使用landscapemetrics计算网格森林边缘比例出现异常值的原因及建议

问题背景 #

拥有重分类为单一森林类别的NLCD土地覆盖栅格数据，以及用于分析的网格Shapefile，使用landscapemetrics包计算每个网格单元内的森林边缘比例时，输出结果中value列范围为0-280、percentage_inside列范围为60-260，超出预期的0-1和0-100范围。

使用代码如下：

#load packages 
library(raster)
library(landscapemetrics)
library(rgdal)
library(sp)

#NLCD 2019 reclassified (all forest 1 class)
NLCDNYrc <- raster("NLCDNYrc.tiff")

#read in grid file
twokm_grid <- readOGR(dsn = "NY Grid", layer = "allNY_2point7225km2_grid_exploded")
#transform CRS
twokm_grid <- sp::spTransform(twokm_grid, CRS("+proj=aea +lat_0=23 +lon_0=-96 +lat_1=29.5 +lat_2=45.5 +x_0=0 +y_0=0 +datum=WGS84 +units=m +no_defs"))

#extract forest edge from NLCD reclassified data on a 2.7km2 scale
edge_2km_grid <- sample_lsm(NLCDNYrc, twokm_grid, level = "class", metric = "ed")

#subset out just forest edge
edge_2km_grid_forest <- subset(edge_2km_grid, class == 40)

问题原因 #

1. 对ed指标的误解：
   ed是边缘密度（Edge Density）指标，单位为米/公顷，公式为ED = (总边缘长度 / 景观面积) * 10000。它表示每公顷土地内的森林边缘总长度，因此0-280属于合理数值范围，并非0-1的比例值。

2. 对percentage_inside列的误解：
   该列表示采样网格位于原始栅格内部的比例，正常范围应为0-100。数值超出100通常是因为网格存在几何错误（如自相交），或是CRS转换后网格边界超出栅格范围导致计算异常。

解决方案 #

1. 转换为预期的边缘比例格式 #

根据需求选择以下方式之一：

方式一：边缘长度与网格面积的比例（0-1范围）

将边缘密度转换为每平方米的边缘长度，得到0-1范围的比例值：

# 计算每个网格的面积（公顷）
twokm_grid$area_ha <- raster::area(twokm_grid) / 10000

# 合并边缘数据与网格面积
edge_2km_grid_forest <- merge(edge_2km_grid_forest, twokm_grid@data, by.x = "plot_id", by.y = "plot_id")

# 计算总边缘长度（米）
edge_2km_grid_forest$edge_length <- edge_2km_grid_forest$value * edge_2km_grid_forest$area_ha

# 转换为0-1范围的比例（每平方米的边缘长度）
edge_2km_grid_forest$edge_ratio_01 <- edge_2km_grid_forest$edge_length / (edge_2km_grid_forest$area_ha * 10000)

方式二：森林边缘占斑块总周长的比例

计算森林斑块总周长，再求边缘长度与总周长的比值：

# 计算每个网格内森林斑块的总周长（单位：米）
perim_2km_grid <- sample_lsm(NLCDNYrc, twokm_grid, level = "class", metric = "perim")
perim_2km_grid_forest <- subset(perim_2km_grid, class == 40)

# 合并边缘长度与总周长数据
edge_perim_merge <- merge(edge_2km_grid_forest, perim_2km_grid_forest[, c("plot_id", "value")], 
                         by = "plot_id", suffixes = c("_edge", "_perim"))

# 计算边缘比例
edge_perim_merge$edge_proportion <- edge_perim_merge$edge_length / edge_perim_merge$value_perim

2. 修复percentage_inside异常问题 #

检查并修复网格的几何错误：

library(sf)
# 转换为sf对象并修复几何
twokm_grid_sf <- st_as_sf(twokm_grid)
twokm_grid_sf_valid <- st_make_valid(twokm_grid_sf)

# 转换回Spatial对象（若需继续使用sp包）
twokm_grid_valid <- as(twokm_grid_sf_valid, "Spatial")

# 用修复后的网格重新计算
edge_2km_grid <- sample_lsm(NLCDNYrc, twokm_grid_valid, level = "class", metric = "ed")
edge_2km_grid_forest <- subset(edge_2km_grid, class == 40)

内容的提问来源于stack exchange，提问作者TRS6