rs与gis技术在湿地景观生态研究中的应用

rs与gis技术在湿地景观生态研究中的应用

1湿地景观生态研究概况湿地是由喜水生物和过度潮湿环境组成的特殊自然综合体。位于生物圈、水圈、岩石圈和气圈的交汇处。这是各种能流和物流交换和作用的地方。它是地球上重要的生存环境和生态系统,具有稳定环境、物种基因保护和资源利用功能,被誉为自然之肾、生物基因库和人类摇篮。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。它以生态学理论框架为依托,吸收现代地理学和系统科学之所长,研究景观和区域尺度的资源、环境经营与管理问题,具有综合整体性和宏观区域性特色,并以中尺度的景观结构和生态过程关系研究见长。自上世纪80年代以来,景观生态学便被广泛的应用于资源、环境、生态等方面的研究中。近年来,伴随着湿地资源遭受到人类活动的不断破坏,湿地景观生态研究也成为了当前研究的热门领域。景观生态学的研究对象是景观,其空间尺度大体在几平方公里至几百平方公里的范围。对于如此大范围的生态研究单元,景观组分数量繁多,自然和人为干扰因素并存,其时空格局和生态过程的相互作用也十分复杂,因此研究中所需的信息数据非常庞大,处理过程也极其繁琐。传统的景观生态学研究主要依赖于野外调查,而湿地由于其独特的地域性,使得这一方法的使用受到人力、物力以及自然条件等多方面的限制。近年来,遥感(RS)技术与地理信息系统(GIS)技术的发展给景观生态学研究带来了革命性的进展,生态学家们越来越多地将野外实地调查与遥感和地理信息系统等方法结合起来作为湿地景观生态研究的重要技术手段。RS技术为获取湿地资源环境状况提供了有效的空间信息源,通过它可以获取大范围、多分辨率、多波段、多时相的地表信息,为从不同时序上对湿地进行分析创造了条件;GIS具有强大的空间信息处理和分析功能,能够快速、精确和综合的对复杂的湿地系统进行空间定位和过程动态分析。基于这两种技术的研究方法正在快速稳定的发展。本文回顾总结了近年来湿地景观生态研究中遥感技术和地理信息系统技术的应用现状、特点,并指出了目前存在的主要问题,最后阐述了湿地景观生态研究今后的发展方向和趋势。2湿地生态遥感的研究现状2.1充实后的充实景观格局是指景观的组分构成及其在空间分布的形式,包括景观的空间特征(如景观组分的大小、形状及结构等)和非空间特征(如景观元素的类型、面积、比重等)两部分。景观格局研究的目的是剖析异质性地表不同景观组分的组成情况和构建特点,总结景观异质性的内在规律,从表面上无序的景观中发现潜在有意义的有序性,从而深入了解景观空间结构的基本特点。通过格局分析,可以揭示景观格局的空间关系,并可在此基础上根据景观生态学中的结构——功能原理,进行景观生态规划与设计,从而调整景观格局,优化景观功能。大量翔实的景观组分属性数据是景观格局研究的基础,遥感技术的应用使得景观生态研究中的数据收集工作变得更为简易,获取的数据也更为充实。目前应用遥感技术进行湿地景观格局研究通常首先需要根据研究目的,收集各类湿地景观数据(如野外地面调查数据、辅助图件、遥感图像等),并对遥感数据进行图像处理,从中提取湿地景观信息,再以面向用户的原则将其引入适当的格局研究模型中,通过定量化的分析手段对湿地景观格局研究结果加以解释和探讨。如Townsend和Walsh应用多时相和多光谱卫星图像对美国北卡罗来纳东北部的Roanoke河下游泛洪平原植物群落成分及景观结构进行了检测。研究中使用从单一年份中不同季相(3～4月,5～6月,7～8月)获取的LandsatTM图像来发掘森林湿地物候变化,得到泛洪平原内具有生态重要性的植被类型的覆盖分类及其植被景观结构,并利用野外现场数据以验证分类后的植被群落成分和结构。Kelly也在对位于北卡罗来纳州的湿地栖息地在1984到1992年之间的变化进行定量化研究中使用了分类的LandsatTM图像,得到了景观尺度的变化,并将其与特定地点尺度的变化进行了对比分析。王宪礼等利用遥感、GIS手段对辽河三角洲湿地景观的格局与异质性进行研究,具体计算并分析了景观多样性指数、优势度指数、均匀度指数、景观破碎化指数、斑块分维数、聚集度指数6种景观指数。研究中通过对LandsatTM图像以及多种辅助图件数据进行分析,绘制出了研究区的景观类型图和湿地类型图,并通过GIS软件对上述图件进行计算,获得了6种景观指数,根据这些指数对辽河三角洲湿地景观的格局进行了分析。为了解湿地景观格局与生态过程之间的相互作用,需要用有目的的方法对湿地景观格局进行确定并定量。基于景观、类别和斑块等不同层次的景观指数很好的量化了景观结构和组成。近年来,遥感技术发展迅速,提供了更多分辨率、多光谱、多波段、多时相和多平台的各种影像数据,推动了景观格局研究中定量分析方法的进一步发展,现有的大多数景观格局指数的创造、筛选和完善几乎都与遥感技术的应用联系在一起。随着定量分析方法的不断发展,湿地景观格局的研究也从定性研究逐渐过渡到定量研究阶段,这也有助于建立起景观格局与功能之间的相互关系,为人们了解湿地景观生态过程奠定基础。2.2扩展的能量模型景观功能是指构成生态系统的各要素,如能量流动、物质流动和物种迁移之间的相互作用,目前研究也主要还是集中在景观内部和景观之间的这3种流动研究上。国外学者对这方面研究较早,研究成果也较为成熟。Gosz在1986年就曾对由空间格局变化而给景观内部物质和能量流动带来的影响进行了分析研究。对代表着一个生态系统特征的物质流和能量流进行研究,这对于理解生态系统的行为以及它在面对变化的环境时表现的适应性有着重要的意义。由于湿地处在特定的非生物环境(气候、水文和土壤等)、生物作用和人类活动等因素综合作用下,其与外部以及其内部自身的能量流动和物质流动都极为复杂,同时又由于湿地特殊的地理位置因素,现场数据获取普遍较为困难,因此遥感技术在能量流动和物质流动探测方面的优势得以很好的发挥。近年来基于遥感技术的湿地景观功能研究逐渐广泛的开展起来。Loiselle等在遥感技术的支持下对偏远湿地生态系统的能流进行了模拟。在这一研究中,Loiselle等人应用了一个扩展的能量平衡模型来对代表着湿地及其周边环境的能量交换特性的流动进行检测。大部分对于水生生态系统能流模拟的研究,由于存在缺乏现场数据或是对生态系统中单个能流不甚关心等原因,采用的都不是扩展的能量模型,而是相对简化的能量模型。在此Loiselle等人选取扩展的能量模型出于下面几个原因,第一个是因为他们致力于研究该湿地的小时动态变化以及周边环境对这一动态的影响;第二个是因为他们也关注这一湿地环境的季节变化;第三是因为他们同样也对人为导致的变化在整个生态系统的完整性上对于生态系统的潜在影响感兴趣。这一基于物理的模型现在被用于检测区域和全球环境对于湿地能量平衡可能带来的变化量。同时这一模型也与动物群落模型结合以检测气候与人口特性之间的相应关系。肖笃宁等对辽河三角洲湿地景观的水文功能进行了研究。其中重点研究了湿地蓄水容量与苇田蒸散发、湿地水更新率、稻田水量平衡等湿地的水文调节功能及人类活动的影响;探讨了湿地水文调节功能的估算价值,三角洲地下含水层的调洪功能;并根据辽河三角洲湿地的景观生态特征和在防洪中的功能,将湿地景观划分出5个功能区,为制定合理的景观规划,为促进三角洲地区的可持续发展服务。王根绪等在对黄河源区湿地从20世纪70年代、80年代与90年代近30年间景观动态变化研究中,选取景观生物生产力、景观土壤养分、景观植被覆盖度等景观功能的表征参数,提出了景观格局动态演变下分析景观功能变化的定量方法及其数学模型。尽管景观功能与景观生境质量、生物多样性密切相关,但是目前对于景观功能的研究与景观格局研究相比还相距甚远,对景观功能进行全面研究仍有很长的路要走。伴随着遥感技术的发展,以及遥感数据与景观功能特征指标关系的建立与不断完善,未来遥感技术在景观功能研究中将成为必不可少的工具。2.3湿地景观格局动态变化的遥感分析景观动态研究着眼于根据生态系统真实的空间分布及其随时间而变化的空间和时间尺度的变量,推论出导致景观变化的原因并预测景观变化趋势,进而为区域景观的管理和未来规划制定决策而服务。湿地自古以来便是人类活动频繁的区域,人为干扰强烈,同时又由于自然条件的改变,不同时期湿地面积变化较大。因此,对于湿地的动态变化进行研究,能为我们进一步了解湿地、制定湿地管理决策提供科学依据。通常动态变化研究需要的资料时间跨度较长,数据量很大。传统的依靠历史资料利用地学相关方法和经验进行推断研究存在很大程度的不确定性,而新兴的遥感技术在很大程度上弥补了这一缺点。利用遥感技术大范围、多分辨率、多时相的动态监测功能,可以获取区域内景观的客观的及时可靠的数据。利用遥感数据并结合一些辅助的历史资料进行湿地景观动态变化分析,能很好的还原变化过程,得到湿地景观在时间和空间上的格局的动态与趋势。通过分析湿地景观格局随时间的动态过程,可以揭示湿地景观变化的动因和规律性。目前国内外湿地景观动态变化的研究比较普遍,多种类型的遥感数据源也在研究中得到广泛的应用。Munyati在对赞比亚Kafue沼泽的湿地景观变化监测过程中,使用了1984～1994年的4幅LandsatMSS和TM影像数据。研究中通过监督分类的最大似然分类法对各年份的湿地景观进行了提取,得到了湿地景观动态变化数据。研究发现在不同年份间的景观变化可以通过Kafue沼泽上发生的规律性洪水的时间上的变化进行解释。Maing和Marsh利用LandsatMSS、SPOTXS影像数据分析了肯尼亚塔纳河下游两岸湿地1985～1996年的变化,结果表明人类活动对沿河湿地景观变化有重大影响。特别是在上游修建大坝,对下游沿河湿地植被、农业生产将带来改变,进而改变湿地景观格局。Saich等利用雷达遥感对越南CatTien国家公园的湿地景观组成及动态变化进行了监测;Menges等利用TopSAR数据对澳大利亚北部Mary河流域的湿地景观变化进行了识别和监测。国内相应的景观动态变化研究虽然起步较晚,但是发展也较为迅速,目前也已普遍开展了这方面的研究。王宪礼等利用遥感和GIS手段对辽河三角洲湿地进行了景观变化分析,研究表明该区自1986到1994年景观变化具有独特方式:即半自然湿地(以苇田为主)向人工湿地(以稻田为主)转化,自然湿地(主要是滩涂景观)向半自然及人工湿地转化,表现出一种自陆向海的变化趋势。研究认为该区景观变化是由两种力相互作用形成的,一是自然界本身的发展和变化,湿地的自然淤张;二是人为干扰、开发与管理。随着人类干扰强度的增加,该区景观破碎化程度加深,景观多样性下降,优势度增高,景观变化更为明显。王根绪等利用1975、1985、1995这3个时期的遥感图像,选取了有代表性的9个有关度量景观空间结构与景观异质性的景观指数,通过FRAGSTATS计算方法,系统研究了黄河源区湿地景观生态结构与景观格局变化。从这些研究成果可以看出,遥感技术在湿地景观动态研究方面有着不可替代的作用,是当前最主要湿地信息来源。但是同时也必须注意到一个问题,那就是遥感技术发展的历史还比较短,人类迄今为止所积累的遥感资料也不足100年时间。在某些时间跨度更长的湿地景观动态变化研究中,遥感的这一缺陷将更大的体现出来,此时各种长期的自然、社会、经济和历史资料将成为主要的信息来源。遥感资料与其它的辅助自然、历史资料是相辅相成的,将它们有效的结合使用能给湿地景观动态研究带来更客观更丰富的信息。2.4多尺度破碎化指数景观是由许多空间上异质的区域所构成,它们的结构、功能以及变化都与尺度自相关。景观生态学注重研究景观的空间异质性,空间异质性的大小依赖于尺度,即景观在不同的尺度上表现出不同的空间异质性和多样性。对于景观功能的观测,如有机体的流动,也依赖于尺度。或许那种让人们可以描绘出景观的边界和斑块的尺度与多数的能流和物种迁移都没有关系,但是当我们单独研究一个特殊的有机体时,我们就不能忽略那些重要的因素,诸如斑块结构或者其动态。景观结构或者功能的变化也是依赖于尺度的,一个动态的景观在某个尺度上表现为异质,但在另一个尺度上很可能表现为均质。尺度变换分析和尺度效应研究对于景观格局的分析,景观的管理和景观规划设计有着重要的意义。对湿地景观进行尺度研究时,由于野外实地观测的不可操作性,因而在尺度变换分析过程中通常采用遥感、地理信息系统和数学模型等手段。而遥感技术由于其不同传感器本身的空间分辨率的不同,使得利用多传感器遥感影像进行景观尺度研究成为了最便利的研究手段。在利用遥感技术进行景观尺度研究的工作中,分析尺度对于景观格局指数的影响是目前进行的最多的一个领域。Saura于第三次西班牙全国森林湿地调查中,研究分析了尺度对于景观格局指数的影响。研究中具体应用LandsatTM和IRS-WiFS两种不同空间分辨率的图像对6种常用的破碎化指数的影响进行分析。这6种破碎化指数具体为:①斑块数(NP);②平均斑块大小(MPS);③公共边界长度(EL);④最大斑块面积比(LPI);⑤景观分离度(LD);⑥斑块聚合度(PC)。研究目的在于分析这些景观指数在传感器空间分辨率变化时有何相应变化;哪种破碎化指数能在不同的空间分辨率下直接相比较;若都不能,能否对其进行纠正以弥补可比较的多尺度破碎化指数评估。结果表明,LD与LPI对于空间分辨率的改变是最不受影响的;NP、EL与MPS是目前最敏感的指数,不适用于将从不同空间分辨率获取的破碎化指数进行直接对比;PC在类别丰度低时相对于空间分辨率的变化相当明显,而在类别丰度高时则无明显改变。Millington等也在对玻利维亚森林湿地破碎化的多时相遥感制图研究中分析了景观指数与尺度之间的依赖关系。研究中使用了LandsatTM/ETM以及AVHRR数据,考察了景观指数与不同空间分辨率的图像数据(从30m到1100m)之间的关系,结果显示多数的指数都在很大程度上由像元的大小决定。曾辉等也利用珠江三角洲地区1988～1996年间6个时段的LandsatTM数据进行了景观指数空间分辨率实验研究。在研究中,将TM图像分辨率利用GIS软件进行重采样,得到了30m、60m、120m、240m、480m、960m共6种分辨率下的研究区域景观指数统计值。研究结果显示,景观指数随分辨率的不断降低出现了显著的变化,其中斑块数量、周长、景观整体破碎度指数以及斑块形状指数对分辨率改变敏感,而斑块面积百分比、景观多样性、优势度和组分破碎化指数受分辨率改变影响甚小。这些分析结果对于在不同尺度下进行景观指数统计计算有着借鉴意义。3数据存储、分析、管理如果说在湿地景观生态研究中,遥感是最主要的数据收集手段,则GIS就是数据存储、分析、管理的最有效的方法。GIS技术在湿地景观生态研究中的应用主要体现在辅助景观类别分类,景观制图及景观指数统计,景观动态信息提取与分析和景观规划管理4个方面。3.1在相关知识的基础上应用gis来指导分类湿地景观生态研究过程中,特别是对湿地景观格局进行研究时,需要得到详细的湿地景观分布信息,这就要求对遥感影像进行景观类别的分类。GIS数据库中含有大量的可供遥感影像分类的知识,可以作为先验知识指导湿地景观分类,也可以用其对分类后景观图像进行简单验证。诸如该区域有无植被、植被类型或者面积等可以直接通过GIS查询功能获得;而其它的知识诸如空间位置分布规律、空间关联规则、形态特征区分规则等,虽未直接存于空间数据库中,但也可以利用GIS通过计算获得。Sader等在对缅因州森林湿地进行分类研究中,对比了非监督分类法、缨帽变换分类法、混合分类法和GIS下基于规则的分类法的效用。结果表明基于GIS规则的分类法分类精度优于非监督分类法,也同样优于缨帽变换分类法,而与混合分类法的分类精度相当。3.2景观指数的求算湿地景观生态图件对于国家和地区的湿地调查都有着重要的意义,是湿地信息数据库不可缺少的组成部分,可以作为区域生态管理的决策依据之一,同时也在未来湿地调查中起着资料数据的作用。通常对于经遥感图像分类处理后获得的湿地景观类别,可以利用GIS技术进行不同比例尺的景观生态专题图的编制。与此同时,由于湿地景观空间格局分析都是通过景观指数对其进行定量化,因此也需要对图像分类后的景观斑块进行景观指数的求算。目前常用的景观格局分析软件FRAGSTATS就是与GIS相结合进行景观指数计算的,它的优势在于各种指数是在GIS中一个完全一体化的模式下进行计算,适用于数字化地图。目前相应的应用研究很多,如布仁仓等对黄河三角洲的景观组分进行了判定,利用GIS软件的空间分析功能对从遥感图像中提取的湿地景观图进行计算和分析,获取了相应的空间信息,根据这些空间信息对黄河三角洲湿地景观格局进行了分析。依据斑块的空间属性及空间关系对景观的主要组分(基质和廊道)进行了识别,并对湿地景观进行了破碎化分析。王树功等采用遥感和GIS相结合的方法,对近20年来珠海市淇澳岛红树林湿地的景观格局进行了分析。这一研究采用了1988、1995、2002年3个时相的TM卫星图像,利用遥感图像处理软件ERDAS应用专家系统方法分类,并结合ArcGIS软件以及FRAGSTATS景观格局分析软件进行景观指数计算,在斑块和类型水平上进行空间指数分析,揭示导致其变化的驱动力,为淇澳岛红树林湿地保护和利用提供数据。3.3变化建模方法湿地景观动态的研究也是目前湿地景观生态研究的一个热门领域。利用GIS技术能对湿地景观的动态变化进行分析,绘制景观变化图;同时也可以建立湿地与环境因素的定量关系模型;并依据景观动态度模型、马尔科夫转移概率模型、空间格局动态变化分析等方法可以分析湿地演变规律和驱动机制,进而总结湿地的演变模式,并应用马尔科夫转移概率模型等建模方法对湿地未来变化进行模拟预测。宁龙梅等对于武汉市湿地景观格局进行了研究。在RS和GIS技术的支持下,该研究利用了1996年和2001年两个时期的LandsatTM图像作为信息源,选取斑块密度、斑块分维数、景观破碎度、景观多样性指数、优势度指数和均匀度指数等指标,对武汉市湿地景观格局的变化进行定量分析。为了进一步了解湿地景观格局变化的具体情况,该研究还利用马尔科夫转移矩阵模型对武汉市近年来湿地景观类型的转移情况进行了分析。王学雷、吴宜进在对四湖地区湿地景观变化的研究中引入了马尔科夫模型,利用1990年和1996年两个时期的LandsatTM卫星影像来分析四湖地区湿地景观格局的动态变化。根据从TM图像编制的两个时期的湿地景观分布图,应用马尔科夫模型进行转移概率求算和动态模拟,并且对湿地景观变化的趋势进行测算。预测结果表明,在现有的人类作用强度下,四湖地区湿地景观格局可达到一个相对稳定的状态。3.4景观规划预案评估湿地景观规划是应用景观生态学原理解决湿地在景观水平上生态问题的实践活动,是湿地景观管理的重要手段。近年来在湿地景观规划管理的研究中越来越多的使用到GIS技术。基于GIS建立生态模型,能对于湿地生态环境状况进行评价,对湿地景观进行分析,并对各项湿地景观设计预案进行评估。李晓文等以GIS为工具,利用景观生态决策/评估支持系统(LEDESS)模型对辽河三角洲景观规划预案所导致的生态后果进行模拟,通过构建综合反映区域生态经济效应的斑块生态经济指数,对各项预案可能导致的区域生态经济效应进行了空间分析,并与现状进行了对比。最后,在区域生态经济效应分析的基础上,对各景观规划预案进行了总体评价。Ollinger等也以GIS为工具,应用PnET-II模型对森林湿地碳和水平衡进行模拟,以此对美国东北部区域森林湿地景观净初级生产力以及径流进行了评估。Rustigian等研究了不同的未来景观规划方案对于生活在爱荷华州两个重要农业流域的4种两栖类动物种群数量的影响。在研究中应用GIS,建立了一个基于个体的空间明确的种群数量模型,以此对未来的种群数量进行分析,并根据分析结果给出了区域生态管理的建议。4遥感技术在湿地景观生态研究中应用存在的问题伴随着RS与GIS技术的发展,其在湿地景观生态研究中的应用也逐渐涵盖到了研究的每一个领域,起着越来越重要的作用。但是在这两种技术优势明显的同时,我们也应该看到应用中目前仍然存在的一些问题。(1)遥感技术能提供大范围、多分辨率、多光谱、多波段、多时相和多平台的各种影像数据,能够解决传统野外实地调查方法对于湿地信息获取的不足。相同范围的遥感调查与传统野外实地调查相比,耗费的人力、物力、财力都少得多,且客观性与调查精度也较高。不同分辨率的遥感图像可以满足不同的研究需求,研究者可以根据研究区情况、调查精度要求以及经费等因素考虑自由选择,传统调查方法显然无法达到这一目的。遥感卫星重复周期性都较高,有利于进行湿地景观的动态变化研究,也便于研究区域资料的准实时更新。但与此同时,遥感技术对于某些特定研究也还存在不足。例如对于细节性的湿地植被物种调查,由于应用遥感技术进行植被类别区分目前仍存在“同谱异物”、“同物异谱”现象,使得其对于湿地植被的详细划分很难达到理想的精度。这种情况下地面调查数据就显出其优势,通过细致的地面调查配合与宏观性的遥感数据,细节性的湿地景观生态研究才能获得理想的结果。由此也可以看出,至少在目前,野外实地调查还是湿地景观生态研究必不可少的一个部分。(2)GIS技术在湿地景观生态研究中主要用于湿地景观信息的存储、分析及管理。借助GIS技术能够建立起详尽的湿地景观信息数据库,为湿地生态管理和区域经济决策提供科学依据。利用GIS结合特定的景观格局分析软件可以便于求算景观指数,定量化分析湿地景观格局;结合景观动态度模型、马尔科夫转