西北林学院学报2009,24(2):166~170Journal o f No rthw est F or est ry U niversit y景观格局指数的粒度效应以沈阳城市森林为例李小马,刘常富*(沈阳农业大学林学院,辽宁沈阳110161)摘 要:基于沈阳市2006年QuickBird卫星影像,以城市森林为对象,从景观和斑块类型水平研究了25个常用景观格局指数在细粒度范围(粒度边长<30m)的粒度效应。
结果显示:(1)25个指数随粒度增加的响应可分为3类:单调上升或下降、u型或n型变化和无规律变化。
(2)5种城市森林类型对景观格局指数的粒度效应表现出2种趋势:以小斑块为主的附属林和道路林随粒度增加斑块数量急剧减少,相应指数变化幅度较大;以大斑块为主的风景游憩林、生产经营林和生态公益林,景观格局指数对斑块数量变化不敏感,但随粒度增加斑块面积增加,引起面积加权平均斑块面积和有效格网大小等指数较大变化。
(3)通过景观格局指数尺度检测图的拐点,沈阳城市森林景观格局分析的适宜粒度为5m。
关键词:景观格局指数;粒度效应;城市森林中图分类号:S731.2 文献标识码:A 文章编号:1001 7461(2009)02 0166 05Grain Size Effect on Landscape Patt ern IndicesA Case Study of Shenyang Urban Fo restLI Xiao ma,LIU Chang fu*(F or estry Colle ge,Sh enyang Ag ricu ltural Univ er sity,S heny ang,L iaoning110161,China)Abstract:Gr ain size effect on landscape pattern indices of Shenyang urban fo rest w as investigated at the fine gr ain scale(one side of a pix el w as less than30m)through25comm only used landscape indices based on the QuickBird satellite image taken in2006.T he results show ed that(1)the25landscape pattern indi ces can be divided into thr ee types acco rding to their responses to grain size changing.Indices o f the fir st ty pe incr eased or decr eased mo no to nically,and the second type sho w ed u or n sty le,w hile the third gro up displayed uncertain responses;(2)Responses o f landscape pattern indices to gr ain size changing of the five urban forest ty pes fell into tw o trends.Patch num ber o f subor dinated forest and r oad forest decreased fast w ith g rain size changing,w hich caused the corr espo nding landscape pattern indices to change g reatly,be cause the tw o urban for est ty pes w ere mainly com posed of small patches.On the contrary landscape and recreation for est,production and manag em ent fo rest,and eco logical and public w elfare fo rest,character ized by big patches,w ere no t sensitive to patch number but sensitive to patch ar ea,w hich m ade landscape pattern indices such as area w eig hted m ean patch size and effective mesh size to chang e g reatly;(3)5m w as the optim al grain size for Shenyang urban forest landscape patter n r esearch based on landscape pattern indices scalog ram.Key words:landscape patter n indices;grain size effect;urban for est景观格局指数是指能够高度浓缩景观格局信息,反映景观结构组成和空间配置特征的定量指标,收稿日期:2008 05 36 修回日期:2008 07 27基金项目:国家自然科学基金(30600482)。
作者简介:李小马,男,硕士,从事城市森林生态研究。
*通讯作者:刘常富,男,博士,副教授,硕士生导师,从事城市森林生态和园林生态研究。
已被广泛应用于景观空间格局分析。
但景观格局具有尺度依赖性,对空间数据的幅度和粒度变化反应较敏感[1 2],这无疑增加了景观格局指数的生态学解释难度和不同区域景观格局分析间的对比难度,甚至产生生态学谬误(ecolo gical fallacy)[3]。
研究景观格局指数的尺度效应有助于深入认识景观格局指数,并选择合理的景观格局指数和适宜尺度进行景观格局分析。
其中保持幅度不变的景观格局指数粒度效应研究已有大量报道,但多以土地利用或植被覆盖为对象,且研究粒度较粗[4 9]。
随着城市森林研究的发展,城市森林景观格局已成为城市森林研究的主要内容[10 11],但景观格局指数对城市森林的粒度效应如何,城市森林景观格局研究中如何选择适宜的粒度,相关研究还未见报道。
此外先前的粒度效应研究多集中在景观水平上,仅有的涉及到斑块类型水平的研究也未能揭示景观格局指数在2个水平上的关系[7 8,12]。
以沈阳城市森林为例,以高分辨率QuickBird 卫星影像为基础,选取25个常用景观格局指数,从景观和斑块类型水平上分析其在细粒度范围(粒度边长<30m)的粒度效应,目的在于:(1)探寻城市森林景观格局分析的粒度效应,丰富景观格局指数粒度效应研究;(2)探索景观格局指数对城市森林斑块类型的粒度效应及其与景观水平粒度效应的关系;(3)筛选城市森林景观格局分析的适宜粒度,为城市森林景观格局研究中粒度和遥感数据源的选择提供理论基础。
1 研究地区概况与研究方法1.1 自然概况沈阳市(41 11 ~42 17 N、122 21 ~123 48 E)地处长白山余脉与辽河冲积平原的过渡地带。
东部为低山丘陵区,海拔70~200m;西部和中部为浑河和辽河冲积平原,海拔20~40m。
该区气候属暖温带季风气候区,年均气温7.9 ,7月均温24.6 ,1月均温-12.0 , 5 积温3870.6 ,无霜期平均150d,年均降水量727.4mm,降水集中在夏季,约占全年降水量的64.4%,冬季仅占4.6%,年均蒸发量1407.7mm,夏季蒸发量最高为603.6m m,占全年蒸发量的43.2%。
1.2 研究方法1.2.1 城市森林信息提取 以沈阳市2006年8月19日的QuickBird卫星影像为基础数据(分辨率0.61m)。
首先利用遥感图像处理软件Er das8.7对卫星影像进行几何校正、剪裁等处理,然后利用地理信息系统软件ArcGIS8.3结合实地调查对其进行人工目视解译,参考何兴元等[13]的分类方法得到研究区城市森林景观矢量图(图1)。
1.2.2 粒度变换 利用Ar cGIS8.3将解译的沈阳城市森林矢量图转化为一系列不同粒度(栅格大小)的栅格图,聚合规则为优势原则。
考虑到城市森林小斑块占主导的特点[11,14],本文研究景观格局指数对城市森林在细粒度范围的粒度效应。
粒度(像元边长)从2~20m每次增加0.5m,20~30m每次增加1m,共生成47个粒度不同的栅格图。
图1 沈阳城市森林分布Fig.1 Urban for est distribution in Shenyan g1.2.3 景观格局指数选择及计算 从景观和斑块类型水平选取总面积(CA)、斑块面积百分比(P L A ND)、斑块数(N P)、斑块密度(P D)、景观形状指数(L SI)、最大斑块指数(L PI)、平均斑块面积(A RE A_MN)、面积加权平均斑块面积(A REA_ A M)、周长面积分维数(PA FR AC)、平均周长面积比(P AR A_M N)、面积加权平均周长面积比(P A RA_A M)、平均形状指数(SH A PE_M N)、面积加权平均形状指数(SH A PE_AM)、平均分维数(F RA C_MN)、面积加权平均分维数(FR AC_A M)、相似邻接百分比(P L ADJ)、凝聚度(CON TA G)、聚集度(AI)、散布与毗连指数(I J I)、有效格网大小(M ESH)、蔓延度(COH E SI ON)、香农多样性指数(S H DI)、辛普森多样性指数(S I DI)、香农均匀度指数(S H E I)、辛普森均匀度指数(S IE I)共25个景观格局指数来分析城市森林景观格局指数随粒度变化的响应(其中斑块面积百分比仅计算斑块类型水平;凝聚度、香农多样性指数、辛普森多样性指数、香农均匀度指数、辛普森均匀度指数仅计算景观水平)。
利用Fr ag stats3.3分别对47个粒度不同的栅格图进行景观格局指数计算,各指数计算公式及生态学意义见参考文献[15]。
计算结果采用Ex cel167第2期李小马等 景观格局指数的粒度效应软件统计分析。
2 结果与分析2.1 景观水平上景观格局指数对城市森林景观的粒度效应景观粒度变化能够改变斑块边界、分割或融合斑块,从而引起景观格局变化,致使描述这些格局的指数发生相应变化。