全 文 ：中国生态农业学报 2014年 7月 第 22卷 第 7期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jul. 2014, 22(7): 859−865


* 山东省科技攻关项目(2009GG10009062)资助
** 通讯作者: 齐伟, 主要从事土地利用与信息技术研究。E-mail: qiwei@sdau.edu.cn
曹瑞娜, 主要从事土地利用与规划研究。E-mail: caoruinaand@163.com
收稿日期: 2013−12−13 接受日期: 2014−04−02
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2014.31248
基于流域的山区景观格局分析和分区研究*
——以山东省栖霞市为例
曹瑞娜 1 齐 伟 1** 李 乐 2 蒋文惠 1 曹向生 3
(1. 山东农业大学资源与环境学院 泰安 271018; 2. 东营市国土资源局 东营 257091;
3. 山东农业大学信息科学与工程学院 泰安 271018)
摘 要 本文以位于胶东半岛中部山区的栖霞市为例, 在对整个研究区进行流域提取的基础上, 分别统计各
流域内的景观指数, 并通过聚类分析对整个栖霞市的山区景观进行分区。首先解译 2010 年 Thematic Map-
per(TM)遥感影像数据, 获得栖霞市景观格局图, 以 1︰ 25 000 地形图为基础数据源, 建立 DEM 模型, 利用
ArcGIS水文分析模块将研究区划分为 300个子流域。然后根据常用景观格局指数所反映的生态学意义和景观
特征信息 , 并结合研究区内的具体景观结构 , 选择边缘密度 (ED)、多样性指数(SDI)、斑块大小变异系数
(PSCOV)、面积加权平均分维数(AWMPFD)和核心区密度(CAD)5 个景观指数, 并结合各流域的平均高程与空
间分布对每一个子流域进行景观格局分析, 探讨各子流域景观格局的空间差异, 揭示人类活动、自然干扰等各
种景观生态机制对区域景观生态的影响。研究结果为: ED值和 CAD值随着海拔的增加而逐渐变大, 垂直分异
特征明显; SDI值呈现出由低海拔向高海拔逐步减少的趋势; PSCOV值随海拔的增加呈现出类似倒“U”形曲线;
AWMPFD值不具有明显的垂直分异特征。最后将这 5个指数进行聚类分析, 同时利用流域主体景观类型对栖
霞市进行景观格局分区 , 各土地利用类型被划分为 3 个景观生态类型区。研究结果为 : 一类区面积最小
(10.14%), 该区域是农作物种植的稳定农业区, 景观结构和规模都很稳定, 需要继续保护; 二类区面积最大
(50.93%), 各种景观类型呈现空间交错分布, 斑块形状复杂, 属于自然景观和人文景观的过渡区域, 需要加强
该区域的土地规划和产业合理布局; 三类区面积较大(35.92%), 主要集中在中高海拔区域, 林地和草坡地居多,
开垦难度较大。分区结果能够较好地反映研究区景观生态结构的显著特征与空间分异状况, 对栖霞市的土地
管理和规划具有一定的指导意义。
关键词 胶东半岛 栖霞市 流域 景观指数 生态结构 空间分异 聚类分析
中图分类号: F301.24; P901 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2014)07-0859-07
Catchment-based landscape patterns and divisions in mountain areas:
A case study of Qixia City in Shandong Province
CAO Ruina1, QI Wei1, LI Le2, JIANG Wenhui1, CAO Xiangsheng3
(1. College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China; 2. Dongying Bureau of Land
and Resources, Dongying 257091, China; 3. College of Information Science and Engineering, Shandong Agricultural University,
Tai’an 271018, China)
Abstract This paper used Qixia City (which lies in the center of Jiaodong Peninsula) as a case study of typical mountain
areas to investigate catchment-based landscape pattern divisions with cluster analysis of landscape indices generated from
digital elevation model (DEM). Firstly, Landsat TM image (2010) covering the whole study area was interpreted and
geo-referenced to generate the landscape patterns in Qixia City and the corresponding relief map (1︰25 000) vectorized to
build DEM model. Then 300 catchments were divided using hydrology extension support in ArcGIS. Taking into account
ecological significance and features of common landscape indices as well as local ground truth, five indices were selected for
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the analysis. The indices included edge density (ED), Shannon’s diversity index (SDI), coefficient of variance of patch size
(PSCOV), area-weighted mean patch fractal dimension (AWMPFD) and core area density (CAD). Based on average elevation
and spatial distributions, landscape patterns in each catchment were analyzed. The effects of human activity and natural
disturbance on regional landscape ecology were also discussed in the paper. All the indices analyzed in each catchment were
synthesized using cluster analysis and combined with dominant landscape type in the catchment to build zoning maps of
landscape. The results suggested that ED and CAD values increased as altitude gradually increased and significant vertical
differentiation characteristics were noted. The SDI values gradually grew smaller with increasing altitude. Then PSCOV values
showed inverted U-shaped trend with increasing altitude. The AWMPFD values did not show significant vertical
differentiation characteristics. Three landscape ecology classes were regionalized in Qixia City. ClassⅠhad the smallest land
area (10.14%) and stable agricultural zones. This implied that the landscape structure and scale were very stable and needed
protection. Class Ⅱ had the biggest land area (50.93%). Here, a variety of landscape types had spatially cross distributions
with complex patchy shapes. This area belonged to the transition zone of natural landscape and cultural landscape which
needed strengthened land use planning and rational distribution of industry. Class Ⅲ had the bigger land area (35.92%) and
was mainly concentrated in high altitude areas with main land use types of woodland and grassland. Thus larger reclamation of
land in this class was a very difficult task in terms of development and utilization. The study argued that the use of landscape
metrics in landscape zoning better reflected prominent landscape features and spatial variation patterns of landscape ecological
structure. To a certain extent therefore, the study provided a significant guidance on planning and utilization of land in Qixia
City.
Keywords Jiaodong Peninsula; Qixia City; Catchment; Landscape index; Ecological structure; Spatial differentiation;
Cluster analysis
(Received Dec. 13, 2013; accepted Apr. 2, 2014)
景观格局分析是景观生态学研究的基本内容 ,
是进一步研究景观功能与动态的基础[1−4]。景观格局
演变是格局与过程相互作用的产物, 其驱动力可以
分为自然和人文两个层面的因素 [5−7], 这两种驱动
力在影响景观格局强度对比方面, 也随着时间和空
间的转变而不断变化。在地形复杂区域, 高程、坡
度、坡向等地理因素是影响人们对自然资源开发和
利用的主要限制因素, 因此山区景观格局也随着高
程的变化呈现出梯度性变化, 从上而下主导驱动力
由自然因素逐步向人文因素转变[7−12]。景观指数作
为景观格局特征的标度, 常常被用来进行区域性景
观格局和动态演化分析。由于景观指数是统计性数
据, 人们逐渐从利用景观指数进行区域景观综合分
析转向研究区内的次级行政区、道路缓冲区、高程
带、坡度带等各种单元进行分区统计。目前山区景
观格局垂直分异研究主要是结合数字高程模型
(digital elevation model, 简称 DEM), 对不同坡度和
高程内的景观类型进行分析, 解释不同研究区景观
格局垂直分异特征及产生的原因[13−16]。这种方法的
缺陷是造成了景观斑块的分割, 而且忽视了区域发
展模式等因素对植被生长、人们生产活动在水平层
面的分布情况。流域是一种重要的自然地理单元 ,
一个流域内部生态系统的功能、信息和能量相对独
立, 经常作为景观格局研究中的研究区域或研究尺
度[11,17−18]。在地形复杂区域, 不同高程、坡向的流域
受到气候、地理、人类活动等因素的影响强度存在
一定差异, 其内部的景观也出现分异。因此, 以流域
为分析单元对山区景观格局进行垂直分异研究, 既
能够从垂直方向研究景观格局的分异特征, 同时兼
顾人类活动等因素对景观格局在水平层面的影响。本
文以栖霞市为例, 在DEM的基础上利用ArcGIS中水
文分析模块把研究区划分为不同的子流域, 结合各
流域的平均高程、自然因素和地区发展模式对研究区
进行景观格局分析。最后将这 5个指数进行聚类分析,
并利用流域主体景观类型进行修正, 获取栖霞市景
观分区图, 以期为栖霞市今后的生态环境改善、土地
利用管理和规划提供一定的参考价值和指导意义。
1 研究区概况
栖霞市位于胶东半岛中部, 地理位置为 120°33′~
121°15′E、37°05′~37°32′N, 土地总面积 2 017 km2。
境内群山起伏, 丘岭连绵, 地形复杂, 海拔 30~815 m,
全市高差 775 m, 属典型山区丘陵地形, 素有“六山
一水三分田”之说, 同时又有“胶东屋脊”之称。海拔
400 m以上的低山有 118座, 以东南的牙山和西北的
艾山两大山系构成了全市西北东南走向的地形屋脊,
其两侧余脉多呈南北走向, 形成低山丘陵及少量河
谷冲积平原, 这些谷地与山丘共同组成栖霞市深壑
狭谷的地貌特征。气候为暖温带湿润半湿润季风气
候, 年降水量 770 mm左右, 降水的季节分布极不均匀,
其中夏季雨水丰富, 多在 500 mm以上, 占年降水量的
65%; 年平均气温 11.3 , ℃ 年光照总时数 2 663.1 h,
第 7期 曹瑞娜等: 基于流域的山区景观格局分析和分区研究 861


全年总蒸发量为 2 013.4 mm, 干燥度 0.8~1.0。该区
域不仅适合小麦、玉米、花生等农作物的生长, 而
且是各种果树特别是苹果栽培的适宜区域, 是我国
苹果主产区之一。
2 数据处理和研究方法
2.1 遥感解译
以栖霞市 2010 年的 TM 遥感影像为基础数据,
运用 ERDAS 软件对遥感影像进行数据预处理, 并
以 1︰25 000 地形图为基准进行几何精校正, 建立
研究区域的数字影像地图。根据研究区概况和研究目
的, 参照全国土地利用分类方法, 将栖霞市土地利用
类型设定为 7 类, 分别为: 耕地、林地、园地、草坡
地、建设用地、水域和未利用地, 生成栖霞市 2010 年
土地利用图(图 1a), 解译精度为 90.82%。各种土地利用
类型的面积分别为: 耕地 338.72 km2、林地 766.32 km2、
园地 222.73 km2、草坡地 283.50 km2、建设用地
331.16 km2、水域 15.19 km2和未利用地 59.38 km2。
2.2 DEM建立及流域划分
采用等高距为 5 m的 1︰25 000地形图, 在 Arc/
Info 的 3D 分析模块下生成栖霞市 DEM 模型, 地势
呈以东南、西北向两边逐渐递减趋势。利用 Arc/Info
的水文分析(hydrology)模块 , 调整集水栅格阈值为
2 000, 并自动生成子流域。经过手工修剪, 去除错
误信息, 最终将栖霞市划分为 300 个子流域。然后,
根据 DEM 和子流域分布图在 Arc/Info 的 Spatial
Analyst模块支持下获取每个流域的平均高程(图 1b)。
平均高程在 150 m以上的流域主要分布在栖霞市东
南和西北区域; 其中, 中东部和西北部流域的平均
高程达到 250 m以上; 平均高程低于 150 m的流域
主要分布在东北、西南以及东南小部分区域, 其中东
北和东南狭小区域内的流域平均高程均低于 100 m。

图 1 栖霞市 2010年土地利用图(a)和各流域的平均高程图(b)
Fig. 1 Land use map in 2010 (a) and average elevation map of catchments (b) of Qixia City
2.3 指数选取
景观指数是揭示景观格局特征的定量性和统计性
指数, 从不同方面对景观格局特征进行表述[19−22], 可
以在单一斑块、斑块类型和景观尺度 3个层次上分析。
目前景观指数主要集中于 5 个方面: 斑块密度、斑块
边界、形状、蔓延度、分散度、连接性和多样性。研
究区属典型山区丘陵地形, 随着近期农村产业结构调
整, 土地利用景观结构随之变化。当地大力发展苹果
产业和林业, 各土地利用类型在面积、斑块、复杂性
等方面均会发生变化。本研究旨在利用景观指数进行
研究区景观格局分析和分区, 根据常用景观指数所反
映的生态学意义和景观特征信息, 并结合研究区景观
特征和地形特征, 最终确定选取边缘密度(ED)、多样
性指数(SDI)、斑块大小变异系数(PSCOV)、面积加权
平均分维数(AWMPFD)和核心区密度(CAD)5 个指数
(表 1), 在景观尺度对栖霞市进行景观格局分析[23−25]。
表 1 景观指数及其说明
Table 1 Landscape indexes and descriptions
指数名称
Index name
指数类型
Index type
英文缩写
Abbreviations
指数说明
Descriptions
边界密度
Edge density
斑块密度和边界
Patch density edge
ED 指示单位面积内边界的长度
Length of the border per unit area
香农多样性指数
Shannon’s diversity index
多样性
Diversity
SDI 指示景观内部地类丰富程度
Richness of the land use type
斑块大小变异系数
Coefficient of variation of patch size
形状
Shape
PSCOV 指示景观内斑块大小的变化程度
Change in patch size
平均面积加权分维数
Area-weighted mean patch fractal dimension
形状
Shape
AWMPFD 指示在以单个斑块面积为权重条件下的景观格局复杂程度
Complexity of landscape pattern with the area of a single patch as weight
核心区密度
Core area density
斑块密度和边界
Patch density edge
CAD 指示单位面积内互不相连的核心区面积
Area of disconnected core areas in a unit area
862 中国生态农业学报 2014 第 22卷


3 结果与分析
3.1 栖霞市景观格局分析
利用 ArcView 的景观分析模块, 对栖霞市各流
域的景观指数进行统计, 并 5 个级别的划分方式对
各流域不同景观指数进行分级, 结果如图 2所示。
从图 2a可知, ED值低于 150的区域主要分布在
栖霞市的东北部和南部流域, 占整个栖霞市总面积
的 3.51%。这些流域都位于地势较低的平坦区域, 平
均高程为 120.66 m, 由于地处栖霞市的远郊区, 主
要地类为耕地而且呈现连片分布, 并且有少量农村
居民点和园地散落分布。ED值介于 180~210范围内
区域占栖霞市总面积的 56.64%, 这些流域的平均高
程为 187.42 m, 其中最低高程为 30 m, 最高为 790 m,
这个区间内的斑块密度在高海拔和低海拔区域具有
很高相似性, 垂直分异特征不明显。ED 值高于 230
的流域主要分布于海拔 250 m 以上的区域, 且呈分
散式分布。从各流域不同级别 ED 值与所在流域平
均高程的相关性来看, 随着海拔增加, ED 也随之增
加。这反映了随着海拔增加, 每个子流域区域内土
地利用类型的斑块数有所增加, 同时表明景观的破
碎化程度和相互之间的隔离程度随之加剧。

图 2 栖霞市各景观指数分布图
Fig. 2 Landscape indexes distribution of Qixia City
从图 2b可得出, 只有栖霞市最北部一个流域的
SDI值低于 0.80, 该流域的平均高程为 145.88 m, 主
要地类为耕地, 其面积占整个流域的 85.76%。SDI
值介于 1.45~1.60 范围内所涉及流域总面积占栖霞
市总面积的 50.36%, 而且呈连片分布。SDI 值低于
1.60 的流域主要分布于建设用地及其附近区域, 这
些区域的地类较多, 各种地类面积占所在流域总面
积的比例比较均匀。由于地形限制, 栖霞市建设用地
多集中于低海拔区域, 这些区域是人们进行生产和
生活的主要场所, 不仅是人文景观的集中区, 同时也
分布着各种自然景观, 随着海拔的增加, 自然景观占
据主导地位, 人文景观逐步减少乃至消失, 因此 SDI
值呈现出由低海拔向高海拔逐步减少的趋势, 而且
从 SDI值的空间分布可以看出, 团聚式的发展模式对
景观多样性在水平空间的分布也会产生影响。
从图 2c可得出, PSCOV值低于 250的流域总面
积占栖霞市总面积的比例为 9.10%, 这些流域主要
分布于栖霞市的农林复合区域, 且高程范围为 120.56~
137.83 m。由于这些区域的土壤、水文和光照都属
于适宜耕作和林果种植的最佳区域, 而且通过当地
的土地整理、地块调整等一系列工程措施, 使得耕
地、园地和林地的斑块面积较为均一, 没有较大差
异, 而且这些流域的空间分布分散, 与当地空间发
展模式和空间布局息息相关。PSCOV 值介于 250~
450内流域总面积占栖霞市总面积的比例为 65.43%,
其中最低海拔为 35 m, 最高海拔为 737.82 m, 垂直
分异特征不具有明显特征。在 800 m及以上区域由
于土地贫瘠, 植被难以生长, 是以裸露岩石和土壤
为主的未利用地集中区域, 这些区域未利用地的斑
块呈连续状分布, 所以 PSCOV值随着高程增加呈现
出类似倒“U”形的曲线变化。
从图 2d可得出, AWMPFD值低于 1.15的流域主
要分布于西部和东北部区域, 这些区域属于地势较
低的平缓区域, 平均高程为 104.62 m, 最高高程为
300 m, 是耕地和建设用地的集中分布区域, 产业布
局和田块布置较为规整。AWMPFD 值高于 1.17 的
流域占据栖霞市大部分面积, 面积比例为 84.19%,
由于地形因素和产业团聚式发展, 不同景观类型交
第 7期 曹瑞娜等: 基于流域的山区景观格局分析和分区研究 863


错分布程度高, 斑块形状复杂。栖霞市除了东北部分
区域外, 整个研究区的 AWMPFD 值变化趋势与高程
的变化趋势不一致, 不具有明显的垂直分异特征。
从图 2e可得出, 核心区反映的是景观类型内部
受外界影响较小的区域, 是生态系统抵抗外界因素
干扰、维持系统平衡的表现。栖霞市北部、南部大
部分流域和中部零星流域内 CAD 值都很低, 在 30
以下, 这些流域为建设用地或林地的集中区域, 自
然因素或人文因素在相应区域综合影响景观格局方
面主导性突出。通过对比 CAD值和流域平均高程空
间分布情况来看, CAD 值随着高程的增加而逐渐变
大, 垂直分异特征明显。
3.2 栖霞市景观生态聚类分析
聚类分析是目前应用比较广泛、分类效果较好
的聚类方法, 主要思路是离差平方和法, 具体操作
步骤为: 首先对新的综合变量资料进行标准化, 再
运用欧式距离系数公式计算每 2 个样本之间的距离
系数, 最后依照离差平方和法对样本进行归类。在
ED、SDI、PSCOV、CAD和 AWMPFD 5个景观指
数分析基础上, 运用 SPSS软件将这 5个景观指数进
行聚类分析, 初步划分为 3个区, 得到栖霞市 300个
子流域分区图(图 3a)。
利用 ArcGIS的 Zonal Statistics模块, 以流域为
基本统计单元, 采用 Majority 统计方式对解译后的
栖霞市景观格局图进行主导景观类型的提取, 获取
每一个流域内的主体景观类型(图 3b)。利用各流域
的主体景观类型与综合指数分类图进行叠加, 最终
形成栖霞市景观分区图(图 3c)。

图 3 栖霞市 300个子流域分区图(a)、流域主体景观类型图(b)和景观格局分区图(c)
Fig. 3 Classification map of 300 catchments rivers (a), dominant landscape types of each catchment (b) and landscape pattern
zoning map (c) in Qixia City
一类区占栖霞市总面积的 10.14%, 主要分布在
研究区的东北部、东南部和西北部, 该区域地貌以
台地和浅丘为主, 坡度平缓, 是农作物种植的稳定
农业区; 林地和园地主要集中在耕地区外围, 斑块
形状规整、斑块面积变异程度小、景观类型单一, 形
成景观结构、规模都稳定的景观格局; 草坡地较少,
集中在中东部海拔较高区; 建设用地主要集中在经
济较发达的栖霞市城区、桃村镇和经济开发区。由
于该区域适宜人类居住, 耕地占用情况易发, 为满
足粮食需要, 必须严格执行保护耕地政策和控制建
设用地占用耕地量, 保持稳定的景观格局, 尽量减
少人为干扰。
二类区占栖霞市总面积的 50.93%, 耕地、林地
和园地分布较多, 这个区域内景观的 ED 值为 150~
210, 景观类型较之一类区丰富。由于距离栖霞市中
心区域空间距离远, 缺乏有效规划和产业调整, 各
种景观类型呈现空间交错分布, 斑块形状复杂, 属
于自然景观和人文景观的过渡区域, 人文景观与自
然景观之间物质、能量、信息交换得到充分体现, 有
利于维持建设用地内部的环境质量。苹果产业是栖
霞市的支柱产业之一, 同时由于人口的增加、城市
规模不断扩张, 耕地资源匮乏, 因此需要加强这个
区域的土地规划和产业合理布局, 尽量少占用耕地,
维持和优化区域内的生态系统和景观结构。
三类区占栖霞市总面积的 35.92%, 主要分布在
栖霞市西部和中部中高海拔区域, 林地和草坡地分
布较多。景观 PSCOV值在 450以上, 而且 ED值在
180~210 范围内浮动, 这表明该区域内的景观破碎
化程度和相互之间的隔离程度大大加剧, 人为干扰
加剧。因此, 该区域内的草坡地和林地需要进一步
调整, 实现景观类型的连续分布。
此外, 未利用地主要分布在海拔高于 300 m 以
上的区域内, 集中在栖霞市中东部的艾山和牙山附
近。随着坡度和海拔的增加, 其开垦利用的难度增
864 中国生态农业学报 2014 第 22卷


加。该区域内海拔相对较低区的土层浅薄难以开发,
可以适当种植草木, 改善生态环境。
4 讨论与结论
景观生态学是一门应用性很强的科学, 但是在
我国具体理论与实践结合的过程中, 景观理念与具
体的土地利用方式往往存在有一定冲突, 因此实现
景观分区理论与我国土地利用、管理、监测的结合
是我国景观生态学研究的重要方面。本研究以地形
图和 TM遥感影像为基础数据, 建立 DEM模型, 构
建研究区空间数据库, 进行流域尺度的山区景观格
局分析和分区研究, 得到的主要结论如下:
1)通过子流域尺度的景观指数、海拔和土地利
用类型相关分析, 探讨了研究区各子流域范围内景
观格局的空间差异和分布特点, 揭示人类活动、自
然干扰等景观生态机制对区域景观生态的影响。其
中, ED值和 CAD值随着海拔的增加而逐渐变大, 垂
直分异特征明显; SDI 值呈现出由低海拔向高海拔
逐步减少的趋势; PSCOV值随海拔的增加呈现出类
似“倒 U型”曲线; AWMPFD值不具有明显的垂直分
异特征。
2)采用聚类分析法, 结合流域主体景观类型对
研究区进行分区, 把各土地利用类型分别划分为 3
个景观生态类型区。一类区面积最小(10.14%), 该区
域是农作物种植的稳定农业区, 景观结构和规模都
很稳定, 需要继续保护; 二类区面积最大(50.93%),
各种景观类型呈现空间交错分布 , 斑块形状复杂 ,
属于自然景观和人文景观的过渡区域, 需要加强该
区域的土地规划和产业合理布局; 三类区面积较大
(35.92%), 主要集中在中高海拔区域 , 林地和草坡
地居多, 开垦难度较大。
利用流域进行山区景观研究, 可以同时在垂直
和水平两个层面对景观格局进行分析, 不同于以往
利用高程带进行山区景观格局分析所造成的水平层
面景观信息的缺失。流域是地理生态单元, 可以视
为一个内部物质、能量与外界不断交流的相对闭合
系统, 利用流域作为景观分析的基本单元, 从生态
角度考虑有一定可行性, 但是在人文景观占主导地
位的区域, 尤其是我国土地利用方式和规划体系都
是以行政界线为落实土地利用的基本单元, 容易引
起景观格局分析出现偏差。栖霞市属于典型的山地
丘陵地形, 境内沟谷纵横, 自然景观占据主导地位,
因此采用流域作为景观分析的基本单元比以乡镇
界、村界为基本单元的景观分析精确度要高一些。
通过景观指数进行景观分区, 需要与研究区的现状
紧密结合, 尤其是景观尺度的景观指数, 仅能够反
映出整个范围内的景观结构特征, 并不能体现具体
的土地利用方式与利用景观指数分区的紧密结合 ,
因此必须通过地类尺度或者斑块尺度的景观指数 ,
以及实际土地利用情况进行修正, 才能最终实现土
地利用与生态分区的一体化。
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