基于RS和GIS的桓仁县乡村聚落景观格局分析

第 28卷 第 5期 2005年 10月 测绘与空间地理信息 GEOMATICS & SPATIAL INFORMATION TECHNOLOGY Vo .l 28, No. 5 O ct. , 2005 收稿日期: 2004- 12- 30 作者简介:于淼 ( 1977- ),女,汉族,辽宁铁岭人,助教,在读硕士,主要从事景观生态研究和数学教学。 基于 RS和 GIS的桓仁县乡村聚落景观格局分析 于 � 淼, 李建东 (沈阳农业大学, 辽宁 沈阳 110161) 摘 要:运用 RS和 G IS技术以及景观分析方法,以辽东山区桓仁县典型的 6个乡镇乡村聚落为研究对象,选取乡 村聚落斑块数、斑块面积、斑块密度、平均斑块面积、面积加权平均斑块分维数等 5个景观指数,从乡村聚落用地、 规模、形态、分离度 4个方面进行景观空间格局分析。结果明,桓仁县乡村聚落的景观格局具有用地比重偏少, 聚落斑块数量多、平均斑块面积小,聚落规模在 0. 743~ 1. 292hm2之间,形态分布稀疏零散,分形指数小、斑块稳 定,分离度大等特点。说明在这种乡村聚落景观格局作用下,必然导致自然景观缺乏高度连接,聚落周边自然生 态环境受到侵扰和破坏。 关键词:桓仁县;乡村聚落;景观格局; RS&G IS;景观指数 中图分类号: P208� � � 文献标识码: A � � � 文章编号: 1672- 5867( 2005) 05- 0050- 04 Analysis on Landscape Pattern Based on RS and GIS inHuanren County YUM iao, LI Jian�dong ( Shenyang Agr icultural University, Shenyang 110161, Ch ina) Abstrac t: Based on RS and G IS, as w e ll as FRAGSTATS, this paper d iscussed the spatia l d istribution and spatia l struc ture o f land� scape type of rura l settlem ent inH uanren County by selected six v illag es and towns. In th is paper number o f patches, area o f patches, density o f pa tches, M ean patch area, area�w eigh ted m ean patch fracta l dim ens ion are ca lcu la ted in order to ana lyze proportions of rura l res idential land and sca les, fracta l d im ension, distances of rural settlem en ts. The results indicate as follow s. F irstly, there are low er in proportion o f rura l residentia l land and m ore patch num bers and sm alle r on area m ean pa tch o f rura l se ttlem ent than no rm a.l Sec� ond ly, the sca les of rural settlem en t are from 0. 743hm2 to 1. 292hm2. Th ird ly, the spatial distr ibution features of rura l settlem ent is random and sparsity. Fourthly, the fracta l d im ension ind ices are high, the patches are stab ilization and the iso lations be tw een pa tches are b ig. F ina lly, the landscape lacks h ighly con junction and the env ironm ent is disturbed and destroyed. K ey words:H uanren County; rural settlem en t; landscape pa ttern; RS&G IS; landscape index 0� 引 � 言 � � 景观格局一般是指其空间格局,有时又称景观结构, 它是指大小和形状各异的景观要素在空间上的排列形 式。景观格局是景观空间异质性的具体表现,同时也是 各种生态过程在不同尺度上使用的结果 (陈文波、肖笃 宁、李秀珍, 2002)。景观格局及其变化是自然、社会和生 物要素相互作用的结果, 其中,人类活动是引起景观结 构、功能及其变化的主要因子。因此,人类活动尤其是人 类对自然景观的干扰成为当前景观生态学研究的热点, 并在人类活动对景观格局和土地退化的影响等方面取得 了重要成果, 但对人类活动的源地 � � � 居民地的研究尚 不多见。居民地是人类生产和生活的主要场所,其分布 格局是自然、社会、经济以及历史发展的反映,是人类活 动强度的空间表现。对居民地空间分布格局及其影响因 子的分析,可揭示人类活动与景观形成和演化的机制,是 探讨景观格局与人类生态过程相互关系的重要途径 (角 媛梅等, 2003)。 � � 辽东山区作为重要的水源涵养区和水土保持重点 区,镶嵌其间的乡村聚落景观格局是其水土流失和自然 生态环境破坏严重的根源之一,并从而构成山区景观生 态质量整体退化的主要问题。为了防止水土流失,不仅 需要保护和增加以林地为主的自然植被以涵养水源,调 节局地气候,也有必要适度调整其间的乡村聚落景观格 局,减少自然景观格局的破碎化,促进生态环境整体协调 发展。为此,本文通过对桓仁县 6个有代表性乡镇 (普乐 堡、铧尖子、二棚甸子、拐磨子、北甸子和五里甸子等 6个 乡镇 )的乡村聚落景观格局分析,探讨辽东山区实施生态 移民的必要性和可行性,以实现辽东山区生态环境协调 和可持续发展。 1� 数据来源与研究区概况 1. 1� 数据来源 � � 以桓仁县 TM卫片 P118R031与 P117R031、桓仁县地 理空间数据和桓仁县 1�100 000地形图和 1�100 000土地 利用现状图为基础数据,利用遥感图像处理软件 ( E rdas 8. 4) ,经过几何校正、信息分类、分类后处理得到相应比 例尺的地物分布图和居民点分布专题图。利用 A rcview3. 2进行矢量化及叠加分析,得到相应比例尺居民点分布矢 量图,利用景观分析软件 Fragstats3. 1计算景观指数,进一 步对乡村聚落分布格局进行分析。 1. 2� 研究区概况 � � 桓仁满族自治县位于辽宁省东部,总面积 3 547km2, 县辖 6个乡, 9个镇, 1个矿区管委会, 1个国营农场, 1个 街道办事处, 110个村, 1 080个村民自治小组。到 2003 年末全县人口 302 939人,其中农业人口 220 155人。全 县林业用地 283 000 hm2,水域面积 26 500hm2, 耕地面积 26 700hm 2 ,素有 �八山一水一分田 �之称。地貌类型分类: 山地地貌、岩溶地貌和河流地貌,气候类型属于温带大陆 湿润性季风气候。桓仁县有着丰富的林业、水利、矿产和 旅游资源,具有广阔的发展前景。由于桓仁县聚落分散, 与生态环境相协性较差,给该区域水土保持和生态环境 保护带来诸多不利因素。 2� 研究方法 2. 1� 专题图矢量化处理 � � 以桓仁县 6个典型乡镇乡村聚落分布专题图作为底 图,运用 A rcv iew3. 2,建立新的图层,以面为特征类型,采 用多边形目视解译符合制图要求的居民点斑块 (最小 12 个像元 )。解译时要考虑斑块与其周围斑块的关系,尽可 能准确,获得景观类型中居民点斑块的矢量数据与属性 数据。 2. 2� 景观指数计算 � � 利用 Fragstats3. 1将桓仁县 6个典型乡镇乡村聚落专 题矢量图首先转为栅格格式 ( G rid格式 ) ,然后再以 ASC Ⅱ格式输出。将 ASCⅡ文件以写字板方式打开,将其头文 件 ( head) (包含列数、行数、单元格大小和背景值等 )剪 切,并另存为文本文档。编写类型属性文件 ( C lass Proper� ties F ile),格式为 �类型 ID,类型名称,是否参与计算,是 否为背景值 �。 2. 3� 乡村聚落用地比重 PR = RL TL � 100% � � 生态学意义: RL为乡村聚落用地面积,即土地利用矢 量图中乡村聚落斑块面积。TL为研究区面积。 2. 4� 洛伦兹曲线方法 � � 该方法是美国统计学家洛伦兹 (M. Loren z)提出的一 图 1� 属性文件 Fig. 1� A ttribute docum ent 种专门测度社会收入分配不平等程度的方法。洛伦兹曲 线也能反映人口分布均匀与否,其方法是将各地区人口 规模从小到大顺序排列,计算不同规模的累积百分比,然 后以人口规模为横轴,以人口规模的累积百分比为纵轴, 画出轨迹。曲线离从原点出发的对角线越近,表明人口 分布越均匀,反之则越不均匀。 2. 5� 分形方法 � � 分形是 fractal的译名,用以描述那种不规则的、破碎 的、琐屑的几何特征。分数维是分形几何对象复杂性程 度的度量。分维数主要揭示斑块及斑块组成景观的形状 和面积大小之间的相互关系,反映了在一定的观测尺度 上,斑块和景观格局的复杂程度。分维数降低的过程,就 是景观异质性 (即生态学过程和格局在空间分布上的不 均匀性及其复杂性 )降低的过程。同时,分维数也反映了 景观的稳定程度,分维数= 1. 5,表示该景观类型处于一种 类似于布朗运动的随机状态,即最不稳定状态;分维数越 远离 1. 5,景观类型就越稳定。值得注意的是,景观中斑 块的分维是斑块边界的分维,其分维值应在 1~ 2之间,但 若斑块个数比较少, 有时分维值超出上述区间,理论上 讲,没有意义,则该分形法失效。 2. 6� 居民点斑块分离度 F = D S � � 生态学意义:景观分离度是指某一景观中不同斑块 个体空间分布的离散 (或聚集 )程度, D为居民点景观的 距离指数, D = 1 2 PD A , A为景观的总面积; S为居民点景 观的面积指数, S= CA A 。该指标用来分析居民点景观的空 间分布特征及其在研究地区所占的地位。 3� 结果与分析 3. 1� 景观指数分析 3. 1. 1� 景观指数的选取 � � 1)斑块数 Number of patches:包括整个景观的斑块数 量和某单一类型的斑块数量。 51第 5期 于 � 淼等:基于 RS和 G IS的桓仁县乡村聚落景观格局分析 � � 2)斑块类型面积 TotalA rea( hm2 ): CA= �NP i= 1 ai ( 1 10 000 ), ai为第 i斑块的面积, 乘以 1 10 000 是使单位转化为 hm2。 斑块面积是景观格局最基本的空间特征,是计算其他空 间特征指标的基础。斑块大小影响到景观要素内部的能 量、养分以及物种。 � � 3)斑块密度 Patch dens ity( 100hm - 2 ): PD =NP A � 100, 即斑块密度等于某种类型景观斑块总数与整个景观面积 之比。斑块密度小,平均每个斑块的面积大,其破碎化程 度小;反之,斑块密度大,平均每个斑块的面积小,其破碎 化程度大。居民点密度与人口密度有很大的相关性,在 一定程度上反映了人口密度, 因而居民点分布在一定程 度上反映了人口分布 (廖顺宝等, 2003)。 � � 4)平均斑块面积 M ean patch area( hm2 ): AREA _MN= �n i= 1 ai n ( 1 10 000 )。AREA _MN 影响着居民 点的能量、养分的贮量和流量,一般来说,斑块的能量、养 分与面积成正比; AREA _MN 也影响着居民点内物种多样 性,通常物种多样性随斑块面积的增加而增加。 � � 5 )面积加权平均斑块分维数 A rea�weigh ted mean patch fractal dmi ens ion: FRAC _AM = 2 ln ( 0. 25p i ) / ln ( ai ) (ai /�ni= 1ai ), p i为第 i斑块的周长,分维数可作为反映一定 尺度上斑块和景观复杂程度的定量指标。FRAC _AM值 一般处于 1~ 2之间,值越趋近于 1,则斑块的自我相似形 越强,斑块的形状越规则、简单,长短轴比值越小,斑块的 几何形状越趋近于正方形或圆形,表明受干扰的程度越 大。这是因为人类干扰所形成的斑块一般几何形状较为 规则,因而易于出现相似的斑块形状。 FRAC _MN值越 大,则斑块的形状越复杂,长短轴比值越大,斑块的几何 形状越狭长,受到的干扰也越小。 3. 1. 2� 景观指数的计算 � � 在 F ragstats 3. 1的 setting run parameter中设置参数, 然后分别选取斑块、斑块类型和景观 3个层次上的景观指 数,本研究仅选用了斑快类型 ( C lassM etrics)层次的指数, 执行 ( excute)运算,得到结果。 表 1� 六乡镇景观指数 Tab1 Landscape index of six towns 乡镇名称 景观指数与参数 六乡镇 普乐堡镇 铧尖子镇 二棚甸子镇 拐磨子镇 北甸子乡 五里甸子镇 斑块数NP 1 463 323 236 175 316 180 206 斑块面积 CA ( hm2 ) 1 476. 45 329. 49 304. 92 221. 76 298. 17 133. 74 193. 59 斑块密度 PD ( 100hm- 2 ) 99. 089 98. 030 3 77. 397 4 78. 914 1 105. 979 8 134. 589 5 106. 410 5 平均斑块面积 AREA _MN ( hm2 ) 1. 009 2 1. 020 1 1. 292 1. 267 2 0. 943 6 0. 743 0. 939 8 面积加权平均斑块分维数 FRAC _AM 1. 128 3 1. 126 6 1. 131 6 1. 129 5 1. 128 6 1. 107 5 1. 149 9 3. 2� 乡村聚落景观格局分析 � � 农村景观是由不同大小、形状、组合的自然及人文斑 块组成的嵌块体。农村以农业活动为其生产方式,规模 相对较小,人口数量较少,由不同规模的村落构成一定的 空间分布形态。景观生态学方法可以很好地描述乡村聚 落矢量数据斑块的大小、形状及分布情况。 3. 2. 1� 乡村聚落用地比重分析 � � 乡村聚落用地比重可分为 5级,分级值为 S1。当 PR < 0. 001%时, S1 = 1;当 0. 001% �PR < 1%时, S1 = 2;当 0. 001% �PR < 1%时, S2;当 5% �PR < 1%时, S1 = 4;当 PR � 10%时, S1= 5。利用乡村聚落用地比重来反映乡村 聚落的区域差异, 反映不同区域乡村聚落的疏密程度。 田光进等人按照农村居民点用地比重将全国分为乡村聚 落密集区 ( 5% ~ 11% )、较密集区 ( 1. 7% ~ 4% )、较稀疏 区 ( 1% ~ 1. 5% )、稀疏区 ( 0. 2% ~ 0. 7% )和极稀疏区 ( 0. 0019% ~ 0. 05% )。 据表 2分析, 6个乡镇中,仅五里甸子镇居民点用地 比重为 2级,其它 5个乡镇居民点用地比重均为 3级。二 棚甸子镇居民点用地比重最高,约为 2. 22%,原因在于其 境内有铅矿为国家独立工矿,长期矿业开采,形成较高的 城镇化水平,居民点分布较密集;五里甸子镇居民点用地 比重最低,约为 0. 71%,城镇化水平低, 居民点布局较分 散;其他乡、镇居民点用地比重介于 1. 07%与 1. 69%之 间。参考田光进的研究结果,将桓仁县的 6个乡镇划分为 乡村聚落用地较密集区 ( 1. 6% ~ 2. 3% )、较稀疏区 ( 1% ~ 1. 3% )和稀疏区 ( 0. 7% )。分析表明, 二棚甸子、铧尖 子和拐磨子乡村聚落较为密集,北甸子和普乐堡乡村聚 落较为稀疏区,五里甸子属于乡村聚落稀疏区。总体来 看,桓仁县乡村聚落用地比重较小,居民点较为散乱,居 民点分布不够合理。 表 2 桓仁县居民点用地比重分布 Tab. 2 Proport ion of rural residents land in Huanren County 乡、镇 居民点面积 RL ( hm2 ) 各乡、镇土地 面积 TL ( hm2 ) 居民点用地 比重 PR (% ) S 1 六乡镇 1 476. 45 115 900. 18 1. 273 897 935 3 普乐堡镇 329. 49 30 624. 16 1. 075 915 225 3 铧尖子镇 304. 92 18 007. 9 1. 693 256 848 3 二棚甸子镇 221. 76 9 978. 15 2. 222 456 067 3 拐磨子镇 298. 17 17 740. 97 1. 680 686 005 3 北甸子乡 133. 74 12 216. 56 1. 094 743 528 3 五里甸子镇 193. 59 27 332. 44 0. 708 279 246 2 52 � � � � � � � � � � � � � � 测绘与空间地理信息 � � � � � � � � � � � � � � 2005年 3. 2. 2� 乡村聚落规模分析 图 2 6个乡镇洛伦兹曲线 F ig. 2 Lorenz� s curves of six towns� � 生态学上,居民点规模主要通过居民点斑块的平均 面积来反映。分析如图 2所示, 6个乡镇居民点规模介于 0. 743~ 1. 292hm 2之间, 其中最小的为北甸子乡, 仅为 0. 743hm 2 ,规模较小; 普乐堡镇乡村聚落规模 ( 1. 020 1hm 2 )与平均规模 ( 1. 009 2hm2 )较接近;铧尖子镇乡村聚 落规模最大,为 1. 292hm2。约 33. 33%的居民点规模小于 0. 939 8hm 2 ,且洛伦兹曲线较平缓,斜率较小,乡村聚落个 数随规模的增大而增加较慢;约 16. 67%的居民点规模介 于 0. 939 8~ 0. 943 6hm2时, 洛伦兹曲线较陡峭,斜率较 大,居民点个数随规模的增大而增加较快;约 33. 33%的 居民点规模介于 0. 943 6~ 1. 267 2hm2时,洛伦兹曲线又 趋于平缓,斜率较小,居民点个数随规模的增大而增加较 慢;约 16. 67%的居民点规模超过 1. 267 2hm 2,洛伦兹曲 线第二次趋于陡峭,斜率较大,居民点个数随规模的增大 而增加较快。将洛伦兹曲线进行指数函数的拟合,得到 拟合曲线 y = 2. 4232e2. 924 6x,发现当乡村聚落规模增大时, 曲线与从原点出发的对角线的距离逐渐减小,说明聚落 分布随规模的增加而趋于均匀, 但当居民点规模达到 1. 24 hm 2以后,曲线与从原点出发的对角线的距离逐渐开 始增加,说明聚落分布又开始趋于不均匀。 3. 2. 3� 乡村聚落分形分析 � � 表 1分析表明, 6个乡镇乡村聚落面积加权平均斑块 分维数 ( FRAC_AM )较小,均在 1. 15以下,原因在于乡村 聚落属于人工斑块,受人为影响大,形状较规则,近似于 方形,具有一定的稳定性。其中北甸子乡的加权平均分 维数最小,仅为 1. 107 5;五里甸子镇分维数最大,也仅为 1. 149 9。由此看出,六乡镇乡村聚落分维数远小于 1. 5, 说明这些乡镇乡村聚落景观没有处于一种类似于布朗运 动的随机状态,即最不稳定状态,而是处于一种稳定状 态。正是乡村聚落作为人工斑块,分维数小,稳定性大,形 成的斑块不会轻易发生改变。必然造成周边自然斑块景 观异质性增加,分维数比人工斑块大,景观趋于不稳定状 态。 3. 2. 4� 乡村聚落分离度分析 � � 分离度在一定程度上反映了人类活动强度对景观结 构的影响。通常表现为人工景观平均斑块面积小,斑块 个数也少,因而分离度较大,呈分散分布;而自然景观和 半自然景观分离度小,主要是同类斑块距离短或集中连 片。表 3表明,六乡镇乡村聚落分离度均较大,且大小各 不相同,最大值达 4. 79,最小值为 1. 14,两者相差 4倍强。 按乡村聚落分离度大小对 6个乡镇排序:北甸子乡 >五里 甸子镇 >普乐堡镇 >拐磨子镇 >二棚甸子镇 >铧尖子 镇。 6个乡镇中北甸子乡和五里甸子镇分离度较大,均超 过 4. 40,表明居民点很分散;其余乡镇分离度相对较小, 均在 2. 63以下,乡村聚落较分散,其中铧尖子镇分离度最 小,是分散性最小的乡镇。六乡镇乡村聚落分离度大,其 原因是自给自足式农村经济方式下,人们为了获得生存 所需粮食而必须拥有适量的耕地来维持。尤其是在辽宁 东部山区耕地资源较小的区域,为便于耕作,乡村聚落分 散分布是必然的形式。乡村聚落越分散,其分离度越大, 表明单位面积上耕地资源越少。 表 3 桓仁县居民点分离度数据表 Tab3 Iso lations between patches of rural settlem ent in Huanren County 分离度 六乡镇 普乐堡镇 铧尖子镇 二棚甸子镇 拐磨子镇 北甸子乡 五里甸子镇 F 1. 147 640 955 2. 629 299 292 1. 935 881 699 2. 000 732 88 2. 299 356 376 4. 793 897 472 4. 404 722 25 4� 结论与讨论 � � 由于桓仁县地处辽宁东部山区, 受地形、自然资源 量、社会经济条件和人们的生活方式等因素的制约和影 响,尤其受人均耕地占有量的不足,其自给自足经济方式 的束缚和影响较大。桓仁县乡村聚落呈现出用地比重偏 少,聚落斑块数量多、平均斑块面积小,大部分规模较小, 分布稀疏零散,分维数小、斑块稳定,分离度较大的景观 格局。恰恰是乡村聚落这种 �天女散花 �式的景观格局和 其作为人工斑块而具有的稳定性,致使人类对周边自然 环境侵扰面积最大化,也必然不断加剧自然景观斑块的 细碎化,从而造成区域性生态环境的破坏和水土流失的 加剧。如何才能改变桓仁县乃至整个辽东山区现有乡村 聚落景观格局,使其最大限度减少对自然生态环境的侵 扰和破坏,其中途径之一就是在分析乡村聚落景观格局 的基础上,分布骤、分区域、分类别、有重点地缩减人类活 动,也就是将处于人类活动边缘区的迷你型聚落进行迁 移,即生态移民。 参考文献: [ 1 ] � 陈文波, 肖笃宁,李秀珍. 景观空间分析的特征和主要内容 [ J] . 生态学报. 2002, ( 7) : 1135- 1142. 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SDO _GEOME� TRY所存储的图元类尽可能一致; 利用节点抽稀技术压 缩不必要的节点信息;减少复合图元的数量等方式。在数 据导入时优化构件参数,将数据进行分散存储,使得数据 库能够避免每次从数据库中读入多行数据时,对 LOB数 据必须执行扫描操作。根据索引的建立和性能调优, 索 引占用的存储空间量,空间数据的维护频繁度等一些参 图 2� 影响空间数据运算访问速度的因素 F ig. 2� The factors inf luenced the calcu lation and accessing speed of spatial data 数来选择 R _tree或者 Q _tree的空间索引方式。根据实际 需要对回滚段、SORT_AREA _SIZE、临时表空间等系统参 数进行优化。选择合适的空间算子和合理的连接方式来 提高空间数据的访问速度。 4� 结束语 利用 OLE自动化技术,将 Map Info, VB和 Oracle空间 数据库连接起来,构建三层结构,集成开发 G IS应用软件, 既发挥了 VB软件开发平台拥有丰富的控件和第三方的 支持、完全支持 Activex技术、强大的数据库开发等优势, 又发挥了 M apIn fo Professional地理信息系统开发平台具 有的对地理空间数据的查询、分析、输出等方面具有的强 大功能和空间数据库在存储、管理等方面的优点。将三 者结合,既能大大提高程序开发效率,又能使所开发的应 用程序界面友好,功能完善,是今后开发应用型 GIS软件 的主要方法之一。 参考文献: [ 1 ] � 王文,李红,韩胜军.应用桌面 GIS开发方法探讨 [ J ]. 遥感信 息, 1998, ( 3 ). [ 2 ] � Sean D illon, Ch ristopher B eck,等. O racle编程入门经典 [M ] .清 华大学出版社, 2002. [ 3 ] � 潘瑜春,钟耳顺. 基于空间数据库技术的地籍管理系统研究 [ J] . 地理研究, 2003, ( 2 ). [ 4 ] � 三味工作室. MapIn fo6. 0应用开发指南 [M ] . 北京:人民邮电 出版社, 2001. [ 5 ] � 张剑平, 任福继,叶荣华,等. 地理信息系统与 MapIn fo应用 [M ] .北京:科学出版社, 1999. [ 6 ] � 王磊,李团结. VB 5. 0编程 [M ] .北京:科学出版社, 2000. [责任编辑:栾丽杰 ] 54 � � � � � � � � � � � � � � 测绘与空间地理信息 � � � � � � � � � � � � � � 2005年