基于Ant-Density的浏阳市景观格局优化分析

郭晓妮，董雅雯，丁 山，张 娟，廖菊阳，邓 榉

(1.国家林业和草原局中南调查规划设计院，长沙 410014； 2.湖南省森林植物园，长沙 410116)

森林在地球上分布广、类型丰富且结构复杂，是非常宝贵的自然资源，发挥着巨大的生态、社会和经济效益，在应对全球气候变暖、维持人类可持续发展等方面发挥着重要作用[1-2]。景观格局优化研究是景观生态学领域的重点和难点课题之一[3-4]。景观格局的优化，使得各组分之间达到和谐有序的状态，以实现人与自然和谐可持续的发展[5]。以湖南省浏阳市为研究对象，利用地理信息系统及相关软件，结合本地生态资源，优化浏阳市景观格局，以期为当地政府应对森林景观格局变化，及时、合理、有效制定优化方案，为浏阳市经济社会和林业生态可持续发展提供参考依据。

1 研究区概况

浏阳市位于113°10′24″—114°14′58″E和27°51′20″—28°34′06″ N之间，总面积5007.8km2，森林覆盖率66.82%，牧草地14.3万hm2。地势东北高、西南偏低，海拔最高点1608m、最低点37.5m，相差1570.5m；属中亚热带季风湿润气候，热量充足，年均气温17.5℃；境内河道流域面积4979.8km2，总长度1224.1 km，径流总量44.6亿m3；浏阳市共有国家级保护动物17种。

2 研究方法

2.1 单目标0-1整数规划

本研究采用0-1整数规划是变量为二进制的整数规划[6]，其数学模型为：

(1)

其中：min表示求极小值，f(x)是目标函数，s.t.表示约束条件。

2.2 优化路径构建方法

采用Ant-Density(蚁密系统)算法来构建优化路径[7]，思路如下：

1)首先，建立i(特殊生态源地序号)行j(一般生态源地序号)列距离矩阵Dij：

(2)

建立特殊生态源地邻接矩阵yij：

(3)

2)其次，建立i(一般生态源地序号)行j(一般生态源地序号)列距离矩阵Aij：

(4)

根据i，j生态源地间是否有生态廊道，建立邻接矩阵cij：

地间有廊道连接

0 否则

(5)

3)建立生态流的流经轨迹i：

的流经轨迹i上

0 否则

(6)

最少目标函数为：

(7)

约束条件为：途经生态廊道数小于3条：

(8)

3 结果与分析

3.1 生态廊道的构建

在生态廊道的构建中采用累积耗费距离模型，类型可分为林地生态廊道、建设用地生态廊道、耕地生态廊道和水域生态廊道四种。由表1和图1可知，生态廊道共65条，其中：林地生态廊道51条，占廊道数的78.46%；耕地生态廊道11条，占廊道数的16.92%；建设用地生态廊道2条，占廊道数的3.08%；水域生态廊道1条，占廊道数的1.54%。生态廊道总长463.04km，其中：林地生态廊道总长404.2km，主要分布于中部地区；耕地生态廊道总长51.36km，分布不均匀；建设用地生态廊道总长5.5km，分布于西部、南部地区；水域生态廊道总长1.98km，分布于西南部地区。

表1 浏阳市各类型生态廊道廊道类型廊道长度/km最长最短总和平均数量/个占比/%耕地生态廊道22.430.5851.364.671116.92建设用地生态廊道3.851.655.502.7523.08林地生态廊道25.360.43404.207.935178.46水域生态廊道1.981.981.981.9811.54

图1 浏阳市生态廊道分布

3.2 生态节点的构建

在生态廊道的基础上构建生态节点，详见表2和图2。可知，浏阳市共有生态节点61个，其中：林地生态节点47个，占节点数的77.05%；耕地生态节点11个，占18.03%；建设用地生态节点2个，占3.28%；水域生态节点1个，占1.64%。

表2 浏阳市各类型生态节点类型节点长度/ km最长最短总和平均数量/个占比/%耕地生态节点59.1048.13553.3150.301118.03建设用地生态节点58.7750.23109.0054.5023.28林地生态节点50.9140.682014.7942.874777.05水域生态节点32.9532.9532.9532.9511.64

图2 浏阳市生态节点分布

3.3 景观格局优化路径分析

3.3.1 景观格局优化路径构建

采用图论绘制生态源地连通图，选取生态连通度高且独立的生态源地为特殊生态源地，将其视为多车场路径规划问题中的车场，剩余的生态源地视为一般生态源地及车辆经停点。从表3及图3可知，生态源地平均连通数量5.2条。由于特殊生态源地(车场)数量不宜太多，本研究仅选取3个以下特殊生态源地。首先，选取连通线数量最多的生态源地，序号为12。特殊生态源地应连通度高且独立，因此排除8号、16号、17号、13号和21号的生态源地，从剩余的3号、5号和6号中选取特殊生态源地；综合考虑特殊生态源地特征，选取3号作为特殊生态源地，并排除5号和6号生态源地。最终确定12号和3号作为特殊生态源地。

表3 各生态源地连通线数量表连通线数量个数源地序号平均连通线数量131,2,9244,7,24,253410,19,22,234218,205211,14626,21725,135.28215,1791161113121815112

图3 生态源地连通线分布图

从图4可知，特殊生态源地3为起点的路径仅4条，剩余19条路径的起点均为特殊生态源地12。特殊生态源地3为起点的路径均可直达，不需经过任何中转点；特殊生态源地12为起点的路径，11条不能直达，其中有9条需通过一个中转点，2条需通过两个中转点。

从表4可知，需通过两个中转点的路径的终点分别为15号和23号；需通过一个中转点的路径的终点分别为6号、7号、9号、10号、14号、16号、18号、20号和21号；不需通过中转点的直接路径的终点分别为1号、2号、4号、5号、8号、11号、13号、17号、19号、22号、24号和25号。

表4 生态源地路径分析表终点路径起点中转点1中转点2距离/km13-134.614 223-231.007 63330.000 043-431.723 253-530.923 7612-8-61283.195 8712-8-71283.347 3812-8122.770 1912-8-91284.394 31012-8-101285.987 11112-11121.743 91212120.000 01312-13120.665 11412-8-141283.653 41512-8-14-15128145.729 01612-17-1612174.370 21712-17122.445 91812-17-1812173.616 11912-19121.843 12012-19-2012196.380 2

续表4 生态源地路径分析表终点路径起点中转点1中转点2距离/km2112-19-2112193.477 32212-22126.920 62312-19-21-231219218.776 52412-24122.601 42512-25121.976 7

3.3.2 景观格局优化路径分析

在景观格局优化路径时，首先由特殊生态源地出发，构建一级生态廊道及节点，节点是3号和12号；其次，由一次中转生态源地出发，构建二级生态廊道及节点，节点是8号、17号和19号;再次，由二次中转生态源地出发，构建三级生态廊道及节点，节点14号和21号；最后，由各个生态源地出发，构建四级生态廊道及四级生态节点。详见表5、图5。

表5 各等级生态廊道生态廊道等级廊道数量距离/km一级生态廊道(3-1)(3-2)(3-4)(3-5)(12-8)(12-11)(12-13)(12-17)(12-19)(12-22)(12-24)(12-25)1229.235 5二级生态廊道(8-6)(8-7)(8-9)(8-10)(8-14)(17-16)(17-18)(19-20)(19-21)915.993 2三级生态廊道(14-15)(21-23)27.374 8四级生态廊道……42410.435 6 注: 四级生态廊道过多,在表格中不一一列出。

图5 生态源地连通分布图

4 结论与讨论

针对浏阳市景观格局优化进行分析研究，共有生态廊道65条，其中林地生态廊道51条、耕地生态廊道11条、建设用地生态廊道2条、水域生态廊道1条；生态节点共61个，其中林地生态节点47个、耕地生态节点11个、建设用地生态节点2个、水域生态节点1个。

以特殊生态源地3号和12号为起点，分别有4条、8条可以直达，这12条路径为一级生态廊道，该生态廊道上的生态节点为一级节点。浏阳市生态廊道主要集中在在关口街道、淳口镇、集里街道、小河乡、张坊镇、蕉溪乡和中和镇7个乡镇；而生态节点

主要集中在在沙市镇、集里街道、关口街道、淳口镇、中和镇、张坊镇和蕉溪乡7个乡镇。结合生态廊道、生态节点分布情况发现，生态节点与生态廊道的分布情况大致相同，但也有特例存在，在确定景观格局优化重点建设区域时，须从生态廊道及生态节点分布情况两方面权衡其重要性。