地理信息系統(tǒng)在區(qū)域景觀生態(tài)研究中的應(yīng)用

1、地理信息系統(tǒng)在景觀生態(tài)研究中的應(yīng)用院系：資源環(huán)境學(xué)院地理信息科學(xué)專業(yè)班級(jí)：地信1303班姓名：黃詩(shī)雨學(xué)號(hào)：20130404921摘要：論述了地理信息系統(tǒng)（GIS）在景觀生態(tài)學(xué)的應(yīng)用，這些作用包括以下3個(gè)方面：為有效地貯存和管理大范圍的生態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)；支持景觀空間格局與分析；提供生態(tài)系統(tǒng)模型的數(shù)據(jù)或參數(shù)的輸入和輸出。并指出GIS在這幾方面應(yīng)用中應(yīng)注意到的幾個(gè)問題，即：時(shí)空尺度的選擇、景觀信息機(jī)理的研究、小區(qū)域研究、專業(yè)模型與通用GIS接口問題及點(diǎn)值數(shù)據(jù)到面數(shù)據(jù)的外推問題。關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng) 景觀生態(tài)學(xué) 遙感 信息的應(yīng)用 空間模擬模型 支柱 景觀格局地理信息系統(tǒng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，已經(jīng)廣泛

2、地應(yīng)用到各個(gè)研究領(lǐng)域中，尤其是與地理空間密切相關(guān)的學(xué)科，景觀生態(tài)學(xué)作為一門研究景觀空間格局與生態(tài)過程的學(xué)科，分析各種景觀現(xiàn)象在不同時(shí)空尺度上的分布特征、演變規(guī)律、空間鑲嵌關(guān)系及其對(duì)不同景觀格局的模擬研究成為景觀生態(tài)學(xué)的研究核心，而地理信息系統(tǒng)在空間分析和空間模擬上的強(qiáng)大功能，為在景觀生態(tài)學(xué)的實(shí)際應(yīng)用和推廣提供了基礎(chǔ)。1.什么是景觀生態(tài)學(xué)？ 景觀生態(tài)學(xué)是20世紀(jì)70年代以后蓬勃發(fā)展起來的一門新興的交叉學(xué)科。它是由生態(tài)學(xué)、地理學(xué)、林學(xué)、森林學(xué)、野生生物管理學(xué)和景觀規(guī)劃學(xué)等學(xué)科衍生出來的一門多學(xué)科與跨學(xué)科的新興學(xué)科。自20世紀(jì)80年代后期以來，逐漸成為世界上資源、環(huán)境、生態(tài)方面研究的一個(gè)熱點(diǎn)。現(xiàn)景觀

3、生態(tài)學(xué)已成為一門新興的、正在深入開拓和迅速發(fā)張中的綜合性現(xiàn)代生態(tài)學(xué)學(xué)科。景觀生態(tài)學(xué)是地理學(xué)與生物學(xué)之間的交叉學(xué)科，或者更具體的說是景觀學(xué)與生態(tài)學(xué)之間的交叉學(xué)科。它以景觀為對(duì)象，通過能量流、物質(zhì)流、物種流及信息流在地球表層的交換，研究景觀的空間結(jié)構(gòu)、內(nèi)部功能、時(shí)間與空間的相互關(guān)系以及時(shí)空模型的建立。景觀生態(tài)學(xué)把地理學(xué)研究空間相互作用的水平方向與生態(tài)學(xué)研究功能相互作用的垂直方向結(jié)合起來，并探討空間異質(zhì)性的發(fā)展和動(dòng)態(tài)及其對(duì)生物和非生物過程的影響以及空間異質(zhì)性的管理。景觀生態(tài)學(xué)的基礎(chǔ)理論可以概括為：生態(tài)進(jìn)化與生態(tài)演替理論；空間分異性和生物多樣性理論；景觀異質(zhì)性和異質(zhì)共生理論；島嶼生物地理與空間鑲嵌理論

4、；尺度效應(yīng)與自然等級(jí)組織理論；生物地球化學(xué)及景觀地球化學(xué)理論；景觀生態(tài)建設(shè)與生態(tài)位理論。景觀生態(tài)學(xué)以整個(gè)景觀作為研究對(duì)象，強(qiáng)調(diào)空間異質(zhì)性的維持與發(fā)展，生態(tài)系統(tǒng)間的相互作用，大區(qū)域生物種群的保護(hù)與管理，環(huán)境資源的經(jīng)營(yíng)管理，以及人類對(duì)景觀及組分的影響。它以生態(tài)學(xué)的理論框架為依托，吸收現(xiàn)代地理學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)之所長(zhǎng)，研究景觀的結(jié)構(gòu)（空間格局）、功能（生態(tài)過程）和演變（空間動(dòng)態(tài)），研究景觀和區(qū)域尺度的資源、環(huán)境經(jīng)營(yíng)管理問題，具有綜合整體性和宏觀區(qū)域性的特色，并以中尺度的景觀結(jié)構(gòu)和生態(tài)過程關(guān)系研究見長(zhǎng)。其觀測(cè)尺度要比生態(tài)學(xué)其他分支（如生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)）大得多，大量空間數(shù)據(jù)的獲取、分析和處理是景觀尺度研究的重要

5、特征。這就要求研究者能夠處理大規(guī)模、變化著的空間數(shù)據(jù)，景觀生態(tài)學(xué)這種要求失之必然選擇GIS作為研究工具。2.什么是地理信息科學(xué)？地理信息系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。地理信息系統(tǒng)（GIS）這一術(shù)語(yǔ)是由加拿大測(cè)繪學(xué)家R.T .Tomlinson 博士首先提出的。何建邦（1993）認(rèn)為GIS是以地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，采用地理模型分析方法，適時(shí)提供多種空間的動(dòng)態(tài)地理信息，為多種決策服務(wù)。邊馥苓（1996）提出GIS是地理信息學(xué)方法的一種實(shí)現(xiàn)手段是測(cè)繪、遙感、計(jì)算機(jī)、應(yīng)用數(shù)學(xué)以及其他應(yīng)

6、用學(xué)科集成的基礎(chǔ)平臺(tái)。GIS就是一個(gè)對(duì)地理信息進(jìn)行收集、儲(chǔ)存、處理、輸出和管理的技術(shù)系統(tǒng)，是一個(gè)包含了計(jì)算機(jī)軟件、硬件、地理數(shù)據(jù)庫(kù)和專業(yè)技術(shù)人員的系統(tǒng)。它具有以下三個(gè)特征：（1）具有采集、管理、分析和輸出多種地學(xué)空間信息能力，具有空間性和動(dòng)態(tài)性。（2）以地學(xué)研究和地學(xué)決策為目的，以地學(xué)模型方法為手段，具有區(qū)域空間分析，多要素綜合分析和動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)能力，產(chǎn)生高層次高質(zhì)量的派生信息。（3）由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)支持進(jìn)行空間數(shù)據(jù)管理，并由計(jì)算機(jī)程序模擬常規(guī)的或?qū)ｉT的地學(xué)分析方法或模型，作用于空間數(shù)據(jù)產(chǎn)生有用信息、快速、準(zhǔn)確地提供科學(xué)決策依據(jù)。3.地理信息系統(tǒng)在景觀生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用。由于景觀生態(tài)學(xué)研究尺度大，傳統(tǒng)

7、的野外調(diào)查耗時(shí)多、強(qiáng)度大、費(fèi)用高，難以滿足現(xiàn)代條件下對(duì)景觀生態(tài)學(xué)研究的要求。GIS強(qiáng)大的空間分析及圖像處理功能恰好滿足了景觀生態(tài)學(xué)對(duì)大尺度生態(tài)學(xué)研究的要求。 在景觀生態(tài)研究中，GIS不僅被用來采集、處理、存儲(chǔ)、管理和輸出景觀數(shù)據(jù)，還被用來進(jìn)行景觀空間格局的分析與描述、景觀時(shí)空變化動(dòng)態(tài)分析與模擬、景觀優(yōu)化設(shè)計(jì)與管理以及結(jié)合遙感技術(shù)進(jìn)行景觀信息的自動(dòng)采集、分析，進(jìn)行景觀圖及各類專題圖的繪制等。地理信息系統(tǒng)的操作運(yùn)算的一個(gè)特殊功能是對(duì)地理空間數(shù)據(jù)或圖像圖形，如遙感影像、專題圖等的處理與疊加分析，并在各種各樣的圖像、圖形或?qū)ｎ}圖片，根據(jù)研究工作目的進(jìn)行必要的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析和其他有關(guān)信息分析，如圖斑面積、

8、周長(zhǎng)、形狀、不同斑塊之間的空間關(guān)系。 景觀單元數(shù)量關(guān)系分析：景觀單元的數(shù)量分析主要是指不同單元(基質(zhì)、斑塊、廊道)的面積、周長(zhǎng)等基本數(shù)量特征，通過對(duì)景觀單元基質(zhì)、斑塊、廊道數(shù)量關(guān)系的分析，可以獲知一個(gè)景觀地區(qū)的基本結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)可以計(jì)算一 個(gè)特定景觀地區(qū)的景觀多樣性指數(shù)、分維數(shù)、破碎度、分離度等一 系列指標(biāo)。 而地理信息系統(tǒng)除了對(duì)地理空間數(shù)據(jù)的處理和分析具有較高的要求外，在空間圖形的數(shù)量統(tǒng)計(jì)方面也有較高的要求，并在地理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，要求將一般信息管理系統(tǒng)的所有功能和方法必須融合于地理信息系統(tǒng)，空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和表格數(shù)據(jù)的處型，提供了強(qiáng)大的功能。 景觀空間格局分析：地理信息系統(tǒng)具有強(qiáng)大

9、的圖形處理和分析功能。這種功能不僅僅限于不同類型圖件疊加與再分類。而且還可以分析不同圖斑在空間的分布關(guān)系，如不同單元之間的距離、鄰接性、連通性、核心區(qū)和邊緣效應(yīng)等。同時(shí)也可以進(jìn)行景觀格局對(duì)生態(tài)過程的敏感性分析和模擬。研究景觀格局對(duì)生態(tài)過程的影響。 景觀規(guī)劃方面：景觀規(guī)劃是根據(jù)一定的目的，結(jié)合客觀實(shí)際存在的地理現(xiàn)象和景觀格局，對(duì)景規(guī)格局的一次重新的調(diào)整和合理布置，在景規(guī)規(guī)劃中，往往要考慮眾多的景觀因子，由于不同景觀因子在空間上的異質(zhì)性，在進(jìn)行同一分析時(shí)，常常會(huì)遇到許多無(wú)法定量的分析，而地理信息系統(tǒng)強(qiáng)大的空間分析功能恰恰為這種多因子的融合分析提供了一個(gè)基礎(chǔ)。 地理信息系統(tǒng)在景觀生態(tài)學(xué)研究的應(yīng)用可概

10、括為如下6個(gè)方面：（1）提供數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)要把大量的野外和遙感數(shù)據(jù)同化為景觀生態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)，需要建立一個(gè)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)。GIS是組織一個(gè)生態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的必然選擇。通過地理關(guān)系和運(yùn)用空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)生態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、獲取和分析，是研究生態(tài)系統(tǒng)的多尺度GIS的基礎(chǔ)功能。GIS在定位立地分析和空間模型方面都具有效的作用。柵格式的GIS與數(shù)字衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)具有內(nèi)在一致性。柵格結(jié)構(gòu)在景觀生態(tài)學(xué)研究中的主要優(yōu)點(diǎn)是它能表達(dá)連續(xù)的或地面類型的數(shù)據(jù)，如海拔、地面溫度、生物量等。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在生態(tài)學(xué)或資源管理研究中也很有效，它可為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供更有效的結(jié)構(gòu)。盡管空間疊置模型更趨向于使用柵格結(jié)構(gòu)，可是，近年來在把GIS和景觀過程

11、的確定性模型如表面流模型進(jìn)行空間集成時(shí)，發(fā)現(xiàn)矢量結(jié)構(gòu)更有效。(2).支持景觀的等級(jí)格式因?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)有時(shí)空尺度性，當(dāng)在景觀和區(qū)域尺度上評(píng)價(jià)生態(tài)結(jié)構(gòu)時(shí)，要求把生態(tài)學(xué)理論的等級(jí)觀和數(shù)據(jù)庫(kù)格式結(jié)合起來。GIS正是這樣一種有效的結(jié)合工具。它既是一種數(shù)據(jù)庫(kù)工具，又能有效地處理多種尺度上的環(huán)境問題。在GIS中，可存在存儲(chǔ)和獲取環(huán)境數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上再附加上一種合并/分離的人為格局，這種人為格局將影響到尺寸間分析的成功與否。一個(gè)多重尺度的GIS，可為生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的尺度變量的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)提供機(jī)制。這種GIS必須建立在多方位取樣的基礎(chǔ)上。(3).支持空間定位分析一個(gè)等級(jí)GIS數(shù)據(jù)庫(kù)的最大分辨率水平確定后，就可用定

12、位分析，尤其可為生態(tài)變量取樣確定野外樣的位置。GIS中的海拔、土壤和植被類型數(shù)據(jù)常被用于研究樣地的空間定位，這在某種程度上代表了該區(qū)域的生態(tài)多樣性的層次性。大地域的低分辨率的海拔數(shù)據(jù)可從以下幾種方式得到：（1）現(xiàn)有的數(shù)字化海拔模型；（2）對(duì)小比例尺的地形圖的數(shù)字化；(3)從小比例尺的立體航片或高分辨率的SPOT立體全色圖像制作一個(gè)數(shù)字化海拔模型。同樣的，利用多譜衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)輔助分類，對(duì)土壤相關(guān)圖和植被分布圖數(shù)字化，就可得到GIS的小比例尺的土壤分布數(shù)據(jù)。(4).支持遙感分析GIS中地形、土壤和植被類型等數(shù)據(jù)層有助于促進(jìn)RS數(shù)據(jù)的信息解譯能力。如把地形變差標(biāo)準(zhǔn)化的圖像處理算法和數(shù)字化地形

13、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，可把坡向和坡度對(duì)衛(wèi)星植被光譜指數(shù)的影響減少到最小。當(dāng)前，GIS被廣泛的用來輔助制作以衛(wèi)星圖像為基礎(chǔ)的土地利用圖。GPS、RS和GIS三者的集成化(3S)是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。GPS是空間信息定位的框架，RS是獲取空間信息的重要方式，GIS是表達(dá)、集成和分析信息的先進(jìn)手段。(5).支持空間統(tǒng)計(jì)分析GIS的空間編碼結(jié)構(gòu)和其固有的大量數(shù)據(jù)的特征，使其更能支持統(tǒng)計(jì)分析。生態(tài)學(xué)在這方面的應(yīng)用大部分是用于確定環(huán)境變量間的空間關(guān)系。在研究呈空間分布的變量之間的空間關(guān)系時(shí)，可利用GIS的空間統(tǒng)計(jì)分析功能，來比較區(qū)域之間或景觀內(nèi)不同地點(diǎn)間的生態(tài)結(jié)構(gòu)。空間頻率分析如波譜、分形或等級(jí)變量分析，可用于處理

14、GIS的一維或二維數(shù)據(jù)序列。(6).提供生態(tài)系統(tǒng)模型的輸入和輸出GIS可支持空間分布的生態(tài)系統(tǒng)過程的數(shù)量模型。GIS數(shù)據(jù)庫(kù)可有效地支持狀態(tài)變量和模型參數(shù)等數(shù)據(jù)的輸入和輸出。GIS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)還以為模型計(jì)算和結(jié)果儲(chǔ)存的空間分配提供有效結(jié)構(gòu)?？梢园袵IS和生態(tài)系統(tǒng)模型集成化以進(jìn)行景觀生態(tài)學(xué)研究。把GIS和生態(tài)系統(tǒng)模型集成化以進(jìn)行生態(tài)學(xué)研究的方式可歸納如下3種：(1)利用GIS總結(jié)代表性的或平均的狀態(tài)作為斑塊模型的參數(shù)或狀態(tài)；(2)利用GIS確定每個(gè)斑塊模型模擬的參數(shù)狀態(tài)，而不考慮斑塊之間的相互影響；(3)利用GIS確定每個(gè)斑塊模型模擬的參數(shù)和狀態(tài)，并且考慮斑塊之間的相互作用。在景觀生態(tài)學(xué)研究中，GI

15、S不僅被用來采集、處理、存儲(chǔ)、管理和輸出景觀數(shù)據(jù)，還用來進(jìn)行景觀空間格局的分析與描述、景觀時(shí)空變化動(dòng)態(tài)分析與模擬、景觀最優(yōu)化設(shè)計(jì)與管理，以及結(jié)合RS技術(shù)進(jìn)行景觀信息的自動(dòng)采集、分析，進(jìn)行景觀圖及各類專題繪制等。在把GIS應(yīng)用于景觀生態(tài)學(xué)研究進(jìn)行景觀空間格局分析與景觀時(shí)空變化模擬時(shí)，應(yīng)注意以下5點(diǎn)：1)時(shí)空尺度的正確選擇；2)景觀信息機(jī)理的研究；3)重視小區(qū)域研究；4)專業(yè)景觀模型與通用GIS接口以及數(shù)據(jù)融合問題；5)從點(diǎn)源數(shù)據(jù)到區(qū)域面的外推及精度分析。遙感分析：GIS中地形、土壤和植被類型等數(shù)據(jù)層有助于促進(jìn)遙感（RS ）數(shù)據(jù)的信息解譯力。比如，把地形變差標(biāo)準(zhǔn)化的圖象處理算法和數(shù)字化地形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

16、結(jié)合起來，可把坡向和坡度對(duì)衛(wèi)星植被光譜指數(shù)的影響減少到最小。當(dāng)前，GIS 中被廣泛地用來輔助制作以衛(wèi)星圖象為基礎(chǔ)的土地利用圖。GIS還可用于輔助驗(yàn)證遙感和圖像處理的結(jié)果。例如，當(dāng)已經(jīng)從衛(wèi)星植被光譜指數(shù)估計(jì)了區(qū)域凈第一生產(chǎn)力（NPP）后，可采取下述步驟來驗(yàn)證其準(zhǔn)確度。首先，從樣地內(nèi)測(cè)得地面NPP ，利用GIS的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插（NPP），得到一個(gè)連續(xù)的 NPP分布面。然后，把該分布面與NPP的衛(wèi)星圖進(jìn)行比較，就可評(píng)價(jià)大面積的估測(cè)的相對(duì)精度。RS和 GIS之間的信息流動(dòng)是雙向的。不僅GIS可促進(jìn) RS的解譯力，反過來，地質(zhì)編碼和矯正圖像可用于推導(dǎo)GIS 所包含的一些環(huán)境變量，而且也是GIS 動(dòng)態(tài)更

17、新的一種方式。地理信息系統(tǒng)等新技術(shù)與新方法的應(yīng)用在景觀生態(tài)學(xué)研究中受到高度重視，對(duì)于景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用。早在1982 年在捷克召開的第六屆景觀生態(tài)問題討論會(huì)上，地理信息系統(tǒng)專業(yè)委員會(huì)就被確定為國(guó)際景觀生態(tài)協(xié)會(huì)所設(shè) 8個(gè)專業(yè)委員會(huì)之一。在景觀生態(tài)研究中，地理信息系統(tǒng)不僅被用來采集、處理、存貯、管理和輸出景觀數(shù)據(jù)，還用來進(jìn)行景觀空間格局的分析與描述、景觀時(shí)空變化動(dòng)態(tài)分析與模擬、景觀最優(yōu)化設(shè)計(jì)與管理，以及結(jié)合遙感技術(shù)進(jìn)行景觀信息的自動(dòng)采集、分析，進(jìn)行景觀圖及各類專題圖的繪制等?？梢灶A(yù)見，隨著GIS技術(shù)，尤其是在時(shí)空分析與模擬、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)誤差分析及質(zhì)量控制、智能化等方面技術(shù)的日趨

18、成熟，將在景觀生態(tài)學(xué)研究中得到越來越多的應(yīng)用。運(yùn)用GIS技術(shù)研究區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)空間特征是一種可行的方法與技術(shù)。同時(shí)GIS技術(shù)還能夠與RS技術(shù)很好的結(jié)合，快速更新景觀區(qū)域的景觀信息，因此GIS技術(shù)在景觀區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)空間特征研究中具有廣闊的前景。GPS、RS、GIS等計(jì)算機(jī)與空間技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用為景觀生態(tài)學(xué)研究提供了重要的手段與數(shù)據(jù)來源，并在景觀生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能分析、景觀空間格局描述與景觀變化模擬、景觀生態(tài)檢測(cè)與預(yù)警研究、景觀生態(tài)設(shè)計(jì)與規(guī)劃以及景觀生態(tài)保護(hù)與管理等方面起著越來越重要的作用。4.結(jié)束語(yǔ) GIS對(duì)景觀生態(tài)學(xué)中不僅僅起到一般工具作用，它已成為景觀生態(tài)學(xué)研究支柱之一。有與景觀生態(tài)學(xué)對(duì)GIS的依賴性，GIS實(shí)際上已成為景觀生態(tài)學(xué)的研究方法，特別是其數(shù)量化方法不可缺少的組成部分?？梢灶A(yù)見，多尺度的GIS可以提供用于研究隨尺度變化的景觀格局和過程的手段。GIS的四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)從本質(zhì)上體現(xiàn)了尺度和登記，可有效地處理等級(jí)問題，很容易的合并和分解多尺度的空間數(shù)據(jù)，在景觀生態(tài)學(xué)中有很高的應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)