3s技术在景观空间格局分析和动态监测中的应用

3s技术在景观空间格局分析和动态监测中的应用

景观生态学是研究区域内由许多不同生态系统组成的景观的空间结构、相互作用、协调功能和动态变化的生态新分支的生态一门新学科。景观生态学以整个景观为研究对象,强调空间异质性的维持和发展,生态系统之间的相互作用,大区域生物种群的保护与管理,以及人类对景观及其组分的影响。近年来,由于生态环境问题日益严重,景观生态学逐渐成为生态学的重要研究领域之一。目前,3S技术在景观生态研究中得到极大的重视,它们不仅是重要的数据来源,也是进行空间数据挖掘和尺度转换的重要手段。3S技术不断发展为景观生态学研究获得强有力的技术支撑,成为景观生态学中资料收集、存贮、处理分析不能缺少的技术,3S技术运用也避免了传统研究手段工作量大、成本高、工作周期长等不足。13景观生态的s技术的应用1.1景观大尺度及多时段gpsRS和GPS获取大量空间数据的功能使得大部分生态学者将3S技术作为景观生态学研究中基础数据获取的重要手段。与传统生态学数据采集方法相比较,RS和GPS有显著优点,RS技术增大了观测范围,缩短了观测周期,成为生态学家获取大尺度、多时段景观数据的主要手段;GPS可以获取实时准确的三维数据;GIS具有采集、存贮管理空间数据功能。DEM数据、各种地图以及GPS和RS获取的数据都能够成为GIS数据源进行管理、分析和辅助决策的依据。目前,很多生态学者利用3S技术来获取景观数据。蒋卫国等收集了多时、多尺度和多种类的数据,利用TM影像数据、1:25万安徽省DEM数据和1:100万矢量植被图编制了安徽省景观生态分类系统。谢春华,王秀珍以遥感影像和地形图为基础,结合二类调查资料和GPS实地布点,从不同尺度将集水区森林景观进行分类归并。3S技术的发展极大推动景观定量研究发展,为各种景观模型建立提供资料。1.2景观指数的定义和测量景观格局定量分析包括景观空间形态、景观空间关系等多个方面的内容,以及斑块,类型和景观几个层次。它是景观生态学研究的核心问题之一。景观空间格局研究景观缀块和其组成的类型、数目、空间分布与配置,可通过一系列景观指数和空间分析方法加以定量化,景观指数包括缀块水平指数(面积、形状、边界特征)、缀块类型指数(平均面积、平均形状指数等)和景观水平指数(多样性指数、均匀度指数等)。区域景观具有高度空间异质性,不同区域景观的空间形态和空间关系存在差异性,需要选取反映景观格局各方面特征的不同代表性指数来定量描述不同的景观格局特点。1.3景观格局的动态研究景观生态学核心在于强调大空间尺度上景观格局的生态影响,景观动态监测研究是其中重要的方面。景观生态监测是对人类活动影响和干预下自然环境变化的监测,它的任务是不断监测自然和人工生态系统及生物圈其他组成部分的状况,确定其改变方向和速度,并查明人类活动在这种改变中所起的作用。对景观生态动态变化的分析是了解区域生态环境的变化过程和趋势,探询其驱动力机制,进而对其未来可能变化进行模拟和预测的基础。传统的景观格局研究方法进行动态监测存在一定困难,主要是获取景观数据的周期长。RS技术获取数据的海量性、时效性等特点,为景观格局的动态监测提供技术支持。杨英宝等利用1986、1994、2000年的TM图像和2000年的土地利用现状图,运用GIS和核心景观指数研究南京市自1986年以来景观格局的动态演变规律。郭笃发根据1986、1996和2001年土地覆被数据,运用GIS软件和景观生态学方法,研究渤海海岸线缓冲带的土地利用和景观格局变化,分析渤海的影响程度与范围。李建平等利用1980、1995、2000年三期遥感影像,在GIS与RS技术支持下,解译提取吉林省20年景观类型空间信息,选取景观多样性、破碎化、分维数景观指数分析吉林省景观格局的时空动态演变。利用不同时期的遥感数据和土地利用等不同类型的地图,选取合适景观指数进行分析,是进行景观生态动态监测的途径。1.4景观空间格局的定量描述景观规划常常是为了某一特定的目的,对区域的土地利用方式进行一次合理的调整。然而同一土地类型往往具有多重景观功能,如何进行合理的景观布局,使得整个景观的生态功能达到最强,常常是景观生态学中遇到的难题。这里主要有两个方面,其一是某一景观类型的最佳利用方式的确定,利用方式的确定不仅要考虑其本身的生态特征,而且还要考虑景观类型与相邻景观单元的空间关系,而这种景观空间格局的分析,常常涉及到生态、经济和社会文化等特征,如何将各因子与景观单元的关系在空间上进行定量化描述是解决景观类型利用方向的一个关键;其二是对某一景观要素的空间位置的选择,在景观生态研究中,廊道在物种保护中常常是被用来加强不同保护区之间连接的一个有效途径。而在廊道设计中,新廊道空间位置的选择或在哪些地区保留廊道常常是生态学家头疼的问题。特别是在将自然生态地区改变为农业景观时,这是常常遇到的实际问题,为了不破坏原来自然种群之间的交换,就需要保护不同自然栖息地之间的通道。因而,就需要研究景观空间格局的分布特征和功能,找出最适合的地方建立野生生物自然保护区,将生物经常迁移的通道留作廊道,以利于不同生物种群之间的基因交流,达到保护生物多样性的目的。目前,已有许多学者将景观生态学与3S技术相结合应用到景观规划,李新通以3S技术为支撑,在闽东南沿海地区进行景观尺度上的农业土地景观分类与景观单元空间格局的优化配置,对生产性景观单元进行了土地利用模式设计。23景观生态学的应用前景2.1景观数据处理数据质量直接决定景观生态学家是否正确地识别格局,并将其正确有效地与生态学过程相联系。误差和不确定性分析及数据质量评价是景观生态学中一个极其重要并富有挑战性的研究方向。景观生态学家常常采用多种遥感技术以获取大尺度的地理、生态等一系列资料,但景观数据获取和准确度评价方面尚有许多问题,没有准确的数据就不会有准确的结论。迄今为止,对景观数据的误差和不确定性分析以及准确性评价方面的研究甚少。目前,大部分景观数据的获取是采用3S技术,其中GPS数据具有相对高的准确度。GIS数据的准确度以及不确定性与采集方式有关,也与数据本身特点有关,需要从引起数据质量的原因入手进行分析,较好地对数据准确度进行评价。RS获取数据的质量主要受分辨率影响,目前遥感影像的分辨率越来越高。因此,3S技术对数据质量评价是解决景观数据准确度较好方法。2.2空间格局分析的尺度推绎与尺度推绎的关系尺度问题是生态学研究的基础,主要涉及到3个方面:尺度概念、尺度分析和尺度推绎。研究尺度影响景观空间格局检测,景观空间格局分析是针对特定尺度下进行,能否把景观空间格局分析信息从一个尺度转绎到另一个尺度上,也就是能否进行尺度推绎(上推或下推),景观生态学家常常采用多种遥感技术以获取大尺度的地理、生态等一系列资料,通过大尺度数据分析获得实验结果是否可以推绎到小尺度空间,以及小尺度实验结果如何外推到真实景观世界,这些将是今后景观生态学需要研究的问题。2.3新领域:格局优化与理论研究景观生态学的一个最基本假设是空间格局对过程(物流、能流和信息流)具有重要影响,而过程也会创造、改变和维持空间格局,因此,景观格局的优化问题在理论和实际上有重要意义。随着景观格局、功能和过程研究的深入,格局优化作为景观生态学新的研究领域被提出,但其理论和方法的研究仍然是景观生态学研究的一个难点问题。景观格局优化是对景观格局、功能和过程综合理解的基础上,通过建立优化目标和标准,对各种景观类型在空间和数量上进行优化设计,使其产生最大景观生态效益和实现生态安全。景观格局优化可以指土地利用格局优化、景观管理、景观规划与设计的优化,包括优化景观中缀块组成、空间配置以及基底特征,从而最有利于生物多样性保护、生态系统管理和景观的可持续发展。利用GIS对空间信息分析处理功能合理进行空间配置,结合3S对不同空间配置的景观格局进行分析,使其达到最大景观生态效益。2.4空间预测模型的建立在景观生态学研究中,景观变量的空间分布、一致性或邻近度等可以作为输入参数通过GIS进入空间预测模型;反过来,预测模型的结果也可由独立的数据检验或重新输入地理信息系统进行空间分析、显示或查询。景观模拟首先需要利用3S技术进行数据采集,把不同来源数据转化为同一空间数据库,建立