城市生态系统研究中遥感技术的应用

本文提出并论证了城市生态系统研究与遥感的总体方案及主要研究方向和研究方法。可以认为,用遥感技术作为获取数据的手段,用动态大系统理论分析数据,并借助于专家系统和地理信息系统处理和管理数据,可以解决城市生态系统研究中全方位信息的收集和巨大信息量的处理两大难题;通过引入中间变量把非空间直接可测变量表述为空间直接可测量的函数,从而在专家系统和地理信息系统的支持下扩大遥感技术的应用领域。     

基于遥感技术的植被识别方法研究进展

植被具有明显的年际变化特征,其演替对气候调节以及水土保持具有重要作用。遥感技术是研究区域乃至全球尺度地表植被分布状况以及覆盖度变化的有效手段,可对地表进行长期、连续的观测,具有宏观性、广阔性、多样性以及适应性强等优势。综述和归纳了国内外基于遥感监测技术的植被物候以及植被覆盖度时空动态变化的研究现状、不同卫星遥感数据在植被分类中的应用、遥感植被识别的分类方法,剖析了遥感植被识别分类中决策树等方法及其优缺点,提出今后遥感植被识别分类仍需进一步研究的若干问题。     

基于耦合模型和遥感技术的江苏中部海岸带生态系统健康评价

以生态系统健康理论为基础,从资源环境、景观生态、人类活动3个方面,按活力、组织力和恢复力3个子系统选取了10个代表性指标,构建了遥感技术支持下的海岸带陆域生态系统健康评价指标体系,并耦合TOPSIS模型和VOR生态系统健康度量模型对江苏中部海岸新洋港至川东港岸段进行了应用评价。研究结果表明:江苏中部海岸生态系统健康状态处于健康和良好的区域占27.62%,一般占60.94%,较差和差占11.44%,整体生态健康状况中等偏好。从地物类型和空间分布来看,斗龙港至四卯酉河岸段以滩涂植被、农田和围海养殖区为主,植被和水体对气候调节有积极作用,整体生态健康状况良好;四卯酉河至王港岸段由于大丰港建设,港区陆域植被覆盖率低、热岛效应强,建筑将原本连通的自然景观隔断,导致斑块数量增多,斑块面积减小,加剧了景观破碎化,对原有海岸带生态系统产生一定的破坏,生态健康状况相对较差;此外,新洋港至斗龙港岸段以及川东港岸段以自然保护区湿地为主,植被覆盖度高,人为干扰程度小,生态健康状况也较好。由于该耦合模型评价方法直接基于遥感监测数据,且无需赋予指标权重,因此研究结果相对更加客观,更能反映海岸带生态系统的实际健康状况。     

生态系统服务功能分类与价值评估探讨

生态系统服务功能及其价值评估研究是当前生态学研究的热点,对于促进生态系统可持续管理具有重要作用。目前,在生态系统服务功能分类及价值评估方面,还没有形成比较系统的理论;在服务价值的评估方面,国内相关研究多数套用现有的一般化计算公式对生态服务功能进行计算,缺少针对性和探索性。总结近年来笔者在这方面的研究得失,并综合前人的研究,将生态系统服务功能进行新的分类,提出“核心”服务功能、“理论”服务价值与“现实”服务价值的概念,并以温州三湿地生态系统服务功能及其价值评估研究作为实例,论证所提出的新概念。生态系统服务功能及价值评估研究的最终目的是为生态系统管理决策者提供信息,因此服务价值评估的意义不在于对每一项服务功能价值的精确估算,甚至不需要计算一个生态系统所有的服务功能价值,而应抓住一个或几个有计算依据的核心服务功能。提出理论服务价值概念的主要目的在于同现实服务价值的比较,量化某服务功能的退化程度,明确后续生态恢复和重建的主要目标,并可在一定程度上作为生态恢复的重要指标。     

基于生态系统服务的海南岛自然保护区体系规划

随着我国生物多样性保护与生态建设的发展,区域尺度自然保护区体系规划得到广泛的关注.以海南岛为例,探索了利用生态系统服务空间格局进行区域自然保护区规划的方法.研究中,首先从生物多样性分布、水源涵养、水资源保护、土壤保持和海岸带防护等5个方面分析了海南岛生态系统服务的空间格局,综合评价单元生态系统重要性;然后基于生态系统服务综合评价结果,并根据海南省保护自然过程与生物多样性并重的要求,识别出生态重要性高但无保护区或保护面积不足的空间单元,提出海南岛自然保护区体系规划.根据本规划,海南岛将共建成规范完善的自然保护区42个,总面积290.14万hm2.其中,陆地自然保护区面积41.26万hm2,占海南岛陆地总面积的11.79％.新建保护区4个(面积8.80万hm2),调整保护区4个(扩大面积8.01万公顷),优化整合原有保护区中的17个为6个,升级保护区4个.结果表明,基于生态系统服务的自然保护区体系规划有助于发挥自然保护区的综合效益,并具有更强的可操作性.将生态系统服务纳入自然保护区体系规划应是今后的发展方向.     

基于SOFM网络对黄土高原森林生态系统的养分循环分类研究

对森林生态系统进行分类是认识森林生态过程的根本途径,传统的从结构角度对森林生态系统分类只能反映森林的外在特征,而无法从功能角度区别森林的本质差异.通过对黄土高原3个生物气候区18个不同森林生态系统的养分循环特征测算和分析,选取了能全面反映养分的积累和分布(生物量、枯落物积累量、养分积累量)、循环通量(年吸收量、年存留量、年归还量)以及养分循环效率(循环系数、利用系数、养分生产力)等多方面指标作为分类指标体系,利用自组织映射特征网络(SelfOrganizing Feature Maps,SOFM)聚类方法,从养分循环的角度将黄土高原森林生态系统划分为2个一级类型,6个二级类型.该分类结果与实际较符,从而探索了森林生态系统的功能分类方法,也验证了SOFM网络模型应用于森林养分循环分类的可行性.     

面向实践的生态用地内涵、多维度分类体系

生态用地是保障我国国土生态安全格局、建设生态文明基础,是土地资源研究领域的热点问题。其内涵与分类界定是深化生态用地研究与实践的前提,也是该研究领域的难点。根据国内外现有研究,挖掘生态用地的内涵与分类特征。基于此,重新阐释了生态用地的内涵,提出功能主导性、尺度依赖性、区域特殊性、等级性和可操作性等五大分类原则,构建了面向管理实践的多维度生态用地分类体系,即基础性生态用地、保全性生态用地、生产性生态用地和生活性生态用地4大类、10个一级类和15个二级类。同时在分类体系中明确了各生态用地地类的适用尺度与范围。多维度生态用地分类体系的构建,将有利于国家和地方制定生态用地管理政策,便于深入生态用地及其生态系统服务研究。     

粤港澳大湾区生态系统服务识别、分类及制图

海岸带生态系统服务识别、分类与制图是合理利用海岸带自然资源,协调海岸带开发与保护矛盾的重要基础。现有生态系统服务分类方法在海岸带应用存在一定的局限性。在前人研究的基础上,以我国城市化和工业化水平较高的粤港澳大湾区为研究区,对该区域海岸带生态系统服务进行识别、分类,并在此基础上使用地图大数据与遥感解译的土地利用数据对海岸带生态系统服务进行了制图。共识别出35种海岸带生态系统服务,并对其中的31种服务进行制图。结果表明,建立的这套方法能较为系统地展示粤港澳大湾区生态系统服务的类型及空间分布特征。具体而言,该区域供给服务和文化服务在城市中心区较为集中,而调节服务多分布于城市周边。对识别的生态系统服务进行综合叠加分析,可将研究区分为文化服务主体区、供给服务主体区、调节服务主体区。建立的海岸带生态系统服务识别、分类体系和制图方法可操作性强,能为我国海岸带生态系统的保育、修复和重建提供科学基础。     

基于生态系统服务和生态系统健康的生态风险评价——以长株潭城市群为例

基于生态系统服务和生态系统健康的生态风险评估框架为城市群生态风险管理和国土生态修复提供新的视角。以生态风险评估框架为基础,综合运用生态系统服务、生态系统健康评估模型以及相关分析法对长株潭城市群展开生态风险评价,并对风险程度进行分类。结果表明:(1)城市群的城市化水平提升,区域生态风险也随之增加。生态系统服务价值、生态系统组织、生态系统活力、生态系统弹性等生态指数呈现下降趋势。(2)人工表面比率和生态指数之间的Pearson相关系数表明,人工表面比率与生态指数之间存在负相关关系,人工表面比率是生态风险提升的关键因素。(3)城市群人工表面比率要控制在36%以下,以进行生态风险管理和国土生态修复。总的来说,评价框架可以作为区域生态风险的评价终点。     

基于GIS和遥感技术的生态系统服务价值评估研究进展

生态系统服务价值评估是当前生态系统管理领域研究的热点,密切联系着人类的生活福祉.本文系统综述了基于地理信息系统(GIS)和遥感(RS)技术的生态系统服务价值评估的研究进展,归纳为以下3个特征：生态经济学理论作为价值定量计算的核心方法被普遍采纳;GIS和RS在数据获取、时空分析和集成平台方面发挥着关键作用;运用生态系统服务功能机理模型模拟自然现象与人类活动之间的关系.根据目前该领域的研究现状及不足,提出了可扩展、分布式的集成研究框架--“生产线”框架,探讨了GIS和RS技术与生态系统服务价值评估集成研究的未来发展趋势.     

喀斯特生态系统服务功能遥感定量评估与分析

生态系统服务功能评估是人类对自然与生态系统认识成果应用于经济决策的桥梁.西南喀斯特区面临环境恶化和经济社会贫困的双重压力,揭示其生态系统服务功能时空变化特征是实现生态恢复和可持续发展过程中亟待解决的问题.本研究通过多年遥感影像及气象和统计资料等,对喀斯特典型区域桂西北1985～1990～2000～2005年的生态系统服务功能进行了定量评估与分析.其分析结果表明:(1) 生态服务功能呈先降后升、总体减少趋势,4个年份分别是1096.52亿元、887.89亿元、1033.84亿元和1062.57亿元.大致呈由西向东、由山区向峰丛洼地减少的空间分布特征.高值区(西部)是减弱区,低值区(东部)是增强区;(2) 营养物循环、调节气体和有机质生产等单项生态服务功能较高,总和分别占各自年份72.69%、64.57%、70.18%和72.10%;涵养水源、土壤保持和娱乐文化相对较低,都远低于100亿元. (3) 林地和灌木是优势景观类型,也是生态服务功能的主要贡献景观类型,二者总贡献率在各自年份分别为71.22%、70.10%、73.66%、67.03%;居民用地和石漠化地生态服务功能少,总贡献率分别仅为0.90%、0.63%、0.77%、1.14%;(4) 各行政区单位面积的生态服务功能变化幅度比较大,分别由23549.70元/hm2、173.5.10元/hm2、22705.1元/hm2、19062.3元/hm2低至9764.71元/hm2、7689.61元/hm2、9537.01元/hm2、7540 79元/hm2.典型喀斯特区单位面积生态服务功能显著增加,非喀斯特区单位面积生态服务功能明显减少.研究表明,喀斯特区域生态环境移民和退耕还林等石漠化控制措施效果显著,有利于生态系统服务的充分发挥.     

中国草原生态系统退化的价值损失量遥感估算

在传统的草原生态系统退化价值估算基础上,利用遥感技术对草原生态系统退化的价值损失进行估算,利用2003和2005年的MODIS数据获得草原生态系统退化的价值损失量空间分布图.结果表明:2003-2005年价值损失量共为66.603亿美元;单位面积价值损失量在0～1 000美元·km-2的面积约占草原总面积的1/4,价值损失量1 000～3 000美元·km-2的面积约占草原总面积的1/3;内蒙古、新疆、西藏、青海、甘肃、云南和四川等西部7省的价值损失总量为52.219亿美元,占总价值损失量的78.41%,其中,内蒙古的价值损失量最大,占总价值损失量的25.89%.     

基于不同决策树的面向对象林区遥感影像分类比较

面向地理对象影像分析技术(GEOBIA)是影像分辨率越来越高的背景下的产物.如何提高高分辨率影像分类精度和分类效率是影像处理的重要议题之一.本研究对QuickBird影像多尺度分割后的对象进行分类,分析了C5.0、C4.5、CART决策树算法在林区面向对象分类中的效率,并与kNN算法的分类精度进行比较.利用eCognition软件对遥感影像进行多尺度分割,分析得到最佳尺度为90和40.在90尺度下分离出植被和非植被后,在40尺度下提取不同类别植被的光谱、纹理、形状等共21个特征,并利用C5.0、C4.5、CART决策树算法分别对其进行知识挖掘,自动建立分类规则.最后利用建立的分类规则分别对植被区域进行分类,并比较分析其精度.结果表明: 基于决策树的分类精度均高于传统的kNN法.其中,C5.0方法的精度最高,其总体分类精度为90.0%,Kappa系数0.87.决策树算法能有效提高林区树种分类精度,且C5.0决策树的Boosting算法对该分类效果具有最明显的提升.     

基于类型和要素的城市多等级景观分类方法

城市区域的景观格局具有高度的异质性和复杂性,因而单一等级的景观分类方法难以揭示其复杂的多等级景观特征。基于等级斑块动态范式,探讨了针对城市区域基于景观类型和要素的多等级景观分类方法。以北京市为研究区,首先根据其景观类型和景观要素的特征,将城市区域划分为"城市"、"农田"和"森林"3种景观类型,同时确定"植被"、"裸地"、"水体"和"不透水表面"4类景观要素。然后,应用自上而下的分类思路和面向对象的分类方法对研究区进行了景观类型和要素的分类,其总体精度分别为93.36%和87.89%。相比单一等级的景观分类结果,多等级的分类结果不仅体现了城市生态系统不同等级的景观组成,还能揭示多级景观间的隶属关系,因而能更完整的描述城市景观格局,进而为认识城市生态系统的结构和功能提供新的视角。     

森林生态系统生物多样性的遥感评估

目前的评估由于方法的原因,常常会遗留下一些含糊不清的地方。遥感则可以作一种观察生态系统多样性和单个生态系统中各种结构侧面的重要工具。它提供了一种能够跨越几个不同空间尺度实施评估的手段,并且对于评估生态系统格局随时间的变化也是必不可少。现在许多不同的遥感技术已经被应用在生态学研究中。大多数工作所用的数据主要是来自机载和星载平台提供的摄影和数字光学图像,目前则越来越强调激光扫描和合成孔径雷达数据的应用。这些技术手段为从景观到林分规模的不同现象的评估提供了机会。遥感提供了可用于确定森林生态系统中生物多样性景观尺度的元素最有效的工具。例如基质和斑块的相对百分比以及它们的配置。在中间尺度,遥感为评价廊道的存在和边界的特性提供了理想的工具。在林分尺度,遥感技术可用来获取关于森林分结构属性的信息,例如冠层表面的特性,是否存在冠内分层等等。随着的发展,遥感将更广泛地应用于生态学研究。     

中国生物多样性与生态系统服务评估指标体系

生物多样性和生态系统服务评估是生态系统管理与决策制定的重要依据,指标体系是开展评估的主要工具。中国在生物多样性与生态系统服务评估指标体系建设方面,由于没有形成统一的指标体系和技术方法,导致不同区域间的评估结果可比性差,区域和国家尺度上的集成研究难以开展。因此,构建一套适用于中国国家尺度的科学化、系统性和规范化的生物多样性和生态系统服务评估指标体系,便成为当前迫切需要研究解决的问题。本文参考国内外生物多样性与生态系统服务评估的主要研究成果,在充分考虑"生物多样性—生态系统结构—过程与功能—服务"级联关系基础上,建立了生物多样性与生态系统服务评估指标体系构建的主要原则,构建了中国生物多样性与生态系统服务评估指标体系。     

极端气候胁迫下西南喀斯特山区生态系统脆弱性遥感评价

全球气候变暖导致极端天气事件频发,针对西南喀斯特山区的特殊地理国情(水土流失和石漠化严重),引入了大尺度景观格局指数(香农均匀性指数和蔓延度指数)和极端气候指数(极端高温日数、极端低温日数和极端降雨日数),构建了生态系统脆弱性遥感评价体系,进而分析和探讨了该地区近13年的生态系统脆弱性时空变化格局和驱动机制,研究结果表明:西南喀斯特山区的生态系统则属于轻-中度脆弱,其分布格局表现为以川滇黔为核心向周边减小的趋势。2000—2013年,西南喀斯特山区的生态系统脆弱性表现为先增加后减小的趋势。近13年西南喀斯特山区的生态系统脆弱性时空变化格局受人类活动(不同产业GDP和人口密度)、降水、地形地貌、水土流失、石漠化等因素影响较为显著。本研究可以为西南喀斯特山区的生态系统保护及生态环境的恢复与治理提供决策依据和技术支持。     

中国生物多样性核心监测指标遥感产品体系构建与思考

生物多样性的稳定维持关乎人类生存发展与地球健康。生物多样性核心监测指标(Essential Biodiversity Variables, EBVs)旨在结合地面调查与遥感技术, 为大尺度、长时间序列的生物多样性监测提供新的解决方案。然而, 目前学界仍然缺乏一套国家尺度标准化EBVs遥感监测产品数据集, 以进行生物多样性评估。本研究旨在对中国生物多样性核心监测指标遥感产品进行体系构建与思考, 首先综述了目前EBVs的遥感研究概况, 并根据EBVs研究文献的数量进行调研分析; 同时, 本文在已有遥感生物多样性产品优先标准的基础上, 添加了“可重复性”的新标准, 并据此构建了中国EBVs遥感产品体系与监测数据集的指标清单, 最终对中国EBVs遥感研究存在的问题进行思考与讨论。本研究可为中国的生物多样性遥感监测提供科学依据, 有望为中国生物多样性政策的制定提供支撑。