全 文 ：第 34卷 第 5期 生 态 科 学 34(5): 4551
2015 年 9 月 Ecological Science Sep. 2015

收稿日期: 2015-05-14; 修订日期: 2015-05-26
基金项目: 国家环保公益性行业科研专项—道路建设工程生态环境影响定量评价技术和方法(201209029-1)
作者简介: 潘丽娟(1991—), 女, 江苏苏州人, 硕士, 研究方向: 区域生态恢复研究, E-mail: panlijuanruth@126.com
*通信作者:张慧(1968—), 女, 河南开封人, 研究员, 研究方向: 生态环境质量评价和生态安全, E-mail: zhnies@126.com; 刘爱利(1979—), 女, 陕西华阴
人, 副教授, 博士, 研究方向: 数字地形分析及在气象领域的应用研究, E-mail: liuaili@nuist.edu.cn

潘丽娟, 张慧, 刘爱利. 重庆市道路网络影响景观破碎化的阈值分析[J]. 生态科学, 2015, 34(5): 4551.
PAN Lijuan, ZHANG Hui, LIU Aili. Analysis of threshold of road networks effecting landscape fragmentation in Chongqing[J].
Ecological Science, 2015, 34(5): 4551.

重庆市道路网络影响景观破碎化的阈值分析
潘丽娟 1, 2, 张慧 2, *, 刘爱利 1, *
1. 南京信息工程大学地理与遥感学院, 南京 210044
2. 环保部南京环境科学研究所, 南京 210042

【摘要】 路网的不断扩张是导致景观破碎化的一个重要因素, 因此, 研究路网密度影响景观破碎化的阈值具有重要意
义。通过 KDE 法确定反映路网密度分布的最佳带宽, 以此带宽分析重庆市路网空间格局, 进一步利用缓冲区法得到路网
影响景观破碎化的最大范围, 在该范围内计算路网叠加前后的景观指数变化率, 分析影响景观破碎化的路网密度阈值。
结果表明: 3 km 的带宽很好的反映了重庆市路网密度分布; 重庆市路网密度空间分布不均匀, 路网发达区主要位于中
部、西北部和西南部, 路网稀疏区主要位于东北部和东南部; 路网对景观破碎化的最大影响范围为 1000 m; 道路密度等
级 7 级是路网密度影响斑块密度和平均斑块面积的阈值, 而道路密度等级 8 级是路网密度影响聚集度指数的阈值。

关键词：路网密度; 景观指数; 景观破碎化; 阈值
doi:10.14108/j.cnki.1008-8873.2015.05.007 中图分类号：X 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2015)05-045-07
Analysis of threshold of road networks effecting landscape fragmentation in
Chongqing
PAN Lijuan1,2, ZHANG Hui2,*, LIU Aili1,*
1. School of geography and remote sensing, Nanjing University of Information Science & Tecnology, Nanjing 210044, China
2. Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China
Abstract: The expansion of road networks is an important factor leading to fragmentation of landscapes, therefore, it’s
significant to research the road network density’s influence on threshold value of landscape fragmentation. This study uses
KDE method to determine the best bandwidth which can reflect the density of road networks. Then, the research uses this
bandwidth as an example to analyze the spatial pattern of road networks in Chongqing. Also, the maximum effect range of
road networks effecting landscape fragmentation is obtained by buffer analysis method. The change rates of landscape
indexes before and after road network superposition are calculated and the threshold of road network density affecting
landscape fragmentation is analyzed in that range. The result shows that the bandwidth of 3 km can reflect the distribution of
road network density best. Spatial distribution of road network density is not uniform in Chongqing; the developed areas of
road network are mainly located in the central, northwest and southwest Chongqing, and the sparse areas are mainly located
in the northeast and Southeast Chongqing. The maximum effect range of road network towards landscape fragmentation is
1000 m; Road density of 7th grade is the threshold of road network density affecting patch density and mean patch area, and
road density of 8th grade is a threshold of road density affecting aggregation index.
Key words: road density; landscape indexes; landscape fragmentation; threshold
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1 前言
作为人类活动的产物, 道路在推动社会经济发
展的同时, 也给生态系统和景观格局带来了深远而
复杂的影响[1–5]。路网建设不但会占用周边的土地,
同时也会对动植物的分布格局产生影响, 最终导致
生境的破碎化、种群密度和物种丰度的下降、生物
多样性的降低[6]。由于路网结构是影响景观破碎化
的一个重要因素 , 因此 , 采用合适的手段对路网
的结构特征进行量化并分析其与景观破碎化之间
的关系成为分析道路网络与景观之间相互作用的
必要条件。
在道路网络生态影响的研究方面, 尽管许多学
者运用景观生态学方法在较大尺度上分析得到了路
网扩张可能产生的生态效应, 然而该方面的研究仍
然不是很健全。我国许多学者对路网格局及其生态
效应进行了一些研究, 李双成等[7]统计分析了中国
道路网与生态系统破碎化之间的关系, 刘世梁等[8]
研究了不同级别道路建设对景观的影响, 对于各级
道路的影响范围, 他们都采用了国际通用标准, 然
而同一等级道路在不同区域的影响范围也会有所差
异; 郑钰等[9]以云南纵向岭谷区道路网络为例进行
了多尺度的景观生态研究, 然而没有对道路网络影
响景观破碎化的范围进行区分。虽然这些研究都为
路网格局与景观破碎化关系的研究奠定了基础, 但
依旧存在许多不足之处。
道路网络密度是量化路网格局的一个有效工具,
而核密度估算能够通过自动搜索来获得路网分布的
热点区域, 并利用距离衰减来得到路网密度的变化
情况, 该方法为研究大尺度上的路网密度特征提供
了可能。蔡雪娇等[10]以珠江三角洲核心区为例, 利
用KDE法确定路网的最佳带宽为4 km, 并结合道路
密度指数法研究了路网格局对景观破碎化的影响,
结果显示道路密度与景观破碎化之间存在很强的相
关关系。刘超等[11]以秦岭山区的商州区为例, 利用
KDE 方法得到路网的最佳带宽为 2 km, 并在此带宽
基础上研究了县域的路网格局对乡村聚落景观破碎
化的影响, 研究结果显示路网密度等级越高, 乡村
聚落的景观破碎度越小。刘锐等[12]利用核密度估计
法确定了广佛都市区路网的最佳带宽为 2.5 km, 并
在此带宽基础上研究了广佛都市区路网的时空演变,
结果显示路网密度内部差异逐年递减, 路网系统发
育不断成熟。虽然路网密度是影响景观破碎化的一
个重要因素, 但景观破碎化程度并不会随着路网密
度无止境的扩大, 当路网密度达到一定程度后, 景
观破碎化的程度达到最大, 并随后逐渐减弱, 则该
路网密度值就是影响景观破碎化的阈值。
该文通过 KDE 核估计法确定能够反映路网密
度分布的最佳带宽, 以此带宽为例分析重庆市的路
网空间格局, 并进一步利用缓冲区分析路网不同辐
射范围内的景观指数, 分析景观破碎化随路网辐射
范围的变化趋势, 得到路网对景观破碎化的最大影
响范围, 在该范围内计算路网叠加前后的景观指数
变化率, 分析路网密度影响景观破碎化的阈值。
2 研究区概况
自古具有“山城”之称的重庆属于我国内陆地
区的西南部, 总面积达到 8.24 万平方千米, 重庆属
于亚热带季风性湿润气候, 气候温和, 四季分明,
终年多云雾, 其优越的自然气候条件使得重庆境内
的动植物品种相当丰富, 是全国重要的中药材生产
以及家畜加工和出口基地, 同时, 重庆境内河网密
布, 水资源丰富, 水能资源充足。
重庆是我国中部和西部的过渡带, 是西南地区
关键的交通枢纽之一, 其境内的各种交通运输方式
(铁路、水路、航空、公路等)发展飞快。
3 材料与方法
3.1 数据来源
道路矢量数据来自于交通网全国道路数据, 涵
盖了整个重庆市的国道、省道、高速、城市快速路
和县道。2010 年的土地利用数据采用《全国生态环
境十年变化(2000—2010 年)遥感调查与评估项目》
中的数据, 该数据涵盖了林地、灌丛、草地、湿地、
农田、建设用地和未利用地七种一级类型, 相对于
其他土地利用类型, 由于未利用地面积比重非常小,
所以文中未将其列入分析。
3.2 研究方法
3.2.1 KDE 核密度分析法
基于GIS的KDE方法的原理是利用一个移动窗
口来计算和输出各个栅格单元中的要素密度。定义
如下: 假设 X1, …, Xn 是从(密度分布函数)的总体
中抽取的独立同分布(iid)样本, 为了估计 在某一
5 期 潘丽娟, 等. 重庆市道路网络影响景观破碎化的阈值分析 47
点 x 处的密度 f (x), 则根据 Rosenblatt-Parzen 核估
计得到:
  11 n in i x xf x nh h
  (1)
式中: (k)为核函数; h 为带宽(h>0); (x–xi)为估计点 x
到样本点 xi 的距离。
由于 h 是影响计算结果的重要参数, 因此, KDE
方法的关键步骤是确定带宽 h。随着带宽的增大, 空
间上要素密度的变化更为平滑, 可是这会掩盖要素
的密度结构; 随着 h 的减小, 空间上要素密度的变
化更为陡峭。在具体的应用中需要根据自己的需要
选择合适的带宽 h。文中利用核密度估计法计算不
同带宽下的路网密度分布图, 并将其划分为十个连
续的等级, 从中选出能够最好地反映重庆市路网密
度分布格局的带宽。
3.2.2 道路网络不同辐射范围内的景观破碎化
对道路网络分别绘制 100 m, 200 m, ……,
2000 m 的缓冲区范围, 通过景观分析软件 Fragstats
计算各个范围内的景观指数, 对景观破碎化随辐射
范围变化的趋势进行分析, 得到路网对景观破碎化
的最大影响范围。
3.2.3 景观破碎度的计算
本研究主要是通过计算道路建设前后景观指数
的变化率来表征路网对景观破碎化的影响程度。景
观破碎化主要是通过指斑块面积的的减小, 斑块密
度的增大以及斑块聚集度的降低等景观指数的变化
来识别。在最大辐射范围内, 该文选取斑块密度指
数(PD), 平均斑块面积指数(AREA_MN)以及斑块聚
集度指数(AI)来计算景观指数的变化率。
4 结果与分析
4.1 带宽选择
利用 KDE 核密度估计分别计算出 2 km、3 km、4 km
和 5 km 带宽下的路网密度分布格局, 在各带宽下,
将路网密度重分为连续的 0—0.7、0.7—1.4、1.4—2.1、
2.1—2.8、2.8—3.5、3.5—4.2、4.2—4.9、4.9—5.6、5.6—
6.3、6.3—7 十类(图 1)。从图中可以看出, 2 km 带宽
的最大核密度位于 6.3—7 之间, 3 km 带宽的最大
核密度位于 5.6—6.3 之间, 4 km 带宽的最大核密
度位于 4.9—5.6 之间, 5 km 带宽的最大核密度位于
4.2—4.9 之间。在核密度估算中, 带宽越大, 核密度
越小, 带宽曲线越光滑, 带宽越小, 核密度越大, 带宽
曲线越突兀。3 km 带宽的路网密度分布图能够清晰的
反映重庆市道路网络的空间分布格局, 因此文中选取
3 km 作为路网的带宽。
4.2 研究区路网空间格局特征分析
将路网叠加到 3 km 带宽的路网密度分布图中
(图 2), 从图中我们可以看出, 重庆市路网的密度核
心主要出现在省道和高速等公路的两侧, 整体上呈
现出由市区向郊区递减的规律。从行政区划上来看,
路网的高密度区主要集中在渝中区、渝北区南部、

图 1 不同带宽下路网密度的分布图
Fig. 1 The distribution of road networks’ density under different kinds of bandwidth
48 生 态 科 学 34 卷

图 2 重庆市路网空间格局(3 km 带宽)
Fig. 2 Spatial distribution of road networks in Chongqing
(under the bandwidth of 3 km)
南岸区西部和九龙坡区北部, 这些区属于重庆市的
中心城区, 经济发达、人口密度高、交通网络发展
迅速。路网的中密度区域主要位于重庆市的西北部
和西南部地区, 如江北区、沙坪坝区、大渡口区、
北碚区等, 这些区域主要以丘陵和低山为主, 地
势较平坦, 施工难度较小。路网的低密度区主要位
于重庆市的东北部和东南部地区 , 如城口县 , 巫
溪县、巫山县和秀山土家苗族自治县等, 这些区域
位于地势起伏较大的山区, 人口较少, 交通滞后,
施工难度较大。总体上, 路网密度的空间分布不均
匀, 路网密度的发达区主要位于中部、西北部和西
南部地区, 路网稀疏地区主要位于东北部和东南
部地区。
从景观格局方面来说(图 3), 重庆市路网在农
田(37%)中分布最广泛, 其次是林地(30%)、建设用
地(13%)、灌丛(11%)、草地(6%), 在湿地(3%)中分
布最少。而从道路密度等级的分布来看(图 4), 3 km
带宽范围内包括 1—9 这九个等级的道路密度, 其
中, 1 级的路网主要分布于林地, 比例达到 44%; 2
级和 3 级的路网主要分布于农田, 比例分别达到
38%和 34%; 4 级、5 级、6 级、7 级、8 级和 9 级
的路网主要分布于建设用地 , 比例分别达到
62%、91%、95%、94%、73%和 85%。路网在建
设用地、农田和林地中的高分布是可以理解的 ,
路网之所以聚集在建设用地周边是因为这样不仅

图 3 路网在各景观类型中的比例
Fig. 3 Distribution of road networks among different
landscapes

图 4 不同密度等级路网在各类景观中所占的比例
Fig. 4 Percentage of varied road density classes among different landscapes
5 期 潘丽娟, 等. 重庆市道路网络影响景观破碎化的阈值分析 49
能增强周边城镇的通达性, 而且能够加强人们的
集聚 , 改变周边的土地利用; 路网在农田中的集
聚是因为农耕活动与道路有着密不可分的关系 ,
农耕的发展以及农产品的运输都需要依靠道路 ;
道路在林地中的分布与林区林木的采伐以及保护
密切相关。
4.3 不同辐射范围内的景观破碎化
利用 GIS 软件为路网分别绘制 100 m、200 m、
300 m……2000 m 的缓冲区, 并利用景观软件分别
计算各个缓冲区范围内的平均斑块面积、斑块密
度和聚集度(表 1), 并得到各景观指数随辐射范围
的变化情况(图 5)以及路网对景观破碎化的最大影
响范围。
根据表 1 和图 2, 随着缓冲区宽度的增加, 平均
斑块面积和聚集度呈现上升趋势, 斑块密度呈现下
降趋势, 说明随着缓冲区宽度的增加, 路网的辐射
能力逐渐减弱, 景观的破碎化程度减小。当缓冲区
宽度达到 300 m 后, 聚集度指数的变化很小或几乎
没有发生变化, 说明路网对聚集度的影响范围为
300 m; 当缓冲区宽度达到 1000 m 后, 平均斑块面
表 1 不同缓冲区宽度内的景观破碎化指数
Tab. 1 Landscape fragmentation index in buffer zones of
different width
缓冲区宽度/m
平均斑块面积
/hm2
AREA_MN
斑块密度/
(个hm–2)
PD
聚集度
AI
100 6.2613 15.9712 48.0008
200 9.8092 10.1946 57.6708
300 11.8657 8.4277 60.9003
400 13.2116 7.5691 62.4584
500 14.108 7.0882 63.3305
600 14.8255 6.7451 63.9145
700 15.5056 6.4493 64.4541
800 16.0489 6.2309 64.8859
900 16.4706 6.0714 65.2269
1000 16.8592 5.9315 65.4952
1100 17.1749 5.8225 65.7326
1200 17.476 5.7221 65.9292
1300 17.716 5.6446 66.0978
1400 17.9318 5.5767 66.23
1500 18.1842 5.4993 66.3735
1600 18.3558 5.4479 66.4659
1700 18.506 5.4037 66.5662
1800 18.6458 5.3631 66.6559
1900 18.7792 5.325 66.7341
2000 18.9063 5.2892 66.8043
积的增幅明显减小, 斑块密度的减幅也明显减小并
开始趋于平稳, 说明路网对平均斑块面积和斑块密
度的影响范围为 1000m。因此, 将 1000m 作为道路
网络的最大辐射范围。
4.4 路网密度影响景观破碎化的阈值
在 1000 m 的重庆市路网影响范围内, 通过景观
软件分别计算路网叠加前后的平均斑块面积、斑块
密度和聚集度指数, 计算路网叠加前后各景观指数
的变化率, 用该变化率表征景观破碎化的程度, 分
析景观指数的变化率随道路密度等级的变化趋势,
得到路网密度影响景观破碎化的阈值。
根据表 2和图 6, 对于斑块密度和平均斑块面积,
其变化率均在道路密度等级 1~7 级内呈现上升趋势,
在道路密度等级 7~9 级内呈现下降趋势, 即斑块密
度和平均斑块面积的变化率均在道路密度等级 7 级
内达到最大; 对于聚集度指数, 其变化率均在道路
密度等级 1~8 级内呈现上升趋势, 在道路密度等级
8~9 级内呈现下降趋势, 即聚集度指数的变化率在
道路密度等级 8 级内达到最大。由此可知, 不同道
路密度等级对景观破碎化程度的影响具有一个阈值
效应, 即景观破碎化指数随着道路密度等级的增加
先上升后下降, 这是由于当路网密度发展到较高水
平后, 景观斑块会出现粘合现象, 即相邻斑块扩大
到一定程度后, 相互之间发生连接, 最终合并成一
个大的斑块, 从而降低了景观破碎度。对于重庆而
言, 道路密度等级 7 级是路网密度影响斑块密度和
平均斑块面积的阈值, 而道路密度等级 8 级是路网
密度影响聚集度指数的阈值。
5 结论与讨论
(1) 基于 KDE 核密度估算, 3 km 带宽的路网密
度分布图很好地反映了重庆市道路网络的空间分布
特征, 重庆市路网的密度核心主要出现在省道和高
速等公路的两侧, 整体上呈现出由市区向郊区递减
的规律, 并且, 路网密度的空间分布不均匀, 路网
密度的发达区主要位于中部、西北部和西南部地区,
路网稀疏地区主要位于东北部和东南部地区。从景
观格局方面来看, 重庆市路网在农田(37%)中铺设
最广泛, 其次是林地(30%)、建设用地(13%)、灌丛
(11%)、草地(6%), 在湿地(3%)中铺设最少。而从道
路密度等级的分布来看, 1 级的路网主要分布于林
50 生 态 科 学 34 卷

图 5 不同缓冲区范围内平均斑块面积(a)、斑块密度(b)以及聚集度(c)的变化趋势
Fig. 5 The change trends of AREA_MN(a), PD(b) and AI(c) in different buffer zones of distance

表 2 不同密度等级路网叠加前后景观指数的变化
Tab. 2 The changes of landscape indexes before and after road networks of different density levels overlayed
斑块密度/(个hm–2) 平均斑块面积/hm2 聚集度 道路密度
等级 叠加前 叠加后 变化率的绝对值/% 叠加前 叠加后
变化率的绝对值
/% 叠加前 叠加后
变化率的绝对值
/%
1 9.14 13.13 43.65 10.94 7.62 30.39 85.35 84.58 0.90
2 10.30 16.97 64.75 9.71 5.89 39.30 85.20 83.52 1.97
3 11.05 21.14 91.35 9.05 4.73 47.74 86.13 83.11 3.51
4 6.94 17.81 156.76 14.41 5.61 61.05 91.06 87.05 4.41
5 1.80 9.85 446.26 55.44 10.15 81.69 96.95 92.60 4.48
6 0.92 9.33 919.10 109.24 10.72 90.19 97.22 92.25 5.11
7 1.10 12.19 1013.10 91.29 8.20 91.02 97.44 91.85 5.74
8 2.01 17.10 748.98 49.64 5.85 88.22 96.04 87.47 8.91
9 3.33 19.28 478.10 29.99 5.19 82.70 96.81 89.56 7.49

地; 2 级和 3 级的路网主要分布于农田; 4 级、5 级、
6 级、7 级、8 级和 9 级的路网主要分布于建设用地。
路网在建设用地、农田和林地中的高分布是为了增
强周边城镇的通达性, 能够加强人们的集聚, 改变
周边的土地利用; 路网在农田中的集聚是因为农耕
活动与道路有着密不可分的关系, 农耕的发展以及
农产品的运输都需要依靠道路; 道路在林地中的分
布与林区林木的采伐以及保护密切相关。
(2) 根据缓冲区分析的结果, 道路网络对景观
破碎化的最大影响范围为1000 m, 超过1000 m的范
围后, 景观指数的变化很小或几乎没有变化。
(3) 在道路网络的最大影响范围内, 道路密度
5 期 潘丽娟, 等. 重庆市道路网络影响景观破碎化的阈值分析 51

图 6 不同道路密度等级所对应的景观指数变化率
Fig. 6 Change rates of landscape indexes corresponding to different road density levels

等级 7 级是路网密度影响斑块密度和平均斑块面积
的阈值, 而道路密度等级 8 级是路网密度影响聚集
度指数的阈值。
(4) 本研究以重庆市为例, 利用核密度估算法
研究了道路网络影响景观破碎化的阈值, 对于区域
路网扩张和建设具有重要的参考价值。
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