基于GIS和PCA降維的森林景觀格局等級特征分析

王計平 支曉蓉 黃繼紅 孟 超 胡艷萍 張德成

(1.中國林業科學研究院國家林業局鹽堿地研究中心， 北京 100091； 2.中國林業科學研究院森林與生態環境保護研究所， 北京 100091； 3.河北農業大學林學院， 保定 071000； 4.中國林業科學研究院科技信息研究所, 北京 100091)

0 引言

景觀格局、過程及其與尺度間的相互關系是景觀生態學研究和關注的重要內容之一[1]。生態學中景觀概念有兩種方式：一種為直觀意義上的，即景觀是一個具有數公里尺度的生態系統綜合體，包括森林、草原、灌叢、村落等可視景觀要素的某一具體區域；另一種是抽象意義上的，即景觀可看作為對生態系統進行空間研究的一個生態學標尺，可代表任意尺度上的空間異質性[2]。森林景觀作為一種特殊的景觀類型，是指某一特定區域內數個異質森林群落或森林類型構成的復合生態系統，它是以森林生態系統為主體所構成的景觀，包括各種類型的天然林、人工林、灌木林、草地、河流、農田、居民點等要素[3]。氣候、水文和生物等多種自然因素和人為作用共同塑造了結構與功能獨特的森林景觀[4]。在這種類型中，一個重要特點就是森林景觀系統的復雜性表現為系統組織多層級，空間結構信息量大，維數多[5-6]。因此，準確把握森林景觀等級規律及其格局特征信息，對深入理解森林生態系統結構與功能的相互關系、深化景觀等級理論及其尺度效應研究具有重要的意義。

等級指系統組織的層次秩序性[7]。等級理論最根本的作用之一就是簡化復雜系統，以便于對其結構、功能和動態進行理解和預測[8]。森林景觀作為一個復雜系統，是由森林植物個體、種群、群落、生態系統、景觀等不同層次構成的生態學組織[9]，在自然地形、土壤、氣候等影響下，具有高度時空異質性和系統可分解性[10-11]。目前，針對森林資源保護的研究主要從樹木分布、樹種多樣性、種群結構、群落組成等方面開展[12-15]，在景觀尺度上，通常把林區地類、林種當作一種景觀類型，通過比較不同區域森林景觀格局差異或同一區域不同時期森林景觀格局變化來理解森林資源格局與動態[16-17]，而從相鄰層級間考量各層級森林景觀格局等級特征的案例較少[18]，因而不足以全面揭示森林資源內在結構及景觀系統的復雜性。WU[19]利用尺度方差分析法，對加拿大一個針葉林景觀在空間格局上所表現的多尺度和等級特征進行了研究，并找到了臨界尺度。然而類似研究與應用在國內還很少見。

本文以新疆天山北坡景觀多樣性相對穩定的林區霍城林場為例，從水文生態學角度，以流域為分析單元，運用等級理論和景觀信息降維技術研究森林景觀格局等級特征及關鍵指標，以期為森林景觀資源保護、森林景觀資源健康經營與管理提供重要的參考依據。

1 研究區概況

天山是世界七大山系之一，東西橫跨中國、哈薩克斯坦、吉爾吉斯斯坦和烏茲別克斯坦四國，全長2 500 km。霍城林區位于天山北坡西段，在行政上屬于伊犁哈薩克自治州，位于80°11′～81°24′E，43°39′～44°50′N，林場總經營面積為89 745.12 hm2，屬溫帶半干旱氣候，全年平均氣溫8.2～9.4℃，氣候嚴寒，年溫差較大，熱量不足，全年日照時數2 550～3 500 h，日均日照時數8～12 h，無霜期165 d，年降水量140～460 mm，主要集中在6—12月，年降雪130～140 d，積雪深度45～55 cm，積雪和融雪水文效應突出。從霍城林場森林資源看，林地總面積50 341.08 hm2，其中有林地21 709.93 hm2，有林地中，純林19 858.06 hm2，占林地面積的39.45%，混交林1 851.87 hm2，占3.68%，林場植被呈現出明顯的垂直地帶性分布，植被類型多樣，表明霍城林場森林景觀類型相對豐富。

2 研究方法

2.1 數據收集與處理

以霍城林區2009年森林資源調查資料和DEM為基礎數據，在GIS技術支持下，對森林資源、地形數據進行整理。森林資源數據為SHP矢量格式，DEM為GRID格式，柵格大小是30 m×30 m。數據處理主要包括數據投影系統轉換與統一、林區地類及森林類型的重分類、流域地形分析及水文單元確定等，均在ArcGIS軟件中完成。

2.2 流域與景觀等級類型劃定

通常可用于森林景觀格局分析的空間幅度有自然地形學分區[20-21](如集水區、流域等)、生態功能分區[22]、所有權邊界(如縣域、營林區、林班等)[23-26]等類型。在新疆特別是山區，積雪分配及融雪水文過程對山區森林植被分布具有決定意義。為了更好地理解森林景觀空間格局與生態功能特征，采用自然地形學分區，基于EDM數據劃定47個流域單元(圖1、2)，作為森林景觀分析單元。在高等級水平上，將霍城林區分為針葉林、闊葉林、混交林、疏林地、苗圃地、灌木林、宜林荒山荒地和非林地8類(圖3)；在低水平等級上，根據林區地類特征，將針葉林、闊葉林、混交林、疏林地、苗圃地、灌木林和宜林荒山荒地合并為林地，即與非林地一起，構成2類景觀類型(圖4)。

圖1 研究區高程分析圖Fig.1 Elevation analysis map in study area

圖2 基于DEM的景觀分析單元Fig.2 Landscape analysis unit based on DEM

圖3 研究區景觀分類(8類)Fig.3 Landscape classification in study area(eight classes)

2.3 景觀指數篩選與確定

為了全面刻畫林區森林景觀格局特征，從斑塊邊緣特征、空間鄰接度、景觀多樣性等方面，從景觀水平上選取39個代表性景觀指數，計算每個等級中每個流域上景觀指數。考慮到部分景觀指數間存在一定相關性，應用RIITTERS等[27]提出的方法將景觀指數的數量減少到一個可操作的水平，即對每一對景觀指數進行相關性分析，計算各等級水平各流域各所有景觀指數的皮爾森積矩相關系數，檢查決定系數不小于0.81(R≥0.9)的指數對，根據其可解釋能力進行剔除。對于某對指數在某一數據集中呈現高度相關關系，而在另一組數據中卻無明顯相關，在這種情況下，保留該景觀指數，并用于同另一個等級尺度計算的結果，進行比較而決定取舍。此外，在各子流域各個等級水平上，一些計算結構均表現為固定值的景觀指數也將被剔除。按照此標準，最終確定29個景觀指數，包括面積/密度/邊緣類指數：斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)、總邊緣長度(TE)、邊緣密度(ED)、景觀形狀指數(LSI)、平均斑塊面積(AREA_MN)、平均回旋半徑(GYRATE_MN)；形狀指數：平均形狀指數(SHAPE_MN)、平均分維數(FRAC_MN)、平均周長面積比(PARA_MN)、平均鄰近指數(CONTIG_MN)、周長-面積分形維數(PAFRAC)；核心面積指數：總核心面積(TCA)、獨立核心斑塊密度(DCAD)、平均核心面積(CORE_MN)、平均獨立核心面積(DCORE_MN)、平均核心斑塊面積指標(CAI_MN)；隔離/親近指數：平均鄰近度指數(PROX_MN)、平均幾何最鄰近距離(ENN_MN)；蔓延度/散布指數：蔓延度(CONTAG)、散布與并列指數(IJI)、分離度(DIVISION)、有效網格面積(MESH)；鄰接度指數：連接度(CONNECT)、凝結度(COHESION)、分隔度(SPLIT)；多樣性指數：斑塊多度密度(PRD)、香農多樣性指數(SHDI)、香農均勻度指數(SHEI)。各指數采用FRAGSTATS 3.3軟件進行計算，公式及說明參照文獻[7]。

2.4 統計分析

主成分分析(PCA)將多個相關變量通過線性變換以選出較少個數重要不相關的變量的一種多元統計分析方法[28-30]，又稱主分量分析，可以使大多數原始變量對變異的解釋能力通過少量的主分量反映。本文運用主成分分析法來確定最后入選的指數，為了辨識關鍵的景觀水平格局指數，在2個等級水平上分別進行PCA分析，為了增加結果的解釋能力，應用方差最大方法對前6個主分量進行正交旋轉。用主成分載荷系數解釋PCA最終結果。在前幾個主成分中具有最高載荷的景觀指數被認為是響應等級水平上最重要的景觀水平指數。

聚類分析是以個體相似性為基礎，將物理或抽象對象的集合分組成為由類似的對象組成的多個類的分析過程。目前，已有一些研究通過對景觀水平景觀指數聚類分析，從而實現景觀單元劃分[31]。本文以不同等級水平關鍵景觀指數對47個景觀單元(小流域)運用K-means聚類分析法進行歸類。

3 結果與分析

3.1 森林景觀格局特征空間變異分析

在兩個等級上，對47個流域單元景觀指數進行統計分析發現(圖5)，總邊緣總長度(TE)、總核心面積、平均核心面積、平均獨立核心面積、平均鄰近度指數、有效網格面積、斑塊多度密度空間變異程度最大，而平均面積分維數、平均鄰近指數和平均形狀指數、聚合度指數變異程度較小，這表明以流域為自然地形分異單元來看，在不同分類等級上，林區森林景觀斑塊大小、破碎化程度在空間上差異較大，而景觀斑塊性狀復雜性、空間鄰接程度在各流域各等級水平表現均衡。景觀等級水平的提高對核心斑塊面積、破碎化、豐富度、空間鄰接程度等影響較為明顯，因此在較高等級水平上應重視景觀破碎化、豐富度、鄰接度等指標。

圖5 景觀水平不同等級類型景觀指數變異系數Fig.5 Variation coefficient of landscape indices in different classes of landscape level

3.2 森林景觀格局等級特征差異及解釋性分析

對47個小流域單元各入選景觀指數進行PCA分析，辨析不同等級水平上控制林區景觀空間格局的關鍵指標(表1)。在高等級水平上，6個主分量累積解釋總分異的85.52%以上，發現斑塊密度、平均斑塊面積、有效網格面積、平均核心面積、景觀形狀指數、總邊緣長度、周長-面積分形維數、平均分維數、平均核心面積指數等是決定和影響森林景觀結構與功能的主要指標；在低等級水平上，平均斑塊面積、平均核心面積、斑塊總邊緣長度、景觀形狀指數、連接度、斑塊多度密度、平均核心面積指數、平均形狀指數、平均分維數等指數是森林景觀的主要解釋性指標，6個主分量累積解釋量達到84.69%。

對前4個主分量高載荷解釋能力進行分析發現，在2個等級水平上，森林景觀格局具備一些共同的特征，即森林景觀破碎化嚴重，斑塊面積空間變異較高。隨著等級水平的提高，森林景觀空間異質性程度加強，景觀水平上斑塊形狀、空間鄰接關系變得較為復雜，特別是核心斑塊數量、面積及其空間聚合特征開始顯現。盡管核心斑塊面積和數量呈一定優勢，但破碎的林地斑塊空間散布與聚集程度較高，景觀空間連接度有待加強。此外，等級水平的改變對森林景觀斑塊大小、邊緣、形狀、空間布局等特征具有明顯的影響。

3.3 不同等級水平森林景觀格局相似性分析

運用一致性系數比較PCA結果，表明在兩個等級PC1間、PC3間均具有較好的一致性，一致性系數分別達到了0.93和0.81，說明在這兩個等級上，森林景觀格局具備一些共同特征，就是森林景觀破碎化嚴重，斑塊大小空間變異較高，盡管核心斑塊面積和數量呈一定優勢，但破碎的林地斑塊空間散布、聚集程度較高，景觀連接度有待加強。同樣在兩個等級PC2和PC4，也呈現出較高的相關性，一致性系數分別為0.75和0.73。這說明等級水平的改變對森林景觀斑塊大小、邊緣、形狀、空間布局等特征具有明顯的影響。

表1 霍城林區不同等級水平森林景觀特征指數主成分分析主分量載荷Tab.1 Principal component analysis of forest landscape characteristic index at different levels in Huocheng forest area

3.4 不同等級水平重要景觀指數、指數組比較

對不同等級重要景觀指數和指數組進行比較發現，總邊緣長度、景觀形狀指數、平均斑塊面積、平均形狀指數、平均分維數和平均核心面積是兩個等級上共同的指數(表2)。在高等級上，周長-面積分維數、有效網格面積、斑塊密度、平均幾何最鄰近距離等指數也是影響和控制森林景觀格局的關鍵指數。在低等級上，總核心斑塊面積、邊緣密度、凝結度、香農均勻度等指數對決定森林景觀格局特征具有重要解釋度。從景觀指數分組看，面積/密度/邊緣指數組、形狀指數組、核心面積指數組在兩個等級上表現較為一致。此外，在低等級上，景觀鄰接度和多樣性指數組在流域單元上表現活躍，隨著景觀等級的提高，隔離/親近指數和蔓延度/散布指數組的表現更為突出。景觀斑塊大小、數量及形狀的變化對景觀等級的改變響應明顯，因此可通過對這些景觀指標或因素進行調控，優化林區景觀斑塊的空間鄰接關系和相互作用。

表2 不同等級水平主要景觀指數和指數組比較Tab.2 Comparison of main landscape index and index groups at different levels

注：“+”表示景觀指數。

4 結論

(1)隨著分類等級細化，散布與并列指數、歐幾里得最鄰近距離指數、景觀連接度、斑塊密度、拼塊多度密度指數、平均斑塊鄰近指數等指數的變異程度增幅明顯，表明景觀等級水平的增高對核心斑塊大小、破碎化、豐富度、空間鄰接程度等影響較大。

(2)在高等級上，斑塊密度、平均斑塊面積、有效網格面積、平均核心面積、景觀形狀指數、總邊緣長度、周長-面積分形維數、平均形狀指數、平均分維數、平均核心斑塊面積指數等是決定和影響森林景觀結構與功能的主要指標。在低等級上，平均斑塊面積、平均核心面積、總邊緣長度、景觀形狀指數、連接度、斑塊多度密度、平均核心斑塊面積指數、平均形狀指數、平均分維數等景觀指數是解釋景觀格局特征空間變異的主要指標。

(3)在2個等級上，總邊緣長度、景觀形狀指數、平均斑塊面積、平均形狀指數、平均分維數、平均核心面積指數等是兩個等級水平上影響和控制林區森林景觀格局特征的共同指數。霍城林區內大部分流域森林景觀破碎化程度較高，斑塊面積空間變異較高，斑塊間空間連接程度較低。盡管核心斑塊面積和數量呈一定優勢，但破碎的林地斑塊空間散布與聚集程度較高，景觀空間連接度有待加強。此外，等級水平的改變對森林景觀斑塊大小、邊緣、形狀、空間布局等特征具有明顯的影響。