基于arcgis的崇州营林河景观设计

基于arcgis的崇州营林河景观设计

天然林保护工程是我国六个生态工程之一，旨在控制中国森林资源的过度开发利用，遏制森林资源的削减，为天然林区的森林资源提供恢复和恢复的空间。尽快恢复森林潜力的净生长期，扩大森林资源，提高林分质量，优化林分结构，增加林覆盖率。因此,天保工程实施前后必然会引起森林景观的较大变化,森林景观是以森林生态系统为主体所构成的景观,既有独立的完整结构及相应的生态学、经济学和社会学功能,又有明显的视觉特征和美学价值,是边界明确、在空间上可辨识的地理实体(Formaneta1.,1986;邬建国,2000)。森林景观研究的目的在于通过对森林景观结构、功能、动态变化、相互影响及控制机制的研究,揭示基本规律和掌握调控手段,并通过科学的规划设计对景观实施生态保护、恢复、建设和管理(Baskenteta1.,1999:郭晋平,2001)。马尔柯夫模型被广泛地用于解决植被生态预测与景观变化(HulstR.,1979;阳含熙,潘愉德等,1988:王树立,刘大兴,1991;陈建忠,周世勇等,1994:王学雷,吴宜进,2002;王斌,刘华等,2005),对景观要素进行动态分析,可以有效地揭示研究地区景观整体变化的规律可能的影响因素(徐济德、郎奎建,2004),为提高景观管理和人为控制措施的科学性提供依据(张芸香,1998)。本文以崇州国营林场干沟工区为例,以主导的植被类型或土地利用类型进行景观要素分类(Naveheta1.,1994;肖笃宁等,1998),利用GIS建立量化的、空间化的环境数据库,分析景观要素的格局特征及动态变化(郭晋平等,1999a:1999b:韦新良等,1997:王晓春等,2003;陆元昌,2005),比较“天保工程”实施前后区域景观变化。1降水量、一般资料干沟小流域位于林场东北部,山体相对高差1200m～2200m,地形破碎,山坡陡峭,下切强烈,多呈“V”型,坡度大多在30°～45°。林区气候为中亚热带湿润季风气候区的山地气候类型,雨量充沛,雨期长,云雾多,日照少,湿度大,风速小。年平均气温12.3℃,1月最低气温-8℃;7月最高气温32.7℃。全年降雨天数180d左右,年均降水量1300mm～1450mm,6月～9月降水量占全年的70%。年均湿度86%,年均日照641.6h,无霜期200d～230d。该流域的权属分为国营和集体两部分,由于集体这部分多年来没有统一的规划和调查资料,因此时空动态分析时只考虑资料较为齐全的国营部分,即干沟工区的经营范围。该工区经营较为成熟,天然林保存面积不大,多为人工林。天然林多为次生性的,林龄多在20a～45a之间,主林冠高度在12m～18m,主要有领春木(Eupteleapleiospermum)、润楠(Machilussichuannensis)、楠木(Phoebezhennan)、瓦山栲(Castanopsisceratacantha)、马木姜(Litseaszechuanica)、灯台(Comuscontriversa)、川梓皮(Cinnamomummairei)等。人工林有柳杉(Cryptomeriafortunei)、杉木(Cunninghamialanceolafa)、水杉(Metasquoiaglyptostroboides)成林,林龄在25a～40a间,树高为12m～18m,另有柳杉、亮叶桦(Betulaluminifera)、秃杉(Taiwaniaflousiana)、刺楸(Kalopanaxseptemlobus)幼林,树高4m～6m。2景观要素的动态转化收集了1987年(实为1986年)二调资料和2004年的实测数据,在GIS软件系统的支持下将这些数据矢量化,建立林相图、小班图。景观要素的划分以植被起源和优势成分为主要依据,该区域集体林和其它景观要素归入其它,建立的一级景观分为人工纯林、人工混交林、人工纯幼林、人工混交幼林、次生林、次生灌丛和其它共7种类型(蔡小虎,2005,未发表),二级景观分为柳杉纯林、柳杉混交林、杉木纯林、杉木混交林、柳杉纯幼林、水杉混交林、秃杉混交林、白夹竹灌丛、八仙花灌丛、软阔和其它共11个类型。将2004年的景观现状图叠加到1987年的景观现状图上,分析1987年景观要素向2004年转化情况,进而比较1998年与2004年景观现状,以此分析“天保工程”前后的景观变化。马尔柯夫(Markov)模型是研究事物的状态及其转移的理论,它是通过对不同状态的初始概率及其状态之间转移概率的研究来确定状态的变化趋势,从而达到对未来进行预测的目的(崔振洋,李晓亮等,1994)。马尔柯夫模型用转移概率矩阵模拟景观从一种状态向另一状态转移的动态过程,是一系列特定的时刻间隔下,一个亚稳定系统由T时刻状态向T+1时刻转化的一系列过程。无论其初始状态如何,总存在一个由转移概率矩阵唯一确定的稳定状态。用马尔柯夫模型表示为:A(T+!)=A(T)Pnijnij式中,A(T+1)为景观在T+1时刻的状态,称为期末状态向量:A(T)为景观在T时刻状态,称为期初状态向量;Pij为转移概率矩阵。设T到T+1时刻景观要素i转变为景观要素j的转移概率矩阵为:Ρij=|Ρ11⋯Ρ1m⋮⋮Ρm1⋯Ρmm|Pij=∣∣∣∣∣P11⋮Pm1⋯⋯P1m⋮Pmm∣∣∣∣∣式中,m为景观类型个数,假定在动态过程中保持不变,且:1)0≤Pij≤1(i,j=1,2,…,m);2)m∑i=1m∑j=1Ρij=1∑i=1m∑j=1mPij=1。以年为单位,把景观变化分成一系列的离散的演化状态,从一个状态到另一个状态的转化速率通过各时间段内某类景观要素的年平均转化率获得。初始状态矩阵以1987年各景观要素所占的面积百分比表示。3结果与分析3.1景观要素类型的转移概率初始状态矩阵At=[0.21600.06740.02670.025100.00840.6563]=[人⌶纯林人⌶混交林人⌶纯幼林人⌶混交幼林次生林次生灌丛其它]由1987年～2004年时间段(18a)景观要素类型的面积的转化情况(hm2)(表1)求出各景观要素的平均转化情况,再由平均转化情况求出1987年～2004年各景观要素类型的转移概率矩阵(表2)。利用Excel计算一级景观分类经过18a到2004年的转移概率,结果如表3所示。将初始值At与表3所得的转移概率相乘,求得2004年各景观类型所占的比例。将2004年景观类型的实际值与利用马尔柯夫过程预测的结果进行比较(表4),在p=0.05的水平上两者差异不显著,模拟结果与实际情况吻合。在这18a间,其它、人工混交林、次生灌丛和次生林等景观类型均有一定的增加,而人工纯幼林、人工混交幼林、人工纯林均有减少。这一方面是由于林分生长的转化,另一方面是由于人工纯林一部分演化为人工混交林,或其采伐迹地转化为次生灌丛、次生林,也有一部分向其它类型转化。1998年～2004年期间,人工纯林、人工混交幼林和人工纯幼林减少较多,而次生林、人工混交林和次生灌丛有所增加,这主要是因为这些人工幼林已经演化成为成熟林。同时,人工纯林采伐后的更新已经向混交林、次生灌丛或次生林方向发展,造林方式上也有所改变,由营造纯林向混交林或自然更新方向发展。其它类型增加较少,在这6a中仅增加了0.44%,可见其它类型的转化主要在天保工程实施前。3.2景观要素类型的转移概率矩阵初始状态矩阵At=[0.13990.07560.076l0.01700.0267000.0084000.6563]=[柳杉纯林柳杉混交林杉木纯林杉木混交林柳杉纯幼林水杉混交林秃杉混交林白夹竹灌丛八仙花灌丛软阔其它]由1987年～2004年时间段景观要素类型的面积的转化情况(表5)求出各景观要素的平均转化情况,再由平均转化情况求出1987年～2004年各景观要素类型的转移概率矩阵(表6)。利用Excel计算二级景观分类经过18a到2004年的转移概率,结果如表7所示。将初始值At与表7所得的转移概率相乘,求得2004年各景观类型所占的比例。将2004年景观类型的实际值与利用马尔柯夫过程预测的结果进行比较(表8),在p=0.05的水平上两者差异不显著,模拟结果与实际情况吻合,因此对1998年的三级景观分类的预测结果也是可信的。从表中可看出,干沟工区的主要林分是柳杉纯林,其它类型增加的面积最大,2004年的预测值与实际值差异也最大,其次为白夹竹灌丛、软阔,分别增加0.95%利0.67%,杉木纯林减少最多(3.4%),其次为柳杉纯幼林。也就是说,经过18a的演化,杉水纯林被改造为柳杉林或转化为次生灌丛、软阔、其它类型等,柳杉纯幼林也同期向柳杉成熟林转化。将2004年与1998年的景观结果进行比较,差异最大的是杉木纯林,其次为软阔、白夹竹灌丛,而且传统的造林树种如柳杉、杉木有所减少,各种不同的灌丛、软阔、水杉、秃杉面积均有所增加,说明工区的经营活动已经向多树种方向发展,注重软阔、次生灌丛的恢复,反映了工区的经营活动已经由经济效益向生态和经济效益并重的方向发展。4景观格局变化的模拟分析