空间幅度变化对景观格局分析的影响

景观格局指数是量化描述景观格局特征的主要方法之一,各种格局指数的尺度依赖性使比较分析景观格局特征和尺度推绎复杂化,分析不同指数随空间幅度变化的一般行为有助于景观格局分析结果的解释和降低空间尺度推绎的复杂性。研究以2种真实景观和27种模拟景观为分析对象,考查了16种常用的景观水平格局指数随空间幅度变化行为。根据这些指数因幅度变化行为可预测性把它们分为两类：第1类随幅度变化可预测性强,指数与幅度之间的关系可用简单的函数关系来表达;这类指数包括缀块数、边界总长、景观形状指数和缀块丰度密度;前两者随幅度增加呈幂函数形式增加,而缀块丰度密度随幅度增加呈幂函数下降,景观形状指数随幅度增加呈直线增加。第2类指数随幅度变化的可预测性较差,指数随幅度的变化存在多种可能(不同形式的增加、减小或保持不变),不可用一种或多种简单的函数关系来描述所有的情况。这类指数包括缀块丰度、缀块密度、边界密度、最大缀块指数、平均缀块面积、缀块面积标准差、缀块面积变异系数、平均缀块形状指数、面积加权平均缀块形状指数、双对数回归分维数、聚集度指数与Shannon多样性指数。第2类指数随幅度的变化行为受景观格局特征和指数本身算法的影响。总体上来说,第2类格局指数随幅度变化呈折线增加或减小;但当景观的缀块类型较多、各类型优势度比较均等、空间分布格局比较随机时,它们随幅度变化形为的可预测性增加,随幅度增加的函数关系主要有3种：幂函数减小、对数函数增加或直线增加,因指数和格局特征不同而异。研究的结果在揭示了常用景观指数随幅度变化的一般关系外,也启示我们在进行景观格局的比较分析,比较景观的幅度应相同或采用尺度效应图(scalograms)更有效。     

天水市土地利用景观格局的幅度效应研究

采用梯度环与景观格局指数相结合的方法, 分析了天水市土地利用景观格局的幅度效应。结果表明: 1)不同景观要素的幅度效应存在差异, 景观水平指数的幅度效应也存在差异。2)景观要素和景观水平指数在5—25 km幅度区间内尺度效应差异较大, 25—85 km幅度区间内尺度效应差异较小, >85 km幅度区间尺度效应减弱或消失。研究结果可以反映土地利用格局的空间特征及空间变化规律, 并为土地规划与管理、土地用途管制措施的制定提供参考依据。     

祁连山部分地区山地景观格局空间幅度效应的研究

三元图能有效反应多种斑块类型对景观格局的影响, 依据“斑块-廊道-基质”模式, 比较各斑块类型对整个研究区的响应。选择祁连山100 km×100 km的某正方形区域为研究区并运用景观格局指数法对研究区的空间幅度效应进行研究, 同时得出研究区尺度依赖性的有效幅度和特征尺度。结果表明: (1)草地为整个研究区景观结构的基质, 其面积最大, 在整个景观中占绝对优势; (2)在斑块类型中, 裸地在整个研究区中起主导作用; (3)12 km和88 km是研究区的两个特征尺度, 88 km幅度为研究区尺度依赖性的有效幅度, 超过这一幅度范围, 无论景观要素, 还是景观指数都失去了尺度依赖性。研究通过对祁连山部分地区景观格局与尺度效应的分析可以了解研究区景观格局空间特征及分布规律, 为祁连山的规划与管理、生态建设提供参考依据。     

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。     

二维与三维景观格局指数在山区县域景观格局分析中的应用

景观格局指数是景观格局分析中常用的定量分析工具,而传统二维景观格局指数却忽略了地形对景观的影响,在定量描述山区景观格局时可能存在一定局限.本文以典型山地丘陵区山东栖霞市为研究区,在地形结构分析的基础上,选择面积/密度(类型面积、平均斑块大小)、边缘/形状(边缘密度、景观形状指数、平均斑块分维数)、多样性(香农多样性指数、香农均匀度指数)、聚散性(聚集度)4个方面的8个景观格局指数,比较分析传统二维景观格局指数与三维景观格局指数对山区景观格局及其动态变化定量描述的差异.结果表明:三维类型面积、平均斑块大小和边缘密度与其相应二维指数差异显著,三维景观形状指数、平均斑块分维数、香农多样性指数和香农均匀度指数与其相应二维指数差异不显著,三维聚集度与二维聚集度无差别.由于采用斑块表面面积和表面周长计算三维景观格局指数,采用各斑块的投影面积和投影周长计算二维景观格局指数,所以在描述山区景观面积、密度、边界等指标时三维景观格局指数相对精确,但在测定景观形状、多样性和聚散性等指数时,则与传统的二维景观格局指数差异不显著.三维景观格局指数引入了地形特征,对景观格局及其动态变化的反映相对精确.     

景观指数耦合景观格局与土壤侵蚀的有效性

景观格局分析是景观生态学中揭示景观变化及其生态效应的主要方法,而景观指数是景观格局分析中广泛使用的工具。土壤侵蚀是土壤物质在景观中的迁移和再分配过程,受地形、植被和人类活动及其空间格局的调控。运用景观格局分析揭示景观格局变化特别是土地利用/覆被格局变化对土壤侵蚀的影响是土壤侵蚀研究中应用景观生态学原理和方法的典型。在当前的研究中,斑块-廊道-基质范式下建立的景观指数对侵蚀过程的解释能力不断受到质疑,建立筛选适用的景观指数的原则和方法十分必要。以延河流域碾庄沟小流域为例,利用WATEM/SEDEM模型模拟多个年份流域侵蚀产沙和输沙量;基于土地利用/覆被数据,利用Fragstat4.2软件,计算了相应年份流域斑块、边界密度、形状、集聚与分散和斑块类型多样性4个方面的代表性景观指数。在此基础上,分析了景观指数与流域侵蚀产沙和输沙之间的关系,讨论了景观指数在土壤侵蚀研究中的有效性,在景观和斑块类型水平上分析了景观指数表达"源"、"汇"两大类景观类型的空间格局与侵蚀产沙和输沙之间的关系的一致性。结果表明:斑块-廊道-基底范式下发展的景观指数在指示景观格局的土壤侵蚀效应时存在局限。相对而言,斑块类型尺度的景观指数更能有效表达景观格局与土壤侵蚀的关系。基于景观类型在土壤侵蚀过程中的"源"、"汇"功能,提出了在土壤侵蚀研究中筛选适用的景观指数的原则:(1)对"源"、"汇"两类景观类型,景观指数与土壤侵蚀状况表征变量的相关系数符号相反;(2)对同为"源"或"汇"景观类型的多个景观类型,景观指数与土壤侵蚀表征变量的相关系数应具有符号一致性。尽管景观指数在斑块类型水平上具有一定的有效性,但用其预测景观格局变化的侵蚀效应有很大的不确定性。因此,基于土壤侵蚀过程与景观格局的作用机制发展新型的景观指数是增强景观格局分析预测土壤侵蚀过程的能力的途径。     

景观指数之间的相关分析

应用辽宁省1997~1998年的TM 5影像数据,编制了景观类型图,以78个县市区为单位,分割成78个景观,共计算39个景观格局指数,对它们进行了相关分析。总面积是最基本的景观指数,它决定景观总边界长度、斑块数、类型密度等基本指数,同时与多个指数有显著的相关关系(相关系数绝对值大于0.75)。形状指数的独立性强,极少数指数与其它指数有显著的相关关系;多样性指数和蔓延度指数之间信息重复量最多,都表示景观的异质性,但多样性指数以面积百分比表示景观异质性,而蔓延度指数以类型之间相邻边界的百分比表示景观异质性。研究发现,如果两个指数之间存在显著的相关关系,而由它们两个构成的指数与它们之间没有显著的相关关系。如果指数平均值之间存在显著的相关关系,则它们的变异系数之间不存在显著的相关关系。景观指数间的相关系数不仅与景观格局本身有关,还与空间尺度,分类系统、计算公式及其参数、计算单元和生态学意义关系密切。指数之间影响因子的相同之处越多,它们之间存在显著相关关系的概率越大。     

景观格局-土壤侵蚀研究中景观指数的意义解释及局限性

景观格局分析是景观生态学研究的重要组成部分。景观指数是景观格局分析的有力工具。近年来,景观格局与土壤侵蚀关系的相关研究增多,常规景观格局指数得到应用。但针对土壤侵蚀过程的景观指数意义解释不足,景观指数在刻画景观格局-土壤侵蚀过程关系存在局限。选择了连接性、多样性、边界/斑块密度、形状4个方面的12个常用景观指数,对这些指数在景观格局-土壤侵蚀过程关系研究中的意义进行阐述,对指数应用的局限性及其原因进行了分析。景观数据属性、景观指数本身性质和土壤侵蚀过程的复杂性使得常规景观格局指数在景观格局-土壤侵蚀关系研究中存在不足。这3方面的影响使得常规景观格局指数与土壤侵蚀表征变量之间不存在确定的关系,从而难以通过景观指数来表征景观土壤侵蚀特征。缺乏土壤侵蚀过程基础是常规景观指数在土壤侵蚀研究应用中存在局限的主要原因。因此,构建基于土壤侵蚀过程的景观指数是景观格局-土壤侵蚀关系研究的需要和新的发展方向。     

传统景观格局指数在城市热岛效应评价中的适用性

以北京部分城区为研究对象,以QuickBird影像制作景观类型图,基于同年4个季节的Landsat ETM+数据反演地表温度;将120 m×120 m作为固定窗口,计算其中的景观格局指数,探寻传统景观格局指数解释地表温度的适用性.结果表明：在景观水平计算的24个景观格局指数中,只有景观组成百分比(PLAND)、斑块密度（PD）、最大斑块指数(LPI)、欧氏距离变异系数（ENN_CV）和分离度(DIVISION)与3月、5月、11月的地表温度具有稳定的显著相关.在类型水平计算的24个景观格局指数中,PLAND、LPI、DIVISION、相似邻接百分比、分散与并列指数与4个时相(3月、5月、7月和12月)的温度显著相关,且与7月温度的相关性最强;斑块密度、边界密度、聚簇度、凝聚度、有效MESH大小、分裂度、聚合度、归一化景观形状指数依据不同景观类型而与地表温度呈现相关性.传统景观格局指数可能并不适合评估河流对地表温度的影响.一些景观格局指数可以用来表征城市地表温度,辅助分析城市地表热岛效应,但需要对其进行筛选和甄别.     

西双版纳勐仑地区景观格局变化定量分析

利用景观空间格局定量化分析软件FRAGSTATS和西双版纳勐仑地区1988、2003年两期Landsat影像解译结果,定量分析和比较了两时期景观格局的组成、各类型斑块特征、不同类型斑块间空间分布关系及其动态变化,并进一步分析了其生态效应.结果表明,15年来研究区内以经济林为主的人工景观组分剧烈增加,景观多样性上升;橡胶园等人工种植园地的扩张使得有林地破碎化：平均斑块面积由44km2减至21km2,斑块数由368增至441,同时边缘密度增加;导致其核心区缩小,斑块连接度下降;城镇建设用地的扩展也使得耕地（主要是水田）趋于破碎化.景观中不同斑块的交错分布格局也趋于简单.人工经济林的大面积发展和城市化使该区景观中人为影响显著增强,并产生了生物生境恶化及生态环境质量下降等不良生态效应.未来土地利用规划中应借鉴景观生态学原则,以尽量减少对生态环境的进一步破坏.     

Seeking parsimony in landscape metrics

Numerous metrics describing landscape patterns have been used to explain landscape-scale habitat selection by birds. The myriad metrics, their complexity, and inconsistent responses to them by birds have led to a lack of clear recommendations for managing land for desired species. The amount of a target land cover type in the landscape (percentage cover) often has been a useful indicator of the likelihood of species occurrence or of habitat selection; is it also a more adequate and parsimonious measure for explaining species distributions than patch size or more complex measures of landscape configuration? We examined responses of 6 woodland-interior bird species to the percentage tree cover within prescribed areas and to patch size, edge density, and other metrics. We examined responses in 2 landscapes: a mixed woodland-savanna and an eastern deciduous forest. For these 6 species, percentage tree cover explained bird occurrence as well as or better than other measures in both study areas. We then repeated the analysis on a larger group of woodland species, including those associated with woodland edges. The bird species we studied had varied responses to landscape metrics, but percentage tree cover was the strongest explanatory variable overall. Although percentage cover estimated from remotely sensed data is an inexact representation of habitat in the landscape, it does appear to be reliable and easy to conceptualize, relative to other measures. We suggest that, at least for woodland habitat, percentage cover is a broadly useful measure that can be helpful in pragmatic questions of explaining responses to landscapes or in anticipating responses to landscape change. © 2011 The Wildlife Society.     

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。     

景观格局指标对不同景观格局的反应

探讨了在人为控制不同因子变量的条件下各景观格局指标对由中性随机模型产生的不同景观格局系列的反应 ,以评价一些常用指标的实用性和局限性。研究结果表明 ,大部分指标所指示的格局特征往往是不全面的 ,即它们只对格局系列中个别因子的变化敏感 ,而对另一些因子的变化反应迟钝。比较值得推荐的指标有 :总斑块数目 ,平均斑块大小 ,总边界密度 ,分维数 ,蔓延度 ,聚集度。但即使是这些指标 ,也各有其局限性 ,且存在冗余。由此提醒读者在运用景观格局指标时应在了解其实际意义的基础上 ,结合生态学过程慎重选择和解释 ,避免陷于数字游戏。     

基于3DLP指数的景观格局演变及预测分析

采用1987、1999、2009和2017年四期Landsat TM/OLI数据,结合GIS和RS技术,从类型和景观层面计算安化县四个年度的3DLP指数,分析安化县近30年来景观格局的动态演变并利用CA-Markov模型对2025年景观格局演变进行模拟和预测,为推动该县今后生态环境的进一步恢复和改善提供指导。结果表明:(1)林地是安化县的优势景观,对安化县景观的主控作用强。(2)从不同景观类型来看,1987—2017年期间安化县各景观破碎化情况均有所缓解,其中建设用地、林地面积增加,草地、水域、农地面积减少;林地、水域边界形状趋于简单化,建设用地、草地边界形状趋向复杂化,农地边界形状受人类活动影响较小。(3)从整体景观来看,安化县景观格局的演变主要是受到人为因素的影响,1999年整体边界形状变得更为规则,同时破碎化程度、景观异构性以及多样性有所提高。1999—2017年各类景观类型的面积比例差异增大,破碎化程度以及景观异质程度降低,优势景观类型份额增加。(4)根据预测结果来看,安化县整体趋向均衡化发展,边界形状趋向规则化,景观异质性程度降低,各类景观类型的面积比例差异减小,林地出现被其他景观蚕食分割的趋势,因此需要进一步提高对林地的重视和保护,限制其他景观类型对林地的干扰。     

三江平原水田景观对局地热环境的影响

水稻是重要粮食作物之一,水稻田灌溉导致其下垫面性质独特,具有"冷湿效应",进而直接影响区域气候。基于Landsat8 TIRS热红外遥感数据反演地表温度,刻画三江平原水田种植核心区的热环境空间格局,以景观生态学格局-过程理论为视角,量化水田景观格局对水田内部地表温度分异的影响,以及对周边区域热环境的影响范围及幅度。结果表明：（1）与水田、旱田空间分布相对应,研究区地表温度具有空间极化特点,水田与旱田平均地表温差为-7.8℃。（2）水田内部的平均地表温度与水田斑块大小、连通性呈负相关,与形状呈正相关。（3）水田对周边降温距离为60-300m,降温幅度为0.05-9.7℃。其中,水田内部温度场对降温距离和幅度的影响最大,呈负相关;水田斑块大小、内部连通性与降温距离及幅度之间为正向相关,而水田形状的影响最弱。研究从水田与周边地表热环境交互影响的角度,强调了物质、能量横向传输的非线性过程在农田灌溉的气候效应研究中的重要作用。     

Applying landscape metrics to species distribution model predictions to characterize internal range structure and associated changes

Distributional shifts in species ranges provide critical evidence of ecological responses to climate change. Assessments of climate-driven changes typically focus on broad-scale range shifts (e.g. poleward or upward), with ecological consequences at regional and local scales commonly overlooked. While these changes are informative for species presenting continuous geographic ranges, many species have discontinuous distributions—both natural (e.g. mountain or coastal species) or human-induced (e.g. species inhabiting fragmented landscapes)—where within-range changes can be significant. Here, we use an ecosystem engineer species (Sabellaria alveolata) with a naturally fragmented distribution as a case study to assess climate-driven changes in within-range occupancy across its entire global distribution. To this end, we applied landscape ecology metrics to outputs from species distribution modelling (SDM) in a novel unified framework. SDM predicted a 27.5% overall increase in the area of potentially suitable habitat under RCP 4.5 by 2050, which taken in isolation would have led to the classification of the species as a climate change winner. SDM further revealed that the latitudinal range is predicted to shrink because of decreased habitat suitability in the equatorward part of the range, not compensated by a poleward expansion. The use of landscape ecology metrics provided additional insights by identifying regions that are predicted to become increasingly fragmented in the future, potentially increasing extirpation risk by jeopardising metapopulation dynamics. This increased range fragmentation could have dramatic consequences for ecosystem structure and functioning. Importantly, the proposed framework—which brings together SDM and landscape metrics—can be widely used to study currently overlooked climate-driven changes in species internal range structure, without requiring detailed empirical knowledge of the modelled species. This approach represents an important advancement beyond predictive envelope approaches and could reveal itself as paramount for managers whose spatial scale of action usually ranges from local to regional.     

流域景观格局与河流水质的多变量相关分析

流域内的景观格局改变是人类活动的宏观表现,会对河流水质产生显著影响,因此明确影响水质变化的关键景观因子,对于深入了解景观对水质的影响机制具有重要的研究价值。选择广东省淡水河流域为研究对象,以2007年ALOS卫星影像以及水质监测数据为基础,运用空间分析和多变量分析方法,分析淡水河流域景观格局与河流水质的相关关系。用包括流域和河岸带尺度的景观组成和空间结构信息的景观指数表征景观格局,用Spearman秩相关分析、多元线性逐步回归模型和典型相关分析(CCA)研究景观指数和水质指标的相关关系。研究结果表明:林地、城镇用地和农业用地占淡水河流域总面积超过90%,其中城镇用地超过20%。多元线性逐步回归分析和CCA结果说明水质指标受到多个景观指数的综合影响,反映了景观格局对水质的复杂影响机制。流域景观格局对河流水质有显著影响,流域尺度的景观指数比河岸带尺度的景观指数对水质影响更大。城镇用地比例是影响耗氧污染物和营养盐等污染物浓度最重要的景观指数,林地和农业用地对水质的影响较小。另外,景观破碎化对pH值、溶解氧和重金属等水质指标有显著影响。CCA的第一排序轴解释了景观指数与水质指标相关性的54.0%,前两排序轴累积能解释景观指数与水质指标相关性的87.6%,前两轴分别主要表达了城市化水平和景观破碎化水平的变化梯度。淡水河流域的景观格局特征从上游到下游呈现出城市—城乡交错—农村的景观梯度,水质变化也对应了这个梯度的变化,说明人类活动引起的流域土地覆盖及土地管理措施变化会对水质变化产生显著影响。     

不同斑块类型的景观指数粒度效应响应——以无锡市为例

斑块类型与景观格局粒度效应响应关系密切。以无锡市为研究区域,针对地区社会经济活动频繁、人为干扰强烈和生态脆弱等特性,以土地利用类型、热力等级和生态贡献为斑块类型划分依据,构建出对应的3种不同景观格局。在相同粒度变化情况下,选用了19个景观水平指数和Moran's I指数,分析了不同景观格局粒度效应的响应情况。结果表明,随粒度变粗:1)土地利用类型、热力等级和生态贡献斑块的部分景观指数响应曲线变化剧烈程度依次减弱;2)3类斑块的Moran's I指数均存在尺度效应。其中,土地利用类型和生态贡献斑块的Moran's I指数存在负相关,热力等级斑块没有。生态贡献斑块响应曲线在正相关区域内变化相对平缓,土地利用类型与热力等级斑块响应曲线变化趋势相反;3)指数反映的第一临界粒度基本一致,但景观指数响应曲线的临界现象更为明显。总体上,不同类型斑块在同一研究区构成的景观格局、指数响应曲线变化趋势和第一临界粒度都较为相似;斑块类型对景观指数粒度效应响应存在影响,但还有待深入探讨。