GIS与RS在区域生态质量评价中的应用

1、GIS与RS在区域景观生态质量评价中的应用交流材料新疆环境监测总站编辑课件内容介绍景观生态学概述 1区域景观生态质量评价理论与技术基础 2空间信息处理与分析 3景观格局研究 4景观生态数据获取及分类 区域景观生态质量评价 6区域景观生态质量评价示例57编辑课件景观生态学概述本节主要介绍景观生态学基本原理、理论 什么是景观与景观生态学 景观生态学的建立与发展及其学科地位景观生态学基本原理景观生态学基本理论编辑课件景观生态学概述概念 景观：一个由不同土地单元镶嵌组成，具有明显视觉特征的地理实体；它处于生态系统之上，大地理区域之下的中间尺度；兼具经济、生态和美学价值。(肖笃宁)景观生态学：1939年

2、德国生物地理学家特罗尔Troll提出景观生态学(landscape ecology)研究大尺度空间格局与生态功能过程的关系及其发展 动态的科学，着重于大尺度时空异质性，并关注人类活动的影响。结合了地理学研究自然现象空间关系的“横向”方法和生态学研究生态系统功能关系的“纵向”方法。编辑课件景观生态学概述建立与发展及学科地位 个体生态学种群生态学群落生态学生态系统生态学景观生态学区域生态学全球生态学编辑课件景观生态学概述基本原理 研究内容：结构、功能、动态景观与区域景观与区域、斑块-廊道-基质斑块与廊道自然植被斑块、斑块形状、斑块大小、生态系统间的相互作用镶嵌体景观抗性、粒度大小、景观变化、镶嵌序

3、列、应用分离-聚集、格局编辑课件景观生态学概述基本理论 整体论：是研究尺度效应与生物圈等级组织的理论。系统论：为反独机制，强调动态平衡。生态进化与演替理论。空间分异与生物多样性理论：适应环境分异的结果，同一结果的不同理论表述。景观异质性与异质共生理论：不是最强壮的，而是能与其他生物共生并能与环境协同进化的生物。岛屿生物地理与空间镶嵌理论嵌块体的基础。生物地球化学与景观地球化学理论。生态建设与生态区们理论。主要涉足环境问题与生态规划。 景观格局干扰等级理论时间、空间尺度编辑课件区域景观生态质量评价技术基础信息技术是区域景观生态质量评价的技术基础信息技术：数据处理获取-管理系统-专家系统-决策系统

4、地理信息系统、遥感技术-全球定位技术及三者的集成编辑课件空间信息处理与分析重点介绍信息处理过程、方法 信息系统与地理信息系统空间关系与空间分析数据获取空间数据转换景观格局的空间信息处理与分析 遥感分析、地理空间分析、空间统计分析、景观 格局指数分析、空间模拟编辑课件景观格局研究目的 景观组成和结构景观空间异质性景观斑块的性质和参数的空间相关性空间相互作用景观格局的趋向性空间规律性或梯度景观格局在不同尺度上变化等级结构景观格局与生态过程的相互关系编辑课件景观格局研究景观格局指数景观要素特征指数（斑块性质） 斑块面积、斑块数量、斑块周长景观异质性指数（斑块间的关系） 景观多样性指数、景观优势度、镶

5、嵌度指数、距离指数、景观破碎度、生境碎化指数、景观分离度、编辑课件景观生态数据获取及分类是目前全国生态监测的一项重要工作 注意以下几个方面明确评价的尺度合理选取遥感信息构建与评价尺度相适应的分类体系数据生成尽量突出景观异质性编辑课件区域景观生态质量评价区域景观生态质量评价的目的 系统的了解区域生态环境质量、通过对景观生态系统状态、景观生态系统面临的压力以及人类对景观生态问题的对策的综合性分析，来揭示区域生态系统状况，找出生态系统中的脆弱区域或因子，为区域生态保护和区域生态恢复提供决策支持。 编辑课件区域景观生态质量评价区域景观生态质量评价的尺度 大尺度、中尺度、小尺度评价尺度的影响1、大尺度产

6、生的变化其成因是小尺度开始2、空间尺度的扩展导致时间尺度的放大3、评介比较应在同尺度下进行4、小尺度转化为大尺度时，将产生小尺度异质性过滤评价尺度的选择1、预测性评价建议用大尺度，以30-100m为宜2、评价区的选择要大于最大斑块的3-5倍，以免出现特异性情况 编辑课件区域景观生态质量评价区域景观生态质量评价指标体系框架 生态环境质量评价人口资源状 态响 应压 力污染物排放变化结构活力土地利用方式变化组分格局编辑课件区域景观生态质量评价区域景观生态质量评价方法 一般常用方法：主观判断法、权重法等。层次分析法综合评价方法 编辑课件区域景观生态质量评价遥感信息分析数据源介绍及选择 遥感数据源简介和

7、比较卫星类型制图精度成图比例应用评价NOAA低1:50万适用于宏观大尺度TM较高1：10万适用于宏观区域性中尺度SPOT较高1：5万适用于宏观区域性中小尺度CBERS 较高1：10万适用于宏观区域性中尺度IKONOS高1：5000适用于中小尺度QUIKBIRD高1：2000适用于中小尺度编辑课件区域景观生态质量评价遥感信息分析遥感信息处理与识别 具体技术流程按总站的技术规定和方法，但应注意下列问题：1、要把握评价的尺度。2、处理好不同尺度之间的关系。3、建立一套大尺度 小尺度的系统的分类体系。编辑课件区域景观生态质量评价遥感信息分析DeltaCue模块应用介绍DeltaCue是被设计用于二个不

8、同时相影像之间变化检测一个软件包，是一个广域搜寻模式,将变化像元加亮，提供兴趣区域的改变。即可用于大范围调查，也可用于小区域定点监测，可用于土地利用/覆盖变化、潮位变化、作物监测、损失评估等方面。对高敏感区利用高时相影像通过此模块可客观反映变化趋势，利用决策。编辑课件区域景观生态质量评价遥感信息分析DeltaCue模块应用编辑课件区域景观生态质量评价遥感信息分析DeltaCue模块应用工程文件，自己命名选择传感器时相1影像时相2影像编辑课件区域景观生态质量评价遥感信息分析DeltaCue模块应用变化算法变化极限阈值是否做影像裁剪影像标准化变化检测算法光谱过滤器空间过滤器变化检测过滤编辑课件区域

9、景观生态质量评价遥感信息分析DeltaCue模块应用（变化检测结果时相1）Change Display Viewer编辑课件区域景观生态质量评价遥感信息分析DeltaCue模块应用（变化检测结果时相2）Change Display Viewer编辑课件区域景观生态质量评价遥感信息分析DeltaCue模块应用DeltaCue执行后产生许多过程文件，其中有分类文件，可用于辅助判读。编辑课件区域景观生态质量评价遥感信息分析决策树分类方法 是通过对训练样本进行归纳学习生成决策树或决策规则，然后用其对数据进行分类的一种方法。它主要包括两个过程，一是决策对学习天字过程；二是决策树分类过程。决策树学习过程样

10、本采集属性分割决策树生成决策树修剪决策树评价决策树决策对生成规则规则集编辑课件决策树分类关键技术反射率还原几何校正K-T变换DEM辅助数据处理 样本选取 规则建立、分类 编辑课件区域景观生态质量评价GIS应用ARCGIS中水文工具应用提取流域范围水文分析是DEM数据应用的一个重要方面。利用DEM生成的集水流域和水流网络，成为大多数地表水文分析模型的主要输入数据。基于DEM的地表水文分析的主要内容是利用水文分析工具提取地表水流径流模型的水流方向、汇流累积量、水流长度、河流网络（包括河流网络的分级等）以及对研究区的流域进行分割等。通过对这些基本水文因子的提取和基本水文分析，可以在DEM表面之上再现

11、水流的流动过程，最终完成水文分析过程。编辑课件区域景观生态质量评价GIS应用流域分割的一般步骤编辑课件区域景观生态质量评价GIS应用水文工具应用介绍Flow Direction：水流方向提取Sink：洼地计算Fill：洼地填充Flow Length：水流长度Map Algebra：利用地图代数来进行河网提取Stream Order：河网分级Basin：流域分割工具Watershed：流域分割工具编辑课件区域景观生态质量评价GIS应用生产DEM栅格数据在ARCMAP中调用高程矢量数据如果地图单位是度，进行投影转换成米单位在3D分析模块中创建TIN在3D分析模块中将TIN转换为RASTER注意地图

12、精度，1：25万高程矢量转换时像元大小为90米，根据最小等高线间距推算。编辑课件区域景观生态质量评价GIS应用无洼地DEM生成 原始DEM数据 FILL 生成无洼地DEM编辑课件区域景观生态质量评价GIS应用水流方向提取 无洼地DEM FlowDirection 生成流向数据编辑课件区域景观生态质量评价GIS应用汇流数据提取 无洼地DEM Flow Accumulation 生成汇流数据编辑课件区域景观生态质量评价GIS应用生成河网-汇流数据生成汇流二值栅格数据 汇流数据 con( ) 汇流二值数据注意：在使用CON( )函数时，阈值的设定非常关键，原则是不仅要保证细节还要防止产生大量无用数据

13、，在使用过程中可以用不同阈值多次试验，找出满意的阈值，本例的阈值设为1000,不同精度DEM设定的阈值相差较大，仅供参考。编辑课件区域景观生态质量评价GIS应用提取水网 流向数据汇流二值数据StreamToFeature水网矢量数据编辑课件区域景观生态质量评价GIS应用提取水网节点 流向数据汇流二值数据StreamLink水网结点数据编辑课件区域景观生态质量评价GIS应用水网分级 流向数据汇流值数据StreamOrder水网分级编辑课件区域景观生态质量评价GIS应用流域分割-流域盆地的确定 流向数据Basin流域盆地编辑课件区域景观生态质量评价GIS应用流域分割-汇水区（子流域）划分 流向数据

14、Watershed汇水区（子流域）水网结点数据编辑课件区域景观生态质量评价示例景观指数及其生态意义景观格局指数计算FRAGSTATS介绍艾比湖流域生态环境质量评价景观格局分析景观变化分析对生态环境的影响生态质量、安全评价编辑课件区域景观生态质量评价示例常用景观指数及其生态意义，可见附表景观格局定量分析中指数很多，许多指标之间具有高度的相关性，只是侧重面不同，选用了以下13个指标：景观面积TA、斑块类型面积CA、斑块类型面积百分比PLAND、斑块数目NP、斑块密度PD、斑块平均面积MPS、斑块分离指数FI、平均斑块边界长度MPE、面积加权平均形状指数AWMSI、面积加权平均斑块分维数AWMPFD

15、、边界密度ED、多样性指数SDI、均匀度指数SEI。编辑课件区域景观生态质量评价示例Fragstats应用教程 FRAGSTATS软件是由美国Oregon州立大学森林科学系Mc Garigal K.博士和Marks B.J.根据景观格局分析算法，开发出的一个定量分析景观结构组成和景观空间格局的计算机程序软件。它有两种版本，矢量版本运行在ARC/INFO 环境中，接受ARC/INFO格式的矢量图层；栅格版本可以接受ARC/INFO、IDRISI、ERDAS等多种格式的格网数据。其区别在于：栅格版本可以计算矢量版本不能计算的最近距离、邻近指数和蔓延度；但在对边缘的处理，由于格网化的地图中，斑块边缘

16、总是大于实际的边缘，栅格版本在计算边缘参数时，会产生误差，这种误差依赖于网格的分辨率。编辑课件区域景观生态质量评价示例Fragstats应用 FRAGSTATS软件功能强大，其最新版本所能计算的景观指数超过了60个，是现在最为常用的景观指数计算软件包，该软件可以在网上免费下载（/landeco/research/fragstats/fragstats.html）。 景观格局具有尺度效应，不同尺度观察到的格局特征不同。FRAGSTATS软件功能强大，可计算3个级别上的景观指标，分别代表了三种不同的研究尺度。第一，斑块级别（patch-level）指数，反映景观中单个斑块的结构特征，也是计算其它级

17、别指标的基础；第二，斑块类型级别（class-level）指数，反映景观中不同斑块类型的结构特征；第三，景观级别（landscape-level）指数，反映景观的整体结构特征。环境变量设置：X:Program FilesArcGISBin编辑课件区域景观生态质量评价示例Fragstats应用将土地利用矢量数据转换成栅格数据，栅格大小精度与使用影像的精度相适应，如果数据量不大，可选取影像精度的1/31/2。评价区域如果很大，可适当调整栅格大小。栅格文件太大，会出现内在不足的提示。编辑课件区域景观生态质量评价示例Fragstats应用参数设置斑块水平计算类型水平计算景观水平计算运行结果查看编辑课件

18、区域景观生态质量评价示例Fragstats应用（参数设置）选择计算的指数水平编辑课件区域景观生态质量评价示例Fragstats应用（参数设置）斑块水平的指数计算类型水平的指数计算景观水平的指数计算编辑课件区域景观生态质量评价示例结果分析 研究区景观格局分析主要沿一个主线、两条思路进行。一个主线即通过格局的分析探讨自然环境特征对景观生态格局的控制及人类活动干扰的程度、方式及空间差异；两条思路：纵向分析，即研究区不同时段各景观斑块类型的对比分析；横向分析，即研究区不同分区内景观空间格局对比分析。研究区1990、2000、2005年景观多样性及均匀度Tab.4-2 The diversity and

19、 evenness of landscape in research area in 1990a, 2000a and 2005a研究区1990、2000、2005年景观多样性及均匀度Tab.4-2 The diversity and evenness of landscape in research area in 1990a, 2000a and 2005a研究区1990、2000、2005年景观多样性及均匀度Tab.4-2 The diversity and evenness of landscape in research area in 1990a, 2000a and 2005a编

20、辑课件区域景观生态质量评价示例结果分析 199020002005SDISEISDISEISDISEI研究区1.80150.78241.80440.78371.80640.7845平原区1.64340.71371.63630.71061.63800.7114湖区1.79330.77881.82180.79121.82180.7912研究区1990、2000、2005年景观多样性及均匀度Tab.4-2 The diversity and evenness of landscape in research area in 1990a, 2000a and 2005a研究区1990、2000、2005

21、年景观多样性及均匀度Tab.4-2 The diversity and evenness of landscape in research area in 1990a, 2000a and 2005a研究区1990、2000、2005年景观多样性及均匀度Tab.4-2 The diversity and evenness of landscape in research area in 1990a, 2000a and 2005a研究区1990、2000、2005年景观多样性及均匀度199020002005AWMSIAWMPFDAWMSIAWMPFDAWMSIAWMPFD研究区12.00811

22、.28312.14351.284112.18931.2844平原区12.25201.286512.44711.287912.49701.2882湖区3.84511.19273.76451.19153.76591.1915 研究区1990、2000、2005年景观斑块形状指数Tab.4-4 The patch shape index in research area and its subregions in 1990a, 2000a and 2005a研究区1990、2000、2005年景观斑块形状指数199020002005NPMPSPDNPMPSPDNPMPSPD研究区1976857.820.11661990851.790.11742007844.570.1184平原区1845741.770980680.1369湖区2821157.770.08642721200.330.08332731195.940.0836研究区1990、2000和2005年景观破碎化指数编辑课件区域景观生态质量评价示例结论： 就整个研究区而言，1990年到2000年及2005年，研究区SDI和SEI值均呈上升趋势，这说明整个区域景观的异质性程度在增加，且各斑块类型在景观中分布也