毕业论文：GIS支持下的商河县景观格局研究.doc

本科生本科生毕业论毕业论文（文（设计设计） ） 题题 目：目： GIS 支持下的商河支持下的商河县县 景景观观格局研究格局研究 专业专业代代码码： ： 070703 作者姓名：作者姓名： 宋彩英宋彩英 学学 号：号： 2007202006 单单 位：位： 环环境与境与规规划学院划学院 指指导导教教师师： ： 汤庆汤庆新新 2011 年年 5 月月 31 日日 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下， 独立进行研究取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论 文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得聊城大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人承担本声明的相应责任。 学位论文作者签名： 日期 指 导 教 师 签 名： 日期 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 目目 录录 前前 言言-1 1 1 景观格局概况景观格局概况-1 1.1 景观格局-1 1.2 景观格局研究现状-2 1.3 GIS 支持下的景观格局研究水平-2 2 2 研究区概况研究区概况-2 3 3 研究方法及过程研究方法及过程-3 3.1 数据来源与处理-3 3.2 景观格局指数的选择与确定-3 3.3 景观格局指数的计算-3 3.3.1 斑块密度（PD）-3 3.3.2 景观多样性指数（SHDI）-4 3.3.3 景观均匀度指数（SHEI）-4 3.3.4 景观形状指数(LSI)- 4 3.3.5 聚集度指数（AI）- 4 3.3.6 最大斑块指数（LPI）- -5 4 4 结果分析结果分析-5 4.1 景观水平上的景观格局指数分析-5 4.1.1 斑块密度分析-5 4.1.2 景观多样性、景观均匀度、景观形状指数分析- -5 4.2 类型水平上的景观格局指数分析-6 4.2.1 斑块密度分析-6 4.2.2 景观形状指数分析-6 4.2.3 聚集度指数分析 -7 4.2.4 最大斑块指数分析-7 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 5 5 结果讨论结果讨论-7 6 6 结语结语-8 参考文献参考文献-9 致致 谢谢-10 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 摘摘 要要 基于 2009 年二次土地调查数据，在 GIS 的支持下，首先运用 MapGIS 软件 转换为文件，然后借助 ArcGIS 软件将其转成 grid 格式文件，并导入到 Fragstats3.3 软件中，提取山东省商河县的景观类型的空间信息，在景观水平上选取了斑块密 度（PD） 、景观多样性指数（SHDI） 、景观均匀度指数（SHEI）和景观形状指数 （LSI） ，在斑块类型水平上选取了斑块密度（PD） 、景观形状指数（LSI） 、聚集 度指数（AI）和最大斑块指数（LPI）对商河县景观空间格局进行了分析。研究 表明，商河县的主要景观组分分布较为均匀，景观多样性不高，破碎度低，各种 景观组分的分布和所占的比重比较均匀；各类型景观的形状比较规则，完整性较 好。 关键词关键词：景观指数；景观格局；商河县 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） Abstract Based on the 2009 second land survey data ,fistly,the MapGIS was used to turn the data into a format file in the support of technology GIS.Secondly,turn them into a grid format file by the ArcGIS software,and then Fragstats was used to extract the landscape type spatial information of Shanghexian. Finally, on the one hand, we selected the Shannons Diversity Index(SHID), Shannons Evenness Index(SHEI),and landcape Shape Index(LSI) on land matrics. On the other hand, we selected the pacth density(PD), landcape Shape Index(LSI), Aggregation Index(AI) and largest patch index (LPI) on class metrics. And draw the appropriate conclusions, and analyze them in order to discover the problems, as the theoretical basis for the further reasonable development of the landscape pattern of distribution. The results show that the major landscape elements of Shanghexian is evenly and afforest better, landscape heterogeneity is high, the distribution is much reasonable. Key words: Landscape index; Landscape; Shanghe 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 1 GISGIS 支持下的商河县景观格局研究支持下的商河县景观格局研究 前前 言言 景观作为地球表面空间布局的复合体，其变化不仅反应景观的结构与功能 随时间的变化过程和规律，同时也是全球环境变化和土地利用/覆盖变化研究的 重要组成部分1。景观格局通常是指景观的空间结构特征，包括景观组成单元 的类型、数目以及空间分布与配置；景观格局指数是景观格局的定量表示，通 过景观格局指数可以比较准确地反映土地利用方式变化的时空量化状态2。从 景观生态学的角度，对特定区域景观生态空间格局进行研究，是揭示该区域生 态状况及空间变异的有效手段。地理信息系统使快速、准确地处理大规模空间 数据成为可能，为景观水平上的监测与评价提供了有效的手段，利用景观格局 指数对空间格局进行定量化研究已逐渐成为大尺度生态系统空间格局研究模式 的基本内容之一。 本文将 GIS 技术与景观格局指数分析相结合，在类型水平与景观水平上对 商河县地区 2009 年的主要景观格局组分进行分析，以期为该地区生态环境与社 会、经济的可持续发展，保护区域景观健康及维持区域生态安全提供科学依据。 1 1 景观格局概况景观格局概况 1.11.1 景观格局景观格局 景观格局，一般是指其空间格局，即大小和形状各异的景观要素在空间上 的排列和组合，包括景观组成单元的类型、数目及空间分布与配置，比如不同 类型的斑块可在空间上呈随机型、均匀型或聚集型分布。它是景观异质性的具 体体现，又是各种生态过程在不同尺度上作用的结果。景观格局及其变化是自 然的和人为的多种因素相互作用所产生的一定区域生态环境体系的综合反映， 景观斑块的类型、形状、大小、数量和空间组合既是各种干扰因素相互作用的 结果，又影响着该区域的生态过程和边缘效应。因此，如何优化景观中斑块的 组成、空间配置以及基底特征，对研究生物多样性保护、生态系统管理和景观 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 2 的可持续发展有着重要的意义3。 1.21.2 景观格局研究现状景观格局研究现状 景观格局分析是景观生态学研究的核心内容之一，是景观功能和动态分析 的基础，是研究景观功能与动态分析的基础，是研究景观结果组成特征及空间 配置的方法。景观格局是生态学家研究最多的课题之一，早在 50 年代就进行了 大量的描述性研究，在气候变化、人口压力、环境恶化、土地退化和沙漠化、 资源枯竭和生物多样性丧失等景观和区域尺度的社会环境和生态环境问题方面 已取得了重要的发展4。目前，景观格局的分析多局限于二维平面，三维景观 空间格局模型还很少见。景观生态学研究的重要问题之一是在大的时空尺度上， 以定量分析的方法研究土地利用变化与景观空间格局的时空动态特征。 1.31.3 GIS 支持下的景观格局研究水平支持下的景观格局研究水平 景观格局研究采用传统的调查、分析方法进行研究，往往受到人力、物力 和自然条件等多方面的限制。随着 3S 技术、计算机技术及信息技术的发展，地 理信息系统使快速、准确地处理大规模空间数据成为可能，而遥感技术大大拓 宽了人类的视觉范围，为景观水平上的监测与评价提供了有效的手段。遥感、 地理信息系统与景观生态学理论共同形成了对大尺度生态系统空间格局进行研 究的独具特色的研究模式，使得景观格局变化研究逐步发展到定量化阶段，主 要表现为运用不同时期的遥感影像对区域景观格局及动态变化过程进行研究等 方面5-6。 2 2 研究区概况研究区概况 商河县地处山东省西北部，位于东经 1165811726北纬 37 063732之间，隶属济南市，是济南市的北大门。东靠滨州市的惠民、 阳信，公路直达渤海沿岸；西与德州市的临邑毗邻，距津浦铁路及德州市 90km，南临济阳县，到济青、京福高速公路 70km，距济南国际机场 50km，北 与德州市的乐陵接壤，公路畅通京津。省道 S248 线（南河至济南路段为双向六 车道一级公路）纵贯南北，S316 线横跨东西，权限公路通车里程达 1170km， 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 3 公路密度名列全省之首。全境呈菱形，南北最长 51km，东西最宽 43km，总面 积 1162km2。商河县全境均为黄河冲积平原，平坦宽广，极目无际，自西南向 东北缓缓倾斜，古有漯水南驶，笃马北流；今有徒骇、土马、临商、商中、商 乐等十条河纵横交错，排灌兼用。全境均属暖温带半湿润季风气候，年平均气 温 12.60，年平均降水量 611.5mm，无霜期为 193 天，雨热同季，宜良棉生长， 成为商河县农业生产的主导产业之一7。 3 3 研究方法及过程研究方法及过程 3.13.1 数据来源与处理数据来源与处理 本研究采用的资料是：2009 年二次土地调查数据，首先利用 MapGIS 软件 将其转化为文件，然后借助于 ArcView 软件转为 grid 数据格式，最后导入景观 格局分析通用软件 Fragstats3.3，以选择的景观格局指标进行计算，利用得出的 各种景观格局指数来对商河县的景观类型和分布状况进行分析。经分析，本研 究区域可以划分为耕地、园地、林地、建设用地、未利用地共五类景观类型。 3.23.2 景观格局指数的选择与确定景观格局指数的选择与确定 景观格局指数是反映景观结构组成和空间配置特征的简单定量指标。景观 格局特征指标体系可在三个层次上进行分析：即单个斑块、斑块类型和整个景 观镶嵌体，因此景观格局指数分为基于斑块的指数、基于斑块类型的指数和景 观镶嵌体指数。在研究景观空间格局的众多定量指标中，根据本研究区的特点 选出以下几个景观指数，通过景观指数的计算与分析可以对商河县景观空间格 局的分布状况进行定量描述，这是分析景观结构功能及过程的基础。根据以往 经验并结合本地区的实际景观特征，在景观水平上选取了斑块密度（PD） 、景 观多样性指数（SHDI） 、景观均匀度指数（SHEI）和景观形状指数（LSI） ，在 斑块类型水平上选取了斑块密度（PD） 、景观形状指数（LSI） 、聚集度指数 （AI）和最大斑块指数（LPI）等几个比较通用的景观格局指数来进一步表达斑 块结构特征及其动态变化，以解释其演变过程。 3.33.3 景观格局指数的计算景观格局指数的计算 景观格局指数计算采用由美国俄勒冈州立大学森林科学系 Dr Kevin McGarigal 和 Barbara Marks 开发的 Fragstas3.3 软件包完成。运用 Fragstats3.3 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 4 计算各时期的景观格局指数，对比分析各景观指数的变化特点。 3.3.13.3.1 斑块密度（斑块密度（PD） 斑块密度（PD）：表示单位面积内的斑块数目，反映景观破碎度的大小， 其值愈大，表明该区的破碎化程度愈高。计算公式： PD=NP/A 其中，NP 表示斑块数，A 表示总面积； 3.3.23.3.2 景观多样性指数（景观多样性指数（SHDI） 景观多样性指数(SHDI)：表示景观镶嵌体斑块丰富程度的综合反映，它的 大小反映景观斑块类型的多少和各景观要素所占比例的不同。计算公式： SHDI=- i m nppiil 其中：pi 只表示 i 景观斑块类型在整个景观中所占面积的比例；m 为景观 斑块类型数目。SHDI=0 表明整个景观仅由一个拼块组成；SHDI 增大，说明拼 块类型增加或各拼块类型在景观中呈均衡化趋势分布。 3.3.33.3.3 景观均匀度指数（景观均匀度指数（SHEI） 景观均匀度指数（SHEI）：定量描述景观中各要素在面积上分布均匀程度 的指标，通常以多样性指数与其最大值的比来表示。计算公式： E= )max(SHDI SHDI 其中，SHDI 为多样性指，SHDI(max)为景观中多样性指数最大值。当 SHEI=0 时，表明景观仅由一种拼块组成，无多样性；当 SHEI=1 时，表明各拼 块类型均匀分布，有最大多样性；当 SHEI 值趋近于 1 时，景观斑块分布的均 匀程度亦趋于最大。 3.3.43.3.4 景观形状指数景观形状指数( (LSI) ) 景观形状指数(LSI)：表示景观斑块形状不规则程度或偏离正方形的幅度， 反映景观空间格局的复杂程度。计算公式： LSI = k A E 其中，k 为正方形校正常数，E 为边界总长度，A 为景观的总面积。当景观 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 5 中只有一个正方形斑块时，LSI = 1；当景观中斑块形状不规则或偏离正方形时， LSI 值增大，它可以反映土地利用/覆被景观斑块形状的复杂程度。 3.3.53.3.5 聚集度指数（聚集度指数（AI） 聚集度指数（AI）：表示两种地类在景观内相邻频率的指标，反映景观中 不同缀块类型的非随机性或聚集程度。计算公式： AI= gii-max gii 其中，当聚集度取值小时，景观多由许多小缀块组成，具有较大的随机特 征；而当其值较大时，景观则表现出缀块聚集而形成少数大缀块的趋势。 3.3.63.3.6 最大斑块指数（最大斑块指数（LPI） 最大斑块指数（LPI）：表示最大斑块占景观总面积之比，反映的景观意义 是景观优势度8-9。 100 1 max() a j aij LPI A 其中， aij斑块面积。其值的大小决定着景观中的优势种、内部种的丰 度等生态特征；其值的变化可以改变干扰的强度和频率，反映人类活动的方向 和强弱，有助于确定景观的模地或优势类型等8-9。 4 4 结果分析结果分析 4.14.1 景观水平上的景观格局指数分析景观水平上的景观格局指数分析 4.1.14.1.1 斑块密度分析斑块密度分析 斑块密度是描述景观被分割的破碎程度的指标,是衡量景观异质性的一个重 要标准。结合利用 Fragstats3.3 软件得出的商河县景观格局参数分析，由表 1 可 以得出以下基本结论：商河县的斑块密度指数为 0.0381，说明商河县的景观异 质性不大，景观被分割的破碎程度较小，景观格局受干扰的程度较低。 4.1.24.1.2 景观多样性、景观均匀度、景观形状指数分析景观多样性、景观均匀度、景观形状指数分析 景观多样性指数与景观类型斑块数量及其所占比例成正相关,是景观过程影 响景观生态系统的稳定性及其生产性的重要指标。景观均匀度指数描述实际景 观多样性(SHDI)与最大多样性(SHDImax)之比,反映景观组分分布的均匀程度。 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 6 景观形状指数(LSI)通过周边形状的规则性指数来反映景观空间格局复杂程度。 由表 1 可知：商河县的景观多样性指数（SHID）为 0.8618，说明商河县的景观 多样性并不大，土地利用类型较少。其景观均匀度指数（SHEI）为 0.5354，说 明各斑块类型在景观格局中的空间分布比较均衡。其景观形状指数（LSI）为 45.6827，说明各斑块类型形状比较规则，其周边形状复杂度低。 综上可知，商河县主要景观组分有五种：耕地、园地、林地、建设用地和 未利用地，景观异质性不大，景观破碎度较小，各景观组分的分布比较均匀， 其形状也比较规则。商河县全境均为黄河冲积平原，平坦宽广，极目无际，历 史也比较悠久，景观格局受人类活动的干扰和影响很小，有良好的发展前景。 表 1 商河县景观水平指数分析 景观水平 指数 斑块密度 指数（PD） 景观多样性 指数 （SHID） 景观均匀度 指数 （SHEI） 景观形状 指数 （LSI） 计算结果0.0381 0.86180.535445.6827 4.24.2 类型水平上的景观格局指数分析类型水平上的景观格局指数分析 斑块体的形状和分布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、分维数就越低,形状越简单；经营越粗放,形状指数、分维数就越高。 斑块形状取决于自然地貌的平面形态,由于商河县地势比较平坦，所以该地区的 斑块形状并不复杂，受自然地形因素影响很小，斑块分布基本形状主要受人为 因素影响，斑块密度和最大斑块指数也是人为因素影响的结果。 4.2.14.2.1 斑块密度分析斑块密度分析 从表 2 可以看出，商河县各景观组分的斑块密度排序由小到大依次为：未 利用地（0.2192）园地（0.4531）耕地(1.2278) 林地（1.5089）建设用地 （1.8322） 。其中，建筑用地的斑块密度最大，说明商河县内建筑用地的斑块数 目最多，分布最为广泛。其次是林地和耕地，说明商河县内绿化面积较大，农 业用地分布广泛。园地和未利用地的斑块密度较小，说明其破碎度也较低。但 是，5 种主要景观组分的斑块密度相差不大，说明商河县各景观类型分布比较 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 7 均衡，其景观破碎程度低。 4.2.24.2.2 景观形状指数分析景观形状指数分析 从表 2 可以看出，商河县各景观组分的景观形状指数排序由小到大依次为： 未利用地(19.7757)园地（42.3879）林地（55.2947）耕地（61.1044）建筑 用地（65.7324） ，说明未利用地和园地的形状规则性最好，周边最接近于正方 形或圆形。其次是林地和耕地，而建筑用地的景观形状指数最大，说明建筑用 地形状最不规则，完整性较差。但是，各组分景观形状指数并不大，且相差不 大，说明各景观组分形状规则性较好，完整性较好。 4.2.34.2.3 聚集度指数分析聚集度指数分析 从表 2 可以看出，商河县各景观组分的景观形状指数排序由小到大依次为： 建筑用地（90.5869）未利用地（92.2217）耕地（93.5536）林地 （95.8451）园地（98.5809） 。说明园地的内部破碎度最小，所包含的小斑块数 目最少，完整性最好。其次是林地和耕地。而建筑用地的聚集度指数最小，说 明建筑用地内部破碎度最大，分布最不均衡。 4.2.44.2.4 最大斑块指数分析最大斑块指数分析 从表 2 可以看出，园地的最大斑块指数最大，由于园地的斑块数目较少， 园地分布比较集中。其次就是林地和耕地，斑块数目较多，说明商河县的林地 和农业用地面积分布较为均匀。由于建筑用地的斑块数目最多，而且最大斑块 指数最小，说明商河县的人口分布不均匀。 表 2 商河县景观类型水平指数分析 景观类型 耕地 园地 林地 建筑用地 未利用地 斑块密度 1.2278 0.4531 1.5089 1.8322 0.2192 PD（个/km2） 景观形状指数 61.1044 42.3879 55.2947 65.7324 19.7757 LSI 聚集度指数 93.5536 98.5809 95.8451 90.5869 92.2217 AI（%） 最大斑块指数 1.8568 9.4186 1.9464 0.0523 0.0391 LPI(%) 5 5 结果讨论结果讨论 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 8 通过分析 2009 年二次土地调查数据，格式转化，利用 Fragstats3.3 软件得 出的商河县景观格局参数分析，可以得出以下结论： 商河县的景观多样性不高，各种景观组分的分布和所占的比重比较均匀。 园地、林地和耕地分布较为较为广泛，规划也比较合理，说明该地区的生态旅 游规划合理，绿化面积较好，农业比较发达。建筑用地则比较分散，说明该地 区还是能够将农田较为均匀的分布在居民点周围，还是较为合理的。 商河县的景观格局分布基本合理，由于景观异质性不高，故不适合发展对 环境危害比较大的产业，一旦环境遭到破坏，恢复起来会有难度。由于本地区 属于暖温带半温润季风气候，雨热同季，而且地势比较平坦，水力资源丰富， 宜粮棉生长，比较适合大力发展农业生产，如果树种植，蔬菜栽培等。这样既 可以做到保护环境，又可以加快农村经济发展。 6 6 结语结语 通过对多期数据的分析,以景观生态学为理论基础，运用地理信息系统技术 强大的空间数据和属性数据的管理和分析功能，通过景观格局分析和对景观格 局的定量研究来探讨和解释景观格局和景观生态过程之间的关系，在似乎是无 律的斑块镶嵌景观上，发现潜在有意义的规律性，对原有景观要素进行优化组 合或引入新的成分，以调整和构造新的景观格局为各种生命形式提供持续的生 息条件。 应用 GIS 技术，快速获取研究区多时相的空间信息，结合景观生态学原理， 合理选取景观指数，是定量分析研究大区域景观结构特征及其演变的一种行之 有效的方法与技术。但是，随着城市化进程的不断加快，商河县的景观格局不 断受到影响，各类景观指数在定量反映景观信息时，有很大的局限性，需要与 其他指数配合使用。并且结合实地考察和其他的文献资料联合分析，才能更加 合理的得出较为准确的信息10。这也提醒人们，在发展经济的同时，也应该注 意保护和利用生态环境优势，不能够存在先破坏后治理的想法。因为如果人类 的干扰强度过度增加，景观多样性将下降,优势度将增高,均匀度将下降,这样虽 然在短期内增加经济效益,但会降低该地区生物的多样性,导致物种种群数量的 减少甚至消失。 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 9 参考文献参考文献 1 田维渊,曾世斌,杨武年等.基于 RS 与 GIS 的雅安市土地利用景观格局变化分析研究J. 现代测绘,2010,33(2):2324. 2 卢磊,乔木等.基阜康市土地利用变化的景观格局特征分析J.农业系统科学与综合研究, 2010,26(2):149150. 3 亓兴兰,刘健,余坤勇等.基于 RS 与 GIS 的闽江流域森林景观格局分析J.福建林学院学 报,2006,26(1):3640. 4 郭晋平.周志翔.景观生态学M.中国林业出版社.2