中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

應用 GIS 探討竹北市農地景觀變遷之研究 Applying GIS on Change of Farm Landscape in

Chupei City

系 所 別：建築與都市計畫學系碩士班 學號姓名：M09805022 王仁宏

指導教授：閻克勤 副教授

中 華 民 國 100 年 2 月

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摘 要

竹北市為新竹縣內發展最快速的地區，早期因鄰近科學園區及高鐵站的設置，導 致大量人口遷入。近年來，當地工廠的轉型、大型公共設施落成、大學校區預定地設 置、台元生醫園區的規劃等，進一步加速竹北的開發。在此過程中，大量的農地變更 為其他使用分區，以供應各方的需求。農地雖非自然中最初即存在之生態系統，但其 具備提供生物棲息之功能，在水泥叢林中可提供動物生存繁衍之空間，故在此探討其 特性，藉由多年來的變遷，歸納出農地景觀與生態保育之關聯性。

農地除提供糧食外，亦能完善保護原棲息地生物，故本研究將基於景觀生態學理 論，運用民國六十六、七十四、八十二、九十三、九十九年之航照圖，透過地理資訊 系統及各種軟體分析，探討竹北市整體農地景觀變遷趨勢，以瞭解近年來竹北市景觀 變遷較劇之區位，作為研擬相關計畫維護環境及保護自然生態之依據。

本研究從空間尺度上可以瞭解竹北市何處需要保存農地景觀，而非以往高等則農 地之評估方式，依此進行維護生態景觀、降低棲地破碎程度之措施。各種數據則可提 供特定嵌塊中須強化及維護之重點，諸如嵌塊密度、多樣性指數等，除了進行研究範 圍總量管制參考外，也可輔助於都市計畫變更審議及小區塊開發、管理、維護等使用。

關鍵詞：農地景觀、變遷、景觀生態學、嵌塊、地理資訊系統

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ABSTRACT

Zhubei City is the fastest developing area in Hsinchu County. Due to the establishment of Science Park and Taiwan High Speed Railway Station earlier, a larger number of people have moved into the city. Due to the recent transformation of local factories, completion of large infrastructure, establishment of proposed site for university campus, and planning for Tai Yuen Hi-Tech Industrial Park, have further accelerated the development in Zhubei. During this process, massive agricultural lands have been changed other partitioning zones to meet demand from different fields. Although agricultural lands are not the ecosystem that has preliminarily existed in nature, its function in providing habitats for organisms in addition to serving as space for animal survival and breeding in concrete jungles, contributes to the exploration of its characteristics in this paper. The correlation between the agricultural landscape and ecosystem conservation is induced from years of changes.

Apart from providing food, agricultural lands also protect native species from the habitats with improvement. The study applied aerial maps from 1977, 1985, 1993, 2004, and 2010 based on the theory of landscape ecology, to discuss the overall changes and trends in the agricultural lands of Zhubei City through geographic information system and various software analyses, and thereby to get an insight to the partitions in Zhubei landscape with more dramatic changes as the grounds for formulating projects related to environmental protection and ecosystem protection.

The study analyzes the areas in Zhubei City that require conservation of agricultural landscape from spatial dimension instead of evaluation over high agricultural lands, in order to maintain ecosystem landscape and apply measures for lowering the degree of habitat fragmentation. In addition to conducting total control and reference over the scope of research, the various data can be used to provide the focuses to be strengthened and

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maintained for specific embedded blocks, including the density of embedded blocks and diversity index, as well as assisting with the change/review of urban planning, small-block development, management and maintenance.

Keywords

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謝 誌

經歷了兩年半的時間終於完成這篇碩士論文，即將離開學校的我想藉由這篇謝志 感謝這段期間來指導過我的老師，以及在課後與我討論的學長姐。特別感謝閻克勤老 師的教導在這兩年半來的教導，無論在論文方向、研究方式、公式演算與文章撰寫等 方面，若無老師的指導這邊論文絕對無法完成。這段時間來我在多次混淆論文重點、

選錯計算指標甚至連繪圖的精密度都無法掌握，多虧老師您耐心的指導我才能克服難 關寫出這篇文章。感謝 張馨文副教授與李俊霖專任助理教授於口試階段所給予的建 議，使我得以補強這論文遺漏及缺失的部分，這篇論文也因此變得更加完整與客觀。

感謝陳榮村院長、解鴻年老師、江崇誠老師、謝偉勳老師、陳天佑老師、胡太山老師、

王維民老師、陳淇美老師、林政達老師、李少甫老師、劉明政老師，各位老師從大學 時期至今於課堂上的指導，無論是專業知識、法律規範、簡報技巧、軟體操作與職場 倫理等都使學生獲益良多，為我打下良好的基礎以應對進入社會後的各種挑戰。

再來是感謝研究室的各位學長姐，感謝櫻燕學姊於 GIS 操作與報告書撰寫技巧的 指導；感謝書存學長與我詳細討論研究方法與流程；感謝小胖、小呂、石頭與老二學 長，除了學業問題外亦教導我各種電腦知識與技巧；感謝各位互相勉勵的朋友佩蓉、

姵妏、志良、秋媽、翹哥、耀光、老王、于震、佳蓓、紹宇、帝佑、薰文等人，很高 興與各位認識使我研究生生活增添不少色彩。另外感謝周董與各位學弟妹的幫助，在 我為論文焦頭爛額的時候分擔不少壓力。

最後要感謝我的家人，老爸、老媽、老姐與老哥，雖然這幾年家境不如以往，但 各位並沒因為延畢而要求我放棄學位，仍是支持並鼓勵我完成學業，使我無後顧之憂 的專心完成論文。

王仁宏 謹識於中華大學建築與都市計畫研究所 中華民國 101 年 2 月

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目錄

ABSTRACT ... ii

目錄 ... v

表目錄 ... vii

圖目錄 ... viii

第一章 緒論 ... 1

第一節 研究動機與目的 ... 1

第二節 研究範圍 ... 3

第三節 研究內容與流程 ... 4

第二章 文獻回顧 ... 6

第一節 景觀生態學 ... 6

第二節 農地景觀分類與相關研究 ... 11

第三章 研究步驟與方法 ... 13

第一節 操作步驟與流程 ... 13

第二節 評估指標之選定 ... 25

第三節 指標評估層級劃分 ... 32

第四章 農地景觀變遷分析 ... 40

第一節 研究範圍發展概況 ... 40

第二節 景觀變遷性質與區位分析 ... 44

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第三節 景觀指數分析 ... 47

第四節 空隙度分析 ... 82

第五節 農地發展潛勢建議 ... 93

第五章 結論與建議 ... 97

第一節 結論 ... 97

第二節 建議 ... 100

參考文獻 ... 102

附錄一 歷年取樣地區空隙度統計表 ... 106

vii

表目錄

表 2-1-1 相關文獻定義 ... 7

表 3-1-1 嵌塊類型分類表 ... 15

表 3-1-2 聚集度與空隙度差異比較表 ... 21

表 3-3-1 竹北市變遷指數評估等級尺度及評估參數表 ... 36

表 3-3-2 形狀指數（S）疊圖分級表 ... 37

表 3-3-3 尺寸指數（P）疊圖分級表 ... 38

表 3-3-4 多樣性指數（D）疊圖分級表 ... 38

表 3-3-5 綜合分析疊圖分級表 ... 39

表 4-1-1 竹北市歷年土地開發及公共建設重大事件一覽表 ... 41

表 4-3-1 歷年景觀形狀指數變遷表 ... 47

表 4-3-2 歷年平均景觀形狀指數變遷表 ... 50

表 4-3-3 歷形狀指數變遷表 ... 52

表 4-3-4 歷年最大嵌塊指數變遷表 ... 54

表 4-3-5 歷年平均嵌塊面積變遷表 ... 57

表 4-3-6 歷年嵌塊面積標準差變遷表 ... 59

表 4-3-7 歷年嵌塊面積變異係數變遷表 ... 61

表 4-3-8 歷年尺寸類指數分析變遷表 ... 63

表 4-3-9 歷年嵌塊豐富度變遷表 ... 65

表 4-3-10 歷年嵌塊豐富度密度變遷表 ... 68

表 4-3-11 歷年嵌塊豐富度密度變遷表 ... 70

表 4-3-12 歷年多樣性指數分析變遷表 ... 72

表 4-3-13 歷年聚集度變遷表 ... 75

表 4-3-14 歷年分維指數變遷表 ... 77

表 4-3-15 歷年綜合分析變遷表 ... 79

viii

圖目錄

圖 1-2-1 研究範圍圖 ... 3

圖 1-2-2 研究流程圖 ... 5

圖 3-1-1 研究方法流程圖 ... 13

圖 3-1-2 影像對位示意圖 ... 17

圖 3-1-3 路寬變化描繪方式示意圖 ... 19

圖 3-1-4 農地面積變遷圖 ... 22

圖 3-1-5 滑動框演算法操作流程圖 ... 24

圖 4-2-1 歷年農地景觀分佈圖 ... 46

圖 4-3-1 歷年 LSI 變遷趨勢圖 ... 48

圖 4-3-2 景觀形狀指數歷年分級圖 ... 49

圖 4-3-3 歷年 MSI 網格數變遷趨勢圖 ... 50

圖 4-3-4 平均景觀形狀指數歷年分級圖 ... 51

圖 4-3-5 歷年 S 網格數變遷趨勢圖 ... 52

圖 4-3-6 景觀形狀指數歷年分級圖 ... 53

圖 4-3-7 歷年 LPI 網格數變遷趨勢圖 ... 54

圖 4-3-8 最大嵌塊面積指數歷年分級圖 ... 56

圖 4-3-9 歷年 MPS 網格數變遷趨勢圖 ... 57

圖 4-3-10 平均嵌塊面積歷年分級圖 ... 58

圖 4-3-11 歷年 PSSD 網格數變遷趨勢圖 ... 59

圖 4-3-12 嵌塊面積標準差歷年分級圖 ... 60

圖 4-3-13 歷年 PSCV 網格數變遷趨勢圖 ... 61

圖 4-3-14 嵌塊面積變異係數歷年分級圖 ... 62

圖 4-3-15 歷年 PSCV 網格數變遷趨勢圖 ... 63

圖 4-3-16 尺寸類指數歷年分級圖 ... 64

圖 4-3-17 歷年 PR 網格數變遷趨勢圖 ... 65

圖 4-3-18 嵌塊豐富度歷年分級圖 ... 67

圖 4-3-19 歷年 PRD 網格數變遷趨勢圖 ... 68

圖 4-3-20 嵌塊豐富度歷年分級圖 ... 69

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圖 4-3-21 歷年 SHDI 網格數變遷趨勢圖 ... 70

圖 4-3-22 Shannon 多樣性指數歷年分級圖 ... 71

圖 4-3-23 歷年 D 網格數變遷趨勢圖 ... 72

圖 4-3-24 多樣性類指數歷年分級圖 ... 74

圖 4-3-25 歷年 C 網格數變遷趨勢圖 ... 75

圖 4-3-26 聚集度類指數歷年分級圖 ... 76

圖 4-3-27 歷年 Fd 網格數變遷趨勢圖 ... 77

圖 4-3-28 分維指數歷年分級圖 ... 78

圖 4-3-29 歷年 Fd 網格數變遷趨勢圖 ... 79

圖 4-3-30 綜合分析歷年分級圖 ... 81

圖 4-4-1 民國 66 年取樣地區空隙度比較圖 ... 82

圖 4-4-2 民國 66 年取樣地區二元影像圖 ... 83

圖 4-4-3 民國 74 年取樣地區空隙度比較圖 ... 84

圖 4-4-4 民國 74 年取樣地區二元影像圖 ... 84

圖 4-4-5 民國 82 年取樣地區空隙度比較圖 ... 85

圖 4-4-6 民國 82 年取樣地區空隙度比較圖 ... 86

圖 4-4-7 民國 93 年取樣地區空隙度比較圖 ... 87

圖 4-4-8 民國 93 年取樣地區空隙度比較圖 ... 88

圖 4-4- 9 民國 99 年取樣地區空隙度比較圖 ... 89

圖 4-4-10 民國 99 年取樣地區空隙度比較圖 ... 90

圖 4-5-1 農地發展潛勢圖 ... 94

圖 4-5-2 應保留農地分佈區位圖 ... 95

圖 4-5-3 整體開發地區分佈區位圖 ... 96

圖 4-5-4 生態廊建置區位示意圖 ... 96

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第一章 緒論

本章對於選擇農地做為研究對象與選擇竹北市作為研究範圍之原因進行說明，並 詳述研究所希望得到之成果、研究內容、研究流程等。

第一節 研究動機與目的

農業本為新竹縣生產之主力，其中竹北市更是新竹縣之重要生產地帶。根據行政 院主計處農林漁牧業普查結果顯示，竹北市耕地面積由民國 85 年 2,535.44 公頃，至 民國 98 年則下降為 1,659.60 公頃，可耕地面積減少 34.54％，取而代之者為工業、商 業、學校用地等使用類別。然此類型變更雖有助於產業經濟之發展並帶動竹北市地方 繁榮，但其變動過程中也帶來生態、文化、景觀之破壞。竹北市經歷了飛利浦電子公 司設廠、新竹縣政府遷址、高速鐵路興建及場站設置、台元生醫園區劃設、大學校區 預定地劃設等，數次大規模土地開發行為，均使竹北市土地使用及景觀分佈產生變化。

此外上述開發帶來之人口遷入，當人口遷入時所需之住宅、商業、公共設施等需求，

更是擴大了農地變更為其他使用項目之面積，導致竹北市地景有相當大之變化。

農地雖不如森林、濕地、湖泊等自然地形可孕育大量物種，但亦有麻雀、大螳螂、

黃頭鷺、小白鷺等相當數量之物種及族群棲息，而開發為工商業使用將導致人類以外 物種之生存空間縮減，甚至讓物種於土地中滅絕，相較之下農地則具備保護並提供物 種生存所需棲地之特色。此外，相對於工、商、金融等二與三級產業，無論於開發、

營運等方面，農業對於自然景觀之破壞、土地容受力之負擔等造成負面外部性較小。

尤其是農地相較於住宅、學校、機關等土地使用類別，於開發過程中不須將土地大規 模開挖、整地等改變土壤性質地層特性之措施。較低的開挖率有助於地下水源的補助，

可避免因不透水層面積增加造成洪峰波峰增高、時間縮短等問題，間接改善洪泛問題。

雖然農地不能提供日常生活所需之居住空間、滿足居民消費行為、提高產業經濟活動，

但其對於環境保育、物種豐富度維護、氣候及水文調節等有實際助益，為維護生態環 境、降低土地開發帶來之負面外部性，維持一定農地面積為必要的。

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本研究希望可瞭解竹北市歷年農地景觀變化，從空間尺度上可以瞭解竹北市何處 需要保存農地景觀，而非藉由等則評估農地生產力，最終目的在於瞭解竹北市農地景 觀變遷最劇烈之區位於何處。除農地分佈區位變化外，亦進行形狀、面積、連結度等 各種分析，以瞭解農地景觀各種特性之變遷。各種數據則可提供各農地不同規模下，

各區域須加強維護之重點，如竹北市整體農地景觀分佈之調整、工商業發展地區土地 適宜開發規模，農地適宜分割形狀與大小等，除維護整體之農地分佈規劃外，亦有助 於小區塊開發、管理、維護等使用。本研究目的包含：

一、建立農地景觀 GIS 資料庫。

二、瞭解竹北市農地分佈區位之變遷並探討農地形式及性質之變化。

三、瞭解農地景觀變遷幅度。

四、依據整體竹北市農地環境特性及生態特性，同時掌握關鍵區域之特徵。

五、分析並評估農地發展潛勢。

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第二節 研究範圍

本研究之研究對象為農地景觀，研究範圍係新竹縣竹北市，詳細說明如下。

一、研究對象

本研究之目的為建立統計資料及農地空間分佈之變遷，研究對象以農田為主。園 藝、溫室等室內栽培之作物，由於缺乏與生物互動，且景觀與植被不受氣候影響，故 不列入本研究之研究對象。魚塭、牧場等雖無種植農作物，但其均有生物與棲地之交 互作用，亦具有相當程度之人為活動影響，故列入農地景觀嵌塊。無論農田、魚塭、

牧場等範圍內出現人工構造物時，則該構造物分類為干擾嵌塊。本研究所指的農地景 觀（Agricultural landscape ecology）係指地表上農地使用之地貌型式，而非田園景觀

（view）（鄔建國，2003）。

二、研究範圍

本研究範圍係新竹縣竹北市（詳圖 1-2-1），北起新豐、湖口鄉，東至新埔鎮、芎 林鄉、竹東鎮，南臨新竹市北區與東區，西濱台灣海峽，面積 49.73 平方公里。

圖 1-2-1 研究範圍圖 資料來源：農林航測所

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第三節 研究內容與流程

本研究係藉由景觀指數分析瞭解新竹縣竹北市由民國 66 年至民國 99 年間，農地 景觀之變化程度，運用指數分析之目的在於瞭解景觀分佈狀態外，亦可瞭解小區域景 觀變化、不同類型景觀變遷之差異、得知景觀變遷之幅度。

一、研究內容

農地景觀變遷型態與幅度，乃本研究重點。為達成此目的須瞭解何為農地景觀、

景觀指數如何進行運算與分析與景觀分佈型態之利弊。方可進行景觀分類、建置資料 庫、計算與分析景觀指數，最後提出對於竹北市農地景觀變遷之結論與建議。

（一）文獻回顧

本研究進行文獻回顧，蒐集有關於農地定義、嵌塊分類方式、景觀指數適用範疇、

景觀指數計算方法、農地景觀間之空隙分析方法與景觀分佈方式利弊等，以期客觀獲 得竹北市農地景觀分析方式與評估方法。

（二）資料庫建置

欲瞭解農地景觀變遷，須分析歷年農地景觀分佈。雖然內政部營建署地理資訊系 統已有提供優良農田敏感地分析圖，但其僅有民國 80 年圖資，且優良農田敏感地分 析圖分類方式與本研究相差甚遠，係採用土地質地、有機質含量與陽離子交換能力等 因子劃分等級，並依據水田及旱田之差異劃設高生產力土壤。高生產力土壤再刪除坡 度過高與現況已開發不適宜轉變為優良農田的部分，最後即得到優良農田之劃設成果

（內政部營建署，1992）。故未使用營建署建置圖資做為竹北市農地景觀之基本資料，

而是採用林務局農林航空測量所繪製台灣地區相片基本圖作為底圖，進行景觀描繪之 方式建置向量式圖層資料庫。本研究使用民國六十六、七十四、八十二、九十三、九 十九共五個年度之相片基本圖進行資料庫建置。

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（三）景觀指數分析

依據文獻記載，列出景觀分析所需之各類型景觀指數，再選出適用於本研究之指 數。指數分析完成後，須將同類型指數統整，以得知不同類型指數之歷年變化。最後 將不同類型指數進行疊圖分析，以求得完整之竹北市農地景觀變遷。

（四）結論與建議

經由指數分析可得知景觀變遷特徵，進而提出有利於維護竹北農地景觀之發展策 略，並指出竹北市內何處應限制甚至禁止農地開發做為其他用途。

二、研究流程

本研究是探討竹北市農地景觀歷年變遷，為達成該目標，須統整前人撰寫之文獻、

選取適當指數、進行疊圖分析等步驟，本研究流程詳圖 1-2-2。

圖 1-2-2 研究流程圖 資料來源：本研究整理

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第二章 文獻回顧

農地景觀多年來為許多人研究主題，但因研究對象、研究方法、研究性質等有所 差異，故對農地之定義、分析方式、操作工具等均有所異，本章之目的在於說明本研 究與既有之研究異同與整合前人之研究，作為客觀分析竹北市農地景觀之根據。

第一節 景觀生態學

景觀生態學（Landscape Ecology）係用以探討地景結構、景觀分佈區位、生態特 性、景觀變遷之綜合性科學。景觀生態學強調的是空間格局、生態學、尺度間的相互 作用（Risser 等，1984；Turner,1989；Pickett 和 Cadenasso,1995；Wu 和 Loucks,1995）。

其作用在於協調人類和自然思想為指導，強調無機環境，以生物為中心，並由人類為 主導，合理調控現有景觀生態系統並加以規劃設計，以期合理保護與永續利用（傅柏 杰，1993）。主要是研究景觀組成之空間要素、結構變化與其間相互作用之關係。而 這些組成之單元要素，按其形狀和作用可分為嵌塊（Patch）、廊道（Corridor）和基 質（Matrix）三種類型。嵌塊是景觀空間尺度上所能見到的最小均質單元，亦有綴塊、

斑塊等名稱，多數景觀生態學者以嵌塊為景觀生態研究之基本單元（林裕彬，2000）。

景觀生態學係藉嵌塊組成之性質、特色，以瞭解景觀之構造，並推論其形成原由及關 鍵之學問。運用指數分析可數化景觀特質，客觀比較兩地之差異或時空間演進下同一 地之景觀變遷趨勢與幅度。

一、定義

由李麗雪等人所譯之《環境景觀之規劃與應用》，對景觀生態學定義有其論述，

且對於空間分析及景觀規劃原則有較完整論述。常學理、鄔建國、陳吉泉及張俊彥等 學者在於模擬模型及實際土地使用計畫上著墨較多，對於景觀生態學之定義除了空間 外變遷外，亦包括地質結構分析。陳義昌以及鄔建國所撰《數學模型及自然保護》和

《景觀生態學》，其內容除講解景觀生態學之定義與發展使外，多著重於景觀常用指 數之分析模式與公式說明。蔡厚南等人所撰〈農地景觀生態廊道建構之研究-以得子

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口溪流域平原為例〉，亦對景觀生態學之意涵有所論述，並運用景觀指數說明各生態 系統之間的物質能量之間相互影響為何。本研究將統整相關文獻對景觀生態學定義

（詳表 2-1-1），提出空間與棲地相互影響之論述作為本研究對景觀生態學之定義。

表 2-1-1 相關文獻定義

作者 書名/期刊名 對景觀生態學定義

李麗雪等人譯 環境景觀之規劃與應用 景觀生態學為空間上相鄰、功 能上相關、有一定特點的生態 系統的聚合。

賴進貴 全國農地利用變遷和空間差異-由 統計表格到地理資訊

常學禮，鄔建國 分形模型在生態學的應用

景觀系統的相互作用、空間組 織和相互關係，相互作用的生 態 系 統 組 成 的 異 質 地 表 的 結 構、功能和動態。

張俊彥等人譯 景觀建築及土地使用計畫之景觀 生態原則

陳吉泉 景觀生態學的基本原理及其在生 態系統經營中的應用

陳意昌 農地重劃地區土地利用與景觀變 遷之研究

以類似方式重覆出現、相互作 用若干生態系統的聚合所組成 之 異 質 性 區 域 （ Forman &

Godron，1986）。 鄔建國 數學模型及自然保護

景觀生態學〔初版〕

蔡厚南等人 農地景觀生態廊道建構之研究-以 得子口溪流域平原為例

各生態系統之間的物質能量流 動和相互影響。

資料來源：本研究整理

二、內容意涵

景觀生態學是研究景觀單元的類型組成、空間配置及其與生態學過程相互作用的 綜合性學科。強調空間格局、生態學過程與尺度之間的相互作用是景觀生態學研究的 核心所在（鄔建國，2003）。相關文獻內容主要對於景觀生態學的定義、理論、景觀 模型及景觀生態學應用等進行探討。其中，景觀生態學之各種因素又以嵌塊、廊道、

基質、景觀指數與網格五項對本研究的影響較為重要故分述如下：

（一）嵌塊（Patchs）

指具備相同特色、性質與均值性之地景結構，因主題及研究對象之差異，將影響 嵌塊之分類、規模、形狀、意涵等。因此同一地區受主題之影響可出現由不同類型嵌 塊組成，所表達之意涵也不同。

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（二）廊道（Corridors）

連結並傳遞能量、物質等，並提供生物移動與遷徙之狹長型嵌塊，除了流通之作 用外，廊道亦包含阻隔與屏障之作用（Forman and Godron,1986；Forman,1995；張啟 德等，1996；林裕彬等，2000）。

（三）基質（Matrix）

景觀中往往包含許多類型之嵌塊，其中面積最大者則稱為基質。基質可視為景觀 之底圖，因其最具連續性，故往往成為景觀之背景（張啟德等，1996；Forman and Godron，

1986；Forman，1995）。

（四）景觀指數（Landscape metrics）

評估景觀整體特性同時將其量化之工具，然景觀指數種類繁多，若以評估階層分 類則有嵌塊個體、嵌塊類別與整體景觀三類；若以功能分類則可分成尺寸、形狀、類 別、分維及聚集度等。本研究使用之景觀指數，階層多為整體景觀，功能則涵蓋尺寸、

形狀、類別、分維及聚集度，均為評估單一網格內整體景觀之指數，惟有空隙度指數 與其他指數略有差異而另行分析，其差別將於文章中加以比較。

（五）網格（Raster）

由於嵌塊為向量式資料，若欲進行兩處景觀之比較時難以界定正確的範圍及準確 說明位置，故用正方形格狀區塊描繪固定面積區域之特性，如此便可明確說明各空間 之意義（張俊彥等，2011）。

三、景觀格局分析方法

景觀生態學資料分析受研究主題、嵌塊尺度與分析方法等影響，同一案例可能因 研究主題之差異，造成嵌塊分割為不同尺寸，例如森林生態景觀分析中，主題若是昆 蟲或鳥類兩種生物，考慮到棲地、物種體型、習性與活動範圍等差異，研究鳥類時所 劃分的嵌塊應較昆蟲的尺度大，即使同一物種的研究，若嵌塊劃分尺度不同，也會影 響到分析資料之準確度及真實性，故於進行分析前必須先研究分析方法，找出最適宜

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之分析方式。景觀生態學分析方法乃將圖資數據化，並藉由數學模式計算，依照景觀 指數之運算以及空間統計學之方式進行分析，並配合網格說明嵌塊位置，依網格內嵌 塊特性推算，將其套用於相關指數，加以數據化並建立完整資料。

（一）景觀生態模式

製作景觀模型之優點為能夠簡化現況，依據主題需求突顯出特定資料，藉由數學 模式計算分析得知變遷趨勢及演變過程。然而景觀模式主要分為空間機率模型、細胞 自動機模型、景觀機制模型三種。空間機率模型，為三種模型中專為植物群落演替和 土地利用格局變化（鄔建國，2003），較符合本研究主題。

（二）評估景觀碎裂化方式

景觀破碎化以空間變數、嵌補度與連接性、網路與結點三項為探討主題。

1.空間變數

運用各種景觀生態學發展出的指數分析，雖然能瞭解動植物族群組成、生產力、

景觀生態等之間關聯性，唯目前相關指數數值代表意涵仍是未知數，但引用於景觀 生態管理上仍有相當幫助（李麗雪等人，2002）。

2.嵌補度與連接性

用以計算區內破碎度的指數，單位面積土地內，不計大小與形式之總數即為嵌 補度，嵌補度越高者代表碎裂程度越低。連接性則是指區域內各區塊間實際連接數 與可能連接數之比值，數值越高者代表網路系統較複雜（李麗雪等人，2002）。

3.網路與節點

網路是指區塊與廊道間相互連線之集合體，位於網路中各線段連接點或交叉點 即稱為節點。由於節點具有生物流通中繼站功能，各種資源流動變化可能在節點被 擴大、加速、降低或臨時儲存，換言之節點越多者網路越複雜（李麗雪等人，2002）。

（三）統計表格至地理資訊系統

將統計數值及相關數學模式計算所得結果匯入地理資訊系統，得出結果依循研究

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範圍分佈層級之設定，運用顏色顯示區間差異，以期達成彙整資料工具、資料展現與 查詢、空間分析三項成果。

1.彙整資料工具

瞭解農業活動和相關因素的狀態，例如：農地及魚塭等，往往具有空間成分

（spetial component），其分佈位置若能加以記錄，將可繪製地圖與進行空間分析。

2.資料展現與查詢

有關農業各種活動以 GIS 繪製地圖以呈現空間分佈資料，亦能運用其查詢功能，

瞭解各因子對農地產生之影響。

3.空間分析

運用 GIS 運算，以疊圖分析、環域分析、地形分析等幾何層面分析，藉由空間 分析，具體說明區塊間差異，亦瞭解不同地區之間的相互影響作用為何。

四、景觀碎裂化與原型

發展農業屬於較尊重自然的開發方式，諸如道路開闢、產業專區劃定、大型商場 開發等土地使用則漠視當地的生態景觀。除了上述各類型開發外，隨著交通可及性提 高而延伸出的各種土地使用，亦可能造成原先破碎的景觀更大的破壞。而景觀的原型 與碎裂化景觀形態可分為三類（李麗雪等，2002）。

（一）線形

線狀的廊道系統，常見的線型有道路、管線、海岸、河川等，但並非均為直線形 狀，如內陸湖為線狀圍繞而成的圓形稱為迴路形或稱為網眼形（李麗雪等，2002）。

（二）方格形

格狀的系統，通常因人工的土地使用而造成，如農業區、住宅區等因道路或管線 分割成格子狀（李麗雪等，2002）。

（三）片段形

原型棲地破碎化後即成為片段形（李麗雪等，2002）。

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第二節 農地景觀分類與相關研究

本節對於農地景觀之分類技術、分類方式、農地景觀生態相關研究進行說明。

一、農地景觀（farm landscape）分類

景觀分類技術有兩種，分別為藉由人工判讀航照圖或是運用光譜分析進行分類。

雖然光譜分析可快速判讀大範圍之地景，但由於其技術尚未趨於完美，輸入特徵予程 式進行分類時，可能因景觀具備類似特徵而出現誤判之現象，且對於判讀對象亦有範 圍上之誤差，故本研究仍是採用人工判讀之方式。

而景觀分類之方式往往隨研究對象而異，分類方式依照自然度與人為影響頻率而 分為干擾嵌塊、殘存嵌塊、再生嵌塊、環境資源嵌塊與引進嵌塊體五類（Forman &

Godron，1986）。其中，干擾嵌塊為受人為活動或天然變遷影響，造成植被迅速變化。

尤其是以人為開發造成植被變遷最為常見。殘存嵌塊則與干擾嵌塊相反，係指原景觀 受人為變遷影響後，仍保留原本植被與景觀形態之嵌塊。而再生嵌塊則是經過人為干 擾之土地，再次生長出新的植被即稱為再生嵌塊。環境資源嵌塊則為較少受人為活動 影響，保持原植被與生態環境者。因人為活動而引入植物、動物或人，且該物種發揮 長期主導該區景觀者即為引入嵌塊。若依照土地分類型態作為依據，則有將嵌塊分為 山坡地、農田、道路、河川、水圳、陸域綠地、魚池水塘與聚落建築等類之方式（林 沛毅，2004）。

二、農地景觀生態相關研究

農地景觀為生態環境與都市環境間之緩衝區，農地景觀不但具備生產功能，亦可 提供物種棲息與生存所需空間。宜蘭縣野鳥協會曾於龍潭、下埔、林美、大竹圍、礁 溪跑馬道觀測點觀察到洋燕、白頭翁、棕背伯勞、綠繡眼、麻雀、斑文鳥、白腰文鳥 等數種鳥類於農地棲息或覓食（蔡厚男等，2003），相對於河口沙洲、湖泊水域、溪 流等環境，農地所能蘊含之物種種類並不低於自然環境。然而對於農地景觀並非每種 均可作為生物棲地，如道路、圳溝、壩堤等，人為影響頻率高的之景觀，均不利於物

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種生存（蔡厚男等，2003），故於嵌塊分類時，本研究將溝渠與圳溝列入干擾嵌塊類，

即高度受人為活動影響，自然度較低之嵌塊類型。

細分農地景觀並瞭解其代表意涵與生態功能後，為有效分析農地之生態意義，可 進行農地景觀分析。然農地景觀特徵繁多，受研究對象影響須慎選使用指數。但農地 景觀指數計算仍有一定通則，尺寸（size）、形狀（shape）與類型（type）為必須進行 分析項目。其中尺寸影響單位面積生物量、物種數量之主要因子，嵌塊形狀則反映邊 緣效應與空間複雜程度，而嵌塊內物種多樣性則受嵌塊類型多寡影響，故上述三者為 農地景觀分析之必要指數（Forman and Godron，1986；江彥政、張俊彥，2008）。

欲解釋景觀變化，尤其是量化後對景觀指數之變化特徵，可運用統計參數表達，

如平均數、變異數、偏態等（Baker，1992）。故本研究於指數選擇時即採用最大嵌塊 指數、平均嵌塊面積、嵌塊面積標準差等應用統計原理而設計之景觀指數，以解釋及 推論各種景觀變遷的現象與意義（林裕彬、林怡君，1999）。

三、農地發展潛勢相關研究

既有農地發展潛勢分析，多為運用氣候、地質與土壤等條件進行分析，以探討農 地較常發生災害潛勢或土地適宜性分析。由於各因子與農地生產力關聯性仍不明確，

故多數研究將個因子採用個別分析。例如颱風、雨害、風害與旱害等天然災害均為氣 候改變而造成，但目前未曾將各種災害賦予權重進行綜合分析，而得知各種天然災害 對農地發展之綜合影響（陳守泓等，2007）。而土地適宜性之分析則是運用地質、地 形、水文、地質與土壤等進行潛勢分析，係面向較廣泛且因子類型較完整之研究（許 慧敏，2004），與氣候災害評估相似，是運用負面列舉評估何處不宜做為農業發展之 評估方式。而優良農田敏感地評估則為正面列舉，運用土壤、地質、排水性、有機質 含量與陽離子交換能力評估農地生產量，再藉由限制因子如坡度與建成地分析，排除 因天然條件或人文活動而不適宜發展農業之土地，進而得知農地發展潛勢。

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第三章 研究步驟與方法

目前已有許多文獻對景觀指數與 GIS 資料庫建置技術進行研究，然其研究目的與 對象均與本研究有所差異，故以本章用以說明資料庫建置流程與指數分析步驟。

第一節 操作步驟與流程

本研究藉由文獻回顧，包含景觀生態學、破碎化、景觀指數、空隙度等，以瞭解 進行農地景觀分析所需之要素。統整文獻回顧得知內容，區分嵌塊類別並繪製農地景 觀向量圖層，更進一步進行指數與空隙度計算，並將向量圖資轉換為網格圖資，以說 明各區歷年之景觀變化（詳圖 3-1-1）。

圖 3-1-1 研究方法流程圖 資料來源：本研究繪製

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一、嵌塊分類

本研究則是統整自然度及土地使用性質兩種分類方式，將不同土地分類型態整合 為環境資源嵌塊、農地景觀嵌塊、荒地嵌塊與干擾嵌塊四類。其中，農地景觀嵌塊是 將殘存嵌塊、再生嵌塊與引進嵌塊三者整合，因三者均有人為干擾後產生生物棲地，

且農地均符合其特徵敘述，故將三者統合；荒地嵌塊則因土地使用過程中，常出現為 準備土地開發而進行整地之現象，整地中土地呈現難以判斷其為干擾嵌塊或農地景觀 嵌塊之現象，故另外分出一類景觀以敘述此類處於過度帶嵌塊。

（一）定義

環境資源、農地景觀、荒地與干擾嵌塊四大類嵌塊定義分述如下：

1.環境資源嵌塊

自然地形構成之嵌塊（Forman and Godron，1986），如海洋、沙岸、沙洲、山 坡與河床等。範圍內若出現人工構造物或農地，則分割為農地景觀或干擾嵌塊。

2.農地景觀嵌塊

係統整殘存、再生與引進嵌塊特性，用以分析農地景觀之嵌塊類型。由於殘存 嵌塊係開發後剩餘保有植被之土地（Forman and Godron，1986），而竹北市內多數 開發後殘餘土地多開發為農地或綠地使用，故視景觀而異分別判定為農地景觀嵌塊 或干擾嵌塊；再生嵌塊為經過人為活動干擾後再次產生植被之景觀（Forman and Godron，1986），其性質與殘存嵌塊相似，於竹北市出現該類嵌塊時亦多為農地，

故列入農地景觀嵌塊分析；引進嵌塊為因人類引入新物種而產生景觀變化之嵌塊

（Forman and Godron，1986），較常見者為魚塭與牧場，由於本研究將魚牧業列入 農地景觀，故引進嵌塊亦統合入農地景觀嵌塊類別。

3.荒地嵌塊

農地於耕作期間，視成長周期而定須休耕，或收割後將產生短期間無植被覆蓋 之地景，而土地開發過程中須經過整地，亦將造成土地短期內為無植被覆蓋狀態。

此類景觀暫時因缺乏生產者而不適於物種生存，未來環境景觀亦難以判斷是否適合

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物種棲息，故本研究將缺乏植被覆蓋、範圍內無人工構造物且非環境資源嵌塊者定 義為荒地嵌塊進行分析及研究。

4.干擾嵌塊

干擾嵌塊係指基質中出現自然變遷（如山崩、土石流與火災等）或受人為活動 影響產生景觀變化者（Forman and Godron，1986）。為避免與其他嵌塊性質重複，

本研究將干擾嵌塊定義為人為活動頻繁，不具備自然植被且無農業活動，景觀易受 人為活動影響改變者。溝渠與峻溝等雖具備與河川相似功能，但其環境不適宜物種 棲息，且河床多為人工構造物構成，故本研究將其列入干擾嵌塊類別進行分析。

（二）內容

四大類嵌塊之細分類詳表 3-1-1。

1.環境資源嵌塊

符合環境資源嵌塊定義者有海洋、河川（主要為頭前溪與鳳山溪）、山坡（多 分佈於鄰近新豐鄉、芎林鄉、竹東鎮地區）與原生林等。

2.農地景觀嵌塊

符合農地景觀嵌塊定義者多為農地，其項目包含水稻田、旱田、魚塭與牧場等。

3.荒地嵌塊

符合荒地嵌塊定義者有休耕農地、整地中土地等。

4.干擾嵌塊

符合干擾嵌塊定義者有聚落、道路、公園與圳溝等。

表 3-1-1 嵌塊類型分類表

嵌塊類別－大分類 嵌塊類別－細分類

環境資源嵌塊 海洋、海岸、河川、河床、沙洲、山坡、原生林等。

農地景觀嵌塊 水稻田、旱田、魚塭、牧場、果園、菜園等。

荒地嵌塊 休耕農地、整地中土地、火災後林地等。

干擾嵌塊 建物、聚落、道路、陸橋、溝渠、圳溝、人工草地、公園、綠 帶、圈養牧場、港口、停車場、墓地等。

資料來源：本研究統整

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二、資料庫建置流程

欲進行景觀分析，首先須取得農地景觀之電子圖資，但本研究進行竹北市農地歷 年景觀變遷之研究，所使用之圖資多數為書圖資料，僅有民國 99 年航照圖為電子格 式，且容量過大造成運算困難，故需將圖面資料數化與簡化，方可進行向量圖資描繪。

本研究使用之 GIS 軟體為 Super GIS 3.0，圖面資料轉換並輸入 GIS 步驟如下。

（一）掃描圖面資料

將書圖資料掃描並儲存為 JPEG 電子格式，後續將輸入 Super GIS 3.0 程式進行分 析，輸入 GIS 之圖層均採用 TWD97 座標系統，為目前台灣 GIS 較常使用之座標系統，

同時亦為農林航測所等機關繪製電子圖層時常用座標系統。

（二）影像對位

影像對位是將一般電子格式影像檔轉換為具備座標系統電子圖檔，雖然一般電子 圖檔即可進行向量資料之製作，但使用不具備座標系統之圖檔進行向量式圖資描繪時，

所得之數據將偏離實際數據甚多，故影像對位是圖面資料轉換向量式圖資必經過程。

本研究進行影像對位原則為：

1.選擇位於研究範圍邊界，且容易藉由道路判別位置之基準點，數量為 4～8 個。

2.基準點位置以平均分佈為原則選擇，分佈位置詳圖 3-1-2。惟研究範圍西北鄰台 灣海峽處，因海岸線難以界定範圍而未設置基準點。

3.校正值小於 10 方可進行影像對位。

4.以校正值小於 10 為條件，盡可能保留基準點。

5.若校正值大於 10 則以分佈位置為基準，刪除基準點分佈較密集者。

6.刪除密集區基準點後校正值仍大於 10 者，則刪除殘差值較高之基準點。

7.刪除殘差值較高基準點後校正值仍大於 10 者，重新選擇基準點並進行步驟 1～7 直到校正值小於 10。

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圖 3-1-2 影像對位示意圖 資料來源：本研究繪製

（三）數化判斷標準

本研究繪製之 GIS 圖層係經由一人獨自進行描繪，可避免多人進行描繪時產生之 特徵判斷不同，而造成嵌塊形狀及規模之差異。然獨自進行描繪之缺點為相當分費時，

故進行嵌塊描繪時應視研究時間與經費等因素，選擇適當方式進行 GIS 資料庫建置。

本研究所分四大類嵌塊範圍判斷原則分別為：

1.環境資源嵌塊

以各種地形邊為分割為環境資源嵌塊，惟若於河川與海洋等無明顯交邊界之地 形，則視為同一嵌塊未加分割，其他藉由細分類項目特徵及二手資料判斷各環境資 源嵌塊分佈位置及範圍。

2.農地景觀嵌塊

農地景觀嵌塊並非依田埂為邊界，而是以道路、溝渠與河川等環境資源嵌塊或 干擾嵌塊為邊界，將田埂視為農地之部分進行分割。即進行農業生產者，扣除其範 圍內人工構造物、人工鋪面（包含人工種植草地）者與天然地形者（環境資源嵌塊）， 特徵為自然度次高，定期受到人為活動影響而產生景觀變化，但仍可容納物種生存 者，判斷為農地景觀嵌塊。

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3.荒地嵌塊

無植被覆蓋、無人工構造、無人工鋪面且與二手資料核對確定非天然地形者，

及分類為荒地嵌塊，範圍通常以農地景觀嵌塊或干擾嵌塊為界，若遇砂石場或垃圾 掩埋場等設施範圍內可能存有大規模空地者，則藉由二手資料核對位置，並將其分 類為干擾嵌塊，較常見之荒地嵌塊多為休耕中農地或整地工程進行中之建地。

4.干擾嵌塊

線型且等寬干擾嵌塊（包含道路、鐵路、陸橋、圳溝與運河等）採用先描繪中 心現在進行環域分析之方式描繪，且僅描繪寬度 8 公尺以上者，寬度 8 公尺以下則 不加進行描繪或與其鄰近干擾嵌塊合併為一個嵌塊。面狀干擾嵌塊判別方式係以街 廓為單位進行描繪，但農舍、獨棟大樓與涼亭等單一建物而非聚落或街廓者，則依 建物輪廓描繪。

（四）向量圖資製作

影像對位後即可進行嵌塊判讀與向量圖資描繪，本研究採用分割圖徵方式進行繪 圖，與一般常見新增圖徵繪圖方式差異在於，分割式是將範圍內圖徵不斷切割而制成 向量資料，將大嵌塊切割成小嵌塊之方式；新增圖徵則是繪製新圖徵，由小嵌塊累積 成大嵌塊之作法。分割圖徵之作法優點在於可避免新增圖徵時容易出現邊界連接不完 整或圖徵重疊之問題，可避免圖徵面積與邊長重複計算，提高指數計算準確度。

1.研究範圍界定

首先須將研究範圍後置於圖面，訂定研究範圍後要注意，後續數個年度之研究 範圍必須使用與第一年度相同之圖層，避免因範圍位置不同造成誤差。

2.道路系統描繪

雖然界定研究範圍後即可進行圖層之分割，但直接分割之缺點在於分割後之道 路系統圖容易出現道路寬度不一之現象，故先進行道路系統之描繪。描繪方式是採 用新增線圖層，延道路中心線繪製研究範圍道路系統。

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3.環域分析與道路系統融合

描繪完畢線型道路系統圖後，於屬性表格輸入各道路路寬，並使用環域分析將 不同路寬之道路係繪製為面狀圖層。由於繪製過程須分為不同路寬分別進行，故仍 須將所有路寬之道路系統融合，方可得到完整之道路系統分佈圖。此處須注意，之 所以將不同路寬之圖層使用融合而非使用聯集之方式繪製圖層，係因道路系統中存 在許多交叉路口，即該處會產生兩個以上圖徵重疊之問題，若使用聯集功能則圖徵 重疊處之面積、周長、嵌塊類型等資料將重複計算數次，造成後續指數計算之誤差，

故使用融合指令避免該問題。

本研究道路系統描繪方法係藉由線圖層進行環域分析轉換為面圖層，其優點在 於可保持道路寬度不受人工描繪而產生變化，但若道路寬度有所變化時該特性反而 造成誤差。故進行路寬有所變化之道路描繪時，遇路寬改變狀況，則將道路分為數 個段落分別輸入路寬再進行環域分析，即可避免環域分析之缺點（詳圖 3-1-3）。

圖 3-1-3 路寬變化描繪方式示意圖 資料來源：本研究繪製

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4.聯集研究範圍與道路系統

步驟三提及若使用聯集功能，將造成嵌塊重複計算之問題，故有嵌塊重疊時應 採用融合功能。但融合之缺點在於使用該功能後所有嵌塊將成為一個嵌塊，故屬性 資料表內將僅存一筆資料，此特徵將不利於後續圖徵分割，將研究範圍與道路系統 採用聯集之方式，使圖徵出現三次計算（研究範圍、道路系統與圖徵重疊處各一次）， 再將圖中重疊處刪除，如此方可順利進行後續之圖徵分割。

5.圖徵分割

將研究範圍圖徵進行分離圖徵分割，該指令之功能在於若使用聯集所得之圖層，

會出現一圖徵內有數個嵌塊之現象，由於其屬性資料俊計算為同一圖徵範圍內，須 將其分別計算方可正確統計圖徵資料。分離完成後即可依文獻所得之分類方法，開 始切割圖徵並輸入面積、邊長與嵌塊類別等資料。

6.校正與完成圖層繪製

所有圖徵分割完畢後，進行校正及修正影像對位時邊緣可能出現之變形問題，

方可完成資料庫之建置。

三、空隙度取樣流程

最早空隙度用於分析固體物質（Solid Objects）之密度，其目的在於瞭解物體內 孔隙（Lacunae）與空洞（Gaps）的分佈狀態是分散亦或集中（Mandelbrot，1983；

Lin and Yang，1986；Allain and Cloitre，1991；許澤宇，2008）。

景觀指數常出現「一值多形」之現象，意指不同形狀的嵌塊，也有可能計算出相 同數值（Mandelbrot，1983；Plotnick 等，1993；鄔建國，2003）。此現象降低景觀指 數對地景結構解釋之可信度，尤以單一指數進行解讀時該現象特別嚴重，如面積指數 相同之嵌塊可能呈現圓形、矩形、狹長形或不規則形之各種嵌塊。雖然將數個指數進 行疊圖分析可降低一值多形之現象，但仍無法解釋嵌塊分佈之狀態，故加入空隙度分 析以解釋嵌塊分佈均值性。

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（一）空隙度取樣

空隙度之觀念與聚集度相似，均是用以分析範圍中景觀的幾何排列是否密集，其 差異在於尺度及分類數等。聚集度的尺度侷限於一個網格內，分類數無限制；而空隙 度分析的尺度為數個網格，且分析前須將影像轉換為僅有基質及研究對象的二元影像 圖（Binary Image）方可進行，故空隙度分析所產生的結果，為單一種類景觀的分佈 狀況，與聚集度所代表之意涵有所差異（詳表 3-1-2）。

表 3-1-2 聚集度與空隙度差異比較表

聚集度 C 空隙度Λ（γ）

尺度 單一網格。 複數網格構成之 2×2、3×3 等正方 形範圍。

分類數 一種以上，無上限。 僅分為基質及研究對象兩類。

代表涵義 單一網格中，整體景觀的分佈狀 態。

複數網格中，單一類型景觀之分 佈狀態

資料來源：本研究整理 空隙度計算方式種類繁多，本研究採用滑動框演算法（Gliding Box Algorithm）

該類計算方式與形狀、多樣性、分維等景觀指數殊異，須將景觀分佈圖轉換為僅存基 質與研究對象兩類景觀之二元影像圖方可進行計算，詳細步驟說明如下：

1.確認計算範圍

由於空隙度指數僅能計算正方形範圍內的數值，故須先行確認進行計算之地區。

本研究研究對象為農地景觀，故先求得所有網格民國 66 年與 99 年間農地景觀面積 之變化，並將變化幅度分為四級以得知各網格之變化，再選定變化幅度較大之地區 作為樣本進行二元影像圖之轉換。其中由農地景觀轉變為人工建物景觀，導致農地 面積減少者共兩處，分別為縣治中心及高鐵園區；第三處選定地區則是由海岸轉變 為魚塭，位於羊寮港及崁頂間之海岸地區，作為本研究空隙度分析樣區。

2.轉換景觀分佈圖為二元影像圖

由於形狀、面積、多樣性等指數多使用向量式圖資進行研究、然空隙度分析採 用圖資則為網格式，故須轉換後才可用以進行空隙度分析。本研究係將網格中不含

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農地景觀嵌塊之網格視為基質，含有農地景觀嵌塊視為研究對象，進行海岸區、縣 治中心與高鐵區三處的轉換（詳圖 3-1-4）。

圖 3-1-4 農地面積變遷圖 資料來源：本研究繪製

（二）滑動框演算法

滑動框演算法是於計算範圍內，使用一正方形框架進行取樣，並將取樣所得各種 數值加以整合，以求得範圍內孔隙分佈形態之計算方式。

1.演算步驟一

將滑動框邊長為一（所謂滑動框邊長為網格邊長之倍數，若滑動框邊長為二所 指為網格邊長之兩倍，而非邊長兩公尺或兩公里之方框）之滑動框置於取樣範圍左 上角（詳圖 3-1-5），則可求得滑動框中出現景觀嵌塊即嵌塊質量（Box Mass，代號 為 S）之數量。接著將滑動框向右移動一單位並持續紀錄直到滑動框與取樣範圍右 側邊重疊。

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2.演算步驟二

滑動框重疊取樣範圍右側邊後，將滑動框移置取樣範圍左上角且往下移動一單 位，由該處再度取樣與紀錄直到滑動框再次與取樣區右側邊重疊。

3.演算步驟三

重複度驟二，直到滑動框與取樣區右下角重疊。

4.演算步驟四

將滑動框邊長增加至二，並依照步驟一致三取得相關數值。滑動框邊長二演算 完畢後再次增加滑動框邊長直到滑動框邊長需演算範圍邊長等長。

（三）求得空隙度數值

運用滑動框演算法取得滑動框邊長為 r 時各樣區嵌塊質量 S、出現嵌塊質量之次 數 n（S,r）、嵌塊質量分佈機率 Q（S,r）、滑動框移動次數 N（r）。並藉由上敘述值與 公式運算求得嵌塊質量之一階與二階動差（first and second moments of patches mass）， 最後求得空隙度。

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步驟一

步驟二

步驟三

步驟四

0

1

圖例

圖 3-1-5 滑動框演算法操作流程圖 資料來源：本研究繪製

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第二節 評估指標之選定

景觀指數係用以評估地景結構及特色之指數，景觀指數指能高度濃縮景觀格局訊 息、反映結構組成、空間配置某些方面特徵的簡單定量指標（鄔建國，2003）。為有 效的分析竹北市農地景觀，本研究採六類指標以解釋景觀之各種特徵與現象，分別為 尺寸（size）、類型（type）、形狀（shape）、聚集度、分維、空隙度。選用六類指標是 因嵌塊大小為影響嵌塊內物種組成及族群大小之主要因子；嵌塊內物種數量取決於嵌 塊類型與干擾狀況；嵌塊之形狀則可反映出邊緣效應及空間複雜程度；排列方式則表 現出景觀生態之異質性及穩定性（Forman and Godron, 1986；江彥政，張俊彥，2009）。

所選用之指數詳細公式、涵義及限制等說明如下：

一、形狀指數（S）

用以比較嵌塊之形狀與幾何形狀之偏離程度，當數值越大時代表嵌塊形狀越偏離 幾何形狀。本研究採用景觀形狀指數（LSI）及平均景觀形狀指數（MSI）進行評估。

兩個指數之差異在於，景觀形狀指數為平均數之觀念，用於瞭解網格內嵌塊整體狀況；

而平均嵌塊指數為標準差觀念，用以瞭解各嵌塊與平均值之差異幅度。

（一）景觀形狀指數（LSI）

欲瞭解嵌塊形狀為是否接近幾何形時所採用的指數，常用的景觀形狀指數有使用 正方為維幾何形依據之公式𝐿𝑆𝐼＝^0.25𝐸_√𝐴 ，以及以圓形為依據之公式𝐿𝑆𝐼＝_2√𝜋𝐴^𝑃 兩種（吳 振發等翻譯，2011）。由於本研究主題為農地通常以劃分為矩形，故採用前者進行計 算。數值越大代表嵌塊形狀越複雜或越狹長，數值越接近 1 則表形狀越接近正方形。

𝐿𝑆𝐼＝0.25𝐸

√𝐴 （1）

取值範圍：𝐿𝑆𝐼 ≧ 1，無上限。當景觀中只有一個正方形嵌塊時，𝐿𝑆𝐼＝1。

E：所有嵌塊邊界長總和，單位公尺。

0.25：為正方形校正常數。

A：景觀總面積，單位平方公尺。

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（二）平均景觀形狀指數（MSI）

平均景觀形狀指數係說明嵌塊形狀與平均值之差異幅度，數值越大代表越偏離正 方形，且嵌塊面積差異越大，數值越接近 1 代表形狀越接近正方形，嵌塊形狀差異較 小；當景觀中所有嵌塊體均為正方形時，數值等於 1。

𝑀𝑆𝐼＝

∑ ∑ �0.25𝑃_𝑖𝑗

�𝑎𝑖𝑗 �

𝑛𝑗=1 𝑚𝑖=1

𝑁 （2）

取值範圍：𝑀𝑆𝐼 ≧ 1，無上限。當景觀中所有嵌塊均為正方形時，M𝑆𝐼＝1。

Pij：嵌塊周長，單位公尺。

0.25：為正方形校正常數。

aij：嵌塊面積的平方根，單位平方公尺。

N：嵌塊總數。

二、尺寸指數（P）

分析嵌塊面積大小變化之指數，單一數值難以表達景觀之意義，須與不同區域或 不同時間進行比較方可展現其價值。尺寸指數是用以評估嵌塊面積變化常用之指數，

除單一數值難以表達景觀意涵之缺點外，尚有無法表達嵌塊分佈位置、分佈形式等問 題，此即為本研究採用五類十一種指數之原因。景觀尺寸指數類型眾多，本研究選用 最大嵌塊指數（LPI）、平均嵌塊面積（MPS）、嵌塊面積標準差（PSSD）與嵌塊面積 變異係數（PSCV）四種進行分析。

（一）最大嵌塊指數（LPI）

即網格中最大嵌塊占網格面積之百分比，嵌塊體面積越大，其所能提供物種生存 空間越大，及所能蘊含之物種數越高，故最大嵌塊體面積可視為判讀網格內單一嵌塊 所能容納物種生存之最大值。但最大嵌塊指數僅單純提供嵌塊體面積之變化，無法進 行嵌塊體種類之解釋，故當數值提高時，不可視為對景觀及生態有利，須配合形狀指 數與多樣性指數等綜合評估，方可正確判讀（張俊彥等翻譯，2006）。

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𝐿𝑃𝐼＝𝑀𝑎𝑥（𝑎1, … , 𝑎𝑛）

𝐴 × 100 （3）

取值範圍：0＜𝐿𝑃𝐼 ≦ 100。

Max（an）：景觀中最大嵌塊面積，單位平方公尺。

A：景觀總面積，單位平方公尺。

（二）平均嵌塊面積（MPS）：

平均嵌塊體面積為網格內嵌塊體面積之平均值，其功用在於判別景觀是否變遷為 更破碎之狀態，若數據下降，代表網格內嵌塊遭到分割。但平均嵌塊面積指數與最大 嵌塊指數有相同限制，兩者均用以說明面積之變化，並未對嵌塊體種類進行解釋，故 不宜採單一指標斷定景觀變遷，應進行多類指標之綜合分析。

𝑀𝑃𝑆＝𝐴

𝑁 × 10⁶ （4）

取值範圍：𝑀𝑃𝑆＞0，無上限。

A：景觀總面積，單位平方公尺。

N：景觀中嵌塊總數。

10⁶：轉換單位為平方公引。

（三）嵌塊面積標準差（PSSD）：

嵌塊尺寸類型指數中，多為融合統計觀念之計算方式，嵌塊面積標準差與最大嵌 塊指數、平均嵌塊面積之差異在於採用標準差觀念，是用以瞭解網格中嵌塊與標準值 的差異幅度之指數。數值越大，代表網格內嵌塊面積差異幅度越大，而大型嵌塊鄰近 小型嵌塊時，可能產生大型嵌塊殖民（colonization）小型嵌塊，甚至導致小型嵌塊內 物種滅絕（extinction）（張俊彥等翻譯，2006），相對的嵌塊面積標準差較小者，則較 不易產生上述現象。由於該指數運用標準差觀念進行運算，故當網格中僅有一個嵌塊，

或網格中所有嵌塊大小一致時，嵌塊面積標準差等於 0（鄔建國，2003）。

𝑃𝑆𝑆𝐷＝�∑ ∑ �𝑎_𝑖𝑗 − �𝐴𝑁��

𝑛 2 𝑚 𝑗=1 𝑖=1

𝑁 × 10⁶

（5）

28

取值範圍：𝑃𝑆𝑆𝐷＞0，網格中僅有一個嵌塊，或網格中所有嵌塊大小一致時，

嵌塊面積標準差等於 0。

A：景觀總面積，單位平方公尺。

10⁶：轉換單位為平方公引。

（四）嵌塊面積變異係數（PSCV）：

融合變異係數觀念之指標，用以分析嵌塊面積差異，數值越大代表嵌塊面積變化 越大，越小則面積越接近。由於大型嵌塊內之物種可能會出現侵略或併吞小型嵌塊物 種及破壞棲地之現象，故嵌塊面積變異係數越小之網格，越有利物種生存與發展。

𝑃𝑆𝐶𝑉＝𝑃𝑆𝑆𝐷

𝑀𝑃𝑆 × 100 （6）

取值範圍：𝑃𝑆𝐶𝑉 ≧ 0，無上限。

三、多樣性指數（D）

除了面積，形狀與分佈狀態三類特徵外，景觀多樣性亦為相當明顯的特徵。多樣 性是說明景觀類型多寡之指標，除了統計網格內景觀種類之嵌塊豐富度（PR）外尚 有嵌塊豐富度密度（PRD）與 Shannon 多樣性指數（SHDI）。

（一）嵌塊豐富度（PR）

計算並比較網格內嵌塊種類之指數，數值受嵌塊分類影響，數值本身並不具備絕 對意涵，若欲比較兩分類方式不同之景觀，則須統整兩種分類法方可進行比對，適用 於相同分類方式時比較不同地區或不同時間造成之景觀差異。其數值越大，代表景觀 類型越豐富，數值越小則景觀越單調。

PR＝m （7）

取值範圍 PR＞0，無上限。

m：嵌塊類型總數。

（二）嵌塊豐富度密度（PRD）

即為嵌塊豐富度之延伸，指單位面積中嵌塊體類型的數量，相較於嵌塊豐富度，

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此指標可用於比較面積大小不同之景觀。嵌塊豐富度密度所得之數值並不代表範圍內 出現之嵌塊種類數，而是可能出現之最大種類數，故該數據亦適用於比較兩範例之相 對關係（吳振發等翻譯，2011）。數值較大者代表單位面積內可能出現之嵌塊種類較 多，數值較小者則為表單位面積內可能出現嵌塊種類較少。

PRD＝ ^𝑚

𝐴 × 10⁶ （8）

取值範圍：PR＞0，無上限。

m：嵌塊類型總數。

A：景觀總面積。

10⁶：轉換單位為平方公引。

（三）Shannon 多樣性指數（SHDI）

嵌塊豐富度是景觀多樣性中相當重要之部分，然組成景觀多樣性的要素為豐富度 與均勻度（Evenness），豐富度指景觀中具備之嵌塊類型總數，均勻度則代表不同類 型嵌塊之面積分佈。基於豐富度及均勻度兩個特性，則可計算數種多樣性指數，本研 究則採用最常見之 Shannon 多樣性指數作為研究之依據（吳振發等翻譯，2011）。

Shannon 多樣性指數數值越高，代表網格中嵌塊種類增加或各類嵌塊所占面積比例越 相似（鄔建國，2003）。因此 SHDI 數值高者代表該網格內嵌塊類型較多，且不同類 型嵌塊面積相似，較不易產生大嵌塊殖民小嵌塊現象（張俊彥等翻譯，2006）。

SHDI＝－∑ [𝑃^𝑚_𝑖=1 𝑖ln(𝑃𝑖)] （9）

取值範圍 SHDI≧0，無上限，景觀中只有 1 種嵌塊類型時，SHDI 等於 0。

Pi：嵌塊占總面積之比例。

四、聚集度（C）

景觀聚集度是用以反應不同類型嵌塊分佈狀態為隨機或聚集，由許多小規模嵌塊 組成之景觀，其聚集度較低；若由數量少、規模較大或同類嵌塊連結之分佈形式，則 聚集度較高。當景觀遭受破壞嵌塊體呈現破碎化時，嵌塊數量將會增加，相對的面積 變小，聚集度數值越小，其公式為：

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𝐶＝𝐶𝑚𝑎𝑥＋� � 𝑃𝑖𝑗𝑙𝑛�𝑃𝑖𝑗�

𝑛 𝑗=1 𝑛

𝑖=1 （10）

取值範圍：C＞1，無上限。

Cmax：聚集度指數之最大值，公式為 Cmax＝2 ln（n），n 為景觀中嵌塊類型總 數，即嵌塊豐富度（代號為 PR 或 m）。

Pij：嵌塊類型 i 與 j 相鄰機率，公式為 Pij＝PiPj/i。

Pi：為隨機挑選之嵌塊為嵌塊類型 i 之機率，其計算方式為嵌塊類型 i 占 景觀總面積之比率。

PiPj/i：給定嵌塊類型為 i 時類型 j 與 i 相鄰之機率，即 PiPj/i＝mij/mi。式中 mij，是網格中嵌塊類型 i 和 j 相鄰的細胞邊數，m_i是嵌塊類型 i 之總邊數。

五、分維（Fd）

分維（fractal dimension）係用以分析嵌塊幾何形狀複雜程度，其作用與景觀形狀 指數相似，差異在於分維具有自相似性（selfsimilarity）特徵，即無論尺度變化，相 同景觀採用分維計算，數值均會介於一定範圍內（鄔建國，2003）。然本研究僅使用 分維指數進行嵌塊形狀複雜度分析，並未進行各類嵌塊分為數值範圍之探討。

𝐹𝑑＝2 ln �𝑃

𝑘� ln� (𝐴) （11）

取值範圍：1＞Fd＞2。

P：嵌塊周長。

k：網格景觀常數，等於 4。

A：景觀總面積。

六、空隙度（γ） ：

用以評估範圍內特定景觀幾何分佈狀態，若景觀由許多分散的小嵌塊組成時，聚 集度數值較小；若由數量少且面積大之嵌塊組成時數值較大。

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Λ(γ) = Z⁽²⁾

(Z⁽¹⁾)² （12）

取值範圍𝛬(γ) ≧ 1，無上限。當景觀中僅存基質網格時，空隙度為 0。

Z(1)：嵌塊質量之一階動差（first moments of patches mass），為嵌塊質量（代 號為 S）與嵌塊質量機率分佈（代號為 Q（S,r））乘積之加總，即∑ 𝑆𝑄（𝑆, 𝑟）。

Z(2)：嵌塊質量之二階動差（second moments of patches mass），為嵌塊質量之 平方與嵌塊質量之機率分佈乘積之加總，即∑ 𝑆²𝑄（𝑆, 𝑟）（許澤宇，2008）。

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第三節 指標評估層級劃分

目前景觀指數多不具備絕對意義，其數值用以比較地區或時間不同時方有其意義，

與攝氏溫度、分貝與懸浮微粒數等數值不同，單一數據時多不具備任何意義，故本研 究將各指數分級，以比較不同年代竹北市農地景觀之差異。

一、層級劃分原則

多數指數不具備絕對意義，無法明確說明數值於 X 時將產生之景觀變化，故將 各指數區分等級，比較各年度間景觀變化之趨勢與變遷幅度，指數等級劃分原則為：

（一）分級依據

本研究所劃分之等級數，係根據自然度與對生態環境外部性是否有利物種生存為 分級根據，自然度較高、有利於物種生存與對生態環境呈現正面外部性者等級數為一，

越不利物種生存則等級數越大，等級數最高為四。

（二）級距劃分原則

求得五個年度各項指數之最大值與最小值，再等級距劃分為四級。

（三）等級數調整

本研究選用指數，其計算結果通常數值越大者越有利物種生存，但並非每種指數 之數值高均代表有利於生態環境，故分級後仍須將部分指數等級反置，使所有指數均 為第一級代表有利物種生存之環境，方有利於後續比較評估。

二、指標層級劃分

本研究指數層級劃分為四級，個指數之級距與得點值如下所述（詳表 3-3-1）。

（一）形狀指數（S）

本研究採用景觀形狀指數（LSI）與平均嵌塊形狀指數（MSI），總計兩種指數進 行嵌塊形狀分析。

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1.景觀形狀指數（LSI）

歷年景觀形狀指數最大值 8.38、最小值 1.00，將指數分為四級。

（1）第一級：1.00≦LSI＜2.80

（2）第二級：2.80≦LSI＜4.60

（3）第三級：4.60≦LSI＜6.40

（4）第四級：6.40≦LSI＜8.20 2.平均嵌塊形狀指數（MSI）

歷年平均嵌塊形狀指數最大值 3.13、最小值 1.00，將指數分為四級。

（1）第一級：1.00≦MSI＜1.55

（2）第二級：1.55≦MSI＜2.10

（3）第三級：2.10≦MSI＜2.65

（4）第四級：2.65≦MSI＜3.20

（二）尺寸指數（P）

本研究採用最大嵌塊指數（LPI）、平均嵌塊面積（MPS）、嵌塊面積標準差（PSSD）

與嵌塊面積變異係數（PSCV），總計四種指數進行嵌塊尺寸分析。

1.最大嵌塊指數（LPI）

歷年最大嵌塊指數最大 100.00、最小值 0.00，將指數等級距分為四級。

（1）第一級：75.00＜LPI≦100.00

（2）第二級：50.00＜LPI≦75.00

（3）第三級：25.00＜LPI≦50.00

（4）第四級：0.00＜LPI≦25.00 2.平均嵌塊面積（MPS）

歷年平均嵌塊面積最大 9.00E＋10、最小值 2.62E＋06，將指數分為四級。

（1）第一級：1.50E＋10≦MPS

（2）第二級：1.00E＋10＜MPS≦1.50E＋10

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（3）第三級：5.00E＋09＜MPS≦1.00E＋10

（4）第四級：0.00E＋09＜MPS≦5.00E＋09 3.嵌塊面積標準差（PSSD）

歷年嵌塊面積標準差最大 6.36E＋10、最小值 0.00E+0，等級距分為四級。

（1）第一級：0.00E＋10＜PSSD≦1.59E＋10

（2）第二級：1.59E＋10＜PSSD≦3.18E＋10

（3）第三級：3.18E＋10＜PSSD≦4.77E＋10

（4）第四級：4.77E＋10＜PSSD≦6.36E+10 4.嵌塊面積變異係數（PSCV）

歷年嵌塊面積變異係數最大 317.05、最小值 0，將指數分為四級。

（1）第一級：0.00≦PSCV＜80.00

（2）第二級：80.00≦PSCV＜160.00

（3）第三級：160.00≦PSCV＜240.00

（4）第四級：240.00≦PSCV＜320.00

（三）多樣性指數（D）

本研究採用嵌塊豐富度（PR）、嵌塊豐富度密度（PRD）與 Shannon 多樣性指數

（SHDI），總計三種指數進行嵌塊多樣性分析。

1.嵌塊豐富度（PR）

歷年嵌塊豐富度最大值 4、最小值 1，將指數分為四級。

（1）第一級：PR ＝4

（2）第二級：PR ＝3

（3）第三級：PR ＝2

（4）第四級：PR ＝1 2.嵌塊豐富度密度（PRD）

歷年嵌塊豐富度密度最大值 381,847.14、最小值 11.11，將指數分為四級。