GIS和RS在生態學研究中的應用

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、分析以及表達功能，在生態學研究與應用領域中引起越來越廣泛的重視。RS是以物理、數學、地學分析為基礎的綜合性技術，具有宏觀、綜合、動態和快速的特點，是生態學研究中采集數據的主要手段之一。該文介紹了GIS、RS技術的定義，以及GIS和RS在生態學研究中的主要應用，對其在生態學技術的進一步應用作了展望。

關鍵詞：GIS；RSj生態學研究；應用；展望

中圖分類號 X171.4 文獻標識碼 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

生態學是研究自然界中生活的有機體與其生存環境間的相互關系及其作用規律的科學，研究內容主要包括生態系統的產生、發展和演變規律，以及能量、物質等的相互轉換規律[1]。前期，由于技術的限制，生態學的研究方法多為野外勘測、定位觀測和理論研究等。近年來，生態學家開始以整個區域與全球尺度來思考問題并關注長期的生態變化，生態學由定性研究趨向定量研究，由靜態描述趨向動態分析，逐漸向多層次的綜合研究發展[2]。例如，人與生物圈計劃（MAB）、國際地圈—生物圈計劃（IGBP）等都建立了較大區域范圍和時間跨度的數據庫系統。

地理信息系統（Geographic Information System，簡稱GIS）是一種空間數據的獲取、存儲、檢索、分析及顯示的專門化數據庫管理系統，一般包括計算機硬件、軟件及數據庫系統。遙感（Remote Sensing，簡稱RS）是應用探測儀器，不與探測目標相接觸，從遠處把目標的電磁波特性記錄下來，通過分析，揭示出物體的特征性質及其變化的綜合性探測技術。RS和GIS技術的引入恰好為生態系統研究數據庫系統提供了強有力的空間數據分析工具，不僅使生態學的研究從定性到定量成為可能，而且促進了生態學研究由定量向圖形和圖像化的發展。

1 GIS技術在生態學領域研究中的應用

目前GIS和RS在生態學領域的研究中得到了廣泛的應用，本文就其中幾個主要方面作簡要介紹。

1.1 判別區域的主要植被類型和主要農林蟲害類型 不同類型、不同季節、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）圖象與數據可以用來進行蟲害識別和植被分類。例如，蟲害可導致植被葉片減少，從而影響植被光譜，以此為基礎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律進行研究，結果表明，不同病蟲害感染后的冠層都具特有的光譜特征規律。時珍霞等則綜合應用GPS、GIS、RS技術成功對塔里木盆地果林病蟲害進行了監控[4]。研究者從地物的反射光譜中提取遙感植被指數（VI），建立動植物參量與植被指數之間的模型，這種研究方法廣泛運用于植被參數、植被分類、病蟲害識別、生產力、生物量、作物估產以及火情分析等方面，已經取得很多成果。利用遙感技術還可以對蝗蟲、稻飛虱等遷飛性昆蟲的遷飛路線進行跟蹤監控，從而實現對蟲害的預判。此外，結合實地勘察，可在空間數據的基礎上，實現病蟲害信息的采集、分析和可視化呈現[5]。

1.2 建立區域植被數據庫 運用GIS技術建立區域植被數據庫，可掌握區域主要植被類型、瀕危動植物、經濟植物、主要農林昆蟲以及雜草的分布情況，在此基礎上可運用統計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。將遙感數據庫與實地調查相結合，利用GIS技術還可以計算不同植被類型的生物量（農作物產量、森林蓄積量等）、蒸騰強度、光合強度、葉面積指數LAI、木質素和葉綠素含量等，對重要植物和農林昆蟲的種群數量、蟲情指數以及各種防治措施效果進行監測。若引入激光或雷達遙感，還可以進一步研究植被的冠層結構。例如，張云基于RS和GIS系統對植被蓋度進行了定量研究[6]；段小芳利用GIS技術對信息缺失區域的植被指數進行了Kriging估計[7]。endprint

1.3 估算區域動植物時空分布 許多環境因子和植被參數在時間和空間上是連續的，因此可以運用GIS技術插值功能，在間斷的歷史觀測資料基礎上進行插值，從而推導獲得某特定時間的參數，也可以在已有的定位觀測數據基礎上進行推導，來獲得整個研究區域或某個特定研究點位的參數。插值技術為生態學的研究提供了有力的技術支撐，可以廣泛用于生態系統時空分析。例如，戴巍[8]等基于GIS系統，利用克里格空間插值對浙江省森林生態系統碳密度和儲量空間變異特征進行了研究，取得了預期成果；吳曉全等利用RS和GIS技術逐像元分析法，結合天山26個氣象臺站插值數據，對13年內天山植被NPP進行了估算[9]。

1.4 進行種群時空動態研究，分析蟲害發生及擴散規律 將空間信息數據應用GIS綜合屬性數據分析、網絡分析和地形分析、空間合成疊加分析等功能，可以高效地對生態系統空間動態進行分析。例如蟲害的發生及擴散遷飛規律、植被分布等與地理環境要素之間的關系；植被垂直分布與海拔、坡向、坡度等的關系；植被水平分布與降水、溫度、海拔、以及土壤類型之間的關系；人工砍伐對景觀和植被的影響；蟲害爆發與降水、植被類型以及溫度之間的關系；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，馬士彬等應用GIS技術對喀斯特區域植被NDVI和不同巖基的關系進行了分析[10]；湯巧英等應用GIS和RS技術對延河流域植被覆蓋度與地形因子的相關性進行了研究[11]。

同時，GIS技術結合時間動態分析功能還可用于植被季相、植被演替、昆蟲動態研究。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的時間模型，結合氣象中長期預報，可以推測未來區域植被分布和害蟲發生程度；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的影響。例如，對李軒等應用GIS技術建立了主要農作物病蟲害氣象等級預報系統，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生發展氣象等級進行實時預報，取得了較好的效果[12]；李斌斌等應用GIS和RS系統對大理河流域植被格局分形維數時空變化特征進行了研究[13]。

1.5 研究種群分布的空間異質性 地統計學結合GIS技術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性，進行景觀和生境的評價。例如，昆蟲的不同蟲態分布格局可運用于防治、抽樣設計及預報；景觀和生境評價則可運用于森林、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境和越冬地點，以便及早防治，壓低蟲源；通過景觀緩沖區（Buffer）分析則可以研究病蟲害、砍伐、造林、耕作和水利建設等對景觀結構、功能及多樣性的影響，從而指導景觀生態建設規劃。

2 GIS和RS技術在農業生態學中的應用

農業生態學（Agricultural Ecology，Agroecology）是運用生態學和系統論的原理和方法，研究農業生態系統中的相互聯系、協同演變、調節控制和持續發展規律的學科，是生態學在農業領域的應用，屬于應用生態學的分支之一。GIS和RS技術同樣可以應用在農業生態學的研究工作中。在遙感數據的基礎上，可利用GIS技術對農作物的生物量、蒸騰作用、葉綠素和木質素含量、光合作用強度、葉面積指數LAI等指標進行測算，指導農業生產。

GIS技術還可以應用于農業面源污染的監測。趙鳳琴等研究了GIS在區域土壤退化敏感性評價中的應用[14]，在研究中應用了GIS技術多邊形疊置分析技術劃分評價單元，采用了層次分析和二級模糊綜合評判相結合的方法進行敏感性評價，并通過GIS技術實現了評價結果的分區和可視化。胡斌等基于GIS研究了土地利用的空間格局[15]。

3 結語

GIS和RS技術在生態學研究中有著廣闊的應用前景，筆者認為以下幾類技術問題將是未來GIS和RS技術應用于生態學研究的熱點。（1）數據統一或共享。現有GIS、RS專業軟件與應用都有自己的數據格式和標準，不同軟件之間直接讀取和使用的難度較大，在GIS和RS技術的應用和發展中數據共享和標準化問題迫切需要進行研究。（2）建立三維或四維GIS技術。在許多生態學研究中，很多數據須結合（X，Y，Z）3D空間坐標和時間屬性共同來描述。空間對象是隨時間變化的，而這種動態變化的規律在求解過程中起著十分重要的作用。（3）5S技術集成。5S技術指的是全球定位系統（GPS）、數字攝影測量系統（DPS）、遙感技術（RS）、地理信息系統（GIS）和專家系統（ES）的統稱[5]，5S技術集成應用有利于數據分析的有效性、精準性和完整性。

參考文獻

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[9]吳曉全，王讓會，李成，等.天山植被NPP時空特征及其對氣候要素的響應[J].生態環境學報，2016，25（11）：1848-1855.

[10]馬士彬，安裕倫，楊廣斌.基于GIS的喀斯特區域不同巖性基底植被NDVI變化分析[J].水土保持研究，2017，24（2）：202-206.

[11]湯巧英，戚德輝，宋立旺.基于GIS和RS的延河流域植被覆蓋度與地形因子的相關性研究[J].水土保持研究，2017，24（4）：198-202.

[12]李軒，郭安紅，莊立偉.基于GIS的主要農作物病蟲害氣象等級預報系統研究[J].國土資源遙感，2012，1：104-109.

[13]李斌斌，李占斌，李鵬.基于GIS與RS的大理河流域植被格局分形維數時空變化特征[J].農業工程學報，2015，31（12）：173-177.

[14]趙鳳琴，湯潔，王忠恕.GIS技術在區域土壤退化敏感性評價中的應用[J].中國科技論文在線，2008，3（5）：359-363.

[15]胡斌，李娟，趙同謙.基于GIS的土地利用空間格局分析——以河南省商丘市為例[J]，安徽農業科學，2007，35（10）：3113-3117.

（責編：張宏民）endprint