空間粒度下丘陵山地區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)景觀格局指數(shù)變化分析
——以四川省鹽亭縣為例

余忠原 朱 兵

綿陽師范學(xué)院，四川 綿陽 621000

0 引言

景觀格局分析方法是指用來研究景觀結(jié)構(gòu)組成特征和空間配置關(guān)系的分析方法［1-2］。在研究農(nóng)村居民點(diǎn)這類景觀時(shí)，景觀格局分析法被廣大學(xué)者經(jīng)常使用［3］，如用于研究農(nóng)村居民點(diǎn)的土地利用現(xiàn)狀、農(nóng)村居民點(diǎn)布局優(yōu)化等。但是，由于已有的并且被廣泛使用的景觀指數(shù)計(jì)算軟件（如Fragstats）在被使用時(shí)，大多學(xué)者是以TIFF（Tag Image File Format）格式的柵格圖像數(shù)據(jù)作為軟件支持使用的數(shù)據(jù)源，而柵格數(shù)據(jù)是由特定的像元大小組成的，利用其進(jìn)行景觀格局指數(shù)計(jì)算，容易造成“可塑性面積單元問題”［4-5］，也就是隨著基本的面積單元大小的不同，景觀指數(shù)的分析結(jié)果也會產(chǎn)生變化。鑒于此，對于如何理解不同粒度的景觀格局指數(shù)變化的問題，國內(nèi)有大量的學(xué)者展開了深入探討。例如，耿煥俠等［6］以江蘇省豐縣比例尺為1∶10 000 的第二次國土調(diào)查數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源基礎(chǔ)，提取出農(nóng)村居民點(diǎn)后，以10 m 為步長，分析了10～200 m 20 個(gè)研究尺度下特定的8 個(gè)景觀類型變化。同樣的，冀亞哲等［7］則根據(jù)江蘇省鎮(zhèn)江市比例尺為1∶10 000的現(xiàn)行土地利用狀況信息，分析了4 種不同研究規(guī)模下城鎮(zhèn)化景觀結(jié)構(gòu)的空間細(xì)分反應(yīng)。綜合前人研究結(jié)果可以看出，首先大部分研究地區(qū)的數(shù)據(jù)質(zhì)量不高，且比例尺相對較小，通常低于1∶10 000［8-13］；其次，雖然個(gè)別學(xué)者對不同粒度下農(nóng)村居民點(diǎn)的景觀格局指數(shù)進(jìn)行了研究，但大多關(guān)注點(diǎn)是景觀格局指數(shù)在土地利用中的粒度效果分析［14-19］。由于每個(gè)具體的研究地點(diǎn)和景觀種類都有其獨(dú)特的景觀特性，因而當(dāng)空間粒度變化時(shí)所受的影響也會不同，所以探究出的尺度不能夠確定可以適用于所有研究區(qū)域和景觀類型，只能針對特定類型的研究區(qū)域、特定的景觀類型探究其適宜粒度。

位于川中丘陵山地區(qū)的四川省綿陽市鹽亭縣是全國綠化先進(jìn)縣，其農(nóng)村居民點(diǎn)景觀可以代表我國西南丘陵山地區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)的景觀。因此，筆者選擇該縣作為研究對象，將鹽亭縣農(nóng)村居民點(diǎn)矢量數(shù)據(jù)按照20 種不同的空間粒度分別轉(zhuǎn)化為柵格圖［20］，從規(guī)模特征、形狀特征、集聚特征中選取8 個(gè)景觀格局指數(shù)，分別計(jì)算不同空間粒度下的8 個(gè)景觀指數(shù)值；分析當(dāng)研究區(qū)域?yàn)榍鹆晟降貐^(qū)、研究尺度為縣域、研究對象為農(nóng)村居民點(diǎn)時(shí)，采用景觀格局分析法可以選取的最佳粒度空間范圍及最佳粒度。

1 研究區(qū)域概況

鹽亭縣位于四川盆地中部偏北，地處嘉陵江、涪江分水嶺上；行政區(qū)域面積約1 645.45 km2，轄區(qū)14 個(gè)鎮(zhèn)、2 個(gè)鄉(xiāng)、1 個(gè)街道。2021 年，鹽亭縣總?cè)丝诩s52.5萬人，地區(qū)總產(chǎn)值達(dá)到191.32億元，城市居民人均年收入39 680 元，農(nóng)村居民人均年收入20 323 元。鹽亭縣以低山丘陵地貌為主，地勢由北面向南面傾斜（北高南低），海拔350～650 m，境內(nèi)河流以梓江為主，水系分布呈羽毛狀。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

此次研究擬用到的數(shù)據(jù)主要來源于鹽亭縣自然資源和規(guī)劃局。土地利用現(xiàn)狀圖（比例尺精度為1∶5 000）來自鹽亭縣第三次土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)，社會經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來自《鹽亭統(tǒng)計(jì)年鑒2021》。借助ArcGIS 10.7 軟件，從土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)中提取鹽亭縣農(nóng)村居民點(diǎn)數(shù)據(jù)，從數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數(shù)據(jù)中提取出相關(guān)地形數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

為更精準(zhǔn)且詳細(xì)地監(jiān)測不同空間粒度對景觀格局指數(shù)的影響，將鹽亭縣農(nóng)村居民點(diǎn)矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)后，以5 m 的變化間隔生成0～100 m 內(nèi)20種不同空間粒度的景觀數(shù)據(jù)。結(jié)合以往學(xué)者的研究及鹽亭縣的區(qū)域特點(diǎn)［21-27］，從景觀規(guī)模特征中選取斑塊面積（CA）、斑塊數(shù)量（NP）、斑塊密度（PD），從景觀形狀特征中選取平均形狀指數(shù)（MSI）、平均分維數(shù)（MPFD），從景觀集聚特征中選取聚合度指數(shù)（AI）、整體性指數(shù)（COHESION）、平均最鄰近距離指數(shù)（MNN），共計(jì)8個(gè)常用景觀指數(shù)，借助Fragstats 4.2探討不同空間粒度下丘陵山地區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)的景觀格局指數(shù)差異。

3 不同空間粒度下農(nóng)村居民點(diǎn)景觀格局指數(shù)變化分析

3.1 鹽亭縣農(nóng)村居民點(diǎn)用地特征

根據(jù)丘陵山地區(qū)的區(qū)域特點(diǎn)，借助ArcGIS將鹽亭縣的農(nóng)村居民點(diǎn)按斑塊面積大小劃分為0～0.33、0.33～0.67、0.67～1.00、1.00～1.33 hm2和大于1.33 hm2共5類。分析可知，2020 年鹽亭縣農(nóng)村居民點(diǎn)用地總規(guī)模84.85 km2，占土地總面積的5.16%，人均占地面積為228.87 m2，超出四川省農(nóng)村宅基地丘陵地區(qū)最高標(biāo)準(zhǔn)（40 m2/人）的上限。由表1可知，鹽亭縣的農(nóng)村居民點(diǎn)斑塊面積在0～0.67 hm2的占比為22.89%，然而斑塊的數(shù)量卻占了58.08%。這意味著鹽亭縣大多數(shù)農(nóng)村居民點(diǎn)的斑塊面積不超過0.67 hm2，呈現(xiàn)出明顯“小集聚、大分散、小規(guī)模、大密度”的布局特征。

3.2 規(guī)模特征指數(shù)

CA用來表示農(nóng)村居民點(diǎn)的斑塊總面積，由圖1 可知，空間粒度由5 m 增加至100 m 過程中，CA會經(jīng)歷4個(gè)變化階段：5～35 m，CA呈穩(wěn)定趨勢；35～65 m，CA增長速度逐漸減緩；65～85 m，CA增長速度提高；85～100 m，CA又恢復(fù)到了平穩(wěn)狀態(tài)。經(jīng)SPSS 2.2 分析可得，鹽亭縣CA標(biāo)準(zhǔn)偏差（0.38）較小。

圖1 鹽亭縣農(nóng)村居民點(diǎn)景觀CA變化圖

總體來說，空間粒度的改變對景觀面積的影響較小，且景觀面積的變化范圍保持在-1.78～1.60 km2，農(nóng)村居民點(diǎn)CA受空間粒度的影響較小。

NP在景觀級別上等于景觀中所有的斑塊總數(shù)；PD反映單位面積上的斑塊數(shù)量，體現(xiàn)了某一景觀類型在景觀格局中的優(yōu)勢度，PD越大，說明該類型在區(qū)域中分布數(shù)量越多，相互之間的影響力越大［28］。由圖2和圖3 可知，當(dāng)空間粒度逐漸增大時(shí)，NP與PD變化相似，近似呈指數(shù)型下降趨勢，R2幾乎相同，分別為0.982 6和0.982 5。根據(jù)景觀指數(shù)的變化情況，可將粒度范圍劃分為3 個(gè)階段：第一個(gè)階段是5～15 m，NP和PD變化率絕大部分均低于5%，處于緩慢穩(wěn)定的降低階段；第二個(gè)階段是15～60 m，NP和PD變化率均大于10%，處于快速降低階段；第三個(gè)階段是60～100 m，為波動減少階段。隨著粒度空間的持續(xù)提升，NP從5 m 處的51 648 個(gè)逐步減少到100 m 處僅有的5 747 個(gè)，其比例下降了88.88%；PD也同樣呈遞減趨勢，從5 m 時(shí)的608.70 個(gè)/km2減少至100 m 時(shí)的68.00 個(gè)/km2，占比下降了88.83%。相對而言，NP和PD的變動比CA更為顯著，受到空間粒度變動的沖擊更大。隨著空間粒度的增加，NP與PD減少，鹽亭縣農(nóng)村居民點(diǎn)呈現(xiàn)出的景觀優(yōu)勢度降低。

圖3 鹽亭縣農(nóng)村居民點(diǎn)景觀PD變化圖

3.3 形狀特征指數(shù)

MSI可反映研究區(qū)域內(nèi)圖斑規(guī)則程度，MSI值越接近1，則意味著斑塊形狀越接近正方形，斑塊越規(guī)則；MPFD表示斑塊形狀的不規(guī)則程度，MPFD值越接近1.0 則表明斑塊形狀越簡單，MPFD值越接近2.0則表明斑塊形狀越復(fù)雜［29］，MPFD值等于1.5 則判定斑塊空間結(jié)構(gòu)最不穩(wěn)定。由圖4 和圖5 可知，MSI與MPFD呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)下降趨勢，隨著粒度增加，數(shù)值不斷地向1 趨近。根據(jù)景觀變化情況可以將MSI分為3 個(gè)階段，第一階段為粒度5～25 m 的快速降低階段，這一階段MSI值變化率在2%以上；第二階段為粒度25～45 m的低速降低階段，這一階段MSI值的變化率在1%以上；第三階段為45～100 m 的穩(wěn)定波動階段，這一階段MSI值雖然波動較大，但整體都低于1%，并且MSI值區(qū)間為［1.06，1.10］，此階段的MSI值變化已經(jīng)不影響景觀形狀特征的判定。而與MSI不同，MPFD雖然也是隨著粒度空間由5～100 m 的過程中，變化程度不斷趨緩，但整體變化率均低于1.1%，且數(shù)值區(qū)間為［1.01，1.08］，粒度空間的變化不影響景觀形狀的判定。

圖4 鹽亭縣農(nóng)村居民點(diǎn)景觀MSI變化圖

圖5 鹽亭縣農(nóng)村居民點(diǎn)景觀MPFD變化圖

3.4 集聚特征指數(shù)

AI反映的是景觀類型斑塊間的連通性，AI取值越小，表明斑塊的聚集程度越低。COHESION代表了景觀的連貫程度，COHESION值越高則意味著景觀斑塊分布更為密集。由圖6和圖7可知，隨著空間粒度的不斷增大，AI和COHESION均呈冪函數(shù)下降，R2分別為0.927和0.899；隨著粒度空間的增大，AI與COHESION兩個(gè)集聚指數(shù)影響強(qiáng)度不斷降低。根據(jù)指數(shù)變化情況，可以把粒度空間分為3 個(gè)階段：第一階段是粒度在5～45 m 的高速降低階段，這一階段AI值的變化率大于9.86%，COHESION值的變化率大于8.16%；第二階段為45～80 m 的低速降低階段，這一階段AI與COHESION值變化率大于5%；第三階段為粒度80～100 m 的波動降低階段，這一階段AI與COHESION值變化率波動較大，但是數(shù)值區(qū)間較小，此時(shí)的粒度空間變化對集聚特征的影響不大。AI和COHESION值分別從11.72和26.77降到10.70和24.30。

圖6 鹽亭縣農(nóng)村居民點(diǎn)景觀AI變化圖

MNN反映的是景觀的空間格局，MNN值越大，斑塊間相隔距離越遠(yuǎn)，景觀越分散。由圖8 可知，隨著粒度空間的增大，MNN迅速增大，農(nóng)村居民點(diǎn)景觀越來越分散。根據(jù)變化情況，可以把粒度空間分為兩個(gè)階段：第一階段為粒度5～60 m 的快速增大階段，這一階段MNN值變化率大于10%（除粒度55 m），MNN值由36.77 迅速增大到170.93；第二階段為粒度60～100 m的慢速增大階段，這一階段MNN變化率波動不大且增長速度在5%之上。3 個(gè)景觀聚集特征指數(shù)的數(shù)值變化反映出，隨著空間粒度的增大，其他景觀類型轉(zhuǎn)移至農(nóng)村居民點(diǎn)景觀的頻率增加，而農(nóng)村居民點(diǎn)各個(gè)區(qū)域之間的連接程度則逐漸減弱，這些區(qū)域之間斑塊的分布也變得更加散亂。

圖8 鹽亭縣農(nóng)村居民點(diǎn)景觀MNN變化圖

4 較適宜空間粒度的選定

總結(jié)歸納可知，以5 m 為步長劃分20 個(gè)粒度空間，在粒度由5 m 增大到100 m 的過程中，景觀格局指數(shù)的變化情況可以劃分為3 種：第一種是以CA和MPFD為代表的穩(wěn)定型，在空間粒度的變化過程中這類景觀格局指數(shù)變化對景觀分析結(jié)果的影響較??；第二種是以MNN為代表的上升型，這類景觀格局指數(shù)隨著粒度空間的不斷增大而不斷上升；第三種是以NP、PD、MSI、AI及COHESION為代表的減少型，這類景觀格局指數(shù)隨著粒度空間的不斷增大而不斷減小。變異系數(shù)即CV值，主要用來表示不同樣本數(shù)據(jù)的離散程度，CV值越大，離散程度越高。選取的8 個(gè)景觀指數(shù)的CV值如表2 所示，CV值較大的是AI、PD、NP，CV值較小的是CA。

表2 粒度空間變化下鹽亭縣景觀指數(shù)CV值

確定適宜的粒度空間范圍，必須要全面顧及前文探討的景觀格局指數(shù)變化的拐點(diǎn)特征。對于類似CA、MPFD的穩(wěn)定類型的景觀格局指數(shù)，研究農(nóng)村居民點(diǎn)景觀格局特征時(shí)不用刻意考慮空間粒度大小，任何粒度都可以使用這些景觀格局指數(shù)；類似MNN的上升類型和類似NP、PD、MSI的減少型景觀格局指數(shù)受粒度空間變化的影響較為明顯，所以應(yīng)首先確定適宜尺度區(qū)間，然后在所有的適宜尺度區(qū)間內(nèi)選擇一個(gè)適宜空間粒度范圍。綜合考慮各景觀格局指數(shù)適宜尺度區(qū)間及最終軟件Fragstats實(shí)際計(jì)算工作量（見表3），當(dāng)研究目的是景觀格局分析，研究對象是丘陵山地區(qū)的農(nóng)村居民點(diǎn)時(shí)，選擇25～45 m 的粒度空間是比較合適的，而最優(yōu)的粒度為45 m。

表3 景觀格局指數(shù)適宜尺度區(qū)間及適宜粒度范圍

5 結(jié)論與不足

在數(shù)據(jù)源為鹽亭縣第三次土地調(diào)查數(shù)據(jù)（比例尺為1∶5 000）的基礎(chǔ)上，對不同空間粒度的丘陵山區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)3 種類型的景觀格局指數(shù)進(jìn)行了深入分析，并得出了以下結(jié)論。

一是丘陵山地區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)大多都呈現(xiàn)“小規(guī)模、大分散”的分布特征，在對農(nóng)村居民點(diǎn)進(jìn)行景觀格局分析時(shí)，粒度空間的選取尤為重要。選取的粒度空間不同，丘陵山地區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)的景觀特征不盡相同，農(nóng)村居民點(diǎn)的景觀規(guī)模特征、景觀形狀特征及景觀集聚特征等都會發(fā)生特定的變化，也就是說，不同的景觀格局指數(shù)受空間粒度的影響各異。

二是當(dāng)空間粒度逐步增加時(shí)，在景觀規(guī)模特征中，斑塊面積指數(shù)變化并不顯著，斑塊數(shù)量指數(shù)及斑塊密度指數(shù)以指數(shù)函數(shù)形式逐漸減少；景觀形狀特征里平均斑塊分維數(shù)指數(shù)總體趨于穩(wěn)定指數(shù)，雖然呈指數(shù)函數(shù)下降，但下降緩慢；景觀形狀特征里的平均斑塊形狀指數(shù)和景觀集聚特征里的聚合度指數(shù)、整體性指數(shù)均呈現(xiàn)冪函數(shù)下降趨勢，而平均最鄰近指數(shù)的變化趨勢按指數(shù)函數(shù)呈現(xiàn)出增長趨勢。此外，隨著空間粒度的增大，景觀斑塊的形狀愈發(fā)規(guī)則，斑塊間連接程度降低，離散性增加。

三是當(dāng)研究目的是景觀格局分析，研究對象是丘陵山地區(qū)的農(nóng)村居民點(diǎn)時(shí)，選擇25～45 m 的粒度空間是比較合適的，而最優(yōu)的粒度為45 m。

此次研究深入探討丘陵山地區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)景觀的粒度空間變化對不同景觀格局指數(shù)的影響，可為今后研究此類型地區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)景觀格局的學(xué)者選取空間粒度時(shí)提供參考和借鑒依據(jù)。同時(shí)，此次研究還有很多不足，一是選取的景觀格局指數(shù)只是3 個(gè)景觀特征，無法保證最終確定的最佳粒度適用于其他景觀格局研究；二是沒有進(jìn)一步探討地區(qū)不同（平原地區(qū)、高原地區(qū)等）的農(nóng)村居民點(diǎn)景觀格局指數(shù)受粒度空間變化的影響，只單獨(dú)探討了丘陵山地區(qū)一個(gè)研究區(qū)域農(nóng)村居民點(diǎn)的景觀格局指數(shù)，研究深度還不夠。下一步可以選取多個(gè)類型的農(nóng)村居民點(diǎn)、更多的景觀格局指數(shù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ妊芯?，使研究更加科學(xué)。