（草业科学专业论文）玛曲县景观格局动态变化研究.pdf

兰州大学硕l 学位论文玛曲县景观格局动态变化研究 中文摘要 玛曲县位于黄河上游 甘肃省西南部 甘 青 川三省交界处 地理位置属 青藏高原东端 3 3 0 6 7 3 0 一3 4 3 0 7 1 5 n 1 0 0 4 5 4 5 一1 0 2 2 9 0 0 e 本文利用e r o a s a r c 6 i s f r a g s t a t s 等软件 以玛曲1 9 9 5 年 2 0 0 0 年和 2 0 0 6 年三期遥感影像为基础数据源 从定性与定量结合上研究了玛曲县的景观 格局分布特征及其变化规律 研究结果表明1 9 9 5 年至2 0 0 6 年玛曲县的景观格局 发生了很大变化 其特征是居民地面积不断扩张 沼泽湿地面积不断缩小 河流 积雪面积不断减少 裸地面积持续增加 1 9 9 5 2 0 0 6 年 玛曲景观多样性指数有 所降低 各景观类型间的分维数差值缩小 景观形状逐渐趋于简单和规则化 玛 曲景观在1 9 9 5 年到2 0 0 6 年里 总体破碎化程度则有所缓解 从斑块平均面积和 斑块密度上来看 沼泽 积雪 河流其景观破碎度都是在2 0 0 0 年达到一个高峰 到2 0 0 6 年又有所下降 裸地的破碎化程度则有所增强 植被的破碎化程度持续 下降 而居民地的城市化进程加快 从1 9 9 5 年到2 0 0 6 年 研究区各类景观 沼 泽 积雪 植被和河流的内缘比下降 说明由于人类活动 沼泽 积雪 植被和 河流景观形状趋于规整 使得内缘比比前一个阶段减少 裸地内缘比增大 说明 裸地景观斑块受外界影响越大 与外界物质 能量交换程度增大 研究结果对玛 曲景观生态环境的优化 土地的合理利用以及城市规划具有重要的意义 关键词 玛曲 景观格局 变化 遥感 地理信息系统 a b s t r a c t m a q ui sl o c a t e di nt h es o u t h w e s to fg a n s u w i t ht h es o f t w a r es u p p o r to f e r d a s a r c g i s f r a g s t a t s b a s e do nt h r e es o u r c e so fr e m o t es e n s i n gi m a g e s t h ep a t t e r no ft h el a n d s c a p ei m p a c tf a c t o r sa n dt h e m a q ul a n d s c a p ep a t t e r n a n a l y s e sc h a n g e sw e r es t u d i e db yu s i n gq u a n t i t a t i v e a n a l y s i sa n dt h e a p p l i c a t i o no fq u a n t i t a t i v em e t h o d so fl a n d s c a p ep a t t e r n r e s e a r c h i n d i c a t e s1 9 9 5 2 0 0 6l a n d s c a p ep a t t e r nh a su n d e r g o n eb i gc h a n g e s b e t w e e n 1 9 9 5a n d2 0 0 6 t h et o t a la r e ao ft h ew e t l a n d s r i v e ra n ds n o wr e d u c e d t h ea r e ao fb a r ei n c r e a s e d a n ds h d i s i d ir e d u c e ds li g h t l y t h es h a p eo f l a n d s c a p et e n d st ob es i m p l ea n dr e g u l a r f i n d i n g so ft h em a q ul a n d s c a p e p a t t e r na n dc h a n g e si nt h eu r b a nl a n d s c a p eo ft h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t i so fg r e a ts i g n if i c a n c et ot h er a t i o n a lu s eo fl a n da n du r b a n p l a n n i n g d u r i n g1 9 9 5t o2 0 0 6 l a n d s c a p ef r a g m e n t a t i o ni nm a q ug e n e r a l l ys l o w e d e s t i m a t i o no fm e a na r e aa n dm e a nd e n s i t yo fp a t c h e so fw e t l a n d s n o w a n d r i v e ri n d i c a t e st h a tt h e i rl a n d s c a p ef r a g m e n t a t i o nr e a c h e dm a x i m u mi n 2 0 0 0 a n dt h e nd e c r e a s e di n2 0 0 6 b u tl a n d s c a p ef r a g m e n t a t i o no fb a r r e n l a n di n c r e a s e d f r a g m e n t a t i o no fv e g e t a t i o nc o v e rw a s r e d u c i n g w h i l et h e r a t eo fu r b a n i z a t i o no fr e s i d e n t i a la r e aw a si n c r e a s i n g d u r i n g1 9 9 5t o 2 0 0 6 i nv a r i o u sr e g i o n so fl a n d s c a p e t h ee do fw e t l a n d s n o w v e g e t a t i o n a n dr i v e ra r er e d u c e d w h i c hs h o w e dt h a td i s t r i b u t i o np a t t e r no ft h e s e l a n d s c a p ea r et e n d i n gt ob er e g u l a rd u et oh u m a na c t i v i t y r e s u l t i n gi n r e d u c e di n n e rm a r g i nc o m p a r e dw i t ht h el a s tp h a s e i n c r e a s e de d o fb a r r e n s h o w e dt h a tt h em o r el a n d s c a p ep a t c h e so fb a r r e nl a n dd is t u r b e d t h em o r e e x c h a n g eo fm a t t e ra n de n e r g yo c c u r r e dw it he n v i r o n m e n t k e yw o r d s m a q u l a n d s c a p ep a t t e r n c h a n g e r e m o t es e n s i n g g e o g r a p h i c a l i n f o r m a tio ns y s t e m 原创性声明 本人郑重声明 本人所呈交的学位论文 是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果 学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的 成果 数据 观点等 均已明确注明出处 除文中已经注明引用的内 容外 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果 对 本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式 标明 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 生随 e t 一 曰 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品 知识产 权归属兰州大学 本人完全了解兰州大学有关保存 使用学位论 文的规定 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸 质版和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权兰州大学可以 将本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 采用任何复制手段保存和汇编本学位论文 本人离校后发表 使 用学位论或与该论文直接相关的学术论文成果时 第一署名单位 仍然为兰州大学 保密论文在解密后应遵守此规定 做作者躲i 导师签名组吼声 兰州大学硕上学位论文玛曲县景观格局动态变化研究 景观和景观生态学 第一章引言 景观的 l a n d s c a p e 的定义有多种 但大都是反映内陆地形 地貌或景色 的 诸如草原 森林 山脉 湖泊等 或是反映某一地理区域的综合地形特征 在生态学中 景观的定义可概括为狭义和广义两种 狭义景观是指在几十千米甚 至几百千米范围内 由不同类型生态系统所组成的 具有重复性格局的异质性地 理单元 f o r m a n 1 9 8 6 f o r m a n 1 9 9 5 广义景观则包括出现在从微观到宏观 不同尺度上的 具有异质性或斑块性的空间单元 w i e n s 1 9 8 9 w u 1 9 9 4 p i c k e t t 1 9 9 5 广义的景观概念强调空间异质性 景观的绝对空间尺度随研究对 象 方法和目的而变换 它体现了生态学系统中多尺度和等级结构的特征 有助 于多学科 多途径研究 这一概念越来越广泛地为生态学家所关注和采用 概而言之 景观生态学 l a n d s c a p ee c o l o g y 是研究景观单元的类型组成 空间配置及其生态学过程相互作用的综合性新学科 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研究的核心所在 p i c k e t t 1 9 9 5 r i s s e r 1 9 8 4 w u 1 9 9 7 景观生态学的研究对象和内容可概括为三个基本方面 1 景观结构 即景观单元的类型 多样性及其空间关系 例如 景观中不 同生态系统 或土地利用类型 的面积 形状和丰富度 它们的空间格局以及能 量 物质和生物体的空间分布等 均属于景观结构特征 2 景观功能 即景观结构与生态学过程的相互作用 或景观结构单元之间 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 动过程中 3 景观动态 即指景观在结构和功能方面随时问的变化 具体地讲 景观 动态包括景观结构单元的组成成分 多样性 形状和空间格局的变化 以及由此 导致的能量 物质和生物在分布与运动方面的差异 景观的机构 功能和动态是相互依赖 相互作用的 无论在哪一个生态学组 兰州大学硕 学位论文玛f f l 县景观格局动态变化研究 织层次上 如种群 群落 生态系统或景观 结构与功能都是相辅相成的 结 构在一定程度上决定功能 而结构的形成与发展又受到功能的影响 比如 一个 由不同森林生态系统和湿地系统组成的景观 在物种组成 生产力以及物质循环 诸方面都会显著不同于另一个草原群落和农田为主体的景观 即使是组成景观的 生态系统类型相同 数量也相当 它们在空间分布上的差别亦会对能量流动 养 分循环 种群动态等景观功能产生明显的影响 景观结构和功能都必然随时间发 生变化 而景观动态反映了多种自然和人为的 生物的和非生物的因素及其作用 的综合影响 同时 景观功能的改变可导致其结构的变化 如优势植物种群绝灭 对生境结构会造成影像 养分循环过程受干扰会导致生态系统结构方面的改变 然而 最引人注目的景观动态 往往是像森林砍伐 农田开垦 过度放牧 城市 扩展等 以及由此造成的生物多样性减少 植被破坏 水土流失 土地沙化和其 它生态景观方面的破坏 景观生态学 作为一门新兴的生态学学科 其研究内容 方法和热点都在不 断的改变 一般而言 景观生态学研究的重点主要集中在下列几个方面 1 空间异质性 空间格局的形成和动态及其与生态学过程的相互作用 2 格局一过程一尺度之间的相互关系 3 景观的等级结构和功能特征以及尺度推绎问题 4 人类活动与景观结构 功能的相互关系 5 景观异质性 或多样性 的维持和管理 第二章国内外研究进展 2 1 景观生态学研究进展 景观生态学的起源可以追溯到2 0 世纪3 0 年代 1 9 3 9 年德国区域地理学家 t r o l l 年创造了 景观生态学一一词 t r o l l 将景观生态学定义为研究某一景观中 生物群落之间错综复杂的因果反馈关系的学科 t r o l l 特别强调景观生态学是将 航空摄影测量学 地理学和植被生态学结合在一起的综合性研究 t r o l l 1 9 3 9 2 0 世纪8 0 年代以后 景观生态学有了长足的发展 1 9 8 1 年在荷兰举行了第 一届景观生态学大会 1 9 8 2 年正式成立了国际景观生态学协会 i a l e i a l e 成立以后 有力地促进了景观生态学的发展 参与这一领域研究的国家和人员不 2 兰州大学硕上学位论文玛曲县景观格局动态变化研究 断增加 国际学术活动频繁 相关论文 著作大量涌现 其中较有典型代表性的 有 n a v e h 和l i b e r m a n 的 景观生态学 理论与应用 该书是景观生态学领域 的第一部教科书 n a v e h 1 9 9 4 f o r r n a n 和g o d r o n 的 景观生态学 集中体现 了当时北美景观学派的研究成果 f o r r n a n 1 9 8 6 z o n n v e l d 与f o r m a n 共同编著的 变化着的景观 生态学透视 反映了景观生态学研究的时代水平 z o n n e v e l d 1 9 9 0 t u r n e r 和g r a d n e r 主编的 景观生态学中的数量化方法 集中 介绍了景观生态学的定量化研究成果 t u r n e r 1 9 9 0 f o r m a n 的 土地镶嵌 景观 与区域生态学 在总结了现代景观生态学的最新研究进展的基础上 系统地论述 了景观生态学在土地规划与管理方面的应用 f o r m a n 1 9 9 5 总之 这一段时期的 景观生态学研究向多元化方向发展 呈现出百花齐放的局面 学术上形成了各具 特色的欧洲景观生态学派和北美景观生态学派 欧洲景观生态学一致与土地利用 规划 人文地理及人类生态学紧密相连 主要以受人类干扰的景观系统为研究对 象 强调整体性和生物控制 注重多学科的综合研究并十分重视景观生态需在土 地利用规划 管理和自然保护区及国家公园的景观设计 保护 恢复等方面的应 用 北美景观生态学则重视理论的科学性 系统性 强调空间异质性的重要性 偏重于对景观系统的格局一过程 尺度之间的相互关系及人类活动与景观结构 功 能的相互关系研究 对景观生态学基本理论框架的创建做出了重要贡献 陈通 林 2 0 0 3 景观生态学在中国虽然起步较晚 但近年来的发展还是引人注目的 从8 0 年代初期开始 我国的学术刊物上才正式出现了景观生态学方面的文章 1 9 8 1 年 黄锡畴在 地理科学 上发表了 德意志联帮共和国生态环境现状及保护 一文 同期还发表了刘安国的 捷克斯洛伐克的景观生态研究 这是国内首次介 绍景观生态学的文献 黄锡畴 1 9 8 1 1 9 8 3 年林超在 地理译报 的第1 期 第3 期上发表了两篇景观生态学的译文 一篇是t r o l l 的 景观生态学 一篇是 e 纳夫的 景观生态学发展阶段 1 9 8 5 年 植物生态学与地植物学丛刊 第3 期发表了陈昌笃 评介z 纳维等著的景观生态学 一文 这是国内首次对景观生 态学理论问题的探讨 陈昌笃 1 9 8 5 1 9 8 6 年 地理学报 第1 期发表了景贵 和 土地生态评价与土地生态设计 这是国内景观生态规划与设计的第一篇文 献 1 9 8 8 年 生态学进展 第1 期发表了李哈滨 景观生态学 生态学领域里的新 3 兰州大学硕l 学位论文 玛曲县景观格局动态变化研究 概念构架 一文 该文扼要地介绍了北美学派景观生态学的主要概念 理论及其 在北美的研究状况 对景观生态学在我国的普及起了很重要的作用 李哈滨 1 9 8 8 同年的 生态学杂志 第4 6 期分别发表了金维根的 i 地资源研究与 景观生态学 和肖笃宁等的 景观生态学的发展与应用 金维根 1 9 8 8 肖笃 宁 1 9 9 8 1 9 9 0 年肖笃宁主持翻译了r t t f o r m a n 和m g o d r o n 的 景观生态 学 一书 贾宝全 1 9 9 9 这一阶段可以说是我国景观生态学研究的起步阶段 侧重于国外文献的介绍 我国景观生态学研究工作的真正起步开始于1 9 9 0 年以 后 1 9 9 0 年 肖笃宁等在 应用生态学报 第1 期上发表了 沈阳西郊景观结构 变化的研究 一文 该文是我国学者参照北美学派的研究方法而开展的景观格局 研究的典范著作 肖笃宁 1 9 9 0 同年景贵和出版了 吉林省中西部沙化土地 景观生态建设 论文集 之后 随着我国市场经济体制的逐步推进 我国的科研 经费管理发生了根本性的变革 所有研究单位都相继走上了自主发展的道路 绝 大部分的科研工作也从国家统一下拨经费 自主设题研究 转为自由申请 公平 竞争 专家审议通过之后批准立项 其中国家自然科学基金委员会在新的体制下 发挥了极其重要的作用 通过该委员会批准的研究项目 基本上可以反映我国基 础研究领域的现状和特点 据统计 从1 9 9 2 1 9 9 5 年的4 年间 通过该会的地理 学科部与生态学科部共设立了1 4 个有关景观生态学研究的项目 正是通过这些 研究工作的开展 使得我国景观生态学领域的研究水平走向了更深入的程度 也 涌现出了一批高水平的论文 在大批论文涌现的同时 也出版了几本景观生态学 研究的专著 先是在1 9 8 9 年1 0 月举行的我国首届景观生态学学术讨论会之 后 1 9 9 1 年出版了这次讨论会的论文集 景观生态学一理论 方法及应用 之后 1 9 9 3 年又相继出版了三本景观生态学的专著 它们分别是许慧 王家骥编著的 景观生态学的理论与应用 董雅文编著的 城市景观生态 以及宗跃光编著 的 城市景观规划的理论与方法 1 9 9 5 年林业出版社出版了徐化成主编的 景 观生态学 教材 肖笃宁 1 9 9 1 许慧 1 9 9 3 董雅文 1 9 9 3 宗跃光 1 9 9 3 徐化成 1 9 9 5 1 9 9 6 年5 月又于北京举行了 第二届全国景观生态学术讨论会 在会议 召开的同时 成立了 国际景观生态学会中国分会 1 9 9 8 年又在沈阳成功举行了 亚洲及太平洋地区景观生态学国际会议 可以预见 景观生态学在我国的发展 前景是非常广阔的 4 兰州大学硕一i 学位论文 玛曲县景观格局动态变化研究 2 23 s 技术及其在景观格局研究中的进展 2 2 13 s 技术的简介 3 s 是遥感皿s r e m o t es e n s i n g 地理信息系统 g i s g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e m 和空间定位系统 主要是指全球定位系统g p s g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m l 拘英文缩写的简称 其中g p s 和r s 分别用于获取点 面空 间信息或监测其变化 g i s 用于空间数据的存贮 分析和处理 由于三者功能上 存在明显的互补性 在实践中人们渐渐认识到只有将它们集成在一个统一的平台 中 其各自的优势才能得到充分发挥 从2 0 世纪9 0 年代开始 3 s 集成日益 受到关注和重视 并逐渐发展成为一个新的交叉学科 地球空间信息学 g e o m e t r i c s 但在此之前 三者各自经历了其独立 平行的发展历程 3 s 技术 由以下三部分组成 遥感技术 地理信息系统技术和全球定位系统技术 1 遥感 r s 遥感是2 0 世纪3 0 年代发展起来的对地观测综合性技术 通常有广义和狭义 的理解 广义的遥感 遥感一词来自于英语r e m o t es e n s i n g 即 遥远的感知 广 义理解 泛指一切无接触的远距离探测 包括对地磁场 力场 机械波 声波 地震波 等的探测 实际工作中 重力 磁力 声波 地震波等的探测被划为物 探 物理探测 的范畴 因而 只有电磁波探测属于遥感的范畴 李建忠 2 0 0 5 狭义的遥感 遥感是应用探测器 不与探测目标相接触 从远处把目标的电 磁波特征记录下来 通过分析 提示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技 术 遥感不同于遥测 t e l e m e t r y 和遥控 r e m o t ec o n t r 0 1 遥测是指对被测物 体某些运动参数和性质进行远距离测量的技术 分接触测量和非接触测量 遥控 是指远距离控制目标物运动状态和过程的技术 遥感 特别是空间遥感过程的完 成往往需要综合运用遥测和遥控技术 如卫星遥感 必须有对卫星运行参数的遥 测和卫星工作状态的控制 梅安新 2 0 0 1 2 地理信息系统 g i s 地理信息系统 g i s 是用于输入 存储 查询 分析和显示地理数据的计 算机系统 像其它任何其它信息技术一样 g i s 可分为如下四个部分 陈建飞 5 兰州大学硕十学位论文玛曲县景观格局动态变化研究 2 0 0 3 计算机系统 计算机系统包括运行g i s 的计算机和操作系统 常见的选 择是采用w i n d o w s 操作系统的个人电脑或用u n i x 操作系统的工作站 附属设 备包括用于显示的显示器 用于空间数据输入的数字化仪或扫描仪和用于拷贝数 据的打印机和绘图仪 万九香 2 0 0 3 1 g i s 软件 g i s 软件包括用于驱动硬件的程序和用户界面 g i s 中常见的 用户界面是菜单 图标和命令 2 智囊 b r a i n w a r e 与计算机硬件和软件同等重要 智囊指的是目的和 目标 并为使用g i s 提供动机和理由 3 设施 设施指的是g i s 操作必须得物质 组织 管理和文化环境 包括 必需的技能 数据标准 数据交换中心 c l e a r i n g h o u s e s 和常规组织模 式 3 全球定位系统 g p s 地理位置或地理坐标 经纬度 常常是空间资料中必须具有的重要信息 在 大尺度上用罗盘或地标来确定景观的具体地理坐标往往是困难的 全球定位系统 g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m 简称g p s 为解决这一难题提供了一个精确而可靠 的答案 g p s 是有美国国防部耗资1 0 亿美元为军用目的发展起来的 目前 在美国 国防部的监控下 g p s 迅速的被应用于地球科学的各个领域 全球定位系统由一 系列专用卫星 n a v s t a rg p ss a t e l l i t e s 组成 这些卫星不停地饶地球运转并发 回地面他们的具体空间位置的信息 根据这些信息和三角测量学原理 地表任何 一个地点的地理坐标即可算出 多为便携式小型仪器 通常至少需要三个卫星 的信号方能确定某一位置的地理坐标 用g p s 测定景观中某一位置的精确度依 赖于g p s 接收器本身的精度以及美国国防部的控制和干扰程度 但一般来讲 其精度可达到1 m 以内 陈建飞 2 0 0 3 g p s 已被用于监测动物活动行踪 生境 图 植被图及其它资源图的制作 航空照片和卫星遥感图像的定位和地面校正 以及环境监测等方面 j o h n s t o n 1 9 9 8 无疑 r s g i s 和g p s 所谓3 s 技术 为景观生态学提供了极为有效的一系 列工具 尤其在流域区域或区域景观 或更大 的尺度上 3 s 技术成为资料收 集 贮存 处理和分析所不可缺少的手段 因此 这些技术 特别是遥感和地理 6 兰州大学硕上学位论文玛曲具景观格局动态变化研究 信息系统技术 在很大程度上改变了生态学家做研究的方式 同时也逐渐成为景 观生态学的特征之一 聂呈荣 2 0 0 3 2 2 23 s 技术在景观生态学中的应用 景观生态学主要是研究景观层次上大尺度的生态学 金丽芳 1 9 9 7 由于 景观学研究尺度大 传统的野外调查耗时多 强度大 费用高 难于满足现代条 件下景观生态学研究的要求 遥感探测不受地面条件的限制 视域范围大 不仅 可以获得可见光波段的电磁波信息 而且可获得紫外 红外等波段的信息 且成 像周期短 具有及时 动态 宏观的特点 利用多时相t m 影像和d e m 数据提 取各种景观生态类型要素 可以反映近期区域景观生态类型分布的空间格局和受 人类影响的变化情况 为生态环境保护 生态环境规划 生态环境决策提供依据 因此遥感 r e m o t es e n s i n g 简称r s 地理信息系统 g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m 简称g i s 和全球定位系统 g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m 简称g p s 是 景观生态学研究中的重要工具 遥感技术已广泛用于气象气候观测 资源调查与探测 灾害预测预报 土地 利用 资源环境监测及其动态更新等领域 地理信息系统技术现已在资源调查 数据库建设与管理 土地利用及其适宜性评价 区域规划 生态规划 作物估产 灾害监测与预报 精确农业等方面得到广泛应用 g p s 测量技术能够快速 高效 准确地提供点 线 面要素的精确三维坐标以及其他相关信息 具有全天候 高 精度 自动化高效益等显著特点 广泛应用于军事 民用交通 船舶 飞机 汽 车等 导航 大地测量 摄影测量 野外考察探险 土地利用调查 精确农业以 及日常生活 跟踪 休闲娱乐 等不同领域 随着3 s 技术的不断发展 将r s g i s 和g p s 技术中的有关部分集成起来 构成一个强大的技术体系 可实现对 各种空间信息和环境信息的快速 机动 准确 可靠的收集 处理与更新 在大的空间尺度上 景观生态研究所需要的许多数据往往是通过遥感手段来 获取的 而在收集 存贮 提取 转换 显示和分析这些容量庞大的空间数据时 地理信息系统作为一个极为有效的计算机工具常常是不可缺少的 景观中的组分 或过程的具体地理位置是空间数据的重要内容 但往往不易精确而方便的测得 g p s 使得这个问题迎刃而解 随着遥感 地理信息系统和全球定位技术的迅速发 7 兰州大学硕十学位论文 玛曲县景观格局动态变化研究 展 它们在景观格局分析和模型中的作用也愈来愈重要 3 s 技术在景观生态学研究方面存在广泛的应用空间 如生态空间理论与景观 异质性研究 景观结构的网络分析 景观演变模型与模拟 景观生态规划 l a n d e p 与管理 景观的生态监测与动态预测 观生态制图 景观格局与生物 多样性 景观与持续发展等 更离不开3 s 技术 聂呈荣 2 0 0 3 蒋卫国等应用 3 s 技术对安徽省景观生态分类系统进行了研究 建立安徽省的景观生态类型编 码系统和图例系统 有利于空间信息的查询及管理 并可根据实际需要 通过筛 选 归类 合并图斑类型制出多种景观生态类型专题地图 蒋卫国 2 0 0 2 范 文义等在 3 s 技术支持下 建立哈尔滨市郊的景观生态类型编码系统 并根据 实际需要 制出多种景观类型专题图 有利于空间信息的查询和对郊区的景观类 型的综合管理 为哈尔滨其它区域的景观分类提供依据 范文义 2 0 0 5 谢志 茹等 谢志茹 2 0 0 4 在遥感技术 r s 和地理信息系统 g i s 技术的支持下 对 城市公园湿地的分析与度量有了定量认识 从原来的定性描述发展到定量分析 通过运用各种定量指标 分析景观的空间分布格局 对城市公园湿地景观空间结 构进行综合和多层次分析 谷东起等应用3 s 技术分析了朝阳港渴湖湿地景观格 局演变 谷东起 2 0 0 5 g i s 的发展与应用为景观生态学研究提供了重要的手 段与数据来源 并在景观生态系统结构与功能分析 景观空间格局描述与景观变 化模拟 景观生态监测与研究 景观生态设计与规划以及景观生态保护与管理等 方面起着越来越重要的作用 3 1 地理概况 第三章研究区概况 研究区玛曲县位于黄河上游 甘肃省西南部 甘 青 川三省交界处 地理 位置属青藏高原东端 3 3 0 6 7 3 0 一3 4 3 0 1 5 n 1 0 0 4 5 4 5 1 0 2 2 9 7 0 0 e 海拔介于3 3 0 0 4 8 0 6m 之间 卡召加 2 0 0 5 总的地形结构是西 北 东南低 黄河由南 东 北环绕而过 形成 九曲黄河 第一湾 全境流程 4 3 3k a n 流域面积达8 8 5 0 万h m 2 陆地发育良好 沿岸有开阔的滩地 全县总 面积9 6 0 5 万i n n 2 90 年代拥有天然草场8 5 8 7 万l u n 2 占土地总面积的8 9 5 4 8 2 鳖 2 1 1 1 1 1 i 可利用草场8 3 0 3 万h m 2 占草场总面积的9 67 总人口3 7 1 万人 其中藏族 人口占8 8 戚登臣 2 0 0 7 杨彦斌 2 0 0 7 云学峰 1 9 9 4 3 2 气候概况 附1 玛曲地理位置翻 f i 9 1 t h e l o c a t i o n o f m a q a 玛曲具有明显的高原大陆性气候特点 无四季之分 仅有冷暖二季之别 年 均温1 1 气温稳定通过0 0 表示严冬结束 终期为4 月1 0 日 此时牧草开始 萌动返青 气温下降到0 以下表示严冬开始 始期是1 0 月1 9 日 此后牧草开始稠 萎枯黄 冷季长达1 7 2 天 0 0 的活动积温1 4 0 7 6 气温稳健通过5 0 的初日为 5 月2 3 日 牧草开始正常生长 生长期为1 9 3 天 该地区地形雨较多 年降水量 是6 1 55 r a m 多集中于5 9 月 以8 月份最多 为1 2 0 r a m 由于该地区地处高 原 空气稀薄 能见度大 全年日照时数达2 3 8 3 9 h 牧草生长季内平均日照 6 3 7 3 h 太阳光辐射强 年辐射量1 3 1 1 0 5 k a c m 2 年平均风速2 5 m s 平均八 级以上大风日数7 7 d 云学峰 1 9 9 4 卡召加 2 0 0 5 张龙生 2 0 0 1 刘振恒 2 0 0 2 兰州大学硕 学位论文玛曲县景观格局动态变化研究 i i a 皇曼曼皇邑曼量曼曼曼曼曼曼皇曼量曼曼曼皇皇曼曼皇曼曼量曼曼皇曼皇 璺 3 3 自然概况 研究区属高寒草地典型牧区 是黄河水源涵养重点功能区 草地类型主要有 亚高山草甸草场 灌丛草甸草场 高山草甸草场 草原化草甸草场 沼泽化草甸 草场 沼泽类草场等6 种 其中亚高山草甸草场是该县草场的主体和精华 自古 以来就是 羌中畜牧甲天下 和 亚洲第一草场 的美誉 玛曲成果汇编 1 9 8 7 刘振恒 2 0 0 2 根据中国植被区划 本区植被属于川西藏东高原灌丛草甸区 主要植被类型为寒温带常绿杜鹃灌丛 高山柳金露梅灌丛 沙棘杂草灌丛 金露 梅一甘肃蒿草一杂草灌丛等 杨彦斌 2 0 0 7 灌木主要有高山杜鹃 r h o d o d e n d r o n l a p p o n i c u m 高山柳 国 打c u p u a r i s 金露梅 p o t e n t i l l a f r u t i c o s a 和沙棘 h i p p o p h a e r h a f m o i d e s 等 草本植物主要有矮蒿 草 a r t e m i s i s f e d d e l 线叶嵩草 k o b r e s j ac a p i l l i f o l i a 藏嵩草 k o b r e s i at y b et i c a 珠芽蓼 p o l y g o n u mv iv i p a r u m 高山龙胆 g e nt i a n a a l g i d a 等 戚登臣 2 0 0 7 土壤为高山草甸土 亚高山草甸土 沼泽土 泥炭土 草甸化沼泽土 暗棕 壤等 其中草甸土为本县的代表性土壤 邹学勇 1 9 9 5 4 1 数据来源 第四章技术路线与研究方法 要建立研究的信息数据库 首先必须广泛收集有关研究区的相关资料 如图 件资料等 本研究的主要图件资料包括 1 遥感影像图 1 9 9 5 年8 月l a n d s a tt m 影像 2 0 0 0 年8 月l a n d s a t e t m 影像 2 0 0 6 年8 月l a n d s a tt m 影像 2 中国植被数据集 1 1 0 0 万中国植被数据集 是根据2 0 0 1 年出版的 1 1 0 0 万中国植被图集 数字化而来 数据来源 中国西部环境与生态科学数据中心中国地球系统科学数 1 0 兰州大学硕l 学位论文玛曲县景观格局动态变化研究 据共享网 4 2 数据图像的预处理 4 2 1 波段选择 为了使遥感图像能提供更多的类别和更高的分类精度 要求3 波段合成图像 信息量大 相关性小 冗余度小 图像整体质量高 通过4 3 2 r g b 假彩 色合成进行遥感解译 其影像数据地面分辨率为3 0 m 4 2 2 几何精校正 遥感图像在成像时 由于成像投影方式 传感器外方位元素变化 传感介质 的不均匀 地球曲率 地形起伏 地球旋转等因素的影响 使获得的遥感图像相 对于地表目标存在一定的几何变形 图像上的几何图形与该物体在所选定的地图 投影中的几何图形产生差异 产生了几何形状或位置的失真 主要表现为位移 旋转 缩放 仿射 弯曲和更高阶的歪曲 对于这些图像必须加以校正 以免影 响分析精度 消除这种差异的过程称为几何校正 卫星数据校正的目的是改正原始数据的几何变形 产生一幅符合某种地图投 影或图形表达要求的新图像 几何校正包括系统误差改正和几何精校正 系统误 差改正是对一些系统误差按实际测定的参数 如传感器姿态 传感器运行至各个 摄站时刻 传感器内部结构的几何偏移等加以改正 几何精校正是指当系统误差 改正后 影像上还有残剩误差 包括残剩的系统误差和偶然误差 一般用地面控 制点作进一步的几何处理 常用的校正方法有物理模型纠正 多项式纠正 利用 d e m 进行正射纠正 分块多项式纠正等 本研究利用e r d a si m a g n e 中的几何校正模块 g e o m e t d c sc o r r e c t i o nt 0 0 1 进行几何精校正操作 几何校正运用多项式变换模型 p o l y n o m i a l 及三次方卷积 插值 c u b i cc o n v o l u t i o n 的重采样方法来计算 在调用多项式变换模型时 需要 确定多项式的次方数 本研究选择三次多项式校正 公式为 工 a d 口 口秒 口j 酽 a 4 x y a j 尹 口6 矿 口西f v 口孚y p 口9 1 p y b o bi x b 2 y b 拷z b 4 x y b z l 乏 b 0 亡 b z x 2 y b0 产 b 函 a 兰州大学硕十学位论文玛f f 县景观格局动态变化研究 式中 工 y 代表某像素原始图像坐标 x y 代表同名像素的地面坐标 多项 式系数a f b j i j o i 2 何一助一般可有两种方法求得 一是用可预测的 图像变形参数构成 是利用己知控制点的坐标按最小二乘法原理求解 合理选取控制点 g c p 是几何校正的关键 控制点的最少数目应为 n 1 n 2 妮 式中n 为多项式次数 控制点应选取图像上易分辨且较精细的特征点 如道路交叉点 河流弯曲或分叉处等 特征变化大的地区应多选些 图像边缘部 分一定要选取控制点 尽可能满幅均匀选取 初选控制点后还需进行控制点对匹 配精度的检验 剔除那些匹配误差超限的像元 误差限额一般为 0 5 个像元 本研究以中国环境监测总站分发的具有坐标和投影的影像作为待纠影像纠 正时的控制影像 所选用的投影参数为 p r o j e c t i o nt y p e a l b e r sc o n i c a le q u a l a r e a d a t u mn a m e u n d e f m e d s p h e r o i dn a m e k r o s o v s k y l a t i t u d eo f1 s ts t a n d a r dp a r a l l e l 2 5 00 l a t i t u d eo f1 s ts t a n d a r dp a r a l l e l 4 7 00 l o n g i t u d eo fc e n t r a lm e r i d i a n 1 1 0 0 0 l a t i t u d eo fo r i g i no fp r o j e c t i o n 1 2 00 f a l s ee a s t i n ga tc e n t r a lm e r i d i a n 0 f a l s en o r t h i n ga to r i g i n 0 每幅影像至少选取控制点共有5 0 个 n 3 控制点的最少数目为1 0 校正 误差小于0 5 个象元 最后选用三次多项式进行坐标的变换 采用三次方卷积插 值法进行重采样 完成几何精校正 4 3 试验应用工具 软件 至 e r d a s 软件平台 用于遥感数据的处理 如图像的合成 几何纠 正 增强等 虿 f r a g s t a t s 统计和计算了玛曲县景观生态空间格局相关指数 主 要是斑块的面积 周长 斑块分维数 景观多样性指数 景观破碎化指数等 分 析不同的景观要素内部以及景观要素之间的结构特征 a r c g i s 软件 用于图斑 数据的分析处理 其他辅助软件如e x c e l w o r d 等 兰州大学硕士学位论文 玛曲县景观格局动态变化研究 曼曼曼皇l i 一i i i i 一一一皇 硬件 数据库建设所用服务器配置采用中央处理器 c p p 42 0 g 内存 5 1 2 m b 硬盘1 2 0 g 及中央处理器 c p u p m 8 0 0 以上 内存2 5 6 m b 硬盘1 2 0 g 的计算机1 台 4 4 技术路线 兰州人学硕上学位论文玛f l l l 县景观格局动态变化研究 图2 技术流程图 f i g2f l o wc h a r to ft e c h n i c a l 以校正后的遥感影像图 土地利用图及地形图等图件为底图 应用a r c g i s 软件对各底图进行必要的处理 根据景观斑块的划分标准 并借助与a r c 唧 地理信息系统平台的支持 获得2 0 0 1 和2 0 0 5 年景观斑块类型图 形成各景观要 素专题图 获取空间分析数据库 并提取所需数据信息 然后利用景观分析软件 f r a g s t a t s 对所得数据进行统计与运算 求出各参数并进行相关分析 4 5 玛曲县景观空间格局指标的选取及其计算方法 景观指数是指能够高度浓缩景观格局信息 反映其结构组成和空间配置某些 方面特征的简单定量指标 景观空间格局变化的定量分析可以从景观指数的变化 上反映出来 景观格局特征可以在3 个层次上分析 1 单个斑块 i n d i v i d u a l p a t c h 2 有由若干个斑块组成的斑块类型 p a t c ht y p e 或c l a s s 以及 3 包括若干斑块类型的整个景观镶嵌体 1 a n d s c a p em o s a i c 因此 景观格局指数 亦可相应的分为斑块水平指数 p a t c h l e v e li n d e x 斑块类型水平指数 c l a s s l e v e l i n d e x 以及景观水平指数 1 a n d s c a p e 1 e v e li n d e x 斑块指数往往是作为计算其 它景观指数的基础 而其本身对了解整个景观的结构并不具有很大的解释价值 然而 斑块指数提供的信息有时还是很有用的 例如 每一生境斑块的大小 内 部生境数量或生境核心区的大小对于研究某些物种的存活率和种群动态有着重 要的意义 斑块水平上的指数包括与单个斑块面积 形状 边界特征以及距其它 斑块远近有关的一系列简单指数 在斑块类型水平上 因为同一类型常常包括许 多斑块 所以可相应地计算一些统计学指标 如斑块的平均面积 平均形状指数 面积和形状指数标准差等等 此外 与斑块密度和空间相对位置有关的指数对 描述和理解景观中不同类型斑块的格局特征很重要 例如斑块密度 单位面积的 斑块数目 边界密度 单位面积的斑块边界数量 斑块镶嵌体形状指数 平均 最近邻近体指数等 在景观水平上 除了以上各种斑块类型水平指数外 还可以 计算各种多样性指数 如s h a n n o n w e a v e r 多样性指数 s i m p s o n 多样性指数 均 匀度指数等 和聚集度指数 1 4 兰州大学硕士学位论文玛曲县景观格局动态变化研究 皇皇i i 一 一m 一 1 1 1 i o 曼皇曼皇曼曼 4 5 1 斑块面积 c a 和周长 p 斑块大小是最易看到的特征 直接影响着景观的生物量 养分贮存和物种数 量 制约着景观能量和物质循环 斑块面积和周长是测度斑块大小的重要尺度 物种多样性与景观斑块面积显著相关 斑块类型面积指数 反映景观的要素 要反映景观的格局变化 往往需要首 先了解斑块的面积大小表达式 翻2 酬志卜历2 式中 f 为斑块类型 i 1 m 为斑块数目 j l o9n a f 为斑块 西的面积 m 2 o 斑块周长是一个重要的斑块形态参数 因为斑块边缘的曲折 长短与斑块之 间的边缘效应大小有关 一般用斑块内核与边缘部分的比值来反映边缘效应的大 小 各景观类型的斑块总长度与平均长度都是景观结构研究中常见的统计参数 反映了景观的分割程度和各景观要素问的接触关系及各种扩散过程的可能性 这 组指标包括最大斑块面积 最小斑块面积 斑块平均面积 斑块面积标准差 景 观相似性指数和最大斑块周长 最小斑块周长 斑块平均周长 周长标准差 其 中斑块平均面积是一个比较