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地理信息系统 结课论文 GIS在景观生态学方面的应用 GIS在景观生态学方面的应用 摘要： GIS技术在很大程度上改变了景观生态学的研究方式，也逐渐成为景观生态学的特征之一。其在景观生态学的应用有：景观生态的分类，景观生态系统空间模拟，数据分析应用，景观生态规划与管理等。本文简要说明了地理信息系统和景观生态学两门学科之间的关系，概括性论述了地理信息系统这种智能化高技术在景观生态学中的应用，探讨了地理信息技术在现代社会条件下对景观生态方向的发展和对景观生态研究方面的应用潜力。 关键词：GIS技术 景观生态 景观规划 景观设计 应用潜力 地理信息系统(因英文名称为geographic information system故又被简称GIS）有时又称为“地学信息系统”或“资源与环境信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统1。景观生态学是研究景观的结构,功能和变化及景观规划管理的学科,它是地理学和生态学相结合的产物2。1 景观生态学概述景观的定义有多种表达但大都是反映内陆地形,地貌或景色的诸如森林,草原之类,或是反映某一地理区域的综合地形特征,景观在生态学上的定义有狭义和广义之分:狭义的景观主要指在几十千米到几百千米的范围内,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,同时反映气候、地理、生物、经济、社会和文化综合特征的景观复合体相应地称为区域,狭义景观和区域也是人们通常所指的宏观景观;而广义的景观是指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,广义的景观强调空间异质性,景观的绝对空间尺度随研究对象、方法和目的的不同而生变化3。广义景观体现了生态系统的多尺度和等级结构的特征,有助于多学科、多途径的研究。 因此,广义的景观概念被越来越多的生态学家所采用。景观生态学强调空间格局,生态学过程和尺度之间的相互作用,目前,对人类活动、生态系统结构和功能的整合也是景观生态学的重要特点和研究趋势。景观生态学的研究对象和内容可概括为3个方面: 一是景观结构,即景观组成单元的类型、多样性及其空间关系。二是景观功能, 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。三是景观动态, 即指景观在结构和功能方面随时间的变化。2 地理信息系统及其特点 地理信息系统是一种用来捕捉、储存、合成、处理、分析和表示具有地理坐标属性的空间数据的操系统,它是由计算机硬件系统,计算机软件系统及组织管理系统所组成。它具有以下3个特征:一是具有采集、管理、分析和输出多种地学空间信息能力,具有空间性和动态性。二是以地学研究和地学决策为目的,以地学模型方法为手段,具有区域空间多要素 合分析和动态预测能力,产生高层次高质量的派生信息三是由计算机系统支持进空间数据管理,并由计算机程序模拟,获得专门数据的地学分析方法或模型,作用于空间数据产生有用信息,快速准确地提供科学决策依据。3 地理信息系统在景观生态学中的应用 景观生态学的研究实际上是对一组生态系统的空间性质及其相互关系的研究。大量空间数据的获取、分析和处理是景观生态研究的重要特征。景观生态学的这些特点使得GIS成为必要的研究工具, 而且这种研究工具不是一般性的, 而是成为景观生态学研究的支柱之一。景观生态学的许多数学方法和GIS的内在联系就是很好的例证。例如, 景观结构单元中的斑块、廊道、节点和网络,与矢量数据模型的基本要素多边形、弧、节点和网络有明显的对应关系。这样的例子还有很多。GIS在景观生态学中的应用主要是根据GIS软件的特点和景观生态学的学科特点,将GIS在景观生态学中的应用划分为景观生态管理和景观生态设计两方面。3.1 在景观生态管理中的应用 景观生态管理主要体现在与生态实践密切相关的景观生态规划工作方面,如国土整治和生态建设规划,区域生态环境的动态监测和预测预报等方面。3.11 土地整理及土地利用方面 (1)以北京市怀柔区的土地整理项目为例,先利用GIS软件ARC/INFO将土地利用现状图和实施后殿的土地利用图数字化,再利用Fragstats软件进行土地整理实施前后的景观格局分析, 分析景观格局变化后的景观效应。其分析结果表明,土地整理使景观中原有的离散小块转变成以少数大斑块为主或同一类型斑块相互连接,引起整个景的边缘密度、景观形状指数和分离度指数降低;也造成景观多样性和均匀性指数变低,说明土地整理在减轻景观破碎化的同时也降低了景观多样性4。 (2)以研究岷江上游汶川县耕地景观变化及空间驱动力为例,先利用ARCGIS9.0将研究区1100000地形图上的等高线、道路信息提取出来,再应用等高线生成数字高程模型(DEM),应用DEM图生成坡度、坡向栅格图(网格30m30m),再应用4期景观类型图提取居民点和河流层,在ARCGIS9.0扩展模板Spatial analysis支持下,分别生成道路、居民点和河流距离的栅格图层(网格30m30m)。接着利用景观生态学中的景观指数分析法和Kappa指数分析法对经过ARCGIS处理的数据进行分析(利用Fragstats)5。 (3)在土地利用调查的基本流程中,在数据正式递交之前, 需对数据进行一致性检查,因为最终数据质量的好坏关系到调查成果的应用价值,直接决定这是否能达到调查的目标和要求,而利用Arcgis的空间分析功能就能实现。比如可以用Arcgis的空间分析功能对数据进行质量检查,该方法方便、快捷,可大量节省工作时间。并且Arcgis的其他空间分析功能如缓冲区分析、叠加分析、属性查询和空间位置查询等都是很有用的工具,只要能结合土地利用调查过程中具体需求,也能发挥相应的作用。 3.12 景观评价方面 景观评价是景观规划的核心环节, 是形成合理规划方案的基础。 (1)新加坡国立大学的校园建设对原有的绿地产生影响, 导致绿地面积的减少,校园环境温度上升。Wong Nyuk Hien和Steve Kardinal Jusuf应用GIS对校园内的绿地景观进行了评价,发现按照2005年的校园建设计划,其绿地覆盖率将下降3%,从目前的55.10%降至52.31%。作者所采用的主要分析工具就是GIS,因为GIS能将复杂的数据信息转换成容易被决策者和普通大众所理解的较为直观的形式,通过对新加坡国立大学校园的位置平面图与地形数据的叠加,经GIS生成校园的三维模型和相应的数据。(2)在景观规划的过程中,除了要对景观的功能及视觉效果进行考察外,还要从多方面考察景观中出现的新的地理事物对周边环境的影响,再综合得出一个总体性的评价。但目前合理的量化评价标准和模型少,近来通过综合运用了GIS和人工智能的一些关键技术,提出了基于反馈的交互式动态GIS景观评价模型。基于反馈的动态GIS模型的特征有以下3点: 一是对象性,即景观对象和特征抽取及其属性变化;二是动态性,即要考虑时间这一因素;三是交互反馈性6。陶文星在对动态GIS模型进行分析和对原有的4D-GIS模型进行改的基础上提出了一个新的结合了动态GIS技术的基于反馈的交互式景观评价模型。3.13 涉及水体的景观应用:Bunkei Matsushita等人利用在时间上连续的高质量GIS数据研究了1979年至1996年间日本Kusumigaura湖盆的景观结构的变化特征,并利用 FRAGSTATS计算了其景观指数。斑块数量的增加和斑块平均面积的减少说明了 Kusumigaura 湖盆的土地变化的显著特征就是景观 的破碎化现象。其所采用的GIS数据基于 1973 年就开始的全国森林普 查并且是每5年更新一次的。利用3个时期内(1979年,1990年,1996年)的植被图得出时间上连续的3个时期内的土地利用覆盖图。再利用ARCGIS8.2的空间分析模块将矢量图转换成50m栅格单元大小的栅格图,最后将景观类型归纳为10种:水体景观、人工地景观、居住地景观、城市区域景观、稻田景观、犁地景观、高尔夫球场景观、果园景观、林地景观和草地景观。3.2 在景观生态设计中的应用:除某些类型的土地利用优化设计外,景观生态设计一般都要与具体的实践和应用相关联,作为整个设计工程的有机组成部分。目前,景观生态设计主要集中在风景园林规划设计和城市景观规划设计领域。农田景观规划设计是在研究农田景观格局发展过程的基础上,合理安排农田景观要素的空间格局和形态。GIS在农田景观规划设计中的应用主要集中在存储和分析数据、方案决策和模拟方面:凭借GIS强大的空间分析能力进行景观的适宜性评价以辅助农田景观设计;利用GIS的可视化功能并结合景观设计中的各种应用模型,对景观规划结果进行模拟显示和分析,为设计的进一步完善提供信息7。 通过以上对GIS在景观生态学中应用的举例,我们可以了解到GIS对景观生态学的作用不仅仅是一般工具性的作用,而是已经成为景观生态学研究的支柱,GIS实际上已经成为了景观生态学的研究方法,特别是在景观生态学数量化方