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 GIS

Author: 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

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1000ｍ、500ｍ、250ｍ和100ｍ。在此基础上，本研究选取1000ｍ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1000ｍ以内，本文在初期选取缓冲区范围时分别间隔在100ｍ－1000m的范围内每间隔100ｍ进行了试验，最终选取建立400ｍ、600ｍ、800ｍ和1000ｍ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

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 FVC，NDVI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

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

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

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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。