遥感技术在景观生态学研究中的应用
摘 要: 景观生态学是一门新兴的宏观生态学分支学科,自20 世纪80 年代以来,其研究内容和方法论的发展与遥感、GIS 等现代对地观测技术的发展紧密联系在一起。对近年来遥感技术在景观生态学中的运用,从景观结构研究、功能研究、动态研究、尺度研究以及景观生态学应用研究五个方面加以总结,进而分析遥感技术在景观生态学研究中的应用优势特征和目前存在的主要问题,并对未来遥感技术在景观生态学研究的应用发展方向提出意见和建议。
关键词: 景观生态学,遥感,GIS
1 引 言
景观生态学是以景观结构、功能和动态为主要研究内容的一门新兴宏观生态学分支学科[1 ] ,其研究对象一般为几平方公里至几百平方公里的中尺度异质性地表区域[2 ] 。对于这种跨度范围较大的宏观生态学研究单元,由于涉及到复杂的自然和人为过程的影响,景观组的数量较多,时空格局和动态变化过程复杂,因此在具体研究过程中,需要采集和处理的数量非常庞大,仅仅依靠传统的调查、分析方法进行研究,往往受到人力、物力和自然条件等多方面的限制。这种限制主要表现在基础资料的收集难度大、覆盖面不全、定量化程度不高、管理困难等方面,这在一定程度上影响了景观生态研究水平的提高。近年来,生态学家们越来越多地将大量地面样地调查与遥感和地理信息系统等方法结合起来作为景观生态研究中基础数据获得的重要技术手段。遥感是一种以物理手段、数学方法和地学分析为基础的综合性用技术[3 ] ,其最大优势在于强大的数据获取能力。通过该
方法可以及时获得大范围、多时相、多波段的地表信息,为不同时序上从局域到
全球各种现象的综合分析创造了条件。自八十年代初期以来,遥感技术迅速成为景观生态学研究的重要技术支撑手段,极大地促进了景观定量研究的发展和景观结构、格局及动态分析的不断深入,为各种景观模型的建立与发展提供了坚实的资料基础[4 ] 。本文旨在回顾和分析近年来遥感技术在景观生态学研究中的应用现状、特征和存在的主要问题,并就今后的发展提出具体的意见和建议。
2 遥感技术的发展与应用
遥感技术、地理信息系统以及地球信息科学的理论与方法，在脆弱生态环境研中具有重要作用。一方面，脆弱生态环境是一个充满相互作用与反馈的复杂系统，须进行数值模拟把不同空间尺度的各种过程结合起来；另一方面，对于这样一复杂系统的认识和调控，需要大量的地理定位数据，通过开发各种时空分辨率的有可比性和高精度的数据集（Dataset），并进行模型的参数化和验证。而上述领域研究，正是地球信息科学的研究对象、研究方法及理论体系所包含的；
遥感技术的发展趋势
近年来，随着各国在空间技术领域竞争的日趋激烈，遥感技术也得到了空前的发展，无论从遥感传感器本身的性能，还是从其应用范围都有了长足的进步，这也信息时代对科学技术发展的必然要求。
系列卫量层出不穷
早在NII与NSDI之前，EOS已有较好的基础．大致在NSDI提出和启动的同时全球观测信息网络（GOIN）也正式开始启动．EOS和GOIN计划的实施，为数字地球技术系统的建立打下了基础。NASA，ESA，NASDA及俄罗斯空间局近期将发射数十颗系列化的对地观测卫星，
3 遥感技术在景观生态学研究中的应用现状分析
3.1 景观结构研究
景观结构是指景观的组分构成及其空间分布形式,包括景观的空间特征(如景观组分的大小、形状及构架等) 和非空间特征(如景观元素的类型、面积比重等) 研究两部分内容;景观格局一般是指景观组分的空间分布和组合特征。景观结构格局研究的目的是剖析异质性地表不同景观组分的组成情况和构建特点,总结景观异质性的内在规律,从表面上无序的景观中发现潜在有意义的有序性,从而深入了解景观空间结构的基本特点。在景观结构与格局研究中,需要大量的基础数据来全面描述景观组分的属性特征,并为进步的数量分析方法的使用奠定坚实的资料基础,因而成为遥感技术应用最为广泛的一个研究领域。景观结构、格局遥感研究首先需要根据研究目的,结合各种地面调查数据或其它历史资料,对获得的遥感数据进行影像合成与分析处理;然后把经过分类处理的影像数据进行结构简化,将其转换成可用于具体分析过程的基础数据或图件;最后以面向用户的原则将其引入景观结构和格局模型中,借助数量分析手段进行景观结构或格局规律的探讨[5 ] 。
目前,大多数学者在该领域研究中沿用着这一思路,只是因研究目的、信息源和分析手段的不同而在具体的研究流程设计上有所差别。遥感技术的应用极大地促进了景观结构与格局数量分析方法的发展,现有的大多数景结构与格局描述指数的筛选和完善几乎都与遥感技术的应用联系在一起。大量的景观指数中蔓延度、优势度以及分形指数为目前应用最为广泛的景观格局分析手段。Frohn 运用指数建立的系统方法对蔓延度和分形指数进行分析评价。鉴于分形指数没有考虑栅格数据结构基础的周长面积关系,对于可预测的几何形状的景观不能给出连续的结果;蔓延度在很大程度上决定于空间分辨率,其结果受景观多样性影响较大等问题, 设计PPU( Patch-Per-Unit ) , 和SqP(Square- Pixel) 两个新的格局指数,分别用于测量景观斑裂化情况和复杂程度[6 ] 。大量出现、不断完善的数量分析方法,使景观结构与格局的研究完成了由定性描述向定量分转化。这种量化分析无疑有助于人们对景观格局的理解,更为重要的是,这种量化分析可以将景观格局与景
观过程联系起来[6 ] ,为了解景观结构与格局的发生和发展机制,解释各种复杂的景观现象奠定了基础。
3.2 景观功能研究
景观功能研究目前还主要集中在景观内部和景观之间的能流、物流和物种流研究上。尽管与景观结构与格局研究相比,遥感在景观功能研究中的应用还相对较少,但有限的研究报道表明,遥感技术是景观内各种生态流研究的一个可靠的具,并且随着遥感技术自身的发展,对于生态流研究寻求新的突破将形成有力的支撑。从现有的研究报道看,遥感技术在景观能流研究中的应用相对成熟一些,Quattrochi 和Luvall 探讨了热红外遥感在景观生态过程研究中的方法及其应用,证明热红外遥感数据对景观流以及景观组分间再分配的了解有着重要的作用,可用于景观表面温度测量、能量交换、景观流的理解、以及地球表面现象能量平衡模型的优化等问题研究[7 ] 。不过,热红外遥感数据还没有被广泛的运用于景观结构、功能以及变化的研究上,Quattrochi 将其归结于三个原因,首先,在理论以及应用上,景观生态研究人员对热红外遥感数据还不够理解;其次,对于不熟悉这些数据特征和属性的人来说,热红外遥感数据的获取与利用是困难的;最后,从卫星上获取的热红外遥感数据空间分辨率太大,为得到景观热能流而进行数据校准,还没有能够有效消除误差的成熟技术工艺过程[7 ] 。在其他生态流研究中,遥感技术同样得到了广泛的应用,Wessman 等的研究表明,结合地面调查,可以利用遥感数据来研究生态系统的N 循环,并且给出了成功的应用案例[8 ] 。利用示踪电子设备,结合雷达遥感技术对动物种类的迁移活动进行研究,在国外已成为最新的相关研究手段。但迄今为止,遥感技术在生态系统物质循环和物种流方面的研究报道并不多。比较一致的观点是,物质流与物种流研究虽然多用实验与野外调查的方法获取基线数据,但由于诸如植被、土壤的宏观特征能够用于指示景观功能,因此只要建立起这些指示特与各种遥感数据源之间的关联分析模式[7 ] ,利用遥感技术全面研究景观功能是完全可能的。
3.3 景观动态研究
作为一个宏观生态学研究单元,景观动态研究的时间跨度通常较长,而景观结构和功能方面的详细历史资料积累很少,因此,以往不少景观动态研究采用地理相关法和经验判断,大致地恢复景观中部分组分类型的中长期变化过程,存在着很大程度上的不确定性。遥感技术为景观动态分析工作开辟了一条全新的途径,地表大范围遥感信息的积累已有几十的历史,各类遥感资料客观地记录了覆盖区域内景观结构的历史特征。利用这些资料,结合各种自然、社会、经济和历史资料,来恢复景观的动态变化过程,可以大大提高分析精度,并有利于进一步发现景观动态变化过程的内在驱动机制和规律性。国内外关于近、现代的景观动态变化研究,绝大多数都使用了某种类型的遥感资料[8 ] ,特别是在近50 年尺度上的景观动态研究,遥感手段具有其他任何数据采集方法都难以替代的优势。例如,在遥感影像与GIS 结合的基础上,Luque 对新泽西国家森林保护区的景观组成与结构的动态变化进行了研究[12 ] ,并用景观结构指标对人类活动与自然干扰对景观变化的影响进行评价,结果表明,在16 年研究间,自然和人类的干扰导致景观结构(斑块数目、大小和形状) 变化及产生的镶嵌景观,体现了一系列尺度干扰机制作用的特征[9 ] 。Seixas 根据10 年Landsat TM图像,提取出景观异质性指标———植被和土壤变量,并将其用于推断荒漠化过程,结果证明,从生物量上推算出的景观性增加与荒漠化正反馈模型一致[10 ] 。国内类似的研究起步相对较晚,其中肖笃宁关于沈阳西郊景观动态变化的研究和曾辉关于珠江三角洲东部地区城市化景观动态变化的研究是国内景观动态遥感应用研究中比较有代由于现代各种遥感信息的积累只有不足100 年的时间,某些景观动态研究工作通常需要多种不同遥感资料的综合运用方能够满足100 年以内时间尺度的研究需求。对于一些更长时间尺度(通常超过100 年) 的动态研究工作而言,仅靠遥感资料往往无法满足需要。针对这种情况,目前比较常用的做法是将不同类型的遥感资料结合各种自然、社会、经济和历史资料,来恢复一些关键时段的景观原貌,进而为景观动态研究创造必要的资料条件[11] 。
4 遥感技术应用的优势特征分析
从上述分析中不难发现,遥感技术的应用已经涵盖了现代景观生态学的几乎所有研究领域,并且与其他景观生态学研究方法和技术手段紧密衔接,成为促进景观生态学发展的重要动力来源。从景观生态学自身的发展需求看,推动遥感技术大量应用的主要原因主要有两个方面:一是景观的时空过程研究中,只有定位、定量、定时地描述不同景观组分之间的生态学联系,才能较好地揭示各种景观现象的内在规律性;二是传统生态调查方法无法满足定量分析方法对大量景观特征数据的需求。根据上一节对现有相关工作的总结可以看出,利用遥感方法作为景观生态研究的基本数据获取手段具有以下几个方面的显著优势:
(1) 利用遥感技术,可以方便地获取区域尺度的时空信息资料,大大提高了景观研究中的数据获取能力,特别是某些遥感平台在获取地面资料时,不受天气和地形条件的影响,可以有效地克服地面调查中可能遇到的各种限制。另外遥感数据易于管理、更新周期快、更新费用低的特点也是其他数据获取方法所无法比拟的。
(2) 不同类型、不同分辨率和多时相的遥感资料,可以满足不同研究工作的需要。例如,航空相片具有较高的分辨率,通常被用于进行土地利用结构研究;TM和MSS 卫星遥感数据常用于区域性的景观格局和动态研究;而NOAA - AVHRR 资料虽分辨率低,但重复性好,可以用于大尺度景观动态监测研究。利用遥感信息,还可以在由计算机和各种应用软件构成的实验系统中进行多种时空尺度、多种专题的景观分析,这一点仅仅通过传统调查方法显然难以达到目的
(3) 在野外景观生态调查和采样方法还没有规范化的今天,利用遥感分析来
确定工作区或实验区,辅以必要的地面调查,无疑可以为景观分析建立更加扎实的资料基础。此外,利用遥感资料进行景观调查方法的优化分析,可以建立起更加科学的景观数据采集方法。
(4) 景观生态研究所涉及的现象通常具有较大的空间和时间跨度,要弄清这些现象一方面需要有足够的景观特征数据,另一方面还必须借助各种数量分析方法来描述景观的空间过程和时间过程。遥感数据具有多时相、高密度和区域性特点,为空间分析方法和多种统计学分析方法在景观生态研究中的应用提供了可能。
(5) 随着景观生态学理论和应用问题日趋复杂,区域性景观生态分析对于普适性分析模型和专
用分析系统的要求越来越迫切。这些模型和系统的建设、验证和使用环节均需要大量与之相匹配的数据支持。与传统生态调查相比,遥感信息无疑能够更好地满足上述景观生态学方法论发展的需要,因而成为各种景观分析模式和专用分析系统建设研究工作中的主要数据供给来源。
5 遥感技术应用的主要问题与未来的努力方向
尽管在过去二十年的时间里,遥感技术以其他数据获取方法无法比拟的优势成为景观生态学理论、应用和方法论研究不断发展的重要推动因素,但两者之间的组合优势和潜力还远远没有得到充分的发挥。其原因一方面是由于遥感技术本身还有很多缺陷,应用的深度和广度受到自身某些技术性不足的严重约束;另一方面则是由于遥感技术人员和景观生态学工作者之间的固有学科隔阂,使很多景观生态研究人员因不了解遥感技术特点、无法获得遥感数据或缺乏适宜的分析工具而与遥感技术的应用失之交臂。从遥感技术发展的角度看,尽管其在数据获取方面具有明显的优越性,但是应当看到在目前的景观生态学研究中,地面调查和统计数据的重要性仍然是不可替代的。一些通用遥感数据的宏观性,决定了其误差较大,严重阻碍了该技术在景观生态学的一些细节性研究中的应用。Mack 等曾就遥感解译结果与地面统计的生境面积数据在种—面积模型中进行了比较,结果显示在小面积的林地斑块统计中遥感技术误差较大,而用地面调查统计的数据得出的种—面积关系在描述鸟的种类数量上要显著好于遥感数据[12 ] 。由此可见,遥感技术欲在景观生态学研究中得到更广泛的应用,其分辨率、景观特征还原(解译) 、误差校正等技术方面还需要不断完善和改进。景观生态学和遥感技术之间缺乏学科层次的沟通和了解也是阻碍两者之间紧密结合的重要原因之一。Gulinck 曾注意到1994 —1996 年期间国际遥感杂志上发表的文章中,涉及景观生态学研究内容的文章非常少,而景观生态学杂志在1994 年以前发表的文章中,竟然没有一篇文章直接涉及遥感数据应用研究内容。部分文章在景观格局的数量分析方法中运用了诸如栅格模型等方法,但在具体研究工作中,也仅仅是将遥感技术作为一种普通的数据来源加以利用[13 ] 。造成这一结果的原因无疑是由于遥感技术与景观生态学之间缺乏沟通所致,一方面遥感技术在学科方向选择和相关技术设计过程中,很少考虑到景观生态学理论和实际应用研究的需求,特别是景观生态学的大尺度时空格局、功能和动态研究需求还几乎没有为遥感领域的研
究人员所注意到;另一方面,景观生态学工作者很早就注意到遥感与GIS 等现代对地观测技术的优越性,但由于技术理解与应用的复杂性限制,加上相关产品的获得渠道不畅,成本较高,在一定程度上也限制了遥感技术的应用[14 ] 。值得欣慰的是,遥感技术与景观生态学的结合已经引起越来越多相关研究人员的关注,1997 年召开第三届陆地会议(主题为:理解陆地环境—景观格局和景观变化) 上,第一次集聚了一大批遥感领域与景观生态领域研究人员,其目的在于鼓励两者的对话与接触[15 ] 。本次会议达成的一个重要共识是:景观生态学与遥感的结合,需建立一个包含两个领域的不同对象、范例、术语、单元以及技术的框架,并进一步定义,以达到两者的协同发展[16] 。随着遥感图像新技术、新方法的运用,以及新的传感器发射,必将提高重要生态参数的获取机会,遥感数据对景观生态学的贡献无疑将进一步提高。另一方面,景观生态学的发展,也将促进景观生态学工作者遥感图像理解程度的不断提高,进一步拓展遥感技术在景观生态学理论和实践研究中的应用范围。综上所述,景观生态学和遥感技术工作者的相互了解和密切配合,着力解决目前学科衔接方面的一些关键问题,将成为两个学科共同发展基础。可以预见,以下四个方面的问题将成为双方共同努力的热点问题: (1) 进一步拓展遥感技术的应用范围,特别是在大尺度景观功能研究中,两个学科应分别从自身的技术创新出发,探讨适宜的方法论衔接方式,弥补目前存在的明显不足; (2) 开展规范化的机助景观调查方法研究,从遥感信息特征和不同景观生态问题研究的需要出发,总结一套合适的机助景观调查方法,在保证高效快速完成景观调查工作的同时,还应使获得的数据能最大限度地反映实际景观的结构、功能和动态特征; (3) 建设智能化的景观专用分析系统,根据景观生态学研究的基本特点,在景观机助调查方法和景观分析模式研究不断成熟的基础上,开展进一步的专家知识库研究,完善智能化景观分析系统的研究与建设; (4) 大力推进景观生态学应用研究,充分利用遥感技术的各种优势,大力开展应用研究,为区域性的环境保护、土地开发和国土整治工作提供科学的依据。
