地理信息系统在区域景观生态研究中的应用

1、地理信息系统在景观生态研究中的应用院系：资源环境学院地理信息科学专业班级：地信1303班姓名：黄诗雨学号：20130404921摘要：论述了地理信息系统（GIS）在景观生态学的应用，这些作用包括以下3个方面：为有效地贮存和管理大范围的生态学数据提供数据库结构；支持景观空间格局与分析；提供生态系统模型的数据或参数的输入和输出。并指出GIS在这几方面应用中应注意到的几个问题，即：时空尺度的选择、景观信息机理的研究、小区域研究、专业模型与通用GIS接口问题及点值数据到面数据的外推问题。关键词：地理信息系统 景观生态学 遥感 信息的应用 空间模拟模型 支柱 景观格局地理信息系统技术的迅猛发展，已经广泛

2、地应用到各个研究领域中，尤其是与地理空间密切相关的学科，景观生态学作为一门研究景观空间格局与生态过程的学科，分析各种景观现象在不同时空尺度上的分布特征、演变规律、空间镶嵌关系及其对不同景观格局的模拟研究成为景观生态学的研究核心，而地理信息系统在空间分析和空间模拟上的强大功能，为在景观生态学的实际应用和推广提供了基础。1.什么是景观生态学？ 景观生态学是20世纪70年代以后蓬勃发展起来的一门新兴的交叉学科。它是由生态学、地理学、林学、森林学、野生生物管理学和景观规划学等学科衍生出来的一门多学科与跨学科的新兴学科。自20世纪80年代后期以来，逐渐成为世界上资源、环境、生态方面研究的一个热点。现景观

3、生态学已成为一门新兴的、正在深入开拓和迅速发张中的综合性现代生态学学科。景观生态学是地理学与生物学之间的交叉学科，或者更具体的说是景观学与生态学之间的交叉学科。它以景观为对象，通过能量流、物质流、物种流及信息流在地球表层的交换，研究景观的空间结构、内部功能、时间与空间的相互关系以及时空模型的建立。景观生态学把地理学研究空间相互作用的水平方向与生态学研究功能相互作用的垂直方向结合起来，并探讨空间异质性的发展和动态及其对生物和非生物过程的影响以及空间异质性的管理。景观生态学的基础理论可以概括为：生态进化与生态演替理论；空间分异性和生物多样性理论；景观异质性和异质共生理论；岛屿生物地理与空间镶嵌理论

4、；尺度效应与自然等级组织理论；生物地球化学及景观地球化学理论；景观生态建设与生态位理论。景观生态学以整个景观作为研究对象，强调空间异质性的维持与发展，生态系统间的相互作用，大区域生物种群的保护与管理，环境资源的经营管理，以及人类对景观及组分的影响。它以生态学的理论框架为依托，吸收现代地理学和系统科学之所长，研究景观的结构（空间格局）、功能（生态过程）和演变（空间动态），研究景观和区域尺度的资源、环境经营管理问题，具有综合整体性和宏观区域性的特色，并以中尺度的景观结构和生态过程关系研究见长。其观测尺度要比生态学其他分支（如生态系统生态学）大得多，大量空间数据的获取、分析和处理是景观尺度研究的重要

5、特征。这就要求研究者能够处理大规模、变化着的空间数据，景观生态学这种要求失之必然选择GIS作为研究工具。2.什么是地理信息科学？地理信息系统是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。地理信息系统（GIS）这一术语是由加拿大测绘学家R.T .Tomlinson 博士首先提出的。何建邦（1993）认为GIS是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的动态地理信息，为多种决策服务。边馥苓（1996）提出GIS是地理信息学方法的一种实现手段是测绘、遥感、计算机、应用数学以及其他应

6、用学科集成的基础平台。GIS就是一个对地理信息进行收集、储存、处理、输出和管理的技术系统，是一个包含了计算机软件、硬件、地理数据库和专业技术人员的系统。它具有以下三个特征：（1）具有采集、管理、分析和输出多种地学空间信息能力，具有空间性和动态性。（2）以地学研究和地学决策为目的，以地学模型方法为手段，具有区域空间分析，多要素综合分析和动态预测能力，产生高层次高质量的派生信息。（3）由计算机系统支持进行空间数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地学分析方法或模型，作用于空间数据产生有用信息、快速、准确地提供科学决策依据。3.地理信息系统在景观生态学研究中的应用。由于景观生态学研究尺度大，传统

7、的野外调查耗时多、强度大、费用高，难以满足现代条件下对景观生态学研究的要求。GIS强大的空间分析及图像处理功能恰好满足了景观生态学对大尺度生态学研究的要求。 在景观生态研究中，GIS不仅被用来采集、处理、存储、管理和输出景观数据，还被用来进行景观空间格局的分析与描述、景观时空变化动态分析与模拟、景观优化设计与管理以及结合遥感技术进行景观信息的自动采集、分析，进行景观图及各类专题图的绘制等。地理信息系统的操作运算的一个特殊功能是对地理空间数据或图像图形，如遥感影像、专题图等的处理与叠加分析，并在各种各样的图像、图形或专题图片，根据研究工作目的进行必要的数理统计分析和其他有关信息分析，如图斑面积、

8、周长、形状、不同斑块之间的空间关系。 景观单元数量关系分析：景观单元的数量分析主要是指不同单元(基质、斑块、廊道)的面积、周长等基本数量特征，通过对景观单元基质、斑块、廊道数量关系的分析，可以获知一个景观地区的基本结构特征，同时可以计算一 个特定景观地区的景观多样性指数、分维数、破碎度、分离度等一 系列指标。 而地理信息系统除了对地理空间数据的处理和分析具有较高的要求外，在空间图形的数量统计方面也有较高的要求，并在地理信息系统的设计过程中，要求将一般信息管理系统的所有功能和方法必须融合于地理信息系统，空间数据的统计分析和表格数据的处型，提供了强大的功能。 景观空间格局分析：地理信息系统具有强大

9、的图形处理和分析功能。这种功能不仅仅限于不同类型图件叠加与再分类。而且还可以分析不同图斑在空间的分布关系，如不同单元之间的距离、邻接性、连通性、核心区和边缘效应等。同时也可以进行景观格局对生态过程的敏感性分析和模拟。研究景观格局对生态过程的影响。 景观规划方面：景观规划是根据一定的目的，结合客观实际存在的地理现象和景观格局，对景规格局的一次重新的调整和合理布置，在景规规划中，往往要考虑众多的景观因子，由于不同景观因子在空间上的异质性，在进行同一分析时，常常会遇到许多无法定量的分析，而地理信息系统强大的空间分析功能恰恰为这种多因子的融合分析提供了一个基础。 地理信息系统在景观生态学研究的应用可概

10、括为如下6个方面：（1）提供数据库结构要把大量的野外和遥感数据同化为景观生态学数据，需要建立一个计算机的数据库。GIS是组织一个生态数据库的必然选择。通过地理关系和运用空间数据结构对生态学数据进行存储、获取和分析，是研究生态系统的多尺度GIS的基础功能。GIS在定位立地分析和空间模型方面都具有效的作用。栅格式的GIS与数字卫星图像数据具有内在一致性。栅格结构在景观生态学研究中的主要优点是它能表达连续的或地面类型的数据，如海拔、地面温度、生物量等。矢量数据结构，在生态学或资源管理研究中也很有效，它可为数据存储提供更有效的结构。尽管空间叠置模型更趋向于使用栅格结构，可是，近年来在把GIS和景观过程

11、的确定性模型如表面流模型进行空间集成时，发现矢量结构更有效。(2).支持景观的等级格式因为生态系统有时空尺度性，当在景观和区域尺度上评价生态结构时，要求把生态学理论的等级观和数据库格式结合起来。GIS正是这样一种有效的结合工具。它既是一种数据库工具，又能有效地处理多种尺度上的环境问题。在GIS中，可存在存储和获取环境数据的数据结构上再附加上一种合并/分离的人为格局，这种人为格局将影响到尺寸间分析的成功与否。一个多重尺度的GIS，可为生态系统结构和功能的尺度变量的经验估计提供机制。这种GIS必须建立在多方位取样的基础上。(3).支持空间定位分析一个等级GIS数据库的最大分辨率水平确定后，就可用定

12、位分析，尤其可为生态变量取样确定野外样的位置。GIS中的海拔、土壤和植被类型数据常被用于研究样地的空间定位，这在某种程度上代表了该区域的生态多样性的层次性。大地域的低分辨率的海拔数据可从以下几种方式得到：（1）现有的数字化海拔模型；（2）对小比例尺的地形图的数字化；(3)从小比例尺的立体航片或高分辨率的SPOT立体全色图像制作一个数字化海拔模型。同样的，利用多谱卫星图像数据的计算机辅助分类，对土壤相关图和植被分布图数字化，就可得到GIS的小比例尺的土壤分布数据。(4).支持遥感分析GIS中地形、土壤和植被类型等数据层有助于促进RS数据的信息解译能力。如把地形变差标准化的图像处理算法和数字化地形

13、数据结构结合起来，可把坡向和坡度对卫星植被光谱指数的影响减少到最小。当前，GIS被广泛的用来辅助制作以卫星图像为基础的土地利用图。GPS、RS和GIS三者的集成化(3S)是当前研究热点。GPS是空间信息定位的框架，RS是获取空间信息的重要方式，GIS是表达、集成和分析信息的先进手段。(5).支持空间统计分析GIS的空间编码结构和其固有的大量数据的特征，使其更能支持统计分析。生态学在这方面的应用大部分是用于确定环境变量间的空间关系。在研究呈空间分布的变量之间的空间关系时，可利用GIS的空间统计分析功能，来比较区域之间或景观内不同地点间的生态结构。空间频率分析如波谱、分形或等级变量分析，可用于处理

14、GIS的一维或二维数据序列。(6).提供生态系统模型的输入和输出GIS可支持空间分布的生态系统过程的数量模型。GIS数据库可有效地支持状态变量和模型参数等数据的输入和输出。GIS的数据结构还以为模型计算和结果储存的空间分配提供有效结构。可以把GIS和生态系统模型集成化以进行景观生态学研究。把GIS和生态系统模型集成化以进行生态学研究的方式可归纳如下3种：(1)利用GIS总结代表性的或平均的状态作为斑块模型的参数或状态；(2)利用GIS确定每个斑块模型模拟的参数状态，而不考虑斑块之间的相互影响；(3)利用GIS确定每个斑块模型模拟的参数和状态，并且考虑斑块之间的相互作用。在景观生态学研究中，GI

15、S不仅被用来采集、处理、存储、管理和输出景观数据，还用来进行景观空间格局的分析与描述、景观时空变化动态分析与模拟、景观最优化设计与管理，以及结合RS技术进行景观信息的自动采集、分析，进行景观图及各类专题绘制等。在把GIS应用于景观生态学研究进行景观空间格局分析与景观时空变化模拟时，应注意以下5点：1)时空尺度的正确选择；2)景观信息机理的研究；3)重视小区域研究；4)专业景观模型与通用GIS接口以及数据融合问题；5)从点源数据到区域面的外推及精度分析。遥感分析：GIS中地形、土壤和植被类型等数据层有助于促进遥感（RS ）数据的信息解译力。比如，把地形变差标准化的图象处理算法和数字化地形数据结构

16、结合起来，可把坡向和坡度对卫星植被光谱指数的影响减少到最小。当前，GIS 中被广泛地用来辅助制作以卫星图象为基础的土地利用图。GIS还可用于辅助验证遥感和图像处理的结果。例如，当已经从卫星植被光谱指数估计了区域净第一生产力（NPP）后，可采取下述步骤来验证其准确度。首先，从样地内测得地面NPP ，利用GIS的地形数据进行内插（NPP），得到一个连续的 NPP分布面。然后，把该分布面与NPP的卫星图进行比较，就可评价大面积的估测的相对精度。RS和 GIS之间的信息流动是双向的。不仅GIS可促进 RS的解译力，反过来，地质编码和矫正图像可用于推导GIS 所包含的一些环境变量，而且也是GIS 动态更

17、新的一种方式。地理信息系统等新技术与新方法的应用在景观生态学研究中受到高度重视，对于景观生态学的发展起到了很大的推动作用。早在1982 年在捷克召开的第六届景观生态问题讨论会上，地理信息系统专业委员会就被确定为国际景观生态协会所设 8个专业委员会之一。在景观生态研究中，地理信息系统不仅被用来采集、处理、存贮、管理和输出景观数据，还用来进行景观空间格局的分析与描述、景观时空变化动态分析与模拟、景观最优化设计与管理，以及结合遥感技术进行景观信息的自动采集、分析，进行景观图及各类专题图的绘制等。可以预见，随着GIS技术，尤其是在时空分析与模拟、数据集成、数据误差分析及质量控制、智能化等方面技术的日趋

18、成熟，将在景观生态学研究中得到越来越多的应用。运用GIS技术研究区域景观结构空间特征是一种可行的方法与技术。同时GIS技术还能够与RS技术很好的结合，快速更新景观区域的景观信息，因此GIS技术在景观区域景观结构空间特征研究中具有广阔的前景。GPS、RS、GIS等计算机与空间技术的发展与应用为景观生态学研究提供了重要的手段与数据来源，并在景观生态系统结构与功能分析、景观空间格局描述与景观变化模拟、景观生态检测与预警研究、景观生态设计与规划以及景观生态保护与管理等方面起着越来越重要的作用。4.结束语 GIS对景观生态学中不仅仅起到一般工具作用，它已成为景观生态学研究支柱之一。有与景观生态学对GIS的依赖性，GIS实际上已成为景观生态学的研究方法，特别是其数量化方法不可缺少的组成部分。可以预见，多尺度的GIS可以提供用于研究随尺度变化的景观格局和过程的手段。GIS的四叉树数据结构从本质上体现了尺度和登记，可有效地处理等级问题，很容易的合并和分解多尺度的空间数据，在景观生态学中有很高的应用价值。参考文献