景观可视化及其应用

介绍了景观可视化的概念,回顾了景观可视化的发展历程,然后介绍了景观要素,包括地形、植被、水、人工构件(建筑物、基础设施等)、动物(包括人)、大气和光的可视化表达方法,阐述了景观可视化在景观规划、景观变化、气候变化、城市景观、景观视觉影响评价和森林管理等方面的应用,最后提出了景观可视化的未来发展趋势.     

基于GeoDA的甘肃白龙江流域景观破碎化空间关联性

景观破碎化是景观生态学研究热点,其空间分布研究可为景观格局优化提供科学依据。本文综合运用景观格局指数、网格分析和空间自相关等,基于Arc GIS和GeoDA平台分析了2014年甘肃白龙江流域景观破碎化的空间关联性。结果表明:(1)2014年甘肃白龙江流域不同网格大小下景观格局指数边缘密度(ED)、蔓延度(CONTAG)、Shannon多样性(SHDI)的Moran I分别介于0.478~0.501、0.276~0.374、0.406~0.436,在空间上均呈较强的正相关关系,说明流域景观破碎化空间上呈现集聚现象,存在高高聚集区和低低聚集区。(2)以10 km×10 km为特征尺度研究流域景观破碎化的空间集聚效应,发现流域景观破碎化程度较高区域主要集中在武都中部,较低区域主要在文县南部。(3)以10 km×10 km为特征尺度,流域人类活动强度与景观格局指数ED和SHDI的Moran I分别为0.170和0.180,在空间上均呈正相关关系;而与景观格局指数CONTAG的Moran I为-0.095,呈空间负相关,表明流域人类活动强度对景观破碎化的空间分布特征起到一定作用。研究表明,GeoDA可应用于景观生态空间分析。     

三峡库区典型流域“源”“汇”景观格局时空变化对侵蚀产沙的影响

以三峡库区王家桥流域为研究对象,基于五期遥感影像(1995、2000、2005、2010和2015)提取流域景观格局,采用马尔科夫模型研究"源""汇"景观格局时空变化,并结合野外多年实测数据建立景观格局指数与产沙量之间的关系,分析景观格局对流域侵蚀产沙的影响。结果表明:1995—2015年,王家桥流域景观格局时空变化明显,呈破碎化发展趋势。"源"景观面积持续下降,"汇"景观面积持续增长。在降雨量时序曲线相似的条件下,斑块类型尺度的景观指数对侵蚀产沙量的解释能力高于景观尺度。斑块类型尺度,"源""汇"景观指数与径流输沙量的复相关系数分别为0.946和0.903,均显著相关。对于"源"景观而言,相似邻近百分比(PLADJ)与斑块结合度(COHESION)是影响流域侵蚀产沙的重要指标。径流输沙量与PLADJ和COHESION指数呈正相关关系,输沙量随指数的增大而增大。对于"汇"景观而言,斑块密度(PD)、边界密度(ED)、景观形状指数(LSI)是影响流域侵蚀产沙的重要指标,径流输沙量与PD和LSI呈负相关关系,输沙量随着指数的增大而减小。斑块类型尺度上,流域景观格局时空变化对泥沙输出影响显著。研究结果可为建立其他流域景观格局变化与土壤侵蚀响应关系提供参考。     

海河流域景观空间梯度格局及其与环境因子的关系

基于GIS技术,以海河流域为对象,首先,分别采用Fragstats3.3的标准法和移动视窗法先后分析了流域整体景观格局及其空间分异特征;然后,针对流域本身自然地理梯度特点,分别沿流域纵向(河流流向)梯度和横向(垂直与河流流向)梯度设置了两条样带,应用移动视窗法计算了景观层次下的斑块面积(AREA_MN)、蔓延度指数(CONTAG)、边界密度(ED)、形状指数(LSI)、斑块密度(PD)、多样性指数(SHDI),获得了景观沿两个样带方向的梯度格局;最后,以高程、降水、气温、人口和GDP为环境因子,以上述6个指数值为目标物种,利用去趋势典范对应分析(DCCA)方法研究了景观梯度格局与环境因子的关系。结果表明:2000年海河流域内景观基质为农田,面积占55.9%,流域内景观结构以块状结构为主,并零散分布有圈层和带状(廊道)结构;景观梯度格局在两条样带上均表现为类似的特征,即随景观类型变化呈现不同幅度的波动,两条样带上均存在较为明显的过渡带;DCCA分析表明:景观梯度格局与环境因子关系密切,区域高程、降水量、温度对流域尺度的景观格局起决定性作用,人口数量、GDP则在局部地区对景观格局有着重要影响。     

流域景观格局与河流水质的多变量相关分析

流域内的景观格局改变是人类活动的宏观表现,会对河流水质产生显著影响,因此明确影响水质变化的关键景观因子,对于深入了解景观对水质的影响机制具有重要的研究价值。选择广东省淡水河流域为研究对象,以2007年ALOS卫星影像以及水质监测数据为基础,运用空间分析和多变量分析方法,分析淡水河流域景观格局与河流水质的相关关系。用包括流域和河岸带尺度的景观组成和空间结构信息的景观指数表征景观格局,用Spearman秩相关分析、多元线性逐步回归模型和典型相关分析(CCA)研究景观指数和水质指标的相关关系。研究结果表明:林地、城镇用地和农业用地占淡水河流域总面积超过90%,其中城镇用地超过20%。多元线性逐步回归分析和CCA结果说明水质指标受到多个景观指数的综合影响,反映了景观格局对水质的复杂影响机制。流域景观格局对河流水质有显著影响,流域尺度的景观指数比河岸带尺度的景观指数对水质影响更大。城镇用地比例是影响耗氧污染物和营养盐等污染物浓度最重要的景观指数,林地和农业用地对水质的影响较小。另外,景观破碎化对pH值、溶解氧和重金属等水质指标有显著影响。CCA的第一排序轴解释了景观指数与水质指标相关性的54.0%,前两排序轴累积能解释景观指数与水质指标相关性的87.6%,前两轴分别主要表达了城市化水平和景观破碎化水平的变化梯度。淡水河流域的景观格局特征从上游到下游呈现出城市—城乡交错—农村的景观梯度,水质变化也对应了这个梯度的变化,说明人类活动引起的流域土地覆盖及土地管理措施变化会对水质变化产生显著影响。     

黄土丘陵区景观格局对水土流失过程的影响——景观水平与多尺度比较

以黄土丘陵沟壑区河口-龙门区间内42个水文站控制流域土地利用和径流泥沙数据为基础,借助GIS和RUSLE,运用景观格局指数分析法,从景观水平和多尺度上探讨景观格局对流域水土流失过程的影响。结果表明:河龙区间流域景观格局和水土流失过程特征存在明显空间分异和相对差异。在斑块类型水平上草地的连结度(COHESION3)和分维数变异度(FRAC_CV3)、耕地和居民建设用地的丛生度(CLUMPY1、CLUMPY5)、居民建设用地边缘密度(ED5)是影响流域水土流失过程的重要指标,其中草地连结度对流域水土流失过程变异的解释度最高。在景观水平上景观连结度(COHESION)、平均斑块面积(AREA_MN)、景观聚集度(AI)、景观丰富度(PR)是影响水土流失过程的主要因子,其中景观聚集度(AI)对流域水土流失过程变异的解释程度最高。斑块类型水平景观格局对水土流失过程空间变异的解释能力要高于景观水平。景观格局具有明显的嵌套特性并强烈影响着流域水土流失过程,在嵌套水平上草地连结度(COHESION3)和耕地丛生度(CLUMPY1)是控制流域侵蚀产沙的主要格局因子,草地分维数变异程度(FRAC_CV3)可以抑制流域泥沙输移过程。景观格局对水土流失过程的影响机制和景观指数与反应变量间的统计学关系随尺度不同而异。     

1980—2015年南四湖流域景观格局及其脆弱性

流域景观格局及脆弱性变化对流域生态环境具有重要影响.为保障南四湖流域生态环境安全,本研究以流域1980—2015年7期土地利用数据为基础,通过计算景观格局指数分析南四湖流域景观格局变化,利用景观适应度(LAI)和景观敏感度指数(LSI)构建景观格局脆弱度(LVI),并分析其空间分布与变化.结果表明: 1980—2015年,南四湖流域耕地面积比例下降4.6%,建设用地增加39.7%,其他土地利用类型呈波动变化,林地、草地、未利用地面积减少,水域面积增加.耕地一直是南四湖流域的优势景观类型.耕地和水域破碎度增加,其他地类破碎度降低.流域景观整体破碎度有所缓和,景观类型之间形成了较好的连接性,景观格局的不规则性和复杂性下降并朝着均匀化和多样化方向发展.各时期流域景观脆弱度大体上表现出东部高于西部、北部高于南部的趋势,其空间分布与流域地形,以及景观类型的分布、土地利用变化有关.研究期间,流域LVI整体下降,东部景观脆弱度严重地区的景观格局开始趋于分散,逐渐被低一级脆弱区所取代,西北部地区脆弱度的回升最明显,南部及西南部一直是低脆弱区.     

东江流域景观格局演变分析及变化预测

以东江流域土地利用解译结果为基础,采用转移矩阵、移动窗口法和景观格局指数对1990—2016年对东江流域的景观格局时空变化进行分析,并结合地形因子、交通通达度因子和限制转化因子采用FLUS(Future Land Use Simulation)模型对流域未来景观格局进行预测。结果表明:(1)自1990年以来,研究区的7种土地利用类型皆发生了变化,其中建设用地由于林地和耕地的大量转入增加最明显。(2)1990—2016年,流域景观破碎化呈现以河道为中心向东西两侧减小的趋势,景观多样性呈现流域上游小,下游大的趋势,且高值区在经济较发达的城镇地区。园地的景观破碎程度最高、林地的优势度减弱,城镇建设用地的集聚度增加。(3)2016—2042年,流域各用地类型变化率不大,景观破碎化和多样性程度虽有增加但增长速度相对放缓。     

基于土地利用变化的细河流域景观生态风险评估

以辽宁省细河流域为研究对象,利用1985、1995年和2005年3个时期的Landsat TM及2015年Landsat OLI遥感数据,进行了细河流域土地利用解译,定量分析了流域近30年来土地利用动态变化特征;根据景观生态学理论引入景观生态风险评价模型,将研究区划分为340个生态风险评价单元,基于地统计学和空间自相关方法,对1985—2015年细河流域景观生态风险时空分布特征及空间关联格局进行了评价。结果表明:(1)自1985年以来,研究区的6种土地利用类型皆发生了变化,其中建设用地由于林地和耕地的大量转入增加最明显。(2)1985—2015年流域高、较高和中生态风险区面积增加,且向流域南部转移;低、较低生态风险区面积减少,且向流域北部集聚;流域整体生态风险呈增高趋势。(3)研究区各时期景观生态风险呈现正的空间相关性,在空间上趋于集聚。人类活动干扰导致景观破碎,是影响该区域景观生态风险最重要的原因。     

基于ALOS影像的黄土丘陵区典型流域景观空间格局

基于ALOS卫星的中、高分辨率遥感影像,解译出与燕沟流域(燕沟流域是黄土丘陵沟壑区的典型小流域)生态恢复、农业生产、生活密切相关的7种景观类型,利用景观多样性和景观异质性两类指数分析了2007年燕沟流域景观格局和景观功能,并结合数字高程模型(DEM)数据,对燕沟流域整体和局部的土地景观格局合理性进行评价.结果表明:燕沟流域的主导景观类型为灌丛和林地,且主要分布在大于25°的坡面上;研究区景观斑块分维数为1.09,景观空间格局稳定;生态防护、生产经济和生活服务型景观的面积比例约为23∶9∶1;燕沟流域的相对合理度为0.76,景观整体布局较合理,但半阴坡、海拔900 m以下区域的土地利用合理度较低,其合理度分别为0.74和0.02.     

场景可视化在乡村景观评价中的应用

通过场景可视化技术,处理生成在同一背景下不同景观空间特征梯度和不同农业生产模式景观的图片,并通过参与式评估技术,获取北京郊区209位受访者的偏好意愿,以此评价不同利益相关者对乡村景观发展趋势的偏好。结果表明:从总体上看,参与者对多样性较强的景观并不感兴趣;多数参与者偏好破碎度较弱的景观;对于景观聚集度的认知差异则在各个利益群体中都不甚明显;参与者通过场景图片更加偏好菜园景观,而通过语言则更倾向于选择果园景观。研究表明,场景可视化技术是一种将不同利益相关者主观判断融入景观评价中的有效研究手段。     

PROTERAN: animated terrain evolution for visual analysis of patterns in protein folding trajectory

The mechanism of protein folding remains largely a mystery in molecular biology, despite the enormous effort from many groups in the past decades. Currently, the protein folding mechanism is often characterized by calculating the free energy landscape versus various reaction coordinates such as the fraction of native contacts, the radius of gyration and so on. In this paper, we present an integrated approach towards understanding the folding process via visual analysis of patterns of these reaction coordinates. The three disparate processes (1) protein folding simulation, (2) pattern elicitation and (3) visualization of patterns, work in tandem. Thus as the protein folds, the changing landscape in the pattern space can be viewed via the visualization tool, PROTERAN, a program we developed for this purpose. We first present an incremental (on-line) trie-based pattern discovery algorithm to elicit the patterns and then describe the terrain metaphor based visualization tool. Using two example small proteins, a beta-hairpin and a designed protein Trp-cage, we next demonstrate that this combined pattern discovery and visualization approach extracts crucial information about protein folding intermediates and mechanism.     

害虫预测预报的生态学基础和应用技术研究进展

概述害虫预测预报领域的最新动态,包括理论基础：非线性动力学、景观生态学、生物地理统计学、异质种群和生态系统链接理论,以及应用技术：地碉诱捕、雷达监测、地理信息系统、全球定位系统、遥感、可视化技术和决策支持系统,对于害虫不则报的基础理论研究和害虫管理的生产应用都具有重要的指导意义。     

“千层饼”模式在上海世界博览会区域生态规划前期研究中的应用

基于“千层饼”模式,构建了上海世界博览会区域的生态规划方法,并从人体舒适度、生命健康和资源可持续利用角度,对上海世界博览会区域建设用地进行了生态要素调查与GIS可视化综合分析.结果表明：以“千层饼”模式为原型的生态规划方法应当包括生态规划目标的确定、生态要素的选择与实地调查、数据库构建与GIS可视化综合分析,该方法对上海世界博览会区域生态规划前期研究是不可缺少的;针对研究区土壤污染状况,在既考虑市民对绿色景观的要求又兼顾可持续利用资源以及防止二次污染的原则下,提出了研究区土壤保护与再利用的初步方案;为保护上海世界博览会区域原有重要生境,建议设立植被群落与原有绿色景观的保护区域;为提高研究区亚热带季风条件下的人体舒适度,提出了利用生态景观元素优化温湿度及通风的概念.     

基于景观指数的景观格局分析方法的局限性:以台湾宜兰利泽简湿地为例

对利用景观指数分析方法与航片解译获取的台湾宜兰利泽简湿地景观格局进行了对比分析.结果表明:景观指数仅能从几何特性解释景观在斑块与景观尺度上的空间特征,而无法解释从航片所观察到的景观结构与功能特性;通过对景观指数和研究区航片进行综合分析,可更加详细地揭示研究区的整体景观结构及其对应的景观功能,使针对景观格局的分析更加完整.基于整体性观点的评估景观结构的新方法,必将在未来的景观生态学发展中扮演重要角色.     

广州市主城区树冠覆盖景观格局梯度

城市树冠覆盖是城市森林在小尺度上的景观表达,是衡量城市森林生态功能服务质量的重要指标.通过在ArcGIS9.2中对广州市中心城区的高分辨率航片进行目视解译,对形成的树冠覆盖专题图分析并生成栅格数据,利用Fragstats3.3软件分别选择标准方法和移动窗口方法分析研究区景观格局特征.其中基于移动窗口法形成了一系列基于所选择格局特征的连续栅格表面,每一个栅格单元代表的是设定的移动窗口半径尺度下景观类型的格局特征.分析表明,研究区景观格局呈现明显的空间异质性梯度特征.基于样带区尺度效应分析的结果表明,粒度3-5m和移动窗口半径400-600m可适合于研究区的景观格局梯度分析,选择的景观指数能够形成较为平滑的栅格表面.基于移动窗口的分析结果以连续变量图的形式对景观格局空间异质性进行可视化表达,能够为小尺度上的城市森林景观格局优化提供重要的参考.     

三维可视化软件在辽东山区森林生态系统管理中的应用

利用三维可视化软件WCS 6.0,结合林相图信息,构建了辽东山区普乐堡乡的虚拟森林景观,并模拟了4种经营管理方案(封育未成林幼抚、小面积皆伐、择伐和二次渐伐)下研究区林相的动态变化.结果表明：对幼龄林采取保育措施后,10～30龄长白落叶松的生长速度较快,大约以0.6 m·a^-1的速度生长,蒙古栎的生长速度稍慢,约为0.4 m·a-¹;小面积皆伐对林分的影响较大,二次渐伐其次,低强度的择伐对林分的影响最小.WCS 能够直观地显示各种森林经营管理方案的后果,可以为森林经营决策提供科学依据.     

基于信息管理的一种虚拟森林景观构建及应用探讨

在分析不同尺度的森林可视化建模内容和技术特点的基础上,提出了一个基于信息管理的虚拟森林景观构造原理和技术体系.把过程建模技术与树木形态结构描述结合,提出了一种交互式、参数化的树木动态建模方法,给出了相应的绘制方法和几何体简化算法以实现加速实时绘制,并以福建省漳浦县为例,建立了典型树种的几何模型库.利用森林调查和遥感动态空间数据,借助地理信息系统ArcObiect组件、图形环境OpenGL和Visual C⁺⁺语言,开发了虚拟森林管理原型系统,实现森林二维/三维交互漫游、查询分析、森林生长仿真模拟,其真实感与模拟精度满足实际森林资源管理需求.最后给出了系统的典型用户界面以及在考虑竞争条件下马尾松自然生长模拟和人工间伐前后的虚拟景观对比的应用例子.     

Landscape ecology development supported by geospatial technologies: A review

Numerous technologies have contributed to the recent development of landscape ecology, especially the geospatial technological advances constitute a revolution in landscape ecology. Extensive applications of geospatial technologies, such as fractal theory, geographic information systems (GIS) and remote sensing (RS) in landscape ecology research, suggest the necessity of such a review of research progress in this field. In this study, a brief introduction to fractal theory, GIS and RS and how they were applied in landscape ecology were provided first. Then, the current state-of-the-art was summarized and analyzed as reference for further promoting the development of landscape ecology science and its applications. Finally, opportunities and challenges of landscape ecology applications using these new technologies were discussed and concluded for future research. It was contended that a combination and integration of these technologies can substantially advance the study of landscape ecology for data acquisition, process modeling, scale transformation, result analysis and visualization. However, as no theoretical framework and application cases of applying an integration of fractal theory, GIS and RS techniques to landscape ecology research have been established, further studies are still much needed.