景观格局分析方法-97页.ppt

景观格局分析方法 第一节概念第二节景观格局分析的基本步骤第三节景观指数第四节空间统计学方法第五节景观格局分析中的误差问题 一 景观格局 景观空间格局 的概念景观要素在景观空间内的配置和组合形式 第一节概念 二 景观格局的基本类型 1 规则或均匀分布格局2 聚集 团聚 型分布格局3 线状格局4 平行格局5 特定的组合或空间联结格局 1 规则或均匀分布格局 指某一特定类型景观要素间的距离相对一致的一种景观 美国华盛顿洲贝克山山坡针叶林中砍伐斑块的规则分布格局 2 聚集 团聚 型分布格局 同一类型的景观要素斑块相对聚集在一起 同类景观要素相对集中 在景观中形成若干较大面积的分布区 再散布在整个景观中 如 在丘陵农业景观中 农田多聚集在村庄附近或道路的一端 3 线状格局 指同一类景观要素的斑块呈线性分布 如 沿公路零散分布的房屋 干旱地区 或山地 沿河分布的耕地 4 平行格局 指同一类型的景观要素斑块呈平行分布 如 侵蚀活跃地区的平行河流廊道 以及山地景观中沿山脊分布的林地 5 特定的组合或空间联结格局 指不同的景观要素类型由于某种原因经常相联结分布 空间联结可以是正相关 也可以是负相关 如 稻田总是与河流或渠道并存是正相关空间联结的实例 平原的稻田区很少有大片林地出现是负相关的实例 三 景观格局分析概念用来研究景观结构组成特征和空间配置关系的分析方法 通过研究空间格局可以更好地理解生态学过程 一景观格局研究的目的 确定产生和控制空间格局的因子及其作用机制 比较不同景观镶嵌体的特征和它们的变化 探讨空间格局的尺度性质 确定景观格局和功能过程的相互关系 为景观的合理管理提供有价值的资料 第二节景观格局分析的基本步骤 二景观格局分析的基本步骤 以研究目的和方案为指导 收集和处理景观数据 将真实的景观系统转换为数字化的景观 选用适当的格局研究方法进行分析 最后对分析结果加以解释和综合 栅格化数据矢量化数据 收集景观数据 野外考察 测量 获得植被 森林 土壤等相关资料 遥感数据 航空遥感卫星遥感 景观格局分析图示 在进行景观格局分析时 实际景观首先要经过取样 数字化过程转化为栅格型或矢量型数字地图 第三节景观指数 一 景观指数 能够高度浓缩景观格局信息 反映其结构组成和空间配置某些方面特征的简单定量指标 二 景观要素斑块特征分析 1景观要素斑块规模 A 斑块面积B 内部生境面积 2景观要素斑块形状A 景观要素斑块形状指数B 景观要素斑块分维数 A 斑块面积 类斑块平均面积 景观中某类景观要素斑块面积的算术平均值 式中 Ni 第i类景观要素的斑块总数 Aij 第i类景观要素第j个斑块的面积 最大和最小斑块面积 指景观中某类景观要素最大和最小斑块的面积 类斑面积标准差 Si 和变动系数 Ci 是指景观中某类景观要素斑块面积的统计标准差和变动系数 B 内部生境面积 类斑块内部生境总面积 该类生境全部斑块内部面积之和 式中AIi 第i类生境的内部生境总面积 Aij 第i类生境的斑块平均内部生境面积 EAij 第i类景观要素第j斑块的边际带面积 平均内部生境面积 该类生境全部斑块内部面积算术平均值 A 景观要素斑块形状指数 斑块形状指数D 通过计算某一斑块形状与相同面积的圆或正方形之间的偏离程度来测量其形状的复杂程度 以圆为参照 以正方形为参照 P为斑块周长 A为斑块面积 斑块的形状越复杂或越扁长 D的值就越大 B 景观要素斑块分维数 分形维数 fractaldimension 分形 不规则的非欧几里德几何形状可通称为分形 组成部分以某种方式与整体相似的形体称分形 分形维数或分维数 不规则几何形状的非整数维数 对于单个斑块 P是斑块的周长 A是斑块的面积 D是分维数 k是常数 对于栅格景观而言 k 4 一般地说 欧几里德几何形状的分维为1 具有复杂边界斑块的分维则大于1 但小于2 三景观异质性指数 1 景观斑块密度和边缘密度A 景观斑块密度B 景观边缘密度2 景观多样性A 多样性指数与均匀度B 景观要素优势度 A 景观斑块密度 式中 PD 景观斑块密度 类型斑块总数 类型总面积 PDi 景观要素的斑块密度 景观中某类景观要素的单位面积斑块数 M 研究范围内某空间分辨率上景观要素类型总数A 研究范围景观总面积 B 景观边缘密度 边界密度 Pij 景观中第i类景观要素斑块与相邻第j类景观要素斑块间的边界长度 A 多样性指数与均匀度 景观多样性指数Shannon多样性指数 Pk为斑块类型k在景观中出现的概率 m为景观中斑块类型总数 Simpson多样性指数 景观均匀度指数反映景观中各斑块类型在面积上分布的均匀程度 以Shannon多样性指数为例 E 1 当E趋于1时 景观斑块类型分布的均匀程度也趋于最大 景观要素优势度 描述景观由少数几类斑块控制的程度 通常 较大的D RD 对应于一个或少数几个斑块类型占主导地位的景观 优势度指数D D Hmax H相对优势度RD RD 1 E 1 H Hmax 景观指数应用举例 通过计算一些景观指数 可以比较两个景观的结构特征 图 两个具有不同空间格局的景观及其相应的一些景观指数 景观指数可以用来定量地描述和监测景观结构特征随时间的变化 图 美国本土的原始森林由于人类活动从1620年1990年间锐减的情形美国亚利桑那洲凤凰城地区从1912年到1995年城市扩张的情形 景观格局变化的定量描述以10个景观指数举例说明美国凤凰城地区从1912年至1995年土地利用变化的情形 第四节空间统计学方法 景观格局的最大特征就是空间自相关性 被称为是地理学第一定律 指在空间上越靠近的事物或现象就越相似 即景观特征或变量在邻近范围内的变化往往表现出对空间位置的依赖关系 空间自相关分析 空间自相关分析 检验某一空间变量的取值是否与相邻空间上该变量的取值大小相关 以及相关程度如何 空间自相关系数 度量物理或生态学变量在空间上的分布特征及其对其邻域的影响程度 若某一空间变量的值随着测定距离的缩小而变得更相似 则这一变量呈空间正相关 若所测值随距离的缩小而更为不同 则这一变量呈空间负相关 若表现出任何空间依赖关系 则这所测值变量表现出空间不相关性或空间随机性 空间自相关分析的步骤 对所检验的空间单元进行取样计算空间自相关系数 Moran的I系数和Geary的c系数 进行显著性检验 景观格局分析中误差的来源 原始数据收集过程引入的误差 技术方法本身和与观察者有关的种种原因造成 数据处理和分类过程引入的误差 空间分析过程本身所引入的误差 各种景观指数和空间统计学方法的局限性和非确定性 采用这些方法的人的实际操作水平和对结果的解译能力 第五节景观格局分析中的误差问题 景观空间分析中的误差 这些不同阶段所产生的误差还可能相互作用 不断放大 即所谓的误差繁衍 errorpropagation 现象 多层空间数据分析的精确度 遥感 地理信息系统在景观生态学中的应用 第一节遥感 RS 一 遥感技术在生态学应用中经历的阶段 二 遥感技术的基本原理 三 遥感技术的优点 四 遥感数据的基本特征 五 遥感在景观生态学中的应用方面 遥感在生态学应用中经历的阶段 航空摄影阶段 始于19世纪后期 从航空摄影向航天摄影过渡的阶段 大约从20世纪50年代至70年代 航天摄影阶段 以各种遥感卫星和先进的图像处理技术为标志 遥感技术的基本原理 指通过任何不接触被观测物体的手段来获取信息的过程和方法 是用光谱扫描仪或红外扫描仪对地球表面的地物光谱或温度特征进行记录 通过计算机的数据或图像处理分析地表特征 遥感 遥感技术的基本原理 遥感技术的优点 避免研究者对研究对象的直接干扰 能够提供大范围的瞬间静态图像 是生态学家目前获取大尺度上各种生态和物理信息的主要手段 提供了大面积重复观测的可能 为资料的快速获取与更新 为多时段的对比研究和动态分析提供了基础 是大尺度格局动态的唯一监测手段 大大拓宽了人类观测地球的光谱分辨能力 可以提供高空间分辨率的资料 可以有效地为景观生态学研究提供所必需的多尺度上的资料 遥感数据一般都是空间数据 这也是研究景观的结构 功能和动态所必需的数据形式 现代遥感技术直接提供数字化空间信息 从而大大地促进了景观生态学资料的收集 贮存 以及处理和分析过程 并且使遥感 GIS和计算机模型的密切配合成为必然 遥感数据的基本特征 航空像片数据的空间分辨率反映在像片的比例尺和胶片的灵敏程度上 数字遥感数据对地物记录的详细程度主要反映在空间分辨率上 遥感在景观生态学中的应用方面 遥感资料在景观生态学中的应用可以归纳为3类 植被和土地利用分类生态系统和景观特征的定量化景观动态以及生态系统管理方面的研究 遥感在景观生态学中的应用方面 第二节地理信息系统 GIS 一 概述二 GIS的数据层及数据获取三 GIS的功能四 GIS在景观生态学中的应用 GIS是一系列用来收集 存贮 提取 转换和显示空间数据的计算机工具 概述 GIS的发展过程 20世纪50年代 提出GIS概念 20世纪70年代后 GIS朝实用的方向发展 20世纪80年代 GIS普及和推广应用阶段 进入20世纪90年代 GIS深入到各行各业 硬件部分 图A 软件部分 图B 空间数据用户 地理信息系统的组成 地理信息系统的数据层及数据获取 利用GIS表示景观异质性 A 在GIS中不同生态学变量以不同数据层表示 B GIS表达空间数据的两种基本途径 矢量型和栅格型 GIS在景观生态学中应用 GIS的特点 将零散的数据和图像资料加以综合并存贮在一起 将各类空间数据和有关属性数据通过计算机高效率地联系起来 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一个有效的工具 为空间格局分析和空间模型提供一个有力又较容易操作的技术构架 从而有利于生态学家采用一些数学和计算机方法上非常复杂的研究途径 提高了某些景观资料的质量 大大增加了对资料的存取速度和分析能力 从而促进了景观生态学原理和方法在环境规划和资源管理诸方面的实际应用 景观单元数量关系分析通过对景观单元数量关系的分析 可以获知一个景观地区的基本结构特征 如不同景观类型的斑块个数 面积 周长 面积所占百分比 平均斑块周长 平均斑块面积 同时可以计算该景观地区的景观多样性指数 分维数 破碎度 分离度等一系列指标 GIS在景观空间格局分析中的应用 不同类型图件的叠加和再分类 分析不同斑块在空间的分布关系 如不同单元之间的距离 邻接性 连通性 核心区和边缘效应等 进行景观格局对生态过程的敏感性分析和模拟 研究不同景观格局对生态过程的影响 景观空间格局分析 缓冲区的设计景观规划 某一景观类型最佳利用方式的确定 对某一景观要素空间位置的选择 景观规划与应用 GIS在景观模型中的应用 GPS简介 GPS主要由空间导航系统 地面监测系统和用户设备三部分组成 GPS的结构组成 GPS在景观生态学研究中的作用 GPS技术对景观生态学研究有重要推动作用 如用于动物活动行踪的监测 生境图 植被图及其它资源图的制作 航空照片和卫星遥感图像的定位和地面校正 以及环境监测等方面 景观生态学的应用 第一节景观生态学与城市景观规划 一 城市景观规划的发展历史景观生态规划与设计思想源于 世纪初 那时人们对资源的开发近似掠夺性 首先建立农业景观 到 世纪初 出现工业城市景观 随着发展 人类逐渐认识到人与自然应最大限度的协调统一 城市景观规划定义 是依据景观生态学原理和方法 合理地规划景观空间结构 使斑块 基质 廊道等景观要素及其空间分布合理 使信息流 物质流与能量流畅通 使景观不仅符合生态学原理 而且具有一定的美学价值 还能适合人类居住 目标 是改善城市景观结构 完善城市景观功能 提高城市环境质量 促进城市景观的持续发展 具体可以概括为如下目标 生态稳定性 通达性 舒适性 美观性 二 城市景观规划的原则 城市 城郊景观生态建设一体化原则由于现代城市特别是特大城市包括了其周围的郊区 将市区与郊区进行整体规划是城市生态建设的主要内容 如针对北京 提出的 世纪北京绿色生态建设 按照生态系统理论 北京应建立 个绿色生态圈 山地水源涵养生态圈 防风固沙 农林果生产带生态圈 城市调节防污美化生态圈 从现代城市的发展趋势看 城市的卫星城 郊区的规划与市区是统一的 尊重自然 依靠自然原则地方性保护与节约自然资本让自然做功显露自然 三 景观生态学在城市景观建设中的应用 城市景观规划就是要创造良好的生产 生活环境 创造优美的城市景观 景观异质性城市景观的一致性导致城市景观的复杂性与多样性 有利于城市的稳定发展 维持景观一致性是促进城市建设和发展的关键 景观多样性景观多样性是描述生态镶嵌式结构拼块的复杂性 多样性 可以采用多度 均匀度 渐嵌度和连通度等加以描述 城郊景观建设城郊景观是城市景观与农村景观的结合与统一 第二节景观生态学与农村景观建设 一 农村景观研究的历史 农业景观发展的阶段农业前景观原始农业景观传统农业景观现代农业景观 农业景观规划的概念和目标概念 是运用景观生态学原理解决农业景观水平上生态问题的实践活动 农业景观规划涉及农业景观结构和景观功能两方面研究 目标 主要体现在把景观作为 资源 并从 整体 上看待 将人类需求与景观的自然特性与过程相联系 主要关注宏观尺度上的资源配置 二 农村景观规划的原则 理想的农村景观应反映以下功能 提供农业的第一性生产 保护和维持生态环境平衡 作为一种特殊的旅游观光资源 规划原则 农村地域的经济功能 建立高效的人工生态系统农村是主要的经济地域单元 社会发展阶段不同 农村形态不同 经济地域观念不同 农村资源利用方式不同 由于受农业技术 自然条件 自然资源和耕作方式等因素的影响 农业的粗放型和低效性一直是困扰农村经济发展的主要环节 建立高效的人工生态系统是农村景观规划的原则和出发点 农村地区的自然生态功能 保持自然景观的完整性和多样性由于人类活动对景观的干扰尺度低 景观结构保存完好 景观类型多样 景观生态具有多样性特征 是生物多样性保护的基本场所 是农村的自然遗产 保持自然景观的完整性和多样性成为景观规划的主要原则 农村地域的社区文化功能 保持传统文化的继承性农村社区文化是具有相对独立性和完整的地方文化 是农村的文化遗产 农村文化的继承性是农村文化得以保存的根本 反映特定社会历史阶段的农村风情风貌 是现代社会人士历史发展和形成价值判断的窗口 农村地域的空间组织功能 保持景观斑的合理性和景观的可达性农村景观结构表现为景观斑 景观道 景观廊 景观基所组成的景观特征 以及农村居民点体系 中心镇 中心村 建制镇与自然村所形成的结构特征 廊 道 斑的合理性与村镇体系的合理性是景观规划的基本原则 农村地域的资源载体功能 资源的合理开发利用农村是土地资源 矿藏资源和动植物资源的主要载体 资源的集约 高效和生态化利用是提高农村经济活动效益 保护资源 保护生态环境 保护农村景观的重要前提 也是推进农村可持续发展的重要基础 农村地域的聚居功能 改善人居环境 提高农村住民的生活质量农村是人类发展和居住的重要地域 在发展中国家和落后地区 农村人口仍然是人口形态的重要构成 对于不同地区来讲 农村的社会形态发展不同 经济水平差异较大 农村景观也有较大差距 改变农村贫穷落后的面貌 改善农村人居环境 提高农村生活质量 成为景观规划的重要原则 农村地域的发展目标 坚持可持续发展原则可持续发展理论是在人类对未来的重新认识和重新理解人与自然环境关系的基础上提出的全新的发展理念与发展模式 农村地区的发展目标是实现区域的可持续发展和人类的可持续发展 三 景观生态学在农村景观建设中的应用 农村景观功能评价农村景观功能评价是应用景观生态学原理 景观美学及其他相关学科的知识 通过研究农村景观格局与生态学过程以及人类活动与景观的相互作用 在景观类型划分和生态分区的基础上 分析农村景观的特征和功能 解释农村景观存在的问题 提出景观优化利用的对策和建议 农村景观生态设计和景观功能规划农村景观生态设计是运用景观生态学原理综合考虑地域或地段的综合生态特点及目标要求 构建一个空间结构和谐 生态稳定 社会经济效益理想的区域农业系统 农村景观功能规划主要是从景观生态系统整体考虑 使其系统功能完善和协调 农村景观中的结构设计结构设计是功能设计内容的空间落实和配置 湿地作物水体套养结构设计稻田养蟹的种植结构设计湖泊轮养轮休结构设计高密度养殖水体生物进化结构设计高标准的林农复合结构设计 第三节景观生态学与园林规划设计 一 园林景观的发展历史园林作为一种特殊的自然 人文景观 艺术性和功能性兼而有之 对人类生理 心里的影响是有积极意义的 园林景观生态学在景观层面上来说 强调的是人的作用 中国的古典园林侧重于意境的渲染 而西方的园林则偏重于美学视觉效果 现代园林继承了传统风格园林的古典文化 城市绿地是城市绿洲的重要构成部分 不同的文化时代会有不同的景观园林 从壮美大地的自然风景 迪斯尼乐园的幻想王国到日本禅林寺院中的山水 德国莱茵河畔丛林中的古堡等都有一定的体现 现代景观设计深刻反映了人们的自然观念和生存状态 对自然的各种不同的人是理解和文化差异导致了完全不同的景观的产生 但当今的人们开始共同关注景观美学意义意外的文化生态 社会 艺术等 无论是自由式 古典式还是现代抽象式 每种都孕育了深层的内涵 二 园林景观生态设计的原则 植物在造园中具有任何要素不可取代的 造景 与 生态 双重功能 从而确立它在现代园林中的首要位置 自然性原则园林景观生态设计必须要符合当地的自然状况 并按照自然植被的分布特点进行植物配置 体现植物群落的自然演变特征 以保护自然资源 维护自然资源的循环过程作为利用自然与改造自然的前提条件 园林景观作为人性化的设计 在满足使用功能的同时力求最大限度地适应自然景观 以维持景观的完整性 强调植物群落的自然适宜性 力求植物景观在养护管理上的经济型和简便性 尽量避免养护管理费时费工 水分和肥力消耗过高 人工性国强的植物景观设计手法 地域性原则植物景观设计应与地形 水系相结合 充分展现当地的地域性自然景观和人文景观特征 既要营造事宜的地域景观类型 并选择与其相适应的植物群落类型 多样性原则应充分体现当地植物品种的丰富性和植物群落的多样性特征 营造丰富多样的植物景观首先依赖于丰富多样的环境空间的塑造 也就是为各种植物群落营造更加适宜的生境 动态性原则植物生长及植物群落景观的形成均需要一定的时间 因此营造高水平的植物景观并不是一件易事 植物是不断生长和变化的生命体 与建筑 道路以及其他硬质景观相比 植物景观的营造带有更多的不确定性 人工的塑造手段往往只能大致把握景观形成的方向 而不能完全控制景观效果的形成 三 景观生态学在园林规划设计中的应用 提高空间格局的丰富性人们的生活空间是立体的 绿化也应该是立体的 多层次的 要实现多层次的植物景观 可以从以下五个方面入手 以植物生态学特性为切入点 构筑多层次绿化植物体系 模拟恢复地带性植物群落 重视乡土植物材料的应用 注重园林植物多样化配置 以垂直绿化 屋顶绿化充实多层次绿化 大力发展地被植物 增加景观多样性在城市中