基于网络分析的道路生态干扰

吴仰婷　余婷婷　吴文婷　刘俏彤

摘 要：道路网络对自然生态环境的影响日益显著，并且对区域生态系统变化和格局特征具有重要作用。基于道路生态学道路网络理论，利用地理信息系统、网络分析方法和拓扑函数，以怒江流域各县为基本单元，分析研究了怒江流域各县道路网络的特征指标，即环形指标、线点指标和连接指标；根据道路网具有不同的特点，分析道路干扰与生态稳定性的关联。

关键词：道路网络；网络分析；道路干扰

中图分类号：F713.52 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）35-0032-04

Abstract： The impact of road network on the natural ecological environment is increasingly significant， and it plays an important role in the regional ecosystem changes and pattern characteristics. Based on the theory of road ecological road network， using GIS， network analysis method and topological function， the characteristic indexes of road network in Nujiang River Basin are analyzed and studied. The counties of Nujiang River Basin are taken as the basic units. According to the different characteristics of road network， the relationship between road disturbance and ecological stability is analyzed.

Keywords： road network； network analysis； road interference

1 概述

随着经济与社会的发展，道路网在全世界蔓延，其分布之广发展之快速，为人类带来巨大效益的同时，也对自然景观和生态系统产生了不良影响——景观破坏、生境退化、生物多样性减少、生态阻隔等等[1]。道路网的存在在一定程度上影响着生态系统的演变格局与过程，区域道路的发达程度对生态单元空间相互作用的广度与深度起着决定性作用。因而，本文重点钻研怒江流域的道路网对生态稳定性的影响，正确理解和全面分析道路网络对自然生态系统的影响，能很大程度地降低道路干扰对多种群生态系统的影响，对于维护生物多样性和维持种群生态系统的平衡有着重要的现实意义。

目前，我国在道路生态学上的研究还不够全面，并且关于道路对生态系统所造成的影响的研究也远远不足。虽然GIS应用对道路网络分析的问题难以求解，但可以在GIS分析上运用复杂的拓扑关系。在生态系统运行时，更容易解决道路网络所带来的问题。

为此，本文以怒江流域为案例区，在横向岭谷区的长度较澜沧江和红河短且地势较高[2]，具有独特的地理环境、显著的地貌梯度分异、和突出的生物多样性等，而该区域内生态系统都受到了严重的道路干扰，故在该区域研究道路建设作用具有重要的实践指导意义。本文基于道路生态学基础中的道路网络理论，应用景观生态学的方法、GIS分析以及拓扑知识，对怒江流域的道路网络特性进行探究分析，进而阐述区域道路网络特性与区域生态系统受干扰程度两者之间的关系。

2 研究区域

怒江流域（98°28'～99°11'E，24°05'～28°08'N）位于我国云南省西部，怒江由北向南贯穿，横跨了保山市和两个自治州即德宏傣族景颇族自治州和怒江傈僳族自治州，流域总面积为13.67×104km2。该区域具有独特的地理环境、狭长的流域形状、生物多样性突出，土地覆盖类别繁多，但随着交通建设、旅游业的发展，该区域受到人类干扰的程度增加，生态环境保护意义重大，道路的存在和扩展对该流域不仅具有社会、经济效益，更突出的是其重要的生态影响[3]。

3 研究方法

3.1 数据及来源

本文研究分析的研究单位为县域，以中国基础地理信息的1：25万道路要素图、云南省最新的1：100万交通地图为基础辅助工具，获得分析所需关键要素的信息，进而利用后一工具进行数字化处理，得到所需的道路矢量數据。利用1985年和2005年这两个时间段的1：10万土地利用图，提取生态系统的变化特征数据。本文主要基于R语言编写，应用GIS、网络分析等方法对区域生态系统变化及其特征和道路的网络特征进行探究分析。

3.2 网络分析

网络是由有关联的诸多对象组成的系统，而节点和节点之间的连线构成了网络，其中节点表示真实系统中不同的元素，而节点的连线则用来表示相连节点之间的相关程度；当出现两个节点之间以线段的形式连接，则表示这两个节点之间存在着一定的关系[3]；如若两个节点之间不连接，则是两者之间没有关系。对于通过线段连接的两个节点，我们称之为相邻节点。

在道路系统中，县城、城镇、村落等都可以看成是节点；而他们之间的道路，廊道就是网络系统中的边。总而言之，就是把复杂的道路看成是由节点和节点间相连的线所构成的简单的网络系统。为了对道路的宽度、内部环境等进行研究，本文将道路的长度、密度、区域的海拔等作为主要因素来进行研究。

如图3所示，区域道路长度和道路密度都会随着区域平均海拔的升高显著降低，即拟合出的模型符合怒江区域的实际情况；对比于海拔较高的地区，海拔较低的地区经济会相对发达，在区域开发利用上更为充分全面；而随着海拔的升高，地理条件也越来越差，村落也越来越少，道路网也相对比较稀疏。

4.2 区域道路网络特征与生态系统干扰的关系

区域道路网络对生态系统的影响主要是通过道路网络的扩展延伸，影响主要体现在生态效应和潜在性上，而生态效应则是直接反映在区域生态系统的格局变化上[6]。为了研究区域道路网络特征和生态系统干扰之间的关系，本文利用1：10万土地利用类型，运用GIS空间模块进行叠加分析之后，又进一步进行土地转移空间分析。为能够建立道路网络特征与生态系统格局变化的定量化联系，令两者之间的影响关系可视化，为此选择一个综合干扰指数作为影响生态系统总体强度的指标，当综合干扰指数越高，说明人类对生态系统的干扰程度越大。

区域道路网络特征研究和生态系统干扰指数的分析表明，道路网络对生态系统的干扰产生一定的直接影响。由图4中可清晰看出，道路网络的特征指数与生态系统干扰指数两者之间存在着高度相关性。换言之，道路网络的扩展，使生态系统的稳定和平衡都受到了威胁，甚至涉及到了整个生态系统。通过结果分析，道路网络特征和生态系统干扰拟合度高，确定系数达到显著水平，说明两者之间呈现正相关关系。也就是说，随着道路密度的增大，道路网络也会越大，生态系统所受的干扰程度也会加深。

5 结束语

基于道路景观生态学的研究可知，廊道作为景观要素中的首要研究对象之一，它有着“通道-阻隔”的作用。本文利用道路景观生态学和网络分析，借助GIS的技术，对该研究的区域道路网络特征和道路网络的生态系统进行分析[7]。对于怒江流域的网络结构特点，本文应用logistic模型对？琢指数、？茁指数和？酌指数与道路密度的关系进行拟合，通过拟合结果可知，道路长度、廊道数量和节点数分别都呈现出正相关关系，而道路长度、道路密度和区域平均海拔高度则是分别呈现出负相关关系。结果阐明，道路密度对生态系统的干扰程度最为明显，可见干扰生态系统的影响因素中道路密度这一因素是关键，道路密度还与其他影响因素存在相关性。

换而言之，影响区域生态系统变化的最主要因素之一是道路干扰。道路干扰也是影响道路网络系统的生态安全和空间格局动态变化的主要因素[8]。通过对道路网络特征的分析，钻研道路网络的干扰，可以对地区生态的可持续发展和道路网络生态安全研究，有实际的重要意义。而由道路网络产生的生态系统效应充分体现了区域道路网络的生态安全，分析结果发现，不同时段的综合干扰指数和？琢指数、？茁指数和？酌指数存在一定的正相关关系，因此道路密度和道路长度在一定程度上反映了该区域的干扰水平。虽然与区域生态系统相比较，道路网络生态系统的研究区域和研究尺度不同，因为研究区域涉及到的可能是整个景观，也可以是一小部分区域，而道路生态针对的是道路，但是本文是一个通过综合性的道路生态干扰分析，为研究道路和生态系统的交互作用机制提出有效的意义。因此，研究道路网络特征和干扰强度这两大板块，对理解区域生态系统和道路网络生态安全具有重要作用。

参考文献：

[1]李俊生，张晓岚，吴晓莆，等.道路交通的生态影响研究综述[J].生态环境学报，2009，18（03）：1169-1175.

[2]刘世梁，富伟，崔保山，等.基于RV指数的道路网络干扰效应空间分异研究——以云南省纵向岭谷区为例[J].地理与地理信息科学，2009，25（02）：50-54.

[3]刘世梁，温敏霞，崔保山，等.基于網络特征的道路生态干扰——以澜沧江流域为例[J].生态学报，2008（04）：1672-1680.

[4]刘世梁，崔保山，温敏霞，等.纵向岭谷区道路网络特征和生态系统变异统计规律[J].科学通报，2007（S2）：71-77.

[5]邹泉，胡艳芳，田国行.河流与开放空间耦合的城市绿地生态网络构建[J].西南林业大学学报，2014，34（02）：84-88.

[6]刘世梁，温敏霞，崔保山，等.道路网络扩展对区域生态系统的影响——以景洪市纵向岭谷区为例[J].生态学报，2006（09）：3018-3024.

[7]汪自书，曾辉，魏建兵.道路生态学中的景观生态问题[J].生态学杂志，2007（10）：1665-1670.

[8]刘世梁，郭旭东，傅伯杰，等.道路网络对黄土高原过渡区土地生态安全的影响[J].干旱区研究，2006（01）：126-132.