景观生态学Chapter6景观格局分析

景观生态学Chapter6景观格局分析第一页，共112页。景观格局分析概述景观指数空间统计学方法可塑性面积单元问题景观格局分析中的误差问题格局分析中的挑战性问题第二页，共112页。教学目的：掌握景观格局分析方法的含义及其意义，了解景观空间格局分析的基本步骤；熟悉各特征指数的计算方法及其生态意义；了解格局分析中误差的来源、精度评价方法和常用降低的误差方法。重点难点：教学重点景观格局与景观格局分析的概念与主要的景观指数。教学难点空间统计学方法第三页，共112页。

空间格局分析方法：是指用来研究景观结构组成特征和空间配置关系的分析方法。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？？第四页，共112页。第五页，共112页。GIS技术平台(Mapgis、Erdas)影像数据数据图像处理(波段选择、几何校正等)辅助统计数据(地形图、行政区划图等)矢量扫描数字化处理信息提取(解译)基础数据处理(坐标、分类等)景观分布图叠加分析建立拓扑关系图变化信息GPS野外检验指数模型动态模型格局动态变化分析第六页，共112页。第七页，共112页。景观格局分析可以数量化地分析景观要素的结构特征及其相互间的空间分布关系；在看似简单无序的斑块镶嵌景观上，发现潜在的、有意义的规律性及其形成机制；从而成为进一步研究景观功能和动态的基础。第八页，共112页。ERDAS9.0遥感软件：对影像执行非监督分类，获得相应的景观类型分布图；运用ERDAS8.5的空间建模工具，输出具有正负值的栅格数据；通过FRAGSTATS4.2和EXCEL软件包分析统计相关景观指数.第九页，共112页。确定训练区MSS、TM影像波段拉伸几何校正监督分类土地覆盖类型图地形图几何控制点野外调查资料建立分类系统景观多样性分布图景观生态分类第十页，共112页。（1）确定产生和控制空间格局的因子及其作用机制；（2）比较不同景观镶嵌体的特征和它们的变化；（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。第十一页，共112页。

景观生态分类：既是景观结构与功能研究的基础，又是景观生态规划、评价及管理等应用研究的前提条件，是景观生态学理论与应用研究的纽带；它是指按照一定的原则、依据、指标，把一系列相互区别、各具特色的景观生态类型进行个体划分和类型归并，揭示景观的内部格局、分布规律、演替方向。一、景观生态分类第十二页，共112页。景观生态分类：实际就是从功能着眼，从结构着手，对景观生态系统类型的划分。第十三页，共112页。景观生态分类的原则：综合性原则、主导因子原则、实用性原则、等级性原则等主要景观分类系统介绍：生态-土地分类、景观性质分类、生态流的景观分类、人类影响强度的景观分类案例研究：黄河三角洲湿地景观分类、毛乌素沙地景观类型的划分。第十四页，共112页。第十五页，共112页。

科学的土地分类始于20世纪30年代。当时的德、苏、英、美等国都开展了比较广泛的土地和景观研究。经过60多年的发展，土地分类内容不断扩展，方法层出不穷，现存的各种土地分类中，就其对土地内在属性认识的差异，选择分类的指标和要素不同，大致可以划分为发生法、景观法和景观生态法3种第十六页，共112页。发生法：是着眼于土地的形成过程，以发生的关联与相似性为依据进行分类；景观法：是通过土地空间形态相似相异性的识别进行土地分类的方法；景观生态分类：是在景观法中叠加了发生法的优点，旨在得到一种更为综合和实用的土地分类。第十七页，共112页。通过分类系统的建立，全面反映一定区域景观的空间分异和组织关联，揭示其空间结构与生态功能特征，以此作为景观生态评价和规划管理的基础。

1)目的和特点：在于综合反映景观的形态和发生两方面特征。一般在单元确定中，以功能关联为基础；在类群归并中，以空间形态作指标。第十八页，共112页。2)

内容对单元空间范围的界定和等级水平的确定，是景观生态分类的主要部分。在个体单元确定的基础上，依据一定的发生特征及其指标，对其层次单元进行类群归并，是景观生态分类的另一重要部分。三、景观生态分类第十九页，共112页。三、景观生态分类第二十页，共112页。3)分类体系与指标选取根据景观生态分类的特征及指标选取，分类体系的建立宜采取功能与结构双系列制。三、景观生态分类第二十一页，共112页。

功能性分类：是据景观生态系统的整体特征，主要是以生态功能属性来划分，然后归并单元类群；同时要考虑体现人的主导和应用方向的意义。

包括两方面内容：一是类型单元间的空间关联与耦合机制，组合成更高层次地域综合体的整体性特征；二是系统单元针对人类社会的服务能力。第二十二页，共112页。

结构性分类：是景观生态分类的主体部分，包括系统单元个体的确定、类型划分和等级体系的建立，是以景观生态系统的固有结构特征为主要依据。

景观生态系统特征可以分4个方面来考察：空间形态、空间异质性组合、发生过程、生态功能。第二十三页，共112页。

通过实验与观察获得数据，用于解释景观现象中的因果联系，使景观生态学研究走向严谨化，是目前该学科发展的一个重要课题。第二十四页，共112页。第二十五页，共112页。1)自然格局观察→关注自然现象

2)人文格局观察→关注人文现象

3)景观综合实验→设立景观尺度的调查样地，获取实验数据

4)小尺度实验→利用一些小动物在理想条件下进行实验第二十六页，共112页。定位和对参考资料的研究航片浏览、分析，初步图例准备初步影像解译和综合野外调查与采样最终景观图的绘制评价第二十七页，共112页。第二十八页，共112页。第二十九页，共112页。DEM

数字高程模型(DEM)：它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。一般认为，DTM是描述包括高程在内的各种地貌因子。第三十页，共112页。

数字正射影像图

(DEM)是数字化航空像片，按国家基本比例尺地形图图幅范围剪裁生成的数字正射影像数据集。它是同时具有地图几何精度和影像特征的图像，具有精度高、信息丰富、直观真实等优点。第三十一页，共112页。

数字线划地图(DLG)：是现有地形图要素的矢量数据集，保存各要素间的空间关系和相关的属性信息，全面地描述地表目标。第三十二页，共112页。

数字栅格地图(DRG)是现有纸质地形图经计算机处理后得到的栅格数据文件。在内容上、几何精度和色彩上与国家基本比例尺地形图保持一致。第三十三页，共112页。1样地调查乔木调查灌木调查草本调查第三十四页，共112页。第三十五页，共112页。第三十六页，共112页。1)卫星影像数据A：AVHRR数据(1.1km分辨率)B：MSS数据(70m分辨率)C：TM数据(30m分辨率)，ETM(15m分辨率)D：SPOT数据(5～15m分辨率)E：QUICKBIRD(IKNOS)(2m分辨率)2)航空相片：一般为1～5m分辨率第三十七页，共112页。第三十八页，共112页。*遥感数据选择需要考虑的几个数据属性

1)类型：遥感平台类型、数据表达类型

2)范围：地表覆盖范围、目标客体涵盖范围

3)分辨率水平：目标细节的表现水平

4)时段：数据获取的时间、不同时段的分布情况第三十九页，共112页。*数据选择的主要方式：

1)目标导向型方式：据研究目标涉及的时空尺度要求进行数据选择；

2)对象导向型方式：据研究对象的时间与空间分布特征进行数据选择；

3)方法导向型方式：据方法对数据特性的要求进行数据选择。第四十页，共112页。

*数据类型选择的核心问题：尺度效应

1)数据特性的直接应用：不同传感器数据的对比分析；

2)结合其他方法进行实验：将尺度转换方法结合到遥感数据应用中(分辨率转换)；

3)研究单元的确定：分辨率实验(窗口转换)；第四十一页，共112页。

*数据类型选择的核心问题：尺度效应4)分辨率水平选择不当，将导致数据冗余或对象细节显示度不足；

5)不同尺度的生态学现象的尺度转换规则，尚无法建立；

6)时空尺度的分辨率水平应与空间范围适宜性统一。第四十二页，共112页。尺度交换分析与尺度效应尺度交换分析：是指小尺度上的景观经过尺度的筛选重新组合而形成较大尺度上景观格局的过程；尺度效应：是指随着尺度的增加而造成的景观格局的简单化，景观多样性的减少等。第四十三页，共112页。尺度对景观斑块的影响在尺度的变化过程中，不同大小的斑块具有不同的变化方式，如斑块的大小和形状以及斑块数的多寡。

从尺度变换的整个过程看，小斑块的面积变化率大于大斑块。总的来说，随尺度增加，周长面积比值大的斑块，其面积的变化率大。第四十四页，共112页。尺度对景观面积的影响尺度变化，景观类型的面积也在发生不同程度的变化。

尺度对景观多样性的影响景观多样性随尺度的增加而减少，且多样性指数越小，其变化幅度就越大。最佳尺度选择？第四十五页，共112页。河北坝上土地利用变化(1987-1996)第四十六页，共112页。尺度？第四十七页，共112页。斑块面积各类斑块数目各类斑块所占比例

斑块的平均面积

斑块密度：用来测定单位面积内某一类型的斑块数第四十八页，共112页。斑块周长

边界密度：景观中斑块边界总长度除以总面积再乘以106转化成km2形状指标(周长与等面积的圆周长比)

内缘比例(斑块周长与斑块面积比)二、景观指数(类型水平)第四十九页，共112页。最大斑块指数：景观中最大斑块的面积除以总面积乘以100转化成百分比。大于0，小于等于100景观的总面积各类型景观第五十页，共112页。

面积周长分维度指数：1≤

PAFRC≤2，当PAFRC趋于1时，斑块趋于方形；趋于2时，斑块的形状趋于卷绕。ai为第i类景观类型第j个斑块的面积;pi为第i类景观类型第j个斑块的周长;ni为类景观类型i的斑块总数。第五十一页，共112页。

聚集度指数：反映景观组分的空间分布特征，0≤

AI≤100，当景观中以少数大斑块为主或同一类型斑块高度连接时，聚集度的值较大；反之，则较小。gii为根据单一算法类型i相邻的斑块数聚集度指数反映景观中不同斑块的非随机性或聚集程度。第五十二页，共112页。

斑块结合度指数：反映该类型斑块的物理连通性，0≤

COHESION＜100。pii为斑块ij用像元表面积测算的周长；aij为第ij用用像元测算的面积；A为该景观的像元总数。第五十三页，共112页。形状指标(周长与等面积的圆周长比)

内缘比例(斑块周长与斑块面积比)第五十四页，共112页。

斑块总数

斑块密度景观形状指数

面积周长分维度指数

聚集度指数第五十五页，共112页。

景观蔓延度指数：当一个单一类型占该景观大部分比例时，该指数就大，反之亦然。pi为类型i在整个景观中所占的比例；gik为类型i和k中邻近的斑块数；m为该景观中所有景观类型的数目。第五十六页，共112页。

香农多样性指数：当景观中只有一种类型的斑块时，SHDI=0；当斑块类型增加或者各类斑块所占比例趋于相近的时候，SHDI也相应增大。为类型i在整个景观中所占的比例第五十七页，共112页。

均匀度指数：反应的是景观中各斑块在面积分布上的不均匀程度，以多样性指数与其最大值的比来表示。0≤E≤1为类型i在整个景观中所占的比例为斑块类型多样性指数最大值第五十八页，共112页。

优势度指数：景观多样性的最大值与实际值之差，D越大说明一个或者少数几个板块类型占主导地位。为斑块类型k在景观中出现的概率多样性指数最大值第五十九页，共112页。

破碎化指数：是用来描述景观中一生境类型在给定时间里和给定性质上的破碎化程度。其取值从0～1，0代表无生境破碎化，而1代表给定性质已完全破碎化。第六十页，共112页。主要计算公式有：为整个研究区域的景观破碎化斑块总数景观总面积为某一景观类型斑块数破碎化为各类斑块平均面积某一景观类型斑块数第六十一页，共112页。生物多样性丧失的主要原因：生境的丧失和破碎化引入物种植物和动物种的过度利用土壤、水和大气污染全球气候变暖工业化的农业和林业第六十二页，共112页。

景观多样性的意义：

只有多种生态系统的共存，才能保证物种多样性和遗传多样性；只有多种生态系统的共存，并与异质的立地条件相适应，才能使景观的总体生产力达到一定水平；只有多种生态系统共存，才能保证景观功能的正常发挥，并使景观的稳定性达到一定水平。第六十三页，共112页。景观空间格局指数所用的方法十分丰富。其常用软件有：SpatialScaling：美国南达科他州立大学动物与畜牧学系开发，操作平台为MS-DOS，可用来进行景观空间格局的一维和二维分析；Fragstats：美国俄勒冈州立大学森林科学系开发，这是目前国际上通用的著名景观格局分析软件。第六十四页，共112页。Fragstats：不限制景观分析尺度。但距离和面积默认的是m和hm2。因此，具有极限范围或分辨率的景观可能会产生复杂或错误的结果。指标：斑块尺度水平的度量指标斑块类型尺度水平的度量指标景观尺度水平的度量指标第六十五页，共112页。斑块数、斑块密度、边界总长度、边界密度；斑块丰富度、斑块丰富度密度、最大斑块指数；平均斑块面积、斑块面积标准差、斑块面积变异系数；景观形状指数、平均斑块形状指数、面积加权平均斑块形状指数；面积加权平均斑块分维数、平均最近邻体距离、核心区总面积。FRAGSTATS软件中的景观指数第六十六页，共112页。

丰富度(richness)：指的是一个景观中生态系统类别数，以绝对值表示。相对丰富度是指一定景观内出现的生态系统类别数占一地区全部可能出现的生态系统类别数的百分比斑块类型数目斑块类型数的最大值景观面积丰富度相对丰富度丰富度密度第六十七页，共112页。Simpson多样性指数(diversityindex)H′-Simpson多样性指数，S：生态系统总数，Pi：每一生态系统所占面积百分比生态系统类型越多，景观多样性指数越大第六十八页，共112页。Shannon-Weiner指数H-香农指数，S-景观中斑块类型总数，Pi-斑块类型i在景观中出现概率根据信息论的理论而来，它的指标H’代表一个景观“信息”的不确定性，其组成成分变化越大，其不确定性也越大三、常用的景观指数第六十九页，共112页。

斑块形状指数(patchshapeindex)三、常用的景观指数斑块周长斑块面积以圆为参照几何形状以正方形为参照几何形状注：斑块形状越复杂或越扁长，S值越大第七十页，共112页。

景观形状指数(landscapeshapeindex)E为景观中所有版块边界的总长度，A为景观总面积，当景观中斑块形状不规则或偏离正方形时，景观斑块形状指数增大三、常用的景观指数第七十一页，共112页。

正像元指数(squrepixelindex)SQP是周长与斑块面积比的另一种表达方式，其取值在0~1之间

A为景观总面积，E为总周长。当景观中只有一个斑块且为正方形时，正像圆指数等于0；当景观中斑块的形状越来越复杂或偏离正方形时，其值增大，渐趋于1三、常用的景观指数第七十二页，共112页。

景观聚集度指数(contagionindex)Cmax是聚集度指数的最大值[2ln(n)]，n是景观中斑块类型总数，Pij是斑块类型i与j相邻的概率，在栅格化的景观中，Pij可用下式求取：三、常用的景观指数随机抽选的栅格细胞属于斑块类型i的概率斑块类型i的情况下，斑块类型j与其相邻的条件开业率第七十三页，共112页。

分维数(fractaldimension)：可以直观地理解为不规则几何形状的非整数维数P-周长；A-面积；Fd-分维数，k-常数，对于栅格景观而言，k=4

在用分维数来描述景观斑块镶嵌体的几何形状复杂是，常用线性回归方法，即三、常用的景观指数是对景观中所有斑块的周长和面积的对数回归而产生斜率第七十四页，共112页。

均匀性(evenness)——E=H’/H’(max)E：均匀性，H’：现实景观多样性，H’(max)：完全均匀情况下的景观多样性优势度(dominance)优势度=1-均匀度说明一个景观中某一生态系统占优势的程度相对分块性(relativepatchness)

P：分块性，N：相邻生态系统边界数，Di：相邻生态系统相异性指数第七十五页，共112页。景观优势度指数(landscapedominanceindex)景观均匀度指数(landscapeevennessindex)景观斑块破碎化指数(fragmentationindex)三、常用的景观指数第七十六页，共112页。第七十七页，共112页。20001988

譬如：从1988到2000年共12a时间内，各景观类型的面积发生了较大的变化。阔叶林面积大幅增加，由1988年的25.88％上升到2000年的54.51％，年均增加782.43hm2，总增加面积与针叶林、灌草地和耕地的总减少面积相当。表明人类干扰对自然生态系统和自然景观的影响值得深切关注。第七十八页，共112页。

针叶林、灌草地、建设用地和未利用地的斑块数量在12a内呈现出快速增长的趋势(可以加上数据？)；与此相反的是水体、阔叶林和耕地的衰减，其中耕地的减速最为迅速。

斑块密度的变化趋势与斑块数量的发展趋势基本一致。第七十九页，共112页。

以区域化随机变量理论为基础，研究自然现象的空间相关性和依赖性——空间局部插值法；区域随机化是根据在一个区域内的位置取不同的值，考虑到是系统属性在所有分离距离任意两样本间的差异，用方差表示。第八十页，共112页。普通随机变量是按某种概率分布的变化而取值；区域随机化是普通随机变量在区域内特定位置上的热定取值，它是随机变量与位置有关的随机函数；主要应用：空间异质性、空间分布、空间结构、空间格局、空间变异。第八十一页，共112页。图鉴：植被图、土壤图、土地利用和土壤覆盖图等用Arcmap统计软件的空间分析功能进行空间分析，主要有：半方差分析趋势面分析空间自相关分析谱分析小波分析尺度反方差分析……第八十二页，共112页。

半方差分析，又称变异距或变异函数分析：是地统计学中的一个重要组成部分。半方差分析主要有两种用途：一是描述和识别格局的空间结构，二是用于空间局部最优化插值，即克瑞金插值，简称克瑞金或Kriging。基台值表示某变量在研究系统或地区中总的变异程度，由块金方差和结构方差组成第八十三页，共112页。第八十四页，共112页。在理论上，当样方对间隔距离趋于零时，样对应表现出100%的空间自相关，块金方差应为0。但实际应用中，由于样方不可能无限小、测量及分析误差不可能完全杜绝，块金方差大于零。第八十五页，共112页。趋势面分析(Trendsurfaceanalysis)：是用来研究区域尺度上空间结构的趋势和逐渐变化的一种空间分析方法。它根据对某一变量的观察值和其取样位置的多项式回归结果来进行内插值，从而产生一维、二维或三维的连续线段、平面或立体面。第八十六页，共112页。内插值方法第八十七页，共112页。三、空间自相关联AcBbad如果，x2<x20.05,则认为两景观无关，否则相关相关系数-1<r<1，bc=0最大正相关，ad=0最大负相关第八十八页，共112页。

在研究区内布设采样点，采样点的位置、数量根据当地土质、土地利用类型、植被类型等因素确定。土壤层主要为0～20cm土层，各采样点的坐标采用GPS现场定位确定，采样时间要在土壤相对比较稳定状况下进行。第八十九页，共112页。采样第九十页，共112页。影像数据，在ERDASIMAGINE9.0支持下进行几何纠正和多波段融合，结合规划图以及档案资料，并经现场GPS定位调查，目视解译遥感影像，由此获取当前景观类型数据。主要景观类型：耕地、人工林地、灌木林地、草地、建设用地、盐碱地、裸地、坑塘河滩等景观类型第九十一页，共112页。第九十二页，共112页。

通过kriging插值图进行重新等级划分。然后将研究区景观类型图与新分类的土壤含盐量区域分布图进行空间叠加，获得土壤含盐量在区域景观中的分布状况。非盐化：<0.2，安全区轻盐化：0.2~1.0,，较安全区中盐化：1.0~2.0，危害区重盐化：2.0<，重度盐害区第九十三页，共112页。

由表可看出，土壤盐分的空间分布与地下水水位之间具有一定的相关性，说明区域人为活动作用，影响地下水水位、水质的同时，也间接的影响到土壤盐分的空间分布。经相关性检验，土壤盐分与地下水矿化度负的相关性，并且与地下水总硬度呈现显著的负相关性(a=0.05)，理论上土壤盐分与地下水矿化度和地下水总硬度应为正的相关性，？？第九十四页，共112页。

可塑性面积单元问题(modifiablearealunitproblem)：分析结果随基本面积单元(栅格细胞或粒度)定义的不同而变化的问题，简称MAUP。第九十五页，共112页。分析MAUP时，主要考虑下列两方面：

尺度效应(scaleeffect)：当空间数据经聚合而改变其粒度或栅格细胞大小时，分析结果也随之变化的现象；

划区效应(zoningeffect)：在同一粒度或聚合水平上由于不同聚合方式(即划区方案)而引起的分析结果的变化。就面积单元问题而言，空间分析研究的有效性决定于数据中的基本面积单元的性质和涵义。第九十六页，共112页。第九十七页，共112页。

不同取样面积：景观类型多样性、斑块多样性和格局多样性的各个表征指数的变异随着区划方案的不同而变化第九十八页，共112页。当取样面积在12500m2

以前,取样面积对斑块数目、类型、形状以及景观内斑块的组成都有显著的影响;当在取样面积达到12500m2以后继续增加样方面积,则尺度效应逐渐减弱李广等：临泽盐渍化草地空间格局的可塑性面积单元问题。生态学报，2008第九十九页，共112页。

MAUP是空间分析中的主要障碍之一。然而，现代生态学研究，MAUP的影响还未受到足够的重视，尤其是划区效应。

MAUP制约了用环境属性的空间异质性来解释群落尺度或种群尺度植被属性的空间异质性，制约了用生态系统属性空间异质性的变化来解释植被动态。针对“可塑性面积单元问题”，国外学者提出5种解决途径:第一百页，共112页。

主要特点：资料的收集和分析直接基于研究对象的基