GIS和RS在生态学研究中的应用

2017-11-10李婧姚利鹏

安徽农学通报 2017年20期

李婧+姚利鹏

摘要：GIS作为一种空间信息管理工具，对空间信息具备输入、编辑、存储、分析以及表达功能，在生态学研究与应用领域中引起越来越广泛的重视。RS是以物理、数学、地学分析为基础的综合性技术，具有宏观、综合、动态和快速的特点，是生态学研究中采集数据的主要手段之一。该文介绍了GIS、RS技术的定义，以及GIS和RS在生态学研究中的主要应用，对其在生态学技术的进一步应用作了展望。

关键词：GIS；RSj生态学研究；应用；展望

中图分类号 X171.4 文献标识码 A 文章编号 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

生态学是研究自然界中生活的有机体与其生存环境间的相互关系及其作用规律的科学，研究内容主要包括生态系统的产生、发展和演变规律，以及能量、物质等的相互转换规律[1]。前期，由于技术的限制，生态学的研究方法多为野外勘测、定位观测和理论研究等。近年来，生态学家开始以整个区域与全球尺度来思考问题并关注长期的生态变化，生态学由定性研究趋向定量研究，由静态描述趋向动态分析，逐渐向多层次的综合研究发展[2]。例如，人与生物圈计划（MAB）、国际地圈—生物圈计划（IGBP）等都建立了较大区域范围和时间跨度的数据库系统。

地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）是一种空间数据的获取、存储、检索、分析及显示的专门化数据库管理系统，一般包括计算机硬件、软件及数据库系统。遥感（Remote Sensing，简称RS）是应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。RS和GIS技术的引入恰好为生态系统研究数据库系统提供了强有力的空间数据分析工具，不仅使生态学的研究从定性到定量成为可能，而且促进了生态学研究由定量向图形和图像化的发展。

1 GIS技術在生态学领域研究中的应用

目前GIS和RS在生态学领域的研究中得到了广泛的应用，本文就其中几个主要方面作简要介绍。

1.1 判别区域的主要植被类型和主要农林虫害类型不同类型、不同季节、不同演替阶段的植被，受害植被和健康植被的遥感光谱信息是不同的，这就使得利用遥感（Remote Sensing，RS）图象与数据可以用来进行虫害识别和植被分类。例如，虫害可导致植被叶片减少，从而影响植被光谱，以此为基础可半定量甚至定量研究虫害程度。马菁等[3]采用近地高光谱遥感方法对枸杞健康冠层与枸杞木虱、瘿螨、负泥虫和白粉病等种枸杞病虫害危害冠层的近地高光谱特征及变化规律进行研究，结果表明，不同病虫害感染后的冠层都具特有的光谱特征规律。时珍霞等则综合应用GPS、GIS、RS技术成功对塔里木盆地果林病虫害进行了监控[4]。研究者从地物的反射光谱中提取遥感植被指数（VI），建立动植物参量与植被指数之间的模型，这种研究方法广泛运用于植被参数、植被分类、病虫害识别、生产力、生物量、作物估产以及火情分析等方面，已经取得很多成果。利用遥感技术还可以对蝗虫、稻飞虱等迁飞性昆虫的迁飞路线进行跟踪监控，从而实现对虫害的预判。此外，结合实地勘察，可在空间数据的基础上，实现病虫害信息的采集、分析和可视化呈现[5]。

1.2 建立区域植被数据库运用GIS技术建立区域植被数据库，可掌握区域主要植被类型、濒危动植物、经济植物、主要农林昆虫以及杂草的分布情况，在此基础上可运用统计功能估算各种植被类型的分布面积、虫害和草害面积、森林覆盖率等。将遥感数据库与实地调查相结合，利用GIS技术还可以计算不同植被类型的生物量（农作物产量、森林蓄积量等）、蒸腾强度、光合强度、叶面积指数LAI、木质素和叶绿素含量等，对重要植物和农林昆虫的种群数量、虫情指数以及各种防治措施效果进行监测。若引入激光或雷达遥感，还可以进一步研究植被的冠层结构。例如，张云基于RS和GIS系统对植被盖度进行了定量研究[6]；段小芳利用GIS技术对信息缺失区域的植被指数进行了Kriging估计[7]。endprint

1.3 估算区域动植物时空分布许多环境因子和植被参数在时间和空间上是连续的，因此可以运用GIS技术插值功能，在间断的历史观测资料基础上进行插值，从而推导获得某特定时间的参数，也可以在已有的定位观测数据基础上进行推导，来获得整个研究区域或某个特定研究点位的参数。插值技术为生态学的研究提供了有力的技术支撑，可以广泛用于生态系统时空分析。例如，戴巍[8]等基于GIS系统，利用克里格空间插值对浙江省森林生态系统碳密度和储量空间变异特征进行了研究，取得了预期成果；吴晓全等利用RS和GIS技术逐像元分析法，结合天山26个气象台站插值数据，对13年内天山植被NPP进行了估算[9]。

1.4 进行种群时空动态研究，分析虫害发生及扩散规律将空间信息数据应用GIS综合属性数据分析、网络分析和地形分析、空间合成叠加分析等功能，可以高效地对生态系统空间动态进行分析。例如虫害的发生及扩散迁飞规律、植被分布等与地理环境要素之间的关系；植被垂直分布与海拔、坡向、坡度等的关系；植被水平分布与降水、温度、海拔、以及土壤类型之间的关系；人工砍伐对景观和植被的影响；虫害爆发与降水、植被类型以及温度之间的关系；人类活动对植被和昆虫的影响以及气候变化对昆虫迁飞的影响等等。例如，马士彬等应用GIS技术对喀斯特区域植被NDVI和不同岩基的关系进行了分析[10]；汤巧英等应用GIS和RS技术对延河流域植被覆盖度与地形因子的相关性进行了研究[11]。

同时，GIS技术结合时间动态分析功能还可用于植被季相、植被演替、昆虫动态研究。利用多年植被、昆虫及气象资料，可以建立植被季相、植被演替和昆虫动态的时间模型，结合气象中长期预报，可以推测未来区域植被分布和害虫发生程度；还可以模拟全球变暖、气候异常、人类活动（如砍伐、防治）等对植被和昆虫动态的影响。例如，对李轩等应用GIS技术建立了主要农作物病虫害气象等级预报系统，可对北方草原蝗虫、东北玉米螟等7大类主要作物病虫害发生发展气象等级进行实时预报，取得了较好的效果[12]；李斌斌等应用GIS和RS系统对大理河流域植被格局分形维数时空变化特征进行了研究[13]。

1.5 研究种群分布的空间异质性地统计学结合GIS技术的空间分析功能可以研究昆虫和植物种群的分布格局、植被和景观空间异质性，进行景观和生境的评价。例如，昆虫的不同虫态分布格局可运用于防治、抽样设计及预报；景观和生境评价则可运用于森林、湿地、红树林、草坪、病虫害以及濒危动物的管理；通过分析害虫的生境特征和分布格局，可以判断害虫的适宜环境和越冬地点，以便及早防治，压低虫源；通过景观缓冲区（Buffer）分析则可以研究病虫害、砍伐、造林、耕作和水利建设等对景观结构、功能及多样性的影响，从而指导景观生态建设规划。

2 GIS和RS技术在农业生态学中的应用

农业生态学（Agricultural Ecology，Agroecology）是运用生态学和系统论的原理和方法，研究农业生态系统中的相互联系、协同演变、调节控制和持续发展规律的学科，是生态学在农业领域的应用，属于应用生态学的分支之一。GIS和RS技术同样可以应用在农业生态学的研究工作中。在遥感数据的基础上，可利用GIS技术对农作物的生物量、蒸腾作用、叶绿素和木质素含量、光合作用强度、叶面积指数LAI等指标进行测算，指导农业生产。

GIS技术还可以应用于农业面源污染的监测。赵凤琴等研究了GIS在区域土壤退化敏感性评价中的应用[14]，在研究中应用了GIS技术多边形叠置分析技術划分评价单元，采用了层次分析和二级模糊综合评判相结合的方法进行敏感性评价，并通过GIS技术实现了评价结果的分区和可视化。胡斌等基于GIS研究了土地利用的空间格局[15]。

3 结语

GIS和RS技术在生态学研究中有着广阔的应用前景，笔者认为以下几类技术问题将是未来GIS和RS技术应用于生态学研究的热点。（1）数据统一或共享。现有GIS、RS专业软件与应用都有自己的数据格式和标准，不同软件之间直接读取和使用的难度较大，在GIS和RS技术的应用和发展中数据共享和标准化问题迫切需要进行研究。（2）建立三维或四维GIS技术。在许多生态学研究中，很多数据须结合（X，Y，Z）3D空间坐标和时间属性共同来描述。空间对象是随时间变化的，而这种动态变化的规律在求解过程中起着十分重要的作用。（3）5S技术集成。5S技术指的是全球定位系统（GPS）、数字摄影测量系统（DPS）、遥感技术（RS）、地理信息系统（GIS）和专家系统（ES）的统称[5]，5S技术集成应用有利于数据分析的有效性、精准性和完整性。

参考文献

[1]李博.生态学[M].北京：高等教育出版社，2000.

[2]潘代远，地理信息系统与现代生态学[J].科技导报，1993，2：26.

[3]马菁，张学俭.枸杞4大病虫害的遥感近地高光谱特征[J].贵州农业科学，2016，4（3）：65-68.

[4]时珍霞，陈蜀江，周敏等.基于遥感技术的塔里木盆地林果病虫害监测分析[J].安徽农业科学，2012，40（36）：17569-17574.

[5]赵庆展，靳光才，周文杰，等.基于移动GIS的棉田病虫害信息采集系统[J].农业工程学报，2015，31（4）：183-190.

[6]张云.基于RS和GIS的木兰县植被盖度定量研究[J].华东森林经理，2013，27（2）：72-75.

[7]段小芳.GIS技术支持下岩溶区植被指数的Kriging估计[J].农业工程，2013，3（6）：68-71.

[8]戴巍，赵科理，高智群，等.典型亚热带森林生态系统碳密度及储量空间变异特征[J].生态学报，2017，37（22）：1-11.

[9]吴晓全，王让会，李成，等.天山植被NPP时空特征及其对气候要素的响应[J].生态环境学报，2016，25（11）：1848-1855.

[10]马士彬，安裕伦，杨广斌.基于GIS的喀斯特区域不同岩性基底植被NDVI变化分析[J].水土保持研究，2017，24（2）：202-206.

[11]汤巧英，戚德辉，宋立旺.基于GIS和RS的延河流域植被覆盖度与地形因子的相关性研究[J].水土保持研究，2017，24（4）：198-202.