景观生态学课件5土地景观动态过程及模型教学资料

1、 .景观变化的空间过程景观变化的空间过程 在自然景观和人类无计划活动作用下所产生的 景观变化包括五种空间过程：穿孔、分割、破碎、 缩小和消失 三、景观变化的空间模式三、景观变化的空间模式 o提出景观变化的种空间模式，即边 缘式、廊道式、但核心式、多核心式、散布式、随 机式。 o边缘式边缘式是指新的景观类型从一个边缘向另一 个单向地呈平行带状蔓延，景观变化从一个 边缘开始。 o廊道式廊道式是指新的廊道在开始时把原来的景观 一分为二，从廊道的两边向外扩张。 o单核心式单核心式是指从景观的一点或一个核心处蔓 延。 o多核心式多核心式是指从景观中的几个点蔓延，如居 民点或外来物种的入侵。 o散布式散布

2、式是指新的斑块广泛散布。 四、土地利用覆盖变化四、土地利用覆盖变化 .土地利用覆被变化研究框架土地利用覆被变化研究框架 土地利用和土地覆盖变化是影响景观结 构、功能及动态变化的最普遍的主导因素之 一，涉及对人类活动影响的量化评价。土地 利用与覆盖变化已成为景观生态学和全球生 态学中极重要和具有挑战性的研究领域之一。 .生态效应研究生态效应研究 o主要主题包括：区域全球粮食保障；全球 气候变化对区域土地水资源利用的影响； 气候的可变化性及区域脆弱性；后京都协议 中的碳问题；区域生物多样性的丧失；社会 和环境中的脆弱区。 第二节 土地景观变化模型 一、模型的含义一、模型的含义 是某种对现实系统或现

3、象的抽是某种对现实系统或现象的抽 象或简化；象或简化； 具体地说，模型是对真实系统具体地说，模型是对真实系统 或现象最重要的组成单元及其相互或现象最重要的组成单元及其相互 关系的表述。关系的表述。 模型的定义模型的定义 , 预测预测 , 增强理解增强理解 , 诊断现有知识中的重要环节或薄弱诊断现有知识中的重要环节或薄弱 环节环节 , 简化和综合的工具简化和综合的工具 转化转化“信息信息”为为“知识知识” , 支持管理和决策支持管理和决策 模型的重要作用模型的重要作用 二、模型的种类二、模型的种类 , 根据计算机在建模中的作用根据计算机在建模中的作用 解析模型与模拟模型解析模型与模拟模型 , 根

4、据时间上和空间上的连续性根据时间上和空间上的连续性 连续型模型和离散型模型连续型模型和离散型模型 , 根据数学方法根据数学方法 微分方程、差分方程和矩阵模型微分方程、差分方程和矩阵模型 , 根据是否含有随机变量或参数根据是否含有随机变量或参数 随机型模型和确定型模型随机型模型和确定型模型 , 根据模型所涉及的生态学过程和机制根据模型所涉及的生态学过程和机制 的多少的多少 现象学模型和机制或过程模型现象学模型和机制或过程模型 , 根据模型的内容根据模型的内容 干扰传播模型、复合种群模型、植被动干扰传播模型、复合种群模型、植被动 态模型、土地利用变化模型以及生物地球态模型、土地利用变化模型以及生物

5、地球 化学循环模型等化学循环模型等 , 根据模型所涉及的生态学组织层次根据模型所涉及的生态学组织层次 生理生态模型、种群模型、群落模型、生生理生态模型、种群模型、群落模型、生 态系统模型，景观模型以及全球模型等态系统模型，景观模型以及全球模型等 , 根据模型包含空间异质性的程度或处理空间根据模型包含空间异质性的程度或处理空间 信息的方式信息的方式 点模型或非空间模型，半空间模型或准空间点模型或非空间模型，半空间模型或准空间 模型，以及空间显式模型或空间模型模型，以及空间显式模型或空间模型 三、生态学建模的一般原理和过程三、生态学建模的一般原理和过程 o生态学建模的一般原理生态学建模的一般原理

6、o生态学模型是科学和艺术的结合生态学模型是科学和艺术的结合 “艺术艺术”成分是指整个建模过程包含许多人为或成分是指整个建模过程包含许多人为或 主观因素，决定了同样的一个真实系统可以用不主观因素，决定了同样的一个真实系统可以用不 同的风格或不同类型的模型来描述。同的风格或不同类型的模型来描述。 “科学科学”成分指反映系统或现象的客观现实。但模成分指反映系统或现象的客观现实。但模 型的目的不是型的目的不是“复制复制”现实，而是为理解和预测现实，而是为理解和预测 复杂的现实系统提供一个有效的代替。复杂的现实系统提供一个有效的代替。 oLevins（1966）提出了关于生态学建模）提出了关于生态学建模

7、 的的“三分三分”观点：观点： 普遍性普遍性 准确性准确性 真实性真实性 oLevins（1966）提出了关于生态学建模）提出了关于生态学建模 的的“三分三分”观点：观点： 普遍性普遍性 指其能够代表的系指其能够代表的系 统或现象的总数统或现象的总数 oLevins（1966）提出了关于生态学建模）提出了关于生态学建模 的的“三分三分”观点：观点： 普遍性普遍性 准确性准确性指模型输出结果与真实指模型输出结果与真实 系统观察值的吻合程度系统观察值的吻合程度 oLevins（1966）提出了关于生态学建模）提出了关于生态学建模 的的“三分三分”观点：观点： 普遍性普遍性 准确性准确性 真实性真实

8、性 指模型的结构（包括变量、指模型的结构（包括变量、 参数、定量关系以及假设）参数、定量关系以及假设） 与真实系统的相似程度。与真实系统的相似程度。 生生 态态 学学 建建 模模 的的 一一 般般 过过 程程 建 立 概 念 模 型 （ 1 ） 明 确 地 定 义 所 研 究 的 问 题 （ 2 ） 确 定 建 模 目 的 （ 3 ） 确 定 系 统 边 界 （ 4 ） 建 立 因 果 关 系 图 建 立 定 量 模 型 （ 或 概 念 模 型 的 定 量 化 ） （ 1 ） 选 用 适 当 的 数 学 方 法 （ 2 ） 确 定 变 量 间 的 函 数 关 系 （ 3 ） 估 计 参 数 值

9、 （ 4 ） 编 写 计 算 机 程 序 （ 5 ） 确 定 模 拟 的 时 间 步 长 （ 6 ） 运 行 模 型 ， 获 得 最 终 结 果 模 型 检 验 模 型 确 认 （ m o d e l v e r if ic a tio n ） ： 仔 细 检 查 数 学 公 式 和 计 算 机 程 序 模 型 验 证 （ m o d e l v a lid a t in g ） ： （ 1 ） 对 模 型 结 构 和 变 量 间 关 系 合 理 性 的 检 验 （ 2 ） 模 型 输 出 结 果 与 实 际 值 的 直 接 比 较 （ 3 ） 模 型 的 敏 感 性 分 析 （ s e n

10、s itiv ity a n a ly s is ） （ 4 ） 模 型 的 不 确 定 性 分 析 （ u n c e r ta in ty a n a ly s is ） 注 ： 这 并 非 意 味 着 一 个 模 型 必 须 要 经 过 上 述 多 种 方 法 的 检 验 ， 但 多 种 方 法 为 模 型 检 验 提 供 了 必 要 的 选 择 余 地 （ 详 见R y k iel， 1 9 9 6 ） 。 模 型 的 应 用 （ 1 ） 设 计 和 执 行 模 拟 实 验 （ 2 ） 分 析 、 综 合 和 解 译 模 型 结 果 （ 3 ） 与 生 态 学 同 行 或 应 用 领

11、域 的 对 象 交 流 模 型 结 果 并 征 求 改 进 意 见 ， 发 表 论 文 和 专 著 。 数据库的建立数据库的建立 遥感图像遥感图像：航空像片、卫星图像航空像片、卫星图像 空间数据空间数据：包括植被图、土地利用图、土壤图、地包括植被图、土地利用图、土壤图、地 形图等，以及由此生成的一些图，如坡度图、坡向形图等，以及由此生成的一些图，如坡度图、坡向 图。一般以矢量或栅格形式储存。图。一般以矢量或栅格形式储存。 文献数据和统计资料文献数据和统计资料：文献数据主要是与所要模拟文献数据主要是与所要模拟 的景观过程有关的变量数据和参数值；统计资料包的景观过程有关的变量数据和参数值；统计资料

12、包 括工农业统计数据、年鉴、森林资源清查数据等。括工农业统计数据、年鉴、森林资源清查数据等。 气象数据气象数据：主要有温度、降水量和太阳辐射等。主要有温度、降水量和太阳辐射等。 1 1景观模型的重要性和必要性景观模型的重要性和必要性 受时间、空间以及设备和资金的限制，在景受时间、空间以及设备和资金的限制，在景 观水平上进行实验和观测研究往往困难重重。观水平上进行实验和观测研究往往困难重重。 在实际景观研究中，很难找到两个在时间和在实际景观研究中，很难找到两个在时间和 空间上相同或相似的景观，重复性研究往往空间上相同或相似的景观，重复性研究往往 不可能。不可能。 景观格局和过程在多重尺度上相互作

13、用、不景观格局和过程在多重尺度上相互作用、不 断变化。断变化。 景观模型可以综合不同时间和空间尺度上、景观模型可以综合不同时间和空间尺度上、 不同学科、不同格局与过程的信息，成为环不同学科、不同格局与过程的信息，成为环 境保护和资源管理的有效工具。境保护和资源管理的有效工具。 四、景观模型的主要类型及特征四、景观模型的主要类型及特征 2 2 景观模型的主要类型景观模型的主要类型 o非空间景观模型非空间景观模型：完全不考虑所研究地区完全不考虑所研究地区 的空间异质性结构或假定空间均质性或随机性。的空间异质性结构或假定空间均质性或随机性。 o准空间景观模型准空间景观模型：通常考虑空间异质性的通常考

14、虑空间异质性的 统计学特征。统计学特征。 o空间显式景观模型空间显式景观模型：明确考虑所研究对象明确考虑所研究对象 和过程的空间位置和它们在空间上的相互作用和过程的空间位置和它们在空间上的相互作用 关系。关系。 3 3景观空间模型的类型及其特征景观空间模型的类型及其特征 景观空间模型可以根据其处理空间信息的方式景观空间模型可以根据其处理空间信息的方式 分为两大类：分为两大类： （1 1）栅格型景观模型栅格型景观模型 （grid-based landscape model） （2 2）矢量型景观模型矢量型景观模型 （vector-based landscape model） F 格式（栅格或矢量

15、）格式（栅格或矢量） F 栅格的大小或分辨率栅格的大小或分辨率 F 模型变量模型变量 F 变化的算法变化的算法 建立景观空间模型必须确定建立景观空间模型必须确定 第三节 土地利用覆盖变化的生态效应 分析 o土地利用和土地覆盖变化所引起的环境变化 及后果，即生态环境效应，已成为 研究的主要研究内容。 一、数据与方法一、数据与方法 o土地利用覆盖变化所导致的土地退化过程土地利用覆盖变化所导致的土地退化过程 评价框架包括五部分：辨识中国土地退化过评价框架包括五部分：辨识中国土地退化过 程、构建土地退化过程评价指标体系，建立程、构建土地退化过程评价指标体系，建立 土地退化指数，中国土地退化发展趋势分析

16、土地退化指数，中国土地退化发展趋势分析 和中国土地退化的防治对策。和中国土地退化的防治对策。 .数据 o利用遥感数据获得的土地利用土地覆盖变 化的信息，可以监测到土地退化的发生或发 展情况。 o世纪年代中后期，以县为单位的， 遥感资料和大比例尺地形图。 .土地资源退化过程辨析土地资源退化过程辨析 o土地退化的质变过程是生产力或生态服务功 能高的土地资源类型向难以利用或生产力极 低的沙地、裸土地、盐碱地和非农用地等类 型的转化过程，另外还包括陆地“三大”生 命支持系统森琳、天然草地和湿地资源 的丧失过程。 土地退化评价指标层次结构体系 .土地资源退化指数 o单一土地利用类型的退化指数：单一土地利用类型的退化指数： o每种土地资源退化过程指数Bi，Bi反映某一土地 退化过程，如沙漠化的状况，计算公式为： o土地资源总体退化指数：土地资源总体退化指数： ）（ 土地资源退化空间分析土地资源退化空间分析 o 利用A