基于GIS的景观空间格局地形分布及生态效应的研究_以黑龙江省尚志市帽儿山地区为例

1、 基于 GIS 的景观空间格局地形分布及生态效应的研究 以黑龙江省尚志市帽儿山地区为例 龚文峰 1, 杜 崇 1, 范文义 21. 黑龙江大学 水利水电学院 , 哈尔滨 1500862. 东北林业大学 林学院 , 哈尔滨 150040摘要 :采用地形位指数描述区域地形差异 , 并利用无量纲的分布指数对景观组分空间分布特征进行定 量分析 ; 通过地形差异揭示景观空间格局分布规律 , 并对各景观要素定量赋值 , 通过生态效应模型研究土 地利用综合生态效应 。 结果表明 :自然景观主导区域景观格局 , 人为景观次之 , 半自然景观则明显处于支 配地位 ; 各景观组分在地形位梯度上的分布格局表现出显著

2、分化 , 低段区域上各景观组分竞争激烈 , 分布 相对集中 , 高段区域 , 限制了部分景观的生存发展 , 景观组分相对单一 ; 生态环境质量好的区域 , 自然景观 为主体 ; 生态环境质量中等的区域 , 处于自然景观和人为景观的过渡地带 ; 生态环境差的区域 , 以人为景观 为主体 。关键词 :景观格局 ; 地形位指数 ; 分布指数 ; 生态环境质量中图分类号 :TP79 文献标识码 :A 文章编号 :1671-5888(2009 05-08收稿日期 :2009-03-24基金项目 :国家 “ 863” 项目 (2006AA12Z104 ; 黑龙江省教育厅项目 (11531294作者简介 :

3、龚文峰 (1976 , 男 , 河南南阳人 , 博士 , 主要从事 3S 技术 、 景观生态等方面的研究 , E 2mail :通讯联系人 :杜崇 (1978, 男 , 吉林农安人 , 博士 , 主要从事 3S 技术与环境模拟集成技术研究 , E 2mail :chongzi29641163. com 。Topography Ecological E ffects based on GIS A C ase Study in Maoershan R egion in H eilongjiang ProvinceGON G Wen 2feng 1,DU Chong 1,F

4、AN Wen 2yi 21. College of H y draulic and Elect rical Engineering , Heilong j iang Universit y , Harbin 150086, China 2. College of Forest , N ort heast Forest ry Universit y , Harbin 150040, ChinaAbstract :Terrain niche index was used to describe t he regional terrain difference and nondimensio 2na

5、l dist ribution index was used to quantitatively analyze t he spatial distribution characteristics based on t he spatial information of landscape component s. The characteristics of landscape spatial dist ribution was proclaimed by t he terrain difference and t he ecological model was used to st udy

6、 t he integrated eco 2logical effect and environment ecological quality of land use wit h t he assignment of t he value of landscape component s. The result showed t hat t he regional landscape pattern of nat ure landscape plays a leading role and t he artificial landscape takes t he second place ,

7、while t he role of half 2nat ural landscape is domi 2nance. In terrain niche ,t he spatial dist ribution of different landscape component s has obvious difference and t he competition of landscape component in lower dist rict is obvious wit h cent ralized dist ribution. 第 39卷 第 5期 2009年 9月 吉 林 大 学 学

8、 报 (地 球 科 学 版 Journal of Jilin University (Earth Science Edition Vol. 39 No. 5Sep. 2009 While in higher dist rict ,t he existence of some landscape co mponent s is restricted wit h single distribu 2tion. Nat ure landscape , nat ural and artificial 2made landscape and artificial landscape has priorit

9、y in t he area of good ,medium and bad environment respectivelyK ey w ords :landscape pattern ;terrain niche index ;dist ribution index ;ecological environment quality地形是景 观结 构 和 空 间 格 局 的 重 要 影 响 因 子 1-3, 国内外学者通过实例对地形因素与物种的 相关关系 、 植被格局的分布模型 、 生态系统格局及过 程和植被区域空间分析等都做了一些研究 。 虽然对 基于地形因素的景观空间格局分布特征研究已经引

10、 起关注 , 但对地形生态意义的探讨和景观空间格局 的地形分布特征研究还不多见 , 特别是人类活动占 一定优势的景观中 , 研究地形条件影响大尺度景观 空间分布格局 4这一领域很少 。此外 , 在研究景观 空间格局的地形分布特征和土地利用的基础上 , 对 各景观要素定量赋值以评价地形梯度的生态效应方 面的研究还不够深入 , 缺乏对土地利用生态效应的 综合评价 5。 本文运用景观生态学 , 通过地形差异 揭示景观空间格局分布的规律 , 生态过程 6, 行生态评价 , 作用 , , 改善及可持续发展都具有重要意义 。1研究区域及研究方法1. 1研究区域研究区域位于黑龙江省尚志市境内 , 区域面积

11、264. 99km 2, 坐标 :N 4510 4535 , E12720 12745 。 该区域东部以自然山脉与尚志市黑龙宫 、小九林场相邻 , 南部以哈绥铁路与国营林场局所辖 的帽儿山林场为界 , 西部和北部以自然分水岭为界 与阿城市平山林场 、 山河林场相接壤 , 共划分 10个 森林经营施业区 (经营和管理森林资源的基层林业 生产单位 , 为了合理地进行森林经营利用活动 、 开展 多种经营及考虑生产生活的方便 , 根据有效经营活 动的范围区划的地域 , 见图 1 。 该区域是温带大陆 性气候 , 四季比较分明 , 年平均温度为 2. 8 , 无霜 期为 120140d , 年降水量为

12、723. 8mm 。本区土壤条件较好 , 暗棕壤土面积占的比重比较大 , 有机质含量较高 , 植物生长期较长 。该地区社会经济条件 较好 , 工业发展迅速 , 农 、 林 、 牧业的发展迅速 , 形成以林为主 , 林 、 农 、 牧 、 副和渔等多种经济全面发展 , 初步以蔬菜 、 草莓 、 黑加仑 、 仁核果为主的特色种植 业框架和以鸡 、 鸭 、 鹅 、 鸳鸯鸭 、 山羊 、 绒山羊 、 肉牛等为主的特色养殖产业 。 图 1研究区域施业区位置图Fig. 1The location of extent of forest m anagement ofstudy area1. 2研究方法1.

13、2. 1景观分类参照 Co stanza 等对生态系统的划分 7-11和我 国土地利用现状分类系统 , 结合区域土地利用现状 和土地资源特点 7, 对土地利用进行详细划分 , 土地 类型分为有林地 、 灌丛 、 农耕地 、 水域 、 迹地 (采伐迹 地和火烧迹地 、 荒山荒地 、 居民用地和未利用地 。 1. 2. 2数据来源与处理地形信息以该区域 1991年 1 50000的地形 图作为基础数据来源 , 在 Arc GIS 9. 0的支持下 , 对 扫描的地形图进行地理坐标校正和等高线矢量化处009 吉 林 大 学 学 报 (地 球 科 学 版 第 39卷 理 。 先将等高线数据生成 TIN

14、 模型 , 然后转化为规 则格网的 GRID 数据格式 , 建立研究区的 DEM 模 型 , 并派生出坡度等数据 。研究中所需要的数据源是 2006年的 SPO T5遥感图像 , 借助 ERDAS IMA GIN E 9. 2遥感图像处 理软件 , 将遥感影像进行假彩色合成及图像增强处 理 , 在 1 50000的地形图上选取地面控制点 , 并结 合研究区域的 DEM 模型 , 对图像进行正射处理 , 使 其与地形图进行精确配准 , 保证总体误差均控制在 一个像元点之内 , 并根据研究区域边界对图像进行 剪裁处理 。 依据景观分类的标准和研究区域的林相 图 , 在 Arc GIS 9. 0平台

15、上根据影像特征 (主要是颜 色 、 纹理等 建立判读志 , 对影像进行监督分类和交 互式目视解译 , 获取区域土地利用数据 。1. 3地形位指数和分布指数的构建单一地形因子无法体现地形对景观空间格局分 布特征的综合影响 , 为综合反映研究地区地形条件 的空间分异 , 参照喻红 4的方法 , 利用地理信息系统 模型建模方法 ,数 ,分类 ,空间分布特征 。 :T =log (E +1 (S +1 。 式中 :T 为地形位 ; E 及 E 分别代表空间任一点的 高程值和该点所在区域内的平均高程值 ; S 与 S 分 别代表空间任一点的坡度值和该点所在区域内的平 均坡度值 。 利用上式转换后 , 空

16、间上每一点都有一 个地形位 , 原来地形属性 (高程与坡度 可由地形位 来综合描述 。可见 , 高程低 、 坡度小的地域地形位 小 , 高程高 、 坡度大的地域地形位大 , 其它组合情况 的地形位则居中间值区间 。不同景观类型在地形位上的出现分布频率可比 性受到各景观类型面积带来的量纲影响 4。因此 , 采用喻红 4标准分布概念来进行不同地形位区段或 不同类型间的比较 , 分布指数公式如下 :P =(S ie /S i /(S e /S 。式中 :P 为分布指数 ; S ie 为 e 地形位下第 i 种景观组 分的面积 ; S i 为整个研究区内第 i 种景观类型的总 面积 ; S e 表示整

17、个工作区内 e 种地形位的总面积 ; S 为整个研究区域的面积 。 P 值越大 , 表明某景观组 分出现的频率越高 。1. 4景观格局指标从景观多样性和景观要素斑块形状出发 , 选取 景观多样性指数和平均分维数指标来反映景观的空 间格局特征 , 定量描述景观格局 。1. 4. 1景观多样性指数 (S H D I 描述不同景观元素面积比重分布的均匀程度以 及主要景观元素的优势性程度 。 其计算公式如下 :S H D I =-mi =1p i log 2(p i 。式中 :m 为景观要素类型数目 ; p i 为第 i 景观类型所 占面积比例 。在景观多样性的测度上 , S H D I 是对 不同景

18、观的丰富程度和复杂程度的反映 , 即在一个 景观系统中 , 景观要素类型越丰富 , 破碎化程度越 高 , 其信息含量和信息的不确定性也越大 。1. 4. 2平均分维数M C ln (A /N 。 ; N 表示斑块个 12, 用来量度景观斑 块形状的复杂程度或斑块形状影响内部斑块的生态 过程 , 可以测定斑块形状的复杂程度 , 斑块的几何形 状越趋近于简单 , 斑块的自相似性越强 。1. 5生态效应指数参考 Co stanza 等提出的各种生态系统服务价 值之间的比例关系 13, 结合该区域各景观类型生态 质量的实际情况 , 参照 Co stanza 8、 岳书平 14并采 用多位生态专家评估法

19、对不同景观类型在 0,1之 间赋值 , 作为其相对生态价值 (表 1 。通过计算生态效应指数来表征其生态效应 , 计 算公式为ES V =ni =1A i V C i 。式中 :ES V 表示生态效应指数 ;V C i 表示第 i 种景观 类型的相对生态价值 ; A i 表示第 i 种的景观类型面 积占总面积的比例 ; n 为景观类型总数 。2结果与分析2. 1景观要素结构组成区域景观类型共有 8个 , 斑块 681个 (图 2 ; 各 109 第 5期 龚文峰 , 杜 崇 , 范文义 :基于 GIS 的景观空间格局地形分布及生态效应的研究 表 1研究区域各用地类型的相对生态价值T able

20、1The ecological value of different land use types 土地利用类型 有林地灌丛农耕地水域迹地荒山荒地居民用地未利用地相对生态价值0. 950. 810. 320. 750. 150. 230. 0340. 015图 2研究区域景观类型分布图Fig. 2The landscape elements distribution m ap of study area景观类型面积 、 斑块数量分布不均衡 , 差异明显 (表2 。 自然景观 (森林景观 、 灌丛等 占绝对主导地位 , 面积总和达 87. 0633%, 特别是有林地景观 , 斑块数 比为 30.

21、 98%, 是研究区景观基质 , 控制着整个区域 的物流和能量流动 , 对区域景观有较为明显的影响 作用 ; 人为景观 (农耕地 、 居民用地等 占总面积的 13. 2934%, 农耕地景观在该景观类型中处于绝对的优势 , 斑块数比为 45. 81%, 在研究区域中呈现分 散分布 ; 半自然景观 (迹地 、 荒山荒地等 占总面积的 0. 7933%, 占据较小的比例 。受区域自然地理要素的影响和社会经济因素的 制约 , 研究区域以自然景观主导区域景观格局 , 人为 景观次之 , 半自然景观则明显处于支配地位 , 呈现以 有林地为基质的 、 灌木林地自然斑块交错的森林景 观分布态势 , 其余景观

22、类型呈补丁状散布于区域之 中的景观格局 。表 2研究区域景观类型组成结构T able 2Landscape elements composition of study area 景观类型 斑块数斑块数比 /%面积 /hm 2面积比 /%有林地 21130. 9823003. 3786. 8088灌丛 223. 2367. 410. 2544农耕地 31245. 812918. 4311. 0134水域 213. 0832. 130. 1213迹地 101. 4750. 850. 1919荒山荒地 263. 8225. 920. 0978居民用地 273. 96267. 301. 0087未利用

23、地 527. 64133. 470. 5037总计68110026498. 881002. 2景观类型在地形位上的分布将研究区域的地形位指数均分成 20级 , 分别计 算自然景观 、 人为景观和半自然景观在各地形位上 的分布指数 (图 3 。为便于比较 , 将各景观类型的 分布指数大于 1的地形位作为优势地形位 。209 吉 林 大 学 学 报 (地 球 科 学 版 第 39卷 图 3Fig. 3Distributions of different landscape elements on terrain indexa. 自然景观 ;b. 人为景观 ;c. 半自然景观 从各景观类型的地形位分

24、布指数 (图 3 看出 , 各景观类型在地形位上的分布格局表现为高 、 中 、 低 三段式空间分布结构 。低段区域 (地形位指数 :1-6 是灌丛 、 有林地 、 农耕地 、 水域 、 居民用地 、 迹地和 未利用地为优势的地形位区域 ; 中段区域 (地形位指 数 :6-13 是有林地为优势的地形位区域 ; 高段区域 (地形位指数 :13-20 是有林地 、 荒山荒地 、 迹地和 未利用地为优势的地形位区域 。 从各种景观类型地形位分布范围可知 , 有林地 在地形位梯度上的分布相对较平缓 , 起伏不太大 , 在 低 、 中 、 高 3个地形位区域下均有较多分布 , 反映出 该景观类型对地形的适

25、宜性较广 ; 灌丛在低段区域 的分布处于优势地位 , 由于低段区域低坡度地形较 多 , 分布着一些阔叶林 , 很容易人为强烈干扰 , 阔叶 林退化为灌丛 , 此外 , 部分择伐迹地萌生了一定数量 的灌丛 , 故其分布指数及其变化较大 , 反映出人为干 扰活动影响着该景观类型的分布状况 ; 水域的分布 指数在地形位 2时达到其峰值 , 此后直线下降 , 分布趋于平缓 、 均匀 , 没有明显的峰或谷 , 表明水域景观 的分布具有较强的选择性 ; 农耕地在低段区域的分 布处于优势地位 , 分布指数变化相对缓慢 , 主要是受 到地形条件和人为活动强度和范围的约束 , 在高段 区域 , 有一定数量的分布

26、 , 主要是一些废弃的农耕地 和撂荒地等 ; 居民用地的分布趋势和水域的相似 , 说 明地形条件对于城镇用地的约束作用较大 , 地形位 指数超过一定限度后 , 开发活动因为土地适宜性的 急剧下降而难于进行 , 由此可见 , 农耕地和居民用地 在低段区域得到了一定程度的开发 ; 迹地的分布趋 势和水域的相似 , 由于人类较大外力干扰活动 , 形成 一定数量采伐迹地 , 造成其分布指数变化 , 故在低段 区域的分布处于优势地位 , 表明该景观类型对地形 具有一定的选择性 ; 荒山荒地在高 、 低段区域都有一 定量的分布 , 主要是一些陡坡旱地 、 撂荒地以及受过 度放牧的退化地 , , 具有明 ,

27、 反映了该景观类型在 , 该地形位是一种狭 适性地形 , 只适合个别景观组分的分布 。 总之 , 研究 区的景观组分在地形位上的分布格局表现出显著分化 , 低区段地势上各景观组分竞争激烈 , 而高的地势由于其对景观发展的限制 , 限制了部分景观的生存发展 , 地形条件对于不同社会生产活动的约束性影响明显 , 不同景观组分分布指数间的差异是地形对 景观组分适宜性的直接体现 15。 2. 3景观格局在地形位上的分布 2. 3. 1景观多样性指数 景观多样性指数反映了区域空间结构的丰富程 度和土地利用类型的支配程度 。在低段区域 (图 4 , 景观多样性指数较大 , 变化较为曲折 。 在地形位 为

28、2时达到其峰值 , 随后呈现相对递减的趋势 ; 在高 段区域 , 多样性指数呈现先递增而后递减的趋势 , 变 化相对缓慢 , 但在总体上呈现下降的趋势 。这主要 是由于在低段区域 , 各个景观类型分布相对集中 , 景 观类型面积比例差异较小 , 共同控制该区域的景观 格局 , 景观多样性指数较大 , 随着地形位的增加 , 各 类景观的面积比例面积差异变大 , 面积比例关系逐 渐变得不平衡 , 由于高段区域限制了部分景观的生 存发展 , 单一景观的控制作用加强 , 优势景观类型突 出 , 景观较为单调且完整性较差 , 景观多样性指数较309 第 5期 龚文峰 , 杜 崇 , 范文义 :基于 GI

29、S 的景观空间格局地形分布及生态效应的研究904 林 大 学 学 报 ( 地 球 科 学 版 39 卷 吉 第 低 ,景观异质性程度低 。 图4 Fig. 4 景观格局在地形位指数上的分布 Fig. 5 图5 生态效应在地形位指数上的分布 Distribution of landscape pattern on terrain index Distribution of ecological effect on terrain index 平均分维数 2. 4. 2 生态效应的空间分布特点 分维数反映景观斑块形状的复杂程度 , 其值越 在分析生态效应指数地形位分布格局的基础 大 ,说明景观斑块

30、形状越复杂 。平均分维数在不同 上 ,以研究区域的施业区域作为综合分析单元 ,利用 地形位上变化相对较小 ( 图 4 ,几乎成为一条直线 。 下列公式求取生态效应的空间格局 , 揭示不同区域 高、 低段区域 ,平均分维数值较小 ,中段区域 ,该值较 生态环境质量分布状况 , 更多体现出生态效应空间 大 ,反映该区景观的整体形状呈现从简单 复杂 特征 ,实现对研究区域环境生态质量的评估 : 简单这一转变过程 。在低段区域 , 由于人类对农耕 EV S i 3 S i Ci = 。 地、 居民用地等区域景观干扰比较强烈 ,这些景观类 Si 2. 3. 2 型的形状相对简单 , 形状比较规则 , 平

31、均分维数较 小 ; 在中段区域 ,处于人为干扰森林景观向原始森林 景观的自然过渡 ,白桦 、 山杨林等阔叶先锋树种在该 区域内普遍而大量地发生 , 边界扩展侵入其他森林 类型出现复杂斑块形状 , 故平均分维数较大 。但需 要指出的是 ,在这里分维数的高低并不能完全反映 人为活动对景观的干扰程度 , 因为决定斑块分维数 的因素 ,除了人为作用外 , 地形 、 地貌和其它的当地 自然条件也有影响 。 2. 4 生态效应分析 式中 : Ci 为第 i 个施业区单元的生态环境质量综合 指数值 ; EV S i 为该研究区域内每个不同地形位景 观格局的生态效应指数值 ; S i 为该生态效应指数值 相对

32、应的像元数 。 参考国家环境监测总站颁布的 生态环境质量 16 评价方法 、 17 - 18 ,根据景观生态评价模 文献 型 ,结合研究区域的生境实际状况 ,在最大和最小值 之间采用自然分布函数法 , 以施业区域为基础进行 生态环境质量分析 , 结果反映了环境质量的区域性 特点 ( 图 6 , 表现出与地理地带性特点相一致的分 2. 4. 1 生态效应在地形位上的空间分布格局 布规律性 。生态环境质量好的区域 ( Ci 值为 0. 89 生态效应指数的分布 , 反映了不同地形位的生 0. 92 , 其对应的景观类型以自然景观为主 , 森林景 态环境质量状况 。从图 5 可以看出 , 生态效应指

33、数 观占据绝对的优势 ,该区域森林景观属于天保林 ,以 在不同的地形位上呈现出一定的规律性 : 低段区域 , 水土保持林和水土涵养林为主 ,人为干扰相对较少 , 生态效应指数较小 ,但是变化较为曲折 ,特别是地形 保留部分完整原始森林景观结构 , 具有良好的水土 位为 2 时 ,该指数达到最小 ,说明人为景观为优势的 保持和涵养水源的作用 ,景观生态质量好 ; 对于生态 区域 ,生态环境质量状况较差 ,充分体现了不同的人 环境质量中等区域 ( Ci 值为 0. 850. 89 ,其对应的 为干扰方式对景观格局及其生态环境质量的影响程 景观类型为人为景观 ,容易受到外界的干扰 ,土地开 度 ;

34、在中段区域 ,生态效应指数较大 , 但变化相对不 发利用程度较高 , 立地条件差 , 生态功能比较脆弱 , 大 ,且平缓化 ,反映了森林景观为主体的自然景观和 故其景观生态质量中等 , 人为活动的强度是导致该 半自然景观在该区域发挥了强大的生态功能 , 大大 区域景观生态质量一般的主要原因 ; 生态环境质量 改善生态环境质量状况 ; 在高段区域 ,生态效应指数 差的区域 ( Ci 值为 0. 780. 85 ,其对应的景观类型 较小 ,变化相对平缓 ,反映对地形位具有较强适应性 多为半自然景观 ,处于自然景观和人为景观的过渡 的个别景观类型对区域生态环境状况的影响程度 。 5 期 第 龚文峰

35、,杜 ,范文义 : 基于 GIS 的景观空间格局地形分布及生态效应的研究 崇 905 图6 Fig. 6 景观结构、 态环境质量和 生 DEM 的叠加 scape element , ecological envi2 The overlayed map of land2 ronment and DEM 地带 , 生态环境质量处于不稳定的状态 , 对于该区域 对于不同社会生产活动的约束性影响明显 。 ( 5 以 的土地利用 , 要按照一定的土地利用原则 , 做到合理 施业区域为单元的环境生态质量评价结果反映了环 境质量的区域性特点 , 呈现出与地理地带性相一致 为有效地揭示研究区域的景观结构组成

36、特征和空间 的分布规律性 。生态环境质量好的区域 , 自然景观 配置关系 21 ,定性地研究了生态环境质量与景观结 为主体 ; 生态环境质量中等的区域 ,处于自然景观和 利用 19 ,进而改善该区域生态环境质量 20 。此外 , 构的相关关系 。本文将数字高程模型 ( D EM 、 景观 人为景观的过渡地带 ; 生态环境差的区域 ,以人为景 结构和生态环境质量进行叠加 , 直观地反映生态环 观为主体 。 境质量和景观结构的空间配置关系 , 为土地的合理 参考文献( References : 化利用提供论依据和科学途径 。 1 3 结论 ( 1 研究区域以自然景观主导区域景观格局 ,人 man

37、activities on mediterranean landscapes in western CreteJ . Landscape and Urban Planning , 1993 , 24 : 259 - 271. 2 为景观次之 ,半自然景观则明显处于被支配地位 ,呈 现以有林地为基质的 、 灌丛和其它景观等自然斑块 交错的森林景观分布态势 , 其余景观类型呈补丁状 散布于区域之中的景观格局 。( 2 与传统的高程和 坡度描述方法相比 , 地形位指数可以更加综合地反 映出地形空间分异的细节信息 , 无量纲的分布指数 能够准确反映不同组分在各地形位区段上的实际分 布情况 。( 3 地

38、形位指数和分布指数对景观地形分 布特征分析表明 : 有林地与其它地类有所不同 ,其地 形等级的分布变化相对较平缓 ,起伏不太大 ,反映出 该景观类型对地形的适宜性较广 , 在多种地形梯度 下均有较多分布 ; 水域和未利用地对地形具有较强 的选择性 。( 4 研究区的景观组分在地形位上的分 布格局表现出显著分化 : 低段区域上各景观组分竞 争激烈 ,分布相对集中 ; 高区域阶段 , 限制了部分景 观的生存发展 ,景观组分相对单一 ,说明了地形条件 3 4 喻红 ,曾辉 ,江子瀛 . 快速城市化地区景观组分在地形 梯度上的分布特征研究 J . 地理科学 ,2001 ,21 ( 1 :64 - 69

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