力賦值

景觀恢復(fù)力計算公式為:

(10)

式中,R為生態(tài)系統(tǒng)總恢復(fù)力；Ai為第i種地類面積；Ri為第i種地類的恢復(fù)力系數(shù),A為研究區(qū)總面積。

景觀服務(wù)價值(LSV)：是指景觀系統(tǒng)能夠?yàn)槿祟惿鐣峁┪镔|(zhì)和生存環(huán)境的能力[37]?；诟邅嗻Q[38]等人的研究,通過計算伊犁河谷地區(qū)2001—2012年生態(tài)服務(wù)價值平均值與景觀類型平均值商值,來代表研究區(qū)單位面積景觀服務(wù)價值。其中水體服務(wù)價值較高是由其面積較小導(dǎo)致,同時也與我國西北干旱區(qū)實(shí)際相符(表4)。

表4 新疆天山自然遺產(chǎn)地喀拉峻-庫爾德寧區(qū)域景觀服務(wù)價值

景觀服務(wù)價值指數(shù)：

(11)

其中Ji表示i區(qū)域景觀服務(wù)價值指數(shù)；Sij表示i區(qū)域j景觀面積；Wj表示j景觀服務(wù)價值。

(2)指標(biāo)權(quán)重確定與量綱統(tǒng)一

影響新疆天山自然遺產(chǎn)地景觀健康狀況的指標(biāo)較多,且關(guān)系復(fù)雜,為確保權(quán)重系數(shù)的客觀性、公正性和科學(xué)性,運(yùn)用變異系數(shù)賦權(quán)法確定權(quán)重。用Vi表示指標(biāo)Ci的變異系數(shù),指標(biāo)Ci的權(quán)重系數(shù)公式如下[39],指標(biāo)權(quán)重系數(shù)表5。

(12)

量綱統(tǒng)一通過極值歸一化方法實(shí)現(xiàn)：

(13)

式中,Pi為標(biāo)準(zhǔn)化后i指標(biāo)值；max(Xi)為i指標(biāo)最大值,min(Xi)為i指標(biāo)最小值。

(3)景觀健康診斷等級劃分

景觀健康診斷等級的劃分參考陸麗珍關(guān)于舟山島生態(tài)系統(tǒng)健康評價的等級劃分進(jìn)行,景觀健康診斷等級表6所示。

2.2.3區(qū)域景觀格網(wǎng)化診斷

為了對研究區(qū)內(nèi)每一處景觀健康狀況進(jìn)行診斷,采用格網(wǎng)化處理[40- 42],在研究區(qū)內(nèi)生成大小、面積一致的網(wǎng)格(研究區(qū)邊緣部分除外),對每一個網(wǎng)格內(nèi)的景觀健康狀態(tài)進(jìn)行診斷,最后以各網(wǎng)格景觀健康診斷值為基礎(chǔ),通過ArcGIS中插值分析[43- 44],做出研究區(qū)景觀健康診斷結(jié)果圖,使同一年內(nèi)研究區(qū)內(nèi)每一處景觀都將能夠被評價到。

(1)診斷單元

將研究區(qū)范圍等間距3km×3km網(wǎng)格化,生成273個網(wǎng)格作為本次研究的診斷單元。網(wǎng)格化依據(jù)：1)本研究的影像像元大小為30m×30m,網(wǎng)格化要為其倍數(shù),易于分割與比較。2)考慮到如果劃分太小,每一網(wǎng)格將景觀分割過于破碎,將會影響到診斷的準(zhǔn)確性。3)經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)認(rèn)為3km×3km網(wǎng)格大小較為合適比較與數(shù)據(jù)處理。研究區(qū)網(wǎng)格化圖5所示,網(wǎng)格編號從左下至右上由1至273依次編號。

表5 新疆天山自然遺產(chǎn)地喀拉峻-庫爾德寧區(qū)域景觀健康診斷指標(biāo)權(quán)重表

表6 新疆天山自然遺產(chǎn)地景觀健康診斷等級劃分表

圖5 研究區(qū)網(wǎng)格化圖Fig.5 Sketch map of Gridding of study area

(2)ArcGIS空間插值

以網(wǎng)格中心點(diǎn)代表整個網(wǎng)格景觀健康狀態(tài),將各網(wǎng)格景觀健康診斷賦值于網(wǎng)格中心點(diǎn),在整個研究區(qū)進(jìn)行反距離權(quán)重插值方法進(jìn)行空間插值分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同區(qū)域景觀健康診斷

(1)不同景觀健康狀況評估

基于研究區(qū)1977、1990、1997、2013、2017年景觀類型變化情況(表7),結(jié)合景觀格局指數(shù)和目前已有研究成果,分析評估研究區(qū)不同景觀健康狀況。

表7 1977—2017年新疆天山自然遺產(chǎn)地喀拉峻-庫爾德寧區(qū)域景觀類型變化情況表

由表7可以看出：1977—2017年研究區(qū)主要景觀為針葉林及各類草地(高、中、低覆蓋度草地),其面積之和分別占5個時段研究區(qū)面積的70.51%、76.64%、71.24%、74.89%、73.58%。結(jié)合已有景觀格局指數(shù)分析不同景觀生態(tài)健康狀況[24]：針葉林景觀各年占有率變化起伏小,1977—2017年面積增加37.16%,變化率為12%,景觀健康狀態(tài)為健康；針闊混交林占有率降低,40年間變化率為-76.89%,景觀健康狀態(tài)堪憂；草地類景觀是研究區(qū)的主體景觀,40年間各類型草地占有率變化幅度相對穩(wěn)定,景觀狀態(tài)健康穩(wěn)定,說明研究區(qū)山地草原草甸景觀是最典型的代表；冰雪、水體景觀總體占有率較低,但水資源類型景觀是西北干旱區(qū)各景觀類型存在的基礎(chǔ),而且研究區(qū)冰雪、水體景觀所見程度較大,尤其冰雪景觀變化率為-84.49%,全球大環(huán)境變化也對景觀健康狀態(tài)造成影響；裸地景觀占有率呈現(xiàn)持續(xù)擴(kuò)張態(tài)勢,變化率高達(dá)62.54%,裸地面積不斷擴(kuò)張或?qū)?dǎo)致研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋程度、整體景觀抗干擾度以及自我恢復(fù)能力降低。

(2)不同時期景觀健康診斷均值分析

先通過影像分類和指數(shù)計算分析,根據(jù)景觀健康診斷體系,計算不同時期各網(wǎng)格區(qū)的景觀健康診斷值,其結(jié)果非常龐大,而且不同時期各區(qū)域景觀健康診斷值對比較難,因此通過計算不同年份各網(wǎng)格區(qū)景觀健康診斷的均值,來實(shí)現(xiàn)對景觀健康狀況的診斷,表8所示：

表8 1977—2017年新疆天山自然遺產(chǎn)地喀拉峻-庫爾德寧區(qū)域景觀健康診斷結(jié)果

由表8可以看出各研究時段內(nèi)景觀健康診斷值由高到低排列為：1990年景觀健康診斷值最高為0.56,2017年景觀健康診斷值為0.52,2013年景觀健康診斷值為0.48,1997年景觀健康診斷值為0.41,1977年景觀健康診斷值最低為0.33；1977至1990年研究區(qū)景觀健康狀態(tài)明顯升高,1990至1997年間研究區(qū)景觀健康狀態(tài)降低,1997至2017年間研究區(qū)景觀健康狀態(tài)持續(xù)升高；景觀健康等級方面：1977年景觀健康狀況較差,1990、1997、2013、2017年景觀健康狀況均為一般。

3.2 景觀健康診斷空間插值分析

從不同區(qū)域景觀健康診斷結(jié)果可以看出,最終結(jié)果太過于簡潔與概括,只用一個數(shù)值來表達(dá)某一年整個研究區(qū)的景觀健康狀況,無法看出研究區(qū)內(nèi)部景觀健康狀況在空間上的分布與變化情況,因此,以273個網(wǎng)格中心點(diǎn)來代替網(wǎng)格區(qū)域,并將景觀健康診斷值賦值于中心點(diǎn)之上,再通過ArcGIS空間插值方法對研究區(qū)景觀健康狀況進(jìn)行計算與處理,得到能夠從時間與空間上反應(yīng)景觀健康狀況診斷結(jié)果圖(圖6所示)。同時根據(jù)景觀健康診斷等級劃分,對273個網(wǎng)格景觀健康診斷值進(jìn)行統(tǒng)計分析(表9),從數(shù)據(jù)上進(jìn)一步精確反應(yīng)區(qū)域景觀健康格局演變狀況以及各類健康等級占比。

表9 1977—2017年研究區(qū)各網(wǎng)格區(qū)景觀健康診斷值等級劃分表(%)

圖6 新疆天山自然遺產(chǎn)地喀拉峻-庫爾德寧區(qū)域1977—2017年景觀健康診斷結(jié)果圖Fig.6 Results of landscape health diagnosis by Xinjiang Tianshan natural heritage site Karajun-Kurdening in 1977—2017 years

由圖6和表9得出：研究區(qū)1977年間90.11%的區(qū)域景觀健康狀態(tài)為較差,中北部零星出現(xiàn)8.8%的區(qū)域?yàn)橐话憬】?并非區(qū)域內(nèi)所有景觀健康均為較差。1990年間54.21%的區(qū)域健康等級為一般,廣泛分布于研究區(qū)中部、東南部以及西部部分區(qū)域；32.97%的區(qū)域景觀健康程度為較好,主要分布在研究區(qū)東北、中偏西部分區(qū)域,以及西南少部分區(qū)域；還有4.4%、7.69%、0.73%的區(qū)域景觀健康等級分別為良好、較差和極差,說明整體呈現(xiàn)一般與較好的區(qū)域內(nèi)還存在較差與極差的景觀。1997年間45.79%的區(qū)域景觀健康狀態(tài)為一般,且主要分布于研究區(qū)北部；49.45%的區(qū)域景觀健康等級為較差,主要分布于南部區(qū)域；3.3%的區(qū)域景觀健康較好且零星出現(xiàn)在健康狀況一般的區(qū)域中；南部也存在一般健康的區(qū)域。2013年間53.11%的區(qū)域景觀健康狀況為一般且分布廣泛；29.3%的區(qū)域景觀健康狀況較差,主要分布于研究區(qū)中偏南部高山地帶；13.56%區(qū)域景觀健康狀況為較好,主要在北部區(qū)域,且部分較好的區(qū)域內(nèi)部共出現(xiàn)3.3%景觀健康狀況為良好的區(qū)域。2017年間景觀健康狀況一般的區(qū)域占總面積的53.11%,分布也與2013年類似；24.54%的區(qū)域景觀健康等級為較好,主要分布于中偏西和東北部分區(qū)域；17.95%區(qū)域景觀健康程度較差,主要出現(xiàn)在南部、西北部。綜合1977—2017年來看,極差這一景觀健康等級出現(xiàn)的區(qū)域個數(shù)較為穩(wěn)定,占比最少且分布較為分散；較差的等級在1977年占比最多,其次是在1997年,而且自1997年以后較差的占比逐漸呈現(xiàn)下降趨勢,同時發(fā)現(xiàn)較差的區(qū)域主要是分布在研究區(qū)的南部與中偏南部的高山地區(qū)；景觀健康為一般的占比除了1977年以外其余年相對保持平穩(wěn)且占比基本超過50%,1990、2013、2017年分布較為廣泛；景觀健康等級較好的區(qū)域在1990年占比最高為32.97%,1997—2017年間較好的區(qū)域占比也在逐年增加；景觀等級為良好的區(qū)域個數(shù)較少且分布較為分散與極差等級相似。

3.3 無人機(jī)正射影像驗(yàn)證診斷結(jié)果

通過計算獲得的景觀健康診斷結(jié)果,應(yīng)當(dāng)對其準(zhǔn)確性通過一定的方法或數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,2018年7月8日至17日對研究區(qū)典型區(qū)域進(jìn)行無人機(jī)航空攝影測量,經(jīng)過處理得到了正射影像。無人機(jī)正射影像數(shù)據(jù)分辨率為厘米級,正射影像中能夠清楚的識別地物,利用其對景觀健康診斷結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析比較合適。將正射影像與景觀健康診斷結(jié)果進(jìn)行疊加圖7：

圖7 新疆天山自然遺產(chǎn)地喀拉峻-庫爾德寧區(qū)域景觀健康診斷結(jié)果正射影像驗(yàn)證圖Fig.7 Landscape health diagnosis results orthophoto verification chart by Xinjiang Tianshan natural heritage site Karajun-Kurdening

通過將2017年景觀健康診斷結(jié)果與無人機(jī)正射影像疊加后可以看出：2018年7月10日4#點(diǎn)位置無人機(jī)正射影像區(qū)域景觀健康狀態(tài)為較好外,其余獲取的無人機(jī)正射影像區(qū)域景觀健康均為一般。使用正射影像與景觀健康結(jié)果圖疊加,清楚的看出無人機(jī)航拍區(qū)域的地物景觀,能夠較直觀的對景觀健康結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,證明了本研究的景觀健康診斷結(jié)果基本符合實(shí)際情況,能夠代表當(dāng)時的景觀健康水平,進(jìn)而說明構(gòu)建的景觀健康診斷體系具有一定的科學(xué)與實(shí)際意義。

4 結(jié)論與討論

在景觀數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合其他相關(guān)指標(biāo)與前人研究成果,構(gòu)建適合新疆天山自然遺產(chǎn)地喀拉峻-庫爾德寧區(qū)域景觀健康診斷指標(biāo)體系,從表征自然遺產(chǎn)地突出普遍價值和景觀受干擾因素等方面選取10個診斷指標(biāo),利用變異系數(shù)法確定各時期指標(biāo)權(quán)重,運(yùn)用景觀指數(shù)法計算新疆天山自然遺產(chǎn)地喀拉峻-庫爾德寧區(qū)域的景觀健康值,并結(jié)合景觀健康診斷等級分析研究區(qū)的景觀健康狀況,得出如下結(jié)論：

(1)針葉林、草地類景觀為研究區(qū)主體景觀類型,40年來景觀格局變化狀況相對保持穩(wěn)定,景觀健康程度為健康；冰雪、水體、針闊混交林三類景觀縮減嚴(yán)重,景觀健康狀況堪憂；裸地景觀呈現(xiàn)持續(xù)擴(kuò)張態(tài)勢。

(2)研究區(qū)1977年景觀健康等級為較差且診斷值最低,1990年診斷值最高,1990、1997、2013、2017年景觀健康等級均為一般,1997至2017年間景觀健康診斷值持續(xù)升高。

(3)研究區(qū)1977年90%以上區(qū)域景觀健康等級為較差；1990、2013、2017年超過50%區(qū)域景觀健康等級為較好； 2017年景觀健康等級為一般與較好的區(qū)域面積幾乎持平；1997—2017年間景觀健康等級為良好的區(qū)域面積逐年增加,同時較差面積逐年減少；綜合1977—2017這40年來看,整體研究區(qū)北部區(qū)域景觀健康狀況要比南部好。

(4)通過實(shí)證研究結(jié)果說明建立的景觀健康診斷模型可操作性強(qiáng),指標(biāo)具有代表性,區(qū)域網(wǎng)格化與插值分析方法能夠全面真實(shí)的反應(yīng)出研究區(qū)內(nèi)景觀健康狀況,最后再結(jié)合無人機(jī)影像對診斷結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,進(jìn)一步體現(xiàn)了整套景觀健康診斷過程的科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性。

隨著保護(hù)區(qū)與遺產(chǎn)地的建立,有針對性的保護(hù)措施維持了研究區(qū)主體景觀健康狀態(tài),但針闊混交林受人類活動影響強(qiáng)烈,景觀受破壞程度大,恢復(fù)保護(hù)效果不明顯。水資源類景觀受到全球大氣候變化的影響顯著,隨著全球變暖的日益加劇面積逐漸減少,進(jìn)而導(dǎo)致了裸地面積的不斷增加,如果開發(fā)利用資源不當(dāng)?shù)热祟惢顒佑绊懠哟?今后裸地的擴(kuò)張或?qū)⒊蔀橛绊懻w生態(tài)系統(tǒng)健康的重要因素。研究區(qū)景觀健康診斷值大小與主體景觀面積占比有密切關(guān)系,1990年景觀健康診斷值最大,同時主體景觀面積在研究時段內(nèi)占比也最大,因此研究區(qū)內(nèi)對于主體景觀的保護(hù)力度不能夠松懈。通過將研究區(qū)網(wǎng)格化以及插值分析,能夠在大面積呈現(xiàn)一種景觀健康等級的區(qū)域中明確看出面積很小的其他景觀健康等級區(qū)域,例如1990年研究區(qū)景觀健康診斷值等級為一般,但其內(nèi)部還有32.97%區(qū)域?yàn)檩^好,良好、較差和極差部分也有零散,從整體來看可將占比較少的區(qū)域忽略,但如果從保護(hù)生態(tài)環(huán)境典型區(qū)的角度來看較差和極差的區(qū)域才是需要進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)的典型區(qū)域。人類活動也是影響區(qū)域健康狀況的重要因素,1983年西天山自然保護(hù)區(qū)建立,2013年新疆天山申遺成功,保護(hù)區(qū)管理部門的設(shè)立對區(qū)域景觀健康具有積極作用,這也是研究區(qū)1997年的景觀健康比1990年差很多, 一直到2013年以后均呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢的原因。最后要說明遙感影像的質(zhì)量以及景觀分類的精度是診斷結(jié)果準(zhǔn)確程度的基礎(chǔ)與根本,研究區(qū)1977年獲取的影像傳感器為MSS,其分辨率僅為78 m,這或許是導(dǎo)致90%以上區(qū)域景觀健康等級為一般的原因,早年間科技水平有限,但今后通過無人機(jī)來進(jìn)行精細(xì)化景觀健康診斷將是重要的研究方向與技術(shù)。