3s技術(shù)在景觀空間格局分析和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3s技術(shù)在景觀空間格局分析和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

景觀生態(tài)學(xué)是研究區(qū)域內(nèi)由許多不同生態(tài)系統(tǒng)組成的景觀的空間結(jié)構(gòu)、相互作用、協(xié)調(diào)功能和動(dòng)態(tài)變化的生態(tài)新分支的生態(tài)一門(mén)新學(xué)科。景觀生態(tài)學(xué)以整個(gè)景觀為研究對(duì)象,強(qiáng)調(diào)空間異質(zhì)性的維持和發(fā)展,生態(tài)系統(tǒng)之間的相互作用,大區(qū)域生物種群的保護(hù)與管理,以及人類對(duì)景觀及其組分的影響。近年來(lái),由于生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重,景觀生態(tài)學(xué)逐漸成為生態(tài)學(xué)的重要研究領(lǐng)域之一。目前,3S技術(shù)在景觀生態(tài)研究中得到極大的重視,它們不僅是重要的數(shù)據(jù)來(lái)源,也是進(jìn)行空間數(shù)據(jù)挖掘和尺度轉(zhuǎn)換的重要手段。3S技術(shù)不斷發(fā)展為景觀生態(tài)學(xué)研究獲得強(qiáng)有力的技術(shù)支撐,成為景觀生態(tài)學(xué)中資料收集、存貯、處理分析不能缺少的技術(shù),3S技術(shù)運(yùn)用也避免了傳統(tǒng)研究手段工作量大、成本高、工作周期長(zhǎng)等不足。13景觀生態(tài)的s技術(shù)的應(yīng)用1.1景觀大尺度及多時(shí)段gpsRS和GPS獲取大量空間數(shù)據(jù)的功能使得大部分生態(tài)學(xué)者將3S技術(shù)作為景觀生態(tài)學(xué)研究中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取的重要手段。與傳統(tǒng)生態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)采集方法相比較,RS和GPS有顯著優(yōu)點(diǎn),RS技術(shù)增大了觀測(cè)范圍,縮短了觀測(cè)周期,成為生態(tài)學(xué)家獲取大尺度、多時(shí)段景觀數(shù)據(jù)的主要手段;GPS可以獲取實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的三維數(shù)據(jù);GIS具有采集、存貯管理空間數(shù)據(jù)功能。DEM數(shù)據(jù)、各種地圖以及GPS和RS獲取的數(shù)據(jù)都能夠成為GIS數(shù)據(jù)源進(jìn)行管理、分析和輔助決策的依據(jù)。目前,很多生態(tài)學(xué)者利用3S技術(shù)來(lái)獲取景觀數(shù)據(jù)。蔣衛(wèi)國(guó)等收集了多時(shí)、多尺度和多種類的數(shù)據(jù),利用TM影像數(shù)據(jù)、1:25萬(wàn)安徽省DEM數(shù)據(jù)和1:100萬(wàn)矢量植被圖編制了安徽省景觀生態(tài)分類系統(tǒng)。謝春華,王秀珍以遙感影像和地形圖為基礎(chǔ),結(jié)合二類調(diào)查資料和GPS實(shí)地布點(diǎn),從不同尺度將集水區(qū)森林景觀進(jìn)行分類歸并。3S技術(shù)的發(fā)展極大推動(dòng)景觀定量研究發(fā)展,為各種景觀模型建立提供資料。1.2景觀指數(shù)的定義和測(cè)量景觀格局定量分析包括景觀空間形態(tài)、景觀空間關(guān)系等多個(gè)方面的內(nèi)容,以及斑塊,類型和景觀幾個(gè)層次。它是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心問(wèn)題之一。景觀空間格局研究景觀綴塊和其組成的類型、數(shù)目、空間分布與配置,可通過(guò)一系列景觀指數(shù)和空間分析方法加以定量化,景觀指數(shù)包括綴塊水平指數(shù)(面積、形狀、邊界特征)、綴塊類型指數(shù)(平均面積、平均形狀指數(shù)等)和景觀水平指數(shù)(多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)等)。區(qū)域景觀具有高度空間異質(zhì)性,不同區(qū)域景觀的空間形態(tài)和空間關(guān)系存在差異性,需要選取反映景觀格局各方面特征的不同代表性指數(shù)來(lái)定量描述不同的景觀格局特點(diǎn)。1.3景觀格局的動(dòng)態(tài)研究景觀生態(tài)學(xué)核心在于強(qiáng)調(diào)大空間尺度上景觀格局的生態(tài)影響,景觀動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究是其中重要的方面。景觀生態(tài)監(jiān)測(cè)是對(duì)人類活動(dòng)影響和干預(yù)下自然環(huán)境變化的監(jiān)測(cè),它的任務(wù)是不斷監(jiān)測(cè)自然和人工生態(tài)系統(tǒng)及生物圈其他組成部分的狀況,確定其改變方向和速度,并查明人類活動(dòng)在這種改變中所起的作用。對(duì)景觀生態(tài)動(dòng)態(tài)變化的分析是了解區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化過(guò)程和趨勢(shì),探詢其驅(qū)動(dòng)力機(jī)制,進(jìn)而對(duì)其未來(lái)可能變化進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的景觀格局研究方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)存在一定困難,主要是獲取景觀數(shù)據(jù)的周期長(zhǎng)。RS技術(shù)獲取數(shù)據(jù)的海量性、時(shí)效性等特點(diǎn),為景觀格局的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支持。楊英寶等利用1986、1994、2000年的TM圖像和2000年的土地利用現(xiàn)狀圖,運(yùn)用GIS和核心景觀指數(shù)研究南京市自1986年以來(lái)景觀格局的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律。郭篤發(fā)根據(jù)1986、1996和2001年土地覆被數(shù)據(jù),運(yùn)用GIS軟件和景觀生態(tài)學(xué)方法,研究渤海海岸線緩沖帶的土地利用和景觀格局變化,分析渤海的影響程度與范圍。李建平等利用1980、1995、2000年三期遙感影像,在GIS與RS技術(shù)支持下,解譯提取吉林省20年景觀類型空間信息,選取景觀多樣性、破碎化、分維數(shù)景觀指數(shù)分析吉林省景觀格局的時(shí)空動(dòng)態(tài)演變。利用不同時(shí)期的遙感數(shù)據(jù)和土地利用等不同類型的地圖,選取合適景觀指數(shù)進(jìn)行分析,是進(jìn)行景觀生態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的途徑。1.4景觀空間格局的定量描述景觀規(guī)劃常常是為了某一特定的目的,對(duì)區(qū)域的土地利用方式進(jìn)行一次合理的調(diào)整。然而同一土地類型往往具有多重景觀功能,如何進(jìn)行合理的景觀布局,使得整個(gè)景觀的生態(tài)功能達(dá)到最強(qiáng),常常是景觀生態(tài)學(xué)中遇到的難題。這里主要有兩個(gè)方面,其一是某一景觀類型的最佳利用方式的確定,利用方式的確定不僅要考慮其本身的生態(tài)特征,而且還要考慮景觀類型與相鄰景觀單元的空間關(guān)系,而這種景觀空間格局的分析,常常涉及到生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)文化等特征,如何將各因子與景觀單元的關(guān)系在空間上進(jìn)行定量化描述是解決景觀類型利用方向的一個(gè)關(guān)鍵;其二是對(duì)某一景觀要素的空間位置的選擇,在景觀生態(tài)研究中,廊道在物種保護(hù)中常常是被用來(lái)加強(qiáng)不同保護(hù)區(qū)之間連接的一個(gè)有效途徑。而在廊道設(shè)計(jì)中,新廊道空間位置的選擇或在哪些地區(qū)保留廊道常常是生態(tài)學(xué)家頭疼的問(wèn)題。特別是在將自然生態(tài)地區(qū)改變?yōu)檗r(nóng)業(yè)景觀時(shí),這是常常遇到的實(shí)際問(wèn)題,為了不破壞原來(lái)自然種群之間的交換,就需要保護(hù)不同自然棲息地之間的通道。因而,就需要研究景觀空間格局的分布特征和功能,找出最適合的地方建立野生生物自然保護(hù)區(qū),將生物經(jīng)常遷移的通道留作廊道,以利于不同生物種群之間的基因交流,達(dá)到保護(hù)生物多樣性的目的。目前,已有許多學(xué)者將景觀生態(tài)學(xué)與3S技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到景觀規(guī)劃,李新通以3S技術(shù)為支撐,在閩東南沿海地區(qū)進(jìn)行景觀尺度上的農(nóng)業(yè)土地景觀分類與景觀單元空間格局的優(yōu)化配置,對(duì)生產(chǎn)性景觀單元進(jìn)行了土地利用模式設(shè)計(jì)。23景觀生態(tài)學(xué)的應(yīng)用前景2.1景觀數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)質(zhì)量直接決定景觀生態(tài)學(xué)家是否正確地識(shí)別格局,并將其正確有效地與生態(tài)學(xué)過(guò)程相聯(lián)系。誤差和不確定性分析及數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)是景觀生態(tài)學(xué)中一個(gè)極其重要并富有挑戰(zhàn)性的研究方向。景觀生態(tài)學(xué)家常常采用多種遙感技術(shù)以獲取大尺度的地理、生態(tài)等一系列資料,但景觀數(shù)據(jù)獲取和準(zhǔn)確度評(píng)價(jià)方面尚有許多問(wèn)題,沒(méi)有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)就不會(huì)有準(zhǔn)確的結(jié)論。迄今為止,對(duì)景觀數(shù)據(jù)的誤差和不確定性分析以及準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)方面的研究甚少。目前,大部分景觀數(shù)據(jù)的獲取是采用3S技術(shù),其中GPS數(shù)據(jù)具有相對(duì)高的準(zhǔn)確度。GIS數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度以及不確定性與采集方式有關(guān),也與數(shù)據(jù)本身特點(diǎn)有關(guān),需要從引起數(shù)據(jù)質(zhì)量的原因入手進(jìn)行分析,較好地對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度進(jìn)行評(píng)價(jià)。RS獲取數(shù)據(jù)的質(zhì)量主要受分辨率影響,目前遙感影像的分辨率越來(lái)越高。因此,3S技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)是解決景觀數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較好方法。2.2空間格局分析的尺度推繹與尺度推繹的關(guān)系尺度問(wèn)題是生態(tài)學(xué)研究的基礎(chǔ),主要涉及到3個(gè)方面:尺度概念、尺度分析和尺度推繹。研究尺度影響景觀空間格局檢測(cè),景觀空間格局分析是針對(duì)特定尺度下進(jìn)行,能否把景觀空間格局分析信息從一個(gè)尺度轉(zhuǎn)繹到另一個(gè)尺度上,也就是能否進(jìn)行尺度推繹(上推或下推),景觀生態(tài)學(xué)家常常采用多種遙感技術(shù)以獲取大尺度的地理、生態(tài)等一系列資料,通過(guò)大尺度數(shù)據(jù)分析獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否可以推繹到小尺度空間,以及小尺度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如何外推到真實(shí)景觀世界,這些將是今后景觀生態(tài)學(xué)需要研究的問(wèn)題。2.3新領(lǐng)域:格局優(yōu)化與理論研究景觀生態(tài)學(xué)的一個(gè)最基本假設(shè)是空間格局對(duì)過(guò)程(物流、能流和信息流)具有重要影響,而過(guò)程也會(huì)創(chuàng)造、改變和維持空間格局,因此,景觀格局的優(yōu)化問(wèn)題在理論和實(shí)際上有重要意義。隨著景觀格局、功能和過(guò)程研究的深入,格局優(yōu)化作為景觀生態(tài)學(xué)新的研究領(lǐng)域被提出,但其理論和方法的研究仍然是景觀生態(tài)學(xué)研究的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。景觀格局優(yōu)化是對(duì)景觀格局、功能和過(guò)程綜合理解的基礎(chǔ)上,通過(guò)建立優(yōu)化目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn),對(duì)各種景觀類型在空間和數(shù)量上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),使其產(chǎn)生最大景觀生態(tài)效益和實(shí)現(xiàn)生態(tài)安全。景觀格局優(yōu)化可以指土地利用格局優(yōu)化、景觀管理、景觀規(guī)劃與設(shè)計(jì)的優(yōu)化,包括優(yōu)化景觀中綴塊組成、空間配置以及基底特征,從而最有利于生物多樣性保護(hù)、生態(tài)系統(tǒng)管理和景觀的可持續(xù)發(fā)展。利用GIS對(duì)空間信息分析處理功能合理進(jìn)行空間配置,結(jié)合3S對(duì)不同空間配置的景觀格局進(jìn)行分析,使其達(dá)到最大景觀生態(tài)效益。2.4空間預(yù)測(cè)模型的建立在景觀生態(tài)學(xué)研究中,景觀變量的空間分布、一致性或鄰近度等可以作為輸入?yún)?shù)通過(guò)GIS進(jìn)入空間預(yù)測(cè)模型;反過(guò)來(lái),預(yù)測(cè)模型的結(jié)果也可由獨(dú)立的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)或重新輸入地理信息系統(tǒng)進(jìn)行空間分析、顯示或查詢。景觀模擬首先需要利用3S技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,把不同來(lái)源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為同一空間數(shù)據(jù)庫(kù),建立