干扰对太湖西山风景林景观格局影响的时间轨迹分析

王军围，唐晓岚，李明阳，杨玉锋

（1.南京林业大学 风景园林学院，江苏 南京 210037；2.南京林业大学 林学院，江苏 南京 210037）

干扰对太湖西山风景林景观格局影响的时间轨迹分析

王军围1，唐晓岚，李明阳2，杨玉锋2

（1.南京林业大学 风景园林学院，江苏 南京 210037；2.南京林业大学 林学院，江苏 南京 210037）

由于各种自然、人为干扰，森林公园风景林存在着快速的空间及结构特征的变化。以太湖西山国家森林公园为研究区域，以免费开放的2001～2010年Landsat时间系列堆栈（LTSS）数据为主要信息源，在监督分类、森林景观格局指数计算基础上，分观光旅游（2001～2004年）、度假旅游（2005～2007年）、综合整治（2008～2010年）3个时段，对研究区域2001～2010年的风景林景观格局变化及其驱动因素进行了时间轨迹分析。研究表明：（1）2001～2010年，研究区域的森林干扰经历了小幅上升、上下剧烈变动、缓慢下降3种不同的变化趋势；（2）2001～2010年，研究区域风景林平均斑块大小和面积加权形状指数经历了较大幅度下降、上下剧烈变化、缓慢上升3种不同的变化趋势，斑块数量则呈现较大幅度上升、先下降后上升的剧烈变化、缓慢上升3种变化趋势；（3）2001～2010年，森林干扰变化剧烈的地段位于海拔较低、坡度较为平缓、受人类旅游活动影响剧烈的西山岛东部以及南部边缘地带；（4）西山岛森格局指数的时间轨迹变化与森林干扰指数的变化趋势在时空上存在着密切的联系。

森林景观格局；自然和人为干扰；时间轨迹分析；江苏省太湖西山岛

作为森林公园、风景区的基础，风景林或者与名胜古迹融为一体，或者通过陪衬、背景作用使风景增辉，或者和独特的地貌特征相结合直接构成景观资源[1]。风景林景观格局主要是指森林公园或风景区中风景林斑块的数量、形状、大小及其空间分布模式，它决定着风景资源与地理环境的分布、形成和组分，制约着多种生态过程，与风景林干扰能力、恢复能力、系统稳定性、生物多样性存在着密切的联系[2]。风景林景观格局动态变化及其驱动因素分析是景观生态学中的一个重要研究内容。

20世纪90年代以来，我国学者利用多期遥感数据对森林景观的格局及其动态进行了深入的研究，在景观格局指数选择、景观变化模型构建方面取得了大量的成果[3]。然而，这些研究存在以下2点不足：（1）大多数研究者使用两期或多期3～10 a以上的时间间隔图像变化分析算法来研究间隔期的景观格局变化[4]，这种基于长时间间隔遥感数据的变化监测方法不能充分挖掘多时相遥感数据的相互关系，很难捕捉突发性（森林采伐、森林火灾）和缓慢性干扰（气候变化）及恢复进程（封山育林）引起的景观格局变化；（2）未能将森林景观格局变化与森林干扰进行同步分析，难以精细刻画森林干扰与恢复对景观格局的影响，无法为风景林可持续经营措施的制定提供科学依据。

2008年9月1日美国地质调查局（USGS）免费开放的Landsat存档遥感数据，由于覆盖面广、光谱信息充分、重访频率高、计算机处理程度高、空间分辨率（30 m×30 m）与森林经营管理单元空间尺度（1 000 m2）相近等优势，使得利用Landsat时间序列数据（LTSS）对区域长时间尺度上的森林景观格局进行动态监测、森林干扰与恢复的历史进行刻画及其空间成图成为可能[5]。

我国许多森林公园，由于地处城市规划区范围，风景林容易受经常变动的城市规划的影响。由于景区旅游活动引发的诸多自然因素和人为因素的干扰，森林公园风景林存在着快速的空间及结构特征的变化[6]。本研究以太湖西山国家森林公园为研究区域，以免费开放的2001～2010年Landsat时间系列堆栈（LTSS）数据为主要信息源，进行干扰对城市森林公园风景林景观格局时间轨迹分析方法研究，可以为森林公园风景林可持续经营措施的制定提供科学依据。

1 研究区域概况与数据来源

1.1 研究区域概况

太湖西山国家森林公园位于江苏省苏州市吴中区，地理坐标为 31°31′24″～ 31°11′24″N，20°10′42″～ 120°21′54″E。森林公园南北宽 11 km，东西长15 km，由西山主岛及其附属的21个岛屿及四周部分水面构成，景区总面积为 235.48 km2。公园地处太湖风景度假区内，是我国历史上的鱼米之岛和淡水湖泊中最大的岛屿。公园属北亚热带湿润性季风气候，常年湿润多雨，具有四季分明、温暖湿润、降水丰沛、日照充足和无霜期较长的气候特点。森林公园的年平均温度在 16 ℃左右，年降水量在 1 000～1 500 mm之间，全年降雨日数在 120 d左右。西山国家森林公园的缥缈峰海拔336 m，为太湖七十二峰之首。在西山国家森林公园中，除了西山岛、叶山岛等为数很少的几个岛进行了旅游开发、建设有相关旅游商业设施外，其它岛屿由于交通极为不便，还没有得到开发，鲜有游客光顾，各种人为干扰对风景林景观格局的影响很小。因此，本研究以森林公园中最大的西山岛作为研究对象。

西山岛面积 79.82 km2，湖岸线逶迤曲折，长达 50 余公里，是中国内湖第一大岛，由全长4 308 m的太湖大桥与太湖国家旅游度假区相连。西山岛地形比较复杂，山脉走向多样，在不同高度、坡度和坡向间温度差异较大。西山岛虽然最高海拔不高，但是植被垂直分布非常明显：岛的最上部是草山，中部是以马尾松Pinus massoniana为主的针叶树和常绿阔叶树的混交林，山麓是果树栽培区，湖湾地区是果树和水稻栽培区。西山岛森林覆盖率高达80%，是江苏省常绿果树重点产地和夏果科技示范基地，拥有众多的古树名木和植物名胜景观，是江南重要的花果产地。其中，“甪里梨云”和“驾浮梅海”已经成为著名的植物观赏景观。西山岛的古村落是吴文化中的一朵奇葩，岛的东、南、西、北群山环抱中，分布着东村、堂里、植里、后埠、东西蔡、甪里、明月湾等 7 个古村落。

西山国家森林公园所属的金庭镇，辖 11 个行政村、1 个社区，人口约 4.5 万人。2000年以来，随着旅游经济和采矿业的发展，农家乐、房地产开发、采矿引起的蚕食林地、森林火灾、违章建筑以及登山热引发的游人践踏植被等人为因素的干扰，极大地改变了森林景观结构，对风景林的可持续经营构成了严重的威胁。

1.2 数据来源

本研究所采用的数据有：①来自美国地质调查局（USGS）的2001～2010年研究区Landsat TM/ETM数据，影像获取时间为林木生长季节的5～10月，云覆盖率＜20%，多光谱波段空间分辨率为30 m×30 m，全色波段空间分辨率为15 m×15 m（见表1）；②研究区域2013年9月的彩色航空正射影像镶嵌图，空间分辨率为2.1 m；③江苏省城市规划设计研究院 2003年9月编制的《太湖风景名胜区西山景区总体规划》；④ 根据西山森林公园1∶10 000 地形图制作的数字高程模型（DEM），空间分辨率为3.3 m×3.3 m。

表1 2001～2010 年Landsat TM/ETM+数据基本特征Table 1 Basic characteristics of Landsat TM/ETM+ data during 2001 to 2010

1.3 数据预处理

研究区域2001～2010年的LTSS的图像预处理主要包括精确配准和正射校正、辐射定标、水体及云检测以及大气校正。利用AROP 程序包进行遥感影像的精确配准和正射纠正[7]，基于光谱规则对云阴影以及水体进行自动识别并掩膜。其中，云覆盖自动识别采用自动云覆盖评估 ACCA（Automatic Cloud Cover Assessment） 算 法[8]。大气校正利用FLASSH方法，使得定标及云掩膜后的影像的光谱值转化为地表反射率值，并形成相应的地表反射率产品。对于2003年5月31日后获取的Landsat-7 ETM+ SLC OFF产品，由于数据条带丢失导致信息缺失，采用免费下载的ENVI Destrip补丁加以修复。对经过图像预处理的LTSS，采用支持向量机监督分类方法，将研究区域土地利用类型分为森林、非森林2种类型，作为森林景观格局指数时间轨迹分析的数据基础。LTSS的监督分类结果经与2001～2010年的研究区域国土资源统计数据比较，每景的森林分类精度均达到80%以上。

2 研究方法

2.1 森林干扰指数的计算

由于绿色植被的光吸收以及森林冠层的遮挡作用，森林在有叶时期Landsat 影像的部分波段中相对其他地物如裸土、建筑物等具有较低的亮度值。经过暗物质掩膜之后的Landsat影像第三波段直方图中反射率值低于森林峰值的像素便是纯净森林像素。在提取LTSS纯净森林像元基础上，对每景图像做缨帽变换。采用公式（1）来计算干扰指数DI（Disturbance Index）[9]。

2.2 景观格局指数的选择

景观格局指数分析是景观空间分析的重要方法，特别是在水平层次上能够反映出研究对象的结构组成和空间配置，具有高度浓缩景观结构信息、简单定量的作用，使生态过程与空间结构相互关联的度量成为可能。选择合理的景观格局指标，对于风景林格局研究具有重要的影响。本研究从森林平均斑块面积（MPS）、森林斑块数量（NumP）、森林斑块面积加权形状指数（AWMSI）3个方面分别选择指标对风景林景观格局动态进行分析。由于篇幅所限，这3个景观指数的意义、具体计算公式，参考文献[10]。在LTSS监督分类基础上，采用ArcGIS 9.3上的外挂式景观格局分析工具Patch Analyst，对2001～2010年间风景林景观格局指数进行计算。

2.3 空间热点探测

空间热点探测的目的在于寻找研究区域内属性值显著异于其他地方的子区域，实质上是空间聚类的一种特例[11]。根据空间热点探测的目的，分为焦点聚集性检验和一般聚集性检验。本研究采用ArcGIS 9.3空间统计工具箱中的聚集及特例分析工具，通过计算森林干扰指数的MoranI值和ZScore值来测量特定区域的要素值聚合程度，从而进行森林干扰热点探测。如果索引值I为正，则要素值与其相邻的要素值相近，如果索引I值为负值，则与相邻要素值有很大的不同。在统计学中，Z是测度标准偏差的一个统计量，数值上等于偏离平均值的标准偏差的倍数。当可信度P=0.95、Z位于区间范围[-1.96，1.96]时，统计变量呈现随机分布的空间格局。当Z值落在区间范围之外，统计变量呈现出离散或聚集的分布格局[12]。Z值为正且越大，要素分布趋向高聚类分布；相反为低聚类分布。

3 结果与分析

3.1 森林干扰时间轨迹分析

将预处理后的LTSS代入公式（1），生成2001～2010年森林干扰时间系列栅格图层，提取每个栅格图像像元森林干扰的平均值，采用Origin 9.0制图工具中的Spline曲线，连接所有均值点，进行案例研究地区森林干扰时间轨迹分析（图1）。

图1 西山岛2001-2010年森林干扰时间轨迹Fig.1 Spatial trend of forest disturbance during 2001 to 2010 in Xishan Island

如图1所示，2001～2010年，研究区域的森林干扰经历了小幅上升、上下剧烈变化、缓慢下降3种不同的变化趋势。2001～2004，研究区域风景林的干扰主要是旅游商店、旅游宾馆、农家乐等旅游服务设施建设带来的森林干扰，表现为规模小、强度低、点状分布。2004～2007年，随着旅游经济的兴起，小规模观光旅游转化为大规模休闲度假旅游，大型疗养院、度假村、游乐中心蓬勃兴起，点状分布的农家乐规模也不断扩大。与此同时，森林公园管辖范围内的采矿业也呈迅速崛起之势，森林干扰强度呈直线上升趋势，并于2005年达到峰值。从2006年开始，尤其是2007年后，受美国次贷危机引发的世界金融危机的影响，区域经济走势趋向疲软，矿产品需求下降，旅游市场呈现萎缩之势，旅游度假引发的房地产业也呈降温趋势。2007年金融危机后，西山岛所属的金庭镇开始了从粗放经济向生态经济的转变，200多家矿山被关闭，2 000多名农民工以内退等形式“下岗”，一些关闭的的矿山宕口，通过生态修复、绿化美化，变成骑马场、休闲公园等旅游景点。在粗放式增长的房地产业得到抑制条件下，人为干扰活动大大减少，森林干扰指数呈现小幅波动、总体下降趋势。

3.2 森林景观格局变化的时间轨迹分析

3.2.1 斑块大小时间轨迹分析

在Origin 9.0平台上，利用Spline曲线连接2001～2010年研究区域风景林平均斑块大小，进行案例研究地区风景林平均斑块大小时间轨迹分析（见图2）。

从图2可以看出，2001～2010年，研究区域的森林平均斑块大小经历了较大幅度下降、上下剧烈变化、缓慢上升3种不同的变化趋势。2001～2004，伴随着森林旅游业的开展、景区众多旅游道路的开辟，森林公园景观破碎化严重，大面积原始天然次生林被各种旅游道路切割成小块的森林，森林平均斑块面积迅速下降。2004～2007年，随着旅游经济的兴起，森林公园旅游规模不断扩大，为大型疗养院、度假村等旅游设施配套建设的各种大规模人工森林景观不断涌现，与此同时，天然林被蚕食、景观破碎化趋势呈现扩大趋势，使研究区域的森林平均斑块大小呈现先上升后下降的的剧烈变化趋势。2007年金融危机后，随着西山岛所属的金庭镇从粗放经济向生态经济的转变，多家矿山被关闭，一些矿山废弃地通过生态修复变为旅游景点。随着各种人为干扰活动的大大减少，森林平均斑块面积呈缓慢增长趋势。

图2 西山岛森林斑块大小时间轨迹Fig.2 Trends of forest mean patch size in Xishan Island during 2001 to 2010

3.2.2 斑块数量时间轨迹分析

利用Origin 9.0的Spline曲线制图工具，连接2001～2010年研究区域风景林斑块数量，进行案例研究地区风景林斑块数量时间轨迹分析（见图3）。

图3 西山岛2001～2010年森林斑块数量时间轨迹Fig.3 Trends of forest patch number in Xishan Island during 2001 to 2010

从图3可以看出，2001～2010年，研究区域的森林斑块数量经历了较大幅度上升、先下降后上升的剧烈变化、缓慢上升3种不同的变化趋势。2001～2004，森林旅游业兴起的背景下，伴随着旅游饭店、酒馆、码头等众多旅游服务设施兴建带来的旅游道路长度、密度的增加，森林景观破碎化趋势增强，森林斑块数量迅速上升。2004～2007年，随着大型疗养院、度假村、娱乐中心等旅游设施配套的建设，在天然林地被蚕食、占用的基础上，各种大规模人工森林景观不断涌现。与此同时，随着天然林被蚕食，森林景观破碎化趋势严重，使研究区域的森林斑块数量呈现先下降后上升的的剧烈变化趋势。2007年金融危机后，随着西山岛所属的金庭镇从粗放经济向生态经济的转变，一些矿山废弃地通过生态修复转变为旅游景点。伴随着园林绿地的增多，森林斑块数量呈缓慢增长趋势。

3.2.3 斑块形状时间轨迹分析

利用Origin 9.0的Spline曲线制图工具，连接2001～2010年研究区域风景林斑块面积加权形状指数的平均值，进行案例研究地区风景林斑块形状指数时间轨迹分析（见图4）。

图4 西山岛2001～2010年森林斑块面积加权形状指数时间轨迹Fig.4 Trends of forest patch area weighted shape index in Xishan Island during 2001 to 2010

从图4可以看出，2001～2010年，研究区域的森林斑块的面积加权形状指数经历了较大幅度下降、上下剧烈变化、缓慢上升3种不同的变化趋势。2001～2004，随着森林旅游业的兴起，原始天然次生林被不断蔓延的各种旅游道路切割成边界形状简单的小型斑块，使森林斑块加权形状指数呈迅速下降趋势。2004～2007年，在西山岛观光旅游向休闲度假旅游转轨的过程中，各种大规模人工森林景观不断涌现。这些人工森林景观模仿借鉴了中国古典园林“山要回抱、水要萦回”的造园手法，使得人工森林斑块形状趋向复杂化。与此同时，被各种旅游道路切割的破碎化的森林斑块边界呈简单化趋势，致使研究区域的森林斑块的面积加权形状指数呈现先上升后下降的的剧烈变化趋势。2007年金融危机后，随着西山岛所属的金庭镇从粗放经济向生态经济的转变，一些矿山废弃地通过生态修复变为旅游景点，遭受严重破坏的天然林得到休养生息，在自然演替生态过程作用下，森林斑块的面积加权形状指数呈缓慢增大趋势。

3.3 森林干扰变化空间热点分析

通过空间冷热点分析，将2001～2010年研究区森林干扰标准差的空间聚集类型分为4种：高值点（热点，HH）、低值点（冰点，LL）、高值被低值包围的特例点（HL）、低值被高值包围的特例点（LH）（见图5）。

图5 西山岛2001～2010年森林干扰冷热点Fig.5 Cold/hot spots in Xishan Island during 2001 to 2010

从图5可以看出，西山岛森林干扰变化比较剧烈的热点区域集中于东部金庭镇政府、南部逍夏湾两大片区和西南部太湖沿岸依山背水的堂里、东西蔡、甪里、明月湾古村落附近。前者的森林干扰表现为度假村、休闲山庄、开心农场等大型旅游设施的面状干扰，后者表现为农家乐等小型旅馆、饭店引发的点状干扰。西山岛森林干扰变化比较缓慢的热点区域主要集中在海拔较高、交通相对落后、居民点分布较少的缥缈峰景区。森林干扰比较剧烈的热点平均海拔、平均坡度为4.605 m、2.824°，冷点为78.425 m、11.671°，热点地段的平均坡度、平均海拔分别比冷点地段低73.820 m、8.847 º，表明森林干扰变化剧烈的地段位于海拔较低、坡度较为平缓的西山岛东部以及南部边缘地带，而变化比较平缓的地段则多处海拔较高、坡度较陡的中西部山区。森林干扰变化剧烈的热点距道路距离、距居民点距离为215.916 m、496.411 m，冷点则为516.601 m、805.449 m，冷点地段距道路距离、距居民点距离分别比热点地段分别远300.684 m、309.008 m，表明森林干扰变化剧烈的地段受交通、居民生产活动等人为干扰活动的影响较大。

4 结论与讨论

景观格局决定着风景资源与地理环境的分布、形成和组分，制约着多种生态过程。由于各种自然、人为干扰，森林公园风景林存在着快速的空间及结构特征的变化。本研究以太湖西山国家森林公园为研究区域，以免费开放的2001～2010年Landsat时间系列堆栈（LTSS）数据为主要信息源，进行干扰对城市森林公园风景林景观格局时间轨迹分析方法研究，可以为森林公园风景林可持续经营措施的制定提供科学依据。

研究表明，2001～2010年，研究区域的森林干扰经历了小幅上升、上下剧烈变化、缓慢下降3种不同的变化趋势。2001～2010年，研究区域森林干扰的主要驱动因素是采矿活动、宾馆饭店等旅游基础设施建设、道路修建等人为干扰。

2001年研究区域风景林景观格局时间轨迹分析表明，太湖西山岛风景林景观格局指数的时间轨迹变化与森林干扰指数的变化趋势在时空上存在着密切的联系。降低大型旅游基础设施、服务设施对森林的干扰强度，对废弃的矿山进行生态恢复，控制古村落农家乐旅游规模，是提高研究区域风景林经营水平的主要措施。

在森林公园景观尺度上，本研究探讨了森林干扰对风景林景观格局影响的一般规律。基于像元尺度的森林干扰对景观格局影响量化分析，Landsat TM/ETM+遥感图像混合像元对森林干扰指数计算精度的影响，需要进一步深入研究。

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Time trajectory analysis on effects of disturbances to scenic forest landscape pattern in Taihu Xishan Island

WANG Jun-wei1, TANG Xiao-lan, LI Ming-yang2, YANG Yu-feng2
(1.College of Landscape Architecture, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu, China; 2.College of Forestry, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu, China)

Due to a variety of natural and anthropogenic disturbances, there are rapid spatial and structural changes for scenic forests in forest parks. Taihu Xishan National Forest Park was chosen as the study area, and the free and open accessed Landsat time series stacks (LTSS) data during 2001 to 2010 were collected as the main information sources to do supervised classi fi cation and calculation of forest landscape pattern indices, followed by time trajectory analysis of forest landscape change and driving factors with three periods of touring period (2001～2004), vacation period (2005～2007) and comprehensive renovation (2008～2010). The study results show that(1) during 2001 to 2010, forest disturbances in study area experienced three kinds of different trends such as a slight increase, dramatic changes of up and down, slow decline; (2) during 2001 to 2010, average scenic forest patch size and area weighted shape indexes in study experienced trends of a more signi fi cant decline, dramatic changes of up and down, slowly rising, while the number of patches showed trends of big increase, dramatic decline followed by rising, slow rise; (3) during 2001 to 2010, hot spots of dramatic changes of disturbances were located in the eastern part and southern fringes of the island with a lower elevation, gentle slope, subject to intense human impacts of tourism activities; (4) time trends of forest landscape pattern indexes were closely linked with changing trends of forest disturbances both in time and space.

forest landscape pattern; natural and anthropogenic disturbances; time trajectory analysis; Taihu Xishan Island in Jiangsu province

S727.5 文献标志码：A 文章编号：1673-923X(2015)12-0069-07

2014-10-02

国家自然科学基金“基于3S技术的太湖名胜区中村落景观特色研究”（31270746）

王军围，博士研究生

唐晓岚，教授，博导；E-mail：xiaolantang@163.com

王军围, 唐晓岚，李明阳, 等. 干扰对太湖西山风景林景观格局影响时间轨迹分析[J].中南林业科技大学学报,2015,35(12): 69-75.

[本文编校：文凤鸣]