基于GIS的高黎貢山南段森林景觀變化驅動力分析

朱春梅，岳彩榮（云南農業大學熱帶作物學院，云南普洱665000；西南林業大學，昆明6504）

基于GIS的高黎貢山南段森林景觀變化驅動力分析

朱春梅1，岳彩榮2
（1云南農業大學熱帶作物學院，云南普洱665000；2西南林業大學，昆明650224）

摘要：為研究高黎貢山南段森林景觀變化與驅動力之間的相互關系，在GIS支持下對高黎貢山1974、1987、1997、2006年4個時期遙感影像森林景觀分類數據，利用成本距離分析方法對村莊居民地和道路對森林景觀變化的關系進行研究，并分析成本距離和景觀空間變化關系。結果表明：高黎貢山森林變化呈先增加后減少的趨勢；森林變化在海拔1000～2000 m最為活躍。森林變化與村莊居民地和道路的距離具有較高的相關性，通過數學擬合達到較高顯著性。

關鍵詞：森林景觀變化；驅動力；GIS

0　引言

森林景觀及其變化趨勢是區域生態環境狀況的綜合表現形式，能夠在一定程度上反映生態環境優劣程度[1-3]。利用景觀生態學的原理來研究森林生態系統，可以更好地了解森林景觀的格局、結構、功能和變化規律[4-13]。目前，3S技術，即遙感(RS)、地理信息系統(GPS)和全球定位系統(GPS)，作為一種研究大尺度或跨尺度的景觀生態學常用的“空間手段”[7,14-15]，廣泛應用于景觀格局空間特征和定量分析[5-6,8-10,16-19]、景觀動態變化與驅動力分析[11,20-21]、土地利用變化與驅動力分析[22-28]、土壤景觀格局特征分析[29-30]等，研究結果顯示，不同類型景觀格局受自然地理因素（海拔、地形、水系等）、生物因素（動植物群落）和人文因素（人類生產生活、政策導向等）相互作用影響呈現不同結構特征，其中人文因素是導致景觀格局變化的關鍵驅動因子，景觀格局往往隨驅動因子作用呈現相應的時空變化規律。這為不同類型景觀可持續利用和科學管理工作提供了參考依據。

高黎貢山自然保護區位于云南省西南邊境的保山、騰沖和瀘水交界處，地理位置為北緯24o56'—26o09'、東經98o34'—98o50'。1962年開始中上部森林劃為國有林，并設置林管所等機構進行保護管理，1983年經云南省人民政府批準建立高黎貢山自然保護區，1986年經國務院批準成為國家級自然保護區，通過50余年保護工作，保護區內的人為活動總體得到有效控制，森林植被逐年恢復。本研究區為高黎貢山南段，處于隆陽區和騰沖縣境內，面積81443 hm2，為實驗區外圍局部地段，且存在保護區和集體林的林地權屬爭議，仍然存在森林保護與周邊群眾生產生活之間的矛盾沖突[31]。

表1　1974—1987年研究區土地利用變化轉移矩陣（面積）　hm2

前人根據不同時期的遙感數據和數字高程模型，通過Logistic逐步回歸分析等數據分析手段，在地形、海拔、水系、道路交通、城鎮和居民點分布等多種自然地理和社會經濟因素中，篩選出不同時期對研究地主要土地利用類型空間分布及其變化具有決定作用的驅動因子[11,20-28,33-34]。利用3S技術結合景觀生態學原理研究高黎貢山自然保護區（南段）森林景觀動態變化與驅動力空間區位作用及土地利用空間格局動態變化模擬，這在該研究區還是空白。

本研究利用RS和GIS技術，在ENVI 4.3中按照研究區邊界準確切割出研究區域，在GIS支持下得到研究區4個時段的森林景觀分類數據，并對森林景觀變化與驅動力之間的相互關系進行研究。從地形因素、村莊和道路因素進行森林變化的驅動力機制進行研究，了解高黎貢山南段森林景觀變化特點和趨勢，探討森林景觀變化與地形因子和人文因子之間的關系和規律，為制定高黎貢山自然保護區森林保護與可持續經營方案提供依據。

1　資料與方法

1.1資料

利用1974、1987、1997、2006年4期遙感影像，森林二類調查GIS成果圖和其他地形圖等相關資料。

1.2景觀分類系統

景觀分類是景觀結構和功能的基礎，由于對景觀概念的理解和研究目的的不同，目前還沒有一個統一的景觀分類體系[35]。考慮到TM圖像的分辨率較低，筆者結合森林二類調查GIS成果圖，利用分層分類方法進行分類，將研究區域景觀構成要素分為農地、居民地、林地、水體、荒山、河灘和巖石裸露地幾類[35]。其中林地分為常綠闊葉林、針葉林、灌草叢和其他林地。利用ArcMap修正分類過程中產生的拓撲錯誤，進行綜合制圖并輸出研究區各時期景觀類型圖。在ArcInfo平臺下，將景觀數據轉換為滿足FRAGSTATS軟件運行要求的柵格格式。為保證分析的尺度能夠準確反映景觀特征避免最小的圖斑單元丟失[9-10]，同時根據所用的數據源TM圖像的分辨率，將格網分辨率設置為30m×30 m。

1.3森林景觀類型空間數據的獲取

研究區內地形起伏較大，在ENVI 4.3中對研究區邊界準確切割出研究區域。采用目視解譯方法獲取圖像信息，進行綜合制圖并輸出研究區各時期景觀類型圖。

1.4森林變化的驅動力分析

1.4.1森林變化的地形影響在GIS的空間分析功能支持下，將4個時相的森林景觀分布圖進行空間疊置分析，得到1974—1987、1987—1997和1997—2006 3個時間段的森林變化數據，再將變化數據和DEM進行疊置分析，得到地形因素與森林變化的時空轉換數據。

1.4.2森林變化的人文驅動利用ArcGIS中的Spatial Analyst模塊進行分析，探討村莊和道路對森林變化的影響，獲取村莊和道路的成本距離，并分別對森林變化與2種成本距離進行曲線擬合，得出森林變化與村莊和道路的空間區位關系[33-34]。

2　結果與分析

2.1景觀變化分析

在GIS的空間分析功能中對4個時相景觀分布圖進行疊置分析，得出高黎貢山1974—1987、1987—1997、1997—2006年的景觀變化數據，在此基礎上進行景觀變化轉換過程分析，得到景觀變化類型之間的轉移矩陣（表1～3）。

由表1可知，林地所占總面積最大，1974—1987年荒山面積減少量最大，而林地和農地的面積都有所增加，多為荒山轉變為林地和農地。由表2可知，1987—1997年的土地利用類型的轉變主要是林地和農地之間的轉變，1987年農地土地面積為8899.2 hm2，1997年農地面積增加到10981.98 hm2；1997年有林地從1987年的26746.02 hm2減少到24424.83 hm2；村莊居民地土地利用類型也有所增加，而其他土地利用類型也均有所變化，但是變化不大。由表3可知，1997—2006年的林地和農地之間的轉變是土地利用類型的主要變化，1997年農地土地面積為10981.98 hm2，2006年農地面積減少到8691.39 hm2；2006年有林地從1997年的24424.83 hm2增加到26169.03 hm2；其他土地利用類型也均有所變化，但是變化不大。

表2　1987—1997年研究區土地利用變化轉移矩陣（面積）　hm2

表3　1997—2006年研究區土地利用變化轉移矩陣（面積）　hm2

圖1　高程對于林地變化的影響

2.2森林景觀變化的驅動力分析

2.2.1地形對森林景觀變化的影響

（1）海拔對森林景觀變化的影響。如圖1所示，1987—1997年林地減少74.6%，1997—2006年林地增加70.3%，主要集中于1000～2000 m高程范圍內。

（2）坡度對森林景觀變化的影響。由圖2可知，隨坡度的增大，林地變化的面積相應增大，1987－1997年林地減少69.4%，1997－2006年林地增加71.3%，主要集中于25°—90°之間，是較易受人類活動影響的區域，林地變化隨坡度的增加，其變化逐漸增大。

（3）坡向對林地變化的影響。應用1987—1997年林地減少與1997—2006年林地增加的空間數據與研究區1:50000地形圖提取的地形因素坡向，研究坡向對林地變化的影響。由圖3～4可知，南坡林地面積的減少量大于東西坡，北坡林地面積的減少量次之，平坦區域林地面積減少量最小。南坡林地面積增加量最大，東西北坡林地面積增加量次之于南坡，平坦區域林地面積增加量最小。

圖2　坡度對于林地變化的影響

圖3　坡向對于林地減少的影響

圖4　坡向對于林地增加的影響

圖5　林地減少與村莊的空間區位作用

圖6　林地增加與居民用地的空間區位作用

由此可知，林地變化與地形因素有密切關系，在1000～2000 m高程范圍內，在25°—90°坡度之間的區域，適宜植被生長，也有人類活動的適宜區范圍，這將有利于林地的砍伐或毀林開荒活動，進而導致林地面積發生大規模的變化。

2.2.2森林景觀變化的空間區位作用分析

（1）村莊對森林景觀變化的影響。利用GIS的GRID分析，研究村莊居民地對于林地變化的空間區位作用關系。研究結果表明，林地的變化與距離村莊遠近呈指數衰減關系，說明村莊用地對于林地的變化具有很大的影響。村莊用地對1997－2006年林地增加比1987－1997年林地減少的影響更為顯著（前者的復相關系數大于后者）（圖5～6）。

（2）道路對森林景觀變化的影響。利用GIS的GRID分析，進行道路對林地變化的空間作用關系研究。結果表明，林地的變化與距公路的最短距離呈指數衰減，距離道路越近，林地的變化越劇烈，而且1997—2006年林地增加較1987－1997年年林地增加更為顯著（前者復相關系數大于后者）（圖7～8）。

圖7　林地減少與道路的空間區位作用

圖8　林地增加與道路的空間區位作用

3　結論與討論

（1）高黎貢山森林景觀在1987—2006年受海拔、坡度的影響變化較明顯。森林變化最為頻繁的地段在海拔1000～2000 m；在坡度上，隨著坡度的增大，變化逐漸減小；在坡向上，主要在南坡和東西坡地區。人類活動與森林變化在空間上也表現出一定的規律性，在空間上影響森林變化的主要因素是距離村莊和道路的距離，森林的變化隨成本距離的增加呈指數衰減。

（2）在GIS支持下研究森林景觀變化與驅動力之間的相互關系，得到地形因素、距離村莊遠近和道路的距離等空間區位作用因素是林地變化空間區位選擇的重要影響因素。本研究的驅動力分析方法，揭示了地形因素、村莊、道路等因素與林地空間變化關系，對保護區制定合理的保護辦法具有重要的參考價值。但由于數據量獲取有限，森林景觀空間變異的規律與其他驅動因子的驅動力分析不夠全面。

參考文獻

[1]肖篤寧,李秀珍,常禹,等.景觀生態學[M].北京:科學出版社,2003.

[2]鄔建國.景觀生態學—格局、過程、尺度與等級(第二版)[M].北京:高等教育出版社,2007.

[3]何東進.景觀生態學[M].北京:中國林業出版社,2015.

[4]傅伯杰,陳利頂,馬克明,等.景觀生態學原理及應用[M].北京:科學出版社,2001.

[5]郭晉平,張云香.關帝山林區景觀要素空間關聯度與景觀格局分析[J].林業科學,1999,35(5):28-33.

[6]郭晉平,陽含熙,張蕓香.關帝山林區景觀要素空間分布及其動態研究[J].生態學報,1999(4):468-473.

[7]陳文波,肖篤寧,李秀珍.景觀空間分析和特征和主要內容[J].生態學報,2002,22(7):1135-1142.

[8]甘淑,何大明,黨承林.瀾滄江流域云南段景觀格局分析[J].云南地理環境研究,2003,15(3):33-39.

[9]彭月,魏虹,朱韋,等.鼎湖山自然保護區森林景觀時空格局變化研究[J].西南師范大學學報,2007,32(2):65-69

[10]李星墨,段廣德.基于GIS的呼和浩特城市擴展軸上的綠地景觀格局梯度分析[J].內蒙古農業大學學報,2010,31(2):89-94.

[11]張麗瓊,陳澍,吳英,等.姑婆山國家森林公園景觀格局變化分析[J].中國農學通報,2011,27(31):36-40.

[12]張春英,張春玲.植被景觀指數隨復合地形因子分異的變化規律[J].中國農學通報,2012,28(1):65-68.

[13]衛星,任引,許東,等.露水河林業局森林景觀空間自相關分析與擬合[J].中國農學通報,2012,28(19):70-75.

[14]牛少鳳,韓剛,李愛貞.簡述3S技術及其在景觀生態學中的應用[J].山東師大學報:自然科學版,2002,17(1):65-67.

[15]卜耀軍,溫仲明,焦峰,等.3S技術在現代景觀格局中的應用[J].水土保持研究,2005,12(1):34-38.

[16]王玉朝,趙成義,蔣平安,等.三工流域綠洲景觀格局的定量分析[J].水土保持學報,2002,16(3):51-55.

[17]徐天蜀,彭世揆.九溪河小流域森林景觀空間格局研究[J].西南林學院學報,2002,22(2):21-25.

[18]杜松翠,魏開云.昆明市五華區城市綠地景觀空間特征分析研究[J].安徽農業科學,2011,39(25):15550-15553.

[19]張先平,張彥軍,王孟本.山西高原植被景觀空間特征分析[J].西北林學院學報,2013,28(1):214-220.

[20]岳彩榮,崔同琦.基于GIS的香格里拉縣森林景觀變化驅動力分析[J].安徽農業科學,2011,39(6):3755-3760.

[21]鄒德彬,劉常富.城市森林景觀動態變化與驅動力分析——以沈陽市鐵西區為例[J].中國園藝文摘,2013(5):60-63.

[22]朱會義,何書金,張明.環渤海地區土地利用變化的驅動力分析[J].地理研究,2001,20(6):669-678.

[23]李雪瑩,王方雄,薛忠躍,等.基于GIS的莊河市土地利用變化及驅動力[J].地理空間信息,2014,12(1):119-122.

[24]姚原溫,李陽兵,金昭貴,等.貴州省大壩土地利用變化及驅動力分析[J].長江流域資源與環境,2014,23(1):67-74.

[25]婁和震,楊勝天,周秋文,等.延河流域2000—2010年土地利用/覆蓋變化及驅動力分析[J].干旱區資源與環境,2014,28(4):15-21.

[26]呂桐,吳永波.基于RS的崇明島土地利用變化及驅動力分析[J].中國農學通報,2014,30(5):203-207.

[27]王薇,王昕,黃乾,等.黃河三角洲土地利用時空變化及驅動力研究[J].中國農學通報,2014,30(32):172-177.

[28]馬晴,李丁,廖杰,等.疏勒河中下游綠洲土地利用變化及其驅動力分析[J].經濟地理,2014,34(1):148-155.

[29]郭澎濤,武偉,劉洪武,等.DEM柵格分辨率對丘陵地區定量土壤—景觀模型的影響[J].農業工程學報,2010(12):330-336.

[30]耿慶龍,陳署晃,王新勇,等.吉爾吉斯斯坦土壤景觀格局特征分析[J].中國農學通報,2014,30(14):204-210.

[31]詹明萍.高黎貢山自然保護區與周邊社區的沖突及其對策[J].林業調查規劃,2006,31(4):68-71.

[32]擺萬奇,張永民,閻建忠,張鐿鋰.大渡河上游地區土地利用動態模擬分析[J].地理研究,2005,24(2):206-213.

[33]袁力.基于RS、GIS生態景觀格局動態變化及其驅動力的研究——以扎龍濕地為例[J].東北林業大學學報,2007,35(12):25-28.

[34]匡文慧,張樹文,張養貞,等.吉林省東部山區近50年森林景觀變化及驅動機制研究[J].北京林業大學學報,2006,28(3):38-45.

[35]肖篤寧,李秀珍.景觀生態學的學科前沿與發展戰略[J].生態學報, 2003,23(8):1615-1621.

Driving Force of Forest Landscape Change in Southern Section of Gaoligong Mountain Based on GIS

Zhu Chunmei, Yue Cairong
(1Yunnan Vocational College of Tropical Crops, Pu’er 665000, Yunnan, China;2Southwest Forestry University, Kunming 650224, Yunnan, China)

Abstract:In order to study the relationship between the forest landscape change of Gaoligong Mountain and its driving force, remote sensing satellite images of 1974, 1987, 1997 and 2006 in Gaoligong Mountain were obtained and interpreted. The cost-distance analysis was used to study the effect of villages and roads on forest landscape change, and function fitting was carried out to explore the relationship between cost-distance and landscape spatial change. The results indicated that the variation of forest in Gaoligong Mountain showed a trend of first increase and then decrease, the changes of forest were obvious in the elevation of 1000-2000 m. There was a significant correlation between forest changes and villages and roads, mathematical fitting showed high significance.

Key words:Forest Landscape Change; Driving Force; GIS

中圖分類號：S757.1，P208，Q149

文獻標志碼：A論文編號：cjas15070012

第一作者簡介：朱春梅，女，1982年出生，云南人，講師，碩士研究生，主要從事遙感與地理信息系統的教學研究。

通信地址：665000云南省普洱市思亭路3號云南農業大學熱帶作物學院，E-mail：772565709@qq.com。

通訊作者：岳彩榮，男，1964年出生，教授，博士，從事遙感與GIS的教學研究。E-mail：cryue@public.km.yn.cn。

收稿日期：2015-07-24，修回日期：2015-10-27。