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基于ArcGIS与Fragstats的海南环岛旅游公路生态环境影响评价
基于ArcGIS与Fragstats的海南环岛旅游公路生态环境影响评价技术说明本文围绕海南环岛旅游公路生态环境影响进行GIS空间分析复盘重点整理2019至2023年土地利用、植被覆盖与道路网数据、道路缓冲区构建、土地利用转移矩阵、植被覆盖度和景观格局指数计算等技术要点。内容用于GIS、遥感数据处理和景观生态评价方法交流不构成工程决策或环境审批意见。摘 要: 海南省环岛旅游公路的修建在给周边地区带来交通便利促进社会经济发展的同时也引起区域土地利用、植被和景观格局的变化。为探究海南环岛旅游公路建设对土地利用、植被和景观格局产生的影响研究基于2019年到2023年的海南省土地利用类型数据、植被覆盖数据和道路网矢量数据利用ArcGIS软件和Fragstats软件根据海南环岛旅游公路建立缓冲区计算道路周边的土地利用转移矩阵、植被覆盖度和景观格局指数分析环岛旅游公路修建前和修建中土地利用、植被覆盖和景观格局变化主要研究结论如下总体上由景观格局指数变化可以看出海南环岛旅游公路景观敏感影响范围为400m至1000m内。2019年到2023年间土地利用转移中环岛旅游公路在建期未利用地和草地减少耕地和建设用地增长。植被覆盖度整体减少道路修建征用了大量不同占地类型的土地。综上海南环岛旅游公路建设对两侧土地利用结构、植被覆盖和景观格局均有影响后期应注重生态修复工程的实施促进生态恢复。关键词: 海南环岛旅游公路土地利用植被覆盖景观格局缓冲区AN ECOLOGICAL ENVIRONMENTAL IMPACT ASSESSMENT OF THE HAINAN ISLAND RING ROAD BASED ON GISAuthor: Fang Xiao Tutor: Associate Professor Shengpei Dai(College of Geography and Environmental Science, Hainan Normal University, HaiKou,571158)Abstract: The construction of the tourist highway around the island in Hainan Province not only brings convenient transportation to the surrounding areas and promotes social and economic development, but also causes changes in regional land use, vegetation and landscape pattern. In order to explore the impact of the construction of tourist highway around Hainan Island on land use, vegetation and landscape pattern; Based on the land use type data, vegetation cover data and road network vector data of Hainan Province from 2019 to 2023, this study used ArcGIS software and Fragstats software to establish a buffer zone according to the Hainan Ring Island Tourist Highway, calculate the land use transfer matrix, vegetation coverage and landscape pattern index around the road, and analyze the changes of land use, vegetation cover and landscape pattern before and during the construction of the Ring Island Tourist Highway. The main conclusions of the study are as follows:In general, it can be seen from the change of landscape pattern index that the sensitive influence range of the landscape of Hainan Ring Island Tourist Highway is within 400m to 1000m.During the land use transfer from 2019 to 2023, the unused land and grassland of the Ring Island Tourist Highway decreased during the construction period, and the cultivated land and construction land increased.The overall vegetation coverage is reduced, and a large number of land types of land with different land types have been requisitioned for road construction.In summary, the construction of the tourist highway around Hainan Island has an impact on the land use structure, vegetation coverage and landscape pattern on both sides, and the implementation of ecological restoration projects should be paid attention to in the later stage to promote ecological restoration.Key words: Hainan Island Ring Tourist Highway; Land use; vegetation cover; landscape pattern; buffer绪论背景及意义随着我国经济的快速发展与城市化进程的持续推进交通基础设施的不断完善成为推动区域社会经济发展的关键动力。海南环岛旅游公路是全国首条环岛级旅游公路全长约1000公里连接了三亚、博鳌和海口假日海滩等多个重要景区和特色乡村建设了观景台、休息区和骑行道等服务设施。提升了全岛旅游通达性是海南展示生态文化与绿色发展理念的重要窗口。该公路的建设带动了经济发展也对沿线自然生态系统带来了不可忽视的干扰。海南的生态资源丰富沿海区域分布有红树林、热带雨林、珊瑚礁等多种生态系统类型环岛旅游公路的修建可能会导致生态斑块破碎、生物栖息地退化、土地利用结构转变等生态环境问题。因此本研究以海南环岛旅游公路为研究对象结合植被与土地覆盖数据分析其对沿线区域土地利用变化、植被覆盖状况与景观格局演变的影响旨在为海南环岛旅游公路的生态保护与土地资源管理提供科学依据与政策建议。公路生态环境影响评价的研究现状研究公路生态环境影响评价能够系统地识别和预测公路建设及运营过程中对生态环境的潜在影响为决策者提供科学依据以采取有效的减缓措施保护生态环境促进公路建设与自然环境的协调发展。在GIS技术的发展和普及下交通领域的生态环境影响评价应用也日益广泛。例如高有湖等2023年针对公路兴建项目从土地利用变化情况、植被受破坏情况和生物多样性保护等多个角度对公路生态环境影响进行研究[1]王金茹等2021年建立公路施工路域生态环境影响评价指标体系和评价模型进而进行公路生态环境影响评价[2]。公路生态影响评价囊括土地利用的转变、生态系统的变化以及景观破坏等多个方面随着研究进一步深入评价手段既有定性的分析方式也存在定量的分析评估法就公路建设而言制订了相应的环境影响评价指标体系使公路工程对环境造成影响的反映更全面部分研究把评价指标分为施工阶段和运营阶段分别实施测评。范庭兴等构建公路网规划环境影响评价指标体系利于规划初期考虑生态因素李庆旭等用层析分析法评价高速路生态影响科学合理[3][4]崔胜男研究了公路的生态影响后评价定量技术注重实施后是生态影响[5]沈寒和牛玉欣研究了GIS在公路环境评价中的应用直观展示了生态敏感区等信息[6][7]孙振和等研究了海南环岛旅游公路对红树林的影响[8]韦玮研究了乡村旅游公路生态影响[9]。这些研究针对性强为公路生态环境影响评价提供了多方面的理论和技术支持但在实际应用中仍存在操作性和数据精度等方面的不足需要进一步完善和验证。研究目标与内容研究目标本研究以ArcGIS技术、envi软件和Fragstats软件为支撑以海南环岛旅游公路为研究对象对其土地利用、景观数据和植被覆盖数据进行分析构建出海南环岛旅游公路不同距离缓冲区的景观格局结合采用缓冲区分析法和景观指数来分析海南环岛旅游公路对景观格局的影响范围揭示环岛旅游公路建设与景观格局之间的关系进而对海南省环岛旅游公路景观保护提出相关建议措施。研究内容运用ArcGIS分析2019年到2023年的数据在选取的海南环岛旅游公路基础上建立不同长度范围的缓冲区叠加景观类型数据计算海南环岛旅游公路周边的土地利用转移矩阵使用Fragstats软件计算景观格局指数像元二分法计算植被覆盖度综合分析海南环岛旅游公路土地利用、植被和景观格局的影响及比较。具体研究如下海南环岛旅游公路建设对土地利用影响收集2019年至2023年海南环岛旅游公路土地覆盖数据分析其土地利用转移矩阵。海南环岛旅游公路建设对景观格局影响根据收集的土地覆盖数据按照LUCC分类体系在大方向上进行重分类成六类在缓冲区内利用Fragstats软件进行分析计算出研究年份在1000m缓冲区内的景观格局指数。海南环岛旅游公路建设对植被的影响收集2019年至2023年植被覆盖数据利用像元二分法计算植被覆盖度分析公路建设前后植被变化情况。技术路线本研究拟在海南环岛旅游公路网络的基础上建立缓冲区通过Fragstats软件和ArcGIS软件进行土地利用转移分析、植被覆盖度分析和计算景观格局指数以阐明道路建设对土地利用、植被覆盖和景观格局的影响。详细研究技术路线如图1所示图 1技术路线研究区概况及方法研究区概况研究区位置与公路建设概况海南环岛旅游公路是海南省为落实绿色发展理念、带动旅游发展而实施的基础设施工程该公路北起海口市按海南岛东线连接文昌、万宁、琼海和陵水等多个节点城市全长约1000公里该道路从2020年开工修建采取“主线支线驿站绿道”综合模式建成一条把交通功能、景观展示和生态保护结合起来的旅游公路海南环岛旅游公路依照海南的自然风貌与海岸线资源进行布局与多个旅游景区和生态保护区相连接规避生态敏感区域以及历史文化遗产体现了“生态优先、绿色发展”的理念。依照《海南省环岛旅游公路总体规划》全线共设置观景平台、驿站服务区和生态修复节点超一百处通过分段建造、智慧交通管理及景观协调谋划达成了旅游资源、交通基础设施跟生态系统的完美融合属于我国生态旅游基础设施建设的重要示范项目范畴。沿线自然条件海南岛位处中国最南端地带归属于热带季风气候区有着丰富的生物多样性及独特的自然风貌公路沿线存在着多样的生态环境类型涉及红树林、热带雨林与滨海湿地等生态系统公路周边分布有多个国家级及省级自然保护区诸如东寨港国家级红树林自然保护区与尖峰岭热带雨林等是海南生态安全格局的关键构成部分。数据来源基于上述研究内容查阅相关资料收集海南环岛旅游公路矢量数据和景观类型分布等方面的数据具体见表1。公路矢量数据。土地覆盖数据。收集2019年至2023年土地覆盖数据其土地利用类型按LUCC分类标准分为六大类。植被覆盖数据。收集2019年至2023年植被覆盖数据计算植被覆盖度。表 1数据收集数据类型来源公路矢量数据OpenStreetMap Data Extracts土地覆盖数据zenodo下载CLCD 30m分辨率植被覆盖数据GEE下载landsat8影像30m分辨率研究方法道路缓冲区道路缓冲带数值指的是不包含道路本身宽度的宽度。建立道路缓冲区缓冲区分析已经成为量化人类活动对生态系统造成的负面影响的重要方法之一[10]。在 ArcGIS软件支撑下以研究道路为基础使用缓冲区模块来构建不同长度的缓冲区。研究通常将公路分为四级高速公路、一级道路、二级道路和三级道路各自缓冲区长度分别为1000、500、250和100。在此基础上本研究选取1000作为土地利用分析的缓冲区范围。因论文选取研究区域海南具有较好的生态条件研究认为其景观影响范围应在1000以内本文在初期选取缓冲区范围时分别间隔在1001000m的范围内每间隔100进行了试验最终选取建立400、600、800和1000缓冲区带通过经不同长度的缓冲区切割后的景观类型数据导入Fragstats软件中进行处理分析。土地利用转移本研究使用ArcGIS软件建立土地利用转移矩阵后导入Excel软件归类整理以对海南环岛旅游公路1000m缓冲区范围内的土地利用变化量分析。对已有的数据根据LUCC分类标准进行重分类将各期土地覆盖数据全部集中为六类耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地。土地利用转移矩阵可以用于分析在一定时期内各土地类型向另一种土地类型转移的情况通过量化变化的多少来进行分析。景观格局分析本研究使用Fragstats软件计算景观格局指数。Fragstats软件能够简单地量化空间边界和景观中的空间斑块结构将通过ArcGIS转化的栅格图像数字化计算出各种指数数据。运用缓冲区分析的方法针对道路两侧景观结构组成变化、景观类型转移趋势进行分析探讨环岛旅游公路对海南岛的景观格局变化和破碎化的影响。详细进行分析指标见表2表 2详细景观指标景观指标类型公式概念及运用斑块所占景观面积比例PLAND为斑块ij的面积B为景观整体总面积。PLAND指某一景观类型占整个景观面积的比例是景观中的生物多样性、优势种和数量等重要决定因素。斑块密度PD为第i类景观面积。PD是解析景观破碎化的重要指标方便进行不同大小景观间的比较其越大破碎化程度就越大。景观现状指数LSI以正方形为参照以圆形为参照E为斑块边界的总长度。LSI可用于测定景观类型在空间排列上的复杂程度说明人类活动的影响程度。分离度指数SPLIT为景观类型i的距离指数为其总面积。SPLIT可衡量斑块间距变化反映人类活动对于景观的干扰程度。分离度越大空间分布越分散。植被覆盖度分析植被覆盖度一般定义为区域内植被垂直投影面积占地表面积的百分比[11]是地表植被覆被程度和生长情况的最简单度量方式。论文中借助归一化植被指数NDVI使用像元二分法反演 FVCNDVI可由landsat8影像处理得到计算公式为和分别为完全被植被覆盖区域的NDVI值和完全裸土或无植被覆盖区域的NDVI值基于像元二分法的植被覆盖模型定义为[12]因此计算植被覆盖度前需要得到和的值计算公式分别如下因论文中所选遥感数据均拍摄于5-9月是海南大部分地区一年中植被生长最旺盛时期所以研究区内近似取这时公式可变化为表示植被覆盖像元的归一化植被指数值表示完全裸土像 元的归一化植被指数值。本文中使用 NDVI 值累计频率 5%和 95%的置信区间值作为和代入公式3.5即可得到的覆盖状况。海南环岛旅游公路修建的土地利用变化响应表 3 2019年~2023年土地利用转移矩阵2023年耕地林地草地水域建设用地未利用地总计%耕地93.844.870.040.111.140.00100.00林地19.0380.740.000.030.200.00100.002019年草地52.630.3639.201.006.080.73100.00水域17.790.530.1176.305.160.11100.00建设用地1.370.130.020.3898.100.00100.00未利用地23.280.081.542.479.0463.60100.00从表3中可以看出在海南环岛旅游公路2019年~2023年的建设期耕地转换为林地和建设用地的比例较大分别为4.87%和1.14%林地转换为耕地最多比例为19.03%草地转换为耕地比例最大达到52.63%水域向耕地转移比例最大达到17.79%建设用地转换为耕地的比例最大达到1.37%未利用地转换为耕地比例最大达到23.28%。说明在环岛旅游公路建设期间由于道路修建占用部分耕地使得耕地向建设用地和草地转换建设护坡等而为了保护附件林地景观有草地转向林地的趋势。从土地利用转移矩阵可看出环岛旅游公路建设期间未利用地是主要输出类型建设期间未利用地受扰动较大说明在公路及其配套设施建设过程中优先开发了原本开发强度较低的用地类型既满足了基础设施扩张的用地需求也反映出生态土地被开发的压力明显上升。海南环岛旅游公路修建对景观格局影响耕地景观格局变化从图2可知不同缓冲区范围内5年来耕地整体占比增加尤其是2021年以后PLAND指数显著上升且在400m增长幅度最大反映出部分区域可能通过土地整治、农业用地恢复等方式在一定程度上抵消了道路建设所造成的耕地占用或扰动PD值持续下降单位面积内耕地斑块数量减少耕地格局趋于稳定SPLIT在2020年至2022年间上升尤其在600m与800m范围内分割指数明显增加说明施工活动对耕地造成了空间割裂。SPLIT值在2023年的开始下降这说明耕地景观的破碎化程度有所缓解生态格局正朝向更加稳定的方向发展LSI在这五年间逐年下降耕地斑块形状趋于规则化。环岛旅游公路的建设对其沿线耕地景观格局造成了一定的扰动尤其是在施工初期表现较为明显由于耕地本身具有较强的适应性和恢复能力耕地整体的景观结构变化较平缓。图 2公路耕地不同宽度缓冲区2019年~2023年景观指数变化林地景观格局变化从图3可知林地五年来的PLAND呈下降趋势林地面积在逐年减少在400m缓冲区内下降幅度最大PD下降单位面积内林地斑块数量不断减少其景观破碎程度减弱SPLIT波动逐渐降低在800m和1000m缓冲区内的变化较明显反映出林地在道路建设中遭受了较严重的破碎与割裂LSI呈下降趋势林地斑块的形状变得更为规整林地景观趋于均质化。环岛旅游公路的建设对沿线林地景观格局产生了持续而深刻的扰动影响。在2021年至2022年的破碎化与分割加剧最为显著后期部分指标略有恢复。图 3公路林地不同宽度缓冲区2019年~2023年景观指数变化草地景观格局变化从图4可知不同缓冲区范围内草地在缓冲区范围内的面积逐年减少反映出草地被不断侵占或转变为其他用地类型在400m范围内尤为明显。PD明显下降单位面积内草地斑块数量不断减少草地景观结构简化SPLIT急剧上升在2021年到2023年间爆发式增长说明草地景观被分割成大量微小和孤立的碎片草地景观在道路建设高峰期受到强烈干扰LSI逐年降低草地斑块边界趋于规整草地景观逐渐趋于均质化。海南环岛旅游公路的建设对其沿线草地生态格局造成了持续、深层次的扰动。图 4公路草地不同宽度缓冲区2019年~2023年景观指数变化建设用地景观格局变化从图5可知PLAND在各缓冲范围内均呈缓慢上升趋势说明随沿线建设用地面积逐年增加在400m缓冲区范围内更为明显PD相对稳定仅在小范围内有波动说明该类用地的扩张多为已有斑块的扩展而非新斑块的不断生成SPLIT逐年下降建设用地斑块之间的联系逐渐增强沿线建设用地被整合得更为集中分布更加连贯LSI整体保持平稳略降的趋势说明建设用地斑块形状相对规整其空间形态在扩张过程中保持了较高的规则性。图 5公路建设用地不同宽度缓冲区2019年~2023年景观指数变化小结由类型层次景观格局变化分析可知随着环岛旅游公路的建设所有的自然景观斑块都有受到一定影响。在公路建设过程中由于途径占地、施工和处理废料等系列行为都会直接或间接地对景观产生负面影响自然景观斑块整体占比减少。耕地在公路400m至800m变化更明显林地在800m和1000m受影响较大草地在400m至1000m内波动较大建设用地变化不明显。由此可以看出海南环岛旅游公路在400m至1000m内敏感程度较高。海南环岛旅游公路对植被覆盖的影响从表4中可以看出2019年至2023年的FVC均值分别为0.766、0.749、0.746、0.777和0.753呈先减少后增加再减少的趋势。2019年至2023年的FVC均值经历了一个起伏变化过程。2022年FVC均值较2021年增加了3.1%变化幅度为五年最大2023年的标准差最大说明研究区的植被覆盖分布情况在这一年最不均衡。2021至2022年FVC均值呈增加状态同时标准差逐渐降低研究区的植被覆盖状况趋于稳定。与2019年相比2023年的FVC均值降低了1.3%标准差增加了1%说明公路建成后研究区的植被覆盖度略有降低植被覆盖分布差异没有明显变化。从图6五年内FVC空间分布上看公路沿线和一些城乡区域的植被覆盖度较低[13]。2019年至2023年的FVC均值的分布基础上无明显变化2022年至2023年研究区公路的植被覆盖度减少幅度较大公路修建征用了大量不同占地类型的土地其中包括草地、灌木林等所以植被覆盖度整体减少。表 4各期植被覆盖度统计年份植被覆盖度最小值最大值均值标准差2019010.7660.1792020010.7490.1732021010.7460.1852022010.7770.1772023010.7530.189图 6五期FVC空间分布结论与展望结论本文以海南环岛旅游公路为研究对象基于2019年至2023年多期遥感数据采用ArcGIS与Fragstats等空间分析工具围绕土地利用转移、景观格局变化以及植被覆盖度变化方面开展生态环境影响评价得出以下主要结论1景观格局的敏感影响范围差异显著。耕地和草地的景观格局变化集中在400m—800m缓冲区林地变化主要集中在800m—1000m缓冲区而建设用地变化不显著。道路建设对耕地斑块所达到的整合程度较高而近路地带的草地景观被严重破碎林地因连续性受损害表现出生态风险上升的一种趋势。2土地利用类型出现了结构上的变动。公路修建时段未利用地与草地减少被大量转化为其他类型用地耕地以及建设用地为主要输入类型。3植被覆盖度总体呈现下降趋势。五期FVC值出现明显的波动2022年虽呈现出恢复的迹象但整体的植被覆盖度跟2019年比起来有所下降道路建设在一定程度上对区域生态系统产生了破坏公路周边的生态空间遭征用尤其是草地和灌木林这类易受外界干扰的地类成为植被加速退化的主要区域。综上所述海南环岛旅游公路在增进交通便利程度和拉动旅游经济增长的同时也对周边生态环境带来了切实的扰动这些变化存在积极的意义如部分地区景观开始趋向整合、空间结构优化同样也有不可漠视的生态风险诸如植被破碎化之类的后续发展时应进一步强化生态恢复与调控。建议基于本研究结论提出建议为今后海南环岛旅游公路及类似生态敏感区域基础设施建设提供借鉴制定分区生态保护措施。按照不同缓冲区内景观的敏感程度实施分区分级的保护策略诸如在400米的范围里增强草地修复工程于800米的范围内重点开展林地连通性强化工程避免景观进一步破碎。加强未利用地与草地的生态用途管控力度。鼓励采用生态农业、植被恢复等形式对这些容易被征用的地类进行保护性开发防止这类地成为土地扩张优先选择的对象。不足和展望本研究虽在数据获取与方法应用方面较为系统但依旧存在以下不足数据时间跨度有限。本研究采用的2019年到2023年时间段主要覆盖公路建设期以及运营初期无法反映出建设后生态系统的恢复情形后续应把更长期的时序数据进行分析。评价指标体系尚需进一步扩充当前采用的指标把土地利用和景观结构作为主要方面未深入涉及水资源、土壤质量、生物多样性等其他关键生态层面。实地考察力度不足本研究凭借遥感与空间分析工具实地调研方面欠缺。未来海南环岛旅游公路生态影响评价研究应进一步聚焦其可持续发展路径在确保交通及旅游发展得以实现的基础上经由技术创新和政策引导推动生态系统功能的恢复与升级为海南自由贸易港生态文明打造与全国绿色基础设施推进提供示范样本。参考文献高有湖,孙振磊,程华丽.临临高速公路生态环境影响评价及保护措施研究[J].交通节能与环保,2023,19(S1):30-3360.王金茹.黑龙江省绿色公路施工路域生态环境影响评价研究[D].东北林业大学,2021.DOI:10.27009/d.cnki.gdblu.2021.000609.范庭兴,衡景梅,周凌,等.适用于公路网规划的环境影响评价指标体系构建[J].公路,2023,68(02):315-321.李庆旭,刘光琇,卲麟惠.层析分析法在高速公路生态环境影响评价中的应用[J].冰川冻土,2007,(04):653-658.崔胜男.公路建设项目生态环境影响后评价的定量技术方法研究[D].北京交通大学,2019.沈寒,唐平英.GIS技术在公路环境影响评价中的应用[J].公路与汽运,2006,(03):50-52.牛玉欣,许金良,杨宏志,等.GIS支持下的公路生态环境评价[J].重庆大学学报,2010,33(09):126-131.孙振和,张前进,刘龙.海南环岛旅游公路对清澜自然保护区红树林的影响及保护对策探讨[J].交通节能与环保,2023,19(05):114-118.韦玮.乡村旅游公路生态环境影响评价研究[J].广西城镇建设,2023,(08):30-36.刘娇.高速公路修建对土地利用和景观格局的影响[D].云南大学,2023.程红芳,章文波,陈锋.植被覆盖度遥感估算方法研究进展[J].国土资源遥感,2008,(01):13-18.李苗苗,吴炳方,颜长珍,等.密云水库上游植被覆盖度的遥感估算[J].资源科学,2004,(04):153-159.王星汉.基于遥感指数的西藏地区公路生态环境影响评价[D].天津师范大学,2020.DOI:10.27363/d.cnki.gtsfu.2020.000351.致谢转眼四年的大学生活即将结束站在这个重要的节点上回顾整个毕业论文的完成过程心中充满了感激之情。这篇论文从选题到最终定稿离不开老师和同学的帮助与支持在此我向所有给予我指导和帮助的人表示衷心的感谢。最感谢的是我的论文指导老师戴声佩老师。从论文开题到初稿再到定稿戴老师一直给予我耐心细致的指导。无论是在研究思路的梳理还是在数据分析、论文结构上的调整老师都给予了我极大的帮助同时也非常感谢地理与环境科学学院的各位任课老师是你们在这四年中为我打下了坚实的专业基础让我能够顺利开展论文研究感谢学校提供的良好学习环境和丰富的图书、数据资源我也要特别感谢身边的同学和朋友们在论文写作过程中一起讨论问题、交流想法、分享资源这些点点滴滴让我在写作的过程中不再孤单也多了很多温暖和动力。最后感谢我的家人一直以来对我学业的支持和理解是你们在背后默默支持着我给了我坚持下去的力量。
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