Fragstats軟件與景觀分析LandscapeAnalystBeta.ppt

應用Fragstats軟件 （本操作版本為Fragstats3.3 ） （在Google搜Fragstats 的第一個鏈接）Fragstats軟件主頁 http:/www.umass.edu/landeco/research/fragstats/fragstats.html 景觀分析LandscapeAnalysis By fhys 在開始之前我們先再了解景觀分析（ Landscape Analyst）的相關重要概念 Fragstats軟件強大，可計算出50多個景觀指標。這些指 標被分為三組級別：分別為 Patch（斑塊/斑塊）反映單塊的結果特征 Class（斑塊類型）反映屬于相同類型的塊的特征 Landscape（整體景觀）反映整體的結構特征 三種級別逐步擴大尺度，高度相關 這三個層次的指標也基本是所有景觀分析 中都會用到的指標 景觀分析LandscapeAnalysis 舉例來說： 每個斑塊的周長就屬于Patch級別； 斑塊密度（某類型斑塊數(shù)量除以該類型所有斑塊面積之和）就屬于Class級別 ； 整個區(qū)域內(nèi)的斑塊平均面積就屬于Landscape級別； 其實在某種類型上也可以有斑塊平均面積，類似地計算就是了。 下面列出一些重要的景觀分析指標 ： 景觀面積（TA） 公式描述：CA等于某一斑塊類型中所有斑塊的面積之和（m2），除以10000后轉 化為公頃（ha）；即某斑塊類型的總面積。 生態(tài)意義：CA度量的是景觀的組分，也是計算其它指標的基礎。它有很重要的生 態(tài)意義，其值的大小制約著以此類型斑塊作為聚居地（Habitation）的物種的豐度 、數(shù)量、食物鏈及其次生種的繁殖等，如許多生物對其聚居地最小面積的需求是 其生存的條件之一；不同類型面積的大小能夠反映出其間物種、能量和養(yǎng)分等信 息流的差異，一般來說，一個斑塊中能量和礦物養(yǎng)分的總量與其面積成正比；為 了理解和管理景觀，我們往往需要了解斑塊的面積大小，如所需要的斑塊最小面 積和最佳面積是極其重要的兩個數(shù)據(jù)。 屬性Fragstats中的單位范圍 景觀面積（TA）ha-公頃（10000平方米 ） TA0 拼斑塊所占景觀面積的比例（%LAND ） 百分比0=1 最大斑塊所占景觀面積的比例（LPI ） 百分比00 面積加權的平均形狀因子（AWMSI）。 平均最近距離（MNN）m米MNN0 香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）無SHDI=0 景觀分析LandscapeAnalysis 下面列出一些重要的景觀分析指標 ： 斑塊所占景觀面積的比例（%LAND） 公式描述：%LAND等于某一斑塊類型的總面積占整個景觀面積的百分比。其 值趨于0時，說明景觀中此斑塊類型變得十分稀少；其值等于100時，說明整 個景觀只由一類斑塊組成。 生態(tài)意義： %LAND度量的是景觀的組分，其在斑塊級別上與斑塊相似度指標 （LSIM）的意義相同。由于它計算的是某一斑塊類型占整個景觀的面積的相 對比例，因而是幫助我們確定景觀中模地（Matrix）或優(yōu)勢景觀元素的依據(jù)之 一；也是決定景觀中的生物多樣性、優(yōu)勢種和數(shù)量等生態(tài)系統(tǒng)指標的重要因 素。 最大斑塊所占景觀面積的比例（LPI） 公式描述： LPI等于某一斑塊類型中的最大斑塊占據(jù)整個景觀面積的比例。 生態(tài)意義：有助于確定景觀的模地或優(yōu)勢類型等。其值的大小決定著景觀中 的優(yōu)勢種、內(nèi)部種的豐度等生態(tài)特征；其值的變化可以改變干擾的強度和頻 率，反映人類活動的方向和強弱。 斑塊平均大小（MPS） 公式描述： MPS在斑塊級別上等于某一斑塊類型的總面積除以該類型的斑塊數(shù)目；在景觀級別上等于 景觀總面積除以各個類型的斑塊總數(shù)。 生態(tài)意義： MPS代表一種平均狀況，在景觀結構分析中反映兩方面的意義：景觀中MPS值的分布區(qū)間 對圖像或地圖的范圍以及對景觀中最小斑塊粒徑的選取有制約作用；另一方面MPS可以指征景觀的破 碎程度，如我們認為在景觀級別上一個具有較小MPS值的景觀比一個具有較大MPS值的景觀更破碎，同 樣在斑塊級別上，一個具有較小MPS值的斑塊類型比一個具有較大MPS值的斑塊類型更破碎。研究發(fā)現(xiàn) MPS值的變化能反饋更豐富的景觀生態(tài)信息，它是反映景觀異質性的關鍵。 景觀分析LandscapeAnalysis 下面列出一些重要的景觀分析指標 ： 面積加權的平均形狀因子（AWMSI） 公式描述： AWMSI在斑塊級別上等于某斑塊類型中各個斑塊的周長與面積比 乘以各自的面積權重之后的和；在景觀級別上等于各斑塊類型的平均形狀因 子乘以類型斑塊面積占景觀面積的權重之后的和。其中系數(shù)0.25是由柵格的基 本形狀為正方形的定義確定的。公式表明面積大的斑塊比面積小的斑塊具有 更大的權重。當AWMSI=1時說明所有的斑塊形狀為最簡單的方形（采用矢量 版本的公式時為圓形）；當AWMSI值增大時說明斑塊形狀變得更復雜，更不 規(guī)則。 生態(tài)意義： AWMSI是度量景觀空間格局復雜性的重要指標之一，并對許多生 態(tài)過程都有影響。如斑塊的形狀影響動物的遷移、覓食等活動，影響植物的 種植與生產(chǎn)效率；對于自然斑塊或自然景觀的形狀分析還有另一個很顯著的 生態(tài)意義，即常說的邊緣效應。 平均最近距離（MNN） 公式描述： MNN在斑塊級別上等于從斑塊ij到同類型的斑塊的最近距離之和除以具有最近距離的斑塊 總數(shù)；MNN在景觀級別上等于所有類型在斑塊級別上的MNN之和除以景觀中具有最近距離的斑塊總數(shù) 。 生態(tài)意義： MNN度量景觀的空間格局。一般來說MNN值大，反映出同類型斑塊間相隔距離遠，分布較 離散；反之，說明同類型斑塊間相距近，呈團聚分布。另外，斑塊間距離的遠近對干擾很有影響，如 距離近，相互間容易發(fā)生干擾；而距離遠，相互干擾就少。但景觀級別上的MNN在斑塊類型較少時應 慎用。 景觀分析LandscapeAnalysis 下面列出一些重要的景觀分析指標 ： 香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI） 公式描述： SHDI在景觀級別上等于各斑塊類型的面積比乘以其值的自然對數(shù) 之后的和的負值。SHDI=0表明整個景觀僅由一個斑塊組成；SHDI增大，說明斑 塊類型增加或各斑塊類型在景觀中呈均衡化趨勢分布。 生態(tài)意義： SHDI是一種基于信息理論的測量指數(shù)，在生態(tài)學中應用很廣泛。 該指標能反映景觀異質性，特別對景觀中各斑塊類型非均衡分布狀況較為敏 感，即強調(diào)稀有斑塊類型對信息的貢獻，這也是與其它多樣性指數(shù)不同之處 。在比較和分析不同景觀或同一景觀不同時期的多樣性與異質性變化時， SHDI也是一個敏感指標。如在一個景觀系統(tǒng)中，土地利用越豐富，破碎化程 度越高，其不定性的信息含量也越大，計算出的SHDI值也就越高。景觀生態(tài) 學中的多樣性與生態(tài)學中的物種多樣性有緊密的聯(lián)系，但并不是簡單的正比 關系，研究發(fā)現(xiàn)在一景觀中二者的關系一般呈正態(tài)分布。 香農(nóng)均度指數(shù)（SHEI）、散布與并列指數(shù)（IJI）、蔓延度指數(shù)（ CONTAG）。 都是Patch、Class、Landscape 這三個層次上的計算得到的 景觀分析LandscapeAnalysis 通過上述關于層次與指標概念介紹我們給景觀分析下一個定義 景觀生態(tài)學是研究景觀單元的類型組成、空間配置及其 與生態(tài)學過程相互作用的綜合性學科。強調(diào)空間格局、 生態(tài)學過程與尺度之間的相互作用是景觀生態(tài)學研究的 核心所在。 Wikipedia 景觀分析LandscapeAnalysis 由于計算量比較大， 所以只截取部分區(qū)域 操作 景觀分析LandscapeAnalysis 行列數(shù) 柵格大小 圖像色深 GRID格式 設置：柵格大小、行列數(shù)、 背景等 如果是GRID就自動檢測無需 輸入 選擇： ArcGrid圖像數(shù)據(jù)（或其它）（ASCII和img格式使用的區(qū)別） Standard分析方式（也可以用移動窗口的方式） 自動保存結果文件 景觀分析LandscapeAnalysis 選擇GRID格式文件選擇輸出文件自動保存輸出文件 先選擇處理單個文件（ Landscape），批處理（batch） 后面會講到 選擇Standard，移動窗口的方法 詳細見軟件的幫助文檔 選擇： ArcGrid圖像數(shù)據(jù)（或其它）（ASCII和img格式使用的區(qū)別） Standard分析方式（也可以用移動窗口的方式） 輸出數(shù)據(jù)選上所有級別（單個斑塊、斑塊類型、整體景觀） 自動保存結果文件 為了對應ArcGIS中的柵格轉矢量的 方法，設置為4cell rule （附：如果設為8，則若在arcgis中 把原圖轉成多邊形來與Fragstats生 成的結果來匹配會出現(xiàn)斑塊數(shù)不 同的狀況） 景觀分析LandscapeAnalysis （4cell rule表示有共鄰邊才歸為一 個斑塊，而8cell表示rule 即使對角 相鄰也歸為一個斑塊） 輸出與原圖位置相同，像元值為該像元所在斑塊的 斑塊序號 的柵格圖 設置你想要得到的景觀參數(shù)的級別 設置分類文件，暫不用，后面會講 最后，OK 景觀分析LandscapeAnalysis 最后，OK 會發(fā)現(xiàn)提示“cannot load class properties file”，就是沒有選擇設置 分類信息的原因，但也不影響GRID 格式的分析，因為Fragstats會默認 自動識別分類信息 對三個級別的想要輸出的指標量進行選擇 按需選擇 Patch（斑塊 ） Class（斑塊類型 ） Fragstats軟件強大，可計算出50多個景觀指標 。這些指標被分為三組級別：分別為 Patch（斑塊/斑塊）反映單塊的結果特征 Class（斑塊類型）反映屬于相同的塊的特征 Landscape（整體景觀）反映整體的結構特征 三種級別逐步擴大尺度，高度相關 景觀分析LandscapeAnalysis Landscape（整體景觀 ） 執(zhí)行成功 景觀分析LandscapeAnalysis 設置patch景觀參數(shù)設置patch景觀參數(shù)設置patch景觀參數(shù)設置總體參數(shù)運行 相同效果 ID 文件默認保存到了與 源文件同一個文件夾下 如果沒有設置autosave的話，點Save run as 保存結果文件 執(zhí)行成功，查看結果 景觀分析LandscapeAnalysis 得到的文件： 四個結果文件、 一個柵格文件（ GRID格式） 景觀分析LandscapeAnalysis 用記事本打開生成的文件注意查看幫助文檔說明的單位 Adj文件是各類型統(tǒng)計的矩陣 class文件是每種類型的對應 參數(shù)結果，這里為class級別 上的斑塊密度 （PD：patch density） Land文件，得到形 狀指數(shù)LSI和景觀聚 集度指數(shù)con，而且 都是MN（平均值） Patch文件，因為斑塊數(shù)數(shù)量多，所以文件也稍大，這里算 出面積，周長和回旋半徑 景觀分析LandscapeAnalysis 用記事本打開生成的文件注意查看幫助文檔說明的單位 此外還會生成一個柵格圖，其像元值為其斑塊在Fragstats中的編號順序 ID Image圖像ID Image圖像的屬性表 這個文件名字是原圖名字后面加上id4，如果 是8cell rule的話會是id8（Fragstats自動加的 ） 景觀分析LandscapeAnalysis 注意：必須前面有 選上這個才有這個 圖像 導入到ArcGIS中 景觀分析LandscapeAnalysis 一定要是“打開”而不 能是直接拖進去 選擇patch文件 導入到ArcGIS中 景觀分析LandscapeAnalysis 選 分隔符 然后下一步 導入到ArcGIS中 景觀分析LandscapeAnalysis 選擇 逗號 下一步 導入到ArcGIS中 景觀分析LandscapeAnalysis 默認，點完成 導入到ArcGIS中 景觀分析LandscapeAnalysis 顯示有些奇怪 ，需要去掉表 格中的空格 導入到ArcGIS中 景觀分析LandscapeAnalysis 界面顯示清楚了 替換空格的前提是你 的文件目錄路徑不包 含空格 導入到ArcGIS中 景觀分析LandscapeAnalysis 因為這次都是同 一個文件的，可 刪除第一列的路 徑信息。若是多 個文件則需按第 一行來分類 導入到ArcGIS中 景觀分析LandscapeAnalysis 另存為xls表格文件 導入到ArcGIS中 景觀分析LandscapeAnalysis 之所以要新建一個，主要是為了 到時能導出一個數(shù)據(jù)庫文件，如 果直接join excel表格的話，當 excel位置變化后會丟失join 導入到ArcGIS中 景觀分析LandscapeAnalysis 為新建的個人數(shù)據(jù)庫導入剛 才保存的xls表格文件 導入到ArcGIS中 景觀分析LandscapeAnalysis 選擇那個表格，雙擊進去 ，選中$結尾的文件名 （其實是excel中的一個 表格頁） 導入到ArcGIS中 景觀分析LandscapeAnalysis 再設置一下輸出 名字，就OK 導入到ArcGIS中 景觀分析LandscapeAnalysis 把剛才的ID柵格文件和 new personal database中 的表格拖到ArcGIS中 導入到ArcGIS中 景觀分析LandscapeAnalysis Join表格柵格的value 對應表格的 ObjectID 導入到ArcGIS中 景觀分析LandscapeAnalysis Join表格后 ArcGIS中顯示舉例 原土地利用圖回旋半徑圖 景觀分析LandscapeAnalysis ArcGIS中顯示舉例 原土地利用圖回旋半徑圖 景觀分析LandscapeAnalysis Fragstats中幫助文檔的描述 ArcGIS中顯示舉例 類似的，可以對class文件與源圖像按照類 型進行匹配來join到圖像的屬性表中 景觀分析LandscapeAnalysis ASCII類型 ArcGIS中將柵格轉換為ASCII后是不能直接在fragstats分析的，需要打開txt文件， 把前面的幾行描述信息刪掉，只保留柵格信息，才能被Fragstats分析。 須刪掉前面那6行信息 ASCII類型 景觀分析LandscapeAnalysis ERDAS和8bit類型 貌似Fragstats不支持ERDAS9以后的img格式，所以會報錯 ERDAS類型 其幫助文檔是這樣描述的 ： 8bit類型 雖然不可以直接用ERDAS類型，但可以選擇8bit類型來對 img圖像進行分析（實際就可以是ERDAS9的文件） 但是這時候一定要選擇分類文件，否則即使能夠執(zhí)行， 但結果也是不正確的 景觀分析LandscapeAnalysis 指定Class類型文件 這里可以指定你自己寫的txt或 文件或fdc文件，其格式很簡單 ClassID, ClassName, Status, isBackground Status 代表是否參與計算， isBackground代表是否作為背景 景觀分析LandscapeAnalysis 批處理 如果要對多個鎮(zhèn)區(qū)分別計算其景觀指 數(shù)的話，需要在Fragstats用到批處理 ，格式如下： 景觀分析LandscapeAnalysis GRID文件的批處理格式 Fragstats幫助文檔的關 于其他文件格式的批處 理格式，基本類似 批處理會遇到的問題 Fragstats不能對一整幅圖像自動分各 鎮(zhèn)區(qū)來計算對應的景觀指數(shù)，所以先 要把各鎮(zhèn)區(qū)的土地利用圖裁剪出來 景觀分析LandscapeAnalysis 批量裁剪柵格圖的方法： 1、split工具分割矢量圖（這里要注意有些鎮(zhèn)區(qū)包含多個polygon時，因 為兩個polygon名字相同，會導致分割出9999的錯誤，要修改其名字為為 唯一值才可以，如在鎮(zhèn)區(qū)名前加上FID，因為FID肯定是唯一的） 2、右鍵點擊extract by mask工具來批量裁剪柵格圖（這個需時較長） 3、在excel中批量生成Fragstats中需要的文件名 注意：文件路徑都不能有空格，否則Fragstats分析時會報錯 批處理會遇到的問題 Fragstats中的問題 景觀分析LandscapeAnalysis Fragstats批處理的方法和問題： 1、在excel中批量生成Fragstats中需要的文件名（手動輸入太麻煩） 2、Fragstats對批量的柵格圖生成了結果文件后，以城市用地的斑塊密度 為例，有些鎮(zhèn)區(qū)包含城市用地和非城市用地，而有些鎮(zhèn)區(qū)卻只有城市用 地或只有非城市用地，這時下圖的情況 只有城市用地這一行 有些polygon的面積比 柵格圖的一個像元還 小，造成裁剪出來也 是無實際值，F(xiàn)ragstats 就無法識別，變成沒 有這個鎮(zhèn)區(qū)一樣 通常我們需要的只是城市用地的斑塊密度，所以要把這 兩個得到的值分離開來 批處理會遇到的問題 Fragstats中的問題 景觀分析LandscapeAnalysis 有些鎮(zhèn)區(qū)有一行，有些有兩行，有些連一行都沒有，這 樣不規(guī)則的數(shù)據(jù)分離，可以用到excel中的宏命令來處理 Excel宏命令步驟 1、office2007為例子 2、視圖 3、查看宏 4、輸入自定義的宏名字，點編輯 批處理會遇到的問題 景觀分析LandscapeAnalysis 關鍵是找先到定位單位格 位置的函數(shù)，見下圖 Sub forclass() 需要先清除excel內(nèi)所有空格 Dim t As Integer Dim s As String Dim count As Integer Dim nomalCity_FD As String 對應LID的位置顯示PD值 Dim orderCity_FD As String 去掉TYPE為0的重復城市 Dim order As String 序號 t = 1 累計城市數(shù)量 s = “D:split1995outputextract_b“ 指定文件名和位置 count = 350 設定得到的文件數(shù)量 設定輸出列- nomalCity_FD = “f“ orderCity_FD = “h“ order = “g“ Range(nomalCity_FD + “1“).Value = “PD(city)“ Range(orderCity_FD + “1“).Value = “PD(city)“ Range(order + “1“).Value = “FID序號“ Range(order + “2“).Value = 1 For n = 2 To count - If Range(“A“ + CStr(n).Value Like “D:split1995outputextract_b“ + CStr(t) Then If Range(“b“ + CStr(n).Value = 1 Then Range(nomalCity_FD + CStr(n).Value = Range(“c“ + CStr(n).Value Range(orderCity_FD + CStr(t + 1).Value = Range(“c“ + CStr(n).Value Else Range(nomalCity_FD + CStr(n).Value = “-“ Range(orderCity_FD + CStr(t + 1).Value = “-“ End If Else t = t + 1 累加一項 Range(order + CStr(t + 1).Value = t If Range(“b“ + CStr(n).Value = 1 Then Range(nomalCity_FD + CStr(n).Value = Range(“c“ + CStr(n).Value Range(orderCity_FD + CStr(t + 1).Value = Range(“c“ + CStr(n).Value Else Range(nomalCity_FD + CStr(n).Value = “-“ Range(orderCity_FD + CStr(t + 1).Value = 0 End If End If Next n - End Sub 批處理會遇到的問題 景觀分析LandscapeAnalysis 得到的分離 的結果 Moving window 選擇Moving window 景觀分析LandscapeAnalysis 按需要選擇圓形（ Round）或方形（ Square）范圍 概念：首先要指明的是，選擇moving window后只能分析landscape級別的指 數(shù)，因為moving window就是源圖像中每個像元都按指定范圍只作為一個整 體來分析，并把分析的值保存在對應點坐標位置，形成新的圖像。每選一個 landscape級別的指數(shù)就會多生成一個grid圖像 Moving window 景觀分析LandscapeAnalysis 選擇兩個參數(shù)：shapeIndex（形狀指數(shù)）和ContiguityIndex（聚集度指數(shù) ） Moving window 景觀分析LandscapeAnalysis Moving window計算得到的文件與之前standard模式下的不同，它生成的是GRID 格式文件，每個GRID圖像對應一個參數(shù)： ContiguityIndex（聚集度指數(shù)）和 shapeIndex（形狀指數(shù)） Moving window 景觀分析LandscapeAnalysis Moving window得到的圖像的范圍會比源圖像范圍較小，因為當像元點離邊界的 距離小于指定的范圍（radius）時，就會使得該像元點的指定范圍不能構成完整 的區(qū)域，見Fragstats的幫助文檔 Moving window 景觀分析LandscapeAnalysis 源圖像 疊加起來看，生成的 圖像范圍變小了 shape_mn 形狀指數(shù)均值（按圓形窗口 ） Moving window 景觀分析LandscapeAnalysis Moving window是只考慮局部范圍地計算景觀指數(shù)的 方法，本質上跟在standard模式下的landscape參數(shù) 基本一樣。 Last 最后，請多看看Fragstats自帶的幫助文檔，基本有 所有的說明。特別是Step2： 各景觀參數(shù)的作用可Google一下、查看相關論文 或者細看Fragstats自帶的幫助文檔，都有計算公式 給出來的。 景觀分析LandscapeAnalysis Patch Analyst可集成在ArcGIS中，可直接方便調(diào)用ArcMap中工 具，但計算出的景觀指標較少。若能集合Patch Analyst和 Fragstats各自的優(yōu)點的話會更方便我們進行景觀分析。 下圖為集成后的界面 此外還有另外的軟件可用于景觀 分析：Patch Analyst 景觀生態(tài)學LandscapeEcology 景觀分析LandscapeAnalysis 參考： - fragstats軟件主頁 http:/www.umass.edu/landeco/research/fragstats/fragstats.html - 環(huán)境變量設置 http:/ - 景觀格局動態(tài)變化分析方法 http:/ - 齊全的指標解釋 http:/ - 維基百科 http:/zh.wikipedia.org/zh-cn/景觀生態(tài)學 - 基于 GI S的吉林省景觀生態(tài)學評價研究 韓天放 胡筱敏 董 源 FRAGSTATS USER GUIDELINES - 景觀分析LandscapeAnalysis 其他： - Patch Analyst軟件主頁 http:/flash.lakeheadu.ca/rrempel/patch/index.html - 當ArcGrid是灰色時候的解決方法是設置系統(tǒng)環(huán)境變量 設置為新建名稱為path（可以都是小寫），值為類似于D:Program FilesArcGISBin的ArcGIS安裝路徑中 http:/ - Fragstats中的class properties file的文件可以使fdc，也可以是txt，txt的格式可以這樣寫 http:/ - 景觀分析LandscapeAnalysis