基于GWR模型的道路對景觀破碎化影響研究

劉栩成, 尹小玲, 黃光慶, 陳彩霞

基于GWR模型的道路對景觀破碎化影響研究

劉栩成1, 2, 尹小玲2*, 黃光慶2, 陳彩霞2

1. 廣州大學地理科學學院, 廣州 510006 2. 廣州地理研究所, 廣東省遙感與地理信息系統應用實驗室, 廣東省地理空間信息技術與應用公共實驗室, 廣州 510070

道路是影響區域景觀破碎化的重要因素, 但以往的研究往往忽視這種影響在局部空間上的差異。以惠州市為研究區, 選取國道和省道作為城市主要道路, 引入地理加權回歸模型(GWR), 通過道路距離與景觀破碎度的關系分析城市主要道路對景觀破碎化的影響, 并揭示道路對景觀破碎化影響的空間異質性。結果表明: (1)研究區的景觀破碎化具有顯著的空間集聚現象, 使用GWR 模型分析具有更好的擬合效果。(2)道路對不同類型景觀的破碎化造成了不同的影響: 在景觀水平上, 道路距離與景觀破碎度主要呈正相關關系; 在類型水平上, 道路距離與林地破碎度主要呈正相關關系, 與耕地和城鄉建設用地破碎度主要呈負相關關系。(3)道路距離與景觀破碎化的關系在不同的空間位置存在差異, 正相關和負相關區域的分布均呈現明顯的空間集聚特征。(4)兩者關系的空間異質性反映出除了道路外, 地形和所處位置到城市中心的距離對景觀破碎化的共同影響。研究結果有利于進一步揭示道路對景觀格局變化的影響機制。

道路; 景觀破碎化; 空間異質性; 地理加權回歸; 惠州市

0 前言

道路作為一種人工干擾廊道, 對生態系統和景觀產生深遠的影響[1], 其中重要的體現就是道路引起的景觀破碎化。道路建設帶來的景觀破碎化會導致生物多樣性下降以及生態系統功能衰退等問題[2], 因此, 采用定量化手段研究道路對景觀破碎化的影響, 對協調道路建設與景觀格局優化十分有意義。

道路對景觀破碎化的影響主要通過兩方面實現, 一方面, 道路本身會對原有的自然景觀進行切割, 形成“屏障效應”; 另一方面, 道路作為深入景觀的途徑, 吸引人類活動和土地開發在沿線集聚, 從而侵占生境斑塊, 導致景觀破碎化加劇[3-5]。對于后一種影響途徑, 以往研究主要通過描述統計或線性回歸等方法進行分析[6-9]。這些研究能在全局上揭示道路對景觀破碎化的影響程度和范圍, 卻忽略了空間異質性的問題, 即道路對景觀破碎化的影響是隨著地理位置變化而變化的。如Lisa Freudenberger等人研究發現德國勃蘭登堡州的道路干擾與景觀破碎化存在明顯的相關關系, 同時道路干擾對景觀破碎化的影響程度在空間上分布并不均衡[10]; 張景華以瀾滄江流域為研究區發現道路對景觀格局的干擾在河流的上、中、下游呈現出明顯的差異[4]; Ramon Reimets等人通過研究塔林的城市交通干道沿線景觀格局梯度變化, 發現即使是同一道路的兩側也會呈現出不對稱的景觀格局梯度變化規律[11]。

道路對景觀格局的影響機制較為復雜, 其對景觀格局的影響范圍和強度往往會隨著空間位置的變化而發生改變[12], 傳統的描述統計方法和線性回歸分析方法對這方面考慮較少。地理加權回歸模型作為一種局部統計模型, 在解決變量相互關系的空間非平穩性方面具有很高的應用價值。本文以廣東省惠州市為研究區, 運用地理加權回歸模型(GWR)分析道路對景觀破碎化的影響, 比較GWR模型與傳統線性回歸模型的擬合效果, 并進一步揭示道路對景觀破碎化影響的空間非平穩性。

1 研究區概況

惠州為廣東省地級市, 屬珠江三角洲, 位于粵港澳大灣區東部, 位置為113o48′49″—115o25′35″E, 22o24′11″—23o57′36″N。惠州市下轄惠城區、惠陽區、惠東縣、博羅縣和龍門縣, 全市總面積為11599平方公里。惠州已建成較為完善的城市道路交通網絡, 至2011年底, 公路通車里程10892.8公里, 公路密度達97.6公里每平方公里。與此同時, 惠州市的道路途經各種類型的景觀, 而道路建成引起的土地利用變化勢必會對所在地區的景觀破碎化帶來影響, 因此選擇惠州市作為研究區具有一定的代表性。

2 研究方法與數據

2.1 數據來源與處理

土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn/)公布的2015年中國土地利用現狀遙感監測數據, 數據空間分辨率為30 m ×30 m。對土地利用數據進行重分類, 依據研究區域的土地覆被情況和全國土地利用分類標準, 本研究將研究區的土地利用分為林地、耕地、建設用地、草地、水域、未利用地6類。

道路數據來源于地理國情監測云平臺上獲取的全國道路網絡矢量數據, 道路按等級分為高速公路、國道、省道、鄉道和等外公路。不同等級道路對景觀格局的影響程度和影響機制并不相同[13], 高速公路因其封閉特征具有特殊性, 而低等級道路在研究區分布較為零散, 較難體現道路距離變化對景觀破碎化的影響。為了使研究更有針對性, 本文提取其中的國道以及省道作為研究對象。

圖1 研究區土地利用和道路分布圖

Figure 1 Distribution of land use and roads in study area

2.2 研究方法

2.2.1 景觀破碎度評價

景觀格局指數是反映景觀破碎化程度的重要指標。景觀格局指數包括景觀水平指數和類型水平指數。景觀水平指數反映景觀鑲嵌體整體的景觀格局, 類型水平指數反映單一景觀類型的景觀格局。根據景觀破碎化的含義及研究區的實際情況, 在景觀水平上, 本文選取最大斑塊指數(LPI)、景觀分離度(DIVISION)、斑塊密度(PD)三個景觀指數, 分別對三個指數進行標準化處理并對其進行相加, 得到景觀破碎度綜合指數, 以此反映景觀水平上的景觀破碎化程度; 在類型水平上, 由于研究區的林地、耕地、建設用地3種用地類型合計占總面積的90%以上, 因此本文提取研究區的耕地、林地、建設用地三種主要地類, 選取有效篩網大小(meff)作為反映這三種地類破碎化程度的指標。

景觀格局指數采用移動窗口法進行計算。移動窗口的大小對景觀格局計算結果會產生一定的影響, 移動窗口過大難以反映景觀指數的空間格局, 移動窗口過小則受限于圖像分辨率從而影響景觀指數的科學性[14]。本文分別嘗試500、1000、1500、2000、2500、3000 m邊長的移動窗口計算, 發現隨著移動窗口邊長增加景觀指數也會隨之變化, 但是邊長增加至1500 m后景觀指數變化開始趨緩, 邊長增至2000 m后景觀指數變化趨于穩定。綜合考慮研究區的面積大小以及土地利用數據的空間分辨率, 以2000 m邊長的移動窗口進行景觀格局計算, 并且提取每個2000 m × 2000 m格網上的景觀格局破碎度指標和到道路的距離, 分別作為分析的因變量和解釋變量。景觀格局指數計算在軟件Fragstats4.2中完成。

2.2.2 空間自相關分析

本文采用全局自相關統計量Moran’s I來檢驗景觀破碎化程度的空間相關性, 計算公式如下[15]:

2.2.3 地理加權回歸

道路對景觀破碎化影響的空間異質性主要通過地理加權回歸模型進行分析。地理加權回歸模型(GWR)是對傳統回歸模型的擴展, 在變量具有明顯空間分異特征的情況下, 地理加權回歸模型通過計算回歸模型局部參數, 可以很好地解決空間非平穩性問題, 從而對模型的擬合優度進行提升, 并且將變量間關系的空間非平穩性展現出來[16]。GWR 模型的參數是關于位置i的函數, 估計參數隨著空間位置i的變化而變化。GWR模型可表示成如下公式[17]:

為驗證GWR模型在本文分析中的擬合效果, 本文將GWR模型的擬合參數與傳統的最小二乘法線性回歸模型進行對比。普通最小二乘法(ordinary least squares, OLS)是一種全局性線性回歸模型, 采用最優擬合直線的方法對被解釋變量和解釋變量之間相互關系進行分析[18], 計算公式如下:

表1 GWR模型與OLS模型參數估計結果對比

3 結果分析

3.1 GWR模型擬合結果

通過空間自相關分析得出全局Moran’s I指數值為0.499, p值為0.00, 景觀破碎化程度具有空間自相關性置信度在99%以上, 這表明研究區的景觀破碎化呈現出空間自相關, 需要用GWR模型對道路距離與景觀破碎度的關系作進一步的擬合分析。

GWR模型參數估計結果中的2擬合優度, 表示回歸方程對因變量變化的解釋程度, 值越大則模型擬合效果越好; AIC為赤池信息量, 值越小表明回歸模型擬合效果越好。從表2可以看出無論是景觀水平還是類型水平的參數結果, GWR模型的擬合優度2均大于OLS模型, 赤池信息量AIC則小于OLS模型。這表明相比于OLS模型, GWR模型對道路距離與景觀破碎化之間關系的解釋能力更強, 擬合效果更優。

3.2 道路對不同類型景觀破碎化的影響

GWR模型對每個樣點上回歸系數進行局部統計, 用于反映道路距離與景觀破碎化之間的關系, 回歸系數為正表明距離道路越近景觀破碎化程度越高, 回歸系數為負表明距離道路越近景觀破碎化程度越低。通過回歸系數的正負占比判斷道路對不同類型景觀破碎化的影響(表2), 可以看出道路對不同類型的景觀破碎化具有不同的影響性質。在景觀水平上, 道路距離與景觀水平破碎度以正相關為主, 正相關區域占比為71.87%; 在類型水平上, 道路距離與耕地破碎度的關系較為復雜, 負相關區域為68.95%, 與林地破碎度的關系以正相關為主(73.74%), 與城鄉建設用地破碎度的關系以負相關為主(79.85%)。

3.3 道路對景觀破碎化影響的空間異質性

通過道路距離與景觀破碎度回歸系數的空間分布(圖2), 分析道路與景觀破碎化關系的空間異質性。結果表明, 回歸系數的正負和數值大小呈現明顯的空間變化, 表明道路對景觀破碎化的影響具有顯著的空間異質性。

表2 道路距離與不同類型景觀破碎度的相關關系

(1) 道路對景觀水平破碎度影響的空間異質性

正相關區域和負相關區域均呈現明顯的空間集聚特征; 正相關區域主要集中分布在道路沿線, 其中回歸系數大于2.3的樣點集中分布在道路沿線2km范圍內, 表明道路對景觀水平破碎化的影響主要集中在道路沿線地區; 高度負相關區域(回歸系數為–0.224—–4.52)主要分布在博羅縣東北部的國道沿線以及龍門縣北部, 這些區域主要為山地地形; 同時惠城區、惠陽區和惠東縣的城區中心也是高度負相關的集中分布地區。

(2) 道路對耕地破碎度影響的空間異質性

高度負相關區域(回歸系數為–1.237—–5.384)主要分布在博羅縣東北部的國道和省道沿線, 以及惠東縣東部的國道省道交匯處, 這些地區距離城區中心較遠, 人口密度低, 經濟發展較為滯后; 高度正相關區域(回歸系數為0.47—4.34)主要為各區縣的城區中心以及博羅縣西部的省道沿線, 這些地區人口稠密, 經濟相對發達。

(3) 道路對林地破碎度影響的空間異質性

道路距離與林地破碎度回歸系數的空間分布特征與景觀水平較為相似, 高度正相關區域(回歸系數大于2.22)主要集中在道路沿線地區, 表明道路引起其沿線地區的林地破碎化; 高度負相關區域(回歸系數–0.145—–2.348)主要分布在龍門縣的北部山區, 惠東縣的東部及南部山地。

圖2 城市主要道路對景觀水平(a)、耕地(b)、林地(c)、城鄉建設用地(d)破碎度影響的空間異質性

Figure 2 Spatial heterogeneity of the impact of major roads on landscape level fragmentation(a), cultivated land fragmentation(b), forest land fragmentation(c) and construction land fragmentation(d)

(4) 道路對城鄉建設用地破碎度影響的空間異質性

從空間分布來看, 道路距離與城鄉建設用地負相關區域(回歸系數小于–2.17)尤為明顯地集聚在各區縣的城區中心; 正相關區域主要分布距離城區中心較遠的地區。

整體上看, 道路距離與各類型景觀破碎度的回歸系數值在空間分布上存在較大差異, 通過對比城市中心區與非城市化地區, 以及山地與平原地區, 這種差異尤為明顯。

4 討論

4.1 GWR模型的擬合優勢

本研究采用了OLS模型和GWR模型分析道路對景觀破碎化的影響, 發現 OLS模型在擬合效果方面不如GWR模型。傳統的OLS模型屬于全局統計模型, 無法考慮道路對景觀破碎化影響隨位置變化而產生的差異, 而以局部空間統計為基礎的GWR模型在變量具有空間非平穩性的情況下更具擬合優勢, 也更能刻畫道路對景觀破碎化影響的復雜性。

4.2 道路對不同類型景觀破碎化的影響差異

道路對不同類型的景觀破碎化的影響性質不同, 本文研究發現在景觀水平上道路距離與景觀破碎度主要為正相關, 在類型水平上道路距離與耕地和建設用地破碎度為負相關, 與林地為正相關, 這反映了不同類型景觀的景觀格局受道路影響的方式不同。景觀水平破碎度反映的是景觀鑲嵌體的整體破碎化程度, 在越接近道路的地區人類活動越強烈, 景觀多樣性程度更高, 景觀更趨于破碎化, 這與以往的研究結論是相符合的[19]; 而在類型水平上, 耕地和城鄉建設用地是人類活動的載體, 其布局需要考慮交通可達性, 往往會集中布局在道路沿線地區, 因此在整體上距離道路越近其破碎度反而更低; 與代表人類活動的耕地和建設用地景觀相比, 林地通常屬于自然景觀, 道路沿線的耕地和人工景觀對林地形成侵占, 加劇了林地的破碎化[3], 因此道路距離與林地破碎化的關系在整體上為負相關。在道路的規劃建設中應注意道路對不同類型景觀格局影響的差異, 尤其是在選線時要盡量避免對大面積的林地斑塊形成干擾。

4.3 道路距離與景觀破碎化關系的空間異質性

以往有研究表明道路對景觀格局的影響同時受到其他因素的共同作用[20-21], 但對其他因素的作用及機制缺乏進一步的定量研究。本文通過GWR模型的回歸系數的空間分布, 發現回歸系數隨著地形條件以及距城市中心距離的變化而產生較大差異, 這表明道路對景觀破碎化的作用同時受到地形條件和距城市中心距離的影響。

地形在道路對林地破碎化影響的空間分異中的作用最為明顯, 這是因為在海拔較高的山區道路兩旁的人類開發活動較少, 難以對林地斑塊形成干擾和侵占, 道路對林地破碎化的影響往往更集中在低海拔地區; 距城市中心的距離對道路與各類型景觀破碎度的關系均有較大影響, 這是因為距離城市中心的距離在一定程度上反映了人類活動的強度, 在中心城區等經濟較發達地區道路沿線的建設開發強度更大, 道路沿線的城鄉建設用地在城區呈現出更加明顯的集聚, 成為主導景觀類型, 而耕地和林地斑塊在此更容易受到人工景觀的侵占從而變得破碎[22]; 與城區相反, 而在距離城區較遠的非城市化地區建設開發活動較少, 耕地斑塊更容易集中成片地分布在道路兩旁, 而城鄉建設用地多為零散的居民點, 其空間格局較為破碎。基于此, 道路沿線的景觀規劃設計應該因地制宜, 如在城市化地區應注重道路沿線自然廊道的建設, 用以連接破碎的林地和耕地斑塊; 而在非城市化地區應注重建設用地的集約和集聚以取得更好的土地利用效益。

5 結論

(1) 研究區的景觀破碎化具有明顯的空間自相關性, 考慮了變量空間非平穩性的GWR模型取得了比傳統OLS模型更好的擬合效果, 在本文分析中具有更好的適用性。

(2) 道路對不同類型景觀破碎度的影響性質存在差異, 從景觀水平上看, 道路距離與景觀水平破碎度為正相關; 從類型水平上看, 道路距離與耕地破碎度、城鄉建設用地破碎度呈負相關關系, 與林地破碎度呈正相關關系。

(3) 道路距離與景觀破碎化的關系具有空間異質性, 兩者的關系在不同的空間位置具有較大的差異, 正相關區域和負相關區域均有明顯的空間集聚特征。

(4) 道路距離與景觀破碎化關系的空間異質性反映了其它因素對景觀破碎化的共同作用。具體而言, 地形和距城市中心距離是道路與景觀破碎化關系空間異質性的重要影響因素, 地形、距城市中心的距離與道路一起共同對景觀破碎化產生作用。

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Impacts of roads on landscape fragmentation base on GWR model

LIU Xucheng1, 2, Yin Xiaoling2, *, HUANG Guangqin2, CHEN Caixia2

1. School of Geographical Sciences, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China 2. Key Lab of Guangdong for Utilization of Remote Sensing and Geographical Information System, Guangdong Open Laboratory of Geospatial Information Technology and Application, Guangzhou Institute of Geography, Guangzhou 510070, China

The development of roads is an important factor causing landscape fragmentation, but previous studies often neglected the local variations of this impact. In order to analyze the impact of roads on landscape fragmentation and reveal its spatial heterogeneity, Huizhou city was taken as a study case and geographically weighted regressions model(GWR) was used to investigate the relationship between road distance and landscape fragmentation degree. Results showed that: (1) Landscape fragmentation in the study area had significant spatial agglomeration phenomenon; the result of fitting parameters indicated a much better fit for the GWR model. (2)Impact of roads on fragmentation of each type of landscape was different: at the landscape level, road distance and landscape fragmentation were mainly positively correlated; at the class level, road distance and forest fragmentation were mainly positively correlated, while cultivated land and construction land fragmentation were negatively correlated with road distance. (3)The relationships between road distance and landscape fragmentation were varied in different places, and the distribution of positive correlation and negative correlation showed obvious spatial agglomeration characteristics. (4) The spatial heterogeneity of the relationship reflected the common influence of topography and positions relative to urban center on landscape fragmentation besides roads. The results of this study were helpful to further reveal the mechanism of road’s impacts on landscape pattern changes.

roads; landscape fragmentation; spatial heterogeneity; geographically weighted regression model; Huizhou city

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.06.016

S157.2

A

1008-8873(2020)06-120-07

2019-10-02;

2019-12-03

廣東省自然科學基金面上項目(2020A1515011068; 廣東省省級科技計劃項目(2018B030320002); 廣東省省級科技計劃項目(2018B030324002)

劉栩成(1994—), 男, 廣東東莞人, 碩士研究生, 從事景觀生態學及區域可持續發展方面研究, E-mail: 5act5916@sina.com

尹小玲, 女, 博士, 副研究員, 從事城市生態網絡組織與可持續發展研究, E-mail: yinxl@gdas.ac.cn

劉栩成, 尹小玲, 黃光慶, 等. 基于GWR模型的道路對景觀破碎化影響研究[J]. 生態科學, 2020, 39(6): 120–126.

LIU Xucheng, Yin Xiaoling, HUANG Guangqin, et al. Impact of roads on landscape fragmentation base on GWR model[J]. Ecological Science, 2020, 39(6): 120–126.