基于GIS和PCA降維的森林景觀格局等級特征分析

王計(jì)平 支曉蓉 黃繼紅 孟 超 胡艷萍 張德成

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院國家林業(yè)局鹽堿地研究中心， 北京 100091； 2.中國林業(yè)科學(xué)研究院森林與生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所， 北京 100091； 3.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 保定 071000； 4.中國林業(yè)科學(xué)研究院科技信息研究所, 北京 100091)

0 引言

景觀格局、過程及其與尺度間的相互關(guān)系是景觀生態(tài)學(xué)研究和關(guān)注的重要內(nèi)容之一[1]。生態(tài)學(xué)中景觀概念有兩種方式：一種為直觀意義上的，即景觀是一個具有數(shù)公里尺度的生態(tài)系統(tǒng)綜合體，包括森林、草原、灌叢、村落等可視景觀要素的某一具體區(qū)域；另一種是抽象意義上的，即景觀可看作為對生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行空間研究的一個生態(tài)學(xué)標(biāo)尺，可代表任意尺度上的空間異質(zhì)性[2]。森林景觀作為一種特殊的景觀類型，是指某一特定區(qū)域內(nèi)數(shù)個異質(zhì)森林群落或森林類型構(gòu)成的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，它是以森林生態(tài)系統(tǒng)為主體所構(gòu)成的景觀，包括各種類型的天然林、人工林、灌木林、草地、河流、農(nóng)田、居民點(diǎn)等要素[3]。氣候、水文和生物等多種自然因素和人為作用共同塑造了結(jié)構(gòu)與功能獨(dú)特的森林景觀[4]。在這種類型中，一個重要特點(diǎn)就是森林景觀系統(tǒng)的復(fù)雜性表現(xiàn)為系統(tǒng)組織多層級，空間結(jié)構(gòu)信息量大，維數(shù)多[5-6]。因此，準(zhǔn)確把握森林景觀等級規(guī)律及其格局特征信息，對深入理解森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的相互關(guān)系、深化景觀等級理論及其尺度效應(yīng)研究具有重要的意義。

等級指系統(tǒng)組織的層次秩序性[7]。等級理論最根本的作用之一就是簡化復(fù)雜系統(tǒng)，以便于對其結(jié)構(gòu)、功能和動態(tài)進(jìn)行理解和預(yù)測[8]。森林景觀作為一個復(fù)雜系統(tǒng)，是由森林植物個體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)、景觀等不同層次構(gòu)成的生態(tài)學(xué)組織[9]，在自然地形、土壤、氣候等影響下，具有高度時(shí)空異質(zhì)性和系統(tǒng)可分解性[10-11]。目前，針對森林資源保護(hù)的研究主要從樹木分布、樹種多樣性、種群結(jié)構(gòu)、群落組成等方面開展[12-15]，在景觀尺度上，通常把林區(qū)地類、林種當(dāng)作一種景觀類型，通過比較不同區(qū)域森林景觀格局差異或同一區(qū)域不同時(shí)期森林景觀格局變化來理解森林資源格局與動態(tài)[16-17]，而從相鄰層級間考量各層級森林景觀格局等級特征的案例較少[18]，因而不足以全面揭示森林資源內(nèi)在結(jié)構(gòu)及景觀系統(tǒng)的復(fù)雜性。WU[19]利用尺度方差分析法，對加拿大一個針葉林景觀在空間格局上所表現(xiàn)的多尺度和等級特征進(jìn)行了研究，并找到了臨界尺度。然而類似研究與應(yīng)用在國內(nèi)還很少見。

本文以新疆天山北坡景觀多樣性相對穩(wěn)定的林區(qū)霍城林場為例，從水文生態(tài)學(xué)角度，以流域?yàn)榉治鰡卧?，運(yùn)用等級理論和景觀信息降維技術(shù)研究森林景觀格局等級特征及關(guān)鍵指標(biāo)，以期為森林景觀資源保護(hù)、森林景觀資源健康經(jīng)營與管理提供重要的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

天山是世界七大山系之一，東西橫跨中國、哈薩克斯坦、吉爾吉斯斯坦和烏茲別克斯坦四國，全長2 500 km。霍城林區(qū)位于天山北坡西段，在行政上屬于伊犁哈薩克自治州，位于80°11′～81°24′E，43°39′～44°50′N，林場總經(jīng)營面積為89 745.12 hm2，屬溫帶半干旱氣候，全年平均氣溫8.2～9.4℃，氣候嚴(yán)寒，年溫差較大，熱量不足，全年日照時(shí)數(shù)2 550～3 500 h，日均日照時(shí)數(shù)8～12 h，無霜期165 d，年降水量140～460 mm，主要集中在6—12月，年降雪130～140 d，積雪深度45～55 cm，積雪和融雪水文效應(yīng)突出。從霍城林場森林資源看，林地總面積50 341.08 hm2，其中有林地21 709.93 hm2，有林地中，純林19 858.06 hm2，占林地面積的39.45%，混交林1 851.87 hm2，占3.68%，林場植被呈現(xiàn)出明顯的垂直地帶性分布，植被類型多樣，表明霍城林場森林景觀類型相對豐富。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)收集與處理

以霍城林區(qū)2009年森林資源調(diào)查資料和DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在GIS技術(shù)支持下，對森林資源、地形數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。森林資源數(shù)據(jù)為SHP矢量格式，DEM為GRID格式，柵格大小是30 m×30 m。數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)投影系統(tǒng)轉(zhuǎn)換與統(tǒng)一、林區(qū)地類及森林類型的重分類、流域地形分析及水文單元確定等，均在ArcGIS軟件中完成。

2.2 流域與景觀等級類型劃定

通?？捎糜谏志坝^格局分析的空間幅度有自然地形學(xué)分區(qū)[20-21](如集水區(qū)、流域等)、生態(tài)功能分區(qū)[22]、所有權(quán)邊界(如縣域、營林區(qū)、林班等)[23-26]等類型。在新疆特別是山區(qū)，積雪分配及融雪水文過程對山區(qū)森林植被分布具有決定意義。為了更好地理解森林景觀空間格局與生態(tài)功能特征，采用自然地形學(xué)分區(qū)，基于EDM數(shù)據(jù)劃定47個流域單元(圖1、2)，作為森林景觀分析單元。在高等級水平上，將霍城林區(qū)分為針葉林、闊葉林、混交林、疏林地、苗圃地、灌木林、宜林荒山荒地和非林地8類(圖3)；在低水平等級上，根據(jù)林區(qū)地類特征，將針葉林、闊葉林、混交林、疏林地、苗圃地、灌木林和宜林荒山荒地合并為林地，即與非林地一起，構(gòu)成2類景觀類型(圖4)。

圖1 研究區(qū)高程分析圖Fig.1 Elevation analysis map in study area

圖2 基于DEM的景觀分析單元Fig.2 Landscape analysis unit based on DEM

圖3 研究區(qū)景觀分類(8類)Fig.3 Landscape classification in study area(eight classes)

2.3 景觀指數(shù)篩選與確定

為了全面刻畫林區(qū)森林景觀格局特征，從斑塊邊緣特征、空間鄰接度、景觀多樣性等方面，從景觀水平上選取39個代表性景觀指數(shù)，計(jì)算每個等級中每個流域上景觀指數(shù)?？紤]到部分景觀指數(shù)間存在一定相關(guān)性，應(yīng)用RIITTERS等[27]提出的方法將景觀指數(shù)的數(shù)量減少到一個可操作的水平，即對每一對景觀指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，計(jì)算各等級水平各流域各所有景觀指數(shù)的皮爾森積矩相關(guān)系數(shù)，檢查決定系數(shù)不小于0.81(R≥0.9)的指數(shù)對，根據(jù)其可解釋能力進(jìn)行剔除。對于某對指數(shù)在某一數(shù)據(jù)集中呈現(xiàn)高度相關(guān)關(guān)系，而在另一組數(shù)據(jù)中卻無明顯相關(guān)，在這種情況下，保留該景觀指數(shù)，并用于同另一個等級尺度計(jì)算的結(jié)果，進(jìn)行比較而決定取舍。此外，在各子流域各個等級水平上，一些計(jì)算結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)為固定值的景觀指數(shù)也將被剔除。按照此標(biāo)準(zhǔn)，最終確定29個景觀指數(shù)，包括面積/密度/邊緣類指數(shù)：斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、總邊緣長度(TE)、邊緣密度(ED)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、平均斑塊面積(AREA_MN)、平均回旋半徑(GYRATE_MN)；形狀指數(shù)：平均形狀指數(shù)(SHAPE_MN)、平均分維數(shù)(FRAC_MN)、平均周長面積比(PARA_MN)、平均鄰近指數(shù)(CONTIG_MN)、周長-面積分形維數(shù)(PAFRAC)；核心面積指數(shù)：總核心面積(TCA)、獨(dú)立核心斑塊密度(DCAD)、平均核心面積(CORE_MN)、平均獨(dú)立核心面積(DCORE_MN)、平均核心斑塊面積指標(biāo)(CAI_MN)；隔離/親近指數(shù)：平均鄰近度指數(shù)(PROX_MN)、平均幾何最鄰近距離(ENN_MN)；蔓延度/散布指數(shù)：蔓延度(CONTAG)、散布與并列指數(shù)(IJI)、分離度(DIVISION)、有效網(wǎng)格面積(MESH)；鄰接度指數(shù)：連接度(CONNECT)、凝結(jié)度(COHESION)、分隔度(SPLIT)；多樣性指數(shù)：斑塊多度密度(PRD)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)。各指數(shù)采用FRAGSTATS 3.3軟件進(jìn)行計(jì)算，公式及說明參照文獻(xiàn)[7]。

2.4 統(tǒng)計(jì)分析

主成分分析(PCA)將多個相關(guān)變量通過線性變換以選出較少個數(shù)重要不相關(guān)的變量的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法[28-30]，又稱主分量分析，可以使大多數(shù)原始變量對變異的解釋能力通過少量的主分量反映。本文運(yùn)用主成分分析法來確定最后入選的指數(shù)，為了辨識關(guān)鍵的景觀水平格局指數(shù)，在2個等級水平上分別進(jìn)行PCA分析，為了增加結(jié)果的解釋能力，應(yīng)用方差最大方法對前6個主分量進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)。用主成分載荷系數(shù)解釋PCA最終結(jié)果。在前幾個主成分中具有最高載荷的景觀指數(shù)被認(rèn)為是響應(yīng)等級水平上最重要的景觀水平指數(shù)。

聚類分析是以個體相似性為基礎(chǔ)，將物理或抽象對象的集合分組成為由類似的對象組成的多個類的分析過程。目前，已有一些研究通過對景觀水平景觀指數(shù)聚類分析，從而實(shí)現(xiàn)景觀單元劃分[31]。本文以不同等級水平關(guān)鍵景觀指數(shù)對47個景觀單元(小流域)運(yùn)用K-means聚類分析法進(jìn)行歸類。

3 結(jié)果與分析

3.1 森林景觀格局特征空間變異分析

在兩個等級上，對47個流域單元景觀指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)(圖5)，總邊緣總長度(TE)、總核心面積、平均核心面積、平均獨(dú)立核心面積、平均鄰近度指數(shù)、有效網(wǎng)格面積、斑塊多度密度空間變異程度最大，而平均面積分維數(shù)、平均鄰近指數(shù)和平均形狀指數(shù)、聚合度指數(shù)變異程度較小，這表明以流域?yàn)樽匀坏匦畏之悊卧獊砜矗诓煌诸惖燃壣?，林區(qū)森林景觀斑塊大小、破碎化程度在空間上差異較大，而景觀斑塊性狀復(fù)雜性、空間鄰接程度在各流域各等級水平表現(xiàn)均衡。景觀等級水平的提高對核心斑塊面積、破碎化、豐富度、空間鄰接程度等影響較為明顯，因此在較高等級水平上應(yīng)重視景觀破碎化、豐富度、鄰接度等指標(biāo)。

圖5 景觀水平不同等級類型景觀指數(shù)變異系數(shù)Fig.5 Variation coefficient of landscape indices in different classes of landscape level

3.2 森林景觀格局等級特征差異及解釋性分析

對47個小流域單元各入選景觀指數(shù)進(jìn)行PCA分析，辨析不同等級水平上控制林區(qū)景觀空間格局的關(guān)鍵指標(biāo)(表1)。在高等級水平上，6個主分量累積解釋總分異的85.52%以上，發(fā)現(xiàn)斑塊密度、平均斑塊面積、有效網(wǎng)格面積、平均核心面積、景觀形狀指數(shù)、總邊緣長度、周長-面積分形維數(shù)、平均分維數(shù)、平均核心面積指數(shù)等是決定和影響森林景觀結(jié)構(gòu)與功能的主要指標(biāo)；在低等級水平上，平均斑塊面積、平均核心面積、斑塊總邊緣長度、景觀形狀指數(shù)、連接度、斑塊多度密度、平均核心面積指數(shù)、平均形狀指數(shù)、平均分維數(shù)等指數(shù)是森林景觀的主要解釋性指標(biāo)，6個主分量累積解釋量達(dá)到84.69%。

對前4個主分量高載荷解釋能力進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在2個等級水平上，森林景觀格局具備一些共同的特征，即森林景觀破碎化嚴(yán)重，斑塊面積空間變異較高。隨著等級水平的提高，森林景觀空間異質(zhì)性程度加強(qiáng)，景觀水平上斑塊形狀、空間鄰接關(guān)系變得較為復(fù)雜，特別是核心斑塊數(shù)量、面積及其空間聚合特征開始顯現(xiàn)。盡管核心斑塊面積和數(shù)量呈一定優(yōu)勢，但破碎的林地斑塊空間散布與聚集程度較高，景觀空間連接度有待加強(qiáng)。此外，等級水平的改變對森林景觀斑塊大小、邊緣、形狀、空間布局等特征具有明顯的影響。

3.3 不同等級水平森林景觀格局相似性分析

運(yùn)用一致性系數(shù)比較PCA結(jié)果，表明在兩個等級PC1間、PC3間均具有較好的一致性，一致性系數(shù)分別達(dá)到了0.93和0.81，說明在這兩個等級上，森林景觀格局具備一些共同特征，就是森林景觀破碎化嚴(yán)重，斑塊大小空間變異較高，盡管核心斑塊面積和數(shù)量呈一定優(yōu)勢，但破碎的林地斑塊空間散布、聚集程度較高，景觀連接度有待加強(qiáng)。同樣在兩個等級PC2和PC4，也呈現(xiàn)出較高的相關(guān)性，一致性系數(shù)分別為0.75和0.73。這說明等級水平的改變對森林景觀斑塊大小、邊緣、形狀、空間布局等特征具有明顯的影響。

表1 霍城林區(qū)不同等級水平森林景觀特征指數(shù)主成分分析主分量載荷Tab.1 Principal component analysis of forest landscape characteristic index at different levels in Huocheng forest area

3.4 不同等級水平重要景觀指數(shù)、指數(shù)組比較

對不同等級重要景觀指數(shù)和指數(shù)組進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，總邊緣長度、景觀形狀指數(shù)、平均斑塊面積、平均形狀指數(shù)、平均分維數(shù)和平均核心面積是兩個等級上共同的指數(shù)(表2)。在高等級上，周長-面積分維數(shù)、有效網(wǎng)格面積、斑塊密度、平均幾何最鄰近距離等指數(shù)也是影響和控制森林景觀格局的關(guān)鍵指數(shù)。在低等級上，總核心斑塊面積、邊緣密度、凝結(jié)度、香農(nóng)均勻度等指數(shù)對決定森林景觀格局特征具有重要解釋度。從景觀指數(shù)分組看，面積/密度/邊緣指數(shù)組、形狀指數(shù)組、核心面積指數(shù)組在兩個等級上表現(xiàn)較為一致。此外，在低等級上，景觀鄰接度和多樣性指數(shù)組在流域單元上表現(xiàn)活躍，隨著景觀等級的提高，隔離/親近指數(shù)和蔓延度/散布指數(shù)組的表現(xiàn)更為突出。景觀斑塊大小、數(shù)量及形狀的變化對景觀等級的改變響應(yīng)明顯，因此可通過對這些景觀指標(biāo)或因素進(jìn)行調(diào)控，優(yōu)化林區(qū)景觀斑塊的空間鄰接關(guān)系和相互作用。

表2 不同等級水平主要景觀指數(shù)和指數(shù)組比較Tab.2 Comparison of main landscape index and index groups at different levels

注：“+”表示景觀指數(shù)。

4 結(jié)論

(1)隨著分類等級細(xì)化，散布與并列指數(shù)、歐幾里得最鄰近距離指數(shù)、景觀連接度、斑塊密度、拼塊多度密度指數(shù)、平均斑塊鄰近指數(shù)等指數(shù)的變異程度增幅明顯，表明景觀等級水平的增高對核心斑塊大小、破碎化、豐富度、空間鄰接程度等影響較大。

(2)在高等級上，斑塊密度、平均斑塊面積、有效網(wǎng)格面積、平均核心面積、景觀形狀指數(shù)、總邊緣長度、周長-面積分形維數(shù)、平均形狀指數(shù)、平均分維數(shù)、平均核心斑塊面積指數(shù)等是決定和影響森林景觀結(jié)構(gòu)與功能的主要指標(biāo)。在低等級上，平均斑塊面積、平均核心面積、總邊緣長度、景觀形狀指數(shù)、連接度、斑塊多度密度、平均核心斑塊面積指數(shù)、平均形狀指數(shù)、平均分維數(shù)等景觀指數(shù)是解釋景觀格局特征空間變異的主要指標(biāo)。

(3)在2個等級上，總邊緣長度、景觀形狀指數(shù)、平均斑塊面積、平均形狀指數(shù)、平均分維數(shù)、平均核心面積指數(shù)等是兩個等級水平上影響和控制林區(qū)森林景觀格局特征的共同指數(shù)?；舫橇謪^(qū)內(nèi)大部分流域森林景觀破碎化程度較高，斑塊面積空間變異較高，斑塊間空間連接程度較低。盡管核心斑塊面積和數(shù)量呈一定優(yōu)勢，但破碎的林地斑塊空間散布與聚集程度較高，景觀空間連接度有待加強(qiáng)。此外，等級水平的改變對森林景觀斑塊大小、邊緣、形狀、空間布局等特征具有明顯的影響。