s技術(shù)在生態(tài)學上的應(yīng)用

第二十一章生態(tài)學研究方法

§１、3S技術(shù)及其在生態(tài)學研究中的應(yīng)用

一、植被遙感1、遙感RS是指不接觸被測物體，利用某種傳感器裝置，獲取觀測對象特征信息并對這些信息進行提取、加工、表達和應(yīng)用的一門科學和技術(shù)。RS是以物理、數(shù)學、地學分析為基礎(chǔ)的綜合性技術(shù)，具有宏觀、綜合、動態(tài)和快速的特點，是生態(tài)學研究中采集數(shù)據(jù)的主要手段之一。2、RS系統(tǒng)的構(gòu)成主要包傳感器技術(shù)，信息傳輸技術(shù)，信息處理、提取和應(yīng)用技術(shù)，目標信息特征的分析與測量技術(shù)等。遙感技術(shù)系統(tǒng)包括：空間信息采集系統(tǒng)(包括遙感平臺和傳感器)，地面接收和預處理系統(tǒng)(包括輻射校正和幾何校正)，地面實況調(diào)查系統(tǒng)(如收集環(huán)境和氣象數(shù)據(jù))，信息分析應(yīng)用系統(tǒng)。通常用到的傳感器包括：航空攝影機(航攝儀)、全景攝影機、多光譜攝影機、多光譜掃描儀(MultiSpectralScanner,MSS)、專題制圖儀(ThematicMapper,TM)、反束光導攝像管(RBV)、HRV(HighResolutionVisiblerangeinstruments)掃描儀、合成孔徑側(cè)視雷達(Side-LookingAirborneRadar,SLAR)。主要應(yīng)用的遙感軟件是PCI、ENVI和ERDAS。3、RS的類型RS技術(shù)依其遙感儀器所選用的波譜性質(zhì)可分為：電磁波遙感技術(shù)，聲納遙感技術(shù)，物理場(如重力和磁力場)遙感技術(shù)。按照感測目標的能源作用可分為：主動式遙感技術(shù)和被動式遙感技術(shù)。按照記錄信息的表現(xiàn)形式可分為：圖像方式和非圖像方式。按照遙感器使用的平臺可分為：航天遙感技術(shù)，航空遙感技術(shù)、地面遙感技術(shù)。按照遙感的應(yīng)用領(lǐng)域可分為：地球資源遙感技術(shù)，環(huán)境遙感技術(shù)，氣象遙感技術(shù)，海洋遙感技術(shù)等。4、RS技術(shù)的應(yīng)用生態(tài)學家主要利用遙感影像判讀，制作專題地圖，研究植被類型及其分布；土地利用類型及其面積，生物量分布，土壤類型及其水分特征，群落蒸騰量，葉面積指數(shù)，葉綠素含量；陸地水資源調(diào)查、土地資源調(diào)查、植被資源調(diào)查、地質(zhì)調(diào)查、城市遙感調(diào)查、海洋資源調(diào)查、測繪、考古調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測和規(guī)劃管理等。與其他方法相比，RS具有以下特點：①觀測過程中，傳感器、攝影鏡頭與被觀測物體不相接觸，可以避免研究者對研究對象的直接干擾，并可進行重復性觀察。②航空攝影鏡頭和衛(wèi)星傳感器具有不同光譜幅度和空間分辨率，可處于不同的觀察高度，從而可提供多尺度上的資料。③遙感數(shù)據(jù)一般為空間數(shù)據(jù)，即所測信息與地理位置相對應(yīng)，通過軟件解譯，可直接應(yīng)用于景觀生態(tài)結(jié)構(gòu)、功能、動態(tài)過程研究。二、地理信息系統(tǒng)1基本概念數(shù)據(jù):通過數(shù)字化或記錄下來的可以被鑒別的符號。信息:關(guān)于現(xiàn)實世界的知識，是數(shù)據(jù)、消息中所包含的意義，與設(shè)備無關(guān)。地理信息：表征地理圈或地理環(huán)境固有要素或物質(zhì)的數(shù)量、質(zhì)量、分布特征、聯(lián)系或規(guī)律等的數(shù)字、文字、圖像、圖形的總稱。地理信息具有區(qū)域性、多層次、動態(tài)變化地理信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystem）：在計算機軟硬件支持下，運用系統(tǒng)工程與信息科學的理論，科學管理和綜合分析具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù)，以提供規(guī)劃、管理、決策、研究所需信息的技術(shù)工具。2、GIS系統(tǒng)組成與功能1)組成：軟件系統(tǒng)：操作系統(tǒng)（OS）、輸入系統(tǒng)、數(shù)據(jù)編輯系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、空間分析系統(tǒng)、輸出系統(tǒng)；硬件系統(tǒng)：主機（管理與分析設(shè)備）、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、存貯設(shè)備、通訊傳輸設(shè)備；GIS數(shù)據(jù)庫：空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)；掌握GIS技術(shù)的技術(shù)人員。2)基本功能：a)數(shù)據(jù)輸入、存貯、編輯：輸入：各種來源的空間與屬性數(shù)據(jù)輸入計算機，并進行格式轉(zhuǎn)換，包括： 數(shù)字化：跟蹤數(shù)字化、掃描數(shù)字化； 規(guī)范化：對不同比例尺、不同投影坐標系統(tǒng)、不同精度的外源數(shù)據(jù)統(tǒng)一坐標、統(tǒng)一記錄格式，以便在同一基礎(chǔ)上工作。 數(shù)據(jù)編碼：根據(jù)一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和目標屬性特征，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為便于計算機識別和管理的代碼或編碼字符。存貯：以某種格式記錄于存貯介質(zhì)。數(shù)據(jù)編輯：修改、增加、刪除、更新……b)操作運算操作：數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、疊加、拼接、剪裁等；運算：算術(shù)運算、關(guān)系運算、邏輯運算、函數(shù)運算等。c)數(shù)據(jù)查詢、檢索d)應(yīng)用分析按需建立應(yīng)用分析模型，為評價、管理、決策服務(wù)，如空間信息測量與分析、統(tǒng)計分析、地形分析、網(wǎng)絡(luò)分析、疊加分析、緩沖區(qū)分析、決策分析等。應(yīng)用分析功能是系統(tǒng)性能的重要標志之一。e)數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)顯示、結(jié)果輸出。3）GIS類型綜合性GIS 按全國統(tǒng)一的標準存儲國家范圍內(nèi)的各種自然、社會、經(jīng)濟要素，以供全國性咨詢。區(qū)域性GIS 以某個地區(qū)為研究、分析對象，同時圍繞某個主題，或者匹配區(qū)域內(nèi)其它一些要素，為區(qū)域研究、管理、規(guī)劃提供信息。如：我國黃土高原信息系統(tǒng)等。專題性GIS 以某一專業(yè)、任務(wù)或現(xiàn)象為主要內(nèi)容的系統(tǒng)，如森林管理信息系統(tǒng)、水質(zhì)信息系統(tǒng)、城市綠地管理信息系統(tǒng)等。3、GIS的應(yīng)用GIS巨大的數(shù)據(jù)處理能力及卓越的空間分析功能，使之成為國家宏觀管理和區(qū)域多目標開發(fā)的重要工具，也是生態(tài)學研究及生態(tài)管理的重要工具與工作平臺。尤其在景觀生態(tài)學、生態(tài)規(guī)劃與設(shè)計、生態(tài)工程學、生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)模擬等諸多領(lǐng)域，GIS及RS、GPS具有不可或缺的重要性。三、全球定位系統(tǒng)1.什么是全球定位系統(tǒng)（GPS）全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem-GPS）是美國從本世紀70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)。GPS以全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點，贏得廣大測繪工作者的信賴，并成功地應(yīng)用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導航和管制、地殼運動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學等多種學科，從而給測繪領(lǐng)域帶來一場深刻的技術(shù)革。

2.GPS系統(tǒng)如何組成GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分—GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分—GPS信號接收機。由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座，記作（21+3）GPS星座。GPS系統(tǒng)的控制部分由設(shè)在美國本上的5個監(jiān)控站組成，這些站不問斷地對GPS衛(wèi)星進行觀測，并將計算和預報的信息由注入站對衛(wèi)星信息更新。接收機硬件和機內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包，構(gòu)成完整的GPS用戶設(shè)備。GPS接收機的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩大部分。

3.GPS接收機分類按接收機的用途分類：導航型接收機、測地型接收機、授時型接收機

車載型——用于車輛導航定位；航海型——用于船舶導航定位；航空型——用于飛機導航定位。測地型接收機主要用于精密大地測量和精密工程測量。這類儀器主要采用載波相位觀測值進行相對定位，定位精度高。儀器結(jié)構(gòu)復雜，價格較貴。

授時型接收機主要利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時間標準進行授時，常用于天文臺及無線電通訊中時間同步。按接收機的載波頻率分類：單頻接收機、雙頻接收機

單頻接收機只能接收L1載波信號，測定載波相位觀測值進行定位。由于不能有效消除電離層延遲影響，單頻接收機只適用于短基線（<15km）的精密定位。雙頻接收機可以同時接收L1，L2載波信號。利用雙頻對電離層延遲的不一樣，可以消除電離層對電磁波信號的延遲的影響，因此雙頻接收機可用于長達幾千公里的精密定位。按接收機通道數(shù)、工作原理等進行分類。4.差分GP先S定位綢技術(shù)姜及發(fā)聽展?jié)岵钤椒旨己g(shù)很患早就妥被人延們所賣應(yīng)用頑。它幟實際彼上是怠在一涂個測戀站對始兩個材目標勢的觀棉測量析、兩猶個測桂站對盛一個牲目標替的觀輛測量腔或一贈個測患站對豎一個詢目標弱的兩枕次觀遞測量發(fā)之間職進行侮求差惹。其借目的也在于置消除剖公共完項，在包括時公共小誤差講和儉公共窩參數(shù)街。在戀以前外的無躬線電以定位香系統(tǒng)賽中已墾被廣化泛地土應(yīng)用驚。稠常規(guī)災(zāi)的GP幫S測量醫(yī)方法蠢，如浮靜態(tài)鮮、快導速靜陷態(tài)、初動態(tài)閣測量份都需扇要事洗后進艦行解捐算才駕能獲衰得厘命米級伏的精撇度，紅而RT鏈K是能姑夠在棚野外破實時營得到期厘米當級定莫位精網(wǎng)度的爸測量邀方法精，它碎采用情了載款波相鹽位動嘆態(tài)實租時差爸分（Re桿al饒-戰(zhàn)t肉im樣eki拐ne界ma秧ti匹c）方位法，蘇是GP僵S應(yīng)用哄的重販大里灘程碑棚。RT閱K技術(shù)縱的關(guān)梨鍵在運于數(shù)愛據(jù)處盒理技學術(shù)和頂數(shù)據(jù)蝕傳輸寺技術(shù)征，RT直K定位爐時要哄求基視準站彈接收傳機實凍時地勸把觀魚測數(shù)調(diào)據(jù)（賴偽距校觀測川值，箭相位刷觀測撕值）塵及已評知數(shù)殲據(jù)傳及輸給嫩流動生站接雪收機衡，數(shù)偷據(jù)量頁比較振大，客一般飼都要機求96輔00的波還特率輔，這寺在無蔬線電頂上不咬難實犯現(xiàn)。四、3S技術(shù)要在生辟態(tài)學固中的叢應(yīng)用ET葬MDE盡MND獄VISt材oc積ki洗ng園M誼ea孔su暗re艙dSt跨ep爬wi銷se饞R深eg同re軋ss卡io叨nRe亦l(xiāng)a禁ti樓on牛sh峽ip寬B某ui賞ld捧in節(jié)gIn倉ve殲rs事io計nsu剝b-景co堡mp至ar抓tm艙en交tin科ve它st捐ig犁at攤e燥Da氧taRe挪la棉ti襖ve絹P犧AR城鎮(zhèn)建設(shè)用地A1水域A2農(nóng)林植被A31991年面積

115.784

110.121

761.371

2002年面積

209.344

90.158

687.775

變化幅度(19912002)80.806

-18.128

-9.666

相對變幅(19912002)69.79%-16.46%-1.27%轉(zhuǎn)移面積（Aij）

(19912002)

城鎮(zhèn)建設(shè)用地A1

74.538

16.829

117.977

水域A2

4.270

65.796

20.093

農(nóng)林植被A3

36.977

27.496

623.302

轉(zhuǎn)移概率（Pij）

(19912002)

城鎮(zhèn)建設(shè)用地A1

0.6438

0.152