森林景观格局研究进展

1、森林景观格局研究进展森林经理学 吴兆艳 2009116022013摘要：森林在生态系统中发挥着不可替代的作用，景观尺度上的森林景观格局与生态过程研究已经成为当前森林的研究热点。在阐明森林及其景观格局与过程概念的基础上,综述了现在森林景观格局与过程的研究内容、研究方法的进展情况,指出了以下几个方面有望成为今后森林景观研究的发展方向以及在森林景观格局的不足之处。关键词：森林景观； 景观格局；3S技术；景观指数Abstract: Forest ecological system in plays an irreplaceable role on landscape scale, the forest

2、 landscape patterns and ecological processes of forest has become the hotspot. The forest and landscape patterns and process on the basis of the concept of forest landscape pattern are reviewed and the process is the research contents, the research methods of progress, pointed out the following aspe

3、cts are expected to become the future research direction of development of forest landscape in the forest landscape pattern and the deficiencies. Keywords: Forest landscape, The landscape pattern, 3S technology, Landscape index1.森林景观森林景观是以森林生态系统为主体所构成的景观。森林景观生态研究的对象是以森林生态系统为主体所构成的森林景观，也包括森林在景观整体格局和功

4、能中发挥重要作用的其他类型的景观。其目的在于通过对森林景观结构、功能、动态变化以及它们之间的相互影响和控制机制的研究，揭示基本的科学规律，以达到对其调控的目的。2.景观格局景观格局( landscape pattern)即景观结构,广义包括景观组成单元的类型、数目以及空间分布与配置。景观指数是反映景观格局的重要参数,它高度浓缩景观格局信息,反映其结构组成和空间配置等方面的特征,为科学衡量景观结构提供定量化依据1,2。景观生态学属于较为宏观尺度的研究。近年来，由于区域性乃至全球性的生态环境问题日益增多，景观生态学逐渐成为生态学的重要研究领域之一。3S技术的不断发展，使得景观生态学研究获得了强有力

5、的技术支撑。二者的有机结合正显示出广阔的发展前景。2.1景观格局分析的目的意义与作用（1）确定产生和控制空间格局的因子及其作用机制；（2）森林景观空间格局分析及影响因素（3）探讨空间格局的尺度性质；（4）确定景观格局和功能过程的相互关系；（5）为景观的合理管理提供有价值的资料；（6）森林景观生态评价、规划及改造研究；（7）森林边际效应及动态；（8）森林景观水平上的生物多样性保护 ；（9）森林景观动态模型的构建。2.2景观格局的基本模式：斑块-廊道-基质模式景观格局的基本模式：斑块-廊道-基质模式。在实际研究中，要确切地区分斑块、廊道和基质有时是很困难的，也是不必要的，这与尺度有密切关系：1、许

6、多景观中并没有在面积上占绝对优势的植被类型或土地利用类型；2、斑块、廊道和基底的区分往往是相对的，总是与观察尺度相联系 ；3、广义地讲，基质可看做是景观中占主导地位的斑块，而许多所谓的廊道也可看做是狭长型斑块。2.3景观格局分析的基本步骤：1、以研究目的和方案为指导，收集和处理景观数据（3S技术支撑）；2、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，利用Fragstats软件；3、最后对分析结果加以解释和综合，并进行讨论，以至于提出更好的研究方法。下面结合景观格局分析图示，真实的森林景观生态系统受到养分、水、光照、温度、土壤类型影响着景观系统特征。利用3S技术，通过对真

7、实景观的数据采集，如采集森林小班类型，树种的分布情况使得数值化。利用景观指数和空间统计学方法对数据进行分析，来预测景观格局的演变，生态状况以及空间异质性特征19。如下图所示：图2.1景观格局分析图示3景观指数景观指数：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（Turner,1990） 10。在景观指数分类的研究中,肖笃宁等(2003)按照景观生态学的基本原理将景观指数分为了2大类6小类两级11,郭晋平(2001)在研究森林景观的过程中把景观指数按其表述的意义分为了3类:斑块特征、景观异质性和相互关系12。也有很多学者按照指标描述的对象和尺度把其分为斑块水平、

8、景观要素水平、整体景观水平3类。在指数统计性质研究方面, Riitters等13用85张土地利用图为基本数据对55个景观指数用因子分析的方法进行了两次维数压缩,将55个景观指标压缩成具有代表性的5 维。Samuel A. Cush2man14用主成分分析、聚类分析方法对49 个景观要素水平指数和54个整体景观水平的指数进行了筛选,定义出24个景观要素水平指数和17个整体景观水平指数,提出了筛选指数的要点:优势性、普遍性和相容性。在国内,王新明15也用类似的方法对大尺度下13个陆地景观结构指数进行了统计学分析。其余更多的研究集中在指数间的相关性上16-17 。对于景观指数敏感性的问题,部分学者使

9、用真实或模拟的景观格局进行了定性分析,如李秀珍等18通过对比8个景观指数对由中性随机模型产生的不同格局系列(类型数量、图区范围、分辨率、类型相对面积、聚集程度)在景观总体水平和不同类型水平上的反应,定性地描述了部分景观指数对不同格局的变化和灵敏程度,提出了慎用景观指数的建议。以下是常用的景观指数汇总。3.1景观要素斑块特征分析3.1.1景观要素斑块规模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。反映该类景观要素斑块规模的平均水平。式中：Ni第i类景观要素的斑块总数；Aij第i类景观要素第i个斑块的面积。最大和最小斑块面积：是指景观中某类景观要素最大和最小斑块的面积。反

10、映该类景观要素斑块规模的极端情况。 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。反映该类景观要素斑块规模的变异程度。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j类生境的斑块平均内部生境面积； EA ij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。实际研究工作中，某一类生境斑块内部生境面积的测度，并不通过上式计算，而是在GIS支持下通过生成该类斑块的边际缓冲带（buffer）图层后，直接有非缓冲带面积得到。3.2 景观要素

11、斑块形状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之间的偏离程度来测量其形状的复杂程度。 以圆为参照： 斑块周长与等面积的圆周长之比。以正方形为参照： 斑块周长与等面积的正方形周长之比。 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（fractal dimension）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。分维数的一般数学表达式： Q(L)=LD。式中，Q(L)是在观测尺度L上获得的某种量（即分维变量），D

12、是量Q的分维数。D取值越大，则Q的结构和变化越复杂。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。3.3景观异质性指数（1）景观斑块密度和边缘密度A:景观斑块密度景观斑块密度：指景观中包括全部异质景观要素斑块的单位面积斑块数。景观斑块密度= 景观斑块总数 / 景观总面积式中:PD景观斑块密度 PDi景观要素的斑块密度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。 景观要素斑块密度：指景观中某类景观要素的单位面积斑块数。类型的斑块密度（孔隙度）=类型

13、斑块总数/类型总面积。B:景观边缘密度景观边缘密度包括景观总体边缘密度（或称景观边缘密度）和景观要素边缘密度（简称类斑边缘密度）。景观边缘密度（ED）指景观范围内单位面积上异质景观要素斑块间的边缘长度。景观要素边缘密度（EDi）指研究对象单位面积上某类景观要素斑块与其相邻异质斑块之间的边缘长度。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。（2）景观多样性A: 多样性指数与均匀度景观丰富度指数（landscape richness index）景观丰富度R：景观中斑块类型的总数，R = m，m是指景观中斑块类型数目。相对丰富度Rr： Rr = m / mmax丰富度密度R

14、d： Rd = m / Ammax为景观中斑块类型数的最大值，即景观最大可能丰富度；A为景观面积。景观多样性指数（landscape diversity index）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： 多样性指数的大小取决于两个方面的信息：斑块类型的多少（即丰富度），各斑块类型在面积上分布的均匀程度。对于给定的m，当各类斑块的面积比例相同时（即Pk=1/m），H达到最大值。景观均匀度指数（landscape evenness index）：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

15、： 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。B: 景观要素优势度景观优势度指数（landscape dominance index）：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）4 空间统计学方法景观格局的最大特征就是空间自相关性（spatial autocorrelation）。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

16、的依赖关系。空间自相关性的存在使得传统的统计学方法不宜用来研究景观的空间特征。因此，空间自相关性曾被认为是生态学分析的一大障碍。生态学中需要不受空间自相关性限制的统计学方法，空间统计学提供了这样一系列方法。空间统计学方法非常丰富，并且仍然在蓬勃发展。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，则这所测值不一变量表现

17、出空间不相关性或空间随机性。此外主要的分析方法：空间相似性分析、回归分析、空间缓冲区分析、景观斑块分布格局分析、景观组成重要性排序、组分间相关以及空间差异显著性检验、方差分析。5 地理信息系统的分析方法在景观生态研究中,地理信息系统不仅被用来采集、处理、存贮、管理和输出景观数据,还用来进行景观空间格局的分析与描述、景观时空变化动态分析与模拟、景观优化设计与管理,以及结合遥感技术进行景观信息的自动采集、分析,进行景观图及各类专题图的绘制等6。Sigrid运用GIS技术,增加新的景观要素到那些具有很好的生态和观赏价值的景观中,以某种动物作为指示物,进行模拟,将增加了新的景观要素的地区与原来的地区进

18、行比较,得出前者的景观格局更合理7。为了保护汉城正在退化的古老的地质景观Kyushik运用GIS和计算机图像模拟技术,建立了景观信息系统,来管理城市景观8。Turner对于GIS在景观数据分析、格局与过程的中性模型、通过不同空间尺度分析景观格局等方面的应用进行了探讨9。首先对研究区域的森林资源分布图进行扫描，利用ArcGIS软件对其进行数字化，在此基础上，根据森林景观划分原则绘制出森林景观类型图，然后利用软件强大的统计分析和空间分析能力,对该区域的森林景观类型进行计算分析,获取的主要分析指标为:1)斑块数； 2)斑块密度； 3)变动系数； 4)形状指数； 5)斑块边缘密度； 6)分维度； 7)

19、优势度； 8)分离度； 9)多样性指数； 10)均匀度收集森林资源分布图纸并扫描在GIS数字化GPS定位坐标和匹配小班图植被景观图利用软件对景观指数分析利用GIS形成景观格局分析专题图图1植被景观解译技术路线Fig.1 technology flow chart of vegetational landscape6 遥感分析方法近来很多学者进行有关景观格局的研究,但是在景观指数提取方面多数采用传统的以地形图和土地利用图为基准,利用MapGIS地理信息系统软件为平台,通过对遥感影像进行目视解译,对斑块属性的赋值建立景观分类图,然后利用SPSS、PANS等景观软件或Excel软件进行景观指数计算。

20、此方法过程复杂,其存在的不足概括有:基本数据来源于土地利用现状图及地形图,编辑工作烦琐,时效性差；利用GIS软件建立景观斑块的拓扑关系,然后对斑块属性赋值,编辑复杂,工作量大；景观计算多数采用SPSS、PANS、LSPA等软件,缺乏专业的计算模块,软件操作费事费力且数据格式兼容性差。针对传统景观指数提取方法的不足 ,常规的方法是使用RS遥感技术含航天遥感、航测、无人驾驶轻型飞机数字航测、近景摄影测量等，对森林生态系统中森林、环境、人类影响和活动等时空信息获取的进行获取遥感图像数据20。RS、GPS的获取大量空间数据的功能以及GIS采集、存储与管理空间数据功能，使得越来越多的生态学家将3S技术作

21、为景观生态学研究中基础数据获得的重要手段。尤其，遥感技术的发展改变了传统生态学的研究方法，它较传统生态学方法在数据采集方面具有显著优点：遥感技术的发展增大了观测的范围，成为生态学家获得大尺度各种生态和物理信息的主要手段；避免研究者对研究对象的直接干扰，并且允许重复性观察；可有效地为景观生态学研究提供所必需的多尺度上的资料，为等级理论尺度推绎的研究提供数据；可提供多光谱、高分辨率的数据。3S技术的发展极大的推动了景观定量研究的发展和景观结构、格局及动态分析的不断深入，为各种景观模型的建立与发展提供了坚实的资料基础。利用遥感图像采集地面数据，然后对遥感图像进行预处理，包括地面校正，辐射校正，图像增

22、强处理等一系列处理。选择正确的分类方法进行分类，最后形成植被景观分类图，最后利用景观指数软件得到分析结果。目前,一种常见的景观生态学研究方法是以遥感为数据源,使用图像处理系统对其进行分类,获取景观类型图,再以地理信息系统如ARC/INFO等为手段,计算斑块的数目、面积、周长等斑块特征,并在此基础上计算各种景观指数,并进行景观格局分析3-5。选取遥感影像以及收集已有资料处理遥感影像野外建立解译标志确定植被景观分类类型利用计算机进行室内监督分类并进行矢量化各要素进行叠加分析分类生成植被景观分类图分析植被景观格局利用软件进行景观指数分析建立拓扑关系图2植被景观解译技术路线Fig.2 technolo

23、gy flow chart of vegetational landscape研究以航空遥感数据为基础，同时收集了地形图、森林植被图、土地利用类型图、水土流失及防治措施图、林业清查资料等非遥感数据作为辅助资料。利用遥感图像处理软件对遥感数据进行处理（包括几何校正、图像增强处理、融合等）,采用遥感影像监督分类方法，根据遥感影像地物纹理特征，参考地貌、土壤植被类型、生态系统类型等图件，并结合野外考察建立各种景观类型的解译标志，运用遥感图像处理软件ERDAS，ENVI采用人机交互的判读分析方法，按照景观类型分类系统和所建的景观类型解译标志，对所有拼块逐个勾绘。然后利用地理信息系统软件Arc/info

24、分别对每个拼块赋予属性，并对整个图层进行编辑，在此基础上叠加野外实地调查、GPS测量样点以及收集的现有相关图件进行分析，对解译结果进行修正以求得到最精确的调查数据。7 森林景观空间格局分析景观生态学研究最突出的特点是强调空间异质性、生态学过程和尺度的关系，研究空间异质性往往应用空间格局分析方法。景观生态学中的格局，往往是指空间格局，即缀块和其它组成的类型、数目以及空间分布与配置等。空间格局可粗略地描述为随机型、规则型和聚集型。更详细的景观结构特征和空间关系可通过一系列景观指数和空间分析方法加以定量化。目前，对景观结构和空间格局的研究大都采用3S技术，应用RS技术和GPS技术采集景观原始数据，再

25、利用GIS的栅格化数据或矢量化数据表达景观数据，在此基础上，用GIS与景观研究方法（景观指数分析法和空间分析方法）进行分析，最后对分析结果进行解释与分析。刘延国、彭培好等人21以景观生态学理论为研究基础,以RS和GIS为技术支撑,以Quick Bird高分辨率卫星数据资料为基本信息,对九寨沟自然保护区进行景观指数分析，并提出生态保护措施。 胡淑萍21利用景观分析软件Fragstats3.3和半城子水库流域2000年、2005年的遥感影像解译结果,分析了20002005年间流域森林景观格局时空变化特征。陈彩虹等应用TM遥感影像为数据源，应用地理信息系统，分析了南京市城乡交错带的景观生态持征，通过

26、比较东南两样区各景观组分的斑块体的面积和平均周长、平均分维数、平均伸长指数和分离度，指出了城乡交错带不同类型斑块体景观特征及生态意义。高峻等在遥感和地理信息系统技术的支持下，建立上海绿化景观地理信息系统，并分析评价了上海市区的绿化景观格局，得出绿化景观格局较好的效果。何原荣20等文中利用基于SPOT影像与Fragstats软件的区域景观指数提取与分析,以屈原农场为例进行了实验研究,制作了景观现状图和计算部分景观指数。通过实验表明:该方法对景观质量的评价信息获取效率高、时效性强,通过快速分析与评价手段,可以大大地促进区域进行规划、管理和恢复的科学性和可操作性。通过对景观指数的分析，来对景观格局的

27、演变进行分析，对下一步的规划、管理起到重要的作用。通过对景观空间格局的分析,有助于了解景观要素的形状、大小、数量和空间组合,有助于对宏观区域生态环境状况评价及发展趋势分析,该方法对景观质量的评价信息获取效率高、时效性强,通过快速分析与评价手段,可以大大地促进区域进行规划、管理和恢复的科学性和可操作性。3S技术在很大程度上改变了生态学家开展研究的方式，同时也逐渐成为景观生态学的特征之一，并在景观数据的来源、景观空间格局分析、景观生态监测、评价与管理、景观空间模拟、景观生态规划等研究中起着重要的作用。8 森林景观格局研究存在的问题由于森林景观的研究起步比较晚，人们对其认识还不够完善，总结起来有以下

28、几点：1.各个学者和研究者对景观格局的感知和认识能力并不一致，对景观的异质性、相关性、地域性、时空性、尺度性及实用性的理解能力并不相同。2.近几年的景观格局研究很少注意景观类型或景观组成的划分和论证。3.缺乏对景观格局分析方法确定的依据，研究中对研究方法的适用性很少说明。4.对各项景观格局分析指标的引用，缺乏筛选。5.景观理论与空间信息技术层面的不统一，有些学者只是研究景观理论，而对空间信息技术的应用与研究不够深，致使在信息提取时有一定的技术难度。参考文献1卢玲.黑河流域景观结构与景观变化研究D.北京:中国科学院,2000.2周霞,廖圣东,廖其芳.鹤山市景观格局动态变化研究J.热带地理,200

29、5,25(3):206-210.3Tumer M G, Garder R H. Quantitative Methods in Landscape Ecology M. New York:Springer-Verlag,1992.4 Tumer M G,et al.Methods to evaluate the performance of spatial simulation modelsJ.Ecol Model,1989,48(1):1-18.5 Blackbum G A, Milton E J . An ecological survey of Decidous woodlands us

30、ing air borne remote sensing and Geographical Information SystemJ.Int J Remote Sensing ,1997,18(9):919-935.6傅伯杰,陈利顶,马克明,等.景观生态学原理及应用M.北京:科学出版社,2001.7Singrid Heih-Lange.Structural elements of the visual landscape and their ecological functionsJ.Landscape and Urban Planning，2001,(54):105-113.8 Kyushik O h.Landscape Information System:a GIS approach to managing urban development J.Landscape and Urban planning,2001,(54):79-89.9 Turner M G.Spatial and temporal analysis of landscape patterns J.Landscape Ecology,1990,(4):21-30.10