GIS分析方法在森林景观格局变化中的应用

󰀁

中　南　林　学　院　学　报

JOURNALOFCENTRALSOUTHFORESTRYUNIVERSITYVol.22　No.1Mar.2002　

[文章编号]1000-2502(2002)01-0086-04

GIS分析方法在森林景观格局

变化中的应用

菅利荣,李明阳

1

2

(1.南京农业专科学校基础科系,中国江苏南京210038;2.南京林业大学森林资源与环境学院,中国江苏南京210037)

[摘　要]　森林景观格局变化的GIS分析以森林资源调查的森林分布图作为主要信息源,以ARC/INFO作为空间信息处理工具,

采用平均斑块面积、形状指数、连接度、分数维、积聚系数5个景观格局指数作为空间格局分析指标.浙江临安的实例研究表明:从1983年到1994年,松林和阔叶林等天然林景观比例减小,种类趋于简单化,破碎化趋势增强;竹林和经济林等人工林景观比例增大,种类趋于复杂化,规模经营趋势增强.GIS分析方法在实际应用中存在的问题及发展的方向也在论文中作了探讨.

[关键词]　GIS分析方法;森林景观;空间格局

[中图分类号]　S757.2;S758.4　　　　　[文献标识码]　A

GISAnalyticalMethodAppliedtotheStudyofForest

LandscapePatternChanges

JIANLi-rong1,LIMing-yang2

(1.Dept.ofBasicScience,NanjingAgriculturalTechnologyCollege,Nanjing210038,China;2.CollegeofForestResourcesandEnvironment,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China)

Abstract:WiththehelpofGIStoolofARC/INFO,basedontheinformationfromforestdistributionmaps,fiveindicesarechosento

analyzethespatialpatternofforestlandscapebyusingGISanalyticalmethod.Theseindicesaremeanmatrixarea,contourindex,connectivity,fractaldimension,andclusteringindex.AnalyzingresultsofapplicationresearchinLin'an,ZhejiangProvinceshowthatfrom1983to1994,theareaproportionofnaturalforestlandscapeclasses,suchashardwoodforestandpineforest,decreasedgradu-ally,componentsofforestlandscapeclassgotsimpler,andforestlandscapebecamefragmented;andthatwhiletheareaproportionofartificialforestlandscapeclasses,suchasbamboogrovesandeconomicforest,increasedsteadily,componentsofforestlandscapeclassbecamecomplicatedandforestmanagementtendedtobehighlyregulatedonlargerscale.InthisarticlearealsodiscussedsomedefectsofGISanalyticalmethodandthedevelopingtendenciesofthestudyofforestlandscapepattern.

Keywords:GISanalyticalmethod;forestlandscape;spatialpattern

1　森林景观格局变化与地理信息系统

森林景观生态学的主要任务是研究以森林生态系统为主体所构成的景观的结构、功能及其变化.森林景观具有空间分布特性,景观格局决定着景观中各种梯度分布,制约着景观的各种生态过程[1].对森林景观的结构组成特征和空间配置关系进行定量描述和分析,是揭示景观结构与功能之间的关系,研究景观动态变化规律的基本途径.因此,为景观格局变化研究提供适当的分析方法,是解决现实景观生态问题的需要.

地理信息系统(GIS)是一种管理与分析空间数据的计算机系统,兴起于20世纪60年代,目前已发展成为一个跨越空间科学、计算机科学、信息科学及各门自然资源与环境科学等领域的较为完善的科学.其基本功能包括数字化输入、查找和更新数据、分析地理数据、输出地理图形.其中,分析功能是核心,它包括迭加处理、邻

󰀁

[收稿日期]2001-03-12

[作者简介]菅利荣(1968-),女,内蒙古集宁市人,讲师,硕士,主要从事多媒体软件开发和计算机在森林资源与环境中的应用研究.

第1期

菅利荣等:GIS分析方法在森林景观格局变化中的应用

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区比较、网络分析、测量统计,根据不同需求建立应用分析模型.利用GIS进行森林景观格局变化分析明显具有以下几个优点[2]:󰀁将各类地图(空间资料)和有关图中内容的文字和数字记录(特征资料)通过计算机高效地联系起来,从而使这两种形式的资料完善地融合在一起;󰀂为经常不断地、长期地储存和更新空间资料及其相关信息提供了一个有效工具; 提高了某些景观资料的质量,处理大批量数据速度快,操作过程简便易行,大大增加了对资料的存取速度和分析能力;!能给森林空间格局分析增添更强功能,如任意挑选、合并、分解森林地域,迅速分析数据的空间特性,以及快速地查询某一林地的指定项目;∀GIS输出形式灵活,如各种林业专题图,可以把森林景观格局分析结果明了、直接地从各种角度表示出来.

2　森林景观格局变化的GIS分析方法

2.1　地理信息系统的组成

2.1.1　硬件工作平台　主机:AST奔腾586微机.数据输入设备:A0幅面数字化仪,键盘,鼠标.输出设备:A4幅面激光打印机,A0幅面彩色喷墨绘图仪.

2.1.2　软件工作平台　主平台:ARC/INFO微机版,用于图层的输入编辑与管理、拓扑关系的建立、拓扑分析.辅助平台:MapInfo5.0版,用于图层管理及图层整饰输出;VisualFoxPro5.0版,用于属性数据库操作及管理;VisualC++,用于森林景观格局指数的计算.2.2　信息源的选择

传统的景观生态学空间格局分析所需的航片价格昂贵,卫片分辨率不高,信息处理对硬件设备要求高,使得景观生态学的基本理论很难应用于林业生产实践.新中国建立以来,在我国林区的很多县市都建立了比较完善的森林资源调查体系.该体系由森林资源连续清查、森林经理调查、森林作业设计调查三部分构成.三者从宏观到微观构成了一个科学、高效、多时相的森林生态系统监测体系.森林资源调查体系所积累的大量图表、数据及文字材料,经适当调整和补充后,可作为森林景观空间格局分析的主要信息源.

图形信息——森林资源调查和各种专业调查形成的专题图,如森林分布图,土壤类型分布图,土地利用现状图.

地形图信息——主要是地理位置(坐标和高程数据).

统计信息——从森林经理调查中形成的各种统计资料,也包括一些文字报告,如森林资源动态分析报告.2.3　森林景观格局指数的确定

森林景观格局指数是能够高度浓缩景观格局信息,反映其结构组成和空间配置方面特征的简单定量指标.森林景观空间特征可以在单个斑块(individualpatch)、斑块类型(patchtype或class)、景观镶嵌体(landscape

斑块类mosaic)3个层次上进行分析.因此,森林景观格局指数也相应地分为斑块水平指数(patch-levelindex)、型水平指数(class-levelindex)、景观水平指数(landscape-levelindex)[3,4].斑块指数对了解整个森林景观的结构并不具有很大的解释价值,往往只是作为计算其它景观指数的基础,而在景观水平上则侧重于计算各种多样

性指数.因此,在进行森林景观格局变化分析时,通常采用斑块类型水平指数.

n

2.3.1　平均斑块面积(A)　其计算公式为A=i󰀁ai,式中,ai为某个斑块的面积,n为某类景观斑块的个数.面=1积是最基本的空间特征,是计算其它空间特征指标的基础.斑块大小一方面影响到营养和能量的分配,另一方面影响到物种组成和多样性.

2.3.2　形状指数(G)　其计算公式为G=P/2斑块周边越发达.

󰀂a,式中, 是斑块面积,P为斑块周边长度.G值越大,说明

2.3.3　连接度(R)　其计算公式为R=2d(!/󰀂),式中,d为从一个嵌块体中心到另一个最近嵌块体中心的距

离,!为嵌块体的平均密度.连接度反映了嵌块体之间的聚散模式和相互作用,R值越大,嵌块体的分布越分散.

2.3.4　分数维(D)　其计算公式为D=2log(4/P)/log(A),式中,P为斑块周长,A为斑块面积.分数维用来测定斑块形状的复杂程度.D值的理论范围为1.0～2.0,1.0代表形状最简单的正方形斑块,2.0表示等面积下周边最复杂的斑块.88

中　南　林　学　院　学　报第22卷

2.3.5　集聚系数(C)　其计算公式为C=S2x,式中,S2为以地形图公里网格为样本单元的样本方差,-x为

平均每个样本单元中斑块类型平均个数.C越大,斑块类型越趋于集群分布.2.4　空间数据的处理

以1∶100000森林分布图作为工作底图,按照确定的森林景观分类系统进行类型勾画.利用地理信息系统开发工具ARC/INFO3.5和辅助开发工具MapInfo5.0,采用手扶跟踪数字化仪的方式对选取的图面资料进行数字化,生成各森林景观类型的多边形矢量数字文件,经编辑后作为分析用图件.建立拓扑关系后,依据森林经理调查成果,在ARC/INFO的TABLES模块中,对各多边形根据其相应的森林景观类型赋给一定的属性值,如图斑周长、重心点坐标、图斑面积,产生符合森林景观格局指数计算所需的基本数据库.对获取的属性数据库,利用VisualFoxPro5.0进行管理.依据森林景观格局指数的不同,利用VisualC++编写子程序,完成格局指数的计算.

3　GIS分析方法在浙江临安市的应用

临安位于浙江省西北部,天目山脉南侧,幅员3118km.境内三面环山,地形破碎,类型多样,呈现出中山——深谷、低山丘陵——宽谷和河谷平原三种不同的地貌景观.该市年平均温度15.9℃,年均降水量1446.7mm,境内山地土壤由红壤、黄壤、黄棕壤、岩性土4个土类构成.这种独特的自然地理环境,十分有利于用材林、竹林、经济林等各类植物的生长.临安地带性植被为中亚热带常绿阔叶林,植被分布具有两大特征:一是植被垂直分布明显,二是自然植被与人工植被并重.由于本应用研究所选取的图面资料为1983年、19年、1994年3期1∶100000的森林分布图,根据图纸所提供的信息,参照《土地利用调查规程》,结合林业生产及经营管理的需要,将临安以森林为主的景观类型划分为:松林景观、杉木林景观、阔叶林景观、竹林景观、经济林景观、灌丛景观、其它景观7类.对1983～1994年森林景观空间格局变化采用GIS方法进行分析,所得计算结果见表1.

表1　1983～1994年临安森林景观空间特征

Table1　Spatialcharactersofforestlandscapefrom1983to1994inLin'an,Zhejiang

斑块平均大小/hm2

类　　别

1983

松　林杉木林阔叶林竹　林经济林灌　丛

94.233.354.528.921.833.0

1940.944.731.373.072.022.2

199465.9.943.784.354.910.3

19833.592.492.152.432.432.77

191.492.922.673.683.152.37

19942.403.421.623.263.301.76

19834.705.072.8.533.154.22

196.886.445.302.773.082.66

19946.154.345.522.882.222.03

19831.811.651.901.1.951.59

191.821.911.861.981.991.95

19941.941.961.951.931.961.96

19838.987.2710.37.609.015.85

197.116.107.809.4111.16.61

19946.965.359.0110.615.55.31

形状指数

连接度

分数维

积聚系数

2

3.1　嵌块体的大小

各种森林景观类型的平均面积随时间的变化都很大.灌丛景观的面积呈持续下降趋势,竹林、杉木林的面积呈持续增加趋势,其中竹林增幅最快.竹林面积增加的主要原因是竹材、竹笋、笋干价格提幅较大,经济效益高,群众发展竹林积极性高.阔叶林、松林的面积呈先剧烈下降、后缓慢上升的“形曲线变化趋势.1983年分V”山到户后,乱砍滥伐活动频繁发生,阔叶林、松林遭到严重破坏,1990年经封山育林后呈恢复态势.经济林面积经过20世纪80年代的急剧扩张后,1990年后进入品种结构调整时期,面积逐步下降.低产、低效的茶园、桑园面积大幅度下降,高产、高效的山核桃、板栗栽培面积稳步增加,银杏、杜仲的种植面积从零星分布发展到规模经营.

3.2　嵌块体形状

在各个历史时期,竹林、经济林的形状指数、分数维都最高,杉木林次之,松林、阔叶林最低.这一排列顺序说明嵌块体的形状受人类生产经营活动影响最大:经营的集约度越高,形状指数、分数维就越高,形状越复杂;第1期

菅利荣等:GIS分析方法在森林景观格局变化中的应用

经营越粗放,形状指数、分数维就越低,形状越简单.值得注意的是,1983年松林的形状指数高达3.590,居各时期森林景观类型之首.其原因在于林业“三定”前,松林平均斑块面积最大,竹林、经济林、杉木林镶嵌其中,导致松林斑块边界复杂化.随着人工造林规模的扩大,松林斑块破碎化趋势进一步加剧,单个斑块裂解成若干个小斑块,从而导致形状指数大幅度降低.作为一种特殊景观类型,灌丛景观在1983年、19年形状较复杂,1990年消灭宜林荒山后对残余的小块灌丛采取封山育林措施,呈自然演替状态的灌丛景观形状趋向简单化.3.3　嵌块体的空间分布

在各种森林景观类型中,经济林、竹林的空间集聚度较高,并且随着时间的演变,这种集聚的趋势进一步加强,表现在连接度越来越小,集聚系数越来越大.反映了在市场经济冲击下,这两种森林景观类型的经营集约度进一步提高.阔叶林、松林的空间分布经历了由集中向分散化方向发展的历程,森林景观的连接度越来越大、集聚系数越来越小,呈现出破碎化趋势,但这种分散化趋势在19～1994年期间变得缓和,反映出对天然林进行封山育林的成效.景观破碎化的根源在于大规模人工林的营造.杉木林的空间分布呈现出缓慢分散化趋势,表现为连接度逐步增大,集聚系数逐步减小.

4　问题与讨论

在实际森林景观中,异质性在空间上往往是连续的,如杉木林斑块与松林斑块之间的变化不总是截然分明的.而同一森林斑块内部的动植物种类、土壤养分、温度、湿度等环境因素在空间上的分布也并非完全均质的.在森林分布图中,森林斑块类型和边界的划分取决于景观的物理学和生态学特征、分类和划界标准,以及所采用的工具和方法.由于这些原因所造成的的分类和划界差异必然会影响景观指数的数值.因此,利用森林分布图作为主要信息源,采用景观指数来进行森林景观空间格局分析,必然有客观的和主观的误差存在[5].为减少这些误差,可以采用趋势面分析(trendsurfaceanalysis)、谱分析(spectralanalysis)、半方差分析(semivarianceanalysis)等空间统计学方法加以改进.

制图以及简单空间关系分析方面具有明显的优越性.但大部分GIS软件不具GIS在存储和处理空间数据、

有空间统计学分析能力.生态学家在计算景观指数时,往往利用GIS处理空间数据,将其用某种通用格式储存(如JPEG,TIFF),再用C或Fortran语言写成的程序来加以计算.除此之外,在GIS软件和景观格局变化模拟模型的关系上,GIS的作用主要是收集、储存和处理数据,为模型提供空间输入值和输出显示,二者的关系尚未从“分离型”向“耦合型”方向转变.随着研究的深入,景观生态学对GIS的发展提出了新的要求,未来的GIS软件应具有以下几个功能:󰀁能够高效地储存和管理景观尺度上生态系统数据库结构;󰀂能够方便地进行多尺度(区域、景观、生态系统、样方)的数据聚合和解聚; 具有较完整的一套适用于景观生态学的空间统计分析方法;!能够方便地为景观模型提供输入数据,确定空间参数,并处理和输出模型结果.

[参　考　文　献]

[1]　FormanRTT,GodronM.LandscapeEcology[M].NewYork:JohnWiley&Sons,1986.

[2]　BuroughP,McDonnellRA.PrinciplesofGeographicalInformationSystems[M].Oxford:OxfordUniversityPress,1998.[3]　O'NeillRV,KrummelJR,GradnerRH,etal.Indicesoflandscapepattern[J].LandscapeEcology,1988(1):153-162.

[4]　TurnerMG,GardnerRH,ed.QuantitativeMethodsinLandscapeEcology:TheAnalysisandInterpretationofLandscapeHeterogeneity

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[5]　FotheringhamAS,RogersonPA.GISandspatialanalyticalproblems[J].InternationalJournalofGeographicalInformationSystems,1993,

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[6]　StowDA.Theroleofgeographicinformationsystemsforlandscapeecologicalstudies[A].In:Haines-YongR,GreenS,ed.LandscapeE-cologyandGeographicalInformationsystems[C].London:Taylor&Francis.1993,11-21.

[6]

[本文编辑:邱德勇]