地理国情景观健康分析与评价

2015-02-10崔晓杰，王家耀，谢明霞，祝若鑫

地理与地理信息科学 2015年6期

崔晓杰，王家耀，谢明霞，祝若鑫

（1.信息工程大学，河南郑州 450001；2.武汉大学，湖北武汉 430072）

0 引言

地理国情指与地理相关的自然和人文国情，地理国情监测即采用空间化的方法对国情要素进行持续观测，并对观测结果进行综合描述、分析、预测和可视化［1］。地理国情监测于2012年10月得到国家正式立项，是我国测绘工作的重点之一，目前还处于地理国情普查阶段，以获取本底数据作为监测的基础。地理国情普查获取的数据来源广泛、类型复杂、数量巨大，合理的统计分析能全面、科学、准确地反映资源、生态、社会、经济要素的空间分布特征、时序动态变化以及未来发展趋势，从而确保监测成果在规划决策中发挥科学、有效的实用价值。

地表覆盖普查数据反映地表自然营造物和人工建造物的自然属性或状况（与地表形态、重要地理国情要素共同构成地理国情普查三大内容）［2］，其空间分布格局是区域生态格局的直观反映。地表覆盖的景观空间格局及其健康状况是地理国情综合统计分析的重要内容，但目前此领域还处于空白状态，未见相关研究成果。开展基于地理国情的景观健康分析与评价对地理国情分析与决策具有重要意义。

景观生态健康［3］概念由综合性的生态系统健康科学衍生而来，Rapport［4］、Ferguson［5］、曹宇等［6］分别从生态服务、生态平衡、景观影响等角度探讨了景观生态健康的内涵，但目前还未形成统一的观点。以上研究成果从理论上丰富了景观生态健康的内容，但在景观生态健康评价的具体实行中有一定困难。从地表覆盖数据的特点分析，谢春华［7］认为景观生态健康应包括景观结构与格局健康、景观生态过程健康和景观生态功能健康，以此为基础构建了北京密云水库集水区森林景观生态健康评价模型。

本文从景观结构与格局健康入手，采用景观格局指数法、层次分析法、综合指数法构建地理国情地表覆盖的景观格局健康分析及评价模型，基于地理国情普查试点区域数据进行试验分析，取得了一定成果，为地理国情空间格局分析评价及区域发展规划决策制定提供借鉴。同时，该研究也是下一步分析区域生态健康及生态协调性的基础。

1 景观健康评价模型

1.1 景观分类

景观类型划分是计算景观指数、分析景观格局的基础。根据地理国情普查中地表覆盖的一级分类规定［2］以及景观类型在景观生态学中的意义［8］，将地表覆盖景观分为7类，分别为耕地、园地、林地、草地、荒漠与裸露地表、水域及建筑用地（包含房屋建筑区、道路、构筑物与人工堆掘地）。

1.2 景观健康指标体系建立

景观空间格局指数能反映景观结构组成、空间配置特征，是研究景观格局构成及特征最常用的静态定量分析方法［9］。景观结构与格局健康评价是对景观空间要素完整性、空间结构协调性和空间构型适宜性的综合评价。景观的空间结构是指景观要素（或部分）的空间镶嵌规律，表现为数量比例与空间关联方式［10］，从以下三方面选取计算指标：景观要素特征（描述景观基本组成）指标包括斑块个数、斑块类型面积、斑块总边缘长度、斑块平均面积、斑块平均周长及周长面积分维数；景观空间格局（描述景观组成要素空间分布规律和彼此间关系）指标包括多样性指数、均匀度指数与优势度指数；景观空间构型（反映不同景观斑块类型间或同一斑块类型内部的邻接状况）指标包括景观聚集度指数、散布与并列指数与内聚力指数。以上指标的含义及计算方法参见文献［11］，应用这些指数定量描述地表覆盖景观格局，分析区域景观的结构、功能和过程，进而分析研究区的景观基本构成、景观多样性及景观异质性。

根据指标在评价分析中的系统性、相关性、可行性和多样性，采用7个指标构建景观健康评价模型，模型结构如图1所示。

1.3 指标量化分级

数据性质和量纲不同的各项指标无法直接进行分析比较，通过给定标准化分值对指标进行量化是一种常用的数据处理方法［12］。根据各项指标对景观健康影响的大小和关联性，将评价指标划分为5级健康状态，各健康等级的指标阈值划分如表1所示。

1.4 指标权重确定

地理国情综合统计分析指标的权重是综合考虑各因素后形成的统一标准，作为各省市及全国统计分析的参考。客观赋权法忽视了决策者的主观信息，不符合地理国情综合统计分析的实际要求，因而选用主观赋权法中的层次分析法［13］确定地理国情景观健康评价指标的权重。为了科学反映各指数间的权重关系，采用专家打分法构建判断矩阵、层次分析法确定权重。指标C1－C7的权重分别为0.1685、0.2513、0.1143、0.1013、0.1245、0.0963、0.1438，其中λmax＝7.0225，一致性比率CR＝0.0028＜0.1。

1.5 景观健康综合指数构建

为进一步获得研究区景观健康评价结果，本文选取目前应用最广泛的综合指标法［14］进行综合评价，即通过加权求和法构建各景观类型的健康综合评价指数（S）。取所有景观类型的综合评分的平均值，作为评价对象的景观健康水平评价指标（LHI）。

式中：n为指标个数；Wi代表景观健康评价指标中第i个指标的权值；Xi代表i指标的量化评分；m代表景观类型总数；Si代表第i类景观的健康评价得分。

2 景观健康分析

2.1 试验区景观类型分布和总体特征

本文数据来源于2014年全国第一次地理国情普查试点的地表覆盖数据。首先在ArcGIS 10.0中对数据进行重分类、格式转换等处理。考虑到斑块边界的精确性和空间分析的速度，将试验区的矢量图层转换成20 m×20 m的栅格图层。经可视化表达得到其景观类型分布图（图2，见封3）。利用景观格局分析软件Fragstats 4.2计算各项指标，并根据表2对试验区的景观总体格局进行分析。

从表2看出，试验区景观总面积为110 349.56 hm2，共7个类型49 984个斑块。各景观类型的斑块面积和周长分布极不均匀。其中，耕地的斑块面积最大，占总面积的64.81%，其次是建筑用地、林地、水域、园地、草地，荒漠与裸露地表的面积最小，占总面积的0.41%。耕地、建筑用地和林地是试验区景观格局的主要构成类型。斑块类型周长由小到大的顺序依次是：荒漠与裸露地＜园地＜水域＜草地＜建筑用地＜林地＜耕地，最大值是最小值的131倍。斑块面积、斑块周长与斑块数量的异质性构成了试验区地表覆盖景观异质性的基础。

2.2 景观要素特征健康分析

试验区地表覆盖景观要素特征指标如表3所示。1）斑块平均面积能够反映出景观类型斑块的分化程度或割裂程度，平均面积越大，分化程度越低。由表3可知，耕地景观类型的斑块平均面积最大，表明其面积分布较均匀，割裂程度最低。而其余景观类型的平均斑块面积均小于5 hm2，其中，草地类型斑块平均面积最小，意味着其斑块面积分化程度较大，破碎程度较高。2）斑块平均周长是某种景观类型的斑块拥有的边界长度，平均周长越大，则该类型的斑块在整个景观中越易于与外界进行物质、能量流通。试验区景观类型斑块的平均周长顺序为：草地＜水域＜建筑用地＜林地＜园地＜荒漠与裸露地＜耕地，其中，草地景观类型斑块的平均周长最小，整体上与外界的接触机会少，相对较为孤立；而耕地景观类型斑块的平均周长最大，有较为复杂的边界线，与相邻景观的接触面大，相对较为开放。3）周长面积分形维数是对斑块形状复杂程度的描述，可以判断各景观受干扰的强度。周长面积分形维数越大，斑块形状越复杂，保持自然状态较好；分维数越趋近于1，斑块的几何形状越趋近于简单，表明受人工干扰的程度越强。试验区各景观类型的分形维数排序为：荒漠与裸露地＜园地＜耕地＜建筑用地＜水域＜林地＜草地。荒漠与裸露地的分形维数最低，表明其几何形状趋于简单化，受人类干扰的作用很强；而草地的分形维数最高，受干扰的程度较低。

2.3 景观空间格局健康分析

试验区地表覆盖景观格局指标如表4所示。1）多样性指数揭示了景观类型的数量和各景观类型所占面积比例的变化。本实验中采用的面积多样性指数反映的是某景观类型中斑块的多少和此类型中各斑块所占面积比例的变化，简称“多样性指数”，其值越大，说明此景观类型中各斑块的面积分布越均衡。试验区整体景观多样性指数为1.12，各景观类型的差异较为明显。各类型的多样性指数排序为：荒漠与裸露地＜耕地＜水域＜园地＜建筑用地＜林地＜草地，表明在各景观类型中，草地景观类型空间结构复杂多变，分布最均衡，而荒漠与裸露地景观类型空间结构简单规则，分布最不均衡。2）均匀度指数描述景观中各组分的分配均匀程度，指数值越大，表明景观类型中斑块的面积组成分配越均匀。各景观类型的均匀度指数排序为：耕地＜荒漠与裸露地＜水域＜园地＜建筑用地＜林地＜草地，表明耕地景观类型的内部斑块面积大小分布不均匀，呈团块状镶嵌分布；草地景观类型空间分布相对较为均匀，呈分散状镶嵌分布。3）优势度指数反映了景观组成中某种或某些景观类型对景观的支配程度。试验区耕地景观的优势度指数最大，表明此类型内斑块面积所占比例差别大，其中某一个（或几个）斑块在此类型中占优势；草地景观优势度最小，表明草地景观内的斑块面积所占比例相当，无明显优势斑块。

表4 试验区地表覆盖景观格局指标Table 4 Landscape pattern indicators in test area

2.4 景观空间构型健康分析

试验区地表覆盖景观构型指标如表5所示。1）聚集度指数可反映景观组分的空间特征，指数值越大，景观斑块的非随机性或聚集度越高。各景观类型的聚集度指数排序为：草地＜林地＜水域＜建筑用地＜园地＜荒漠与裸露地＜耕地，表明耕地景观由少数大斑块组成，聚集度高；草地景观由许多分散的小斑块组成，聚集度低。2）散布与并列指数描述某一景观类型的景观分离度，其值越大，说明与其相邻的景观类型越多。试验区各景观类型的散布与并列指数排序为：园地＜林地＜建筑用地＜荒漠与裸露地＜草地＜耕地＜水域，说明园地景观的邻近景观类型最少，水域景观的邻近景观类型最多。3）斑块内聚力指数反映了各斑块类型的物理连通性。草地景观的内聚力指数明显低于其他类型，说明草地的连通性最低，分布较为分散；其余景观类型的内聚力指数较高，连通性较好；耕地景观的内聚力指数接近100，连通性最好，是试验区最主要的景观类型。

3 景观健康综合评价

根据表1对各景观类型的指标进行分级，并由式（1）和式（2）确定各景观类型的健康评价分值及试验区的总体景观健康指数。耕地、园地、林地、草地、荒漠与裸露地表、水域和建筑用地7种景观类型的综合分数 S1－S7 分别为 8.645、6.048、6.245、5.070、6.261、4.840、5.748，可以直观地反映各景观类型的相对健康水平。其中，耕地景观的综合评价最高，比较健康；荒漠与裸露地景观、园地景观、林地景观次之，处于亚健康的水平；建筑用地、草地景观和水域景观综合评价最低，处于不健康的水平。

试验区总体景观健康指数为6.122，处于亚健康水平，主要问题在于：1）水域景观占总体景观的比例较小，斑块平均周长低于平均水平，造成景观要素特征健康水平较低；多样性指数、均匀度指数较低，空间分布不均衡，导致景观空间格局健康水平较低。2）草地景观占总体景观的比例很小，斑块平均周长明显低于平均水平，造成景观要素健康水平低；斑块破碎度高、连通性低导致该类景观构型健康水平较低。

4 结语

本研究针对地理国情普查数据，借鉴景观生态健康理论，通过景观格局指标计算与指标分级评价，研究结果基本反映了试验区地表覆盖的景观格局特征及景观结构与格局健康水平。本文提出的基于地理国情普查数据的景观结构与格局健康评价方法，是对地理国情综合统计分析的初步探究，填补了地理国情景观空间格局分析与评价领域的空白，对进一步研究有重要意义。今后应对指标的代表性和评判标准的客观性进行深入探讨，通过时间序列数据进行对比分析，结合社会经济因子进一步研究地理国情生态健康或生态协调评价体系。

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