遥感技术在景观生态学研究中的应用

Applicationofremotesensingtechnologyintheresearchoflandscapeecology遥感技术在景观生态学研究中的应用自然地理引言Contents1遥感技术在景观生态学研究中的应用现状分析2遥感技术应用的优势特征分析3遥感技术应用的主要问题与未来的努力方向4文章编号:1007-4619(2002)03-0233-08自然地理遥感技术在景观生态学研究中的应用•摘要:景观生态学是一门新兴的宏观生态学分支学科，自20世纪80年代以来，其研究内容和方法论的发展与遥感,GIS等现代对地观测技术的发展紧密联系在一起。对近年来遥感技术在景观生态学中的运用，从景观结构研究、功能研究、动态研究、尺度研究以及景观生态学应用研究五个方而加以总结，进而分析遥感技术在景观生态学研究中的应用优势特征和口前存在的主要问题，并对未来遥感技术在景观生态学研究的应用发展方向提出意见和建议。•关键词:景观生态学，遥感，GIS自然地理1-引言•景观生态学是以景观结构、功能和动态为主要研究内容的一门新兴宏观生态学分支学科，其研究对象一般为几平方公里至几百平方公里的中尺度异质性地表区域。•对于这种跨度范围较大的宏观生态学研究单元，由于涉及到复杂的自然和人为过程的影响，景观组分的数量较多，时空格局和动态变化过程复杂，因此在具体研究过程中，需要采集和处理的数据量非常庞大，仅仅依靠传统的调查、分析方法进行研究，往往受到人力、物力和自然条件等多方面的限制。这种限制主要表现在基础资料的收集难度大、覆盖面不全、定量化程度不高、管理困难等方面，这在一定程度上影响了景观生态研究水平的提高。自然地理1-引言•近年来，生态学家们越来越多地将大量地面样地调查与遥感和地理信息系统等方法结合起来作为景观生态研究中基础数据获得的重要技术手段。遥感是一种以物理手段、数学方法和地学分析为基础的综合性应用技术，其最大优势在于强大的数据获取能力。通过该方法可以及时获得大范围、多时相、多波段的地表信息，为不同时序上从局域到全球各种现象的综合分析创造了条件。自八十年代初期以来，遥感技术迅速成为景观生态学研究的重要技术支撑手段，极大地促进了景观定量研究的发展和景观结构、格局及动态分析的不断深入，为各种景观模型的建立与发展提供了坚实的资料基础。•本文旨在回顾和分析近年来遥感技术在景观生态学研究中的应用现状、特征和存在的主要问题，并就今后的发展提出具体的意见和建议。自然地理2-遥感技术在景观生态学研究中的应用现状分析2.1景观结构研究•景观结构是指景观的组分构成及其空间分布形式，包括景观的空间特征(如景观组分的大小、形状及构架等)和非空间特征(如景观元素的类型、面积比重等)研究两部分内容;景观格局一般是指景观组分的空间分布和组合特征。景观结构与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。在景观结构与格局研究中，需要大量的基础数据来全面描述景观组分的属性特征，并为进一步的数量分析方法的使用奠定坚实的资料基础，因而成为遥感技术应用最为广泛的一个研究领域。•景观结构、格局遥感研究首先需要根据研究目的，结合各种地面调查数据或其它历史资料，对获得的遥感数据进行影像合成与分析处理;然后把经过分类处理的影像数据进行结构简化，将其转换成可用于具体分析过程的基础数据或图件;最后以面向用户的原则将其引入景观结构和格局模型中，借助数量分析手段进行景观结构或格局规律的探讨。自然地理2-遥感技术在景观生态学研究中的应用现状分析2.2景观功能研究•景观功能研究目前还主要集中在景观内部和景观之间的能流、物流和物种流研究上。尽管与景观结构与格局研究相比，遥感在景观功能研究中的应用还相对较少，但有限的研究报道表明，遥感技术是景观内各种生态流研究的一个可靠的工具。•从现有的研究报道看，Quattrochi和Luvall探讨了热红外遥感在景观生态过程研究中的方法及其应用，证明热红外遥感数据对景观流以及景观组分间再分配的了解有着重要的作用，可用于景观表面温度测量、能量交换、景观流的理解、以及地球表面现象能量平衡模型的优化等问题研究。不过，热红外遥感数据还没有被广泛的运用于景观结构、功能以及变化的研究上，Quattrochi将其归结于三个原因，首先，在理论以及应用上，景观生态研究人员对热红外遥感数据还不够理解;其次，对于不熟悉这些数据特征和属性的人来说，热红外遥感数据的获取与利用是困难的;最后，从卫星上获取的热红外遥感数据空间分辨率太大，为得到景观热能流而进行数据校准，还没有能够有效消除误差的成熟技术工艺过程。自然地理2-遥感技术在景观生态学研究中的应用现状分析2.3景观动态研究•作为一个宏观生态学研究单元，景观动态研究的时间跨度通常较长，而景观结构和功能方面的详细历史资料积累很少，因此，以往不少景观动态研究采用地理相关法和经验判断，大致地恢复景观中部分组分类型的中长期变化过程，存在着很大程度上的不确定性。•遥感技术为景观动态分析工作开辟了一条全新的途径，地表大范围遥感信息的积累已有几十年的历史，各类遥感资料客观地记录了覆盖区域内景观结构的历史特征。利用这些资料，结合各种自然、社会、经济和历史资料，来恢复景观的动态变化过程，可以大大提高分析精度，并有利于进一步发现景观动态变化过程的内在驱动机制和规律性。自然地理2-遥感技术在景观生态学研究中的应用现状分析2.4景观尺度效应研究•尺度效应是景观生态研究的核心问题之一，也是遥感技术应用比较广泛的一个研究领域。景观现象的尺度差异可以直观地利用时空分辨率水平来表达，遥感技术的应用无疑可以为这类研究(特别是空间尺度效应)提供了便利的机助实验条件，因为不同传感器本身的分辨率水平就是空间尺度效应研究的重要素材，而某些高分辨率遥感资料具有对地表特征的细节覆盖面全的特点，可以通过合理的重采样实验设计进行连续的尺度变化效应分析。•利用遥感资料进行景观尺度效应研究工作中，一个比较有特色的研究领域是关于景观分析方法的尺度灵敏性研究，国内的相关研究表明，在快速城市化的珠江三角洲地区，景观格局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、景观整体破碎度及斑块形状等景观指数为分辨率敏感指数，而斑块面积比例、景观多样性、优势度和组分碎裂化指数为分辨率弱敏感指数，这一分析结果可以作为不同尺度条件下景观分析方法的筛选依据。斑块：是景观格局的基本组成单元，是指不同于周围背景的、相对均质的非线性区域。自然地理2-遥感技术在景观生态学研究中的应用现状分析2.5景观生态学应用研究2.5.1景观尺度的生物多样性保护研究•生物多样性保护问题自九十年代初成为一个全球性热点问题后，生态学家们逐渐认识到人类活动导致生境丧失是对生物多样性的最大威胁，相关的保护和恢复问题应从更大的尺度上来进行研究，这就给景观生态学与生物多样性保护问题的结合提供了一个机遇。由于景观结构及其组分与生物多样性(包括景观元多样性、物种多样性和遗传多样性)之间存在着密切的相关关系，因此，遥感手段成为最适合于景观尺度的生物多样性监测和物种多样性调查的工具之一。目前，遥感数据与地面调查数据结合，用地理信息系统进行空间模拟与分析，已成为景观生物多样性保护研究中的主要方法。自然地理2-遥感技术在景观生态学研究中的应用现状分析2.5景观生态学应用研究2.5.2景观规划研究•景观规划是景观生态学的另一个重要应用研究领域。景观规划的最基础性工作就是将传统调查方法与现代技术(包括航空相片判读、计算机图像处理等)相结合，从微观到宏观的不同层次上充分搜集景观信息，为进一步的问题辨识和规划方案论证提供尽可能多的基线信息。遥感技术在景观规划中的应用集中体现在景观评价、景观模拟辅助决策等主要环节上，并且通常是与GIS或其他数量分析技术共同使用。•景观评价是景观规划中问题辨识的核心环节，也是形成合理景观规划方案的重要基础。遥感技术在景观评价中主要作为基础数据供给环节，并且在与其他数据处理方法和工具的结合中，形成合理的景观评价模式。自然地理3-遥感技术应用的优势特征分析•从上述分析中不难发现，遥感技术的应用已经涵盖了现代景观生态学的几乎所有研究领域，并且与其他景观生态学研究方法和技术手段紧密衔接，成为促进景观生态学发展的重要动力来源。•从景观生态学自身的发展需求看，推动遥感技术大量应用的主要原因主要有两个方面:1.景观的时空过程研究中，只有定位、定量、定时地描述不同景观组分之间的生态学联系，才能较好地揭示各种景观现象的内在规律性;2.传统生态调查方法无法满足定量分析方法对大量景观特征数据的需求。自然地理3-遥感技术应用的优势特征分析•从上述分析中不难发现，遥感技术的应用已经涵盖了现代景观生态学的几乎所有研究领域，并且与其他景观生态学研究方法和技术手段紧密衔接，成为促进景观生态学发展的重要动力来源。•从景观生态学自身的发展需求看，推动遥感技术大量应用的主要原因主要有两个方面:1.景观的时空过程研究中，只有定位、定量、定时地描述不同景观组分之间的生态学联系，才能较好地揭示各种景观现象的内在规律性;2.传统生态调查方法无法满足定量分析方法对大量景观特征数据的需求。利用遥感方法作为景观生态研究的基本数据获取手段具有以下几个方面的显著优势:自然地理3-遥感技术应用的优势特征分析•(1)利用遥感技术，可以方便地获取区域尺度的时空信息资料，大大提高了景观研究中的数据获取能力，特别是某些遥感平台在获取地面资料时，不受天气和地形条件的影响，可以有效地克服地面调查中可能遇到的各种限制。另外遥感数据易于管理、更新周期快、更新费用低的特点也是其他数据获取方法所无法比拟的。•(2)不同类型、不同分辨率和多时相的遥感资料，可以满足不同研究工作的需要。例如，航空相片具有较高的分辨率，通常被用于进行土地利用结构研究;TM和MSS卫星遥感数据常用于区域性的景观格局和动态研究;而NOAA-AVHRR资料虽分辨率低，但重复性好，可以用于大尺度景观动态监测研究。利用遥感信息，还可以在由计算机和各种应用软件构成的实验系统中进行多种时空尺度、多种专题的景观分析，这一点仅仅通过传统调查方法显然难以达到目的。自然地理3-遥感技术应用的优势特征分析•(3)在野外景观生态调查和采样方法还没有规范化的今天，利用遥感分析来确定工作区或实验区，辅以必要的地面调查，无疑可以为景观分析建立更加扎实的资料基础。此外，利用遥感资料进行景观调查方法的优化分析，可以建立起更加科学的景观数据采集方法。•(4)景观生态研究所涉及的现象通常具有较大的空间和时间跨度，要弄清这些现象一方面需要有足够的景观特征数据，另一方面还必须借助各种数量分析方法来描述景观的空间过程和时间过程。遥感数据具有多时相、高密度和区域性特点，为空间分析方法和多种统计学分析方法在景观生态研究中的应用提供了可能。•(5)随着景观生态学理论和应用问题日趋复杂，区域性景观生态分析对于普适性分析模型和专用分析系统的要求越来越迫切。这些模型和系统的建设、验证和使用环节均需要大量与之相匹配的数据支持。与传统生态调查相比，遥感信息无疑能够更好地满足上述景观生态学方法论发展的需要，因而成为各种景观分析模式和专用分析系统建设研究工作中的主要数据供给来源。自然地理4-遥感技术应用的主要问题与未来的努力方向•尽管在过去二十年的时间里，遥感技术以其他数据获取方法无法比拟的优势成为景观生态学理论、应用和方法论研究不断发展的重要推动因素，但两者之间的组合优势和潜力还远远没有得到充分的发挥。其原因一方面是由于遥感技术本身还有很多缺陷，应用的深度和广度受到自身某些技术性不足的严重约束;另一方面则是由于遥感技术人员和景观生态学工作者之间的固有学科隔阂，使很多景观生态研究人员因不了解遥感技术特点、无法获得遥感数据或缺乏适宜的分析工具而与遥感技术的应用失之交臂。•综上所述，景观生态学和遥感技术工作者的相互了解和密切配合，着力解决目前学科衔接方面的一些关键问题，将