基于复杂网络分析法的层级生态网络结构研究

以西北典型半干旱城市包头市为研究区,运用复杂网络的评价指标对包头市复杂层级网络的拓扑结构与空间鲁棒性进行评价,提取了第1、2、3级生态源地和第1、2、3层生态廊道,并识别了重要生态节点,构建了包头市层级生态网络。结果表明:第1、2、3层生态源地数量分别为8、31、123,生态廊道数量分别为8、35、151,重要生态节点数量分别为7、28、47。通过拓扑结构与空间鲁棒性分析可知:第1层生态网络连通度最低,核数为2,结构简单但重要性最高,其稳定性影响整个层级生态网络的稳定;第2层生态网络由于增加连通性较低的生态节点,可增加小尺度的生态稳定性,但对大尺度层级生态网络稳定性提升没有明显作用;第3层生态网络核数为4,生态网络连通性最高且结构复杂。在第1、2、3层网络恶意攻击比随机攻击的破坏性均更强。第2、3层生态网络中源地节点数量较多,但低等级源地比例高,对增强网络的抗打击能力与恢复能力效果不明显。     

基于MCR模型的市域生态空间网络构建

针对目前城市化进程中以中心城区为主的核心生态规划因忽视自然与城市之间的空间动态变化而导致城乡人居生态环境不协调的问题,以唐山市生态空间网络构建为出发点,基于形态学空间格局分析方法(MSPA)、最小累积阻力模型(MCR)对市域生态源地进行识别,提取生态源地间潜在生态廊道,结合重力模型定量分析廊道重要度,并构建唐山市生态空间网络。结果表明:生态源地提取与识别是城市生态网络构建的关键节点,通过识别市域生态源地共33 642个,面积245 674.52 hm²,主要分布于北部山地保护区、中部林地生态保护区和南部湿地保护区,景观类型多为草地和林地,其次为水体;通过斑块重要指数等量化景观要素对生态空间的重要度,识别出30块重要生态源地作为生态廊道的关键节点;基于最小累积阻力和重力模型计算并构建潜在435条关键生态廊道,草地景观、林地景观和水体景观分别占总廊道的51.21%、30.74%和16.46%;源地间的生态作用力及廊道适宜性差异明显,源地14和17之间的相互作用力最大,为14 562.77,源地2和21之间的相互作用力最小,为1.06;源地25(开平区陡河水库)和源地18(滦州市青龙山省级保护区)为南北生态流动的关键源地,在今后的工作中应重点保护和管理。本研究可为唐山市国土空间规划、生态空间构建和生态保护红线管控提供有效支撑,也为类似区域的生态保护管理和生态空间网络构建研究提供了参考。     

基于最优粒度的翁牛特旗景观格局优化

以内蒙古自治区赤峰市翁牛特旗为研究区,计算不同粒度下的景观格局测定指标,综合粒度反推法与主成分分析法识别得出3 200 m为最优粒度,依据最优粒度景观特征选取生态源地51个。结合地区特征构建生态阻力面,提取生态廊道49条、生态节点58个,对廊道、节点进行密度分析。结果表明,翁牛特旗东西部生态状况存在显著差异,西部中、低山丘陵区源地、廊道集中,存在3处高节点密度区需要重点加强保护建设,东部平原区沙地广布,源地、廊道分散,能量流通主要依赖西拉沐沦河与老哈河,生态结构连通性差。基于最优粒度提取生态源地综合考虑了景观连通性与尺度效应,较传统方法更加科学、客观,可为区域景观格局优化提供参考。     

基于复杂网络分析法的空间生态网络结构研究

以荒漠绿洲区典型县域磴口县为研究区,将复杂网络分析方法中的点格局分析方法、网络骨架的提取算法和空间结构鲁棒性指标根据实际空间生态网络的特点进行改造,对研究区的空间复杂生态网络的结构进行分析。研究结果表明:7种类型的生态源地节点在较小尺度下均呈现聚集的空间分布格局,随着尺度的增大,逐渐呈现随机分布,最后呈现均匀分布,这种分布特征保证了小尺度和大尺度上生态网络的稳定。水网廊道的密度范围为0~1.46,路网廊道的密度范围为0~2.27,改造Kruskal算法识别出的骨架廊道符合实际情况。现状生态网络初始的连接鲁棒性仅为0.73,优化后生态网络的连接鲁棒性达到1。经过生态节点布局优化后的生态网络节点和边的抗打击破坏能力、恢复能力增强。     

土壤水盐空间异质性及尺度效应的多重分形

为了揭示研究区域林地内土壤含水率和电导率的空间分布特征及尺度效应，利用多重分形方法，对杨凌一林地内不同采样时间和不同采样面积下土壤含水率和电导率的空间异质性进行了研究。结果表明：3种采样面积下土壤含水率和电导率的空间异质性都分别随平均含水率和电导率的增大而减弱。随采样面积的增大，平均含水率和电导率较高时，土壤含水率的空间异质性趋于增强，土壤电导率的尺度效应不明显；平均含水率和电导率较低时，土壤含水率和电导率的空间分布都存在明显的斑块结构。不同采样时间和不同采样面积下土壤含水率和电导率的多重分形谱的形态有所差异，表明引起他们空间异质性的信息有所不同。多重分形分析能揭示出较多的采样林地内土壤含水率和电导率分布的局部信息。     

基于BCBS模型的生态节点布局优化

以生态脆弱区典型县域磴口县为研究区,基于2015年遥感影像解译数据,构建MCR-P模型提取县域尺度生态源地、廊道和节点,将Voronoi图模型引入到生态节点布局研究中,构建泰森盲区形心优化模型(BCBS模型),进行生态节点布局优化。结果表明,磴口县共能提取出391块生态源地节点和667个潜在生态节点,其中需优化节点182个。优化后生态节点的覆盖率达到87.79%,较现状生态节点覆盖率提升了22.56%。节点分布均匀性降低至0.397 8,节点空间分布更加均匀。优化后节点构成的泰森多边形盲区的面积减小了48 446 hm2,且节点覆盖圆空间结构连片化,优化后生态网络结构更为稳定。     

滇中城市群国土空间格局识别与时空演化特征分析

为探索国土空间格局时空演化规律和分异特征,揭示国土空间数量结构与空间格局之间的耦合机理,开展了区域国土空间格局变化研究。以高原山区城市——滇中城市群为例,选取2000年、2005年、2009年和2015年土地利用数据、DEM数据作为基础数据源,从数量结构和空间布局两个方面对4个时点上滇中城市群国土空间格局变化特征进行分析。结果表明:以高原山区为主导的地形特征影响了滇中城市群国土空间格局分布,其垂直差异性显著,滇中城市群生态空间为绝对主体,生产、生活空间主要分布在城市群中部以东区域; 2000—2015年三生空间变化速度加快,且区域差异明显,生产、生活空间逐渐增加,生态空间持续减少,总体呈现"入不敷出"的态势,生态空间和生产空间面积的相互转换构成了国土空间格局图谱演变的主要类型;国土空间利用程度逐年提高,国土空间利用程度热点区主要集中分布在研究区中部和东部的部分地区; 4个时点上,研究区国土空间格局总体沿东北-西南走向分布,生产、生活空间在东北方向的分布最为聚集,生态空间格局分布较随机;生产、生活空间核密度测算值空间分布特征表现为中部、西部及东北部高,南部、西南部及西北部低,多核扩散破碎化明显,生态空间核密度测算值空间分布特征表现为中部以东较为密集,受人类活动干扰,破碎化严重,分布不均匀;西部大开发战略与相应土地政策实施促使滇中城市群国土空间格局变化明显。     

不同空间粒度下地表水体分布格局多样性研究

选取河南省北部、中部和南部典型研究样区,将空间粒度方法引入并应用于地表水体多样性的研究中。在总结前人研究水体多样性测度方法的基础上,提出新的方法——空间分布长度指数(MSHDLI),并在1 km×1 km网格尺度下研究MSHDLI、水网密度(RD)和空间分布面积指数(MSHDAI)的粒度效应、相关性和相关系数的粒度响应、尺度效应关系及回归模型。结果表明:随着粒度的增加,MSHDLI、RD和MSHDAI的粒度响应曲线均为下降型;MSHDLI与RD和MSHDAI有显著的相关关系,平均相关系数r分别为0.997和0.878(P0.01),且MSHDLI与RD、MSHDAI相关系数的粒度效应属于显著正相关关系;MSHDLI与RD的拟合度函数均是对数函数,MSHDLI与MSHDAI的拟合度函数均是多项式函数;由三者的多元线性回归模型可知MSHDLI与RD、MSHDAI线性相关且对它们的解释程度达到95%以上。MSHDLI可以将RD描述水资源广度和MSHDAI描述水资源空间分布离散性的优势结合起来。     

中国省域用水量空间关联结构及其驱动效应研究

水资源在空间分布上的不均衡制约着中国经济社会的可持续发展,量化研究中国省域用水量的空间关联结构和驱动效应,对节水型社会建设具有重要的意义。首先,基于省域用水量的统计数据,采用修正引力模型得到省域用水量之间的关联关系,构建了省域用水量空间关联网络。通过网络整体特征、个体中心性和块模型分析省域用水量的空间特征,发现省域用水量空间关联网络结构稳定,但网络密度、网络效率较低,各省域用水量的空间关联还有待加强。其次,通过LMDI方法将区域用水量空间差异的驱动效应分解为强度效应、结构效应、收入效应和人口效应,分析了4个板块区域间用水量差异的驱动效应,挖掘缩小区域用水量差异的有效措施。最后,提出了减小用水量和用水量整体调控的政策建议。     

基于改进Linknet网络的黄土高原苹果园精准提取

黄土高原近20年来苹果栽植面积迅猛增加，对区域生态水文和社会经济发展均产生了重要影响。但该区域果园地块小且场景复杂，仅有县/市尺度统计数据，尚无苹果园实际的空间分布信息。为此，本研究建立了无人机低空遥感影像专业数据集。融合迁移学习与深度学习方法，将残差神经网络ResNet34网络迁移到Linknet网络，得到R_34_Linknet网络。将R_34_Linknet网络与5种常用的深度学习语义分割模型SegNet、FCN_8s、DeeplabV3+、UNet和Linknet应用于黄土高原苹果园空间分布提取，表现最好的模型为R_34_Linknet，其在测试集上的调和平均值F₁为87.1%，像素准确度PA为92.3%，均交并比MIoU为81.2%，频权交并比FWIoU为85.7%，平均像素准确度MPA为89.6%。将空间金字塔池化结构（Atrous Spatial Pyramid Pooling，ASPP）与R_34_Linknet网络相结合，扩大网络的感受野，得到R_34_Linknet_ASPP网络；然后对ASPP结构进行改进，得到R_34_Linknet_ASPP+网络。对比三种网络性能，表现最优的为R_34_Linknet_ASPP+，在测试集上F₁为86.3%，PA为94.7%，MIoU为82.7%，FWIoU为89.0%，MPA为92.3%。使用R_34_Linknet_ASPP+在长武县王东沟和白水县通积村提取苹果园面积精度分别为94.22%和95.66%。本研究提出的R_34_Linknet_ASPP+方法提取到的苹果园更加准确，苹果园地块边缘处效果更好，可作为黄土高原苹果园空间分布制图等研究的技术支撑和理论依据。     

翁牛特旗景观格局尺度效应分析

以内蒙古自治区赤峰市翁牛特旗为研究区,采用2008、2013、2018年相同月份的遥感影像,结合翁牛特旗地区土地利用数据,将景观类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6类,进行景观格局指数分析,选取6个景观类型水平指数和6个景观水平特征指数,分析不同粒度对景观格局各指数的影响。研究结果表明:在景观水平格局指数中,斑块密度从0. 40个/hm~2下降到0. 32个/hm~2,香农多样性从1. 37增加到1. 45,香农均匀性从0. 76增加到0. 81,说明尚未形成优势景观,景观破碎度加剧;在景观类型水平上,随着粒度的变化斑块面积百分比没有明显变化,其他景观类型均随粒度的变化而变化。其中,在2013年和2018年水域对斑块密度的粒度效应反映较为强烈,分别从0. 005个/hm~2增加到0. 046个/hm~2、从0. 010个/hm~2增加到0. 046个/hm~2;未利用地对有效网格面积的粒度效应反映较为强烈,从24 596 m~2增加到40 697 m~2;建设用地对聚集度、凝聚度的粒度反映较为强烈,分别从0. 9减少至0. 3、从94%减少至49%。     

磴口县地下水空间异质性分析及其对景观格局变化的响应

应用地统计学和地理信息系统方法,分析内蒙古自治区巴彦淖尔市磴口县地下水埋深对景观格局演变的响应。首先,通过半变异函数模型分析了磴口县地下水埋深的空间异质性特征,进而利用克里金插值对研究区2008、2016年的地下水埋深空间分布进行了拟合;其次,基于磴口县2008年与2016年的景观格局分布数据,研究了其景观格局演变特点;最后利用GIS叠加分析手段,将地下水埋深变化与景观格局演变数据进行耦合,分析了地下水埋深对景观格局演变的响应机制。研究结果如下：①空间上,磴口县地下水埋深大体遵循由东北向西南逐渐加深的趋势,研究时段内其空间异质性呈上升趋势,空间异质性中的随机扰动增强。②县域主要景观类型为林地,其次为沙地、裸地与水体,研究时段内建筑用地与水体增加明显,耕地与沙地略有减少。③景观格局演变对地下水埋深有较明显的影响,建筑用地的扩张使其加深,地表灌溉系统的不断完善使其上升。总体来看,磴口县地下水资源利用效率有较明显的提高。     

基于景观格局的渭河流域甘肃段生态风险评价

为揭示渭河流域甘肃段近16年来景观对生态风险的影响，以2005、2010、2015和2020年4期TM遥感影像为数据源，构建景观生态风险评价模型，开展渭河流域景观生态风险评价及其时空分异研究。结果表明:2005—2020年，研究区景观类型发生了较大变化，人为因素对景观类型的干扰较大；2005－2020年，各渭河流域甘肃段景观破碎度、分离度及干扰度除建设用地外均呈现增长趋势，景观分维数除建设用地外均呈现减少趋势；2005－2020年，渭河流域甘肃段景观生态风险空间分布呈现显著正相关性；渭河流域甘肃段以理想和良好生态风险区为主，占流域面积62%以上，较差生态风险区主要分布在定西市安定区。从整体来看，研究区生态风险呈现出稳定的趋势。      

山东省耕地多功能耦合协调度时空格局分析

以山东省132个县区为研究单元,构建耕地多功能评价指标体系,评价各县区耕地多功能时空差异,并运用耦合协调度及空间自相关模型对耕地功能耦合作用的时空特征进行分析。研究表明,2005—2015年,山东省耕地各单项功能时空格局变化差异明显,综合功能持续增长,以中值水平为主,农业生产和社会保障功能对耕地综合功能增长有较强的推动作用,景观格局和生态环境功能影响相对较小;研究期间,耕地多功能耦合协调度由拮抗阶段向磨合阶段逐步提高,地域差异较为明显,农业发展重点地区耦合协调度水平高于经济发展重点区域;耕地多功能耦合协调度具有较高的空间聚集性,但空间相关性逐渐降低,显著H-H区与显著L-L区空间聚集性较强,显著L-H区与显著H-L区数量较少,且分布零散,无明显规律。本研究可为耕地区域差异化治理、促进耕地多功能协调发展、提升耕地综合功能提供参考。     

绿色生态空间网络研究进展

绿色生态空间网络是景观生态学的重要研究内容,是耦合景观格局、生态过程与生态功能的重要桥梁,对于提高景观连接性、保护物种多样性、促进生态系统结构与功能的完整性具有重要意义。本文梳理了绿色生态空间网络的研究脉络,从绿色生态空间网络的概念与特征、相关理论与研究方法等方面展开论述,阐述了绿色生态空间网络的相关概念及发展历程,构建、分析与优化中的常见方法与主要特点,以及绿色空间网络研究中的相关理论,列举了绿色生态空间网络的主要应用领域,如城市、水文、防风固沙、水土保持等,并对绿色生态网络的基本改变、研究方法、尺度研究以及和其他空间网络结合等方面进行了展望。     

京津冀城市群生态空间格局变化与地表温度关系研究

为探究京津冀城市群树木覆盖率(TC)、短植被覆盖率(SV)与裸地覆比率(BG)变化趋势及生态空间格局对地表温度的影响,基于京津冀城市群的MODIS遥感数据,运用景观生态学理论并结合空间计量经济学相关原理研究了京津冀生态空间与地表温度的格局特征,运用Pearson相关性探究了两者的相关性,分别运用空间双变量自相关与空间自回归模型探究了两者的空间相关性。结果表明:京津冀地区中部、东北部以及西南边界地区的树木覆盖率呈现增长趋势,东北、西南边界和东部沿海地区的短植被覆盖率呈上升趋势,承德市西北部和南部、保定市、石家庄市、邢台市和邯郸市的部分区域具有土地裸露风险。提取了京津冀城市群的绿色空间和蓝色空间,各样区内蓝绿空间与地表温度的空间分布具有显著的空间自相关性。样区5、7位于河北省北部,林地景观比例较高,相关性以及双变量空间自相关性高于其他样区,这与景观优势度、斑块破碎度有关。样区1、4生态空间比例较低,对地表温度影响有限。景观类型比例对地表温度影响较大,样区7的生态空间比例较高,并且生态空间斑块集中连片,对地表温度影响明显。样区1~7的空间滞后模型与空间误差模型拟合效果远优于OLS模型。各个样区空间误差模型的R^2大于空间滞后模型,空间误差模型解释变量的能力更强。各个样区空间误差模型的LIK值较大,AIC、SC以及模型残差的Moran’s I值较小,空间误差模型的拟合效果优于空间滞后模型。     

鄂尔多斯景观格局演变与景观生态网络优化研究

以鄂尔多斯市为典型研究区，以2000、2005、2010、2015、2018年研究区景观格局数据和气象水文数据为研究素材，基于复杂网络理论、景观生态学和GIS空间分析技术，定量研究鄂尔多斯市景观格局的时空演变规律，并探究各级子流域的水源涵养深度，再将研究区景观格局演变数据和生态水文数据与由多个决定景观特征的因子构建的景观生态网络进行耦合分析，为研究区景观格局优化及生态环境建设提供参考。结果表明：在研究期内鄂尔多斯市的耕地不断减少，林地、草地、水域和建设用地均有一定程度的增加；景观演变主要是耕地、林地和水域之间的转化，林地、水体的景观演变最为剧烈，耕地、草地和建设用地相对平稳；鄂尔多斯地区整体水源涵养能力偏低，相对而言，东部地区的水源涵养能力高于西部地区，随着时间的推移，水源涵养深度高值逐渐南移；构建的鄂尔多斯市景观生态网络共342个生态节点、402条生态廊道，基于度低者优先的增边策略增加了119条廊道；优化后的网络连通度和连通鲁棒性均明显提升，网络中生态流更为畅通。