基于網(wǎng)絡(luò)分析的道路生態(tài)干擾

吳仰婷　余婷婷　吳文婷　劉俏彤

摘 要：道路網(wǎng)絡(luò)對(duì)自然生態(tài)環(huán)境的影響日益顯著，并且對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)變化和格局特征具有重要作用?；诘缆飞鷳B(tài)學(xué)道路網(wǎng)絡(luò)理論，利用地理信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)分析方法和拓?fù)浜瘮?shù)，以怒江流域各縣為基本單元，分析研究了怒江流域各縣道路網(wǎng)絡(luò)的特征指標(biāo)，即環(huán)形指標(biāo)、線點(diǎn)指標(biāo)和連接指標(biāo)；根據(jù)道路網(wǎng)具有不同的特點(diǎn)，分析道路干擾與生態(tài)穩(wěn)定性的關(guān)聯(lián)。

關(guān)鍵詞：道路網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)分析；道路干擾

中圖分類號(hào)：F713.52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）35-0032-04

Abstract： The impact of road network on the natural ecological environment is increasingly significant， and it plays an important role in the regional ecosystem changes and pattern characteristics. Based on the theory of road ecological road network， using GIS， network analysis method and topological function， the characteristic indexes of road network in Nujiang River Basin are analyzed and studied. The counties of Nujiang River Basin are taken as the basic units. According to the different characteristics of road network， the relationship between road disturbance and ecological stability is analyzed.

Keywords： road network； network analysis； road interference

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展，道路網(wǎng)在全世界蔓延，其分布之廣發(fā)展之快速，為人類帶來巨大效益的同時(shí)，也對(duì)自然景觀和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了不良影響——景觀破壞、生境退化、生物多樣性減少、生態(tài)阻隔等等[1]。道路網(wǎng)的存在在一定程度上影響著生態(tài)系統(tǒng)的演變格局與過程，區(qū)域道路的發(fā)達(dá)程度對(duì)生態(tài)單元空間相互作用的廣度與深度起著決定性作用。因而，本文重點(diǎn)鉆研怒江流域的道路網(wǎng)對(duì)生態(tài)穩(wěn)定性的影響，正確理解和全面分析道路網(wǎng)絡(luò)對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的影響，能很大程度地降低道路干擾對(duì)多種群生態(tài)系統(tǒng)的影響，對(duì)于維護(hù)生物多樣性和維持種群生態(tài)系統(tǒng)的平衡有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，我國在道路生態(tài)學(xué)上的研究還不夠全面，并且關(guān)于道路對(duì)生態(tài)系統(tǒng)所造成的影響的研究也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。雖然GIS應(yīng)用對(duì)道路網(wǎng)絡(luò)分析的問題難以求解，但可以在GIS分析上運(yùn)用復(fù)雜的拓?fù)潢P(guān)系。在生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，更容易解決道路網(wǎng)絡(luò)所帶來的問題。

為此，本文以怒江流域?yàn)榘咐齾^(qū)，在橫向嶺谷區(qū)的長度較瀾滄江和紅河短且地勢(shì)較高[2]，具有獨(dú)特的地理環(huán)境、顯著的地貌梯度分異、和突出的生物多樣性等，而該區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)都受到了嚴(yán)重的道路干擾，故在該區(qū)域研究道路建設(shè)作用具有重要的實(shí)踐指導(dǎo)意義。本文基于道路生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)中的道路網(wǎng)絡(luò)理論，應(yīng)用景觀生態(tài)學(xué)的方法、GIS分析以及拓?fù)渲R(shí)，對(duì)怒江流域的道路網(wǎng)絡(luò)特性進(jìn)行探究分析，進(jìn)而闡述區(qū)域道路網(wǎng)絡(luò)特性與區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)受干擾程度兩者之間的關(guān)系。

2 研究區(qū)域

怒江流域（98°28'～99°11'E，24°05'～28°08'N）位于我國云南省西部，怒江由北向南貫穿，橫跨了保山市和兩個(gè)自治州即德宏傣族景頗族自治州和怒江傈僳族自治州，流域總面積為13.67×104km2。該區(qū)域具有獨(dú)特的地理環(huán)境、狹長的流域形狀、生物多樣性突出，土地覆蓋類別繁多，但隨著交通建設(shè)、旅游業(yè)的發(fā)展，該區(qū)域受到人類干擾的程度增加，生態(tài)環(huán)境保護(hù)意義重大，道路的存在和擴(kuò)展對(duì)該流域不僅具有社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益，更突出的是其重要的生態(tài)影響[3]。

3 研究方法

3.1 數(shù)據(jù)及來源

本文研究分析的研究單位為縣域，以中國基礎(chǔ)地理信息的1：25萬道路要素圖、云南省最新的1：100萬交通地圖為基礎(chǔ)輔助工具，獲得分析所需關(guān)鍵要素的信息，進(jìn)而利用后一工具進(jìn)行數(shù)字化處理，得到所需的道路矢量數(shù)據(jù)。利用1985年和2005年這兩個(gè)時(shí)間段的1：10萬土地利用圖，提取生態(tài)系統(tǒng)的變化特征數(shù)據(jù)。本文主要基于R語言編寫，應(yīng)用GIS、網(wǎng)絡(luò)分析等方法對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)變化及其特征和道路的網(wǎng)絡(luò)特征進(jìn)行探究分析。

3.2 網(wǎng)絡(luò)分析

網(wǎng)絡(luò)是由有關(guān)聯(lián)的諸多對(duì)象組成的系統(tǒng)，而節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的連線構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)，其中節(jié)點(diǎn)表示真實(shí)系統(tǒng)中不同的元素，而節(jié)點(diǎn)的連線則用來表示相連節(jié)點(diǎn)之間的相關(guān)程度；當(dāng)出現(xiàn)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間以線段的形式連接，則表示這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在著一定的關(guān)系[3]；如若兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間不連接，則是兩者之間沒有關(guān)系。對(duì)于通過線段連接的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，我們稱之為相鄰節(jié)點(diǎn)。

在道路系統(tǒng)中，縣城、城鎮(zhèn)、村落等都可以看成是節(jié)點(diǎn)；而他們之間的道路，廊道就是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的邊?？偠灾?，就是把復(fù)雜的道路看成是由節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)間相連的線所構(gòu)成的簡單的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。為了對(duì)道路的寬度、內(nèi)部環(huán)境等進(jìn)行研究，本文將道路的長度、密度、區(qū)域的海拔等作為主要因素來進(jìn)行研究。

如圖3所示，區(qū)域道路長度和道路密度都會(huì)隨著區(qū)域平均海拔的升高顯著降低，即擬合出的模型符合怒江區(qū)域的實(shí)際情況；對(duì)比于海拔較高的地區(qū)，海拔較低的地區(qū)經(jīng)濟(jì)會(huì)相對(duì)發(fā)達(dá)，在區(qū)域開發(fā)利用上更為充分全面；而隨著海拔的升高，地理?xiàng)l件也越來越差，村落也越來越少，道路網(wǎng)也相對(duì)比較稀疏。

4.2 區(qū)域道路網(wǎng)絡(luò)特征與生態(tài)系統(tǒng)干擾的關(guān)系

區(qū)域道路網(wǎng)絡(luò)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響主要是通過道路網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展延伸，影響主要體現(xiàn)在生態(tài)效應(yīng)和潛在性上，而生態(tài)效應(yīng)則是直接反映在區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的格局變化上[6]。為了研究區(qū)域道路網(wǎng)絡(luò)特征和生態(tài)系統(tǒng)干擾之間的關(guān)系，本文利用1：10萬土地利用類型，運(yùn)用GIS空間模塊進(jìn)行疊加分析之后，又進(jìn)一步進(jìn)行土地轉(zhuǎn)移空間分析。為能夠建立道路網(wǎng)絡(luò)特征與生態(tài)系統(tǒng)格局變化的定量化聯(lián)系，令兩者之間的影響關(guān)系可視化，為此選擇一個(gè)綜合干擾指數(shù)作為影響生態(tài)系統(tǒng)總體強(qiáng)度的指標(biāo)，當(dāng)綜合干擾指數(shù)越高，說明人類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的干擾程度越大。

區(qū)域道路網(wǎng)絡(luò)特征研究和生態(tài)系統(tǒng)干擾指數(shù)的分析表明，道路網(wǎng)絡(luò)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的干擾產(chǎn)生一定的直接影響。由圖4中可清晰看出，道路網(wǎng)絡(luò)的特征指數(shù)與生態(tài)系統(tǒng)干擾指數(shù)兩者之間存在著高度相關(guān)性。換言之，道路網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，使生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和平衡都受到了威脅，甚至涉及到了整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。通過結(jié)果分析，道路網(wǎng)絡(luò)特征和生態(tài)系統(tǒng)干擾擬合度高，確定系數(shù)達(dá)到顯著水平，說明兩者之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。也就是說，隨著道路密度的增大，道路網(wǎng)絡(luò)也會(huì)越大，生態(tài)系統(tǒng)所受的干擾程度也會(huì)加深。

5 結(jié)束語

基于道路景觀生態(tài)學(xué)的研究可知，廊道作為景觀要素中的首要研究對(duì)象之一，它有著“通道-阻隔”的作用。本文利用道路景觀生態(tài)學(xué)和網(wǎng)絡(luò)分析，借助GIS的技術(shù)，對(duì)該研究的區(qū)域道路網(wǎng)絡(luò)特征和道路網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行分析[7]。對(duì)于怒江流域的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文應(yīng)用logistic模型對(duì)？琢指數(shù)、？茁指數(shù)和？酌指數(shù)與道路密度的關(guān)系進(jìn)行擬合，通過擬合結(jié)果可知，道路長度、廊道數(shù)量和節(jié)點(diǎn)數(shù)分別都呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，而道路長度、道路密度和區(qū)域平均海拔高度則是分別呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。結(jié)果闡明，道路密度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的干擾程度最為明顯，可見干擾生態(tài)系統(tǒng)的影響因素中道路密度這一因素是關(guān)鍵，道路密度還與其他影響因素存在相關(guān)性。

換而言之，影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)變化的最主要因素之一是道路干擾。道路干擾也是影響道路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生態(tài)安全和空間格局動(dòng)態(tài)變化的主要因素[8]。通過對(duì)道路網(wǎng)絡(luò)特征的分析，鉆研道路網(wǎng)絡(luò)的干擾，可以對(duì)地區(qū)生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展和道路網(wǎng)絡(luò)生態(tài)安全研究，有實(shí)際的重要意義。而由道路網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的生態(tài)系統(tǒng)效應(yīng)充分體現(xiàn)了區(qū)域道路網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)安全，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同時(shí)段的綜合干擾指數(shù)和？琢指數(shù)、？茁指數(shù)和？酌指數(shù)存在一定的正相關(guān)關(guān)系，因此道路密度和道路長度在一定程度上反映了該區(qū)域的干擾水平。雖然與區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)相比較，道路網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)的研究區(qū)域和研究尺度不同，因?yàn)檠芯繀^(qū)域涉及到的可能是整個(gè)景觀，也可以是一小部分區(qū)域，而道路生態(tài)針對(duì)的是道路，但是本文是一個(gè)通過綜合性的道路生態(tài)干擾分析，為研究道路和生態(tài)系統(tǒng)的交互作用機(jī)制提出有效的意義。因此，研究道路網(wǎng)絡(luò)特征和干擾強(qiáng)度這兩大板塊，對(duì)理解區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和道路網(wǎng)絡(luò)生態(tài)安全具有重要作用。

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