基于GIS的大地自然景观空间格局研究

宋海宏 刘凌霄

摘要用景观生态学原理对帽儿山国家森林公园景观空间格局进行分析，运用GIS技术进行景观空间分析、空间数据建模，将所得栅格图转入Fragstats中进行景观指数计算，分析帽儿山景观空间格局的不足之处，如交通用地景观聚集度低、景观边缘形态复杂、景观破碎化程度高、水域景观斑块面积小等。从而对景观空间格局进行全面了解，以期指导景观生态规划。

关键词帽儿山；景观格局；空间分析；GIS

中图分类号TU985.13文獻标识码A文章编号0517-6611（2017）21-0158-04

Research on Landscape Pattern of Natural Landscape Based on GIS—Taking the Maoer Mountain National Forest Park as an Example

SONG Haihong， LIU Lingxiao

（School of Civil Engineering， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040）

AbstractBased on the principle of landscape ecology， the landscape spatial pattern of Maoer Mountain National Forest Park was analyzed， and the spatial analysis was carried out by using GIS technology. The lattice diagram was transferred into Fragstats for landscape index calculation. Lack of spatial pattern， such as low concentration of traffic land landscape， landscape edge shape complex， landscape fragmentation degree of high water landscape patch area is small. So as to comprehensively understand the pattern of landscape space and guide the landscape ecological planning.

Key wordsThe Maoer Mountain；Landscape pattern；Spatial analysis；GIS

景观空间格局分析是景观生态分析中的重要部分。景观生态格局的分析就是对景观斑块、廊道、基质的分析。景观空间格局研究以其直观性、方便性、有效性为特征对景观空间结构的内在特点与变化规律进行解析[1]。研究以帽儿山的景观格局优化为例，旨在推进大地自然景观格局优化的研究。首先要对现有景观格局指數进行深入研究，通过景观斑块平均面积、景观边缘密度、景观斑块密度对景观破碎度进行评定；通过对景观优势度、丰富度、均匀度的分析得出景观结构多样性的程度和优势景观；通过对景观聚集度和结合度的分析了解景观的异质性与连通性；通过对景观的分形分析了解景观斑块的边缘复杂性。通过一系列的景观指数分析后得出景观格局中的问题，对景观分别进行斑块、廊道和基质存在问题的解析，从而形成合理的景观空间格局，优化景观生态环境。

1研究区概况

帽儿山国家森林公园位于黑龙江省中南部，是哈尔滨市附近最高的山峰，属长白山支脉，在阿什河上游。北与延寿县、方正县、宾县相连接，南与五常市接壤，西邻阿城区，东界海林市。地理坐标为127°30′～ 127°34′E，45°20′～ 45°25′N[2]。帽儿山国家森林以山地森林生态环境、自然景观及乡土景观为背景，以山、水、林、田、城相依相融为特色，公园总面积约为27 km2，森林覆盖率达到76.1%。其始建于1958年，1992年经林业部正式批准开始建园，2011年进行重新规划建设，如今已成为别具特色的休闲度假的旅游胜地，同时也是东北林业大学的实验林场。

2研究方法

2.1基本概念

景观格局是景观生态学研究的重要内容之一。景观格局是指景观要素在空间上分散或聚集的展布，它是景观组分的空间分布和组合特征的表现，是在景观内部的自然条件约束和人为活动影响双重作用下，为了适应特定的景观功能要求而形成的一种景观整体结构。在进行景观格局分析之前要明确所选择的景观指数，景观格局指数可分为斑块水平指数、斑块类型水平指数、景观水平指数[3]。景观格局优化则是在对景观格局、功能和过程综合理解的基础上，在空间和数量上对各景观类型进行有目的性的优化设计。

2.2数据获取与技术路线

首先将帽儿山现状土地利用CAD图在ArcGIS中进行点、线、面的数据导出，再将矢量图转换为栅格图，导入Fragstats中，进行景观空间指数的计算，将所生成的景观空间指数绘制成表，进行分类分析。图1为GIS中绘制的帽儿山景观格局图，表1为帽儿山土地利用的景观分类标准。

3景观格局指数分析

3.1景观斑块分析

对景观斑块的分析主要指对斑块面积（表2）、边缘和回旋半径（表3）等相关指数的度量。斑块面积是最容易被识别的斑块格局特征，决定着物种的多样性与能量流。虽然斑块具有面积效应[3]，即斑块越大，空间异质性越强，生境多样性越高，但斑块大小对不同物种的影响不尽相同，这与斑块的内缘比有关，其决定着物种的丰富度[4]。景观要素间的边缘在景观中一般起到过滤器和半透膜的作用，斑块边缘通常呈现光照充足、气候干燥的特点，同时与斑块内部环境相比更便于基质物种的入侵，具有更高的多样性，这就是斑块的边缘效应。

大斑块由于其生态结构稳定，在景观中主要起到生态保护和提高景观丰富度的作用；小斑块由于其边缘生境经充足，在景观中起到物种传播和提高景观连接度的作用。斑块边界形状决定了斑块与斑块或斑块与基质间的相互关系，与直线边界相比，具有一定曲度的边界更有利于人们的出行，大大提高了便捷程度[4]。孔隙度与边缘效应密切相关，对能流、物流和物种流有重要影响。当斑块周长与面积之比较小时，回旋半径较小，景观斑块呈圆形，有利于能量、物质或资源的保护，当周長与面积之比较大时，回旋半径较大，有利于系统的能量、物质和物种与外界环境的交换[5]。由此可见，景观斑块的边界形状对景观要素之间的相互作用至关重要，并通过流的输入与输出与其功能连接起来。所以边界形状对基质与斑块间的相互作用至关重要。

通过图表中对帽儿山景观斑块面积的统计分析可知，在帽儿山景观中林地面积最大，其景观斑块面积统计分布指数斑块面积平均值（AREA MN）、斑块面积标准差（AREA SD）、斑块面积加权平均值（AREA AM）、斑块面积方差（AREA CV）值分别为53.587 3、301.605 0、1 751.109 0、562.829 4 hm2，景观斑块类型总面积CA值为21 863.61，远远高出其他景观类型。可见林地具有较稳定的生态环境，内部空间异质性强，有较多的内部种和边缘种，物种丰富度极高。在表中可清楚地看到除林地景观外，水域景观的斑块面积高于其余斑块面积，可见帽儿山不仅植被覆盖率高且具有较丰富的水源。与其他景观类型相比，水域受周围基质的侵入程度较轻。交通用地、农业用地的景观斑块面积基本相似，交通用地略高。由此可见，林地景观斑块的景观破碎度最低，保持了较高的景观生态性，这与近年来国家对帽儿山国家森林公园的不断规划与保护不无关系，使帽儿山成为林地景观斑块较为完整、具有舒适优美自然环境的天然氧吧。

景观边缘密度指数（ED）和景观总边缘长度指数（TE）同属景观水平指数，是对景观整体的评价。由表3可清楚地看出林地景观的ED、TE值分别为47.927 0、1 268 580，水域景观的ED、TE值分别为2.295 1、60 750，可见林地景观具有较高的边缘指数，其次为水域，交通用地次之。景观斑块边缘指数与面积指数相同，都是对景观破碎度的丈量。这与之前对景观斑块面积分析的结果不谋而合，林地与水域具有较低的景观破碎度，可见帽儿山风景区是林地占主导地位的自然景观风景区。

景观旋转半径指数（GYRATE）是斑块水平指数，是对单一斑块进行分析的景观分析指数，对景观边缘的研究也具有实际意义[6]。回旋半径是用来度量斑块幅度的指标，因而它受斑块大小和紧实程度的影响。通过对景观面积的研究可知，林地景观类型具有较高的斑块面积指数，所以其回旋半径也最高，回旋半径变异系数（GYRATE CV）、平均回旋半径（GYRATE MN）、回旋半径范围（GYRATE RA）值分别为270.983 1、124.457 4、3 474.767 0。

3.2景观廊道分析

对景观廊道的分析主要是对景观整体连通性的分析，景观格局中的景观斑块结合度指数COHESION是对景观连通性的度量指数，林地景观斑块结合度指数最高，说明这类景观用地有较好的连通性[7]。同时林地斑块面积大大高出其他斑块面积，说明在帽儿山景观中林地为连通性较高的基质。农业用地和居住用地景观斑块结合度指数最低，水域和交通用地景观类型的景观斑块结合度指数适中。由此可见，林地连通性最好，水域和交通用地连通性次之，农业用地和居住用地的景观连接度最低（表4）。

3.3景观基质分析

研究主要对景观的优势度、多样性、聚合度进行分析[8]。由表5可以看出，帽儿山风景区的林地景观优势度最大，PLAND指数达82.600 8%，LPI达总体的15.548 8%，明显高出其余景观类型，可见帽儿山风景区具有丰富的林业资源，植被种类丰富。除林地外，水域的优势度高于其他景观类型，PLAND和LPI值分别为0.563 1、8.693 3，说明帽儿山风景区具有充足的水域景观。由此可见，帽儿山是以林地景观为主要景观的森林公园，也因其水域资源充盈，使得该地区的景观呈良性循环状态。帽儿山的农用地和居住用地景观优势度较低，说明此处居住人口较少，且从事农业劳作的人口较少。

在帽儿山的景观指数中可清晰地看到各类景观类型的聚合度（AI）指数都较高以林地、水域和道路为首，其他景观类型次之（表6），可见帽儿山是典型的林业景观森林公园[9]。农用地和居住用地的聚合度较低，可见分布较为零散，具有较高的破碎性[10]。从表7可看出，帽儿山景观多样性指数SHDI为1.319 5，可见帽儿山具有较高的景观丰富度，景观异质性自然也较高。帽儿山景观均匀度指数SHEI为0.756 3，数值适中，说明帽儿山景观具有一定程度的景观多样性，也存在优势景观。综上所述，在帽儿山景区的景观异质性分析中，林地的异质性最高，并具有稳定的生态格局体系。

3.4景观格局分析结果

表8总结了帽儿山景观格局定量分析中所选定的景观指数、景观整体特征对各斑块类型的影响程度与各斑块类型体现的景观整体特征。从表8对帽儿山景观丰富度的研究中發现，林地斑块丰富度最高，其他用地斑块丰富度最大，其他景观斑块类型丰富度适中，可见在林地斑块中的物种极为丰富。破碎度的研究中发现，居住用地破碎度最高，说明在帽儿山景区中居住用地较分散，且被其他景观斑块分割程度高。从景观边缘破碎化的研究分析中得出，林地斑块与小路斑块景观周围受人类的干扰较为明显，这与帽儿山的景观属性相关，帽儿山是国家森林公园，以林地为景观基质，主要供人们旅行观光，因此林地边缘或道路边缘必然会受到游客的干扰[11]。从景观优势度、聚合度和连通度的分析中可知，林地斑块中具有良好的生态环境，道路与河流的聚集度连通度合理，但居住用地与农用地的聚合度和连通度相对较低。

在帽兒山的景观斑块指数分析表呈现了各景观斑块的景观特征。林地斑块具有较高的丰富度、优势度、聚合度与连通度，景观破碎度低，但景观边缘的破碎度较高，说明林地斑块周边受人类干扰程度较大，应进行相应的调理。总体而言，林地斑块具有较好的景观生态环境，为整个景区提供了绿色健康的旅行空间。河流斑块与水域斑块聚合度较高，但边缘受损严重，其他景观特征适宜。小路斑块与道路斑块均具有较高的连通度，但小路斑块的道路周边受人类干扰程度大。铁路景观斑块各景观特征适宜。农用地斑块表现出较低的物种丰富度与连通度，说明在自然景观中，农业已不作为景观开发的主体。居住用地破碎度高，较分散，连通度差，应进行相关调整。

帽儿山是典型的自然大地景观的代表。与城镇大地景观有所不同，自然景观的土地利用中更加注重对自然景观的开发，居住和农业生产不作为该景观的土地利用重点考虑因素。从帽儿山的景观斑块分析中可知，对于自然大地景观而言，林地斑块应具有较高的景观优势度，提高整体景观的生态环境，创造旅游经济收益。居住用地斑块与农用地斑块面积较小，仅为景区旅客提供住宿服务及相关配套设施，不作为重点考虑。此外水域斑块属自然资源斑块，应尽量降低其边缘破碎度，改善水体环境。道路用地斑块应具有较高的连通性，为游览者提供顺畅的旅游路线。对自然大地景观各斑块的分析优化可提高景观内的整体生态环境。

4结语

基于在GIS中对景观空间格局的定量分析，依据景观生态规划的相关理论，从景观组分和格局组合两方面对帽儿山的斑块、廊道和基质网络进行分析并提出相应的解决对策。从而解决了水域斑块、小路斑块、居住用地斑块和农田斑块景观边缘破碎度高的问题。居住用地和水域的景观斑块面积较小，小路廊道边缘、河流廊道边缘、水域斑块边缘、林地斑块边缘景观破碎化程度较大，也存在景观聚合度相对较低的问题。通过GIS和Fragstats软件对景观格局进行定量分析，将景观斑块、廊道、基质数字化、直观化，给景观格局与景观生态学的研究工作提供了新的思路与方法，对景观生态规划具有一定的指导意义。

参考文献

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