空间粒度下丘陵山地区农村居民点景观格局指数变化分析
——以四川省盐亭县为例

余忠原 朱 兵

绵阳师范学院，四川 绵阳 621000

0 引言

景观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［1-2］。在研究农村居民点这类景观时，景观格局分析法被广大学者经常使用［3］，如用于研究农村居民点的土地利用现状、农村居民点布局优化等。但是，由于已有的并且被广泛使用的景观指数计算软件（如Fragstats）在被使用时，大多学者是以TIFF（Tag Image File Format）格式的栅格图像数据作为软件支持使用的数据源，而栅格数据是由特定的像元大小组成的，利用其进行景观格局指数计算，容易造成“可塑性面积单元问题”［4-5］，也就是随着基本的面积单元大小的不同，景观指数的分析结果也会产生变化。鉴于此，对于如何理解不同粒度的景观格局指数变化的问题，国内有大量的学者展开了深入探讨。例如，耿焕侠等［6］以江苏省丰县比例尺为1∶10 000 的第二次国土调查数据为数据源基础，提取出农村居民点后，以10 m 为步长，分析了10～200 m 20 个研究尺度下特定的8 个景观类型变化。同样的，冀亚哲等［7］则根据江苏省镇江市比例尺为1∶10 000的现行土地利用状况信息，分析了4 种不同研究规模下城镇化景观结构的空间细分反应。综合前人研究结果可以看出，首先大部分研究地区的数据质量不高，且比例尺相对较小，通常低于1∶10 000［8-13］；其次，虽然个别学者对不同粒度下农村居民点的景观格局指数进行了研究，但大多关注点是景观格局指数在土地利用中的粒度效果分析［14-19］。由于每个具体的研究地点和景观种类都有其独特的景观特性，因而当空间粒度变化时所受的影响也会不同，所以探究出的尺度不能够确定可以适用于所有研究区域和景观类型，只能针对特定类型的研究区域、特定的景观类型探究其适宜粒度。

位于川中丘陵山地区的四川省绵阳市盐亭县是全国绿化先进县，其农村居民点景观可以代表我国西南丘陵山地区农村居民点的景观。因此，笔者选择该县作为研究对象，将盐亭县农村居民点矢量数据按照20 种不同的空间粒度分别转化为栅格图［20］，从规模特征、形状特征、集聚特征中选取8 个景观格局指数，分别计算不同空间粒度下的8 个景观指数值；分析当研究区域为丘陵山地区、研究尺度为县域、研究对象为农村居民点时，采用景观格局分析法可以选取的最佳粒度空间范围及最佳粒度。

1 研究区域概况

盐亭县位于四川盆地中部偏北，地处嘉陵江、涪江分水岭上；行政区域面积约1 645.45 km2，辖区14 个镇、2 个乡、1 个街道。2021 年，盐亭县总人口约52.5万人，地区总产值达到191.32亿元，城市居民人均年收入39 680 元，农村居民人均年收入20 323 元。盐亭县以低山丘陵地貌为主，地势由北面向南面倾斜（北高南低），海拔350～650 m，境内河流以梓江为主，水系分布呈羽毛状。

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

此次研究拟用到的数据主要来源于盐亭县自然资源和规划局。土地利用现状图（比例尺精度为1∶5 000）来自盐亭县第三次土地利用调查数据，社会经济现状数据来自《盐亭统计年鉴2021》。借助ArcGIS 10.7 软件，从土地利用现状数据中提取盐亭县农村居民点数据，从数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）数据中提取出相关地形数据。

2.2 研究方法

为更精准且详细地监测不同空间粒度对景观格局指数的影响，将盐亭县农村居民点矢量数据转化为栅格数据后，以5 m 的变化间隔生成0～100 m 内20种不同空间粒度的景观数据。结合以往学者的研究及盐亭县的区域特点［21-27］，从景观规模特征中选取斑块面积（CA）、斑块数量（NP）、斑块密度（PD），从景观形状特征中选取平均形状指数（MSI）、平均分维数（MPFD），从景观集聚特征中选取聚合度指数（AI）、整体性指数（COHESION）、平均最邻近距离指数（MNN），共计8个常用景观指数，借助Fragstats 4.2探讨不同空间粒度下丘陵山地区农村居民点的景观格局指数差异。

3 不同空间粒度下农村居民点景观格局指数变化分析

3.1 盐亭县农村居民点用地特征

根据丘陵山地区的区域特点，借助ArcGIS将盐亭县的农村居民点按斑块面积大小划分为0～0.33、0.33～0.67、0.67～1.00、1.00～1.33 hm2和大于1.33 hm2共5类。分析可知，2020 年盐亭县农村居民点用地总规模84.85 km2，占土地总面积的5.16%，人均占地面积为228.87 m2，超出四川省农村宅基地丘陵地区最高标准（40 m2/人）的上限。由表1可知，盐亭县的农村居民点斑块面积在0～0.67 hm2的占比为22.89%，然而斑块的数量却占了58.08%。这意味着盐亭县大多数农村居民点的斑块面积不超过0.67 hm2，呈现出明显“小集聚、大分散、小规模、大密度”的布局特征。

3.2 规模特征指数

CA用来表示农村居民点的斑块总面积，由图1 可知，空间粒度由5 m 增加至100 m 过程中，CA会经历4个变化阶段：5～35 m，CA呈稳定趋势；35～65 m，CA增长速度逐渐减缓；65～85 m，CA增长速度提高；85～100 m，CA又恢复到了平稳状态。经SPSS 2.2 分析可得，盐亭县CA标准偏差（0.38）较小。

图1 盐亭县农村居民点景观CA变化图

总体来说，空间粒度的改变对景观面积的影响较小，且景观面积的变化范围保持在-1.78～1.60 km2，农村居民点CA受空间粒度的影响较小。

NP在景观级别上等于景观中所有的斑块总数；PD反映单位面积上的斑块数量，体现了某一景观类型在景观格局中的优势度，PD越大，说明该类型在区域中分布数量越多，相互之间的影响力越大［28］。由图2和图3 可知，当空间粒度逐渐增大时，NP与PD变化相似，近似呈指数型下降趋势，R2几乎相同，分别为0.982 6和0.982 5。根据景观指数的变化情况，可将粒度范围划分为3 个阶段：第一个阶段是5～15 m，NP和PD变化率绝大部分均低于5%，处于缓慢稳定的降低阶段；第二个阶段是15～60 m，NP和PD变化率均大于10%，处于快速降低阶段；第三个阶段是60～100 m，为波动减少阶段。随着粒度空间的持续提升，NP从5 m 处的51 648 个逐步减少到100 m 处仅有的5 747 个，其比例下降了88.88%；PD也同样呈递减趋势，从5 m 时的608.70 个/km²减少至100 m 时的68.00 个/km²，占比下降了88.83%。相对而言，NP和PD的变动比CA更为显著，受到空间粒度变动的冲击更大。随着空间粒度的增加，NP与PD减少，盐亭县农村居民点呈现出的景观优势度降低。

图3 盐亭县农村居民点景观PD变化图

3.3 形状特征指数

MSI可反映研究区域内图斑规则程度，MSI值越接近1，则意味着斑块形状越接近正方形，斑块越规则；MPFD表示斑块形状的不规则程度，MPFD值越接近1.0 则表明斑块形状越简单，MPFD值越接近2.0则表明斑块形状越复杂［29］，MPFD值等于1.5 则判定斑块空间结构最不稳定。由图4 和图5 可知，MSI与MPFD呈现出指数函数下降趋势，随着粒度增加，数值不断地向1 趋近。根据景观变化情况可以将MSI分为3 个阶段，第一阶段为粒度5～25 m 的快速降低阶段，这一阶段MSI值变化率在2%以上；第二阶段为粒度25～45 m的低速降低阶段，这一阶段MSI值的变化率在1%以上；第三阶段为45～100 m 的稳定波动阶段，这一阶段MSI值虽然波动较大，但整体都低于1%，并且MSI值区间为［1.06，1.10］，此阶段的MSI值变化已经不影响景观形状特征的判定。而与MSI不同，MPFD虽然也是随着粒度空间由5～100 m 的过程中，变化程度不断趋缓，但整体变化率均低于1.1%，且数值区间为［1.01，1.08］，粒度空间的变化不影响景观形状的判定。

图4 盐亭县农村居民点景观MSI变化图

图5 盐亭县农村居民点景观MPFD变化图

3.4 集聚特征指数

AI反映的是景观类型斑块间的连通性，AI取值越小，表明斑块的聚集程度越低。COHESION代表了景观的连贯程度，COHESION值越高则意味着景观斑块分布更为密集。由图6和图7可知，随着空间粒度的不断增大，AI和COHESION均呈幂函数下降，R²分别为0.927和0.899；随着粒度空间的增大，AI与COHESION两个集聚指数影响强度不断降低。根据指数变化情况，可以把粒度空间分为3 个阶段：第一阶段是粒度在5～45 m 的高速降低阶段，这一阶段AI值的变化率大于9.86%，COHESION值的变化率大于8.16%；第二阶段为45～80 m 的低速降低阶段，这一阶段AI与COHESION值变化率大于5%；第三阶段为粒度80～100 m 的波动降低阶段，这一阶段AI与COHESION值变化率波动较大，但是数值区间较小，此时的粒度空间变化对集聚特征的影响不大。AI和COHESION值分别从11.72和26.77降到10.70和24.30。

图6 盐亭县农村居民点景观AI变化图

MNN反映的是景观的空间格局，MNN值越大，斑块间相隔距离越远，景观越分散。由图8 可知，随着粒度空间的增大，MNN迅速增大，农村居民点景观越来越分散。根据变化情况，可以把粒度空间分为两个阶段：第一阶段为粒度5～60 m 的快速增大阶段，这一阶段MNN值变化率大于10%（除粒度55 m），MNN值由36.77 迅速增大到170.93；第二阶段为粒度60～100 m的慢速增大阶段，这一阶段MNN变化率波动不大且增长速度在5%之上。3 个景观聚集特征指数的数值变化反映出，随着空间粒度的增大，其他景观类型转移至农村居民点景观的频率增加，而农村居民点各个区域之间的连接程度则逐渐减弱，这些区域之间斑块的分布也变得更加散乱。

图8 盐亭县农村居民点景观MNN变化图

4 较适宜空间粒度的选定

总结归纳可知，以5 m 为步长划分20 个粒度空间，在粒度由5 m 增大到100 m 的过程中，景观格局指数的变化情况可以划分为3 种：第一种是以CA和MPFD为代表的稳定型，在空间粒度的变化过程中这类景观格局指数变化对景观分析结果的影响较小；第二种是以MNN为代表的上升型，这类景观格局指数随着粒度空间的不断增大而不断上升；第三种是以NP、PD、MSI、AI及COHESION为代表的减少型，这类景观格局指数随着粒度空间的不断增大而不断减小。变异系数即CV值，主要用来表示不同样本数据的离散程度，CV值越大，离散程度越高。选取的8 个景观指数的CV值如表2 所示，CV值较大的是AI、PD、NP，CV值较小的是CA。

表2 粒度空间变化下盐亭县景观指数CV值

确定适宜的粒度空间范围，必须要全面顾及前文探讨的景观格局指数变化的拐点特征。对于类似CA、MPFD的稳定类型的景观格局指数，研究农村居民点景观格局特征时不用刻意考虑空间粒度大小，任何粒度都可以使用这些景观格局指数；类似MNN的上升类型和类似NP、PD、MSI的减少型景观格局指数受粒度空间变化的影响较为明显，所以应首先确定适宜尺度区间，然后在所有的适宜尺度区间内选择一个适宜空间粒度范围。综合考虑各景观格局指数适宜尺度区间及最终软件Fragstats实际计算工作量（见表3），当研究目的是景观格局分析，研究对象是丘陵山地区的农村居民点时，选择25～45 m 的粒度空间是比较合适的，而最优的粒度为45 m。

表3 景观格局指数适宜尺度区间及适宜粒度范围

5 结论与不足

在数据源为盐亭县第三次土地调查数据（比例尺为1∶5 000）的基础上，对不同空间粒度的丘陵山区农村居民点3 种类型的景观格局指数进行了深入分析，并得出了以下结论。

一是丘陵山地区农村居民点大多都呈现“小规模、大分散”的分布特征，在对农村居民点进行景观格局分析时，粒度空间的选取尤为重要。选取的粒度空间不同，丘陵山地区农村居民点的景观特征不尽相同，农村居民点的景观规模特征、景观形状特征及景观集聚特征等都会发生特定的变化，也就是说，不同的景观格局指数受空间粒度的影响各异。

二是当空间粒度逐步增加时，在景观规模特征中，斑块面积指数变化并不显著，斑块数量指数及斑块密度指数以指数函数形式逐渐减少；景观形状特征里平均斑块分维数指数总体趋于稳定指数，虽然呈指数函数下降，但下降缓慢；景观形状特征里的平均斑块形状指数和景观集聚特征里的聚合度指数、整体性指数均呈现幂函数下降趋势，而平均最邻近指数的变化趋势按指数函数呈现出增长趋势。此外，随着空间粒度的增大，景观斑块的形状愈发规则，斑块间连接程度降低，离散性增加。

三是当研究目的是景观格局分析，研究对象是丘陵山地区的农村居民点时，选择25～45 m 的粒度空间是比较合适的，而最优的粒度为45 m。

此次研究深入探讨丘陵山地区农村居民点景观的粒度空间变化对不同景观格局指数的影响，可为今后研究此类型地区农村居民点景观格局的学者选取空间粒度时提供参考和借鉴依据。同时，此次研究还有很多不足，一是选取的景观格局指数只是3 个景观特征，无法保证最终确定的最佳粒度适用于其他景观格局研究；二是没有进一步探讨地区不同（平原地区、高原地区等）的农村居民点景观格局指数受粒度空间变化的影响，只单独探讨了丘陵山地区一个研究区域农村居民点的景观格局指数，研究深度还不够。下一步可以选取多个类型的农村居民点、更多的景观格局指数进行横向对比研究，使研究更加科学。