全 文 ：应 用 生 态 学 报 年 月 第 卷 第 期
, ,
城 郊 景 观 动 态 模 型 研 究
’
—以沈阳市东陵区为例
谢志霄
肖笃宁
中国林业科学院资源信息研究所 , 北京 。。
中国科学院沈阳应用生态研究所 , 沈阳
【摘要 】 基于渗透理论 、 马尔柯夫过程理论 , 采用中性模型方法 , 建立了 个不 同的城郊
景观动态模型 , 模型 中分别介入不同 自然因子和决策因子 利用模型对研究区景观进行了
动态变化模拟 对模拟结果进行 了评价 , 评价方法与指标包括 多分辨率拟合分析
最近邻概率 斑块大小和数目 结果发现 , 综合介入决策因素和 自然因子的模型具有最
好的效果
关键词 城郊景观 动态模型 中性模型 渗透理论
‘ 尸 ‘ 刀 ‘ , 。
妙 砂 ,
,
, ‘ 。 舒 ,
, , ,圳 , 一 月户户 , ,
·
,
, ,
,
,
,
邓
, , ,
引 言
景观生态学的核心在于强调大空间尺
度上生态系统格局 的生态影响 ’。 景观动
态研究是其 中的重要方面 , 由于研究的尺
度较大 , 难于或不能在理想的尺度下进行
实验研究 , 一般都需借助模型‘’
,
北美景
观生态学家在这方面做 了很多工作 , 已建
立了许多不同类型 的景观动态模型 , 形成
比较完整的体系 “ ’ 依据信息完备
程度和建模手段 , 将现有的模型分类为随
机模型 、过程模型和规则模型 , 是一种恰当
的分类 在土地利用动态研究中 , 一般采用
随机模型 , 最 典 型 的是 空 间转 移 概 率模
型‘’
· ’“ · ’‘ 但有一些模型存在 明显的缺陷 ,
即它们都没有考虑 自然本底
、 经济区位条
件以及人为决策因素的作用 , 因而模型的
现实性较差 , 模拟过程与现实景观 的动态
过程有明显的不同 鉴于此 , 本文在这方面
作了一些尝试
研究地区概况与研究方法
研究地 区概况
研究地 区 为沈阳市东陵区 , 位于 ‘ ’
, , ‘ , , , 总 面 积
, 该 区类属 温带湿润季风气候 区 地貌类
, 国家 自然科学基金资助项 目
年 月 日收至】, 年 月 日改回
应 用 生 态 学 报 卷
型包括冲积平原 、 剥蚀丘陵和 阶地 区 内分布有
棕壤 、 暗潮土 、水稻土 、 风沙土
由于地处沈 阳市东郊 , 开发历史较长 , 除剥
蚀丘陵残存一些天然植被外 , 大部分 已开垦为农
田或转化为居 民点 、 工矿交通用地 , 集中体现 了
城市化过程中郊区景观格局的动态过程
建模方法和过程
研究资料及时空尺度 利用的基本资料主
要包括 个时期 、 、 的土地利用现
状图 、地貌图屯土壤图 , 图件比例尺为 。。。,
并参阅有关文献资料
研究的时间范围共 , 分 个时段
年 , 一 年
、
采用开窗 口 方法进行研究 图 , 窗 口 选取
原则是其 内景观类型齐全 , 有代表性 图窗为
正方形窗 口 , 栅格化为 矩 阵 ,
每个单元实地 只 , 研 究面积 为
模型 先不考虑 自然条件 、 决策因子 , 只
依据渗透理论建立包含渗透效应或近邻影 响的
转移概率模型 , 以验证模型空 间定位的可能性
模型 中 , 假设土地利用矩阵中某一点与周 围
的 个邻接点之间在空间上相互作用 , 以渗透理
论术语表示 , 该点与周 围的 个邻接点之间不存
在阻塞 , 可视为一种立地渗透 因此 , 其中一点的
土地利用状态转移一方面受转移概率影响 , 另一
方面与 个邻接点的状态有关 , 是二者的函数
模型 中建立了一个反映相邻点影响相对重
要程度的指数 —转移指数 以 表示 某一
点的 构建过程如下
设某一点的景观类型为 , 其周围 个相邻
点的景观类型为 , , , ⋯ ⋯ , 在景观类
型之间存在转移概率 经过一段时间 , 类型可能
转化为某个 类型 可以认为 , 转化为 类型的可
能性与 尸 , , 所谓 尸 , , 为 类型 向 类型 的转移概
率 及 , 该点 个近邻点中 类型点数 成正
比 , 并取最大的 只 , , 作为该点的 显然
是不断变化的
,
以公式表示
叮
, ⋯ ,
某点转移的实现与否取决于 个控制因素 ,
一是该点现时的转移指数 , 二是转移频数 。
表示 类型可能转化为 类型的数 目 ,一次 向
的转移发生 , 、, 减 转移频数不为零的转移
可以发生 ,具有最大转移指数值的点转移可能性
最大 ,优先转移 当具有最大转移指数值的点不唯
一且转移频数均不为零时 ,随机选择转移点位
模型 在模型 的基础上 , 假设转移概
率在某种程度上 表示 了土地利用转移的优先程
度 , 即转移概率的大小反映了人对土地利用转移
方向的选择 , 人类会主动地选择一种更大概率的
转移类型 基于此假设 , 可 以认为当土地利用状
态矩阵中最大转移指数点不唯一时 , 具有最大转
移概率的转移类型 点发生转移 , 若其仍不 唯一 ,
从中随机选择
模型 、 由于模型 中景观动态变
化的空 间点位控制仍需要一定程度上 的随机选
择 , 且利用转移概率大小表示人为选择偏好仍不
太确切 , 为此又建立了模型 、 它们有 个
假设 一个地 区有其独特的 自然资源组合 , 同
时在不同的历史时期 , 技术水平
、 经济能力 、 政治
形势也具有相应的阶段性特征 , 基于决策者的理
性或非理性决策 , 土地利用存在一定程度上优先
程度差别 自然条件和经济区位条件的空间分
异性 , 使得土地利用适宜性也存在空 间分异 , 相
对于某种土地利用 目的更为适宜的空 间位置成
为优先转移点位
期 谢志霄等 城郊景观动态模型研究
基于此 , 模型 、 中纳入了土地利用优
先顺序和 自然条件适宜程度 分别纳入地貌因子
和土壤因子 作为控制点位的条件
对于土地利用优先顺序和相对于某一种土
地利用方式 自然条件的适宜性程度 , 采用层次分
析法 予以研究
模型评价方法 生态模型评价方法因目的
而异 , 景观生态学注重空间异质性 , 因此 , 空间位
置 的精确性 、 景观单元 斑块 的数量 、 面积和空
间相关性成为评价景观动态模型的重要方面
多分辨率拟合方法是一种评价模型 空 间位置精
确度的有效方法 。」 其具体步骤是 , 选择系列尺
度的方形样窗 边长是单位格 网边长的 , 倍 , 即
, , 二 , 对每个尺度的样窗重复下列过程
使样窗每次在图上移动 个网格 , 直至全图漫游
完毕 平均拟合度 表示该分辨率 上的总
体拟合水平
内 类单元数 , 为样窗内的类型数 , 为 以
为边长的样窗数 最近邻概率 凡户表示景观中
‘类单元 类单元相邻的概率 , 是衡量景观破碎
化程度和斑块边界复杂程度的一个指标 , 反映
了单元的空间相互关系
‘
‘
, ” 叮 ‘
其中 为 类 相邻数 目 , ‘ 为 类单元数
斑块大小和数量
一 艺〔 一
艺 、 一 内
厄奋 一 〕‘
其中 , 为样窗边长 , 。 为第 个图上第 个样窗
表 土地利 用净转移预数矩阵
’
结果分析
多分辨率拟合分析
由土地利用动态图获得转移频数与转
移概率矩阵 表 、 一 年时段
的模拟利用模型 、 、 、 , 一
年时段 , 只利用 皿 、 皿
对于土地利用优先顺序和相对于某一
种土地利用方式 自然条件的适宜性 程度 ,
采用层次分析法 予 以评价 , 仅研究
一 年时段 , 其结果用于 个 时段
期 间 项 目 早地
一
水 田
一
菜地 园地 林地 草地 居 民点工矿用地 水域 荒地
月乙
篡 吵
,
,
,目
, 表中斑块数 目与面积均以一个 网格单元或其面积 实地 为单位 下同
又 ·
早地 一 水 田 、 菜地 , 园地 林地
草地 居 民点工 矿用地 , 。 。 。 水域 , 荒地 下
同
应 用 生 态 学 报 卷
表 土地利用净转移概率矩阵
期间
一 贾月 早 地 水 田 菜 地 园 地 林 地 草 地矛 奋 居 民点工矿用地记 , 水、 习 荒 地
们飞
艺
〔
窗口边长 访
图 多分辨 率拟 合分析结果
一
模型 一 一 一 模型 , 一
浏 一 一 模型 一
模型 一 一 模型
,
一
,
一 一 切 模型 , 一
一 一
的模拟 , 以对 比分析决策条件的时效性
由图 可 见 , 一 年 时段 , 随
模型介入现实因素的增多 , 模拟 格局 与现
实格局表现 出较好的拟 合效果 模型 相
对于 改进 不大 , 、 班 较好 , 且效果
接近 班 、 对 一 年 时段模
拟效果较差 , 均劣于模型 , 表示决策因子
的时效性很强 , 不同时期应采用相应于该
时期的决策
斑块数 目与平均大小
由表 可见 , 一 年 时段 , 模
型 皿 、 皿 对 旱 地 、 水 田 的模拟 效 果 较
好 , 与实际接近 , 对菜地和居 民 、 工 交用地
效果次之 , 园地和林地效果最差 模 型
、
结果均不令人满意 与现实景观相 比 , 模
拟景观 中斑块数 目少而平均 面积大 可以
认为 , 模型 、 皿 优于模型 、 , 但似
乎模型 中格网单元尺寸偏大 , 使得对较大
平均面积的斑块模拟效果更好
最近邻概率
首先计算水平方向和垂直方向的最近
邻概率 , 发现模拟与现实景观 中两个方 向
的最近邻概率相差甚微 , 一般不超过
由表 可见 , 模拟景观最近邻概率矩
阵主对角元上的元素 表示某 类 自身相
曲乐压几
国山芝
期 谢志霄等 城郊景观动态模型研究
邻的概率 均大于现实景观相应矩阵元素 对角元 , 且 、 各主对角元大小排序
因而可以认为模拟景观斑块面积均大于现 与现实景观相应排序一致 , 模型 、 的排
实景观 , 数 目较少 序则存在差别 排序一致说明模拟景观 中
据主对角元排序发现 , 对于 同一斑块 斑块相对大小与现实景观相 一致 , 模拟结
类型 , 班 、 皿 的最近邻概率矩 阵主对角 果正确 与现实景观最近邻概率矩 阵主对
元均小于 和 并大于现实景观相应的主 角元相近的模拟 , 其模拟斑块的绝对大小
表 模拟景观与实际景观中斑块数 目与平均大小比较
曰
早
一
地 水 田 菜 地
正一
园 地 林 地 居 民点工矿用地
,
云
门
,月连‘‘心‘
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白,妇月马“曰尸匀今,目,立,唱,︸
实际景观
正一
模型
模型
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模型 ,
模型 ,
以 』
、
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⋯
匕。﹁︵月任一了弓山勺,上白,妇﹄竹甘曰﹄月任
表 模拟景观与实际景观中主要土地利用类型最近邻概率
早 地
一 是一 〔
水 田
‘
菜 地
壬玉
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林 地
之
居 民点工矿用地
,
于
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⋯
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模型
模型
模型 ,
模型 ,
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旱地 一 , 水 田 。 。 【。 菜地 , 林地 居 民点工矿用地
, 矛一 是一 ‘
应 用 生 态 学 报 卷
较接近现实景观 因而 皿 、 皿 景观 中模 的总体精度与对不同斑块类型模拟的精度
拟斑块的面积较模型 、 更接近于现实 与数据的分辨率相关性很大 , 可以考虑采
景观 , 这与 的检验结果是一致的 用不同的单元尺度模拟不同的斑块类型
结论与讨论
通过以上分析发现 , 由于地貌因子 、土
壤 因子介入 , 以及专家意见库 决策因子
的运用 , 模拟效果趋于优化 , 表现在斑块的
绝对 、相对大小和空间位置的模拟与现实
趋于一致 但模型对不同土地利用类型的
模拟效果存在优劣之别 , 其原因可能是 由
于单元尺度对不同类型效果不一致 在把
一个时段的决策因子应用于 另一时段 时 ,
模拟效果也不理想
可以认为 , 对于城郊景观动态模型 , 在
渗透理论 、 马尔柯夫过程基础上综合介入
自然因子和决策因素影响建立动态模型是
一种有效途径 , 现实因素介入可以逐步改
进模拟效果 但本文主要侧重于方法上的
探讨 , 模型模拟结果仍存在偏差 , 模型需进
一步不断完善 , 例如模型 中应介入更多的
社会 、 经济因子 , 如 区位 因子等 因子的引
入也可采用其他方法 , 但在引入的过程中 ,
应注意社会经济条件和决策 因素的时效
性 , 即它们应是模拟时段的因子 由于模型
参考文献
伍业钢 、 李哈滨 景观生态学的理论发展 见
当代生态学博论 刘 建国 主编 北京 中国科学技
术出版社 , 一
陈昌笃 景观生态学的理论发展和实际应用
见 中国生态学发展战略 马世骏主编 北京 中国
经济出版社 ,
·
肖笃宁等 沈 阳西郊景观格局变化研究 应用
生态学报 , 一
·
杨居荣等 城郊生态过渡带的景观格局 —以 北京东 郊研究为例 见 中国北方资源 开发与环
境研究 北京 海洋出版社
赵 男等 沈阳市东陵区 景观格局变化及其
对环境影响的研究 都市与计划 , 一
‘ 徐 岚等 利用马尔柯夫过 程预测东陵景观
格局的变化 应用生态学报 , 一
·
,
一
亡 舒 , 一
·
,
切 丙 ,
,
月户户
。胡户 , 一
, 卜
司
对。 ,
·
, ,
,
, ,
奋一