基于箱线图的海南省东方市生态景观格局稳定性研究

董雅雯，佘济云，陈冬洋，佘宇晨，邓 榉

（中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

基于箱线图的海南省东方市生态景观格局稳定性研究

董雅雯，佘济云，陈冬洋，佘宇晨，邓 榉

（中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

采用稳定性评价模型、克里金插值法和箱线图法，对海南省东方市2005年生态景观格局稳定性进行评价分析。结果表明：海南省东方市生态环境整体态势良好，大部分地区达到稳定或一般稳定状况。其中稳定区集中分布于西南部，主要为斑块较完整的乔木林地，林种以天然阔叶混交林为主；中度稳定区主要分布于东方市的陀兴水库和大广坝水库周边；一般稳定区主要分布于感恩河、南清河和大安水库附近，以乔木林地和农用地为主，且伴有水域零星分布；一般不稳定区主要分布城镇和村庄，以建设用地和其他用地为主，受人类活动的影响；十分不稳定区主要分布于四更镇、新龙镇、抱板镇和东方市市区，以建设用地和其他用地为主。生态景观格局稳定性研究为海南省东方市生态景观的可持续发展提供了理论依据。

稳定性评价模型；克里金插值法；箱线图；生态景观格局

生态景观格局直接反映社会形态下人类活动和经济发展状况，与区域社会、经济可持续发展密切相关，具有多层异质结构[1-2]。目前，景观稳定性的研究仍处于待发展阶段，研究方法具有提升空间。研究利用景观稳定性模型，结合克里金插值法对现有方法进行改进，并利用箱线图来检验模型的可靠性，为东方市今后的生态环境保护和发展工作提供理论依据，促进东方市经济、政治、文化、社会、生态的“五位一体”发展。

1 研究区概况

海南省东方市位于海南岛西南部（见图1），地处东经 108°36′46″～ 109°07′19″，北纬 18°43′08″～19°18′43″之间，东西 53.6 km，南北 65.4 km，总面积359 566.7 hm2。地势东高西低，由东南向西北倾斜，东部及南部为山地和丘陵，西北部为平原和台地。其中林地面积136 306.7 hm2，占土地面积的59.97%；非林地面积90 993.3 hm2，占土地面积的40.03%。全市林地面积中，有林地面积为132 266.7 hm2，占林地面积的97.03%，全市森林覆盖率58.19%。是我国花梨木最大的生产地之一[3]。

图1 东方市地理区位Fig. 1 Geographic area bitmap of Dongfang city

2 材料与方法

2.1 数据来源与处理

在Envi5.1环境下对Landsat8遥感影像数据进行决策树分类，将东方市的遥感影像数据转化为矢量数据。利用Arcgis10.2将小班数据转换为不同粒度栅格数据，将其导入Fragstas4.2计算得到景观指数，利用其分析得出适宜景观粒度。将适宜粒度下的景观栅格数据再次导入Fragstas4.2中的移动窗口模型[4]，计算不同窗口下的景观指数，并结合箱线图法分析得出适宜分析幅度为2 610 m×2 610 m[5-6]。将适宜分析幅度下的栅格数据导入Arcgis10.2软件中进行鱼网划分，利用稳定性评价模型并进行克里金插值法，得出东方市生态景观格局稳定性分布[7-8]。在SPSS22中利用随机点上的景观指数与地形类型建立箱线图来检验模型的可靠性[9]。

2.2 稳定性评价模型

选取的6个景观指数通过是否有利于生态景观格局稳定性的判别标准来划分为正、负指标，其中，有利于生态景观格局稳定性的为正指标，不利于生态景观格局稳定性的为负指标[10,11]。对正负指标无量纲化处理，公式为：

式（1）和式（2）中，X′i是无量纲指标值，xi是原始指标值，ximax原始指标最大值，ximin原始指标最小值。xi原始指标值越大，生态景观格局稳定性越好，则该指标为正指标，对景观稳定性贡献为正；xi原始指标值越大，生态景观格局稳定性越差，则该指标为负指标，对景观稳定性贡献为负。

景观指数无量纲化之后，以主成分分析法为基础构建稳定性评价模型，进行生态景观格局稳定性评价分析。由主成分分析得出各指数权重值（ωi）：

式（3）中，λi为主成分i的贡献率，m为主成分个数。由各主成分方差贡献率计算权重，并建立生态景观格局稳定性评价模型。

式（4）中Fi为网格j景观稳定性指数，Zi为稳定性评价景观指标无量纲值。

2.3 克里金插值法

克里金（Kriging）插值法又称空间自协方差最佳插值法，是一种最优内插法。克里金插值法可对待插值点附近的属性值进行加权运算从而对待插值点的属性值进行预测，其原理类似于待插值点权重法。

式（5）中：Z(si)为采样位置i处的属性值，λi为采样位置i处的属性值相对应的权重，s0为待插值点位置，N为采样位置的个数。

2.4 箱线图

箱线图位于中央的线为中位数，线框为上、下四分位（即Q1～Q3），延长线的上、下边界为数据的上、下线分别表示最大值与最小值，其中“O”标出异常值，研究时可以判断所选的采样点是否具有极端值点（见图2）。分析上、下四分位以及上、下限相对于中位数的跨度，可以得出相关属性值是否稳定，而中位数可以对比不同类型的大致趋势，通过箱线图法可以分析出相关地类的景观稳定性状况，从而验证研究区景观稳定性分布结果是否符合实际情况。

图2 箱线图示意Fig. 2 Schematic boxplot

3 结果与分析

3.1 指标权重的确定

东方市生态环境质量的优劣在景观稳定性研究分析过程中得以体现。结合区域景观结构特征对景观稳定性进行研究，选取斑块密度、景观形状指数、平均分维数、景观分离度、香农指数和聚合度指数6个景观指标，构建东方市景观稳定性评价模型。景观稳定性评价模型，基于主成分分析法计算6项景观指标权重，即X1（斑块密度）、X2（景观形状指数）、X3（平均分维数）、X4（景观分离度）、X5（香浓指数）、X6（聚合度指数），其中X1（斑块密度）、X2（景观形状指数）、X3（平均分维数）、X4（景观分离度）为负指标，X5（香浓指数）、X6（聚合度指数）为正指标。由表1可知，6项景观指标中前2项指标X1（斑块密度）、X2（景观形状指数）累计贡献率达到93.25%，能够较全面的反映东方市的景观信息，并且满足景观稳定性评价要求，符合主成分分析85%的精度要求。

表1 东方市各因子的贡献率和累计方差贡献率Table 1 The contribution rate and the cumulative variance contribution rate of Dongfang city

6项景观指标的权重是网格内景观指标加权求和的基础，即景观指数无量纲化值乘以其权重，得到相应的景观稳定性指数。依据主成分分析可得各景观因子的权重（见表2），其中，6项指标中分离度的权重值最高，对东方市景观稳定性的影响最为显著；而斑块密度的权重值最低，对景观稳定性的影响较小。

表2 各景观指标因子权重Table 2 The landscape factor weight

3.2 景观稳定性空间格局分析

基于Arcgis 10.2克里金插值法，进行东方市景观稳定性研究分析。利用渔网工具，创建渔网面单元格大小为2.61 km×2.61 km，把渔网单元格中边缘的、不可靠的且单元面积小于完整单元格面积80%的渔网格剔除，最终获取308个单元格，并提取渔网质心。运用景观稳定性评价计算模型，将每个渔网内的景观指数无量纲值进行加权求和，计算每个渔网的景观稳定性指数，给对应的质心点进行赋值，再利用克里金插值法进行空间分析。由于Arcgis中“克里金插值”有7种方法，为了进行判别，依据插值结果进行对比分析，选择线性模型的普通克里金插值法进行景观稳定性插值最为理想。

依据普通克里金插值的结果，在前人研究成果的指导下，利用自然断裂法对其进行分类，将东方市景观稳定性指数划分为5个等级：Ⅰ级（指数值为[0.301 4,0.417 2]），系十分不稳定区；Ⅱ级（指数值为[0.417 2,0.488 3]），系一般不稳定区；Ⅲ级（指数值为[0.488 3,0.575 6]），系一般稳定区；Ⅳ级（指数值为[0.575 6,0.691 4]），系中度稳定区；Ⅴ级（指数值为[0.691 4,0.819 3]），系十分稳定区。最终生成东方市景观稳定性的空间分异图，如图3所示。

利用Arcgis10.2，对东方市景观稳定性空间分异图按照景观稳定性等级进行重分类。将栅格数据转为矢量数据，依据等级划分来统计对应的景观稳定性面积，并得出各景观稳定性等级面积所占总面积的百分比。

图3 景观稳定性的空间分异Fig. 3 Landscape stability of spatial distribution map

图4 东方市景观稳定性分布Fig. 4 Landscape stability distribution of Dongfang city

由图4分析可知，东方市景观稳定性分布特征与景观类型特征基本保持一致，由此说明景观类型划分基本合理，数据真实性较高。东方市景观稳定区主要分布于西南部，该区域主要为大面积的乔木林地，林种以天然阔叶混交林为主；中度稳定区主要分布于东方市的陀兴水库和大广坝水库周边，以乔木林为主，农用地和水域交叉分布；一般稳定区主要分布于感恩河、南清河和大安水库附近，以乔木林地和农用地为主，水域零星分布；一般不稳定区主要分布于人类活动强度较高的城市、村庄和滨海，以建设用地和其他用地为主，生态环境受人类活动的影响，发生重大变化；十分不稳定区主要分布区四更镇、新龙镇、抱板镇和东方市市区，主要是建设用地和其他用地，生态环境遭受高强度人为改造，破坏严重。四更镇四更沙角区域的红树林，地处昌化江入海口和北黎湾中部，是海南岛向海洋过度的特殊热带生态系统，是候鸟迁徒和越冬的重要场所，更是海鸟的觅食栖息，生产繁殖的场所，具有防风消浪、固岸护堤和净化海水的功能。

由表3可知，景观稳定区占据东方市总面积的67.19%，不稳定区占32.81%，整体景观特征呈现稳定状态，生态环境较为良好。稳定区中，一般稳定区面积最大，占总面积的30.36%，并且分布于不稳定区周边，有向不稳定区转化的趋势；十分稳定区面积最小，占总面积13.85%，主要为西南部的山地区域，整体受外界干扰较小，生态环境良好；中度稳定区分布于西南部山脉的山麓区域，占总面积22.98%，容易受外界环境干扰，生态环境质量有待加强。不稳定区中，一般不稳定区面积最大，占总面积32.81%，生态环境遭到一定程度的人为破坏，景观呈现破碎化状态，不利于东方市生态环境的良性发展，有待加强保护；十分不稳定区，占总面积27.13%，主要分布于昌化江入海口，乱垦乱伐现象严重，导致生态环境破坏严重，四更镇、新龙镇、抱板镇和东方市市区周边，人类活动频繁，开发利用强度大，景观破碎化强，必须加强环境保护，寻求城市与环境和谐发展的途径。

表3 东方市景观稳定性分区Table 3 Landscape stability district of Dongfang city

3.3 景观稳定性分布检验

香浓指数和聚合度为正指标，与生态稳定性成正相关；而平均分维数、分离度、斑块密度以及景观形状指数为负指标，与生态稳定性成负相关。图5所示，从正指标分析，发现乔木林地的香农指数最低，对乔木林地生态稳定性评价成消极影响，可聚合度却是最高，对乔木林地生态稳定性评价成积极影响；从负指标分析，平均分位数与其他类型差别不大，而分离度、斑块密度以及景观形状指数均为最低，对乔木林地生态稳定性评价成积极影响，然而，箱线图中的上、下四分位以及上、下限跨度大，森林分布区域差异性大。综合各指标考虑，乔木林地大部分生态稳定性高，部分生态稳定性较低。水域与乔木林地类似，则大部分水域也较为稳定，只有小部分不稳定。建筑用地与其他用地相似，除了香浓指数和其他指数成积极影响，其余指数均为消极影响，箱线图中的上、下四分位以及上、下限跨度小，可知建筑用地和其他用地均不稳定。农用地大多为较稳定或较不稳定，部分极不稳定。箱线图分析结论与景观稳定性分布结果相一致，验证了景观稳定性的空间分异与事实相符。

图5 稳定性分布检验Fig. 5 Test of stability distribution

4 结论与讨论

海南省东方市生态环境整体态势良好，大部分地区达到稳定或一般稳定状况。其中稳定区集中分布于西南部，主要为斑块较完整的乔木林地；中度稳定区主要分布于东方市的陀兴水库和大广坝水库周边，以乔木林为主，农用地和水域交叉分布；一般稳定区主要分布于感恩河、南清河和大安水库附近，以乔木林地和农用地为主，且伴有水域零星分布；一般不稳定区主要分布城镇和村庄，以建设用地和其他用地为主，受人类活动的影响；十分不稳定区主要分布于四更镇、新龙镇、抱板镇和东方市市区，以建设用地和其他用地为主，生态环境遭受高强度人为改造，破坏严重。通过对比分析景观类型分布与生态景观格局稳定性，并依据前人的研究成果，基本能够较好地反映东方市生态景观格局现状，然而，局限于生态景观格局指数研究分析，表征效果不够全面真实，因此对于生态景观格局稳定性评价指标选取的科学性和合理性还有待进一步的深入研究。

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Landscape pattern analysis of Dongfang city based on the stability evaluation model

DONG Ya-wen, SHE Ji-yun, CHEN Dong-yang, SHE Yu-chen, DENG Ju
(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Based on stability evaluation model, Kriging, box plot method, this study landscape pattern analysis of stability evaluation of Dongfang city, Hainan province. The results showed that: The ecological environment of the study area is in good condition, and the most of the area is stable. The landscape stability region are mainly woodland, forest and mixed forest distributed in the southwest; the surrounding medium stable region mainly distributed in the eastern city of Tuoxing reservoir and Daguangba reservoir; General stable area mainly distributed in the near of Gangen River, Nanqing River and Daan reservoir, the mainly in the area mainly of woodland and agricultural land;very unstable area mainly distributed in Sigen town, Xinlongtown, and Baoban town and the Dongfan city. The study provides a scienti fic basis of decision-making for the ecological environment the sustainable development and stability in Dongfang of Hainan province.

the stability assessment model; boxplot; Kriging method; landscape pattern

S718.57

A

1673-923X(2016)08-0104-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.08.018

2015-10-21

国家林业行业公益性项目“南方集体林区次生林抚育间伐与高效利用技术研究”（201004032）；海南省林业厅重点科研项目“海南省五大河流域植被恢复与保护研究”(LK20118478)

董雅雯，硕士研究生

佘济云，教授，博士生导师；E-mail：shejiyun@126.com

董雅雯，佘济云，陈冬洋，等. 基于箱线图的海南省东方市生态景观格局稳定性研究[J].中南林业科技大学学报，2016,36(8): 104-108, 120.

[本文编校：文凤鸣]