GIS和RS在生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用

李婧+姚利鵬

摘 要：GIS作為一種空間信息管理工具，對空間信息具備輸入、編輯、存儲、分析以及表達(dá)功能，在生態(tài)學(xué)研究與應(yīng)用領(lǐng)域中引起越來越廣泛的重視。RS是以物理、數(shù)學(xué)、地學(xué)分析為基礎(chǔ)的綜合性技術(shù)，具有宏觀、綜合、動態(tài)和快速的特點(diǎn)，是生態(tài)學(xué)研究中采集數(shù)據(jù)的主要手段之一。該文介紹了GIS、RS技術(shù)的定義，以及GIS和RS在生態(tài)學(xué)研究中的主要應(yīng)用，對其在生態(tài)學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用作了展望。

關(guān)鍵詞：GIS；RSj生態(tài)學(xué)研究；應(yīng)用；展望

中圖分類號 X171.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）20-0096-03

Application of Geographic Information System in Ecological Study

Li Jing et al.

（Nanjing Research Institute of Environmental Protection，Nanjing 210013，China）

Abstract：As a tool for spatial information management，GIS was equipped withfunctions such as input，editing，storage，analysis and expression，which was attracting more and more attention in ecological study and application.RS is a comprehensive technology based on physics，mathematics and geological analysis，which has the characteristics of macroscopic，comprehensive，dynamic and fast.It is one of the main means to collect data in ecological research.In this article，GIS and RS definition and principle，and its main application in ecological research were introduced.We also provide an outlook of the future application of GIS and RS in ecological study.

Key words：GIS；RS；Ecological study；Application；Outlook

生態(tài)學(xué)是研究自然界中生活的有機(jī)體與其生存環(huán)境間的相互關(guān)系及其作用規(guī)律的科學(xué)，研究內(nèi)容主要包括生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展和演變規(guī)律，以及能量、物質(zhì)等的相互轉(zhuǎn)換規(guī)律[1]。前期，由于技術(shù)的限制，生態(tài)學(xué)的研究方法多為野外勘測、定位觀測和理論研究等。近年來，生態(tài)學(xué)家開始以整個(gè)區(qū)域與全球尺度來思考問題并關(guān)注長期的生態(tài)變化，生態(tài)學(xué)由定性研究趨向定量研究，由靜態(tài)描述趨向動態(tài)分析，逐漸向多層次的綜合研究發(fā)展[2]。例如，人與生物圈計(jì)劃（MAB）、國際地圈—生物圈計(jì)劃（IGBP）等都建立了較大區(qū)域范圍和時(shí)間跨度的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡稱GIS）是一種空間數(shù)據(jù)的獲取、存儲、檢索、分析及顯示的專門化數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，一般包括計(jì)算機(jī)硬件、軟件及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。遙感（Remote Sensing，簡稱RS）是應(yīng)用探測儀器，不與探測目標(biāo)相接觸，從遠(yuǎn)處把目標(biāo)的電磁波特性記錄下來，通過分析，揭示出物體的特征性質(zhì)及其變化的綜合性探測技術(shù)。RS和GIS技術(shù)的引入恰好為生態(tài)系統(tǒng)研究數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供了強(qiáng)有力的空間數(shù)據(jù)分析工具，不僅使生態(tài)學(xué)的研究從定性到定量成為可能，而且促進(jìn)了生態(tài)學(xué)研究由定量向圖形和圖像化的發(fā)展。

1 GIS技術(shù)在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究中的應(yīng)用

目前GIS和RS在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的研究中得到了廣泛的應(yīng)用，本文就其中幾個(gè)主要方面作簡要介紹。

1.1 判別區(qū)域的主要植被類型和主要農(nóng)林蟲害類型 不同類型、不同季節(jié)、不同演替階段的植被，受害植被和健康植被的遙感光譜信息是不同的，這就使得利用遙感（Remote Sensing，RS）圖象與數(shù)據(jù)可以用來進(jìn)行蟲害識別和植被分類。例如，蟲害可導(dǎo)致植被葉片減少，從而影響植被光譜，以此為基礎(chǔ)可半定量甚至定量研究蟲害程度。馬菁等[3]采用近地高光譜遙感方法對枸杞健康冠層與枸杞木虱、癭螨、負(fù)泥蟲和白粉病等種枸杞病蟲害危害冠層的近地高光譜特征及變化規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明，不同病蟲害感染后的冠層都具特有的光譜特征規(guī)律。時(shí)珍霞等則綜合應(yīng)用GPS、GIS、RS技術(shù)成功對塔里木盆地果林病蟲害進(jìn)行了監(jiān)控[4]。研究者從地物的反射光譜中提取遙感植被指數(shù)（VI），建立動植物參量與植被指數(shù)之間的模型，這種研究方法廣泛運(yùn)用于植被參數(shù)、植被分類、病蟲害識別、生產(chǎn)力、生物量、作物估產(chǎn)以及火情分析等方面，已經(jīng)取得很多成果。利用遙感技術(shù)還可以對蝗蟲、稻飛虱等遷飛性昆蟲的遷飛路線進(jìn)行跟蹤監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)對蟲害的預(yù)判。此外，結(jié)合實(shí)地勘察，可在空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)病蟲害信息的采集、分析和可視化呈現(xiàn)[5]。

1.2 建立區(qū)域植被數(shù)據(jù)庫 運(yùn)用GIS技術(shù)建立區(qū)域植被數(shù)據(jù)庫，可掌握區(qū)域主要植被類型、瀕危動植物、經(jīng)濟(jì)植物、主要農(nóng)林昆蟲以及雜草的分布情況，在此基礎(chǔ)上可運(yùn)用統(tǒng)計(jì)功能估算各種植被類型的分布面積、蟲害和草害面積、森林覆蓋率等。將遙感數(shù)據(jù)庫與實(shí)地調(diào)查相結(jié)合，利用GIS技術(shù)還可以計(jì)算不同植被類型的生物量（農(nóng)作物產(chǎn)量、森林蓄積量等）、蒸騰強(qiáng)度、光合強(qiáng)度、葉面積指數(shù)LAI、木質(zhì)素和葉綠素含量等，對重要植物和農(nóng)林昆蟲的種群數(shù)量、蟲情指數(shù)以及各種防治措施效果進(jìn)行監(jiān)測。若引入激光或雷達(dá)遙感，還可以進(jìn)一步研究植被的冠層結(jié)構(gòu)。例如，張?jiān)苹赗S和GIS系統(tǒng)對植被蓋度進(jìn)行了定量研究[6]；段小芳利用GIS技術(shù)對信息缺失區(qū)域的植被指數(shù)進(jìn)行了Kriging估計(jì)[7]。endprint

1.3 估算區(qū)域動植物時(shí)空分布 許多環(huán)境因子和植被參數(shù)在時(shí)間和空間上是連續(xù)的，因此可以運(yùn)用GIS技術(shù)插值功能，在間斷的歷史觀測資料基礎(chǔ)上進(jìn)行插值，從而推導(dǎo)獲得某特定時(shí)間的參數(shù)，也可以在已有的定位觀測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行推導(dǎo)，來獲得整個(gè)研究區(qū)域或某個(gè)特定研究點(diǎn)位的參數(shù)。插值技術(shù)為生態(tài)學(xué)的研究提供了有力的技術(shù)支撐，可以廣泛用于生態(tài)系統(tǒng)時(shí)空分析。例如，戴巍[8]等基于GIS系統(tǒng)，利用克里格空間插值對浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度和儲量空間變異特征進(jìn)行了研究，取得了預(yù)期成果；吳曉全等利用RS和GIS技術(shù)逐像元分析法，結(jié)合天山26個(gè)氣象臺站插值數(shù)據(jù)，對13年內(nèi)天山植被NPP進(jìn)行了估算[9]。

1.4 進(jìn)行種群時(shí)空動態(tài)研究，分析蟲害發(fā)生及擴(kuò)散規(guī)律 將空間信息數(shù)據(jù)應(yīng)用GIS綜合屬性數(shù)據(jù)分析、網(wǎng)絡(luò)分析和地形分析、空間合成疊加分析等功能，可以高效地對生態(tài)系統(tǒng)空間動態(tài)進(jìn)行分析。例如蟲害的發(fā)生及擴(kuò)散遷飛規(guī)律、植被分布等與地理環(huán)境要素之間的關(guān)系；植被垂直分布與海拔、坡向、坡度等的關(guān)系；植被水平分布與降水、溫度、海拔、以及土壤類型之間的關(guān)系；人工砍伐對景觀和植被的影響；蟲害爆發(fā)與降水、植被類型以及溫度之間的關(guān)系；人類活動對植被和昆蟲的影響以及氣候變化對昆蟲遷飛的影響等等。例如，馬士彬等應(yīng)用GIS技術(shù)對喀斯特區(qū)域植被NDVI和不同巖基的關(guān)系進(jìn)行了分析[10]；湯巧英等應(yīng)用GIS和RS技術(shù)對延河流域植被覆蓋度與地形因子的相關(guān)性進(jìn)行了研究[11]。

同時(shí)，GIS技術(shù)結(jié)合時(shí)間動態(tài)分析功能還可用于植被季相、植被演替、昆蟲動態(tài)研究。利用多年植被、昆蟲及氣象資料，可以建立植被季相、植被演替和昆蟲動態(tài)的時(shí)間模型，結(jié)合氣象中長期預(yù)報(bào)，可以推測未來區(qū)域植被分布和害蟲發(fā)生程度；還可以模擬全球變暖、氣候異常、人類活動（如砍伐、防治）等對植被和昆蟲動態(tài)的影響。例如，對李軒等應(yīng)用GIS技術(shù)建立了主要農(nóng)作物病蟲害氣象等級預(yù)報(bào)系統(tǒng)，可對北方草原蝗蟲、東北玉米螟等7大類主要作物病蟲害發(fā)生發(fā)展氣象等級進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，取得了較好的效果[12]；李斌斌等應(yīng)用GIS和RS系統(tǒng)對大理河流域植被格局分形維數(shù)時(shí)空變化特征進(jìn)行了研究[13]。

1.5 研究種群分布的空間異質(zhì)性 地統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)合GIS技術(shù)的空間分析功能可以研究昆蟲和植物種群的分布格局、植被和景觀空間異質(zhì)性，進(jìn)行景觀和生境的評價(jià)。例如，昆蟲的不同蟲態(tài)分布格局可運(yùn)用于防治、抽樣設(shè)計(jì)及預(yù)報(bào)；景觀和生境評價(jià)則可運(yùn)用于森林、濕地、紅樹林、草坪、病蟲害以及瀕危動物的管理；通過分析害蟲的生境特征和分布格局，可以判斷害蟲的適宜環(huán)境和越冬地點(diǎn)，以便及早防治，壓低蟲源；通過景觀緩沖區(qū)（Buffer）分析則可以研究病蟲害、砍伐、造林、耕作和水利建設(shè)等對景觀結(jié)構(gòu)、功能及多樣性的影響，從而指導(dǎo)景觀生態(tài)建設(shè)規(guī)劃。

2 GIS和RS技術(shù)在農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)（Agricultural Ecology，Agroecology）是運(yùn)用生態(tài)學(xué)和系統(tǒng)論的原理和方法，研究農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的相互聯(lián)系、協(xié)同演變、調(diào)節(jié)控制和持續(xù)發(fā)展規(guī)律的學(xué)科，是生態(tài)學(xué)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，屬于應(yīng)用生態(tài)學(xué)的分支之一。GIS和RS技術(shù)同樣可以應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)的研究工作中。在遙感數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可利用GIS技術(shù)對農(nóng)作物的生物量、蒸騰作用、葉綠素和木質(zhì)素含量、光合作用強(qiáng)度、葉面積指數(shù)LAI等指標(biāo)進(jìn)行測算，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

GIS技術(shù)還可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)面源污染的監(jiān)測。趙鳳琴等研究了GIS在區(qū)域土壤退化敏感性評價(jià)中的應(yīng)用[14]，在研究中應(yīng)用了GIS技術(shù)多邊形疊置分析技術(shù)劃分評價(jià)單元，采用了層次分析和二級模糊綜合評判相結(jié)合的方法進(jìn)行敏感性評價(jià)，并通過GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了評價(jià)結(jié)果的分區(qū)和可視化。胡斌等基于GIS研究了土地利用的空間格局[15]。

3 結(jié)語

GIS和RS技術(shù)在生態(tài)學(xué)研究中有著廣闊的應(yīng)用前景，筆者認(rèn)為以下幾類技術(shù)問題將是未來GIS和RS技術(shù)應(yīng)用于生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)。（1）數(shù)據(jù)統(tǒng)一或共享?，F(xiàn)有GIS、RS專業(yè)軟件與應(yīng)用都有自己的數(shù)據(jù)格式和標(biāo)準(zhǔn)，不同軟件之間直接讀取和使用的難度較大，在GIS和RS技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展中數(shù)據(jù)共享和標(biāo)準(zhǔn)化問題迫切需要進(jìn)行研究。（2）建立三維或四維GIS技術(shù)。在許多生態(tài)學(xué)研究中，很多數(shù)據(jù)須結(jié)合（X，Y，Z）3D空間坐標(biāo)和時(shí)間屬性共同來描述?？臻g對象是隨時(shí)間變化的，而這種動態(tài)變化的規(guī)律在求解過程中起著十分重要的作用。（3）5S技術(shù)集成。5S技術(shù)指的是全球定位系統(tǒng)（GPS）、數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)（DPS）、遙感技術(shù)（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和專家系統(tǒng)（ES）的統(tǒng)稱[5]，5S技術(shù)集成應(yīng)用有利于數(shù)據(jù)分析的有效性、精準(zhǔn)性和完整性。

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（責(zé)編：張宏民）endprint