GIS與RS在區(qū)域生態(tài)質(zhì)量評價中的應(yīng)用

1、GIS與RS在區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價中的應(yīng)用交流材料新疆環(huán)境監(jiān)測總站編輯課件內(nèi)容介紹景觀生態(tài)學(xué)概述 1區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價理論與技術(shù)基礎(chǔ) 2空間信息處理與分析 3景觀格局研究 4景觀生態(tài)數(shù)據(jù)獲取及分類 區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價 6區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價示例57編輯課件景觀生態(tài)學(xué)概述本節(jié)主要介紹景觀生態(tài)學(xué)基本原理、理論 什么是景觀與景觀生態(tài)學(xué) 景觀生態(tài)學(xué)的建立與發(fā)展及其學(xué)科地位景觀生態(tài)學(xué)基本原理景觀生態(tài)學(xué)基本理論編輯課件景觀生態(tài)學(xué)概述概念 景觀：一個由不同土地單元鑲嵌組成，具有明顯視覺特征的地理實體；它處于生態(tài)系統(tǒng)之上，大地理區(qū)域之下的中間尺度；兼具經(jīng)濟、生態(tài)和美學(xué)價值。(肖篤寧)景觀生態(tài)學(xué)：1939年

2、德國生物地理學(xué)家特羅爾Troll提出景觀生態(tài)學(xué)(landscape ecology)研究大尺度空間格局與生態(tài)功能過程的關(guān)系及其發(fā)展 動態(tài)的科學(xué)，著重于大尺度時空異質(zhì)性，并關(guān)注人類活動的影響。結(jié)合了地理學(xué)研究自然現(xiàn)象空間關(guān)系的“橫向”方法和生態(tài)學(xué)研究生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系的“縱向”方法。編輯課件景觀生態(tài)學(xué)概述建立與發(fā)展及學(xué)科地位 個體生態(tài)學(xué)種群生態(tài)學(xué)群落生態(tài)學(xué)生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)景觀生態(tài)學(xué)區(qū)域生態(tài)學(xué)全球生態(tài)學(xué)編輯課件景觀生態(tài)學(xué)概述基本原理 研究內(nèi)容：結(jié)構(gòu)、功能、動態(tài)景觀與區(qū)域景觀與區(qū)域、斑塊-廊道-基質(zhì)斑塊與廊道自然植被斑塊、斑塊形狀、斑塊大小、生態(tài)系統(tǒng)間的相互作用鑲嵌體景觀抗性、粒度大小、景觀變化、鑲嵌序

3、列、應(yīng)用分離-聚集、格局編輯課件景觀生態(tài)學(xué)概述基本理論 整體論：是研究尺度效應(yīng)與生物圈等級組織的理論。系統(tǒng)論：為反獨機制，強調(diào)動態(tài)平衡。生態(tài)進化與演替理論。空間分異與生物多樣性理論：適應(yīng)環(huán)境分異的結(jié)果，同一結(jié)果的不同理論表述。景觀異質(zhì)性與異質(zhì)共生理論：不是最強壯的，而是能與其他生物共生并能與環(huán)境協(xié)同進化的生物。島嶼生物地理與空間鑲嵌理論嵌塊體的基礎(chǔ)。生物地球化學(xué)與景觀地球化學(xué)理論。生態(tài)建設(shè)與生態(tài)區(qū)們理論。主要涉足環(huán)境問題與生態(tài)規(guī)劃。 景觀格局干擾等級理論時間、空間尺度編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價技術(shù)基礎(chǔ)信息技術(shù)是區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價的技術(shù)基礎(chǔ)信息技術(shù)：數(shù)據(jù)處理獲取-管理系統(tǒng)-專家系統(tǒng)-決策系統(tǒng)

4、地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)-全球定位技術(shù)及三者的集成編輯課件空間信息處理與分析重點介紹信息處理過程、方法 信息系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)空間關(guān)系與空間分析數(shù)據(jù)獲取空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換景觀格局的空間信息處理與分析 遙感分析、地理空間分析、空間統(tǒng)計分析、景觀 格局指數(shù)分析、空間模擬編輯課件景觀格局研究目的 景觀組成和結(jié)構(gòu)景觀空間異質(zhì)性景觀斑塊的性質(zhì)和參數(shù)的空間相關(guān)性空間相互作用景觀格局的趨向性空間規(guī)律性或梯度景觀格局在不同尺度上變化等級結(jié)構(gòu)景觀格局與生態(tài)過程的相互關(guān)系編輯課件景觀格局研究景觀格局指數(shù)景觀要素特征指數(shù)（斑塊性質(zhì)） 斑塊面積、斑塊數(shù)量、斑塊周長景觀異質(zhì)性指數(shù)（斑塊間的關(guān)系） 景觀多樣性指數(shù)、景觀優(yōu)勢度、鑲

5、嵌度指數(shù)、距離指數(shù)、景觀破碎度、生境碎化指數(shù)、景觀分離度、編輯課件景觀生態(tài)數(shù)據(jù)獲取及分類是目前全國生態(tài)監(jiān)測的一項重要工作 注意以下幾個方面明確評價的尺度合理選取遙感信息構(gòu)建與評價尺度相適應(yīng)的分類體系數(shù)據(jù)生成盡量突出景觀異質(zhì)性編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價的目的 系統(tǒng)的了解區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、通過對景觀生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)、景觀生態(tài)系統(tǒng)面臨的壓力以及人類對景觀生態(tài)問題的對策的綜合性分析，來揭示區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)狀況，找出生態(tài)系統(tǒng)中的脆弱區(qū)域或因子，為區(qū)域生態(tài)保護和區(qū)域生態(tài)恢復(fù)提供決策支持。 編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價的尺度 大尺度、中尺度、小尺度評價尺度的影響1、大尺度產(chǎn)

6、生的變化其成因是小尺度開始2、空間尺度的擴展導(dǎo)致時間尺度的放大3、評介比較應(yīng)在同尺度下進行4、小尺度轉(zhuǎn)化為大尺度時，將產(chǎn)生小尺度異質(zhì)性過濾評價尺度的選擇1、預(yù)測性評價建議用大尺度，以30-100m為宜2、評價區(qū)的選擇要大于最大斑塊的3-5倍，以免出現(xiàn)特異性情況 編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價指標(biāo)體系框架 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價人口資源狀 態(tài)響 應(yīng)壓 力污染物排放變化結(jié)構(gòu)活力土地利用方式變化組分格局編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價方法 一般常用方法：主觀判斷法、權(quán)重法等。層次分析法綜合評價方法 編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價遙感信息分析數(shù)據(jù)源介紹及選擇 遙感數(shù)據(jù)源簡介和

7、比較衛(wèi)星類型制圖精度成圖比例應(yīng)用評價NOAA低1:50萬適用于宏觀大尺度TM較高1：10萬適用于宏觀區(qū)域性中尺度SPOT較高1：5萬適用于宏觀區(qū)域性中小尺度CBERS 較高1：10萬適用于宏觀區(qū)域性中尺度IKONOS高1：5000適用于中小尺度QUIKBIRD高1：2000適用于中小尺度編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價遙感信息分析遙感信息處理與識別 具體技術(shù)流程按總站的技術(shù)規(guī)定和方法，但應(yīng)注意下列問題：1、要把握評價的尺度。2、處理好不同尺度之間的關(guān)系。3、建立一套大尺度 小尺度的系統(tǒng)的分類體系。編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價遙感信息分析DeltaCue模塊應(yīng)用介紹DeltaCue是被設(shè)計用于二個不

8、同時相影像之間變化檢測一個軟件包，是一個廣域搜尋模式,將變化像元加亮，提供興趣區(qū)域的改變。即可用于大范圍調(diào)查，也可用于小區(qū)域定點監(jiān)測，可用于土地利用/覆蓋變化、潮位變化、作物監(jiān)測、損失評估等方面。對高敏感區(qū)利用高時相影像通過此模塊可客觀反映變化趨勢，利用決策。編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價遙感信息分析DeltaCue模塊應(yīng)用編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價遙感信息分析DeltaCue模塊應(yīng)用工程文件，自己命名選擇傳感器時相1影像時相2影像編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價遙感信息分析DeltaCue模塊應(yīng)用變化算法變化極限閾值是否做影像裁剪影像標(biāo)準(zhǔn)化變化檢測算法光譜過濾器空間過濾器變化檢測過濾編輯課件區(qū)域

9、景觀生態(tài)質(zhì)量評價遙感信息分析DeltaCue模塊應(yīng)用（變化檢測結(jié)果時相1）Change Display Viewer編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價遙感信息分析DeltaCue模塊應(yīng)用（變化檢測結(jié)果時相2）Change Display Viewer編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價遙感信息分析DeltaCue模塊應(yīng)用DeltaCue執(zhí)行后產(chǎn)生許多過程文件，其中有分類文件，可用于輔助判讀。編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價遙感信息分析決策樹分類方法 是通過對訓(xùn)練樣本進行歸納學(xué)習(xí)生成決策樹或決策規(guī)則，然后用其對數(shù)據(jù)進行分類的一種方法。它主要包括兩個過程，一是決策對學(xué)習(xí)天字過程；二是決策樹分類過程。決策樹學(xué)習(xí)過程樣

10、本采集屬性分割決策樹生成決策樹修剪決策樹評價決策樹決策對生成規(guī)則規(guī)則集編輯課件決策樹分類關(guān)鍵技術(shù)反射率還原幾何校正K-T變換DEM輔助數(shù)據(jù)處理 樣本選取 規(guī)則建立、分類 編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價GIS應(yīng)用ARCGIS中水文工具應(yīng)用提取流域范圍水文分析是DEM數(shù)據(jù)應(yīng)用的一個重要方面。利用DEM生成的集水流域和水流網(wǎng)絡(luò)，成為大多數(shù)地表水文分析模型的主要輸入數(shù)據(jù)。基于DEM的地表水文分析的主要內(nèi)容是利用水文分析工具提取地表水流徑流模型的水流方向、匯流累積量、水流長度、河流網(wǎng)絡(luò)（包括河流網(wǎng)絡(luò)的分級等）以及對研究區(qū)的流域進行分割等。通過對這些基本水文因子的提取和基本水文分析，可以在DEM表面之上再現(xiàn)

11、水流的流動過程，最終完成水文分析過程。編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價GIS應(yīng)用流域分割的一般步驟編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價GIS應(yīng)用水文工具應(yīng)用介紹Flow Direction：水流方向提取Sink：洼地計算Fill：洼地填充Flow Length：水流長度Map Algebra：利用地圖代數(shù)來進行河網(wǎng)提取Stream Order：河網(wǎng)分級Basin：流域分割工具Watershed：流域分割工具編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價GIS應(yīng)用生產(chǎn)DEM柵格數(shù)據(jù)在ARCMAP中調(diào)用高程矢量數(shù)據(jù)如果地圖單位是度，進行投影轉(zhuǎn)換成米單位在3D分析模塊中創(chuàng)建TIN在3D分析模塊中將TIN轉(zhuǎn)換為RASTER注意地圖

12、精度，1：25萬高程矢量轉(zhuǎn)換時像元大小為90米，根據(jù)最小等高線間距推算。編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價GIS應(yīng)用無洼地DEM生成 原始DEM數(shù)據(jù) FILL 生成無洼地DEM編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價GIS應(yīng)用水流方向提取 無洼地DEM FlowDirection 生成流向數(shù)據(jù)編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價GIS應(yīng)用匯流數(shù)據(jù)提取 無洼地DEM Flow Accumulation 生成匯流數(shù)據(jù)編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價GIS應(yīng)用生成河網(wǎng)-匯流數(shù)據(jù)生成匯流二值柵格數(shù)據(jù) 匯流數(shù)據(jù) con( ) 匯流二值數(shù)據(jù)注意：在使用CON( )函數(shù)時，閾值的設(shè)定非常關(guān)鍵，原則是不僅要保證細節(jié)還要防止產(chǎn)生大量無用數(shù)據(jù)

13、，在使用過程中可以用不同閾值多次試驗，找出滿意的閾值，本例的閾值設(shè)為1000,不同精度DEM設(shè)定的閾值相差較大，僅供參考。編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價GIS應(yīng)用提取水網(wǎng) 流向數(shù)據(jù)匯流二值數(shù)據(jù)StreamToFeature水網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價GIS應(yīng)用提取水網(wǎng)節(jié)點 流向數(shù)據(jù)匯流二值數(shù)據(jù)StreamLink水網(wǎng)結(jié)點數(shù)據(jù)編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價GIS應(yīng)用水網(wǎng)分級 流向數(shù)據(jù)匯流值數(shù)據(jù)StreamOrder水網(wǎng)分級編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價GIS應(yīng)用流域分割-流域盆地的確定 流向數(shù)據(jù)Basin流域盆地編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價GIS應(yīng)用流域分割-匯水區(qū)（子流域）劃分 流向數(shù)據(jù)

14、Watershed匯水區(qū)（子流域）水網(wǎng)結(jié)點數(shù)據(jù)編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價示例景觀指數(shù)及其生態(tài)意義景觀格局指數(shù)計算FRAGSTATS介紹艾比湖流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價景觀格局分析景觀變化分析對生態(tài)環(huán)境的影響生態(tài)質(zhì)量、安全評價編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價示例常用景觀指數(shù)及其生態(tài)意義，可見附表景觀格局定量分析中指數(shù)很多，許多指標(biāo)之間具有高度的相關(guān)性，只是側(cè)重面不同，選用了以下13個指標(biāo)：景觀面積TA、斑塊類型面積CA、斑塊類型面積百分比PLAND、斑塊數(shù)目NP、斑塊密度PD、斑塊平均面積MPS、斑塊分離指數(shù)FI、平均斑塊邊界長度MPE、面積加權(quán)平均形狀指數(shù)AWMSI、面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)AWMPFD

15、、邊界密度ED、多樣性指數(shù)SDI、均勻度指數(shù)SEI。編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價示例Fragstats應(yīng)用教程 FRAGSTATS軟件是由美國Oregon州立大學(xué)森林科學(xué)系Mc Garigal K.博士和Marks B.J.根據(jù)景觀格局分析算法，開發(fā)出的一個定量分析景觀結(jié)構(gòu)組成和景觀空間格局的計算機程序軟件。它有兩種版本，矢量版本運行在ARC/INFO 環(huán)境中，接受ARC/INFO格式的矢量圖層；柵格版本可以接受ARC/INFO、IDRISI、ERDAS等多種格式的格網(wǎng)數(shù)據(jù)。其區(qū)別在于：柵格版本可以計算矢量版本不能計算的最近距離、鄰近指數(shù)和蔓延度；但在對邊緣的處理，由于格網(wǎng)化的地圖中，斑塊邊緣

16、總是大于實際的邊緣，柵格版本在計算邊緣參數(shù)時，會產(chǎn)生誤差，這種誤差依賴于網(wǎng)格的分辨率。編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價示例Fragstats應(yīng)用 FRAGSTATS軟件功能強大，其最新版本所能計算的景觀指數(shù)超過了60個，是現(xiàn)在最為常用的景觀指數(shù)計算軟件包，該軟件可以在網(wǎng)上免費下載（/landeco/research/fragstats/fragstats.html）。 景觀格局具有尺度效應(yīng)，不同尺度觀察到的格局特征不同。FRAGSTATS軟件功能強大，可計算3個級別上的景觀指標(biāo)，分別代表了三種不同的研究尺度。第一，斑塊級別（patch-level）指數(shù)，反映景觀中單個斑塊的結(jié)構(gòu)特征，也是計算其它級

17、別指標(biāo)的基礎(chǔ)；第二，斑塊類型級別（class-level）指數(shù)，反映景觀中不同斑塊類型的結(jié)構(gòu)特征；第三，景觀級別（landscape-level）指數(shù)，反映景觀的整體結(jié)構(gòu)特征。環(huán)境變量設(shè)置：X:Program FilesArcGISBin編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價示例Fragstats應(yīng)用將土地利用矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)，柵格大小精度與使用影像的精度相適應(yīng)，如果數(shù)據(jù)量不大，可選取影像精度的1/31/2。評價區(qū)域如果很大，可適當(dāng)調(diào)整柵格大小。柵格文件太大，會出現(xiàn)內(nèi)在不足的提示。編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價示例Fragstats應(yīng)用參數(shù)設(shè)置斑塊水平計算類型水平計算景觀水平計算運行結(jié)果查看編輯課件

18、區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價示例Fragstats應(yīng)用（參數(shù)設(shè)置）選擇計算的指數(shù)水平編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價示例Fragstats應(yīng)用（參數(shù)設(shè)置）斑塊水平的指數(shù)計算類型水平的指數(shù)計算景觀水平的指數(shù)計算編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價示例結(jié)果分析 研究區(qū)景觀格局分析主要沿一個主線、兩條思路進行。一個主線即通過格局的分析探討自然環(huán)境特征對景觀生態(tài)格局的控制及人類活動干擾的程度、方式及空間差異；兩條思路：縱向分析，即研究區(qū)不同時段各景觀斑塊類型的對比分析；橫向分析，即研究區(qū)不同分區(qū)內(nèi)景觀空間格局對比分析。研究區(qū)1990、2000、2005年景觀多樣性及均勻度Tab.4-2 The diversity and

19、 evenness of landscape in research area in 1990a, 2000a and 2005a研究區(qū)1990、2000、2005年景觀多樣性及均勻度Tab.4-2 The diversity and evenness of landscape in research area in 1990a, 2000a and 2005a研究區(qū)1990、2000、2005年景觀多樣性及均勻度Tab.4-2 The diversity and evenness of landscape in research area in 1990a, 2000a and 2005a編

20、輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價示例結(jié)果分析 199020002005SDISEISDISEISDISEI研究區(qū)1.80150.78241.80440.78371.80640.7845平原區(qū)1.64340.71371.63630.71061.63800.7114湖區(qū)1.79330.77881.82180.79121.82180.7912研究區(qū)1990、2000、2005年景觀多樣性及均勻度Tab.4-2 The diversity and evenness of landscape in research area in 1990a, 2000a and 2005a研究區(qū)1990、2000、2005

21、年景觀多樣性及均勻度Tab.4-2 The diversity and evenness of landscape in research area in 1990a, 2000a and 2005a研究區(qū)1990、2000、2005年景觀多樣性及均勻度Tab.4-2 The diversity and evenness of landscape in research area in 1990a, 2000a and 2005a研究區(qū)1990、2000、2005年景觀多樣性及均勻度199020002005AWMSIAWMPFDAWMSIAWMPFDAWMSIAWMPFD研究區(qū)12.00811

22、.28312.14351.284112.18931.2844平原區(qū)12.25201.286512.44711.287912.49701.2882湖區(qū)3.84511.19273.76451.19153.76591.1915 研究區(qū)1990、2000、2005年景觀斑塊形狀指數(shù)Tab.4-4 The patch shape index in research area and its subregions in 1990a, 2000a and 2005a研究區(qū)1990、2000、2005年景觀斑塊形狀指數(shù)199020002005NPMPSPDNPMPSPDNPMPSPD研究區(qū)1976857.820.11661990851.790.11742007844.570.1184平原區(qū)1845741.770980680.1369湖區(qū)2821157.770.08642721200.330.08332731195.940.0836研究區(qū)1990、2000和2005年景觀破碎化指數(shù)編輯課件區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量評價示例結(jié)論： 就整個研究區(qū)而言，1990年到2000年及2005年，研究區(qū)SDI和SEI值均呈上升趨勢，這說明整個區(qū)域景觀的異質(zhì)性程度在增加，且各斑塊類型在景觀中分布也