景观生态学实验指导2-海淀的浪荡汉子

景观生态学实验郑景明编写学年2013-2014第1页练习二Fragstats的基本操作练习一、景观格局指数计算过程：上一节课我们演示了遥感图像的前处理过程，今天请大家练习一下基于ArcGrid格式的景观格局指数计算操作步骤，上次课已经有部分同学操作过了。演示：基于ArcGrid格式的景观格局指数运算；frg文件（参数文件）的保存与调入；步骤：1、打开Fragstats，打开RunParameters页面，设置输入文件类型为ArcGrid，设置输入文件为数据文件夹下的northbj99（Grid格式），设置输出文件自命名（如zhouliang99）。勾上ClassMetrics和LandMetrics复选框。2、在类型水平指数页面上（ClassMetrics），选择总面积、面积百分比、斑块数、边缘密度、平均斑块面积、平均斑块形状指数、平均最近邻体距离、邻近百分比、聚集度、凝结度指数（10个）。3、在景观水平指数页面上（LandscapeMetrics），选择蔓延度、香农多样性指数、丰富度、香农均匀度指数（4个）。4、File菜单下选择Save，保存参数文件到northbj99.frg。5、点击Execute，进行指数计算。互动：请同学到教师机上操作，完成10+4个常见景观指数计算的设置过程（主要要求：参数设置、类型水平指数选取、景观水平参数选取、frg文件（参数文件）的保存与调入）。二、各类景观指数详解（功能和规律）：建议：同学们在掌握指数的时候，先理解指数表示的意义，再理解指数的变化规律，比如指数增加说明了什么问题，减少又说明了什么，然后再看看指数的计算公式、了解一下指数的限制条件。1、面积/密度/边界指数分析斑块平均面积（MPS）包括整个景观的斑块平均面积（MPS）和单一景观类型的斑块平均面积（MPSi），可用来描述景观粒度，在一定意义上揭示景观破碎化程度。最大斑块指数（Largestpatchindex，LPI）指某类型中最大斑块的面积占整个类型面积的比例（类型水平），或者是景观中最大斑块的面积占整个景观面积的比例。LPI表示最大斑块对整个类型或者景观的影响程度。边界密度（edgedensity，ED）用于揭示景观或类型被边界分割的程度，是景观破碎化程度的直接反应，边界密度越高，反映景观破碎度越高。同时边界密度越大，表明景观（类型）的边缘效应显著，开放性强，易于同周围斑块的物质能量流流通。2、形状指数分析周长面积比（perimeter-arearatio，PARA）是斑块的自身周长和其面积之比，可以看景观生态学实验郑景明编写学年2013-2014第2页作是对斑块形状复杂程度的简单测度。一般来讲，斑块形状越复杂，其周长面积比值越大，但这个指标也会随斑块大小的变化而波动。形状指数（shapeindex,Shape）的值大于等于1。等于1时，形状最简单；大于1时，指标值越大，说明斑块形状越复杂。其特点是指标值的量度不受斑块面积的影响。形状指数分景观形状指数（LSI）和平均斑块形状指数（MSI）。分维数（fractaldimension，FRAC），主要是定量描述其核心面积的大小及其边界线的曲折性。越靠近1，其形状越简单（如正方形的分维数为1）；而如果斑块形状越复杂，其分维数也会随之增高。分维数分平均斑块分维数（MPFD）和周长—面积分维数（PAFRAC），其中周长—面积分维数越小，景观形状越复杂。3、蔓延度/聚集度/凝结度指数蔓延度（Contagion，CONTAG）是景观水平的指数，其单位为%，它与边缘密度呈负相关。当一个类型的斑块占据了景观中较大的面积，同时边缘密度也较低的时候，景观的蔓延度就会很高；反之亦然。同样斑块的分散度较低时，景观也会具有较高的蔓延度；反之亦然。聚集度指数（AggregationIndex，AI）来源于斑块类型水平上的邻近矩阵的计算，在景观水平上则是通过各个类型斑块面积加权平均计算而得。就斑块类型水平而言，景观中的同类型斑块被最大程度的离散分布时，其聚集度为0；当此类型斑块聚集的更加紧密时，聚集度也随之升高；当景观中的此类型斑块被聚合成一个单独的、结构紧凑的斑块时，聚集度为100。测量这一个景观的聚集度可以解释该景观组分可能的最大邻近度。聚集度只计算同类型斑块的邻近程度，而不反映不同类型的邻近程度。景观凝结度指数（COHESION，也叫景观导度指数）是测量景观类型的空间连接度的指数，值越大，说明景观的空间连通性越高。4、多样性/均匀度/优势度指数分析Shannon多样性指数（Shannon'sDiversityIndex，SHDI）反映景观要素的多少及各景观要素所占比例的变化。当景观由单要素构成时，景观是匀质的，其多样性指数为0；随着景观类型的增加或者随着不同类型的景观类型分布的更加均衡，多样性指数也会随之上升，当各景观类型所占比例相等时，其景观多样性最高；各景观类型所占比例差异增大，则景观的多样性下降，取值范围大于等于0。优势度指数（DominanceIndex，LDI）描述总景观格局中某种或某些景观类型支配景观的程度，反映了景观多样性与最大多样性的偏差。优势度大，表明景观只受一个或少数几个类型所支配；优势度小，表示各种景观类型所占比例大致相当。优势度为0，表示组成景观各种景观类型所占比例相等；景观完全均质，即由一种景观类型组成。Shannon均匀度指数（Shannon'sEvennessIndex，SHEI）：和优势度一样，也是描述景观由少数几个主要景观类型控制的程度，这两个指数可以彼此验证。没有单位，范围介于0到1之间。当整个景观中只有一个斑块时，Shannon均匀度指数为0；整个景观中的分布极不均衡时，指数接近于0；当整个景观中的类型分布极其均匀时，均匀度指数为1。破碎度指数（FragmentationIndex，LFI）是指景观要素被分割的破碎程度，反映景观空间结构的复杂性和人类活动对景观结构的影响程度。在目前的文献中，破碎度指数有三种计算公式，一种相当于景观水平的斑块密度PD，一种是PD乘以最小斑块面积，一种是景观生态学实验郑景明编写学年2013-2014第3页（NP-1）/MPS。我们采用最后一种计算公式，即（斑块数-1）/平均斑块面积，该公式可以计算类型水平和景观水平的破碎度。Fragstats没有提供破碎度指数的计算功能。多样性指数、优势度指数、均匀度指数、破碎度指数，外加一个聚集度指数，被认为是景观生态学表征景观水平的五大综合性指数。在很多文献中，提到景观水平，往往只分析这五大指数，我们知道，这并不是景观水平指数的全部，但也凸显了这五大指数的重要性。5、景观指数的局限景观指数可以用来表征景观格局，但是景观指数并不是表征格局的唯一方法，还有空间统计学等途径；景观指数不是万能的，景观生态学有很多内容用景观指数是表征不出来的；景观指数与景观格局并不是一对一的对应关系，而是多对多的关系，我们分析的时候要具体问题具体分析，不要陷入指数这样变就一定对应什么结论的思维定势；我们计算指数，主要通过定量的依据来证明定性的结论，不能为计算而计算，玩数字游戏，如果某个指数说明不了什么问题，那么这个数字就没有任何意义。三、课堂练习：1、掌握基于ArcGrid格式的景观格局指数运算的操作步骤。同学们在验证的时候，类型水平指数（ClassMetrics）只要求选择总面积、面积百分比、斑块数、边缘密度、平均斑块面积、平均斑块形状指数、平均最近邻体距离、邻近百分比、聚集度、凝结度指数（10个），景观水平指数（LandscapeMetrics）只要求选择蔓延度、香农多样性指数、丰富度、香农均匀度指数（4个）。输出的结果文件请自定义文件名。结果计算出来后，与第一次课整理过的northbj99.class和northbj99.land对比。注：如果是在宿舍试验的时候，由于Fragstats软件运算时间较长，建议只选NP（斑块数）、ED（边缘密度）、SHAPE_MN（平均形状指数）三个类型水平指数和SHDI（香农多样性指数）一个景观水平指数进行计算即可。2、验证之后，思考一下北京城区1999年的景观格局如何分析。3、下节课完成北京城区1984年的景观格局指数计算，学有余力的同学再完成1991年的景观格局指数计算。自己保存课堂练习的计算结果，以便后面进行实验报告的分析和写作。四、景观指数的应用讲解1、请同学们自学《圆明园环评》中景观指数的运用。2、讲解案例。五、预告：综合作业：分析比较1984~1999年北京城区景观动态变化。1、以Word形式提交，至少要有1984、1999两年份的比较，学有余力的同学可将1991年数据也加进来分析。2、按第一次课要求，整理计算结果为Excel形式。景观生态学实验郑景明编写学年2013-20143、从面积/密度/边界指数、形状指数、多样性/均匀度指数三大类景观指数中，选取不少于6个类型水平指数和不少于3个景观水平指数，进行计算。景观水平的多样性/均匀度指数必选；平均最近邻体距离、邻近百分比、聚集度、凝结度指数大家可以试着计算，但不要求分析。4、可以同年份横向比较，分析各土地类型之间的差异、破碎化程度等；也可以不同年份纵向比较，分析某土地类型（如城市用地）的变化规律。要求有整体的比较（景观水平.land）和分类型的比较（类型水平.class）。附录：主要景观指数计算公式(个别指标请自行补充)景观指数（栅格数据结构）缩写描述1.斑块数NP景观中斑块的总数。取值范围：NP≥1，无上限。2.边界密度ED610AEED景观中所有斑块边界总长度（米）除以景观总面积（平方米），再乘以106（转换成平方千米）。取值范围ED≥0，无上限。3.最大斑块指数LPI100aaaxn1AMLPI，，景观中最大斑块的面积（平方米）除以景观总面积（平方米），再乘以100（转换成百分比）。取值范围：0LPI≤100。4.平均斑块面积MPS610NAMPS景观中所有斑块的总面积（平方米）除以斑块总数，再乘以106（转换成平方千米）。取值范围：MPS0，无上限。5.景观形状指数LSIAELSI25.0景观中所有斑块边界的总长度（米）除以景观总面积（平方米）的平方根，再乘以正方形校正常数。取值范围：LSI≥1,无上限。当景观中只有一个正方形斑块时，LSI＝1；景观中斑块形状不规则或偏离正方形时，LSI值增大。6.平均斑块形状指数MSINa0.25Pm1in1jijij＝MSI景观中每一斑块的周长（米）除以面积（平方米）的平方根，再乘以正方形校正常数，然后对所有斑块加和，再除以斑块总数。取值范围：MSI≥1，无上限。当景观中所有的斑块均为正方形时，MSI=1；当斑块的形状偏离正方形时，MSI增大。第4页景观生态学实验郑景明编写2013-2014学年7.平均斑块分维数MPFDNPMPFDm1in1jijijaln0.25ln2＝）（2乘以景观中每一斑块的斑块周长（米）的对数，0.25为校正常数，除以斑块面积（平方米）的对数，对所有斑块加和，再除以斑块总数。取值范围：1≤MPFD≤2。也就是说，MPFD是景观中各个斑块的分维数相加后再取算数平均值。8.聚集度CONTAG100m2lnln1m1in1jijij＝）（）（PPCONTAG式中，m是斑块类型总数，是随即选择的两个相邻栅格细胞属于类型i与j的概率。聚集度指数通常度量同一类型斑块的聚集程度，但其取值还受到类型总数及其均匀度的影响。取值范围：0CONTAG≤100。ijP9.平均最近邻体距离MNNNMNNm1in1jijh＝＝景观中每一个斑块与其最近邻体距离的总和（米）除以具有邻体的斑块的总数，无上限。10.散布与并列指数IJI))1(5.0ln(ln11mmEeEeIJImimikikik其中，E为斑块边缘总长度，为景观类型i和景观类型k之间的斑块边缘总长度，m是斑块类型总数。IJI取值范