空間粒度下丘陵山地區農村居民點景觀格局指數變化分析
——以四川省鹽亭縣為例

余忠原 朱 兵

綿陽師范學院，四川 綿陽 621000

0 引言

景觀格局分析方法是指用來研究景觀結構組成特征和空間配置關系的分析方法［1-2］。在研究農村居民點這類景觀時，景觀格局分析法被廣大學者經常使用［3］，如用于研究農村居民點的土地利用現狀、農村居民點布局優化等。但是，由于已有的并且被廣泛使用的景觀指數計算軟件（如Fragstats）在被使用時，大多學者是以TIFF（Tag Image File Format）格式的柵格圖像數據作為軟件支持使用的數據源，而柵格數據是由特定的像元大小組成的，利用其進行景觀格局指數計算，容易造成“可塑性面積單元問題”［4-5］，也就是隨著基本的面積單元大小的不同，景觀指數的分析結果也會產生變化。鑒于此，對于如何理解不同粒度的景觀格局指數變化的問題，國內有大量的學者展開了深入探討。例如，耿煥俠等［6］以江蘇省豐縣比例尺為1∶10 000 的第二次國土調查數據為數據源基礎，提取出農村居民點后，以10 m 為步長，分析了10～200 m 20 個研究尺度下特定的8 個景觀類型變化。同樣的，冀亞哲等［7］則根據江蘇省鎮江市比例尺為1∶10 000的現行土地利用狀況信息，分析了4 種不同研究規模下城鎮化景觀結構的空間細分反應。綜合前人研究結果可以看出，首先大部分研究地區的數據質量不高，且比例尺相對較小，通常低于1∶10 000［8-13］；其次，雖然個別學者對不同粒度下農村居民點的景觀格局指數進行了研究，但大多關注點是景觀格局指數在土地利用中的粒度效果分析［14-19］。由于每個具體的研究地點和景觀種類都有其獨特的景觀特性，因而當空間粒度變化時所受的影響也會不同，所以探究出的尺度不能夠確定可以適用于所有研究區域和景觀類型，只能針對特定類型的研究區域、特定的景觀類型探究其適宜粒度。

位于川中丘陵山地區的四川省綿陽市鹽亭縣是全國綠化先進縣，其農村居民點景觀可以代表我國西南丘陵山地區農村居民點的景觀。因此，筆者選擇該縣作為研究對象，將鹽亭縣農村居民點矢量數據按照20 種不同的空間粒度分別轉化為柵格圖［20］，從規模特征、形狀特征、集聚特征中選取8 個景觀格局指數，分別計算不同空間粒度下的8 個景觀指數值；分析當研究區域為丘陵山地區、研究尺度為縣域、研究對象為農村居民點時，采用景觀格局分析法可以選取的最佳粒度空間范圍及最佳粒度。

1 研究區域概況

鹽亭縣位于四川盆地中部偏北，地處嘉陵江、涪江分水嶺上；行政區域面積約1 645.45 km2，轄區14 個鎮、2 個鄉、1 個街道。2021 年，鹽亭縣總人口約52.5萬人，地區總產值達到191.32億元，城市居民人均年收入39 680 元，農村居民人均年收入20 323 元。鹽亭縣以低山丘陵地貌為主，地勢由北面向南面傾斜（北高南低），海拔350～650 m，境內河流以梓江為主，水系分布呈羽毛狀。

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源

此次研究擬用到的數據主要來源于鹽亭縣自然資源和規劃局。土地利用現狀圖（比例尺精度為1∶5 000）來自鹽亭縣第三次土地利用調查數據，社會經濟現狀數據來自《鹽亭統計年鑒2021》。借助ArcGIS 10.7 軟件，從土地利用現狀數據中提取鹽亭縣農村居民點數據，從數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數據中提取出相關地形數據。

2.2 研究方法

為更精準且詳細地監測不同空間粒度對景觀格局指數的影響，將鹽亭縣農村居民點矢量數據轉化為柵格數據后，以5 m 的變化間隔生成0～100 m 內20種不同空間粒度的景觀數據。結合以往學者的研究及鹽亭縣的區域特點［21-27］，從景觀規模特征中選取斑塊面積（CA）、斑塊數量（NP）、斑塊密度（PD），從景觀形狀特征中選取平均形狀指數（MSI）、平均分維數（MPFD），從景觀集聚特征中選取聚合度指數（AI）、整體性指數（COHESION）、平均最鄰近距離指數（MNN），共計8個常用景觀指數，借助Fragstats 4.2探討不同空間粒度下丘陵山地區農村居民點的景觀格局指數差異。

3 不同空間粒度下農村居民點景觀格局指數變化分析

3.1 鹽亭縣農村居民點用地特征

根據丘陵山地區的區域特點，借助ArcGIS將鹽亭縣的農村居民點按斑塊面積大小劃分為0～0.33、0.33～0.67、0.67～1.00、1.00～1.33 hm2和大于1.33 hm2共5類。分析可知，2020 年鹽亭縣農村居民點用地總規模84.85 km2，占土地總面積的5.16%，人均占地面積為228.87 m2，超出四川省農村宅基地丘陵地區最高標準（40 m2/人）的上限。由表1可知，鹽亭縣的農村居民點斑塊面積在0～0.67 hm2的占比為22.89%，然而斑塊的數量卻占了58.08%。這意味著鹽亭縣大多數農村居民點的斑塊面積不超過0.67 hm2，呈現出明顯“小集聚、大分散、小規模、大密度”的布局特征。

3.2 規模特征指數

CA用來表示農村居民點的斑塊總面積，由圖1 可知，空間粒度由5 m 增加至100 m 過程中，CA會經歷4個變化階段：5～35 m，CA呈穩定趨勢；35～65 m，CA增長速度逐漸減緩；65～85 m，CA增長速度提高；85～100 m，CA又恢復到了平穩狀態。經SPSS 2.2 分析可得，鹽亭縣CA標準偏差（0.38）較小。

圖1 鹽亭縣農村居民點景觀CA變化圖

總體來說，空間粒度的改變對景觀面積的影響較小，且景觀面積的變化范圍保持在-1.78～1.60 km2，農村居民點CA受空間粒度的影響較小。

NP在景觀級別上等于景觀中所有的斑塊總數；PD反映單位面積上的斑塊數量，體現了某一景觀類型在景觀格局中的優勢度，PD越大，說明該類型在區域中分布數量越多，相互之間的影響力越大［28］。由圖2和圖3 可知，當空間粒度逐漸增大時，NP與PD變化相似，近似呈指數型下降趨勢，R2幾乎相同，分別為0.982 6和0.982 5。根據景觀指數的變化情況，可將粒度范圍劃分為3 個階段：第一個階段是5～15 m，NP和PD變化率絕大部分均低于5%，處于緩慢穩定的降低階段；第二個階段是15～60 m，NP和PD變化率均大于10%，處于快速降低階段；第三個階段是60～100 m，為波動減少階段。隨著粒度空間的持續提升，NP從5 m 處的51 648 個逐步減少到100 m 處僅有的5 747 個，其比例下降了88.88%；PD也同樣呈遞減趨勢，從5 m 時的608.70 個/km2減少至100 m 時的68.00 個/km2，占比下降了88.83%。相對而言，NP和PD的變動比CA更為顯著，受到空間粒度變動的沖擊更大。隨著空間粒度的增加，NP與PD減少，鹽亭縣農村居民點呈現出的景觀優勢度降低。

圖3 鹽亭縣農村居民點景觀PD變化圖

3.3 形狀特征指數

MSI可反映研究區域內圖斑規則程度，MSI值越接近1，則意味著斑塊形狀越接近正方形，斑塊越規則；MPFD表示斑塊形狀的不規則程度，MPFD值越接近1.0 則表明斑塊形狀越簡單，MPFD值越接近2.0則表明斑塊形狀越復雜［29］，MPFD值等于1.5 則判定斑塊空間結構最不穩定。由圖4 和圖5 可知，MSI與MPFD呈現出指數函數下降趨勢，隨著粒度增加，數值不斷地向1 趨近。根據景觀變化情況可以將MSI分為3 個階段，第一階段為粒度5～25 m 的快速降低階段，這一階段MSI值變化率在2%以上；第二階段為粒度25～45 m的低速降低階段，這一階段MSI值的變化率在1%以上；第三階段為45～100 m 的穩定波動階段，這一階段MSI值雖然波動較大，但整體都低于1%，并且MSI值區間為［1.06，1.10］，此階段的MSI值變化已經不影響景觀形狀特征的判定。而與MSI不同，MPFD雖然也是隨著粒度空間由5～100 m 的過程中，變化程度不斷趨緩，但整體變化率均低于1.1%，且數值區間為［1.01，1.08］，粒度空間的變化不影響景觀形狀的判定。

圖4 鹽亭縣農村居民點景觀MSI變化圖

圖5 鹽亭縣農村居民點景觀MPFD變化圖

3.4 集聚特征指數

AI反映的是景觀類型斑塊間的連通性，AI取值越小，表明斑塊的聚集程度越低。COHESION代表了景觀的連貫程度，COHESION值越高則意味著景觀斑塊分布更為密集。由圖6和圖7可知，隨著空間粒度的不斷增大，AI和COHESION均呈冪函數下降，R2分別為0.927和0.899；隨著粒度空間的增大，AI與COHESION兩個集聚指數影響強度不斷降低。根據指數變化情況，可以把粒度空間分為3 個階段：第一階段是粒度在5～45 m 的高速降低階段，這一階段AI值的變化率大于9.86%，COHESION值的變化率大于8.16%；第二階段為45～80 m 的低速降低階段，這一階段AI與COHESION值變化率大于5%；第三階段為粒度80～100 m 的波動降低階段，這一階段AI與COHESION值變化率波動較大，但是數值區間較小，此時的粒度空間變化對集聚特征的影響不大。AI和COHESION值分別從11.72和26.77降到10.70和24.30。

圖6 鹽亭縣農村居民點景觀AI變化圖

MNN反映的是景觀的空間格局，MNN值越大，斑塊間相隔距離越遠，景觀越分散。由圖8 可知，隨著粒度空間的增大，MNN迅速增大，農村居民點景觀越來越分散。根據變化情況，可以把粒度空間分為兩個階段：第一階段為粒度5～60 m 的快速增大階段，這一階段MNN值變化率大于10%（除粒度55 m），MNN值由36.77 迅速增大到170.93；第二階段為粒度60～100 m的慢速增大階段，這一階段MNN變化率波動不大且增長速度在5%之上。3 個景觀聚集特征指數的數值變化反映出，隨著空間粒度的增大，其他景觀類型轉移至農村居民點景觀的頻率增加，而農村居民點各個區域之間的連接程度則逐漸減弱，這些區域之間斑塊的分布也變得更加散亂。

圖8 鹽亭縣農村居民點景觀MNN變化圖

4 較適宜空間粒度的選定

總結歸納可知，以5 m 為步長劃分20 個粒度空間，在粒度由5 m 增大到100 m 的過程中，景觀格局指數的變化情況可以劃分為3 種：第一種是以CA和MPFD為代表的穩定型，在空間粒度的變化過程中這類景觀格局指數變化對景觀分析結果的影響較小；第二種是以MNN為代表的上升型，這類景觀格局指數隨著粒度空間的不斷增大而不斷上升；第三種是以NP、PD、MSI、AI及COHESION為代表的減少型，這類景觀格局指數隨著粒度空間的不斷增大而不斷減小。變異系數即CV值，主要用來表示不同樣本數據的離散程度，CV值越大，離散程度越高。選取的8 個景觀指數的CV值如表2 所示，CV值較大的是AI、PD、NP，CV值較小的是CA。

表2 粒度空間變化下鹽亭縣景觀指數CV值

確定適宜的粒度空間范圍，必須要全面顧及前文探討的景觀格局指數變化的拐點特征。對于類似CA、MPFD的穩定類型的景觀格局指數，研究農村居民點景觀格局特征時不用刻意考慮空間粒度大小，任何粒度都可以使用這些景觀格局指數；類似MNN的上升類型和類似NP、PD、MSI的減少型景觀格局指數受粒度空間變化的影響較為明顯，所以應首先確定適宜尺度區間，然后在所有的適宜尺度區間內選擇一個適宜空間粒度范圍。綜合考慮各景觀格局指數適宜尺度區間及最終軟件Fragstats實際計算工作量（見表3），當研究目的是景觀格局分析，研究對象是丘陵山地區的農村居民點時，選擇25～45 m 的粒度空間是比較合適的，而最優的粒度為45 m。

表3 景觀格局指數適宜尺度區間及適宜粒度范圍

5 結論與不足

在數據源為鹽亭縣第三次土地調查數據（比例尺為1∶5 000）的基礎上，對不同空間粒度的丘陵山區農村居民點3 種類型的景觀格局指數進行了深入分析，并得出了以下結論。

一是丘陵山地區農村居民點大多都呈現“小規模、大分散”的分布特征，在對農村居民點進行景觀格局分析時，粒度空間的選取尤為重要。選取的粒度空間不同，丘陵山地區農村居民點的景觀特征不盡相同，農村居民點的景觀規模特征、景觀形狀特征及景觀集聚特征等都會發生特定的變化，也就是說，不同的景觀格局指數受空間粒度的影響各異。

二是當空間粒度逐步增加時，在景觀規模特征中，斑塊面積指數變化并不顯著，斑塊數量指數及斑塊密度指數以指數函數形式逐漸減少；景觀形狀特征里平均斑塊分維數指數總體趨于穩定指數，雖然呈指數函數下降，但下降緩慢；景觀形狀特征里的平均斑塊形狀指數和景觀集聚特征里的聚合度指數、整體性指數均呈現冪函數下降趨勢，而平均最鄰近指數的變化趨勢按指數函數呈現出增長趨勢。此外，隨著空間粒度的增大，景觀斑塊的形狀愈發規則，斑塊間連接程度降低，離散性增加。

三是當研究目的是景觀格局分析，研究對象是丘陵山地區的農村居民點時，選擇25～45 m 的粒度空間是比較合適的，而最優的粒度為45 m。

此次研究深入探討丘陵山地區農村居民點景觀的粒度空間變化對不同景觀格局指數的影響，可為今后研究此類型地區農村居民點景觀格局的學者選取空間粒度時提供參考和借鑒依據。同時，此次研究還有很多不足，一是選取的景觀格局指數只是3 個景觀特征，無法保證最終確定的最佳粒度適用于其他景觀格局研究；二是沒有進一步探討地區不同（平原地區、高原地區等）的農村居民點景觀格局指數受粒度空間變化的影響，只單獨探討了丘陵山地區一個研究區域農村居民點的景觀格局指數，研究深度還不夠。下一步可以選取多個類型的農村居民點、更多的景觀格局指數進行橫向對比研究，使研究更加科學。