第七章+景观数量化研究方法与手段.ppt

第七章景观数量化研究方法与手段,重点,了解景观量化研究的内容、主要方法理解常用的工具手段,景观生态学的许多方法源于地统计学、地理学、生态学。图像处理、地理信息系统、空间分析和分形几何是解释景观复杂性最通用的方法。,第一节野外调查与观测,野外调查和观测类型：（1）传统的野外调查方法；（2）以航片为主的方法，从野外工作开始，形成有限的、稍加描述的解译图例，然后再进行真正的航片解译；（3）以航片为指导的方法，从航片解译开始，在后期野外工作中用来指导采用分区。,卫星遥感应用流程,1定位和对参考资料的研究在调查之前，应进行总体的定位，收集地形图和专题地图，对调查区及其周围环境的各种地理学和生态学文献进一步加以研究。,2航片（卫片）浏览、分析，初步图例准备,对所有遥感图像及其最佳用途和可能用途进行总体编目。步骤：（1）对航片或其它遥感图片的快速浏览，对研究区进行初步的分析；（2）航片分析，包括影像数据的处理；（3）为航片（卫片）的解译设计一个概括性的初步图例。精度问题：专家系统,3初步影像解译和综合,航片或其它遥感图像的首要作用在于为调查区分区，提高调查的精度和有效性。,4野外调查与采样,景观调查的野外工作主要是对野外采样点的描述，包括土壤、植被、地貌、土地利用类型，以及地质、水文、动物及其它相关属性信息，以获得精确而可靠的资料来描述图像解译单元，进而将它们转化成景观类型。为了进行统计处理，一般采用随机采样方法来收集数据。减少样本量的方法是以图像解译结果为基础，进行分区采样。,5最终景观图的绘制,地图上的每一个图斑都要有一种颜色和一个图形符号。图形符号非常重要，在一幅有着多种过渡信息的地图上颜色的数量会很多。,6评价,对景观类型图的评价包括对遥感影像解译精度的评价和对制图单元描述的准确性。精度的评价一般是在景观类型图上随机选取若干个样点，然后到野外核对是否与解译结果相一致。,第二节遥感方法,1遥感的数据源和记录格式一般有两种：胶片格式；计算机兼容磁带数据格式,2遥感在景观生态学中的应用领域分析,遥感能够提供的信息：植被类型及其分布、土地利用类型及其面积、生物量分布、土壤类型及其水分特征、群落蒸腾量、叶面积指数及叶绿素含量等。高光谱分辨率遥感的发展和热红外遥感技术的应用。,遥感应用分类,（1）植被和土地利用分类；（2）生态系统和景观特征的定量化：不同尺度上板块的空间格局；植被的结构特征、生境特征和生物量；干扰的范围、严重程度和频率；生态系统中生理过程的特征（光合作用、蒸发蒸腾作用、水分含量）；（3）景观动态和生态系统管理。土地利用在时间和空间上的变化；植被动态（包括群落演替）；景观对认为干扰和全球气候变化的反应。,3景观遥感分类的基本方法,利用遥感技术进行景观分类，是研究景观格局、景观变化的重要手段，景观遥感分类一般包括分类体系的建立和实现分类两部分。,（1）数据收集和预处理遥感影像的预处理一般包括大气矫正、几何校正、光谱比值、主成分、植被成分、缨帽变换、条纹消除和质地分析等。主成分分析通过降低空间维数，在数据信息的损失最低的前提下，消除或减少波段数据的重复，降低波段间的相关性；同时，还能够加快计算机分类的速度。,（2）选择训练区与GPS定位在遥感影像图上，均匀地选取各景观类型的训练区。对野外调查采用GPS进行地理定位。（3）遥感影像分类遥感图像的计算机分类，时就根据像元特征值，将任一个像元划归最合适的类别的过程。分为非监督和监督分类。（4）分类结果的后处理包括光滑或过滤、几何校正、矢量化及人机交互解译等。,（5）分类精度评价通常采用选取有代表性的检验区的方法监督分类的训练区：训练区只能反映训练地点的同质性和训练类别间的差异性，不能真正反映分类结果的准确度。指定的同质检验区：在选择训练区是，多选取一些，监督分类时，只使用其中的部分训练区，其余的训练区用于对分类结果进行精度估计。随机选取检验区：在整个影像上随机抽取，与分类结果图进行对比，看是否与实际相符。,第三节地理信息系统方法,1地理信息系统的基本概念是在计算机支持下，对空间数据进行采集、存储、检索、运算、显示和分析的管理系统。空间数据是各种地理特征和现象间的符号化表示，包括空间位置、属性特征和时间特征,2地理信息系统的数据结构在数据库中数据组织的结构称为数据结构，它有效地表达各数据项间的关系。（1）矢量结构主要用于表示在线化地图中，基本的数据元素为点、向量、线段和多边形。向量由连接两点而构成，从起点到终点构成一定的方向性。多边形表示面状空间实体的空间分布，是由一条或若干条线段组成的闭合范围。,（2）栅格结构栅格数据结构是将连续空间离散化，通常是将工作区均匀地划分为栅格而构成网格结构。网格的行列号隐含了空间实体店空间分布位置，对每个网格单元记录相应空间实体的属性值。（3）层次结构是为了有效地压缩栅格结构数据，并提高数据存储的效率而出现的一种新的数据结构。,3地理信息系统的功能,（1）空间数据的录入包括数据转换、遥感数据处理、数字测量等。（2）空间数据的查询查询包括两种形式，由属性数据查找空间位置及由空间位置查找属性数据。按照地物的空间关系的查询方式：空间关系查询和地址匹配查询。,（3）空间数据分析分为：基于空间图形数据的分析、基于非空间属性数据的分析和两者的联合分析。通常采用逻辑运算、数理统计分析和代数运算等数学手段。空间分析的基本功能，包括缓冲区分析、叠加分析、路径分析及空间数据的合并和派生等。,地图叠加,把两幅或多幅地图进行叠加以生成新的地图的操作相同的空间尺度只能同时叠加两幅地图，但可连续操作叠加的结果：几何形状改变属性改变,数据的运算,地图叠加：要素类型,点与多边型叠加输出地图包含输入地图相同的点要素，但点的属性已为其落入的多边形的属性,A,B,1,2,1A,2B,+,=,A,B,1,1A,1B,+,=,地图叠加：要素类型,线与多边型叠加,地图叠加：要素类型,多边形与多边型叠加,A,B,+,=,1,2,1A,1B,2A,2B,地图叠加操作：ArcView为例,输入地图与叠加地图具有相同的范围，则输出地图也具有相同的范围。输入地图与叠加地图范围不同，则依赖于地图叠加操作方法。方法联合相交层叠加,地图叠加操作：联合,OR,=,地图叠加操作：相交,AND,=,地图叠加操作：层叠加,+,=,(输入地图)AND(叠加地图)OR(输入地图),地图叠加：破碎多边形处理,在地图叠加过程中，沿着两个输入地图的共同边界出现的极小多边形。原因数字化原地图误差遥感解译野外调查消除方法设置模糊容差最小制图单元,地图操作,边界融合(Dissolve)裁剪(Clip)合并(Merge),地图操作：融合,消除具有相同属性的多边形边界（数据分类）,1,1,2,4,1,3,3,1,2,4,1,3,地图操作：裁剪,落入裁减区域范围内的输入地图要素,地图操作：合并,两幅获两幅以上的地图拼接成新图,合并,空间量算,几何量算距离量算形状量算质心量算,空间量算：几何量算,含义：点：0维坐标线：1维，长度、曲率、方向面：2维，面积、周长等体：3维，表面积、体积等线长度计算矢量：两点之间的直线距离，复合线段累加求和栅格：网格数目累加面积计算矢量：几何交叉求积（坐标法）栅格：相同属性值的格网数目与格网面积的乘积,空间量算：质心量算,定义：目标的半径位置或保持均匀的平衡点，一般为多边形的几何中心或质心。计算公式：i为离散目标，w为权重，x，y为目标坐标应用跟踪某些地理分布的变化，如人口变迁、土地类型变化等。简化复杂目标的模型建立等,空间量算：距离量算,含义：距离描述了空间对象之间的接近程度。地理空间上的距离所描述的对象一定发生在地理空间上。,空间量算：距离量算,n维匀质空间广义距离公式,距离计算公式,n维非匀质空间距离计算,q=2，二维欧氏距离,q=1，曼哈顿距离,q=0.6,非殴氏距离,空间量算：形状分析,基本考虑：空间完整性、多边形形状特征,空间量算：形状分析,空间完整性：欧拉数U=a-b,a：被区域包含的多边形（或岛）；b：由岛组成的区域U0时区域比较完整；U0时区域比较破碎,a=0，b=5，U=-5,a=3，b=1，U=2,栅格图层的叠加在栅格地理信息系统中，建立不同数据层面之间的数学联系是GIS的一个典型功能。叠加分析包括三种类型：常数与数据层面的代数运算；数据层面的数学变换（指数、对数、三角变换等）；数据层间的代数运算（加减乘除、乘方等）和逻辑运算（与、或、非、异等）。,（4）空间数据的更新与显示运用地理信息系统，可以只对局部空间数据进行更新，从而给数据的更新提供了极大的方便，也使成本大大降低。空间数据的显示是将点、线、面状地物以符号或色彩等形式在计算机屏幕上显示出来，以便于数据的修改和空间查询。,（5）空间数据的打印输出通过绘图仪、打印机等设备输出。（6）地理信息系统的其他功能还具备对空间数据局部删除、局部截取和分割等功能。,4常用的GIS工具软件,DesktopArc/Info主要包括ArcMap（地图数据的显示、查询和分析）、ArcCatalog（对数据的定位、浏览和空间数据管理）、ArcToolbox（常用数据分析称护理功能组成的工具箱）；ArcViewGIS桌面地理信息系统，实现了对地图数据、属性数据、统计图和开发语言等多种文档的管理。MapGIS是由中国地质大学开发的，基本功能模块包括：数据输入、数据处理、数据输出、数据转换、数据库管理、空间分析、图像处理、三维成像模拟等。GeoStar、CityStar。,第四节景观尺度分析,1尺度分析与尺度效应尺度分析与尺度效应研究对应于景观格局的分析，对景观的管理和景观规划设计有着重要意义。,尺度变化分析是指小尺度上的景观格局经过尺度的筛选重新组合而形成较大尺度上景观格局的过程。尺度推绎由于景观结构的复杂性和野外观测研究的不可操作性，因而在尺度变换分析过程通常应用遥感、地理信息系统和数学模型等手段。,2尺度研究方法通常采用网格分析法缺点是对景观中廊道的影响很大，使廊道失去其狭长的特征。布仁仓在网格分析的基础上，发展了一种矢量分析法，分别用不同的度量精度来分析景观斑块边界的变化过程，既可保障廊道的连通性，又能最大程度上保障斑块之间的空间相邻关系。,（1）尺度对斑块的影响景观是由空间上镶嵌分布的斑块构成的，在尺度变换过程中，不同大小的斑块具有不同的变化方式，而斑块的变化又决定着景观的其他空间特征。尺度变换不仅影响斑块的大小和形状、还影响景观的斑块数。随空间尺度增加，斑块面积变化率增加。斑块的形状可以通过斑块的周长与面积比值表示，比值越大，表明斑块越复杂。,（2）尺度对景观面积的影响随尺度的增加，各景观类型的面积都有不同程度的变化。廊道（如河流和水渠等）面积减小，廊道狭窄的部分消失，较宽的部分形成孤立的斑块。居民点的面积减少，主要融入耕地类型，因而耕地面积相应增加。基质增加,（3）尺度对景观多样性的影响尺度变换分析可认为是一种空间信息的筛选过程。（4）最佳尺度选择分维数是用来说明景观类型形状的复杂程度和自相似性的一种景观格局指数。天然植被斑块的分维数一般较高。,第五节地统计学方法,1地统计学的概念及特点在景观生态学研究中，主要用到的是地统计学中的空间局部插值法。以区域化随机变量理论为基础，研究自然现象的空间相关性和依赖性。区域化随机变量考虑系统属性在所