空间粒度变化对景观格局分析的影响

认识空间异质性的多尺度依赖性和景观格局特征对尺度效应关系的影响是进行空间尺度推绎的基础。以2种真实景观(中国广东粤北植被景观与美国凤凰城城市景观)和SIMMAP景观中性模型产生的27种模拟景观为对象。利用景观格局分析软件FRAGSTATS对18种常用景观指数的尺度效应进行了系统的分析。根据这些指数对空间粒度变化的响应曲线和尺度效应关系,18种景观指数可分为3类。第1类指数随空间粒度的增大单调减小。具有比较明确的尺度效应关系(幂函数下降),尺度效应关系受景观空间格局特征的影响较小;这类指数包括缀块数、缀块密度、边界总长、边界密度、景观形状指数、缀块面积变异系数、面积加权平均缀块形状指数、平均缀块分维数和面积加权平均缀块分维数。第2类指数随空间粒度的增大将最终下降。但不是单调下降的;尺度效应关系比较多样,可表现为幂函数下降、直线下降或阶梯形下降。主要受缀块空间分布方式和缀块类优势度的交互影响;这类指数有5种：平均缀块形状指数、双对数回归分维数、缀块丰度、缀块丰度密度和Shannon多样性指数。第3类指数随空间粒度的变粗而增加。随缀块类优势度均等性的增加。尺度效应关系由阶梯形增加、对数函数增加、直线增加向幂函数增加过渡。尺度效应关系主要受缀块类优势度的影响;此类指数包括平均缀块面积、缀块面积标准差、最大缀块指数与聚集度。景观指数随空间粒度变化是一种1临界现象,当粒度大于或小于1临界值时,景观指数对空间粒度变化非常敏感。变化速率非常大。绝大部分情况下。真实景观粒度效应关系和曲线形状与模拟景观所得分析结果相似。说明模拟景观具有很好的代表性。文中也讨论了本研究结果与前人研究的异同。分析了造成差异的原因。景观指数的粒度效应关系与指数本身所反映的景观格局信息有一定关系,总体上来说。随粒度增加。缀块数、边界长度、缀块形状的复杂性、多样性将减小,而平均缀块面积和聚集度将增加。一系列的尺度效应图和不同景观指数的尺度效应关系可作为景观格局分析时指数选择、分析结果的解释和进行空间尺度推绎的参考。     

三峡库区低山丘陵区多尺度景观指数响应及适宜粒度

景观格局具有典型的空间异质性和尺度依赖性。在对景观格局进行分析研究时需跨越多个尺度,空间粒度大小在尺度聚合分析中至关重要。三峡库区低山丘陵区斑块破碎、景观格复杂性显著、景观格局特征及尺度变异规律仍待明确,本文以三峡库区秭归县为研究区,设定1—400m内23个粒度梯度水平,定量评估县域、乡镇以及小流域不同幅度上的景观格局指数以及拟合函数,探讨多空间幅度景观格局指数随粒度大小的变化特征。基于景观指数的粒度效应特征和拟合函数的曲线特征(最大曲率点、极值点),明确适宜不同幅度的山地景观格局指数研究的粒度阈值,以揭示库区低山丘陵区景观结构的复杂性和变异性。结果表明：不同景观指数对空间粒度变化和空间幅度变化的响应存在差异,不同景观指数的空间粒度响应主要呈现增加、降低、波动和无明显规律变化的趋势,其中斑块密度、最大斑块面积等指数对斑块形状和大小的变化敏感,而多样性指数的粒度变化敏感度较低;部分指数如斑块密度、边缘密度、周长面积分维数等对空间幅度的变化并不敏感,而最大斑块面积、景观形状指数、散布与并列指数、分离度等指数对空间幅度的变化敏感,适合进行不同幅度适宜粒度阈值的推定;边缘密度、平均斑块大小、景...     

庙岛群岛北五岛景观格局特征及其生态效应

海岛由于自然特征的空间差异、人类活动的日益增强以及生态系统的脆弱性,其景观格局空间分异性明显且生态效应趋于复杂。以庙岛群岛北五岛为研究区,基于现场调查和3S技术,从景观尺度、海岛尺度和区块尺度分析海岛景观格局空间特征,进而探讨景观格局与净初级生产力(NPP)、植物多样性和土壤性质的关系。结果显示:(1)不同尺度景观格局均表现出了空间差异。景观尺度上,针叶林、阔叶林和草地3类植被景观面积最大,斑块密度、边缘密度和平均形状指数总体较高,建筑用地也具有较大规模,其斑块密度较高,平均形状指数处于最低值,裸地也具有一定规模,其各项景观指标处于中间位置;海岛尺度上,随着海岛面积、人口和GDP的增加,斑块密度和人为干扰指数均明显增大;区块尺度上,斑块密度、边缘密度和平均形状指数与海拔呈显著正相关,人为干扰指数与海拔和坡度均呈显著负相关。海岛面积、地形和人类活动分别是北五岛景观格局的基本因子、重要限制因子和直接驱动因子。(2)海岛景观格局的生态效应与尺度密切相关。景观尺度上,各项生态效应指标在不同景观类型上均具有显著差异,海岛尺度上的生态效应指标对景观格局的响应不甚灵敏;区块尺度上,生态效应指标与景观格局指数表现出了显著的简单相关性和偏相关性,但二者结果具有差异。NPP和土壤水分主要受到景观类型和植被生长状况的影响,多样性和土壤养分同时受到景观类型和景观格局破碎度、边缘效应的影响,人为活动强度的增大地带来了各项生态效应指标的降低。控制建设规模、优化景观布局与改进开发利用方式是维系海岛生态系统稳定性的重要措施。     

塔里木河中下游地区湿地景观格局变化

在RS和GIS技术的支持下,结合塔里木河中下游的区域特点,确定了塔里木河中下游湿地景观分类系统.通过采用景观多样性指数、优势度、景观破碎化指数、分布质心和平均斑块形状指数等景观的空间格局指数,较系统地分析了1980～2000年塔里木河中下游湿地景观空间格局变化.结果表明：塔里木河中下游湿地的分布面积呈显著下降趋势.1980～1990年湿地面积减少,斑块数量和密度增加.1990～2000年湿地面积有所增加,斑块数量和密度持续增加;随着人类干扰强度增加,景观多样性增加,优势度降低,湿地的破碎化程度越来越大;湿地景观要素中,河渠湿地、水库坑塘湿地面积有所增加,而湖泊、滩地、沼泽面积均在不断减少,其中沼泽湿地面积减少幅度最大.     

上海市景观格局梯度分析的空间幅度效应

基于2002年上海市土地利用图,利用梯度分析方法,探讨了空间幅度变化对城市景观格局分析的影响。结果表明,景观指数随着空间幅度变化表现出不同的变化规律。当幅度较大(≥5km)时,景观指数沿土地利用样带变化平缓,表现出一定的梯度规律。而当幅度较小(≤3km)时,景观指数沿土地利用样带变化波动较大,规律性不明显。不同景观指数沿样带的表现也有差异,景观比例、斑块密度和景观形状指数的梯度变化规律比较明显,而最大斑块指数、平均斑块分维度、Shannon多样性指数和景观聚集度指数的变化规律不明显。因此,5km的幅度是城市景观格局梯度分析比较合理的尺度。     

粒度变化对城市热岛空间格局分析的影响

尺度是景观格局和生态过程研究中的关键问题。综合目前城市热岛效应研究来看,景观格局指数的引入极大推进了热岛格局的定量研究,然而其尺度效应仍未得到重视。由于热岛空间格局与形成过程的复杂性和人类认识的局限性,对其尺度问题有待深入讨论。基于Landsat TM影像反演地表温度,采用均值-标准差分类方法划分热力等级,对珠三角城市热岛格局特征的粒度效应进行了研究。结果显示:随粒度增加,弱势热力斑块类型下降,向相邻斑块转移;景观指数在类型水平和景观水平均受空间粒度影响明显,"临界粒度"现象明显;总体而言,粒度150 m是城市热岛格局特征的临界粒度,对热岛格局进行景观指数计算的适宜粒度范围为30—150 m;不同景观指数粒度效应曲线有所差异,其中斑块密度和平均分维数在两个水平指数上都有较强的规律性;根据各景观指数变化特征,研究区尺度域主要在(30 m,150 m),表明在该尺度范围内构建的热岛效应预测模型可经简单推绎后使用。分析热岛格局随空间粒度变化特征对了解热岛格局的形成机制及进行尺度推绎具有重要意义。     

主题分辨率对NDVI空间格局的影响

景观格局与尺度的相互关系一直是景观生态学的研究重点。景观生态学中的尺度内涵包括时间、空间和分析（观察）等。近年来景观格局与空间、时间尺度关系受到广泛关注,而分析尺度对格局的影响探讨较少。地理空间信息的主题分辨率反映了地理空间信息的制图细节,即专题图的分类数。以NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）为专题图内容,选择福州行政区、福州城区和永泰县为研究区域,通过改变NDVI分类数,研究主题分辨率对空间格局的影响。NDVI格局指数包括：斑块数量（NP）、最大斑块占景观面积比例（LPI）、斑块平均大小（AREA-MN）、面积加权平均形状指数（SHAPE-AM）、面积加权平均分维数（FRAC-AM）、蔓延度指数（CONTAG）、散步与并列指数（IJI）、香农多样性指数（SHDI）。结果表明格局指数对主题分辨率（分类数）的连续响应特征如下：初始条件敏感区（分类数2—4类）、敏感响应区（分类数为4—8类）、适合分析尺度区（分类数8—12类）、不敏感区（分类数≥12类）;格局指数与主题分辨率的关系有对数增长、线性增长和幂函数下降等。分析尺度对NDVI空间格局影响的本质原因是相对应的生态系统等级结构的存在     

三峡库区典型流域“源”“汇”景观格局时空变化对侵蚀产沙的影响

以三峡库区王家桥流域为研究对象,基于五期遥感影像(1995、2000、2005、2010和2015)提取流域景观格局,采用马尔科夫模型研究"源""汇"景观格局时空变化,并结合野外多年实测数据建立景观格局指数与产沙量之间的关系,分析景观格局对流域侵蚀产沙的影响。结果表明:1995—2015年,王家桥流域景观格局时空变化明显,呈破碎化发展趋势。"源"景观面积持续下降,"汇"景观面积持续增长。在降雨量时序曲线相似的条件下,斑块类型尺度的景观指数对侵蚀产沙量的解释能力高于景观尺度。斑块类型尺度,"源""汇"景观指数与径流输沙量的复相关系数分别为0.946和0.903,均显著相关。对于"源"景观而言,相似邻近百分比(PLADJ)与斑块结合度(COHESION)是影响流域侵蚀产沙的重要指标。径流输沙量与PLADJ和COHESION指数呈正相关关系,输沙量随指数的增大而增大。对于"汇"景观而言,斑块密度(PD)、边界密度(ED)、景观形状指数(LSI)是影响流域侵蚀产沙的重要指标,径流输沙量与PD和LSI呈负相关关系,输沙量随着指数的增大而减小。斑块类型尺度上,流域景观格局时空变化对泥沙输出影响显著。研究结果可为建立其他流域景观格局变化与土壤侵蚀响应关系提供参考。     

基于模拟景观的城市森林景观格局指数选取

基于现实的沈阳城市森林景观,模拟了4个景观格局梯度,并选取了1个与之相应的现实景观格局梯度,分析了28个景观格局指数在各梯度对景观破碎化和景观斑块形状复杂性的反映,从而筛选出描述这两种景观格局特征的适宜景观格局指数.结果表明：斑块密度（PD）和平均斑块面积（AREA_MN）在城市森林景观破碎化方面表现出较规律的变化趋势,斑块密度随破碎化程度的增加而增加,平均斑块面积随破碎化程度的增加而减小;面积加权平均周长面积比（PARA_AM）在描述景观斑块形状复杂性方面与景观格局梯度相吻合,且随斑块形状复杂性的增加而增加,能够较为准确地描述景观斑块形状的复杂性.     

景观格局指数间相关关系对植被覆盖度等级分类数的响应

运用景观指数进行景观格局分析已成为景观生态学的主要研究方法。但是,由于景观本身的复杂性以及景观格局指数之间的相关性,其应用与发展受到制约。选用面积/周长/密度、形状和蔓延度等3类共28个指数,以广州市中心城区为研究区域,以TM遥感影像为数据源形成植被覆盖度等级图,在景观类型水平上探讨各类型内指数之间的相关性及其对景观分类数的敏感程度。相关性分析表明:景观格局指数间都存在一定的相关性,但是相关程度差异较大,其中面积/周长/密度类指数间的相关性最强,蔓延度类指数其次,形状类指数间独立性相对较强。敏感性分析结果显示:117个指数对的相关关系都随景观分类数发生变化,根据其变化类型和程度,可以分为简单型、分段型、复杂型等3种指数关系响应的类型,分别包括12、31和74对指数;敏感曲线还表明4或5是指数对之间相关关系最敏感的分类数;不仅如此,分类数对景观格局指数之间相关关系的影响程度因景观格局指数所属的类别而异,面积/周长/密度类型指数不敏感,其次是蔓延度类指数,最敏感的是形状类指数;最后,研究结果表明景观格局指数间的相关性对分类数的敏感性存在较大的空间变异。     

Scaling properties of multivariate landscape structure

Analyses of landscape context is essential for understanding how ecological patterns and processes relate to space. This requires that we quantify variation patterns of different landscape parameters, which may change relative to one another at different spatial scales. Here, we analyzed how statistical relationships of land-use composition parameters changed as a function of extent in 20 real agricultural landscapes. Furthermore, we tested the generality of these scaling relations in numerical simulations using 300 artificial landscapes. We analyzed proportions of artificial habitat types at different extent and compared these patterns with three dominant habitat types in real landscapes (forest, arable land and grassland) at four spatial scales (quadrates of 1–4 km). Both real and simulated landscapes showed that variance of landscape parameters (data differentiation) decreased and their correlations (data consistency) increased as scale increased, thereby suggesting general scaling laws. The potential statistical impact of these scaling relationships is revealed in simultaneous analyses of variation of (local) site parameters of 20 arable fields and their surrounding landscape context. At small and medium extent (quadrates of 1–3 km), variability of local site parameters (e.g. fertilization, pH-value) was high relative to those of landscape parameters. In contrast, at large extent (quadrates of 4 km) variability of landscape parameters was greater than that of site parameters indicating a fundamental shift in the relationship between these sets of parameters at different scales. Hence, it is clear that there is a high risk of artefactual correlations in hierarchical multi-scale landscape analyses when ecological data are related to the landscape context. Accordingly, there is a necessity for multi-scale analyses in landscape ecology to accurately evaluate the relative importance of landscape context at different spatial scales.     

生态学中的尺度问题：内涵与分析方法

尺度问题已成为现代生态学的核心问题之一.尺度问题主要涉及3个方面：尺度概念、尺度分析和尺度推绎.主要评述前两个方面.生态学尺度有三重概念：维数、种类和组分,其中每重概念又包含了多个定义,有必要进行澄清、分类和统一.尺度分析涉及尺度效应分析和多尺度空间格局分析.格局、过程及它们之间的关系,以及某些景观特性均表现出尺度效应,因此多尺度研究非常必要和重要.多尺度空间格局分析（尤其是特征尺度的识别）是进行尺度效应分析和跨尺度推绎的基础.多尺度分析需要特定的方法,景观指数法是最常用和最简单的方法,但也常产生误导;空间统计学方法（如半方差分析法、尺度方差分析法、空隙度指数法和小波分析法等）和分维分析法在最近十几年发展起来,并逐渐应用于生态学,在尺度分析上具有很大的应用潜力.各种方法在尺度分析上各有优势和不足,有必要同时使用两种或两种以上方法进行比较和评估.总之,有关尺度分析的研究需要进一步加强,从而为下一步的尺度推绎提供可靠的依据.     

The spatial scaling of beta diversity

Beta diversity is an important concept used to describe turnover in species composition across a wide range of spatial and temporal scales, and it underpins much of conservation theory and practice. Although substantial progress has been made in the mathematical and terminological treatment of different measures of beta diversity, there has been little conceptual synthesis of potential scale dependence of beta diversity with increasing spatial grain and geographic extent of sampling. Here, we evaluate different conceptual approaches to the spatial scaling of beta diversity, interpreted from ‘fixed’ and ‘varying’ perspectives of spatial grain and extent. We argue that a ‘sliding window’ perspective, in which spatial grain and extent covary, is an informative way to conceptualize community differentiation across scales. This concept more realistically reflects the varying empirical approaches that researchers adopt in field sampling and the varying scales of landscape perception by different organisms. Scale dependence in beta diversity has broad implications for emerging fields in ecology and biogeography, such as the integration of fine‐resolution ecogenomic data with large‐scale macroecological studies, as well as for guiding appropriate management responses to threats to biodiversity operating at different spatial scales.     

不同尺度下城市景观综合指数的空间变异特征研究

在GIS与RS技术支持下,采用5 m分辨率的SPOT遥感图像数据,从城市土地利用角度,利用半变异函数对不同尺度的景观多样性、聚集度与分维数的空间变异进行了定量分析.结果表明,不同尺度下3种指数的空间变异具有相似特征,各个尺度上都具有空间依赖性,尺度越小,空间依赖性越大,空间变异的细节更显著,空间自相关性对总体变异的贡献逐渐增加,但尺度过小,有时会破坏景观内部结构.不同指数的半变异函数模型在相同尺度上差异显著,说明不同景观指数在不同尺度下的半变异函数模型不具可比性.就研究上海市内部土地利用结构而言,1 km的幅度是较合适的空间尺度.景观指数空间变异特征是尺度的函数,尺度对景观格局的影响不能忽视.景观综合指数对尺度响应的生态过程揭示了上海城市空间结构的规律性：在小尺度上的复杂无规律性,中尺度上的多中心性和大尺度上的圈层结构性,但各个尺度是相互依赖的,没有绝对界限.     

生态学中的尺度问题——尺度上推

尺度推绎是生态学理论和应用的核心。如何在一个异质景观中进行尺度推绎仍然是一个悬而未决的科学难题,是对当今生态学家在全球变化背景下研究环境问题的重大挑战。就目前的研究,一般可分为四大类尺度推绎途径:空间分析法(如分维分析法和小波分析法)、基于相似性的尺度上推方法、基于局域动态模型的尺度上推方法、随机(模型)法。基于相似性的尺度上推方法来源于生物学上的异量关联,可将其思想延伸至空间上,研究物种丰富度、自然河网、地形特征、生态学格局或过程变量和景观指数等。基于局域动态模型的尺度上推方法需要首先确定是否进行跨尺度推绎,以及是否考虑空间单元之间的水平相互作用和反馈,然后再应用具体的方法或途径,如简单聚合法、有效值外推法、直接外推法、期望值外推、显式积分法和空间相互作用模拟法等。随机(模型)法以其它尺度上推方法为基础,根据研究的是单个景观,还是多个景观,采用不同的途径。理解、定量和降低尺度推绎结果的不确定性已经变得越来越重要,但相关研究仍然极少。以上所有有关尺度推绎的方法、途径和结果分析共同构成了尺度推绎的概念框架。     

城市景观多样性的空间尺度分析——以上海市外环线以内区域为例

景观生态学研究的就是某一空间尺度范围内的景观格局与生态过程。因为景观格局与生态过程中存在的尺度多样性 ,导致尺度成为理解景观格局和生态过程相互作用的关键 ,其已经成为景观生态学的一个重要概念 ,但是由于理论和方法的限制 ,对景观生态学的尺度研究还不够 ,特别是景观格局综合性指标在不同幅度上的变化特征和效应。在 GIS与 RS技术支持下 ,采用基准分辨率为 5 m的 SPOT遥感图像作为数据源 ,对不同幅度下的城市景观多样性的空间分布格局进行了分析 ,并进一步利用半变异函数对其空间异质性进行定量描述。结论揭示 :随着空间尺度的增加 ,景观多样性程度也不断增加 ,另外多样性的空间分布格局也具有显著变化 ,由于受城市发展历史和目前城市扩展方向的影响 ,多样性在总体上是不平衡的 ,尺度越大 ,不平衡越明显 ;不同尺度下景观多样性空间格局的变化 ,与城市景观的特点和城市景观的功能息息相关 ,不过其受经济效益和社会文化效益的影响更大 ;随着尺度增加由于掩盖了更小尺度上的变异 ,导致块金效应增强 ,空间自相关部分对系统总的变异则明显下降 ;景观多样性具有尺度依赖性 ,可以说景观多样性也是尺度的函数 ,在不同的尺度上 ,结果差异显著 ,所以在景观生态学的研究中绝对不能忽略尺度对格局的影响     

高精度遥感影像下农牧交错带小流域景观特征的粒度效应

在GIS和RS技术支持下,以农牧交错带六道沟小流域2010年的WV-1高精度遥感影像为基础,编制了小流域景观类型图,选取经典景观指数,在类型和整体景观的水平上,探讨了农牧交错带小流域景观格局指数随粒度变化的基本规律,并分析了各景观格局指数间的相关性。结果表明：在1-50 m粒度范围内,农牧交错带六道沟小流域景观格局指数的“临界粒度”现象明显,总体而言,在0.5 m分辨率下六道沟小流域的景观格局指数的“临界粒度”为10 m,适宜计算的粒度范围为5-10 m,所以在利用高精度影像对小流域景观进行预测、对比和评价等研究时,需注意粒度的影响并进行一定的粒度转换。农牧交错带小流域景观形态具有分形特征,各类景观斑块的分维数对粒度变化的响应不同,分维数随粒度的增大呈非线性下降趋势,表明景观类型边界趋于简单化。相关性分析一方面定量反映了所选景观指数受粒度变化影响的相关性程度,另一方面可为后续农牧交错带小流域因“退耕还林（草）”工程引起的景观格局变化研究提供参考。     

基于模式识别的景观格局分析与尺度转换研究框架

景观格局分析和尺度转换是生态学和地理学研究的核心问题之一.尽管多年来投入了大量的精力,然而由于尺度效应的复杂性和尺度转换过程的不确定性,仍然没有找到合适的方法.目前关于尺度转换的研究存在两个误区,其一是过分重视空间尺度的转换,忽略了过程尺度的转换;其二是过分强调了对不同尺度间数量关系的外推与转换,忽略了不同尺度间生态规律的外推与转换.在系统分析了景观格局与尺度转换研究现状、存在问题和难点的基础上,提出了借用模式识别的原理和方法,针对特定的生态过程,开展景观格局分析与尺度转换的思路.认为尺度转换的关键在于通过识别不同尺度上影响生态过程的主导因子,找到各个尺度上“格局（环境因子空间组合）-过程”、尺度间“格局-格局”之间的对应关系,通过建立“环境-格局-过程”模式识别数据库,就能够建立不同尺度之间基于模式识别的尺度转换方法.     

Do landscape processes predict phylogeographic patterns in the wood frog?

Understanding factors that influence population connectivity and the spatial distribution of genetic variation is a major goal in molecular ecology. Improvements in the availability of high-resolution geographic data have made it increasingly possible to quantify the effects of landscape features on dispersal and genetic structure. However, most studies examining such landscape effects have been conducted at very fine (e.g. landscape genetics) or broad (e.g. phylogeography) spatial scales. Thus, the extent to which processes operating at fine spatial scales are linked to patterns at larger scales remains unclear. Here, we test whether factors impacting wood frog dispersal at fine spatial scales are correlated with genetic structure at regional scales. Using recently developed methods borrowed from electrical circuit theory, we generated landscape resistance matrices among wood frog populations in eastern North America based on slope, a wetness index, land cover and absolute barriers to wood frog dispersal. We then determined whether these matrices are correlated with genetic structure based on six microsatellite markers and whether such correlations outperform a landscape-free model of isolation by resistance. We observed significant genetic structure at regional spatial scales. However, topography and landscape variables associated with the intervening habitat between sites provide little explanation for patterns of genetic structure. Instead, absolute dispersal barriers appear to be the best predictor of regional genetic structure in this species. Our results suggest that landscape variables that influence dispersal, microhabitat selection and population structure at fine spatial scales do not necessarily explain patterns of genetic structure at broader scales.     

Fractal geometry is heritable in trees

Understanding the genetic basis to landscape vegetation structure is an important step that will allow us to examine ecological and evolutionary processes at multiple spatial scales. Here for the first time we show that the fractal architecture of a dominant plant on the landscape exhibits high broad-sense heritability and thus has a genetic basis. The fractal architecture of trees is known to influence ecological communities associated with them. In a unidirectional cottonwood-hybridizing complex (Populus angustifolia x P. fremontii) pure and hybrid cottonwoods differed significantly in their fractal architecture, with phenotypic variance among backcross hybrids exceeding that of F1 hybrids and of pure narrowleaf cottonwoods by two-fold. This result provides a crucial link between genes and fractal scaling theory, and places the study of landscape ecology within an evolutionary framework.