（环境科学专业论文）基于遥感的海岛景观时空变化及驱动力分析——以长岛南五岛为例.pdf

基于遥感的海岛景观时空变化及驱动力分析 t h e s p a f i o - t e m p o r a lc h a n g e so f i s l a n dl a n d s c a p eb a s e do n r e m o t es e n s i n ga n dt h ed r i v i n gf o r c e sa n a l y s i s ：ac a s es t u d y o fs o u t hf i v e - i s l a n do fc h a n g d a o a r c h i p e l a g o a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h em u l t i s c a l es p a t i a la n a l y s i so fi s l a n dl a n d s c 印ep a t t e r na n di t s d y n a m i c si ns o u t hf i v e i s l a n do fc h a n g d a oa r c h i p e l a g ow e r ec a r r i e do u tb a s e do n r e m o t es e n s i n gi m a g e sa n dl i d a rd a t a a tt h es a m et i m e ，t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s m o fi s l a n dl a n d s c a p ep a t t e r na n di t se c o l o g i c a lr e s p o n s ew e r ei n t r o d u c e da n d d i s c u s s e d t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c s e so fe c o l o g i c a lr e g i o na n dl a n d s c a p eo fi s l a n dw e r e a n a l y s i s e da n dt h ec l a s s i f i c a t i o ns y s t e mo f i s l a n dl a n d s c a p ee c o l o g yw a sp u tf o r w a r d t h ei s l a n da n di t sp e r i p h e r a ls e aa r e ai nt h r e es e am i l e sa r o u n dw e r ei d e n t i f i e da st h e s c a l ef o ri s l a n d l a n d s c a p ea n a l y s i s i t i sas p e c i a lr e g i o no fl a n d o c e a n - h u m a n i n t e r a c t i o na n dt h er a n g eo ft h ea r e ac a nk e e pt h ei n t e g r i t yo ft h ei s l a n de c o s y s t e m s a n db eu s e f u lf o rs c i e n t i f i cm a n a g e m e n t ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fc c di m a g e sa n dl i d a rd a t a ，t h el a n d s c a p e c l a s s i f i e a i o nm e t h o do fi s l a n dl a n d s c a p eb a s e do i lt h eo b j e c t o r i e n t e da n ds p a t i a l i n f o r m a t i o n sw a sp u tf o r w a r d t h i sm e t h o dc a nc o n q u e rt h ei m p e r f e c t n e s so f t r a d i t i o n a lc l a s s i f i c a t i o nb a s e do np i x e ll e v e la n dm a k et h ea u t o c l a s s i f i c a t i o nb a s e d o nh i g h - r e s o l u t i o nr e m o t es e n s i n gi m a g e sc o m et r u e w i t ht h eh e l po ft h es p a t i a l i n f o r m a t i o n s ，t h ep r e c i s i o no ft h ec l a s s i f i c a t i o nc a nb ei m p r o v e dd e e p l yf o ri s l a n d l a n s c a p e ( 3 ) t h ei s l a n dl a n d s c a p es p a t i a la n a n l y s i sw a sc a r r i e do u ti nt w os c a l e so f i s l a n d a n da r c h i p e l a g o l o g i s t i cr e g r e s s i o nm o d e l sw e r ed e v e l o p e dt oa n a l y s i sa n d s i m u l a t et h ed i s t r i b u t a t i o no ft h el a n d s c a p ep a t t e r n so fs o u t h e r nc h a n g s h a ni s l a n d a c c o r d i n gt o t h es i m u l a t e dm o d e l s ，t h ed i s t r i b u t i o no fl a n d s c a p ep a t t e r n so f n o r t h e r nc h a n g s h a ni s l a n dw a ss i m u l a t e da n dt h er e s u l t sw e r er e a s o n a b l e c o m p a r i n gn a t u r a ll a n d s c a p et y p e sw i t ha r t i f i d a ll a n d s c a p eo n e s ，t h es i m i l a r i t i e so f 基于遥感的海岛景观时空变化及驱动力分析 t h es i m u l a t e dr e s u l t so fn a t u r a ll a n d s c a p ea r eb e t t e rt h a nt h a to fa r t i f i c a ll a n d s c a p e ， w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h ed i s t r i b u t i o na n ds t r u c t u r e so fi s l a n dl a n d s c a p ep a t t e r n sa r e c o n t r o l l e db yn a t u r a le n v i r o n m e n t a lb a c k g r o u n di nl a r g es c a l e ( 4 ) t h el a n d s c a p ep a t t e r nc h a n g e so fs o u t hf i v e i s l a n df r o m2 0 0 0t o2 0 0 6w e r e a n a l y s i s e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em a i nd r i v i n gf o r c e so fl a n s c a p ec h a n g e si n s h o r tp e r i o di ni s l a n da r es o c i a lf a c t o r s ，e s p e c i a l l yp l a n t i n ga n dt o u r i s m k e yw o r d s ：i s l a n d ；l a n d s c a p e ；s p a t i o - t e m p o r a lc h a n g e ；r e m o t es e n s i n g 2 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得( 注! 翅遨直墓丝重噩挂别 虚盟的! 奎拦丑窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 码罩 签字日期：2 0 0 7 年5 月2 4 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名 卅罩 导师签字 签字日期：2 0 0 7 年5 月2 4 日签字日期：2 0 0 7 年5 月2 4 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编 基于遥感的海岛景观时空变化及驱动力分析 1 引言 1 1 海岛研究概述 1 1 1 海岛的概念 海岛是指自然形成的，四周环水，高潮时高于水面的陆地区域( 朱晓东李 杨帆，2 0 0 4 ) ，是海陆相互作用的特殊区域，同时也是人类开发活动的重要和 敏感区域。 海岛是一个国家重要的国土资源，在现代国际海洋法律制度下，海岛与内 水、领海、专属经济区、大陆架在一起，构成“海洋国土”，是一个国家国土主 权的重要标识。联合国海洋法公约第1 2 1 条规定，四面环水并在高潮时高于 水面的自然形成的岛屿可以同陆地领土一样拥有自己的领海、毗连区、专属经 济区和大陆架；不能维持人类居住或经济生活的岩礁也能划出自己的领海和毗 连区，但不能拥有大陆架和专属经济区。这项规定无疑提高了岛屿自身价值之 外的价值，也就是说，只要拥有岛屿( 岩礁) 就拥有了海域。按照这项规定， 以1 2 海里领海距离计算，一个再小的岛屿或岩礁都可以获得1 5 0 0 平方公里的 领海区，同时，还可以再划出1 2 海里的毗连区；如果这个岛屿可以维持人类的 经济生存，那么，还可再划出2 0 0 海里专属经济区，即4 3 万平方公里的专属经 济区。正是因此，近年来，各国之间的岛屿之争愈演愈烈。 海岛也是人类开发利用海洋的重要支撑点。海洋是生命的发源地，开发利 用海洋资源是人类未来发展的希望所在。2 l 世纪将是开发海洋资源的新世纪， 开发利用海洋资源己成为当今世界沿海国家的发展战略。而海岛是散布于广大 海域中的天然镶嵌体，是人类开发海洋的基地和人类以大陆为依托向海洋进军 的支撑点，也是对外交流的窗口、通商要道和保护屏障。 同时，海岛作为海洋的重要组成部分，如陆地上的山岭、草原等自然资源 一样，在海洋生态系中起着极其重要的作用，但同时，海岛也是典型的脆弱生 态系统。海岛一般面积较小，土层较薄且贫瘠，肥力低，陆域植被种类贫乏、 组成单一，易受破坏。大多数小岛的陆域地形坡度相对较大，水土流失严重， 生态环境恶化，易于被侵蚀、风化，甚至形成荒漠化；单个岛屿的生物物种相 对较少，稳定性较差，生态环境十分脆弱，极易遭受破坏，且破坏后很难恢复。 基于遥感的海岛景观时空变化及驱动力分析 海岛多为山地、丘陵和台地地形，联合国2 l 世纪议程认为山地是脆弱生态系统， 海岛山地生态系统的脆弱性更甚。因而，海岛成为海、陆脆弱生态系统的汇合。 脆弱生态生态系统极易沦为退化生态系统，对自然变化和人类活动的影响极为 敏感。海岛常年遭受热带气旋、风暴潮等频发性自然灾害的侵袭，此外，还时 刻受到地震、海啸等灾难性灾害的威胁，再加上日益加剧的人类活动破坏，其 生态系统退化迅速。 海岛不仅具有资源上的重要性、生态保护的迫切性，同时还具有研究的科 学性和必要性。海岛是地球进化史中不同阶段的产物，可反映重要的地理学过 程、生物进化过程以及人与自然相互作用的过程。对它的研究体现了陆地一海洋 人类活动三大系统交互作用的动力机制，落实于调整人地关系这一地理学的中 心问题，是地理学研究深化的一个突破口和切入点。成为全世界广为关注和研 究的问题之一( k o m a rpd ，1 9 9 9 ；f r i h ye ，n a s rsm ，1 9 9 1 ；王敬贵，苏奋振， 周成虎等，2 0 0 5 ) 。 我国是世界上海岛较多的国家之一，按照上世纪9 0 年代初期进行的海岛调 查统计结果，面积在5 0 0 m 2 以上的岛屿就有7 3 7 2 个，其中包含台湾所属岛屿 2 2 4 个，香港1 8 3 个和澳门3 个岛屿( 沈静徐汝梅周国法等，1 9 9 9 ) 。这些海 岛散布在我国黄海、渤海、东海和南海，形成一道天然的国防屏障，是我国领 土的重要的组成部分，具有重要的经济、政治和国防价值。我国的海岛多属于 小岛屿范畴，据粗略统计，除台湾岛和海南岛面积在3 万平方公里以上外，4 0 以上的岛屿面积在1 平方公里以下。从海岛的成因方面来看，我国的海岛以大 陆岛为主，它们大多是沿海山地向海延伸形成，海岛上7 0 以上是山地、丘陵 和台地地形。 近年来，随着海洋开发力度的加大，我国海岛资源破坏严重。在我国众多 的岛屿中，有居民海岛占4 0 0 多个，总面积约6 1 2 2 k m 2 ，承载人口4 5 3 万。在 人类剧烈开发活动的压力下，这些岛屿都面临着不同程度的损害。例如，在我 国“以粮为纲”的时期，由于不顾海岛的特点，毁林垦荒发展农业生产，严重破 坏了海岛自然植被景观；到现阶段，部分沿海城市为发展地区旅游，大力开发 海岛、海滩等，使众多海岛生态系统遭到了不同程度的破坏；部分地区存在炸 岛炸礁现象，致使海洋国土受到损害，如果是对领海基线岛屿的破坏将直接威 2 基于遥感的海岛景观时空变化及驱动力分析 胁到国家的主权。我国许多海岛( 礁) 曾一度面临着滩涂蚀退，湿地消失等严 重的生态问题，致使一些海岛岛内特有的珍惜物种濒临灭绝。 庆幸的是，近年来，许多专家、学者开始逐渐注意到这些海岛问题的严重 性，有关海岛国土和生态的保护也随之提上了议事日程。海岛保护政策的逐步 出台，为海岛资源的可持续利用奠定了良好的基础。以及海岛生态研究工作的 逐步展开，为海岛资源的可持续利用奠定了良好的基础。本文正是在这种背景 下，选取海岛景观作为研究对象，开展海岛景观生态方面的研究。 1 。1 2 海岛生态研究现状 海岛在国民经济及国家权益中的重要性和它的生态脆弱性，决定了海岛生 态研究的迫切性，特别是在2 0 世纪末期，世界性的海洋开发热潮加剧了海岛的 开发力度，海岛生态环境恶化成为海洋生态保护的突出问题之一。为此，世界 各国逐渐开始重视海岛生态研究，海岛调查、海岛近海环境监测以及海岛环境 评价等工作相继开展，不仅提供了丰富的海岛数据资料，也为研究工作的开展 奠定了一定的基础。 以达尔文撰写的岛屿生物地理学视为海岛生态研究的开端，海岛生态 研究可以追溯到1 9 3 5 年英国植物生态学家a g t a n s l e y 提出生态系统概念之前。 此后，1 9 7 3 年制定的有关岛屿生态系统的合理利用与生态学的m a b 计划( 人 与生物圈计划) ，可以认为是国际上研究海岛生态系统进一步的发展( u n e s c o ， 1 9 7 9 ) 。m a b 计划由联合国科教文组织( u 忸s c 0 ) 于1 9 7 0 年提出，其主要任 务是研究在人类活动的影响下，地球上不同区域各类生态系统的结构、功能及 其发展趋势。预报生物圈及其资源的变化和这些交化对人类本身的影响，目的 是通过自然科学和社会科学这两个方面，研究人类今天的行动对未来世界的影 响，为改善全球性人与环境的相互关系，提供科学依据，确保在人口不断增长 的情况下合理管理与利用环境及资源，保证人类社会持续协调地发展。m a b 计 划首先在南太平洋的有关岛屿上实施，随后在地中海、加勒比海等有关岛屿上 进行( w o o d ，j ，1 9 8 3 ) 。1 9 8 6 年1 1 月，在波多黎哥召开的小岛屿持续发展研究 会上，海岛水资源问题以及岛屿自然资源的管理问题被重点提出。涉及的区域 有南太平洋、地中海、北大西洋、加勒比海、加拿大等有关岛屿，涉及的内容 3 基于遥感的海岛景观时空变化及驱动力分析 有水、能源、渔业、海岸和海洋管理、林业、保护区、野生生物管理等与海岛 生态学密切有关的诸多方面。 上世纪9 0 年代之后，不同国家的学者在相应的岛屿上开展了较多相关的研 究工作，发表了部分有关海岛生态方面的文章，这些研究包括：1 9 9 7 年，j o n s h a r d l i n g 利用g i s 技术对新西兰南岛生态区进行的分级研究；1 9 9 8 年，j h i l l 等人通过卫星遥感技术监测了地中海希腊克里特岛生态系统的环境变化( j h i l l p h o s t e s t ，1 9 9 8 ) ，重点监测了日益加剧的放牧业对克里特岛两个山区生态系统产 生的影响；1 9 9 8 年，l u i sw ip d u e r a 和t m i c h e l la i d e 对波多黎哥岛喀斯特地区 的森林的恢复状况的研究( l u i sw r i u c r a ，1 9 9 8 ) ；2 0 0 2 年，w h i t r e gj a u t i n 对 南路易斯安娜所属五岛的土地演化的分析( w h i t r e gj a u t i n ，2 0 0 2 ) ；2 0 0 4 年， w i l l i a mj m o e o r m e u 等人发展了马达加斯加岛农业扩展的时空模型( w i l l i a m j m o e o n n e l l ，2 0 0 4 ) 。除论文形式的研究成果外，近年来，有关海岛生态方面的 著作也偶有出版。其中m u e l l e r - d o m b o i s 于1 9 9 8 年出版的热带太平洋岛屿的 植被以及r o b e r t j w h i t t a k e r 于同年编写的生态学与偏远岛屿保护就是这 类书籍的代表之作。学者们通过对岛屿生态系统的研究，已经得到了一些有价 值的结论，这些结论对于进一步研究工作的开展具有指导意义。这些结论包括： m a c a r t h u r 和w i l s o n 于1 9 7 6 年提出的岛屿生物学理论，阐述了岛屿上物种的数 目与面积之间的关系( w i l l i a mj m o e o n n e l l 。s e a np s w e e n e y , b r a d l e ym u l l e y , 2 0 0 4 ) ：w h i l t a c h o r 于1 9 9 8 年得出的海岛生态系统在干扰下极易退化且不易恢 复的结论，明确了海岛生态系统脆弱性的特点；l u g o 在1 9 9 8 年发表的海岛岛 内的生物群落研究，指出海岛生物群落在长期进化过程中，能够形成自己特殊 的动植物区系缀块，它们往往是受威胁种的避难地等。 由于国内投入较少，我国的海岛生态研究起步较晚，以调查工作为主，所 进行的研究工作也大都属于试探性质的，与国外相比，存在着一定的差距。 国内的海岛生态研究工作主要集中在国家组织的两次全国性海岛海岸带调 查研究时期，即“八五”期间的海岸带调查和“九五”期间的海岛调查。其中，后 者对海岛自然状况的调查( 植披、土壤、水资源等) 为海岛生态系统的研究奠 定了基础。在此基础上，我国一些学者，结合海岛调查工作，开展了一系列的 海岛生态系统建设等方面的研究工作。如张耀光在辽宁海岛资源开发与海洋 4 基于遥感的海岛景观时空变化及驱动力分析 产业布局一书以及陈树培在广东海岛植被和林业中，都有专门针对“海岛 景观生态系统建设”的章节内容。近几年来，针对全国性海岛的综合类研究文献 也相继出现，如：1 9 9 7 年，张耀光对我国海岛山地利用与持续发展的研究( 张 耀光，1 9 9 7 ) ：1 9 9 8 年，张耀光对我国1 2 个海岛县的海岛可持续发展进行了研 究等( z h a n gy a o g u a n g ，1 9 9 9 ) 。这些研究主要是从海岛持续发展的角度去提出 问题和考虑问题，比较宏观的分析了我国部分海岛的发展状况。具体到海岛， 上海的崇明岛和广东的南澳岛是我国开展研究最多的海岛。例如：上海政府专 门针对崇明岛进行了关于“崇明生态岛建设研究”，出台了“打造上海世界级城 市的生态岛和海上花园祟明岛域总体规划纲要”和以生态岛建设为中心的 “崇明生态系统的研究”。广东南澳岛则致力于打造生态经济产业链，以此作为 生态县发展战略的一项重要内容。 在理论方法方面，任海等人做的工作相对较多。这些工作包括对退化的海 岛生态恢复的研究、对广东南澳岛退化生态系统的植被恢复的研究等( 任海， 2 0 0 2 ) 。在研究海岛生态系统方法和手段等方面，赵斌等人进行了“中国崇明岛 东滩土地利用变化的生态系统服务价值评价”、“地理信息系统技术应用对于崇 明岛土地利用变化的评价”等研究( b i nz l m o ，2 0 0 0 ；z l m o b ，l i be ta l ，2 0 0 3 ) ； 张耀光和胡宜鸣则在长山群岛( 辽宁长海县) 土地利用规划时，使用了大量的 数学统计方法。这些方法包括多元统计中的主成分分析、聚类分析、回归分析 和层次分析法等以及在系统生态学中的系统动力学方法( 张耀光张云瑞，1 9 9 7 ； 张耀光胡宜鸣，1 9 9 5 ) 。王小龙、宋延巍等人也以长岛南五岛为研究区域开展 了海岛生态系统风险评价和健康评价。上述这些针对海岛的研究工作，在理论 和方法上虽然较为简单，分析也属于宏观性质的。但是，它们为今后进行海岛 生态的深入研究提供了理论和实践的借鉴。 综合国内外的研究现状和，近期海岛生态研究工作主要集中在两个方面， 一是关于海岛土地演化方面的研究，二是针对海岛物种的研究，目前还没有针 对海岛生态的系统研究。 1 1 3 存在的问题 相对于陆地生态研究来说，海岛生态系统的研究工作在国内外开展较少。 5 基于遥感的海岛景观时空变化及驱动力分析 近年来，由于世界各国对海岛生态问题的重视，对海岛的研究已经得到了一定 的发展。然而，由于海岛生态系统的特殊性，海陆相互作用的复杂性等多种客 观的不利因素，使得目前还没有系统的研究，多是零散的和试探性的研究工作。 综上所述，纵观国内外海岛生态方面的研究现状，目前仍存在以下问题： ( 1 ) 从研究的内容上来看，目前海岛生态的系统研究过于零散，针对海岛生 态格局的形成和变化机制以及生态影响还没有系统的研究。 ( 2 ) 从研究尺度上来讲，现有的工作大部分集中在海岛岛陆和潮间带生物群 落的调查和变化研究上，对于海岛景观尺度或者更大的群岛尺度的研究则较少。 ( 3 ) 从研究方法上来讲，目前海岛的生态分析方法，大多是借鉴陆地生态系 统的方法，未能充分考虑海洋对海岛的影响作用。因此在更大尺度上，并充分 考虑海陆相互作用的海岛生态研究，将是未来海岛生态研究的主要方向。 1 2 景观与景观生态学 1 2 1 景观的生态学含义 景观具有多重含义。在欧洲，“景观”一词最早出现在希伯来文的圣经 旧约中，它被用来形容描写耶路撒冷的瑰丽景色( n a v e ha n dl i e b e r m a n 1 9 8 4 ) 。 这时，“景观”的含义相当于“风景”和“景色”，是视觉美学意义上的概念，这与 当前大多数园林风景学者所理解的景观的概念基本吻合。 在地理学上，景观“l a n d s c h a f i ”一词通常用来表示对土地的感知或面积有限 的一块土地( h a r t s h o m e ，1 9 3 9 ) ，代表环境中视觉空间的所有实体。主要包含以 下几种理解：1 某一区域的综合特征，包括自然、经济、人文诸方面：2 一般自 然综合体；3 区域单位，相当于综合自然区划等级系统中最小一级的自然区； 4 任何区域分类单位。从人类作用角度，可分为自然景观、园林景观、建筑景 观、经济景观、文化景观等。可见，在地理学上，景观是一种地理综合体。 1 9 3 9 年，德国生物学家t r o l l 在利用航片判读东非土地利用时把景观的概 念引入生态学，提出“景观生态学”概念( 特罗尔，1 9 8 3 ) ，使景观概念发生了革 命性变化。t r o l l 把景观看作是人类生活环境中的“空间的总体和视觉所触及的 一切整体”。另一名德国学者b u c h w a l d 进一步发展了系统景观思想，认为：景 观为地表某一空间的综合特征，包括景观的结构特征和表现为景观各因素相互 6 基于遥感的海岛景观时空变化及驱动力分析 作用的多层次的生活空间，是一个由陆圈和生物圈组成的、相互作用的系统。 2 0 世纪8 0 年代后，随北美景观生态学的发展壮大，景观的生态学定义发 生重大变化。狭义的景观是指几十公里至几百公里范围内，由不同生态系统类 型所组成的异质性地理单元( 陈昌笃，1 9 8 6 ；f o r m a na n dg o d r o n ，1 9 8 6 ) 。面反 映气候、地理、生物、经济、社会和文化综合特征的景观复合体称为区域。狭 义景观和区域可统称为宏观景观。广义景观则指出现在从微观到宏观不同尺度 上的，具有异质性或缀块性的空间单元( p i c k e t ta n dc a d e n a s s o ，1 9 9 5 ；邬建国， 2 0 0 1 ) 。显然，广义景观强调空间异质性、多尺度和等级结构，其空间尺度随着 研究对象、方法和目的而变化。 1 9 8 1 年和1 9 8 2 年举行的国际景观生态学会议，预示了现代景观生态学的 产生。由于学科背景、专业和研究对象的不同，景观的现代含义极其多样。m o s s 总结了景观的六种认识：1 相互作用的生态系统的异质性镶嵌；2 地貌、植被、 土地利用和人类居住格局的特剐结构；3 围绕着种群、群落和生态系统的一种 组织尺度；4 综合人类活动与土地区域的整体系统；5 一种风景，具有由文化决 定的美学价值；6 遥感图像中的像元排列。w i e n s 认为，景观是由不同数量和 质量特征的要素在特定空间上的镶嵌体( w i e n se t 扎1 9 9 3 ) 。a n 打o p ( 2 0 0 0 ) 认 为，景观是人类可感知的环境和共有的文化用品。肖笃宁认为：景观是由不同 土地单元镶嵌组成的，具有明显视觉特征的地理实体，它处于生态系统之上、 大地理区域尺度之下的中间尺度，兼具经济、生态和美学价值( 肖笃宁，1 9 9 7 ) 。 总之。对景观的美学理解是景观的视觉特性和文化价值。地理学则关注景 观类型及其形成过程( 宋冬梅，2 0 0 2 ) 。而以景观要素( 斑块一廊道基质) 闻 的空间组合和相互作用为研究内容的景观生态学，则视景观为人类尺度上、具 有空间可量测性的异质性空间单元( 傅伯杰等，2 0 0 1 ；肖笃宁，1 9 9 9 ) 。 1 2 2 景观生态学研究概述 从把景观作为一门学科的角度定义景观生态学，是景观生态学概念演变的 重要标志。 “景观生态学”( 1 a n d s c a p ee c o l o g y ) 一词首次由德国著名的生物地理学家 c t r o l l 于1 9 3 9 年提出，其目的是为了协调统一生物学和地理学这两个领域中 7 基丁二遥感的海岛景观时空变化及驱动力分析 科学家的研究工作。景观生态学的发展主要包括欧洲和北美两个流派。 2 0 世纪8 0 年代以前，景观生态学的研究重心在欧洲，其中荷兰生态学家 z o n n e v e l d 和以色列生态学家n a v e h 的一系列文章和著作，颇具代表性地将欧 洲景观生态学的起源、背景、历史及主要论点作了系统总结和发展。n a v e h 和 l i e b e r m a n 继承并进一步发展了欧洲景观生态学的概念，提出整体论和生物控制 论。 8 0 年代以后，景观生态学在北美逐渐兴起，其中代表人物有f o r m a n ，g o d r o n ， b u r g e s s 和s h a r p e ，r i s s e r , w a t t 等( 邬建国，2 0 0 0 ) ，f o r m a n 和g o d r o n 从景观的 组成结构、功能动态及景观管理角度出发，认为景观生态学是研究景观结构、 功能和变化的一门科学，这项研究对目前景观生态学发展影响很大。另外一些 景观生态学家则强调空间格局、生态学过程与尺度之间的相互作用是景观生态 学的核心所在( t u r n e r , 1 9 8 9 ；p i c k e t t ，c a d e n a s s o ，1 9 9 5 ；w u ，l o u c k s ，1 9 9 5 ) 。邬建 国认为景观生态学不但是一门新兴科学，而且代表了集多方位现代生态学理论 和实践为一体的、突出格局一过程一尺度一等级观点的一个新生态学范式( 邬 建国，2 0 0 0 ) 。 从上可见，景观生态学在欧洲和北美的发展有着显着的不同。近年来，由 于国际学术交流日益增强，这两个学派之间不断取长补短，使其区别日趋减少。 显然，这对于现代景观生态学的发展是颇有益处的。 我国的景观生态学研究起步较晚，在上个世纪8 0 年代中期才有陈昌笃、肖 笃宁以及傅伯杰等译介了国外的一些景观生态学的理论和方法，9 0 年代以来发 展迅速，但大多是简单的空间格局分析，9 0 年代后期，国内的景观生态学研究 也开始关注景观格局的生态过程。到2 l 世纪初，随着与国外景观研究者的交流 增加，国内的研究也逐渐接近景观生态学的国际前沿，在景观尺度、干扰作用 下的生态过程等方面都有一定的文献。从总体上说，我国景观生态学还缺乏系 统的、多尺度和跨尺度的理论和实践研究( 邬建国，2 0 0 0 ) 。 景观生态学的研究内容可以概括为三个方面：景观结构、景观功能和景观 动态。景观结构指景观组成单元的类型、多样性及其空间关系。景观结构特征 可通过一系列景观格局指数结合空间分析的方法进行研究。空间分析一般将地 表自然或人为要素抽象为点、线、面、曲等空间要素，并利用空间统计、计算 8 基于遥感的海岛景观时空变化及驱动力分析 几何等数学方法进行研究，最后，针对不同的研究目的进行不同的格局解释； 而景观空间分析在分析中及对分析结果的解释中都要注意到景观要素是空间要 素的具体化，是实实在在的具有具体结构和功能的，赋予了生态学含义且与一 定生态功能相联系的空间要素。如斑块是由于自然干扰、环境资源的异质性或 人为干扰产生的面状要素，它的大小与形状直接影响到景观单位面积生物量、 生产力和养分贮存及景观的生物多样性；线状廊道一般认为适于边缘种的生存， 而带状廊道具有较为丰富的内部种。景观空间分析可以界定为：以地理信息系 统g i s 和遥感r s 技术为基本手段，以景观生态学的基本原理为导向，基于景 观要素的空间位置和形态特征，反映景观格局与过程之间相互关系为基本目的 的景观要素的空间分析。 景观空间分析的内容包括斑块数量、斑块大小、廊道的数量、类型及配置 等。采用景观空间模型可以模拟景观要素的构型和分布，揭示景观空间分异的 较多信息量，但由于受到计算机的局限，其发展受到一定的限制。 景观功能主要是指景观结构与生态学过程的相互作用，或景观结构单元之 问的相互作用。这些作用主要体现在能量、物质和生物有机体在景观镶嵌体中 的运动过程。 随着景观结构定量化方法取得新进展，对景观结构的变化研究成为国外学 者又一研究热点。景观动态变化是指景观结构、功能、空间格局随时间的变化 情况。景观的这种变化是景观内部各种矛盾与外部作用力相互作用的结果与表 现，是景观从种状态到另一种状态的转变过程。 景观发生变化，在于内、外驱动力对景观组成要素的干扰作用，包括各种 自然的、生物的以及人类活动之间复杂的相互作用，其结果使得景观稳定性及 其空间格局发生变化。而景观空间格局的变化，可进一步影响到景观系统内的 物质循环与能量流动，进而对海岛区域重要的景观生态过程( 景观功能) 产生 深刻影响。因此，景观时空变化及其驱动力的研究对于揭示海岛景观演替的机 制与规律，探寻人类活动与生态环境演交之间盼关系具有重要意义。 景观动态变化是指景观变化的过去、现状和未来趋势。它需要回答景观是 怎样变化的，为什么这样变化以及变化的结果。景观动态变化过程实质上包括 不同组分之间复杂的相互转化过程。大多数景观动态变化过程是自然因素和人 9 基于遥感的海岛景观时空变化及驱动力分析 为活动双重作用的结果，景观格局的动态研究，可以有些揭示组分或景观的集 合变化特征，景观组分转移的细节信息可灵敏的体现社会经济活动中景观管理 的政策特点。景观变化是自然、经济和文化综合作用的结果，景观变化的原因 是多方面的，现代社会中人类活动对景观的影响越来越重要，因此需要从景观 变化的驱动因子出发，确定不同因子在景观变化中所起的作用，建立综合的景 观变化机制模型，从而提供最佳景观利用方式和管理模式。目前这种模式已经 用于土地利用变化研究。 总之，与其他生态学科相比，景观生态学明确强调空间异质性、等级结构 和尺度在研究生态学过程中的作用，以及人类活动对生态学系统的影响，尤其 突出空间结构和生态过程在多个尺度上的相互作用。无论是从时间和空间上， 还是从组织水平上而言，景观生态学研究的尺度域都比其他学科要宽，这使得 景观生态学得以迅速而广泛的应用。 1 2 3 遥感与g i s 技术在景观生态学中的应用 遥感技术的应用极大地促进了景观结构与格局数量分析方法的发展。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。 高分辨率卫星遥感影像的出现使得在较小的空间尺度上观察地表的细节变 化、进行大比例尺遥感制图以及监测人为活动对环境的影响成为可能，具有广 阔的应用前景，目前正广泛地应用于各个领域。与传统的中、低空间分辨率的 遥感影像相比，高分辨率影像空间信息更加丰富，地物目标的细节信息表达的 更加清楚。从分类技术角度来看，由于受空间分辨率的制约，传统的遥感影像 信息提取只能依靠影像的光谱信息，且是在像素层次上的分类；而高分辨率影 像虽然结构、纹理等信息非常突出，但光谱分辨率并不高( 波段较少) ，所以仅 仅依靠像素的光谱信息进行分类，着眼于局部像素而忽略邻近整片图斑的纹理、 结构等信息，必然会造成分类精度的降低，进而影响后续的应用研究。因此， 传统的单纯依靠光谱特征的像素层次上的分类方法已经不再适合高分辨率影像 的信息提取。为了突破传统的分类方法，改善高分辨率遥感影像的分类精度。 1 0 基于遥感的海岛景观时空变化及驱动力分析 有研究者将图像分割算法引入遥感影像分类当中。在传统方法的基础上提出了 一种新的对象级分类技术对遥感数据进行更深层次的挖掘。近年来出现了如基 于纹理特征的分类、模糊分类、神经网络分类、专家系统分类和基于知识的分 类等方法，这些方法针对基于光谱特征分类的不足，提出利用地物纹理、结构、 形状等空间特征和g i s 辅助数据参与分类，从不同程度上改善了分类的精度， 但这些方法就其本质还是基于影像像素层次的分类，不能从根本上适应高分辨 率遥感影像的信息提取。目前，国内外一些研究人员已经对对象级分类法作了 一些有意义的探索和应用，证明了这种方法的实际应用价值和良好前景。 遥感影像以准确的平面空间位置比较精确地反映了自然界的各种事物，被 广泛应用于景观生态学的研究。但由于其本质是将立体的现实世界投影到一个 平面来表达，损失了大量的立面信息，造成一定程度的信息损失和传递的局限 性。 随着科学技术的飞速发展，尤其是新遥感数据的出现和g i s 应用的深入， 人们越来越多地要求从真三维空间来处理问题。 机载激光扫描和数码成像技术是目前世界上较为先进的航空遥感技术，可 称“实景复制技术”，通过飞机，能够对现场环境进行空间扫描，将各种大型的、 复杂的、不规则、标准或非标准等实体或实景的三维数据完整地采集到电脑中， 进而快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据，同时， 它所采集的激光点云数据进行处理获取的高精度、高分辨率高程数据，可作为 土地利用、工程建设规划、都市计划管理，河海地形、潮间带、集水区、山坡 地监测，地理信息系统、防灾、矿业、农业、林业、公共管线等方面数值化、 自动化等应用之基础。 g i s 在景观生态学中的应用已经非常广泛。它的用途主要包括：分析景观 空间格局及其变化；确定不同环境和生物学特征在空间上的相关性；确定缀块 大小、形状、毗邻性和连接度；分析景观中能量、物质和生物流的方向和通量： 景观变量的图像输出以及与模拟模型结合在一起的使用。g i s 可以从以下几个 方面促进景观生态学的理论和应用研究：将零散的数据和图像资料( 如各类 图表、记录) 加以综合并存贮在起，便于长期的、更有效的利用；将各类 地图( 空间资料) 和有关图中内容的文字和数字记录( 特征资料) 通过计算机 基于遥感的海岛景观时空变化及驱动力分析 高效率地联系起来，从而使这两种形式的资料完善地融为一体；为经常不断 地、长期储存和更新空间资料以及相关信息提供了一个有效的工具；为空间 格局分析和空间模型提供了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去开展非常复杂的研究；提高了某些景观 资料质量，大大增加了对资料的存储速度和资源管理诸方面的实际应用 ( b u r r o u g h ，1 9 8 6 ；h a i n e sy o u n g 等，1 9 9 3 ；b u r r o u g h 和m c d o n n e l l ，1 9 9 8 ；邬建国， 2 0 0 0 ) 。g i s 在存贮和处理空间数据、制图以及空间关系分析方面的功能是显而 易见的。例如，利用某一地区的植被、土地覆盖、廊道等环境因素的信息可以 估计物种的生境适宜性。 景观生态学对g i s 的发展提出了新的要求，其中最为主要的一点就是，景 观生态学需要能够以等级方式处理一系列尺度上生态学数据的g i s 软件 ( s t o w , 1 9 9 3 ) 。近年来，计算机的发展以及遥感和地理信息系统等手段的应用大 大促进了景观生态的空间模拟发展，但它们很少包括变化过程的模拟。需要发 展将空间属性同过程变化相结合的模拟模型。几何方法用于描述过程，统计用 于分析，数学模型用于模拟，以前这些方法都是单独使用的，景观生态学已经 产生将它们融合在一起的需要。 1 3 海岛景观生态学研究的理论探讨 1 3 1 关于景观格局形成机制的讨论 关于景观格局形成的机制，目前还没有统一的观点。目前关于景观格局的 形成机制还大多是景观格局的影响因素分析。 t u m o r 认为，所有的景观都有其独特的发育历史。影响其形成的因素分为 生物和环境两个方面，主要包括：生物的相互作用、非生物环境( 地貌、气候 和土壤) 的变异、人类定居和土地利用的历史和现状、自然干扰的频率和植被 演替以及某些动植物对景观的改变和控制等( 傅伯杰，2 0 0 1 ) 。气候是影响景观 结构最重要的因子。在地形和土壤的改变下，适宜不同生境的动植物形成了景 观的镶嵌结构。古生态学通过对景观地质历史的研究，分析动植物对环境演变 的响应，从个人了解现代景观结构的形成，并从中获得信息来预测未来的景观 结构变化。 1 2 基于遥感的海岛景观时空变化及驱动力分析 人类自诞生以来就在不断的对景观结构实施改造，现在地球上已经很难找 到未受人类影响的景观。人类活动大致从5 个方面影响了景观结构：1 改变了 景观中植物的优势度和多样性，特别是森林优势树种；2 扩大或缩小了一些动 植物物种的分布区；3 。人类活动对景观结构改变的同时，也为杂草( 外来物种) 入侵提供了机会；4 改变了土壤的营养状况；5 人类定居和土地利用改变了景 观镶嵌格局。动植物，尤其是动物对景观结构的形成具有重要影响。动物在特 定景观中定居有3 个特点：1 动物，特别是迁徙动物，比植物定居速度快得多； 2 动物与环境变化的响应速度更快，关系更为密切；3 动物定居后与其他植物 和环境形成一种复杂的联系。比如，一些以植物为食的鸟类，作为植物的主要 传播途径之一，影响景观结构。自然干扰和气候、地貌、动植物定居、土壤以 及人类干扰一样是景观结构形成的重要原因之一。 综上所述，影响景观格局形成的因素分为生物和环境两个方面，现今的景 观结构是上述各种因素共同作用的结果。 在前人研究的基础上，我们提出了自己的观点：景观格局的形成是不同尺 度上多种因素共同作用的结果。在大尺度上，非生物因素( 包括地形、地貌和 气候等) 为景观格局提供了物理模板，控制着景观基本格局的分布。在较小的 尺度上，包括人类在内的生物与环境相互作用而形成了最终的景观格局。这种 相互作用是在基本景观格局分布的基础上形成的，