基于arcgis的崇州營林河景觀設計

基于arcgis的崇州營林河景觀設計

天然林保護工程是我國六個生態(tài)工程之一，旨在控制中國森林資源的過度開發(fā)利用，遏制森林資源的削減，為天然林區(qū)的森林資源提供恢復和恢復的空間。盡快恢復森林潛力的凈生長期，擴大森林資源，提高林分質量，優(yōu)化林分結構，增加林覆蓋率。因此,天保工程實施前后必然會引起森林景觀的較大變化,森林景觀是以森林生態(tài)系統(tǒng)為主體所構成的景觀,既有獨立的完整結構及相應的生態(tài)學、經(jīng)濟學和社會學功能,又有明顯的視覺特征和美學價值,是邊界明確、在空間上可辨識的地理實體(Formaneta1.,1986;鄔建國,2000)。森林景觀研究的目的在于通過對森林景觀結構、功能、動態(tài)變化、相互影響及控制機制的研究,揭示基本規(guī)律和掌握調控手段,并通過科學的規(guī)劃設計對景觀實施生態(tài)保護、恢復、建設和管理(Baskenteta1.,1999:郭晉平,2001)。馬爾柯夫模型被廣泛地用于解決植被生態(tài)預測與景觀變化(HulstR.,1979;陽含熙,潘愉德等,1988:王樹立,劉大興,1991;陳建忠,周世勇等,1994:王學雷,吳宜進,2002;王斌,劉華等,2005),對景觀要素進行動態(tài)分析,可以有效地揭示研究地區(qū)景觀整體變化的規(guī)律可能的影響因素(徐濟德、郎奎建,2004),為提高景觀管理和人為控制措施的科學性提供依據(jù)(張蕓香,1998)。本文以崇州國營林場干溝工區(qū)為例,以主導的植被類型或土地利用類型進行景觀要素分類(Naveheta1.,1994;肖篤寧等,1998),利用GIS建立量化的、空間化的環(huán)境數(shù)據(jù)庫,分析景觀要素的格局特征及動態(tài)變化(郭晉平等,1999a:1999b:韋新良等,1997:王曉春等,2003;陸元昌,2005),比較“天保工程”實施前后區(qū)域景觀變化。1降水量、一般資料干溝小流域位于林場東北部,山體相對高差1200m～2200m,地形破碎,山坡陡峭,下切強烈,多呈“V”型,坡度大多在30°～45°。林區(qū)氣候為中亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)的山地氣候類型,雨量充沛,雨期長,云霧多,日照少,濕度大,風速小。年平均氣溫12.3℃,1月最低氣溫-8℃;7月最高氣溫32.7℃。全年降雨天數(shù)180d左右,年均降水量1300mm～1450mm,6月～9月降水量占全年的70%。年均濕度86%,年均日照641.6h,無霜期200d～230d。該流域的權屬分為國營和集體兩部分,由于集體這部分多年來沒有統(tǒng)一的規(guī)劃和調查資料,因此時空動態(tài)分析時只考慮資料較為齊全的國營部分,即干溝工區(qū)的經(jīng)營范圍。該工區(qū)經(jīng)營較為成熟,天然林保存面積不大,多為人工林。天然林多為次生性的,林齡多在20a～45a之間,主林冠高度在12m～18m,主要有領春木(Eupteleapleiospermum)、潤楠(Machilussichuannensis)、楠木(Phoebezhennan)、瓦山栲(Castanopsisceratacantha)、馬木姜(Litseaszechuanica)、燈臺(Comuscontriversa)、川梓皮(Cinnamomummairei)等。人工林有柳杉(Cryptomeriafortunei)、杉木(Cunninghamialanceolafa)、水杉(Metasquoiaglyptostroboides)成林,林齡在25a～40a間,樹高為12m～18m,另有柳杉、亮葉樺(Betulaluminifera)、禿杉(Taiwaniaflousiana)、刺楸(Kalopanaxseptemlobus)幼林,樹高4m～6m。2景觀要素的動態(tài)轉化收集了1987年(實為1986年)二調資料和2004年的實測數(shù)據(jù),在GIS軟件系統(tǒng)的支持下將這些數(shù)據(jù)矢量化,建立林相圖、小班圖。景觀要素的劃分以植被起源和優(yōu)勢成分為主要依據(jù),該區(qū)域集體林和其它景觀要素歸入其它,建立的一級景觀分為人工純林、人工混交林、人工純幼林、人工混交幼林、次生林、次生灌叢和其它共7種類型(蔡小虎,2005,未發(fā)表),二級景觀分為柳杉純林、柳杉混交林、杉木純林、杉木混交林、柳杉純幼林、水杉混交林、禿杉混交林、白夾竹灌叢、八仙花灌叢、軟闊和其它共11個類型。將2004年的景觀現(xiàn)狀圖疊加到1987年的景觀現(xiàn)狀圖上,分析1987年景觀要素向2004年轉化情況,進而比較1998年與2004年景觀現(xiàn)狀,以此分析“天保工程”前后的景觀變化。馬爾柯夫(Markov)模型是研究事物的狀態(tài)及其轉移的理論,它是通過對不同狀態(tài)的初始概率及其狀態(tài)之間轉移概率的研究來確定狀態(tài)的變化趨勢,從而達到對未來進行預測的目的(崔振洋,李曉亮等,1994)。馬爾柯夫模型用轉移概率矩陣模擬景觀從一種狀態(tài)向另一狀態(tài)轉移的動態(tài)過程,是一系列特定的時刻間隔下,一個亞穩(wěn)定系統(tǒng)由T時刻狀態(tài)向T+1時刻轉化的一系列過程。無論其初始狀態(tài)如何,總存在一個由轉移概率矩陣唯一確定的穩(wěn)定狀態(tài)。用馬爾柯夫模型表示為:A(T+!)=A(T)Pnijnij式中,A(T+1)為景觀在T+1時刻的狀態(tài),稱為期末狀態(tài)向量:A(T)為景觀在T時刻狀態(tài),稱為期初狀態(tài)向量;Pij為轉移概率矩陣。設T到T+1時刻景觀要素i轉變?yōu)榫坝^要素j的轉移概率矩陣為:Ρij=|Ρ11?Ρ1m??Ρm1?Ρmm|Pij=∣∣∣∣∣P11?Pm1??P1m?Pmm∣∣∣∣∣式中,m為景觀類型個數(shù),假定在動態(tài)過程中保持不變,且:1)0≤Pij≤1(i,j=1,2,…,m);2)m∑i=1m∑j=1Ρij=1∑i=1m∑j=1mPij=1。以年為單位,把景觀變化分成一系列的離散的演化狀態(tài),從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的轉化速率通過各時間段內某類景觀要素的年平均轉化率獲得。初始狀態(tài)矩陣以1987年各景觀要素所占的面積百分比表示。3結果與分析3.1景觀要素類型的轉移概率初始狀態(tài)矩陣At=[0.21600.06740.02670.025100.00840.6563]=[人?純林人?混交林人?純幼林人?混交幼林次生林次生灌叢其它]由1987年～2004年時間段(18a)景觀要素類型的面積的轉化情況(hm2)(表1)求出各景觀要素的平均轉化情況,再由平均轉化情況求出1987年～2004年各景觀要素類型的轉移概率矩陣(表2)。利用Excel計算一級景觀分類經(jīng)過18a到2004年的轉移概率,結果如表3所示。將初始值At與表3所得的轉移概率相乘,求得2004年各景觀類型所占的比例。將2004年景觀類型的實際值與利用馬爾柯夫過程預測的結果進行比較(表4),在p=0.05的水平上兩者差異不顯著,模擬結果與實際情況吻合。在這18a間,其它、人工混交林、次生灌叢和次生林等景觀類型均有一定的增加,而人工純幼林、人工混交幼林、人工純林均有減少。這一方面是由于林分生長的轉化,另一方面是由于人工純林一部分演化為人工混交林,或其采伐跡地轉化為次生灌叢、次生林,也有一部分向其它類型轉化。1998年～2004年期間,人工純林、人工混交幼林和人工純幼林減少較多,而次生林、人工混交林和次生灌叢有所增加,這主要是因為這些人工幼林已經(jīng)演化成為成熟林。同時,人工純林采伐后的更新已經(jīng)向混交林、次生灌叢或次生林方向發(fā)展,造林方式上也有所改變,由營造純林向混交林或自然更新方向發(fā)展。其它類型增加較少,在這6a中僅增加了0.44%,可見其它類型的轉化主要在天保工程實施前。3.2景觀要素類型的轉移概率矩陣初始狀態(tài)矩陣At=[0.13990.07560.076l0.01700.0267000.0084000.6563]=[柳杉純林柳杉混交林杉木純林杉木混交林柳杉純幼林水杉混交林禿杉混交林白夾竹灌叢八仙花灌叢軟闊其它]由1987年～2004年時間段景觀要素類型的面積的轉化情況(表5)求出各景觀要素的平均轉化情況,再由平均轉化情況求出1987年～2004年各景觀要素類型的轉移概率矩陣(表6)。利用Excel計算二級景觀分類經(jīng)過18a到2004年的轉移概率,結果如表7所示。將初始值At與表7所得的轉移概率相乘,求得2004年各景觀類型所占的比例。將2004年景觀類型的實際值與利用馬爾柯夫過程預測的結果進行比較(表8),在p=0.05的水平上兩者差異不顯著,模擬結果與實際情況吻合,因此對1998年的三級景觀分類的預測結果也是可信的。從表中可看出,干溝工區(qū)的主要林分是柳杉純林,其它類型增加的面積最大,2004年的預測值與實際值差異也最大,其次為白夾竹灌叢、軟闊,分別增加0.95%利0.67%,杉木純林減少最多(3.4%),其次為柳杉純幼林。也就是說,經(jīng)過18a的演化,杉水純林被改造為柳杉林或轉化為次生灌叢、軟闊、其它類型等,柳杉純幼林也同期向柳杉成熟林轉化。將2004年與1998年的景觀結果進行比較,差異最大的是杉木純林,其次為軟闊、白夾竹灌叢,而且傳統(tǒng)的造林樹種如柳杉、杉木有所減少,各種不同的灌叢、軟闊、水杉、禿杉面積均有所增加,說明工區(qū)的經(jīng)營活動已經(jīng)向多樹種方向發(fā)展,注重軟闊、次生灌叢的恢復,反映了工區(qū)的經(jīng)營活動已經(jīng)由經(jīng)濟效益向生態(tài)和經(jīng)濟效益并重的方向發(fā)展。4景觀格局變化的模擬分析