最新硕士论文答辩 - PowerPoint 演示文稿

基于遥感和GIS的皇甫川流域生态系统健康评价辩论人：杨华指导教师：李晓兵教授系别：资源学院专业：地图学与地理信息系统辩论主要内容一、绪论〔研究背景、意义、内容〕二、健康评价的根底理论及方法三、研究区概况与评价单元确实定四、根底信息提取五、流域生态系统健康评价和分析六、结论与讨论1.1选题背景和意义生态系统健康评价研究的开展状况背景问题—生态环境问题如温室效应、水资源和水污染问题、酸雨、生物多样性衰减、水土流失、土地荒漠化对人类生存和经济的持续开展构成了严重威胁，使地球出现了不健康的病症。由于生态环境恶化和生态系统管理理论与方法落后，导致了生态系统健康理论的产生和开展。20世纪90年代开始，生态系统健康作为环境管理的一种新方法，并被许多组织和学者所青睐，开始越来越多的生态系统健康研究，逐渐成为生态学研究领域的一个热点。1.1选题背景和意义生态系统健康评价研究的开展状况生态系统健康概念及其开展最早来源于医学，最初它主要用于人体，后来逐渐用到动植物，在出现严重环境污染而影响到人体健康后，这一概念又应用到环境学和医学的交叉研究领域，出现了环境健康学和环境医学。“生态系统健康〞作为一个概念和崭露头角的实践领域，最早可追溯到20世纪40年代的1941年美国著名的生态学家、土地伦理学家AldoLeopold的著作，它提出了“土地健康〞〔landhealth〕的定义。Rapport在20世纪70年代末提出了“生态系统医学〔ecosystemMedicine〕〞的概念1.1选题背景和意义生态系统健康评价研究的开展状况生态系统健康概念及其开展1988年Schaeffer等首次探讨了有关生态系统健康度量的问题Haskel〔1992〕、Page〔1992〕、Ulanowicz〔1992)、Costanza〔1992〕、Magean〔1995〕、Haworth〔1997〕、Costanza1〕健康是生态内稳定现象；2〕健康是没有疾病；3〕健康是多样性或复杂性；4〕健康是稳定性或可恢复性；5〕健康是有活力或增长的空间；6〕健康是系统要素间的平衡。1.1选题背景和意义生态系统健康评价研究的开展状况组织与研究1992年，“JournalofAquaticEcosystemHealth〞诞生，3年之后，“EcosystemHealth〞和“Journalforecosystemhealthandmedicine〞创刊1994年来自31个国家的900名科学家聚集在加拿大的渥太华召开了全球生态系统健康的国际研讨会90年代后期，联合国经济合作开发署〔OECD〕提出了“压力-状态-响应〞〔Pressure-State-Response,P-S-R〕框架模型2001年6月联合国“新千年生态系统评估〞工程正式启动1.1选题背景和意义生态系统健康评价研究的开展状况组织与研究美国林务署的森林监测方案〔FHM〕和全球变化〔GlobalChangeProjects,GCP〕、环保局的环境监测和评估方案〔EMAP〕、国家公务署的森林评估方案；加拿大在1994年对北美五大湖区开展了为期6年的生态系统健康评价、退化生境恢复等的研究；1995年，芬兰、挪威、瑞典等对北欧湖泊的联合调查等1998年10月，美国SouthFlorida开展了一项生态系统健康评价。这个工程采用整体综合的方法来估量研究区生态资源的现状和变化情况，利用美国环境保护机构〔EnvironmentalProtectionAgency,EPA,1992〕的生态风险评价框架作为根底，为决策者制定改善环境管理的湿地生态系统恢复提供合理的生态数据1.1选题背景和意义流域生态系统的健康评价研究的必要性流域生态系统是其生命系统和环境系统在特定空间的结合，是一个集社会、经济、自然的特殊复合生态系统，有着丰富的水资源。流域对人类的开展非常重要，不仅可提供食物、工农业及生活用水，还具商业、交通、休闲娱乐等诸多效劳功能，为经济振兴提供强大的动力。长期以来，由于人们对流域生态环境的破坏和对流域资源的过度开发和利用，流域水体受到的污染已越来越严重，植被的破坏、水土流失的加剧、泥石流和洪水频度的加大及程度的加剧，这些因素已严重影响到流域生态系统的健康1.1选题背景和意义流域生态系统的健康评价研究的必要性从流域巨系统出发，用生态系统健康这种先进的环境管理方法，从保护流域持续不变的生态、水文和经济效劳功能出发，与人类体检中的常规健康检查相似，综合考虑流域内部不同生态系统(自然生态系统、社会生态系统和经济生态系统)之间及每一生态系统内部的健康作用机制，实现跨经济单元、跨行政单元的流域综合评价和管理。探讨流域生态系统健康的评价理论和方法，对认识流域生态系统的健康程度，监测其演变规律，优化系统的结构与功能，以及对流域综合开发与管理及流域可持续开展具有重要的理论意义和指导意义。1.1选题背景和意义“3S〞在生态系统健康评价研究中的应用遥感(RemoteSensing,RS)技术的运用，解决了小流域生态信息提取难的问题，它能提供某区域不同空间平台、不同空间分辨率、不同时间分辨率、不同光谱分辨率的数据源，可以满足不同用户的需求，为流域生态系统监测和管理提供经济、快捷、实时的数据来源。利用GIS可以将一些零散的、不断更新的数据和图像资料(如各类图表、记录)加以综合并存贮在一起，便于长期的、更有效的利用，还可以对各种数据进行统计分析、空间分析和多要素综合分析。全球定位系统〔GPS〕的多功能、高精度、高度自动化、统一的坐标系和时间系统等突出特点，可以用来对不同土壤侵蚀类型、不同土壤侵蚀程度及不同土地利用方式进行正确定性，对土壤侵蚀发生的不同地形部位进行精确定位，对土壤侵蚀产沙量进行准确定量。1.1选题背景和意义皇甫川流域生态系统健康评价的研究意义皇甫川流域地处黄土高原与鄂尔多斯高原的交接地带，属于水蚀风蚀过渡区。该流域目前还未受到资源开发的影响，土壤侵蚀包括滑坡泥石流发育主要还受控于自然因素，具有典型代表性。目前对皇甫川流域的研究主要集中在水土流失规律、水土流失综合治理的工程措施及土壤侵蚀系统模型和治理模式、土壤微生物、流域植被分析及水分生理生态等方面，并且取得了多项重大成果但对于从生态系统和景观尺度上对该流域生态系统健康的评价研究尚未见报道。1.1选题背景和意义皇甫川流域生态系统健康评价的研究意义本文选择皇甫川流域进行流域生态系统健康评价，通过遥感和地理信息系统技术，按自然指标体系，从生态系统活力〔EcosystemVigor〕、组织结构〔OrganizationStructure〕、系统效劳功能〔SystemServiceFunction〕和土壤健康(SoilHealth)等方面对内蒙古黄土丘陵沟壑区，特别是皇甫川流域不同恢复阶段或不同植被状况的生态系统健康评价研究进行探讨，并建立一个适合于该流域的生态系统健康指数评价模型〔AssessingModelofEcosystemHealthIndex,AMEHI〕，对该地区资源保护与管理和可持续开展具有重要的理论指导和实践意义。1.2研究内容和目标

研究主要内容本文主要围绕流域的结构和功能等问题，针对皇甫川流域的区域特点，依据景观生态学、生态系统健康等理论，采用“3S〞技术，探讨该地区流域生态系统健康的空间分异规律。生态系统信息提取包括土地利用/土地覆盖，小流域边界的自动提取，景观结构指数，初级生产力，小流域人口分布，小流域人类活动指数提取。生态系统健康评价以小流域生态系统为评价单元，以生态系统健康理论为根底，以压力-状态-反映为指标概念框架，选取活力、组织、弹性度、生态系统效劳功能指标进行小流域健康状况评价，掌握小流域生态系统健康的空间分布；对几种土地利用结构类型的小流域(林地为主、建设用地为主、耕地为主的小流域)进行筛选，选出不同健康程度的小流域作为样区，进行空间分析。1.2研究内容和目标

研究主要内容本文主要围绕流域的结构和功能等问题，针对皇甫川流域的区域特点，依据景观生态学、生态系统健康等理论，采用“3S〞技术，探讨该地区流域生态系统健康的空间分异规律。对样区的生态系统进行空间分析分析土地利用结构与生态系统健康状况分异特点的关系。分析人类社会经济活动等压力、反映指标的变化与生态系统健康状态变化的关系。1.2研究内容和目标

研究目标应用遥感和GIS技术解决流域单元上的经济要素和生态要素获取困难的问题。建立皇甫川流域健康评价的指标体系。基于GIS技术，对流域健康状况进行定量评价，对生态系统健康的压力-状态-反映指标进行空间分析，找出状态变化的主导因子和限制因素。1.3研究方法和技术路线

技术路线2.1生态系统健康评价的根本理论生态系统健康与生态系统效劳生态系统效劳功能决定着生态系统健康，而生态系统健康与否又影响着生态系统效劳功能的发挥。健康的生态系统意味着生态系统能正常发挥功能，能实现生态系统的最正确效劳。生态系统效劳功能是人类生存和现代文明的根底，离开了生命支持系统的效劳，地球上一切经济活动将不复存在。生态系统健康标准生态系统健康的标准有活力、恢复力、组织、生态系统效劳功能的维持、管理选择、外部输入减少、对邻近系统的影响及人类健康影响等8个方面。2.1生态系统健康评价的根本理论生态系统健康评价指标及功能分类生态系统健康指标体系〔EcosystemHealthIndicator,EHI〕分为生态学指标〔生物指标〕、物化指标〔非生物环境的指标〕和社会经济指标子体系三大类指标按照其功能可分为三类早期预警指标即将发生的生态系统退化的指标适宜程度指标能确定生态系统健康状况的指标诊断指标确定评价对象退化或者偏离健康的原因的指标生态系统健康估算2.2流域生态系统健康评价指标与评价方法流域生态系统健康评价与内涵健康的流域生态系统具有以下特征：①对流域进化过程中遇到的正常干扰〔如洪水、干旱、火灾等〕具有恢复力；②远离流域生态系统危机综合症；③能自我维持，即在没有外部输入时能存在，在人类管理的的生态系统〔如流域内农业、森林生态系统〕中，每单位产出所需外部输入不增加；④管理实践和生态系统过程不损害邻近生态系统；⑤经济上可行，能够提供符合自然和人类需求的生态效劳；⑥维持健康的人类群体。2.2流域生态系统健康评价指标与评价方法流域生态系统健康评价目标和指标选择原那么评价指标的选取原那么切实反映流域生态系统的本质特性，以效劳功能评价为核心尽可能采用遥感技术，努力实现流域的实时和动态监测把人类作为流域生态系统的组成来看待评价指标应具有系统性、完备性、可比性和可操作性2.2流域生态系统健康评价指标与评价方法流域生态系统健康评价指标体系的建立OECD(联合国经济合作开发署)建立的压力-状态-响应〔Pressure-State-Response,PSR〕框架模型2.2流域生态系统健康评价指标与评价方法流域生态系统健康评价指标体系的建立2.2流域生态系统健康评价指标与评价方法流域生态系统健康评价指标体系的建立皇甫川流域生态系统健康质量分为五级〔1〕流域生态系统健康质量相对优良的一级区结构十分合理、活力极强，外界压力较小，无生态异常出现，湿地生态系统的生态功能极其完善，系统极稳定，处于可持续状态。〔2〕流域生态系统健康质量相对较好的二级区结构比较合理、格局尚完美，系统活力较强，外界压力较小，无生态异常，生态功能较完善，无生态异常，系统尚稳定，流域生态系统可持续〔3〕流域生态系统健康质量相对一般的三级区结构完整，具有一定的系统活力，外界压力较大，接近流域生态阈值，系统尚稳定，但敏感性强，己有少量的生态异常出现，可发挥根本的生态功能，流域生态系统可维持〔4〕流域生态系统健康质量相对较差的四级区结构出现缺陷，系统活力较低，外界压力大，生态异常较多，系统己开始退化〔5〕流域生态系统健康质量相对极差的五级区结构极不合理，斑块破碎化严重，活力极低，大面积异常，系统已严重恶化3研究区概况与评价单元确实定研究区概况皇甫川流域位于北纬39.2～39.9°、东经110.3～111.2°

3研究区概况与评价单元确实定流域生态系统健康评价单元的选择本文研究中，根据矢量面状评价单元和栅格点状评价单元各自优缺点的特征，采用了二者相结合，使指标因子数据载体与分析评价单元分开的实现方法。即用栅格点状单元作为指标因子的数据载体和根本评价分析单元，用矢量面状单元作为综合评价分析单元，二者之间用模型予以关联。4.1流域生态系统根底信息提取根底数据源4.1流域生态系统根底信息提取土地利用及其变化信息提取

将影像对照1：5万地形图进行几何精纠正，误差控制在1个像元以内。再将遥感图像拼接裁切，进行各种增强处理，消除噪音、云层等影响，最后得到两个时期的皇甫川流域影像。采用基于最大似然法算法的监督分类方法对皇甫川流域共两期TM影像进行土地利用/覆盖的分类4.1流域生态系统根底信息提取土地利用及其变化信息提取分类结果精度都到达80%以上，Kappa系数也到达0.68以上，满足研究要求。4.1流域生态系统根底信息提取土地利用及其变化信息提取皇甫川流域1987年和2000年土地利用类型各类面积统计表〔单位：km〕土地利用变化情况4.1流域生态系统根底信息提取土地利用及其变化信息提取

土地利用面积变化比4.1流域生态系统根底信息提取小流域自动提取数字高程模型(DEM)是描述地面高程值空间分布的一组有序数组。本文所采用的数字高程模型数据为皇甫川流域1:5万DEMGRID数据，栅格单元大小为30m×30m(图4.4a)，计算平台是ARC\Info8.1。给定积水区面积阈值为10公顷,流域界线以及小流域界线，整个皇甫川被划分为40个小流域4.1流域生态系统根底信息提取景观结构指数的提取景观结构分析软件FRAGSTATS3.3

用主成分分析法18个景观结构指数相关矩阵进行分析，根据特征值选取4个指标指数Simpson多样性指数、斑块密度PD、斑块丰富度PR、平均斑块面积MPS

4.2流域健康信息提取初级生产力指标因子之一遥感植被指数信息的提取NDVI是一种比较稳健的植被指数，其对照度、视角、外表坡度及大气情况不太敏感，但对反映地表植被状况较有效，通过NDVI计算公式NDVI=〔TM4-TM3〕/〔TM4+TM3〕和区域植被覆盖度与植被指数的关系公式fv=〔NDVI-NDVImin〕/〔NDVImax-NDVImin〕可得出皇甫川流域植被指数图和植被盖度图4.2流域健康信息提取效劳功能信息提取通过土壤的侵蚀面积和侵蚀程度作为评价生态系统质量状况4.2流域健康信息提取弹性度指数提取对不同类型土地利用的生态弹性度进行分类

每个小流域的弹性度计算为：公式中F为每个小流域的土地覆盖类型平均弹性度，Si为i土地利用类型的面积，Fi为i土地利用类型的弹性度分值，S为小流域的土地利用地总面积。

5.1小流域生态系统健康空间分异特征分析2000年皇甫川流域生态系统健康综合评价结果根据2000年皇甫川流域生态系统活力、组织、弹性力和效劳功能等四个方面14个生态系健康的度量的标准化定量结果计算，建立了40个小流域8个单因子评价指标数据库和四个综合因子。5.1小流域生态系统健康空间分异特征分析压力分析

人口密度指标分布图说明：皇甫川流域3与流域40人口密度大，环境相对极差(处于五级)，向中间人口密度逐渐减少人类干扰度指标分布图：说明流域南部人类活动强，干扰环境厉害，从南向东人类活动逐渐减弱，流域环境逐渐变好5.1小流域生态系统健康空间分异特征分析活力分析活力是一切流域生态系统存在的最根本的物质根底，通过计算湿地生态系统的NDVI值来反映有机质生产，评价流域生态系统的活力。从图5.4活力指数分布图看，活力最差是五级小流域主要分布在林地和草地面积均小于20%的区域，有小流域18，24，38，以耕地、裸地、沙地为主的小流域活力比较差。活力最好的小流域土地利用类型以林地为主，有小流域17，36，林地面积一般大于50%，林草地以外的其他类均小于20%。5.1小流域生态系统健康空间分异特征分析组织分析

5.1小流域生态系统健康空间分异特征分析组织分析

高质量斑块的面积越大，在区域中所占的比例越大。从皇甫川流域斑块面积的计算结果来看，有将近30个小流域处于五级区域，而其他四个等级比例相差不大景观多样性指数越大，土地利用越丰富，破碎化程度越高。皇甫川流域的景观多样性指标分布特点是：由南向北，多样性指标由高变低的趋势。较高的景观多样性指数主要分布在地貌类型相对复杂的区域，大多分布有丘陵和低山，河流切割，地表覆盖类型多样；景观多样性指数较低的小流域分布在地势平坦区域，以耕地为主。组织由景观多样性、丰富度、平均斑块面积和斑块密度四个指标加权求得。组织结构良好的小流域，结构复杂，类型多样5.1小流域生态系统健康空间分异特征分析组织分析

5.1小流域生态系统健康空间分异特征分析弹性从图可以看出，皇甫川弹性指标分布根本与耕地和灌丛分布的趋势一致，根本为从南向北的走势，流域逐渐变得更具有弹性。本流域弹性较好区占25%，一般占40%，较差占15%。5.1小流域生态系统健康空间分异特征分析效劳功能从图5.11流域分布情况来看，通过蓄水能力和净化能力计算得到结果可以看出，流域效劳功能好的小流域主要分布在皇甫川流域的西部地区；小流域25、26、31主要是林地分布地区，人类干扰较小，组织结构合理，效劳功能强；小流域24效劳功能最差，这是由于土壤质量差的缘故。5.1小流域生态系统健康空间分异特征分析状态健康状态相对较好的占27.5%，相对一般的占55%，相对较差的占17.5%，整体状况一般。其中小流域29、31、34、38健康状态较差，这由于人类干扰活动强、组织结构不太合理、植物生产力较低、污染负荷严重，效劳功能弱等原因造成的。小流域1、7、10、11、13、15、17、20、27、28、33健康状态较好，人类影响较小，天然资源广泛分布，斑块结构合理、水文调节，水质净化功能强。5.1小流域生态系统健康空间分异特征分析健康综合评价皇甫川流域生态系统健康相对较好10%，相对一般67.5%，相对较差22.5%，没有良好和极差。小流域16、17、22、24、28、29、30、32、36健康较差，这是由于人口密度大，人类干扰活动显著，系统结构不合理，系统活力较低，流域效劳功能己经不能满足维持流域生态系统的需要，流域生态系统已经开始退化。小流域3、31、39、40健康质量较好，这是由于外界压力较小，流域土地利用结构合理、格局尚完美，系统活力较强，无生态异常，污染负荷较小，系统效劳功能较完善，系统尚稳定，流域生态系统可持续。其它小流域健康质量一般，系统具有一定的活力，外界压力较大，按近生态阈值，系统尚稳定，但敏感性强，已有少量的出现异常，可发挥根本的流域功能，如果不加科学利用和保护，流域将退化，功能将减弱。5.2典型小流域生态系统健康分析

选择四条小流域25、9、34、31分别以灌丛、草地、耕地、林地为主的典型小流域进行分析

5.2典型小流域生态系统健康分析

以耕地为主的小流域31受到人类活动干扰的影响大，面临的外界压力大，在强大的外界压力作用下，流域系统的内部结构倾向不合理，功能严重失调，恢复能力差，变化大，目前健康状态一般，但如果不科学的利用和保护，土壤肥力下降，会退化为荒地。最终严重影响国民经济的开展，人民生活水平的提高。以林地为主的小流域31人口密度和人类的干扰一般，受到的压力也一般，活力比较强，效劳功能强，目前健康状况好，但其土地利用面积变化大，按照一定的趋势，其组织内部的结构也将受到一定的变化。以灌丛为主的小流域25和以草地为主的小流域9虽然受到人