景觀生態指數

由上節文獻回顧中，可得知地理學者在分析聚落、建成地或其他面資料 時，除了使用地理空間指數及空間統計方法來度量之外。景觀生態指數也是度 量面資料空間型態之重要方法途徑之一。因此，本節欲回顧景觀生態指數與其 應用於聚落分析之文獻。

一、景觀指數

生態環境(landscape ecology)研究中常使用景觀指數(landscape metrics)來研 究景觀型態(landscape pattern)和生態反應間的關係(Hargis, Bissonette and David，1998、Perry et al.，2002、Turner，2005)。

景觀指數通常採用離散的面資料類型。景觀被視為嵌塊體(patch)所組成的 景觀鑲嵌體塊(landscape mosaic)，分別由嵌塊體、廊道(corridor)、基質(matrix) 所構成。稱為「嵌塊體–廊道–基質」模式(patch-corridor-matrix model)，或稱 鑲嵌體模式(mosaic model)，如圖 5。

圖 5：景觀構成基本元素示意圖：嵌塊體、廊道與基質 參考資料：Thomas G. Barnes(2000)

根據Forman(1995)對三種景觀結構元素的定義如下(引自張啟德，1994):

(一) 嵌塊體：是指一塊不同於周遭環境，且相對均質的非線狀地區。

(二) 廊道：是指一條隸屬某種土地覆蓋、組成內容與物理結構，均與背景 環境不同的線狀區域。

(三) 基質：是一個區域中，不論是面積、連通性和連續性的程度，或對景 觀動態的控制程度最具優勢的土地覆蓋類型。

此外，肖篤寧(1993)認為嵌塊體是景觀空間尺度上所能見到的最小單位；

廊道是具有通道或屏障功能的線狀或帶狀嵌塊體；而基質是相對面積高於景觀 中其他任何嵌塊體類型的要素，是景觀中最具連續性的部分，往往形成景觀的 背景。

由於每一個嵌塊體可依屬於不同類別(class/category)。故景觀指數可分成四 種研究尺度(如圖 6)：

(一) 網格尺度(cell level)：單一網格的分析。由於網格尺度過小，在分析意 義不大(李盈潔，2008)，故常用的分析尺度仍以以下三種為主。

(二) 嵌塊體尺度(patch level)：分析單一嵌塊體。嵌塊體為一塊與外部週遭 區域不同的區塊

(三) 類別尺度(class level)：分析同一種類別嵌塊體的組成及分布。類別為 一種土地覆蓋類型的嵌塊體的總合。

(四) 景觀尺度(landscape level)：整體景觀的巨觀分析。景觀為在標定 範圍 內所有的嵌塊體的總合。

圖 6：景觀指數的四個研究尺度

參考資料：Leitão et al.(2006)、張俊彥等人(2011)

景觀指數並發展出度量area, shape, core area, contrast, aggregation,

subdivision, Isolation, diversity 等各種空間特性的指數(McGarigal, Cushman, Neel and Ene 2002)。這些指數應用在在生態多樣性、棲地分析、水資源品質、地景 型態變遷環境美感等各種領域中。

在景觀指數的計算上，相關學界大多使用FRAGSTATS 軟體，來計算各種 類的指數。該軟體最初於1995 年，由美國俄勒岡州立大學 McGarigal 博士與其 主持景觀生態實驗室(Landscape Ecology Lab at the University of Massachusetts)所 開發而成。截至目前為止(2017 年 4 月)該軟體版本已經出版至第 4.2 版本。

雖然FRAGSTATS 普及了景觀指數(或網格面資料)的研究與計算。但對於 地理學者與地理資訊系統使用者而言，在執行相關研究的操作上，必須要將研 究資料先輸入FRAGSTATS 軟體分析之後，再將結果輸入地理資訊系統軟體中 進行二次處理。對使用者而言，其操作方便性有限。此外，FRAGSTATS 不是 一套開源的軟體，無法深入軟體程式細節，作更多程式分析功能的增修(二次開 發)與應用。

即使FRAGSTATS 在使用與二次開發有上述問題，但也由於目前地理資訊 系統上缺乏較有系統性的面資料型態分析功能。因此，相關學者除了會利用景 觀指數與FRAGSTATS，研究景觀型態和生態反應間的關係之外。不少學者也 借助部分景觀指數與FRAGSTATS 功能，來分析網格式面資料。

二、景觀指數應用於聚落(或建成地)分析

在聚落分析方面，景觀指數也常被用來描述都市聚落的型態(Uuemaa et al.， 2009)。Schwarz(2010)回顧比較不同都市特性常用的景觀指數，如 Size of sealed urban area、面積權重平均嵌塊體(area weighted mean patch)、面積權重平均形狀 (area weighted mean shape)、密集度(compactness index)、邊緣密度(edge

density)。Reis 等人(2016)則回顧過去 15 年間有關都市型態、都市成長、都市衰 退、衡量指標的相關研究，並歸納出景觀指數(landscape metrics)、地理空間指 數(geospatial metrics)、空間統計(spatial statistics)三種類型的聚落度量指標，共

162 種(其中 41 種景觀指數、110 種地理空間指數、11 種空間統計量)。

AWMP fractal dimension (10 / 24%) edge density (8 / 20%)

AWM shape index (4 / 10%) landscape shape index (6 / 15%) fractal dimension (4 / 10%)

comp. index of the largest patch (3 / 7%) shape index (1 / 2%)

mean shape index (1 / 2%) square pixel (1 / 2%)

mean perimeter–area ratio (1 / 2%) mean radius of gyration (1 / 2%) edge-to-interior ratio (1 / 2%)

2.破碎性

mean nearest neighbour distance (6 / 10%) landscape expansion index (2 / 3%) lntersp. and justap. index (2 / 3%) mean landscape expansion index (1 / 2%) AWM landscape expansion index (1 / 2%)

mean nearest neighbour distance standard deviation (1 / 2%)

change in density of urban land (1 / 2%) percent. like of adjacency (1 / 2%) length of common edge (1 / 2%)

3.多樣性

意義：都市聚落內，不同特徵、類別嵌 塊體的相對分布，如土地用途。更側重

於(都市)景觀的組成。

Shannon’s diversity index (5 / 24%) Shannon’s evenness index (2 / 8%) patch size standard deviation (3 / 14%) patch size coefficient variation (2 / 8%) patch richness (2 / 8%)

contrasting edge ratio (1 / 5%) contrasting edge proportion (1 / 5%) mean dispersion (1 / 5%)

diversity index (1 / 5%)

Simpson’s diversity index(2 / 8%) Simpson’s evenness index (1 / 5%)

4.其他指標：

4-1.同時度量複雜性和破碎性 4-2.面積指標

4-3.其他

4-1-1. compactness index (3)

4-2-1. change in size of urban area (1) 4-2-2. urban area (12)

4-3-1. largest patch index (7) 4-3-2. patch cohesion index (1)

資料來源：Reis et al. (2015)

有極大關聯，尤其在國中小學環域分析中，更可明顯看出時間序列下建成地開 發先後機制；而立地條件的形狀方面，可用來輔助說明建成地開發機制，可利 用不同時聚下建成地形狀比較，推估開發宗地大致發展情形與機制。

陳亮瑜(2002)利用碎形維度概念（fractal dimension）的與盒計法(box counting model, BCM)來度量臺灣地區的聚落空間結構形態中，聚落的結構特性 與聚落的分布情況。該研究分為兩個目的：ㄧ為以區域性的研究，探討都市聚 落內部的變化；另一為全面性的分析，研究不同聚落間的碎形維度之差異。並 透過盒計法求出碎形維度(D 值)，其值越趨近 2 表示空間的分佈是呈現平均且 密集的分佈，D 趨近 1 代表其空間分佈形態呈現零散且不平均的分佈狀態。

李介中(2005)以碎形維度(D 值)探討臺灣建地的空間分佈形態，並將其值與 地形因子做卡方分析，來檢視兩者之間的關聯性。該篇文章發現三個成果：首 先他認為平面上的碎形維度值非1-2，而應介於 0-2，其因在於盒計法中方格若 無建地則D 值應以 0 計數。其二，他認為傳統碎形研究上，為了便於和社經資 料做統計分析，多以行政區做為統計單元。但此舉會難以突破社經資料空間外 顯程度低以及均一化行政區內部資訊等問題限制。因此，該研究以地形資料來 做分析，並地形最適合的空間尺度的平均值15.36 公里當做統計單元大小。其 三，建地分維與地形分維透過卡方檢定分析，三年度均達顯著水準0.005 以 下，顯示有相當顯著的差異。代表建地與地形分維並非隨機存在，而是建地分 維會偏好出現在特定的地形分維範圍裡，即建地與地形存在著顯著的關連，且 其空間分佈形態會受到地形的影響。

王翠華(2007)利用航空照片與土地利用資料，判識與數化出基隆河中上游 地區的建地分布。並透過研究方法，包括：網格來計算聚落的分布變遷密度與 空間自相關探討單位面積聚落的重心、聚落增加率探討聚落增加速度、景觀生 態指數CAP 觀察聚落空間形態、不同時期數值地形模型(DTM)剖面圖比較開發 前後的山坡地社區地形、Binary Logistic 回歸分析驗證地形因子與聚落的相關性

論聚落擴張的影響與聚落變遷的影響因子。

鄧南榮等人(2009)利用景觀生態指數，並透過 FRAGSTATS 軟體計算，探 討中國東南沿海典型農村工業化地區-晉江市的農村聚落景觀格局的變遷。作者 運用嵌塊體數量、平均嵌塊體面積、嵌塊體面積標準差、最大嵌塊體指數來描 述聚落規模大小；類別面積、景觀百分比來反映聚落用地與整體景觀情況；平 均最鄰近距離、平均最鄰近指數、嵌塊體密度來度量聚落的空間分布；平均形 狀指數、面積加權平均嵌塊體分維數來描述聚落的形狀。成果指出，就聚落規 模而言，1985 至 2005 年聚落嵌塊體數量變化不大，但規模大小差異逐漸明 顯；聚落形態變化方面，聚落形狀越趨複雜與不規則且邊界曲折度也越來越 大，顯示該地區缺乏規劃與引導；而聚落分布變化方面，鄰近程度不斷提高，

相鄰聚距離縮短，顯示聚落在空間分布有集中與聚集的趨勢。最後，作者選擇 18 個相關因素透過因素分析法，進行影響聚落趨動力探討，發現區域經濟發 展、農村工業化、農村居住環境、國家政策制度是影響聚落發展的重要因素。

吳振發(2009)為了探討臺灣中部的都市景觀格局特性，以中部地區 32 個都 市聚落為研究對象，運用景觀生態指數分析都市景觀格局，並以迴歸分析來建 構都市的人口規模與景觀生態指數的模型，最後將32 都市聚落進行集群分析來 分類都市類型。其研究成果發現都市人口規模跟景觀尺度的土地利用嵌塊體數 量、總邊長、平均邊長、面積加權平均形狀指數、Shannon 多樣性指數有較高 的決定係數，即有較高的關聯性；另外，如果就以整體土地利用的景觀生態指 數來做群集分析，發現可分成三個群集，其中台中為一群集、水里與魚池為一 群集、其餘都市為一群集，其因於台中為高度發展的都市(多建地)，水里與魚 池為高度景觀生態價值的都市發展結構(多自然林地與坡地農地)，其餘都市則 介於這兩群集之間。

劉芳等人(2010)主要利用 Landsat 衛星 TM 影像，並透過影像判識出 1980 年代與2005 山東省地區農村聚落土地利用後，選擇五項指標(面積比例變化 值、雙向動態模型變化值、相對全省的變化率、聚集度變化值及穩定性差異值)

來分析山東省各市農村聚落的空間形態，最後十七個地級市農村聚落分布情況 進行集群分析中的Q 型集群。其研究結論顯示山東省十七個地級市農村聚落土 地利用比例有明顯差異，且有十四個地級市的農村聚落用地來自於農耕地的轉 用；另外有十五個地級市在1980 年代至 2005 年間，其農村聚落空間分布形態 趨於緊湊且呈不穩定的趨勢發展；最後透過十七個地級市的農村聚落在數量、

形態、空間散布、流向等四個特徵，進行Q 型集群分析並可分成三種類型。

劉頌與郭菲菲(2010)使用 Landsat 衛星 TM 影像與 SPOT 衛星影像判識出聚 落等土地利用，並利用景觀生態指數來探討1995 與 2008 年山東廣饒縣聚落的

劉頌與郭菲菲(2010)使用 Landsat 衛星 TM 影像與 SPOT 衛星影像判識出聚 落等土地利用，並利用景觀生態指數來探討1995 與 2008 年山東廣饒縣聚落的