景观生态规划与设计：GIS在景观生态规划与设计中的应用.ppt

景观生态规划与设计地理学透视,2004.11,GIS在景观生态规划与设计中的应用,GIS景观生态研究的核心工具,分析景观空间格局及其变化确定不同环境和生物学特征在空间上的相关性确定斑块大小、形状、毗邻性和连通度分析景观中物质、能量和生物流的方向和通量对景观动态模拟模型加以实现景观变量的图像输出,内容纲要,景观结构与功能 景观动态与模拟 景观生态规划与设计,景观结构,景观格局分析,研究景观的结构（即组成单元的特征及其空间格局）是研究景观功能和动态的基础空间格局分析方法是指用来研究景观结构组成特征和空间配置关系的分析方法景观格局分析方法景观指数,景观指数是指能够高度浓缩景观格局信息，反映其结构组成和空间配置某些方面特征的简单定量指标主要分为三个层面：斑块水平：针对单个斑块特征的分析景观类型水平：针对若干个斑块组成的某景观类型的分析景观区域水平：对包括若干个景观类型的整个景观区域的分析景观格局分析方法空间统计学,空间统计学的目的是描述事物在空间的分布特征（如随机的、聚集的或有规则的），以及确定空间自相关关系是否对这些格局有重要影响主要方法有空间自相关分析、半方差分析、趋势面分析、谱分析以及克里格空间插值方法等等。

空间自相关分析,空间自相关分析的目的是确定某一变量是否在空间上相关，其相关程度如何，主要用于定量的描述事物在空间上的倚赖关系分析步骤如下：（1）取样（2）计算空间自相关系数或建立自相关函数（3）自相关显著性检验,空间自相关分析,Moran的I系数和Geary的C系数计算公式分别是：,Anselin的Local Index of Spatial Autocorrelation（LISA）：,NDVI LISA,空间自相关分析LISA示例,克里格法,原理：它假定采样点之间的距离或方向表现出一定的空间相关性，这种相关性将有助于描述表面克里格内插通过对一定数量或一定半径内所有点满足一个数学函数来确定某个输出点的值如果知道数据的空间相关距离和方向的偏移量时，最适合使用此种方法它经常用于土壤学和地质学克里格法,采样点值分布,普通克里格插值,克里格法,景观格局研究小节,景观数据类型：点数据、定量空间数据、定性空间数据以及非空间数据空间分析方法：格局指数方法与空间统计学方法前者用于空间非连续的类型变量数据，后者主要用于空间上连续的数值数据景观结构决定景观功能,景观结构与功能,景观结构指不同景观生态系统或景观单元的空间关系。

也被认为是景观生态系统的大小、形状、数量、类型及空间配置相关的能量、物质和物种的分布景观功能指景观单元之间的相互作用也指生态系统组分间的能量、物质和物种流虚拟景观结构,理想景观功能表面,实际景观功能表面,景观结构对功能的影响,景观结构与功能的联系纽带,景观结构与功能联系纽带景观连通度,景观连通度指景观空间结构单元之间的连续性程度包括景观空间结构连通度和功能连通度前者指景观在空间上表现出来的表现连续性，可通过航片、卫片及各类地图来确定后者是以所研究的生态学对象或过程的特征来确定景观连续性景观连通度对于生态保护及社会经济活动联系皆有一定的重要性 以动植物为例，除了需要足够的数量的生境外，他们的生长和繁殖还往往需要景观中生境斑块间有一定的连续性，许多生态学过程都在不同程度上受到斑块间的距离和排列格局影响，而城市内部经济活动的运作亦需要一定密集的建成区及交通网来支持景观连通度研究意义,景观功能的空间作用受自然、社会经济因子及景观格局影响，故分析其空间差异时，需基于不同功能需要，考虑驱动与限制因子，在此利用耗费分析，作为景观功能空间差异分析的依据景观功能连通度研究方法,耗费分析（ Cost Analysis）,耗费距离（cost distance，或最小加权距离shortest weighted distance）与普通欧氏距离相似之处，在于强调点与点之间空间上的相对关系，但耗费距离不同于点与点之间实际距离，而是利用物质、能量在不同表面传输的耗费系数，计算每个单元与源点单元之间的最小的耗费距离，另外，耗费距离的计算亦是采用耗费单位而不是欧氏距离的地理单位。

耗费分析基本概念,节点（Node）链接（Link）耗费距离（Cost-distance）累积耗费距离（Accumulative Cost-distance）最小耗费路径（Minimum-cost path）最小耗费方向（Minimum-cost direction）最小耗费分区（Minimum-cost allocation）,耗费分析分析步骤,数据准备 循环计算 最小耗费方向计算 最小耗费分配计算 最小耗费路径计算,耗费分析数据准备,获得源点和耗费值的分布，其中源点数据相当于是具有影响力的功能区核心，耗费值数据则是功能影响在表面通过时受到的阻抗输入层（input grid）,输入层（input grid）,耗费分析循环计算,耗费分配产生的结果非常接近于欧氏分配方程，比如说，结果图件同样是代表每个单元属于哪个源点，不同之处在于，耗费分配在划分单元时，考虑了与源点的最小耗费距离折返链接方向分布（back-link output）,耗费分配（cost allocation）,耗费分析最小耗费方向与分配计算,耗费分析最小耗费路径计算,案例研究1,基于耗费模型的景观功能网络构建,景观功能网络,景观功能网络是基于一定功能的景观斑块及廊道，在不同尺度空间中相互联系的实体。

相对于以强调空间结构为主的景观网络，景观功能网络则具备跨尺度的功能联系，并具有特定的景观类型组成及功能等级影响其功能的空间结构因素主要包括内部节点及廊道、网络自身的环度与连通度及其景观格局特征景观功能网络构建模式,景观功能网络核心问题,功能节点与联系廊道的确立: 节点与廊道的实体是网络空间结构的基础，亦是功能服务在空间中延伸与发展的根本功能影响（服务）范围: 由于地理隔离和基础设施建设及景观单元与格局特征的影响，功能网络的节点具有一定的服务范围，并联系着范围内部的子节点，牵动着不同尺度的景观单元，故于网络构建的过程中，必须明确功能范围功能节点选取,功能节点分布图,功能节点选取指标,城市功能网络中，功能节点应为区域行政中心或主要人口集居地，达到特定人口规模、人口密度或非农人口到达一定比例的地域，工业、商业或运输中心 景观功能空间化,景观功能耗费系数,景观功能耗费系数分布,城市功能网络中，各种景观类型对城市功能的耗费各不相同，基于城市扩展概率的模拟，对各种景观类型的耗费系数加以计算并进行空间表现 最小累积耗费距离的计算,基于节点分布与景观耗费系数的空间分布，利用最小耗费聚离算法，可获得区域内最小累积耗费距离分布。

景观功能网络节点功能服务区划定,基于廊道的连通度及功能随着与节点距离增加而衰减的特性，利用最小耗费聚离，可划分城市功能网络的服务区景观功能网络联系廊道确定,基于廊道的连通度及功能随着与节点距离增加而衰减的特性，利用最小耗费聚离，可确定城市功能网络的廊道结构景观功能网络的应用,基于节点分布、联系廊道与景观功能分区，可了解节点之间的冲突或廊道的不完善以及服务区的不确定，从而对区域持续发展提出宏观战略建议相关讨论,算法本身的不完备性空间单元大小的不确定性功能类型划分的依据耗费系数的准确性,相关软件平台及命令,软件平台：ESRI的ARCGIS系列Clark的IDRISI系列相关命令：Cost distance (耗费距离)Cost direction (耗费方向)Cost allocation (耗费分区)Cost path (耗费路径),内容纲要,景观结构与功能 景观动态与模拟 景观生态规划与设计,景观动态与模拟,景观动态指斑块镶嵌结构与功能随时间的变化景观动态模拟可以从两个层次上进行，首先是变化过程包含的信息量，其次是采用的数学方法前者包括景观整体变化、景观分布变化和景观空间变化后者又包括对时间和空间进行微分或差分两种。

景观动态模拟,景观的初始状态 景观变化的方向 景观的变化率 景观变化的可预测性 景观变化的可能性及程度,景观模拟的主要模型,空间概率模型 元胞自动机模型 景观机制模型,空间概率模型,空间概率模型主要有空间马尔柯夫模型，是用于植被动态和土地利用格局变化最早也是最普遍的模型式中，Nt和Nt t分别是t和t t时刻的状态向量，P是转化概率矩阵空间概率模型改进方法,将景观根据其空间特征区域化，然后分别计算其转化概率如果区域小到一个像元，那么下面的公式可用于每个像元：,式中，Nt和Nt t分别是t和t t时刻r行c列像元位置上状态向量，Prc是反映该空间位置上异质性特点的转化概率矩阵计算不考虑空间格局本身对转化概率的影响，反映的是景观的总概率，因此它们在预测景观中某些斑块类型变化的面积比例时可以相对准确，但其空间格局方面的误差通常很大空间概率模型不足之处,CA理论中的网格会像有机生物一般，有移动、成长、灭亡与自我复制等类似的行为就形式而言，CA理论具有三个特征：（1）并行计算（parallel computation）每一个元胞个体都同时同步的改变2）局部性（local）元胞的状态变化只受周围元胞的影响。

3）一致性（homogeneous）所有元胞均受同样的规则所支配元胞自动机（Cellular Automata）,元胞自动化理论的组成要素包括：网格、网格状态、邻近区、演化规则等四项元胞自动机组成要素,von Neumann四邻近型及其扩充型,Morre八邻近型及其扩充型,以半径选取圆形区域为邻近区,元胞自动机演化规则示例,元胞自动机演化过程示例,CA演化规则的组成要素,CA理论模式的核心即为演化规则，每一项规则中所包含的因子，以及这些因子本身及其相互的影响，其关系如何定位，牵系着整个CA理论模式的演化在每一条演化规则中，包含了三个方面的要素：属性、时间、空间属性要素,就属性的层面而言，每一个网格的演化所受到哪些因素的影响、其权重为多少等，这些是偏重属性层面的因素目前的CA理论普遍采用的作法主要有下列几种：（1）专家访谈结合AHP的作法；（2）由研究者自行选定要纳入的因子权重；（3）由真实资料，利用蒙地卡罗（Monte Carlo）方法计算出权重时间要素,CA理论的演变是在离散的时间序列中进行持续的演化，该段时间内是静止的，而在特定时间内则是动态的时间要素对于CA理论的影响与应用的目的有关。

空间要素,目前一般的CA理论模式其空间结构都是以方正的规则网格为单元，其网格有两个层面的意义：它代表CA理论演化的基本单位，同时也是影响演化的邻近区这两个层面的意义对于CA理论的演化具有不同的影响，可以进一步从网格大小和结构、邻近区大小以及距离作用三个层面来探讨空间要素网格大小与形状,作为演化的单元，每一个网格的大小应该要能代表真正的土地利用变迁单元，但由于实际的景观斑块大小差异甚大，若能直接以矢量的结构来表现实际的景观斑块，将会提升CA理论模拟的真实性空间要素邻近区大小与形状,每个网格是构成邻近区的一部分在CA的规则中，每次演化是受到邻近区的组成影响邻近区大小、如何影响网格，是规则中的重要部分邻近区大小制定的前提假设是局部地区的景观组成，将影响到中心网格的演变空间要素距离和方向作用,不同网格之间的作用，不仅反映在邻近区的大小，也受距离大小和方向所带来的权重影响不同的因素或现象的影响距离和方向是不一样的此外，距离所带来的权重也有正、负的差异有些现象是正向的因素，有些则是负向的案例研究2,CA在森林景观动态模拟中的应用,研究目的,以地理信息系统的空间分析处理技术，并结合CA理论中有关自我组织架构及反复回馈的理论，模拟森林景观动态变迁。

一、研究工具（一）ArcGis8.1（二）ArcObject程序-VBA程序语言撰写二、研究材料研究数据为由航空照片拍摄、判释及转绘所生成的土地利用数据，本研究将其依研究目的及需求，进行景。