基于GIS的帽儿山景观生态综合评价

2010-06-21龚文峰

水土保持研究 2010年4期

孔达，龚文峰

（黑龙江大学水利电力学院，哈尔滨 150086）

景观利用在“垂直”方向不适宜的匹配（如陡坡垦殖）和在“水平”方向不合理的空间布局（如景观碎裂化）［1］，造成坡地区域水土流失和自然生态环境破坏，从而导致其景观生态质量退化。为了合理调整景观利用格局，维持高质量的景观生态水平，对景观生态现状进行评价和景观生态规划，促使景观的优化利用与其生态条件相适应、相协调，并维持景观生态健康发展。本文在地理信息系统（GIS）技术支持下，以景观生态学为理论基础，以土地利用类型单元为评价单元，研究景观格局对生态过程的影响［2－5］，对研究区域的景观生态质量现状进行分析和综合评价，国内的研究主要侧重于基于景观分析和综合评价上，并提出景观资源合理利用的方案［6－7］。但借助于数字高程模型（DEM），通过DEM和景观生态评价进行叠加处理，完成研究区域的景观生态质量的地域分异规律的这方面研究较少，因此，基于DEM的景观生态评价分异规律可真实反映景观生态质量的空间特征，反映环境状况的区域性差异，对其景观生态环境的改善及可持续发展都具有重要意义。

1 研究区域

帽儿山实验林场位于黑龙江省尚志市帽儿山镇境内，经纬度坐标为45°20′－45°35′N，126°20′－126°25′E。帽儿山实验林场东部以自然山脉与尚志市黑龙宫、小九林场相邻，南部以哈绥铁路与国营林场局所辖的帽儿山林场为界，西部和北部以自然分水岭为界与阿城市平山林场、山河林场相接壤，共划分10个森林经营施业区。发源于本场尖砬沟、老岭施业区的阿什河，自北向南贯穿于本场施业区。该区域是大陆性气候，四季比较分明，年平均温度为2.8℃，无霜期为120～140 d，年降水量为723.8 mm；本区土壤条件较好，暗棕壤土面积占的比重比较大，有机质含量较高。植物生长期较长，适宜于农、林、牧业的发展。

2 研究方法

2.1 数据收集

研究以2006年1∶5 000的林相分布图和Landsat TM遥感数据为主要数据源，同时还收集到1990年1∶5 000的国家标准分幅地形图、固定样地数据、二类调查数据和其它的文字、数据材料。

2.2 数据处理

将2006年帽儿山林场的林相分布图进行扫描，选取控制点对图像进行校正，并保证精度，在ArcGIS 9.0下对校正后的图像矢量化，在属性库中输入小班号，同时，在属性库上添加一个与外部空间数据库相连接的通用字段，通过该字段，以便与外部空间数据库进行连接，以实现林相图的属性库和外部空间数据库的连接，进一步完善其属性信息，从而实现主要土地的自然生态和利用属性划分，进而完成对土地类型的划分。利用ArcGIS 9.0对地形图进行几何校正并对其矢量化并获取高程值，在该软件的支持下，生成DEM，并派生出坡度等数据。借助ERDAS IMAGINE遥感图象处理软件，在1∶5 000的地形图选取地面控制点和采用多项式方法对Landsat TM图像进行几何校正，保证总体误差均控制在一个像元点之内，此外还进行增强等处理。根据研究区域的边界，对图像进行剪裁。

2.3 研究方法及技术路线

2.3.1 景观评价指标和权重在综合区域景观生态综合评价和景观区划的基础上，运用层次分析法构造评价指标层次结构。指标体系的建立包括层次结构模型的构建和因子权重的定量化表达，见图1。

图1 景观生态综合评价指标体系

式中：ILTF——景观类型破碎度指数Ai——景观类型i的总面积（hm2）；Ni——景观类型i的斑块数。该指数揭示了景观要素被分割的破碎程度，反映景观空间结构的复杂性和人类活动对景观结构的影响程度。对计算结果、数据进行重新分类和等级划分，分为5个等级，生成GRID格式的数据。

（2）景观形状指数（LSI）ILS

2.3.2 评价指标

（1）景观类型破碎度指数（LTFI）

式中：ILS——景观形状指数；ei——景观类型i所有斑块的周长（m）；minei——景观类型i最小周长（m）。该指数主要反映斑块形状的复杂程度，它是景观空间格局中一个很重要的特征，对于研究功能如景观中物质的扩散、能量的流动和物质的转移等情况有非常重要的意义［9］。同样，对结果进行重新分类和5个等级的划分，生成GRID格式的数据。

（3）土壤侵蚀类型。水力侵蚀是区域内主要侵蚀类型，侵蚀程度越大，环境质量越差。土壤侵蚀数据来自于中国科学院遥感所利用Landsat TM（30×30）假彩色合成数字影像完成的全国土壤侵蚀遥感调查数据。根据研究区域和研究的需要，土壤侵蚀的类型采用6个等级量化指标，主要分为微度、轻度、中度、强度、极强度和剧烈。

（4）地形因素（坡度）。在地形因子中，坡度对水土流失影响最大。通常情况下，侵蚀量和坡度呈正相关。本文在ArcGIS 9.0的支持下，从DEM上提取坡度，按照＜5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°和＞25°坡度等级进行划分，对坡度数据进行重新分类，最后生成GRID格式的坡度分级图。

（5）土地利用类型。土地覆盖具有特定的时间和空间属性，土地利用状况集中反映了人类活动对生态环境的干扰程度，是土地形态和特征多种形式在时空格局上的变化，结合区域生态环境实际情况，可以将土地利用状况对生态环境质量影响的有利顺序为：林地＞草地＞水体＞旱地＞城镇居民点和交通工矿用地＞未利用土地［10］，按照此顺序，对土地进行等级上的量化处理。

（6）植被盖度指数。植被是抑制侵蚀发生、发展的主要自然因素，植被覆盖度是水土流失因素中最为活跃的因素，本文通过Landsat TM对研究区域的植被指数进行定量反演，进而计算植被盖度，根据植被盖度等级＜25%、25%～40%、40%～60%、60%～80%和＞80%进行5个等级的划分，对数据进行重新分类，最后生成GRID格式的坡度分级图。

式中：INDV——植被指数；TM4——近红外波段；TM3——红波段；Fc——植被盖度。

（7）气象因子（年降水量）。降水量影响植被的生长状况，本文主要借助观测站提供的地理坐标和年降水量数据，通过内插的方法生成研究区域的年降雨量，根据降雨量的不同，采用数据间隔相等的原则重新分类并划分为5个等级，最后生成的GRID格式。2.3.3 数据标准化由于各指标性质不同，量纲各异，需要实现统一标准下的定量化表达，使其在参与多因子综合分析时，保持因子要素间的均衡与合理性［11］。各个参评因子数据经标准化处理后，是一组反映其属性特征的数值，其值居于0～1之间。

式中：wi——某一参评因子第i级标准化值；xi——某一参评因子第i级值；xmax——某一参评因子最高阈值；xmin——某一参评因子最低阈值。

2.3.4 景观综合评价模型采用多级加权求和的方法，实现对区域的景观生态综合评价的定量化分析。加权求和的综合评价指数用式（6）计算［10］：

式中：ep——第p个分析单元的景观生态综合评价指数；wi——第i个专题指标要素经过标准化处理后的定量表达值；ci——反映该专题要素对于综合评价重要性的权重值；m——参与景观生态综合评价的专题指标要素的数量，在此基础上，根据综合评价的结果，进而统计和分析研究区域的景观生态环境质量状况。

3 结果与分析

3.1 景观生态综合评价分级

景观生态评价综合指数代表了景观生态质量状况［11］。研究区域的景观生态综合指数分布范围在1.125～9.313。在全面分析综合指数的基础上，为了便于比较，将景观生态评价综合指数进行分级处理，在此基础上，区划为不同的景观生态区域，其结果不仅体现不同等级的综合评价指数的分级空间分布特征，而且还能够反映环境状况的区域性差异。分级结果如下：Ⅰ级区域（综合指数为7.138～9.313），Ⅱ级区域（综合指数为5.378～7.138），Ⅲ级区域（综合指数为4.323～5.378），Ⅳ级区域（综合指数为3.203～4.323），Ⅴ级区域（综合指数为1.125～3.203），分级结果分别代表好、较好、中、较差和差5个级别，见图2。

3.2 景观生态综合评价数量结构分析

从表1可以看出，Ⅱ级区域面积占到82.29%，所占的比例最大，在整个研究区域中占据绝对的优势；其次是Ⅲ级区域，其分布面积也较大，面积百分比占到14.28%；再次是Ⅳ级区域和Ⅰ级区域，分布较小，面积百分比分别为1.84%和1.25%；面积分布最小的为Ⅴ级区域，面积百分比仅为0.33%。就总体来说，研究区域的景观生态质量属于较好的水平。

3.3 景观生态评价与DEM的叠加

高程是衡量地形分异的主要属性特征，可以直接影响热量变化，同时也是决定景观其它要素分异（如土壤、小气候和水文等）的主导因子。因此，在Arc-GIS 9.0的支持下，分析研究区域地形数据，对其DEM进行高程分带处理，基本原则是数据间隔相等［12］，分为5个高程带，在此基础上与景观生态综合评价结果进行叠加处理，并结合土地利用状况，建立起景观生态区划在高程上的分布系列，真实反映景观生态质量的空间特征。

图2 研究区域景观生态综合评价分级图

表1 研究区域景观生态综合评价区划

第1高程带（249～362 m）：景观生态评价区域所占面积的排列顺序为：Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅰ＞Ⅴ，所占比例分别为：20.236%，10.627%，1.808%，0.979%和0.177%。Ⅱ级区域所占的面积百分比最大，Ⅴ级区域所占的面积百分比最小。从土地利用状况出发，对于Ⅰ级区域而言，其对应的土地利用类型是有林地，森林景观是重点生态公益林，属于天保林，该森林景观具有良好的涵养水源，景观生态质量好主要归功于天保工程；对于Ⅴ级区域而言，其对应的土地利用类型多数为采伐迹地，此外还有一部分的荒山荒地，该区域容易受到外界的干扰，土地开发利用程度较高，立地条件差，生态功能比较脆弱，造成景观生态质量差。就总体而言，该高程带景观生态质量处于较好的水平。

第2高程带（362～475 m）：景观生态评价区域所占面积的排列顺序为：Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ＞Ⅴ＞Ⅳ，面积百分比分别为：32.585%，1.903%，0.273%，0.116%和0.0286%。Ⅱ级区域所占的面积百分最大，Ⅳ级区域所占的面积百分比最小。对于Ⅰ级区域而言，其对应的土地利用类型同样为有林地，森林景观主要是水土保持林和水土涵养林，同样属于天保林，该区域一般人为干扰相对较少，保留部分完整原始森林景观结构，具有良好的水土保持作用，景观生态质量好；对于Ⅴ级区域其对应的土地利用类型为荒山荒地，该区域是一些陡坡旱地、撂荒地以及受到农牧民砍伐、过度放牧后退化所形成，水土流失较为严重，景观生态质量差，人为活动是景观生态质量差的主要原因；对于Ⅳ级区域而言，其对应的土地利用同样为荒山荒地，具体情形和Ⅴ级区域基本相似。就总体而言，该高程带景观生态质量处于较好的水平，Ⅱ级区域在该高程带分布区域达到了最大。

第3高程带（475～588 m）：景观生态评价区域所占面积的排列顺序为：Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅴ＞Ⅳ＞Ⅰ，其面积百分比分别为：21.078%，0.910%，0.019 4%，0.001 7%和0.000 7%。Ⅱ级区域所占的面积百分比最大，Ⅰ级区域所占的面积百分比最小。在该高程带，Ⅴ级区域所占的面积百分比相对要远远大于Ⅰ级区域。对于Ⅰ级区域而言，其对应的土地利用类型是一些水土保持林，同样属于天保林，但是分布面积相对很小；对于Ⅴ级区域，其对应的土地利用类型为除了荒山荒地外，还有部分未利用地。除了人为干扰因素外，加上自然环境因素，主要表现为水土流失较严重，景观生态质量差，但是该区域分布相对较小。Ⅱ级区域在该高程带分布较大，就总体而言，该高程带景观生态质量处于较好的水平。

第4高程带（588～701 m）：景观生态评价区域所占面积的排列顺序为：Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅴ＞Ⅳ，其面积百分比分别为：7.542%，0.791%，0.013 3%，0.000 341%。Ⅱ级区域所占的面积百分最大，Ⅰ级区域在该高程带没有分布。Ⅳ级区域在该高程带所占面积百分比最小，Ⅴ级区域次之，其对应的土地利用类型主要是未利用地和裸露地，未利用地所占比重较大，景观生态质量显然很差。

第5高程带（701～814 m）：景观生态评价区域所占面积的排列顺序为：Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅴ，其面积百分比分别为：0.851%，0.053 5%，0.007 153%。Ⅱ级区域所占的面积百分比最大，Ⅰ和Ⅳ级区域在该高程带没有分布，Ⅴ级区域在该高程带所占面积百分比最小，其对应的土地利用类型主要是裸露地（裸露岩石）等，故其生态环境质量差，自然环境条件是造成该区域景观生态质量差的主要原因。

总体而言，Ⅰ级区域在第一、二和三高程带都有分布，并且在第一高程带达到最大；Ⅱ级区域在各高程带都有分布，且占据较大的比重，在第二高程带达到最大，第三高程带次之，第五高程带最小；Ⅲ级区域同样在各高程带都有分布，占有一定的比重，在第一高程带达到最大，第三高程带最小；Ⅳ级区域在第一、二、三和四高程带都有分布，在第一高程带达到最大，第四高程带最小；Ⅴ级区域在各高程带都有分布，但是所占比重较小，并且在第一高程带达到最大，第五高程带达到最小，见图3。

图3 研究区域景观生态综合评价分级图在高程分带的分布

4 结论

利用GIS为手段对研究区域进行区域生态性景观生态综合评价，改变了以往花费大量人力和物力为代价获取环境背景数据的传统做法，具有数据获取相对容易、信息丰富、分析快速的优点［13－15］。

（1）景观类型破碎度、景观形状指数、土壤侵蚀类型、地形因素（坡度）、土地利用类型、植被盖度指数与气象因子（年降水量）等7个指标对研究区域进行景观生态综合评价，其评价结果与实际情况基本一致。

（2）在全面分析景观生态综合评价指数的基础上，对景观生态评价综合指数进行分级处理，进行景观生态区划，划分的等级为：Ⅰ级区域、Ⅱ级区域、Ⅲ级区域、Ⅳ级区域和Ⅴ级区域，分级结果分别代表好、较好、中、较差和差5个级别，该结果体现了不同等级的综合评价指数的分级空间分布特征，在一定程度上反映环境状况的区域性差异。

（3）研究区域景观生态综合评级区域所占面积百分比的排列顺序为：Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅰ＞Ⅴ，Ⅱ级区域所占的比例最大，在整个研究区域中占据绝对的优势，因此，研究区域的景观生态质量属于较好的水平。

（4）Ⅰ级区域在第一、二和三高程带都有分布，在第一高程带达到最大；Ⅱ级区域在各高程带都有分布，且占据较大的比重，在在第二高程带达到最大，第五高程带最小；Ⅲ级区域在各高程带都有分布，占据一定的比重，在第一高程带达到最大，第三高程带最小；Ⅳ级区域在第一、二、三和四高程带都有分布，在第一高程带达到最大，第四高程带最小；Ⅴ级区域在各高程带都有分布，但是所占比重较小，并且在第一高程带达到最大，第五高程带达到最小。

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