GIS新技术下娄烦县森林生态结构特征分析

第一章引言

森林是构成地球生物圈的一个重要组成部分，森林生态系统对二氧化碳下降、动物群落繁衍、水文瑞流调节和巩固土壤以及对维系整个地球的生态平衡起着至关重要的作用，它不仅是生物圈中重要的生产者，而且是重要的物种栖息地和人类生存所必需的原料、药物、食物、能源等的重要提供者⑴。近年来，森林景观常常是景观生态学研究的热点。对森林景观生态的研究，大多已从过去的生态系统的研究角度趋向于景观生态的研究角度。景观生态学主要研究景观的结构、功能和动态变化，它是一门综合性学科。从景观生态学的研究内容以及人类的可持续发展目的来看，森林生态的研究与景观生态学研究相结合是必然趋势。
景观生态与可持续性科学，已是景观生态学研究的重点方向之一，对森林景观的结构组成特征和空间配置关系等进行的定性定量描述和分析，是揭示景观结构与功能之间的关系、研究景观变化规律和景观恢复的基本途径。随着全球变化和可持续发展问题的提出，森林资源的可持续经营与生态系统管理对森林景观生态研究的需求越来越迫切，对森林不仅要在个体、种群、群落和生态系统尺度上开展研究，更需要在景观尺度上研究其结构、功能和动态变化，以此为指导森林资源管理、合理利用保护以及实现可持续经营提供科学的理论依据。娄烦县位于山西省太原市，地处黄土高原。森林资源经1971年建县以前分布极少，面积为8772公顷，覆盖率6.8%，通过实施三北防护林工程、天然林保护工程、退耕还林工程，全县森林覆盖率达到12%，林木绿化率为37.3%。娄烦的生态恶化趋势得到了基本控制，但作为省城水源地来说，其森林资源的数量还不多，质量也不高，这就导致生态安全体系依然脆弱。森林景观生态学作为一门新兴的交叉学科，它的发展以及产生的影响，对于解决人类曲对的资源与环境问题，有十分重要的作用。研究景观格局功能结构、动态过程以及异质性，对于森林资源的预测及管理有重要意义。近十几年内，国外学者对于景观生态学的研究多采用空间理论分析、分布型指数法、分布拟合法(PAM)、景观格局多样性测定、景观类型多样性测定、亲和度分析等方法，并多采用景观指数分析和反映景观格局的空间分布和异质性。
本研究在以前学者研究的基础上，采用景观指数分析的方法来反映研究区森林景观的结构和空间异质性。在传统的景观指数研究方法的基础上，提出运用人工网络模型建模的方法来判断BP神经网络模型是否适用于森林景观生态的研究，本研究构建了以海拔、居民用地面积、距离河流湖泊的距离三项为输入层，以多样性指数和分维数为输出层的3:S:1的BP网络模型，为区域森林景观生态的研究提供一条可靠的研究思路。并在此基础上对研究区的森林资源管理提出有价值的意见和建议。

第二章国内外研究进展

2.1景观与景观生态学的内涵与外延
景观生态学是生态学、地理学、系统论以及控制论等多学科渗透、交叉而形成的一门综合性学科[3]。近十几年来，景观生态学在国际上发展迅速，为解决许多综合性资源与环境问题和生态建设，提供了新的指导理论和实践方法。景观生态学主要研究空间格局尺度与生态动态过程的相互作用[又景观的定义很有多种表达，但大都是反映内陆地形、地貌或景色的（诸如草原、森林、山脉及湖泊等），或是反映某一地理区域的综合地形特征[4]。目前，在地理学中，景观的概念一致理解为：景观是有由各个在生态上和发生上共辄的、有规律的结合在一起的最简单的地域单元所组成的复杂地域系统，并且是各个要素产生相互作用的自然地理过程总体（Troll 20世纪30年代）。景观生态学思想的产生，使得景观的概念产生了革命性的变化，最常用的景观概念是有关基质内阁组分，尤其是相互邻接的组分间的相互作用（Pickett and Cadenasso，1995)。综合各个学者的观点和认识，对景观概念的理解可以概括为以下5点：
(1)景观具有异质性，是由不同的空间单元要素镶嵌而成；
(2)景观是具有明显的功能联系和形态特征的地理实体，它的功能与结构具有地域性与相关性；
(3)景观不仅是地球上生物的栖息地，更是人类赖以生存的环境；
(4)景观是介于生态系统与区域间的中间尺度，具有尺度性；
(5)景观具有综合性，拥有经济、文化和生态等多方面的价值。首次提出景观生态学（Landscape Ecology)这一概念的是德国地理学家Troll，他在1939年利用航片研究解译东非土地利用和综合开发问题时提出的。Troll开拓了地理学向生态学发展的道路，对景观生态学的创建产生了巨大的历史贡献（肖笃宁，1988) [5]。德国汉诺威工业大学景观管理和自然保护研究所的Langer首次对景观生态学做了系统的理论解释。Zoneveld进一步发展了综合的景观概念。Vink(1983)将景观生态学作为桥梁，把有关于动、植物以及人类的各门具体科学有机的结合起来，实现了景观的最优化利用。Forman (1986)认为景观生态学的研究重点为探讨生态系统（森林、沼泽、草原、村庄、廊道等）的异质性组合以及相互作用和变化关系。景观生态学是一门地理学、生态学以及多门学科相互交叉的学科，强调异质性、尺度性、综合性。
总而言之，景观生态学是以景观作为研究对象，重点研究景观的功能、结构、变化以及景观的科学规划和有效管理的一门宏观生态学科[6]，它以整个景观为研究对象，强调空间异质性的维持与发展，生态系统之间的相互作用，大区域生物种群的保护与管理，环境资源的经营管理，以及人类对景观及其组分的影响。

    2.2 景观生态学的产生与发展 ....................15-17
    2.3 森林景观生态研究现状 ......................17-19
    2.4 新技术在景观生态学中的应用 ....................19-24
        2.4.1 地理信息系统与景观生态学 ....................20-21
        2.4.2 人工神经网络在景观生态学中的应用 .................21-24
第三章 研究内容与方法 ....................24-28
    3.1 研究内容 ....................24
    3.2 研究方法 ....................24-27
        3.2.1 数据收集与整理 ....................24
        3.2.2 数据处理方法 ....................24-27
    3.3 技术路线 ....................27-28
第四章 研究区概况 ....................28-30
    4.1 地理位置 ....................28
    4.2 气候条件 ....................28-29
    4.3 地质地貌 ....................29
    4.4 自然资源 ....................29-30
第五章 研究区森林生态结构特征分析 ....................30-44
    5.1 娄烦县森林资源现状 ....................30-36
        5.1.1 森林面积 ....................30-31
        5.1.2 林种结构 ....................31-34
        5.1.3 林木蓄积 ....................34-35
        5.1.4 森林覆盖率及用地现状 ....................35-36
    5.2 森林景观要素组成结构分析 ....................36-39
    5.3 森林景观组成要素的异质性特征 ....................39-40
    5.4 森林景观空间分布异质性特征 ....................40-41
    5.5 本章小结 ....................41-44
第六章 基于BP神经网络模型的景观指数建模 ....................44-52
    6.1 样本采集 ....................44-46
    6.2 模型训练与拟合 ....................46-47
    6.3 多样性指数建模 ....................47-49
    6.4 分维数建模 ....................49-51
        6.4.1 建模方法与原理 ....................49-50
        6.4.2 模型训练 ....................50
        6.4.3 精度分析 ....................50
        6.4.4 模型检验 ....................50-51
    6.5 本章小结 ....................51-52

结论

本研究以山西省娄烦县2007年森林资源二类调查数据以及小班影像图为基础，应用Arcgis以及fragstats软件，对娄烦县森林资源的资源现状、斑块特征、组成要素、空间分布等进行分析，在此基础上，运用了 BP人工神经网络模型构建了多样性和分维数的BP神经网络模型，结果表明：
1、娄烦县现有轉摊面积79470.55公顷，占国土资源总面积的61.64%。其中：乔木林占总面积的19.49%;疏林地占林地面积的8.31%;灌木林地占林地面积的41.05%；未成林造林地占林地面积的6.90%;无立木林地占林地面积的0.83%;宜林地占林地面积的23.41%。娄烦县林木绿化率达到为29.95%。娄烦县尚可开发的森林资源培育的潜力很大，如果全面完成植树造林，到2020年绿化率可由现在的29.95%增长到 57.5%。
2、在娄烦县森林中，中、幼龄林占69%，其中中龄林面积最大，占总森林面积的62%，其次为幼龄林、过熟林、成熟林、近熟林。
3、有林地的乔木林蓄积量占总的活立木蓄积量的80.4%。疏林地蓄积量占总的活立木蓄积量的19%。国有林木的蓄积占活立木总蓄积的76%，其中大部分是以国有林场为主的林木蓄积。集体林地的林木蓄积占活立木总蓄积的22.7%，主要是有林地和疏林地蓄积。个人林地的林木蓄积占活立木总蓄积的1.1%,主要是个人的房屋前后，林业联合体、专业户经营的林木。其它类型的林木蓄枳为91.9 m3。森林蓄积主要集中在中龄林，占森林蓄积的59%。
4、娄烦县林地面积为79470.55公顷，森林覆盖率为12%,低于全国以及全省的平均水平。