全 文 ：应用生态学报 2002年 1月 第 13卷 第 1期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Jan. 2002, 13( 1) : 81~ 86
基于边界特征的景观格局分析*
曾 辉* * 孔宁宁 (北京大学城市与环境学系,北京 100871)
摘要 通过边界数量的长度谱分布分析, 探讨了边界数量长度特征与景观和组分碎裂化程度之间的相
互关系; 基于边界的数量和累积长度计算了景观多样性、均匀度、异质性和空间复杂性, 并与基于斑快面积
比重的传统格局指数计算结果进行了对比分析. 研究表明, 研究区内的快速城市化过程导致组分界面特征
复杂化,空间分布的圈层结构简化;边界总体的数量谱分布方程系数 a 对于景观整体碎裂化程度有良好
的指示意义, 基于边界特征的景观格局指数对于传统的格局分析方法可以形成有益的补充.
关键词 边界 景观格局 碎裂化 多样性
文章编号 1001- 9332( 2002) 01- 0081- 06 中图分类号 Q149 文献标识码 A
Landscape pattern analysis based on boundary characteristics. ZENG Hui and KONG Ningning ( Depar tment
of Urban and Env ir onmental Sciences , Peking Univer sity , Beij ing 100871) . Chin . J . A pp l . Ecol . , 2002, 13
( 1) : 81~ 86.
Through boundary number to the length distribution spectrum analysis, the relationships betw een boundary num
berlength and fragmentation of landscape and element were discussed. Landscape pattern indices such as diversi
ty, evenness, heterogeneity , and spatial complicity were calculated based on boundary number and cumulative
leng th, and t hese indices were compared w ith those based on element ar ea proport ion. The r esults indicated that
the fast urbanization process caused complication of boundary element distr ibut ion pattern and simplification of
layer structure. T he distribution function par ameter could reflect landscape fragmentation proper ly, and the
landscape pattern indices based on boundary characteristics was an useful supplement for traditional pattern anal
ysis.
Key words Boundary, Landscape pattern, Fragmentation, Diversity .
* 国家自然科学基金资助项目( 49871070) .
* * 通讯联系人.
1999- 12- 08收稿, 2000- 01- 31接受.
1 引 言
景观格局研究通常使用景观组分的斑快数量和
面积等属性特征进行相关指数计算[ 5, 12, 19] , 对于边
界特征在景观格局分析中的地位和作用尚未受到重
视,所以以往景观结构研究中,涉及边界分析的主要
内容局限于斑快形状分析和蔓延度等格局指数计
算[ 2, 7, 18] .边界作为斑快的重要属性, 可用于指示边
界两侧不同组分类型的空间位置关系和生态界面特
征,其本身也有长度、类型、数量等多种描述参数, 并
对景观整体格局变化具有灵敏的反应[ 3] . 因此, 边
界特征完全可以用于景观格局分析,并具有传统景
观格局分析方法难以替代的优势.
近年来, 基于边界特征的景观格局和动态分析
受到越来越多的关注, 主要研究内容包括边界特征
与景观碎裂化过程之间的相互关系[ 4, 9, 16] , 边界动
态变化的成因分析[ 8, 15, 17] , 基于边界特征的景观整
体格局描述[ 1, 6, 13, 14] , 以及人为活动对景观边界的
影响[ 10, 11]等,并出现了一系列针对边界研究的专用
分析方法和指数工具[ 6, 13, 14] . 我国关于景观边界研
究的报道尚不多见,有关景观结构分析研究均将边
界特征作为其研究的次要内容. 本文在珠江三角洲
东部常平地区快速城市化景观研究中, 利用组分的
边界特征进行景观格局研究,并针对其中的几个方
法论问题进行探讨.
2 研究地区与研究方法
2 1 研究区概况
研究区为广东省莞市东部以常平镇为中心一块边长为
18km 的正方形样地,地处东江支流寒溪河流域,中心点地理
坐标为 22!5838∀N, 113!5918∀ E. 该地区属亚热带季风气候
区, 全年气候温暖湿润,主要地貌类型为丘陵台地相间分布.
常平地区由于农业生产的自然条件组合优良 ,一直是典
型的热带农业经营地区. 自 20 世纪 80 年代中期以来, 在我
国对外开放政策的推动下, 常平地区进入了一个快速城市化
过程,区域景观结构也随之发生了深刻变化, 非农业建设用
地比例大幅度增加, 农业和自然景观组分显著萎缩, 景观特
色也逐渐从农业景观向城乡混合景观或城市景观转化[ 20] .
本研究的基础数据来源是常平地区 1988~ 1996 年 5 个时段
的景观遥感制图, 制图中确定城镇、农田、果园、林地、水体和
新开发区 6 种景观组分类型.
22 研究方法
221 边界结构特征描述方法 在常平地区景观组分类型
图的基础上,利用 2 # 2 的滑箱从图的左上角进行全图 4 方
向扫描,利用中心点判断的方式将全图所有像元交叉点分成
斑块内点、边界点和边界节点 3 种类型. 滑箱扫描每次右移
或下移一个像元,确保每个非图缘交叉点有 4次位于滑箱中
心点的机会 .然后利用所有节点信息, 将所有边界全部扫描
出来,并将每条边界的类型、长度、起止点坐标等属性参数记
录下来. 通过对研究区内所有边界汇总和分析,可以初步了
解组分的空间分布状况及研究时段内边界的动态变化情况.
汇总分析主要包括边界数量、累积长度、平均长度和优势边
界类型的动态变化特征.
222 边界特征与景观碎裂化分析方法 以往的研究表
明,边界特征可以灵敏地反映景观的碎裂化特征[ 4, 9, 16] , 但
是边界的结构特征与景观碎裂化程度之间的量化关系到目
前为止仍然没有建立起来.考虑到随着景观碎裂化程度的增
加,边界数量特别是短边界的数量会相应增加,本研究对所
有边界及不同景观组分的边界进行数量的长度谱分布分析,
然后对谱分布结果进行拟合,最后考察拟合方程的参数与景
观(组分)碎裂化指数计算结果之间的对应关系,以揭示景观
(组分)的碎裂化过程与边界数量和长度之间的响应关系.
223 基于边界特征的景观整体格局描述方法 基于斑块
面积和数量特征的景观指数已经在景观格局研究中被广泛
应用[ 5, 12, 1 9] ,基于边界特征的景观指数则是近几年出现的一
类新的景观结构研究方法[ 6, 13, 14] . 本研究将从中选取几种关
于景观多样性和复杂性的格局指数,并将计算结果与基于面
积的多样性类指数进行对比,分析快速城市化地区这两类景
观整体格局指数的关系.选用的指数有以下几种:
( 1)基于边界特征的景观多样性指数
H ( b ) = - ∃n
r= 1
P i/ j logP i/ j
式中, p i/ j是 i类型斑块与 j 类型斑块之间的边界数量(边界
累积长度)占边界总数(总长度)的比例, n 是所有边界的类
型数. 与基于组分面积的景观多样性类指数相同, 基于边界
特征的最大多样性指数为 H max= log ( n ) (表明所有边界类
型数量或累积长度相同) , 均匀度指数计算公式为:
E ( b ) = H ( b ) / log( n)
( 2)基于边界特征的景观异质性质数
H ( l ) = H ( b ) / log( N )
式中, H ( l )表示景观异质性, N 代表整个景观中的边界总数
量.当 n = N 时, H ( l)取最大值 1. 该异质性指数可用于表
达将景观划分成各种显著不同部分的可能性.
( 3)基于边界特征的景观复杂性指数
上述景观异质性显然不能表现出空间复杂性的含义, 因
为在不同的复杂性水平下(即斑块类型数量和边界类型数量
不同的情况下)景观异质性可能具有相同的计算结果. 本研
究用空间复杂性指数来量度相邻斑块的空间结合特征, 反映
给定镶嵌结构的碎裂化程度:
C( s ) = H ( b) % H ( l) = H ( b) 2/ log( N )
式中, C ( s)表示空间复杂性, 其他变量与以上公式相同.
3 结果与讨论
31 边界特征的一般变化态势分析
表 1是研究区内边界总体及组分边界的一般概
况.从中不难发现,研究期间内边界总数及累积长度
显著增加,平均边界长度则不断下降.即从研究区整
体上看, 不同组分之间界面特征的复杂化趋势非常
明显,城市化过程导致景观的碎裂化程度显著增加.
分析组分的边界变化可以看出, 绝大多数组分边界
的结构变化与整体边界变化趋势基本相同,只有水
体边界的数量和累积长度呈显著下降的趋势,而城
镇边界的平均长度持续增加.
将上述边界变化趋势与不同组分面积比重的变
化情况结合起来进行分析(图 1) ,可以认为, 在以农
业生产为主的 1988年,分布在农田和果园周围的景
观组分类型碎裂化程度最低,而城镇周围的景观组
分类型碎裂化程度最高; 随着城镇用地面积的显著
增加,其周围景观组分有逐渐向大斑块方向发展的
趋势; 1996年所有组分类型平均边界长度的差异显
著减小, 表明不同景观组分之间的界面特征趋于一
致,景观整体碎裂化程度在空间分布上的均匀性程
度增加.
图 1 不同景观组分面积比重和斑快数量变化
Fig. 1 Changing of area proport ion and patch number of dif ferent land
scape elem ents.
a. 水体 Water bodies, b. 林地 Forest land, c. 果园 Orchard, d. 城镇
Builtup, e.农田 Farmland, f.开发区 Development area.
以边界数量超过 1000 条和累积长度超过
100km 为判定标准, 提取的 1988和 1996 年度优势
边界类型的情况如表 2所示.与 1988年相比, 1996
年农田果园、农田林地、果园林地和城镇农田 4
种边界类型仍保持优势地位且数量有显著增加,其
82 应 用 生 态 学 报 13卷
表 1 研究区整体及组分边界的一般概况
Table 1 General situation of total and element boundaries for the study
ing area
组分类型
Element type
边界参数
Boundary parameters
1988 1992 1996
整体 Total 边界数量 Boundary number 14802 17762 24648
累积长度 Cumulative length( km) 300960 349674 401739
平均长度 Average length( m) 203 197 163
城镇Builtup 边界数量 Boundary number 2930 4861 7605
累积长度 Cumulative length( km) 311 52 748 08 118260
平均长度 Average length( m) 106 154 156
农田 Farmland 边界数量 Boundary number 9322 10895 15430
累积长度 Cumulative length( km) 213561 218775 2618 4
平均长度 Average length( m) 229 202 170
果园O rchard 边界数量 Boundary number 7902 11103 14950
累积长度 Cumulative length( km) 203646 256248 263583
平均长度 Average length( m) 258 231 176
林地 Forest 边界数量 Boundary number 5240 5252 7123
累积长度 Cumulative length( km) 943 59 999 39 1015 5
平均长度 Average length( m) 180 190 143
水体Water bodies 边界数量 Boundary number 3975 2216 2304
累积长度 Cumulative length( km) 639 84 316 66 280 68
平均长度 Average length( m) 161 143 122
开发区Designated 边界数量 Boundary number 227 1197 1884
累积长度 Cumulative length( km) 4522 179 07 301 77
平均长度 Average length( m) 199 150 160
表 2 1988年和 1996年的优势边界情况*
Table 2 Dominant boundaries in 1988 and 1996
1 988年 1996 年
农田果园 FarmlandOrchard( 3931/ 1318 80) 农田果园 FarmlandOrchard( 7526/ 1 557 90)
农田林地 FarmlandFores t( 2537/ 34917) 农田林地 FarmlandForest( 3626/ 43299)
果园林地 O rchardForest( 2410/ 56202) 果园林地 OrchardForest( 3017/ 538 80)
城镇农田 BuiltupFarmland( 1301/ 160 68) 城镇农田 BuiltupFarmland( 2942/ 46365)
农田水体 FarmlandWater( 1413/ 26694) 城镇果园 BuiltupOrchard( 3230/ 43497)
果园水体 O rchardWater( 1139/ 128 43)
城镇水体 BuiltupWater( 1145/ 119 64)
* 括号内数字为边界数量(条)和累积边界长度( km) Figure in the parenthese show ing bound
ary number and cumulative length( km) .
中城镇农田边界的累积长度增长了近 2 倍; 1988
年占据优势地位的水体与农田、城镇和果园之间的
边界全部丧失优势地位, 同时城镇果园成为 1996
年新的优势边界类型.
由优势边界的变化趋势可以看出, 第一, 尽管快
速城市化过程导致常平地区的景观整体结构发生剧
烈变化,但是农田、果园、城镇和林地等几种优势组
分的空间位置关系和界面关系仍基本得以维持; 第
二,在城市建设用地迅速膨胀的影响下,围绕城镇用
地所形成的圈层结构出现逐渐简化的趋势. 1988年
按照优势边界类型的累积长度, 农业和自然景观组
分大致围绕城镇用地形成农田、果园和林地 3 个圈
层.随着农田林地、城镇果园两种边界数量和累积
长度的大幅度增加,组分的整体空间分布格局形成
了明显的 2层结构,即城镇外围是由农田和果园构
成的一个混合农业带,其外围是林地的集中分布区;
第三, 1988年水体主要以线性方式穿越果园、农田
和城镇, 从而形成 3种优势边界类型. 1996年随着
水体面积的大幅度减少, 导致几种相关的优势边界
类型全部消失.
32 边界数量长度谱分布与景观碎裂化的关系
将边界在不同长度区段( l)上的分布数量( n)进
行统计,发现各年度绝大多数边界为小于 100个像
元的短边界,随着长度的增加, 边界数量急剧下降.
组分的边界谱分布情况也基本符合上述趋势,并且
这种边界的谱分布规律一般不随着时间的变化而发
生变化(图 2) . 这种边界长度数量关系充分反映了
人为高强度管理下的城乡混合景观高度碎裂化的本
质.将不同长度区段边界数量的对数 lg ( n )与边界
长度之间进行统计分析发现,二者存在着明显的趋
势关系,无论景观整体还是组分边界,其关系均可以
用回归方程 y = a # ln( x ) + b 来表示, 差别仅仅是
a、b 两个参数有所不同(图 2) ,所有边界类型和时
段的回归相关系数均在 09以上.
从边界数量长度回归方程可以看出,控制分布
曲线线型的重要参数是 a, a 的绝对值越大, 对数曲
线就越倾斜,短边界的比重就越大; 反之, 分布曲线
则相对平缓,短边界数量减少.在不断碎裂化的景观
中,如不存在明显的组分线性发育控制因素,可以期
望出现数量比较多的短边界.因此,可以推测分布曲
线系数 a 与景观碎裂化指数之间应当存在着某种
关系.本研究将景观整体和各组分的分布方程参数
a 与景观整体和组分碎裂化指数计算结果进行了对
比分析(图 3) , 以期探讨二者之间的相互关系.
由图 3可看出,整体边界的参数 a 与景观整体
碎裂化指数呈简单的线性关系, 可决系数为 0933,
即景观碎裂化导致短边界数量增加的假设成立, 利
用谱分布方程系数可以对碎裂化的程度进行度量.
但是,上述趋势在组分分析中则不存在,也就是说组
分碎裂化程度与自身各类边界的长度和数量无显著
相关关系.这是因为组分边界是周边其它景观组分
与自身界面交接复杂程度的量度, 一个完整的大斑
块,可能因为周围相邻组分破碎化程度不同而具有
不同的谱分布方程参数 a. 因此,某一组分的边界特
征不能指示自身的碎裂化情况, 即总边界的参数 a
才能用于度量景观的整体碎裂化程度.
33 基于边界特征的景观整体格局分析
根据边界数量和长度计算的景观多样性、均匀
度、异质性和空间复杂性结果如图 4所示,其中基于
斑快面积比重计算的景观多样性和优势度指数也一
831 期 曾 辉等:基于边界特征的景观格局分析
图 2 研究区整体及农田 1988年(左)和 1996年(右)边界数量的长度谱分布
Fig. 2 Number spect rum distribut ion of boundaries to length for total studying area and farmland in 1988( left ) and 1996( right ) .
图 3 谱分布方程系数 a与景观碎裂化指数之间的关系
Fig. 3 Relat ionship betw een dist ribut ion function parameter a and the fragmentation index.
同显示在图 4( a)、( b)上. 结果表明 ,所有格局指数
均显示出相同的变化趋势,即 1994年以前随着城镇
用地面积的不断增加,景观多样性持续增加, 组分的
均匀性程度不断提高, 异质性和空间复杂性也随之
提高. 1994 年以后随着城镇用地面积的进一步增
加,土地利用又开始向几种优势组分集中,导致景观
多样性、均匀度、异质性和空间复杂性有所降低.
不过, 基于边界特征的景观格局指数结果与基
于面积比重的景观格局指数还是表现出一些细节差
异.例如, 利用边界数量计算的景观多样性指数的变
化幅度远远小于其它两种多样性指数, 均匀度的变
化也反映了同样的趋势, 说明在剧烈的景观变化过
程中,不同类型边界的数量比重调整幅度要小于面
积和长度变化幅度, 这无疑是因为区内的快速城市
化过程并没有从根本上改变景观的整体圈层结构,
以及不同组分彼此之间的空间相邻关系基本得以保
持的缘故.另外, 从异质和空间复杂性计算结果看,
基于边界数量指数变化幅度同样小于基于累积长度
指数的变化幅度.特别是 1990~ 1994期间,景观格
局的复杂性更多地表现为不同边界类型之间累积长
度的差异性方面, 景观变化在界面上反映出所有边
界类型的数量比重相对均匀变化以及少数优势边界
84 应 用 生 态 学 报 13卷
类型的累积长度显著增加的特点. 从图 4( c)、( d)可
以看出,考虑了景观多样性的空间复杂性指数对于
景观格局变化的幅度显著高于异质性指数(极值之
间的差距平均增加了 25倍) ,因此在度量景观组分
组合的复杂性程度时,后者要优于前者.
34 相关的方法论问题
边界特征是与景观其它属性(斑快面积、数量
等)完全不同的一类结构性状参数,因此由边界特征
反映出来的某些景观格局特点, 是从其它研究中无
法得到的.从本研究的结果可以看出,基于边界特征
的景观结构研究至少可以对基于斑块数量、面积的
传统研究形成 3个方面的有益补充: 1)边界长度和
数量分析可以揭示不同景观组分在动态变化过程中
的界面变化情况, 以及不同组分与周围相邻组分交
界的复杂性程度, 优势边界类型研究还可以给我们
提供关于景观整体空间相邻模式方面的信息; 2)利
用边界数量的长度谱分布分析可以有效地反映景观
的整体碎裂化情况以及不同组分周围其它组分的相
对碎裂化程度,为景观碎裂化研究提供一个新的途
径; 3)基于边界长度和数量的景观整体格局指数计
算可以对传统景观格局指数计算结果形成有益的补
充,从而揭示在组分面积和斑快数量发生剧烈变化
时不同边界类型的变化情况.利用边界参数还可以
进行景观空间复杂性分析,这是传统景观格局研究
中所没有的.
上述分析表明, 基于边界特征的景观格局研究
图 4 基于边界数量、长度及斑快面积的景观格局指数计算结果
Fig. 4 Results of landscape pat tern analysis based on boundary number, boundary length, and elem ent area proport ions.
& 基于边界数量的景观指数 Landscape index based on boundary number, ∋基于边界累积长度的景观指数 Landscape index based on boundary
lenght , ( 基于斑快面积比重的景观指数 Landscape index based on element area proportion. a)多样性 Diversity, b)均匀度 Evenness, c)异质性
Heterogeneity, d)空间复杂性 Spatial complexity.
与基于斑快面积比重与数量的同类研究具有良好的
相互补充、相互印证的效果.在具体研究中共同使用
两种方法有助于全面把握景观格局的内在规律. 特
别是在景观动态机制分析中, 基于边界特征的景观
格局分析可以为各种跨越边界的生态流分析提供准
确的界面背景特征描述, 这是其它景观格局研究方
法所无法替代的.
4 结 论
41 研究时段内常平地区景观整体以及优势组分
类型边界的数量和累积长度大幅度增加, 除城镇以
外的平均边界长度急剧减少, 表明不同组分之间的
界面复杂性程度显著提高. 优势边界类型分析表明,
以城镇为核心的组分圈层分布模式在快速城市化过
程中基本被保留下来, 但圈层结构有逐渐简化的趋
势.
42 景观整体及组分在所有时段内绝大多数边界
为短边界,其数量长度谱分布符合简单对数方程趋
势,其中整体边界分布方程的参数 a 与景观整体碎
裂化指数具有良好的线性关系, 可以作为景观整体
碎裂化程度的量度,组分边界的参数 a 与碎裂化指
数之间则没有这种相关关系.
43 基于边界特征的景观多样性指数和均匀度指
数与基于面积比重的传统格局指数的变化趋势基本
851 期 曾 辉等:基于边界特征的景观格局分析
相同, 但是基于边界特征的景观格局指数能够更好
地反映景观变化过程中的边界变化情况, 并可用于
进行景观空间复杂性分析, 这是传统景观格局指数
难以替代的.
44 基于边界特征的景观格局分析方法对于传统
景观格局研究方法能够形成很好的补充, 在景观动
态变化过程中提供准确的界面分析和描述方法, 共
同使用有助于全面把握景观的整体格局规律.
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作者简介 曾 辉, 男, 1964 年生, 博士, 副教授. 主要从事
景观生态学和区域环境科学方面的教学和研究工作,发表学
术论文 30 余篇. Email: hzeng@ urban. pku. edu. cn
86 应 用 生 态 学 报 13卷