人类活动地形生态位指数

本研究提出人类地形巢居指数（HTNI），通过四次根变换替代对数变换，结合小、中、大三个尺度的坡度、局部高程及全球高程，揭示人类活动偏好低平地形及高程生理影响，提升跨区域可比性和多尺度分析能力。

　　

Jin XU|Qiuzhi PENG|Changlei JIN|Zijun QIN|Panping ZHU|Guanhui YANG|Shuang XING

中国云南省昆明市昆明科技大学土地资源工程学院，邮编650093

摘要

地形生态位指数通过整合海拔和坡度等单一地形指标，简化了地形坡度信息的表达方式，并已在涉及地形要素的研究中得到广泛应用。从与人类活动相关性的角度出发，本文提出了一种新的地形生态位指数模型——人类地形生态位指数（HTNI），该模型强调了人类活动对较低且较平坦地形的偏好，增强了跨区域可比性，反映了人类活动的多尺度特征，并考虑了海拔的生理影响。HTNI包括四个从微观到宏观尺度的地形成分：坡度、小尺度窗口内的局部海拔、中等尺度窗口内的局部海拔以及全局尺度上的海拔。这些成分综合反映了场地尺度上的绝对陡峭程度或平坦程度、两个局部尺度上的相对高度，以及海拔变化对空气氧气含量的生理影响。实验表明，HTNI有效避免了现有地形生态位指数存在的问题，如由于使用对数变换追求正态分布而导致与人类活动的相关性较弱、由于使用局部平均值作为参考及直接用海拔值计算而难以进行跨区域比较，以及未能充分利用海拔的有效信息。本研究为地形评估提供了一个新的替代指标。

引言

地形条件对人类与土地关系的空间格局有着深远的影响，尤其是在复杂地形区域。山脉、高原和丘陵等复杂地形占据了全球陆地表面的一半以上，而大多数适合植被生长的复杂地形区域都不同程度地存在人类活动。因此，探索人类活动与地形复杂性的关系成为研究人类与土地关系的重要基础方向之一。开展地形复杂性测量方法的研究对于科学理解和协调人类活动与地形之间的关系至关重要。

普遍认为，人类活动的强度与地形复杂程度呈负相关（Feng等人，2007年；Peng等人，2023年；Yang等人，2023年）。根据长期的经验总结，描述地形复杂性的两个基本维度是高低和陡缓。此外，还有其他视角，如弯曲-直线、破碎-整体以及密集-稀疏。从相对单一的角度提出或引入了一系列定量地形指标，如海拔、坡度、曲率、地形复杂性（Wang等人，2004年）、地表起伏度（也称为海拔范围、相对地形、起伏幅度等）（Chen，1947年；Liu和Tu，1989年；Liu等人，2001年）、海拔的标准差、地表切割深度、地表粗糙度（Zeng等人，2014年）、地形位置指数（Weiss，2001年）、海拔的方差系数、偏离平均海拔的程度（De Reu等人，2011年）以及地表破碎度（Niu等人，2014年）。

为了进一步整合来自不同地形指标的信息，一些研究采用了多元统计等方法实现信息自动化整合（Liu和Tang，2006年；Zhang等人，2017年；Zhang等人，2022年）。还有一些研究尝试手动构建复合地形指数，例如地形生态位指数（TNI）（Yu等人，2001年）、地表起伏度（RDLS）（Feng等人，2007年；Niu和Harris，1996年）、波动指数（Xiong等人，2012年）、复合地形复杂性指数（CTCI）（Lu等人，2012年）和地形复杂性指数（Niu等人，2014年）。虽然自动化方法在信息利用上更具优势，但它们相比人工构建的复合地形指数更难以理解，推广起来也较为困难，因此后者在现有研究中更为普遍。值得注意的是，Yu等人（2001年）提出的地形生态位指数（TNI）是迄今为止最常用的合成地形指数之一。TNI以特定研究区域的平均海拔和平均坡度为参考，对当前像素的海拔和坡度进行相对转换，并通过乘法和对数运算进行合成，体现了从相对高度和相对陡峭程度两个基本维度描述地形复杂性的特点。由于其易于理解和计算，TNI成为涉及地形坡度研究中最常用的复合地形指数。

尽管TNI在大多数研究中表现良好，但其一些固有的缺陷近年来引发了学者们的讨论和改进。Zhang和Zhang（2022年）指出，TNI以整个研究区域为参考，忽略了空间异质性，因此提出了基于空间滑动窗口技术的局部窗口TNI（LTNI）；Zhou等人（2024年）认为，在计算LTNI时，应根据空间自相关原理给靠近当前像素的邻近像素赋予更大的权重，从而提出了地理加权LTNI（GWLTNI）。这些讨论和改进为优化复合地形指数的表达形式提供了重要启示。

我们认为，TNI及其现有的改进模型仍然存在两个明显缺点。首先，它们都使用对数变换来增强数据分布的正态性，这在一定程度上扭曲了人类活动强度与地形复杂程度之间本应存在的单调负相关关系。其次，它们都以局部平均值作为参考，并在其计算中直接使用海拔值。尽管它们对不同研究区域具有适应性，但忽略了跨区域可比性的重要价值。此外，它们还存在单一计算尺度的问题，以及未能有效利用海拔中包含的潜在信息。

为了解决上述缺点和问题，本研究试图从与人类活动相关性的角度提出一种新的地形生态位指数模型——人类地形生态位指数（HTNI）。该模型在不同区域之间更具可比性，突出了人类对较低且较平坦地形的偏好，更有效地反映了人类活动的多尺度特征，并考虑了海拔的生理影响。本文首先在简要回顾TNI和LTNI的基础上介绍了HTNI的构建原理，然后以云南省为例，比较了HTNI相较于TNI和LTNI的改进效果，最后进行了简要讨论和总结，具体过程如图1所示。

章节片段

人类地形生态位指数模型

如上所述，TNI、LTNI和GWLTNI之间的逻辑关系是逐步发展的。鉴于GWLTNI的计算相对复杂，本研究主要基于LTNI进行改进，以实现易于理解和推广的目的。

研究区域

云南省（北纬21°08′-29°15′，东经97°31′-106°11′）位于中国西南边境，总面积约为394,100平方公里。该地区位于青藏高原的东南侧，西北部地势较高，东南部地势较低。根据本研究选择的DEM数据，最高海拔为6610米，最低海拔为77米，平均海拔约为2,000米（图3a）。该地区主要由高原和山脉组成。

空间分布比较

图5展示了在大规模和小规模案例研究区域内三种地形生态位指数的空间分布情况。从大规模案例研究区域的角度来看，TNI（图5a）通常表现出与海拔（图3a）相似的明显分布模式，即北部较高，南部较低，在局部与坡度（图3b）的分布相似；而LTNI（图5b）整体上缺乏明显的空间趋势，尽管在局部存在变化

人类地形生态位指数的优势

增强了与人类活动的相关性。HTNI采用四次根变换（几何平均法）代替TNI和LTNI使用的对数变换。其核心目的是避免对数变换在追求正态数据分布过程中可能强行改变“人类活动应随地形坡度增加而单调减少”的基本趋势这一问题。

结论

本文从与人类活动强度相关性的角度提出了人类地形生态位指数（HTNI）。与现有指数相比，该指数的四个改进之处如下：（1）为了强调人类活动对较低且较平坦地形的偏好，采用了新的变换方法替代了对数变换；（2）为了增强跨区域可比性，采用了局部海拔而非海拔值，使其具有全球通用性

未引用的参考文献

Xu等人，2015年；Zhou和Zhao，2024年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢所有匿名审稿人的建设性评论和建议。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号41961039）和云南金地地理信息有限公司青年科学研究基金的支持。