景观指数

*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,11.2景观指数,景观指数的计算,景观指数的含义,景观指数的尺度效应,景观指数在识别等级结构和特征尺度上的敏感性和有效性,景观指数法仅适用于分析基于,斑块镶嵌体,的,类型数据,（如植被类型、土地利用类型或土壤类型）的,种类组成,和,空间构型,，而不能用于直接分析连续的数值型数据（如碳-水循环变量）的变化趋势。,景观组成,指景观中的斑块种类及其多度，仅用于反映景观水平的非空间结构特征，具体包括斑块类型及其数量、每一个斑块类型的面积比例，以及整个景观的丰富度、均匀度、优势度和多样性等。,景观空间构型,是斑块、斑块类型或景观水平的空间特征和排列、位置、走向（或各向异性）等，包括3个方面：,单个斑块的空间特征；单个斑块特征在斑块类型和景观水平上的汇总和统计分析；斑块类型和景观水平上的斑块或斑块类型的空间关系以及它们的统计分析。,通常可在3个水平上计算景观指数：斑块水平、斑块类型水平和景观水平。,水平,主要识别的格局特征,例子,斑块,单个斑块的空间特征及其所处的背景,（1）斑块的大小：许多脊椎动物需要一定大小的适宜生境斑块,（2）斑块的核心区的大小：一些物种的存在和分布与斑块边缘的比例呈反比，而与斑块内部的比例呈密切的正相关关系,斑块类型,单个斑块类型的数量和空间构型,某个斑块与同类其他斑块之间的邻近度/隔离度和对比度可决定该斑块是否可被某个生物体占据和利用,景观,整个景观镶嵌体的空间格局（组成和构型）,景观斑块的多样性：对研究野生生物的多样性十分有用,三个不同水平上的景观指数,景观指数的计算,在计算景观指数之前，首先,要对景观镶嵌体中的斑块类型和斑块进行定义,，还要,定义类型数据的格式,（栅格数据或矢量数据）,和尺度,（包括空间粒度和幅度）。,注：,斑块的定义既取决于一个斑块内部的变异程度、可识别的最小斑块大小、景观的空间粒度和幅度，也取决于与所研究生态学问题相关的系统要素，包括非生物要素和动植物要素，以及人类活动相关的产物。,对一个开放景观，其空间幅度必须大于所研究生物体的活动范围或生态过程的发生范围，否则所计算的景观指数易受边界效应的影响。,FRAGSTATS,FRAGSTATS是一个计算机软件程序，用于计算分类地图模式（ categorical map patterns ）的多种景观格局指数。,是一个用于量化景观结构的空间格局分析程序。,3.4之后的版本支持ArcGIS10.0,FRAGSTATS,数据格式,输入数据要求：,所有输入栅格必须是被标记为非零的整数值，每个栅格均赋予整数值，以表示某个斑块类型。,栅格的大小应小于最小斑块的最窄边的长度的1/2。,所有的输入栅格是由单位为m的单元组成。,输入文件,It accepts raster,images,in a variety of formats,including:,后六种数据格式支持通过,GDAL,库读取,输入文件ArcGrid，要求：,使用ArcGrid时必须安装有ArcView的空间分析模块或者是ArcGIS，而且必须能接收基于ArcGrid Bin32或者ArcGIS Bin特定的.dll文件。,对不同的操作系统，设置环境变量的路径不尽相同。Windows 2000/XP系统中，设置我的电脑右键属性高级环境变量系统变量，新建名为path（已有的话就选择编辑）。对于Win7系统，路径为：控制面板系统和安全系统更改设置高级环境变量，在“系统变量”或“Administrator的用户变量”中增加或编辑Path变量。例如，若用ArcGIS软件，则需要增加路径C:Program FilesARCGISBIN，以获取aigridio.dll文件。,确保使用的ArcGrids存放路径中不存在空格或者汉字。,例如，将所用数据存放在如下路径中C:Documents and SettingFragstatsTutorial_1reg78b，在读取数据时就会出错。因此，我们可以将其存放在D:FragstatsTutorial_1reg78b,。,输出文件,Fragstats可计算3种尺度：镶嵌图中的每个斑块；镶嵌图中的每个斑块类型；整个景观镶嵌图。,输出4个文件，扩展名为.patch、.class、.land和.adj。所有创建的文件都是ASCII文件和可视文件，被格式化后易输入电子数据表和数据库管理。,扩展,名为.patch的文件：属于斑块尺度，景观中每个斑块包含一个记录，列为选中的斑块尺度。,扩展名为.class的文件：属于类型尺度，景观中的每个类包含一个记录，列为选择的类尺度。,扩展名为.land的文件：属于景观尺度，包含一个记录，列为选择的景观尺度。,扩展名为.adj的文件：包含相邻类的矩阵；文件包含一个简单的表头，还有一行是景观中的每一类；它以二维矩阵的形式给出。,景观指数的类型,面积和边缘指数,形状指数,核心面积指数,对比度指数,隔离/邻近指数,聚集/分散指数,连接度指数,多样性指数,1.面积和边缘指数,指数类型,计算水平,简称（全称）,面积/密度/边缘指数,斑块水平,AREA(斑块面积，hm,2,) PERIM(斑块周长，m),GYRATE(旋转半径，m),斑块类型或景观水平,CA(斑块类型的总面积，hm,2,) TA(景观的总面积，hm,2,),NP(斑块数) PD(斑块密度，个数/100hm,2,),TE(总边缘长度，m) ED(边缘密度，m/hm,2,),LPI(最大斑块指数，%) PLAND(在景观中的面积百分比，%),斑块面积,(AREA),和斑块类型总面积,（CA）,均是最简单，也是最常用，可能也是最有用的指数。,2.形状指数,形状指数可从不同的角度强调斑块的形状。,1）强调斑块形状的复杂程度,可反映斑块形状复杂程度的指数包括斑块水平上的,PARA,、,FRAC,和,SHAPE,以及斑块类型和景观水平上的,LSI,和,PAFRAC,。,2）强调斑块的延长性,斑块水平的指数,CIRCLE,（相关外接圆）可从斑块的延长性方面反映斑块的形状。,3）强调斑块内部栅格的连接或邻接或紧凑,斑块水平的指数,CONTING（邻近指数）,可从斑块内部栅格之间的连接或邻接或紧凑方面反映斑块边界的构型，由此反映斑块的形状。,形状指数,1）强调斑块形状的复杂程度,A.PARA（周长-面积比例）,式中， 和 分别表示第 类斑块及其中的第 个斑块，下同； 和 为斑块 的周长（m）和面积（m,2,），下同。,PARA只是用斑块的周长与面积的比值简单地表示斑块的形状，而未用一个标准形状对其标准化，因此其,对斑块面积具有强烈的依赖性,，并不能很好地反映斑块形状的复杂程度。,B.SHAPE,(形状指数),是通过计算某一斑块形状与相同面积的圆或正方形之间的偏离程度来测量其形状复杂程度的。,（以圆为参照几何形状）,（以正方形为参照几何形状）,C.LSI（景观形状指数）,SHAPE针对的是单个斑块，而LSI针对的是某个类型或整个景观的所有斑块。LSI不仅包含单个斑块的形状信息，也包含不同斑块之间的分散或聚集信息。,式中，,m,为斑块类型数；,A,为景观总面积（m,2,）； 为类型 和 的斑块之间相邻的总边缘长度（m）。,D.FRAC,和,PAFRAC,分维或分维数可以直观地理解为不规则几何形状的非整数维数。FRAC是斑块水平的分维数，而PAFRAC是斑块类型水平或景观水平上的分维数。,式中， 为比例常数，以 的定义和栅格的形状不同而取不同的值：,若用斑块一边的长度表示 ，则 =1；若用实际周长表示 ，则,=4（栅格为正方形），或 =1.26（栅格为圆形），或 =3.72（栅格为六边形）。,PAFRAC是通过建立一系列斑块的面积与周长之间的回归关系获得的，即,（1）,（2）,式（2）中b,1,为用最小二乘法估计的式（1）的回归系数2/D，即直线的斜率。,在使用,PAFRAC,和,FRAC,时，有几点需要特别注意：,（1）由于是通过回归方程求解获得，PAFRAC的计算是有条件的，特别是对样本数有一定的要求。只有在斑块较大（如大于20时）时，PAFRAC才是可靠和有用的。,（2）除非所有斑块都较大（大于100倍的空间粒度），否则空间粒度的大小将使回归分析产生偏差。,（3）同为分维数，在计算PAFRAC和FRAC时基于周长和面积之间的关系式是不同的，虽并无本质区别，但在比较不同斑块类型或不同景观的PAFRAC时，应基于相同的关系式。,（4）一般地，PAFRAC和FRAC的理论范围均在1.0-2.0之间，与一般的Hausdoff维数不能直接进行比较。,（5）一个FRAC或PAFRAC都只可用于一定的斑块大小范围（尺度域）内。,形状指数,2）强调斑块的延长性,斑块水平指数,CIRCLE,可从斑块的延长性方面反映斑块的形状。,式中， 是斑块 的最小外接圆的面积，是用几何学方法计算的圆的真实面积。其中，直径是斑块最长轴上两个栅格最外侧边与边之间的最大距离，而不是栅格中心到中心的距离。,CIRCLE,在0-1之间变化。,CIRCLE,越大，表明斑块的延长性越强。,形状指数,3）强调斑块内部栅格的连接或邻接或紧凑,式中， 为组成斑块 的栅格总数（ ）； 为斑块 中栅格 的邻域值； 为一个3x3栅格模板中各值之和。,3.核心面积指数,一个斑块核心面积的大小（,CORE,）与该斑块的形状，面积和边缘深度都有关。,4.对比度指数,斑块水平上的边缘对比度指数,ECON,可反映相邻斑块之间的对比度，即,式中， 为斑块 与类型 的斑块之间相邻的总边缘长度（m）； 为斑块 的实际周长； 为类型 与 的斑块之间的边缘对比度权重（ ），需要用户事先定义，并以固定格式的文件（如edg_wgt.csv）输入。,对比度指数,斑块类型和景观水平上的边缘对比度指数,TECI是在ECON的基础上扩展而成的，即,式中， 为类型 与 的斑块之间相邻的总边缘长度（m）； 为景观中所有斑块之间相邻的总边缘长度（m），其计算均不论边缘带是否存在。,对比度指数,斑块类型和景观水平上的另一边缘对比度指数是对比度加权的边缘密度,CWED，即,CWED与边缘密度ED的差别在于，CWED包含了边缘对比度权重，区分不同类型斑块之间的边缘对比度，而ED实际上假设所有类型斑块之间的边缘对比度权重均为最大（1）。,5.隔离/邻近指数,用距离来反映某斑块与其他同类斑块之间的隔离或邻近状况：,欧几里得最近邻距离,功能最近邻距离,考虑到隔离或邻近还与其他斑块的大小有关：,相邻指数,(基于搜索范围内的所有同类斑块),相似性指数,（基于搜索范围内的所有斑块）,PROX,和,SIMI,需要用户事先定义一个以斑块 为中心的搜索半径。,6.聚集/分散指数,1）基于同类相邻栅格指数,2）基于不同类型斑块之间分散的指数,3）同时基于同类相邻栅格和不同类型斑块之间分散的指数,4）基于累积斑块面积分布的指数,聚集/分散指数,1）基于同类相邻栅格指数,式中， 为斑块类型数； 为斑块类型 同类相邻的栅格边数； 为斑块类型 和 （包括 ）相邻的栅格边数； 为斑块类型 栅格的总边数。因此，,PLADJ,表示斑块类型 中同类相邻栅格边数的比例。,PLADJ,为0-100。由面积较大、形状规则、分布连续或聚集的斑块所构成的斑块类型或景观，PLADJ较大，同时斑块内部的连接度较高，而破碎度较低。,同类相邻比例,聚集度指数,（ ，且 ）,（ ，且 ）,（ ）,CLUMPY为-11。当CLUMPY=0时，斑块在空间上呈随机分布；当CLUMPY=-1时，分布最分散；当CLUMPY=1时，分布最聚集。,聚合指数,式中， 为斑块类型 达最大聚集时同类相邻栅格的边数，出现于所有同类栅格聚集为一个紧凑斑块（不一定是正方形）时。,与,PLADJ类似，由形状规则、分布连续或聚集的斑块所构成的斑块类型或景观，AI较大，同时斑块内部的连接度较高，而破碎度较低。与PLADJ不同，AI与斑块类型的面积无关，对面积很小（仅由单个栅格构成的斑块类型除外），但分布聚集的斑块类型，AI仍然较大。,聚集/分散指数,2）基于不同类型斑块之间分散的指数,分散和并列指数,式中， 为斑块类型 与 相邻的总边缘长度（m）（非相邻边数）。,ILI为斑块类型 在其他斑块类型中的平均分散占最大可能分散的比例，取值范围为0100。当ILI=0时，斑块类型 的聚集性最强；当ILI=100时，它最均匀地分布于所有其他斑块类型中。,聚集/分散指数,3）同时基于同类相邻栅格和不同类型斑块之间分散的指数,景观水平的聚集度指数,CONTAG可从同类栅格相邻或分散的程度及在其他斑块类型中分散的程度，综合识别景观斑块的聚集状况。CONTAG既对景观的组成（即斑块类型的数量及其相对比例）敏感，也受斑块空间分布和排列的影响。,聚集/分散指数,景观聚集度指数计算过程中的一些条件限制,景观指数,PLADJ,CLUMPY,AI,IJI,CONTAG,栅格相邻的单数/双数原则,双数,双数,单数,双数,对内部和外部同类相邻栅格边数的统计,统计内部和外部,仅统计内部,仅统计内部,统计内部和外部,对背景/边界的考虑,考虑,考虑,不考虑,不考虑,不考虑,对边缘带的考虑（有边缘带情况下）,考虑,不考虑,不考虑,考虑,考虑,聚集/分散指数,4）基于累积斑块面积分布的指数,分离指数,有效网格大小,景观分离指数,式中，,A,为整个景观的面积（包括内部背景）（m,2,）。,4）基于累积斑块面积分布的指数,这类指数均从斑块大小或数量的多少识别斑块被分解或破碎的程度，与斑块的形状、位置和空间配置无关。,SPLI,与,MESH,呈完全负相关关系，,DIVISION,与,MESH在定义和单位上不同，但在数学表达上相似，呈极显著负相关关系。,注：用以上侧重点不同的指数比较同一景观不同斑块类型的聚集度时，可能会有不同的结果，因此 ，比较侧重点不同的指数值需十分慎重。,7.连接度指数,景观连接度包括结构连接度和功能连接度。,结构连接度指数，定量景观中生物体的生境连接状况，即,功能连接度指数,8.多样性指数,景观多样性指数是景观水平上反映景观结构组成的指数，与斑块的空间构型无关。主要包括斑块丰富度指数、多样性指数,H,和均匀度指数,E,。,H反映斑块类型的多样性，包括SHDI、SIDI和MSIDI。H的大小取决于斑块类型的多少（即丰富度）和各斑块类型在面积上的均匀程度。,SHDI的应用最为广泛，基于信息论，表示所有斑块类型的平均信息量为,式中， 为斑块类型 在景观中出现的概率，通常以该类型占整个景观的面积比例来估算。,SHDI,对稀有类型的有无很敏感；,SIDI,对稀有类型不敏感。,SIDI,的应用也很广泛，,MSIDI,是对,SIDI,的修正，,多样性指数,均匀度指数E反映景观中各斑块类型在面积上的均匀程度。通常以,H,与,H,max,的比来表示，包括分别基于,SHDI,、,SIDI,和,MSIDI,的,SHEI,、,SIEI,和,MSIEI,。,显然，,E,1。当,H,趋于,Hmax,时，景观各类斑块面积比例趋于均等，,E,趋于最大。,另外，由于均匀度与优势度,D,有互补关系，,E,也常用,D,来表示，即,E=1-D,景观指数的尺度效应,在较宽的尺度范围内，选择类型更多的指数，比较不同景观及不同斑块类型的景观指数的尺度效应，综合理解景观指数的尺度依赖性，并建立景观指数推绎的一般关系式，是景观指数在尺度问题研究上的主要方向。,景观指数尺度图在不同景观中存在变异问题，解决这一问题不仅依赖于对更多实际景观的研究，更依赖于对一系列已知格局特征的中性模拟景观的研究，以便在排除具体过程的情况下提取出指数的纯粹的景观特征。,一些景观指数随尺度的变化表现出一定的规律性，若它们在不同景观类型之间或景观之间表现较为稳定，则可用于尺度推绎。还有一些景观指数虽尺度增大呈阶梯变化形式，或非常不规律，这时尺度推绎较难，需考虑不同尺度上的特殊信息。,景观指数在识别等级结构和特征尺度上的敏感性和有效性,试验结果表明，大多数指数的尺度图可为识别复杂景观的等级结构特征提供有价值的信息。,景观格局指数可以用来定量地描述和监测景观的结构特征随时间的变化,描述对象：,美国亚利桑那州凤凰城地区,19121995,年间的景观格局变化。,选取的景观指数：,斑块密度、边界密度、平均斑块面积、最大斑块面积、景观形状指数、正方像元指数、双对数分维数、景观聚集度指数、,Shannon-Weaver,多样性指数、斑块丰富度。,景观指数还可以用来描述和辨别景观中生态学特征的空间梯度,描述对象：,通过某地区,1995,年的土地利用图，来定量描述该地区城市化强度的空间梯度。,选取的景观指数：,斑块密度、分维数、聚集度、平均斑块面积、周长与面积比。,