第七章遥感和地理信息系统在景观生态学中的应用

第八章遥感和地理信息系统在景观生态学中的应用

教学目的：了解遥感技术与地理信息系统的基本原理、类型与特征；了解遥感技术与地理信息系统技术在景观生态学研究中的应用。

重点难点：教学重点遥感技术与地理信息系统技术在景观分类与格局分析过程中的应用。

随着遥感和地理信息系统技术的迅猛发展，他们已经广泛地应用到各个研究领域中，尤其是与地理空间密切相关的学科。景观生态学作为一门研究景观空间格局与生态过程的学科，分析各种景观现象在不同时空尺度上的分布特征、演变规律、空间镶嵌关系及其对不同景观格局的模拟研究成为景观生态学的研究核心，而地理信息系统在空间分析和空间模拟上的强大功能，为在景观生态学的应用和推广提供了基础。

第一节遥感技术及其在景观生态学中的应用

一、遥感技术基本原理、类型与特征

遥感，遥远的感知，指通过任何不接触被观测物体的手段来获取信息的过程和方法。

1、遥感技术的基本原理

遥感技术的基本原理：是用光谱扫描仪或红外扫描仪对地球表面的地物光谱或温度特征进行记录，通过计算机的数据或图像处理分析地表特征。

2、遥感技术的优点

1）避免研究者对研究对象的直接干扰。

2）能够提供大范围的瞬间静态图像，是生态学家目前获取大尺度上（尤其是区域或全球范围）各种生态和物理信息的主要手段。

3）提供了大面积重复观测的可能，为资料的快速获取与更新、为多时段的对比研究和动态分析提供了基础，是大尺度格局动态的唯一监测手段。

4）大大拓宽了人类观测地球的光谱分辨能力。

5）可以提供高空间分辨率的资料，可以有效地为景观生态学研究提供所必需的多尺度上的资料。

6）遥感数据一般都是空间数据，这也是研究景观的结构、功能和动态所必需的数据形式。

7）现代遥感技术直接提供数字化空间信息，从而大大地促进了景观生态学资料的收集、贮存，以及处理和分析过程，并且使遥感、GIS和计算机模型的密切配合成为必然。

3、遥感数据的基本特征

•遥感数据一般可分为航空像片数据和数字遥感数据。

•航空像片数据的空间分辨率反映在像片的比例尺和胶片的灵敏程度上；

•数字遥感数据对地物记录的详细程度主要反映在空间分辨率上。

二、遥感图象处理及其在景观分类中的应用

1、遥感技术在生态学应用中经历的阶段

航空摄影阶段：始于19世纪后期。

从航空摄影向航天摄影过渡的阶段：大约从20世纪50年代至70年代。

1972年美国发射陆地资源卫星（Landsat）标志着航天遥感的开始。

航天摄影阶段：以各种遥感卫星和先进的图像处理技术为标志。

2、遥感在景观生态学中的应用方面

遥感资料在景观生态学中的应用可以归纳为3类：

• 景观分类

• 生态系统和景观特征的定量化

• 景观动态以及生态系统管理方面的研究

3、遥感技术可估测生态系统功能特征的变量

第二节 地理信息系统及其在景观生态学中的应用

一、地理信息系统的概念与发展过程

1、概述

GIS 是一系列用来收集、存贮、提取、转换和显示空间数据的计算机工具。

• 从内容上，GIS 被认为是一个包含了计算机软件、硬件、地理数据库和专业技术人

员的系统。

• 从功能上，GIS 一般被定义为一个管理和处理空间数据的计算机系统，具备数据获

取、输入、存储、编辑、处理、转换、合并、排序、分析、模拟、显示和输出的功能。

GIS 的发展过程：

• 20世纪50年代，GIS 概念提出。

• 20世纪70年代后，计算机技术的飞速发展为地理空间数据的输入、存储、检索和

输出提供了强有力的手段，GIS 朝着更为实用的方向发展。

• 20世纪80年代，GIS 普及和推广应用的阶段。

• 进入20世纪90年代，GIS 深入到各行各业。

2、GIS 的数据层及数据获取

地理信息系统的数据层

利用GIS 表示景观异质性: A.在GIS 中不同生态学变量以不同数据层表示；

.GIS 表达空间数据的两种基本途径：矢量型和栅格型 表 可以通过卫星遥感系统观测的生态学和生物物理学特征 土地利用类型及其面积 土壤类型及其分布 植被类型及其分布 植被冠层空隙及其动态 植被冠层高度 植被指数 植被冠层纤维素浓度 植被冠层木质素浓度 植被总叶绿素浓度 植被吸收的光合有效辐射 非植被吸收的光合有效辐射 活生物量 死生物量

物候期/季节性生长量 植被冠层水势 植物叶含水量 植被蒸腾量 土壤湿度 表 卫星波段及其能够测量的生态学特征 波段 主要生态学应用

波段1（0.45~0.52μm ） 可见蓝光区 识别水体、土壤及植被

识别常绿针叶植被与落叶阔叶植被 识别人为的（非自然）地表特征 波段2（0.52~0.60μm ） 可见绿光区 对植被绿光反射高峰较敏感，用于测量植被绿光反射峰值 识别人为的（非自然）地表特征

波段3（0.60~0.90μm ） 可见红光区 对叶绿素吸收光的作用敏感，用于检测叶绿素吸收 识别植被类型 识别人为的（非自然）地表特征 波段4（0.76~0.90μm ） 近红外反射区 识别植被类型及生物量 识别水体和土壤水分特征 波段5（1.55~1.75μm ） 中红外反射区 识别土壤湿度及植物含水量 识别雪和云 波段6（10.4~12.5μm ） 远红外反射区 识别植物受胁迫（stress ）程度、土壤水分条件分类 测量地表热量，用于热红外绘图 波段7（2.08~2.35μm ） 中红外反射区 区别矿物及岩石类型 识别植被含水量

二、地理信息系统的特征与功能

1、GIS的以下特点促进其在景观生态学中的应用

•将零散的数据和图像资料加以综合并存贮在一起。

•将各类空间数据和有关属性数据通过计算机高效率地联系起来。

•为经常不断地、长期地储存和更新空间资料及其相关信息提供一个有效的工具。

•为空间格局分析和空间模型提供一个有力又较容易操作的技术构架，从而有利于生态学家采用一些数学和计算机方法上非常复杂的研究途径。

•提高了某些景观资料的质量，大大增加了对资料的存取速度和分析能力，从而促进了景观生态学原理和方法在环境规划和资源管理诸方面的实际应用。

2、地理信息系统的功能

1）空间数据处理和分析

有关景观的信息类型有3种：景观要素的命名和特征；景观要素的位置；景观要素间彼此的空间联系。

2）应用模型

二次开发手段，开发各种应用模型，扩充原有的GIS功能。

3）空间数据输出管理

•

边馥苓提出的GIS四大应用功能

•量算与统计

•预测与计算

•规划与管理

城市和区域规划

土地管理

•辅助决策

三、地理信息系统在景观格局分析中的应用

1、景观单元数量关系分析

通过对景观单元数量关系的分析，可以获知一个景观地区的基本结构特征（如不同景观类型的斑块个数、面积、周长、面积所占百分比、平均斑块周长、平均斑块面积），同时可以计算该景观地区的景观多样性指数、分维数、破碎度、分离度等一系列指标。