全 文 ：基于 GIS和遥感技术的生态系统服务价值
评估研究进展*
李文杰1,2 摇 张时煌1**摇 王辉民1
( 1中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室, 北京 100101; 2 中国科学院研究生院,北京
100049)
摘摇 要摇 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———“生产线冶框架,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.
关键词摇 生态系统服务价值评估摇 地理信息系统摇 遥感摇 集成框架
文章编号摇 1001-9332(2011)12-3358-07摇 中图分类号摇 F062. 2摇 文献标识码摇 A
Ecosystem services evaluation based on geographic information system and remote sensing
technology: A review. LI Wen鄄jie1,2, ZHANG Shi鄄huang1, WANG Hui鄄min1 ( 1Key Laboratory of
Ecosystem Network Observation and Modeling, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources
Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 2Graduate University of Chinese
Academy Sciences, Beijing 100049, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2011,22(12): 3358-3364.
Abstract: Ecosystem services evaluation is a hot topic in current ecosystem management, and has a
close link with human beings welfare. This paper summarized the research progress on the evalua鄄
tion of ecosystem services based on geographic information system (GIS) and remote sensing (RS)
technology, which could be reduced to the following three characters, i. e. , ecological economics
theory is widely applied as a key method in quantifying ecosystem services, GIS and RS technology
play a key role in multi鄄source data acquisition, spatiotemporal analysis, and integrated platform,
and ecosystem mechanism model becomes a powerful tool for understanding the relationships be鄄
tween natural phenomena and human activities. Aiming at the present research status and its inade鄄
quacies, this paper put forward an “Assembly Line冶 framework, which was a distributed one with
scalable characteristics, and discussed the future development trend of the integration research on
ecosystem services evaluation based on GIS and RS technologies.
Key words: ecosystem services evaluation; geographic information system; remote sensing; inte鄄
grated framework.
*国家重点基础研究发展计划项目(2009CB421101)资助.
**通讯作者. E鄄mail: zhangsh@ igsnrr. ac. cn
2011鄄05鄄06 收稿,2011鄄09鄄24 接受.
摇 摇 生态系统功能及其服务作为地球生命的支持系
统,直接或间接地关系着人类福祉. Costanza 等[1]基
于大量资料估算结果表明,全球主要的 17 种生态系
统服务总价值约 33 万亿美元.随着社会经济的发展
和人为活动影响的加强,生态系统服务正受到前所
未有的威胁.只有更好地实施生态系统服务管理,才
能实现社会的可持续发展,而生态系统服务价值评
估是对生态系统服务进行科学管理的前提. 由于生
态系统复杂性等引起的不确定性,生态系统服务价
值评估所采取的评估指标体系和技术手段也在不断
改进.
随着 GIS和 RS 技术的引进,生态系统服务价
值评估研究发生了革命性变化,拓宽了生态学家的
应 用 生 态 学 报摇 2011 年 12 月摇 第 22 卷摇 第 12 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Dec. 2011,22(12): 3358-3364
研究思路. 但目前基于 GIS 和 RS 技术的生态系统
服务价值评估集成研究仍存在很多不尽如人意的地
方,如生态系统服务价值评估的方法体系仍需不断
完善、GIS和 RS技术本身的固有限制,以及生态系
统服务价值评估在集成研究中存在的各类耦合问题
等.为了把握生态系统服务价值评估研究的整个流
程,本文沿着研究现状概述-理论方法总结-GIS 和
RS技术应用分析-问题剖析与拓展-未来发展的主
线,对当前基于 GIS 和 RS 技术的生态系统服务价
值评估进行系统综述,以期为后续相关研究提供方
向性的参考意见.
1摇 生态系统服务价值评估研究现状
参考千年生态系统评估研究[2]的四大发现(约
60%的生态系统服务功能退化;生态系统出现非线
性的变化风险加大;土地覆被变化、资源过度开发、
外来入侵物种和富营养化污染会引发生态系统继续
恶化;政策指导有可能扭转正在退化的生态系统服
务),国外学者关于生态系统服务价值评估的争论
原因[3]可归纳为 3 点,即生态系统的复杂性、经济学
方法的局限性与可比性、自然系统潜在价值评估的
有效性.生态系统服务能力是一个国家可持续发展
的必要支撑和综合国力的重要组成部分,赵景柱
等[4]通过测算典型生态系统的服务价值,给出了包
括中国在内的代表不同区域和不同发展水平的 13
个国家的生态系统服务价值.
我国关于生态系统服务价值评估取得了丰硕的
研究成果:评估了不同尺度和多种类型的生态系统
服务价值,为生态补偿提供了科学基础,提高了公众
的生态保护和管理意识;使森林生态系统服务价值
评估方法初步规范化. 目前我国生态系统服务评估
的研究格局表现为以下两方面:1)通过比较不同类
型生态系统的尺度及所占比例,在前人研究的基础
上对某种类型生态系统开展尺度拓展等综合研究,
进而探索新的研究途径;2)通过了解不同空间尺度
上生态系统服务价值评估研究的类型分布,分析生
态系统服务评估研究领域较成熟和欠发达的类型.
基于上述两个视角,有助于更好地把握我国生态系
统服务评估研究领域的未来发展方向.
摇 摇 我国森林生态系统服务评估研究在所划分的 5
个尺度(地带、城市、省份、流域和国家尺度)上均占
据了较大比例(图 1),说明我国森林生态系统研究
基础较雄厚,是开展多尺度效应研究的最佳选择.与
之形成鲜明对比的是海洋生态系统,无论是数量上
图 1摇 中国生态系统服务评估研究格局
Fig. 1 摇 Research pattern of ecosystem services evaluation of
China.
玉:森林 Forest; 域:草地 Grass; 芋:农田 Crop; 郁:湿地Wetland; 吁:
河流 River; 遇:海洋 Ocean.
还是研究尺度上都有很大的提升空间. 随着我国社
会经济的发展和海洋科学技术的进步,海洋生态系
统服务价值的评估研究即将迎来大发展时代.
2摇 生态系统服务价值评估方法
生态系统服务价值评估方法的选择,既受现有
科学技术水平的限制,又受到研究对象多样性的制
约,同时包含着不同研究人员在科学思维方面的主
观影响.
国内学者在生态系统服务价值评估方法的选取
上主要有以下两个特点:1)基于国际上成熟方法的
引进和中国化. 如谢高地等[5]以 Costanza 的方法为
基础,辅以专家知识通过改进得到的生态系统服务
单价体系能够在较短时间内获得较精确的结果,可
准确地反映中国生态系统服务的生产鄄消费鄄价值实
现过程和评估中国生态系统状况和经济发展水平的
生态系统服务价值. 2)多学科知识综合、多种方法
和多技术手段的集成. 如陈能汪等[6]研究指出,在
生态系统服务价值评估方法体系研发过程中,可进
一步加入生态系统类型快速划分技术,嵌合经济评
估模型、生态过程模型和社会学模型,同时基于信息
技术构建生态环境管理区域信息共享平台推广应用
研究成果.总的来说,我国学者在生态系统服务价值
评估的基础方法研究方面较薄弱,由观测尺度、生态
系统本身和环境条件的多样性等引发的生态系统服
务价值空间异质性未有效解决,但在及时、准确掌握
生态系统服务数量与质量时空变化趋势和制定更具
科学性与针对性的生态环境管理措施上已取得了长
足进步.
国外学者的研究方向和兴趣集中于以下几个方
953312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李文杰等: 基于 GIS和遥感技术的生态系统服务价值评估研究进展摇 摇 摇 摇 摇 摇
面:1)新概念与新思路的发现.如联合政府部门、保
护机构和环保市场建立的生态系统服务评估核算理
念,能够与传统意义上的核算单位(如 GDP 等经济
指标)进行比较[7];通过定义服务提供单元( SPU)
的概念[8],筛选自然服务的关键因子,量化与人类
利益之间的联系,进而得出生态系统服务价值的结
果. 2)围绕人类主观能动性因素的研究. 如从心理
透视的角度分析人们对生态系统服务功能的认知程
度,强调人与自然之间的互动,重建对生态系统服务
的系统认识[9];将社会发展过程嵌入到模型中服务
于生态系统的高效管理,促使利益相关者自主推动
生态系统服务保护工程的顺利实施[10] . 3)多时空尺
度的差异性分析. Troy 和 Wilson[11]的研究说明,不
同的土地利用与水资源状况和经济发展指标对于生
态系统服务流的价值分配评估存在空间化的转换限
制.综上,国外学者的研究思路开阔,考虑细致周全,
研究的重心逐渐转向推动跨学科之间的合作与验证
方法的进一步发展方面.然而,由于数据的可获取性
以及经济价值的不确定性等一系列问题,不同地域
的价值评估难以用一套完整的方法概括.
3摇 基于 GIS和遥感技术的生态系统服务价值评估
国内外学者从不同视角开展了丰富而有益的生
态系统服务价值评估研究[12-13] .本文分别从陆地生
态系统的主体(森林、草地和湿地)、人地关系生态
系统的集中体现(城市和农业)、新兴生态系统的代
表(海洋和重要生态功能区等)3 个重要方向综述了
基于 GIS和遥感技术的生态系统服务价值评估研
究.
3郾 1摇 森林、草地和湿地生态系统服务价值评估
GIS和遥感技术用于森林生态系统服务价值评
估研究的途径主要有:1)遥感数据与生理生态模型
的结合,通过定量估算生态学参数,进而间接地评价
生态系统服务价值[14] .这既可以免去烦琐的实验工
作,也实现了区域尺度生态参数的定量估算. 2)GIS
与动态森林生理生态模型的耦合,可用来评估造林
行为引起的森林立地结构、树种组成和发展阶段等
特征的变化对森林生态系统服务功能的影响,并以
此为基础估算森林生态系统其他服务功能潜力[15] .
3)基于 GIS的生态系统服务价值评估系统,能够实
现基于 GIS平台下的自然演替、科学规划和乱砍滥
伐 3 种管理情景下的森林动态发展模拟[16] .
利用遥感技术估算草地生态系统服务价值,具
有廉价、动态、快速和范围广等优点,并可有效地改
进传统方法不能解决的空间异质性问题. 姜立鹏
等[17]提出了基于净初级生产力(NPP)和植被覆盖
率的草地生态系统服务价值估算方法. 但在评价指
标体系的确定和修正方面还有待进一步研究与完
善,应重点关注数据验证问题和基于生态系统机理
的服务价值评估研究.目前,依托遥感技术系统能够
监测生态系统服务动态变化过程,把握生态系统服
务的相对时空分布,可为针对性地开展生态建设提
供决策支持.
通过基于 GIS 技术的社会鄄自然景观的制图来
改进生态系统服务的效益分析,进而评价环境贸易
和生态补偿的方法对湿地生态治理和恢复是行之有
效的. 近年来,我国黄河三角洲湿地景观格局变化
及其对区域生态系统服务的影响已逐渐引起人们的
重视,特别是利用 RS 和 GIS 技术的分析表明,该地
区存在生物多样性丧失风险加剧的趋势[18] .为了明
确农业、城市化和其他人类活动对湿地生态环境的
影响,需要建立集空间数据、政策信息和湿地专题图
等的信息共享机制,使大众积极参与到湿地的恢复
与保护中[19-20] .
3郾 1摇 城市和农业生态系统服务价值评估
在农业生态系统服务价值评估研究中,GIS 可
实现生态学模型运行结果的空间可视化,并直观地
指导进一步的因应措施. Lant等[21]利用基于 GIS 的
生态经济模型,通过生态补偿政策使土地利用格局
发生有利于减少土壤流失的变化. 基于地理空间的
决策模型还需进一步发掘,先进的地理建模环境将
改进流域农田生态系统的管理水平. 基于 GIS 技术
的农业生态系统服务模型可以敏感地反映农村地区
生态系统服务随政策干预的变化,能够解决不同地
区和不同部门之间的冲突[22] . 因此,生态补偿政策
的导向作用和基于 GIS的生态经济分析模型可视化
分析有利于农田生态系统的理性发展.
在城市生态系统服务价值评估研究中,往往将
城市生态承载力、景观生态学和生态经济学等理论
与 GIS 和遥感技术相融合.如借助 GIS 的空间分析
功能对城市最小生态用地面积和空间范围进行定量
化研究[23];将生态保护理论与城市发展目标有机结
合在一起,通过 GIS 的可视化功能和情景分析技术
为城市管理者制定城市空间发展方向提供重要的决
策依据.然而以往的相关研究仍存在一些缺限,如空
间尺度的制约、指标因子间的耦合关系考虑不足.运
用丰富的遥感数据进行土地利用类型的动态监测、
配合生态系统服务价值量表计算土地利用类型变化
0633 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
对生态系统服务价值的影响已逐渐成为评价城市生
态系统服务价值的主要方法之一[24] .该方法的关键
在于通过时间序列数据的对比分析,可明确生态系
统服务价值中能够折抵的土地类型变化.
3郾 3摇 海洋与重点功能区生态系统服务价值评估
鉴于海洋生态系统重要的战略地位,国家海洋
局于 2005 年启动了为期 5 年的“海洋生态系统服务
功能及其价值评估冶研究计划[25],借助 GIS 技术评
估近海海洋生态系统服务价值,为实现健康的海洋
开发产业布局提供定量评估技术支持. 基于海洋生
态系统管理理念,美国国家海洋和大气局的海岸服
务中心利用 GIS 技术开发了一个区域性模式,促使
海洋资源的分散管理向海洋生态系统的综合管理转
化[26] .
我国学者关于海洋生态系统服务价值评估研究
可概括为两方面:以海洋初级生产力的 GIS 估算模
型为代表,将分析结果直观地显示和输出[27];基于
GIS和遥感信息的海洋生态系统共享专业数据库的
构建[28] .前述工作为我国海洋生态系统服务价值评
估研究奠定了坚实基础,但目前在海洋生态系统动
态监测手段和机理研究方面仍处于初级阶段. 与国
内相比,国外学者的相关研究更深入具体,如 Hamel
等[29]研究指出,珊瑚礁渔业对粮食安全和国家经济
来源具有重要作用,海洋生境地图将改进基于生态
系统的渔业管理,建议充分利用基于渔业技术服务
和当地需求的遥感数据产品.目前,以海洋生态系统
服务功能维护和管理为核心目标,利用 GIS 和遥感
技术,将商品化的环境政策、渔业可持续发展概念、
多标准选择法等理论用来综合评价海洋态系统服务
价值的方法已被普遍采用[30-31] .
青藏高原、阿尔卑斯山脉等敏感地区的生态系
统对全球或区域生态系统服务价值存在潜在影响,
因而受到众多学者的关注.刘军会等[32]利用遥感和
GIS技术,结合生态经济学模型测算青藏高原生态
系统服务功能的经济价值及其动态变化,克服了传
统的生态统计方法以点带面的缺点,可有效区分同
一生态系统服务功能的内部差异. 青藏高原具有重
要的生态功能地位,其对周边地区生态环境产生明
显的辐射效应,但其生态服务功能的辐射尺度、范
围、强度和不同生态系统的辐射差异都难以准确测
算. Gret鄄Regamey等[33]发展了一个半自动的流程来
评价阿尔卑斯山地区的生态系统服务,将现有的过
程模型和经济学方法集成到 GIS 平台,比较了人类
发展影响和气候影响情景对生态系统的影响. 该方
法有助于决策制定者权衡不同规划产生的经济影
响,对可持续发展的政策选择有指导作用.
3郾 4摇 生态系统服务价值评估中的新发展
GIS技术的不断发展使其逐渐成为多源数据和
多学科模型的集成分析平台,遥感的多角度、多尺度
和多时相的动态监测能力极大改善了生态观测的质
量和效率,生态经济学理论为生态系统服务价值的
量化提供了计算方法支持. 科学技术的进步不断充
实了研究手段和解决问题的思路[34-35] . 此外,各国
学者为积极推动生态系统服务价值评估的深入研
究[36-40],分别从各自角度进一步解决研究中的问
题,例如,为减轻生态学家掌握生态学研究新技术的
压力而研发的多功能工具箱;为多维度分析生态系
统内部机理而进行专家知识整合的尝试;从生物多
样性的变化联想生态系统服务价值可能发生的变
化;通过变换不同类型生态系统服务之间的结构关
系选取最佳组合等.
4摇 问题与讨论
GIS和遥感技术在生态系统服务价值评估领域
的应用迄今取得了很好的效果,但也存在诸多不
足[41-42] .基于 GIS和遥感技术的生态系统服务价值
评估之路目前主要存在以下问题:第一,生态系统服
务价值评估成果的实用性问题,数据源及数据处理
过程的误差、评估方法的合理性和易用性都会影响
研究成果的推广使用;第二,不同尺度之间的转换机
制研究不够,导致现在很多研究只能局限于某些特
定区域,间接增加研究成本;第三,生态系统服务功
能机理模型、经济学模型和社会管理等相关理论方
法与 GIS和遥感技术的结合不够完善,相关研究成
果之间缺乏内在联系和共享机制. 此外,随着学科、
技术的发展和研究需求的不断拓宽而出现的新问
题:第一,数据量的级数增长所引发的高性能数据库
建设迫在眉睫;第二,在复杂的自然和社会环境下面
临新问题时原有解决方案的继承性和拓展能力问
题;第三,结果评价体系制定存在不同地区、时间与
研究者之间的差异性仍未真正解决;第四,生态系统
服务价值评估模型中某些参数的设定存在大量的经
验值;第五,如何通过 GIS和遥感技术构建的平台来
调节生态系统服务功能的维护与经济发展之间的平
衡关系.
基于以上分析,依照系统论思想,借鉴《生态控
制原理》 [43] 的理论体系,本文尝试提出 “生产
线冶———生态系统服务价值评估集成研究框架(图
163312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李文杰等: 基于 GIS和遥感技术的生态系统服务价值评估研究进展摇 摇 摇 摇 摇 摇
2).框架环境是基于 Web 的开放式 GIS 和 RS 集成
平台,便于公众参与互动;框架的运行管理是基于订
单式服务展开,主要包括 6 个生产节点:数据、模型、
尺度、可视化、评价和决策. 其中,1)数据节点的主
要职能是数据加工和编码管理,数据关联是基于不
同生态系统类型与服务价值来评估需求数据之间的
映射集,通过映射关系快速查找相关数据;2)模型
节点主要负责与生态系统服务价值评估领域相关的
各专业模型的调度与维护管理,支持模型自主更新
与拓展,其中模型控制是模型之间相互冲突的调节
机制;3)尺度节点主要负责控制不同时空尺度之间
的转换和监督,主要包括尺度归组(基础)、尺度转
换(核心)、尺度调整(应变机制);4)可视化节点指
数据分析过程和结果等产生的各类数据的空间化和
时间序列化,除空间数据的可视化外,还包括基于空
间统计和人工智能的属性数据以及服务价值评估体
系的可视化;5)评价节点主要负责对可视化“产品冶
进行进一步检验,判定其是否可用及适用范围等,其
中动态建标是评价体系的动态建立方法集;6)决策节
点是此套生产线的最终目的,提供决策依据,提供生
态友好、经济优先和平衡共进 3 种决策情景.在 6 个
节点的外围是选择性的滤波窗口,过滤窗的功能是根
据具体某项研究的需要从 6个节点中选择“生产冶.
图 2摇 生态系统服务价值评估集成研究框架
Fig. 2摇 Conceptual framework for integrated research on ecosys鄄
tem service evaluation.
摇 摇 该框架的特点是:执行并行处理;各节点物理上
独立,相互之间不产生干扰;逻辑上通过生态系统服
务价值评估流程中各部分的 ID号进行通信,增强了
集成研究的效率.该框架不仅可以满足生态系统服
务价值评估的研究需求,还可随着应用研究的深入
进行相应扩展,是一个动态的、灵活的框架体系.
5摇 研究展望
我国利用 GIS和遥感技术获取与处理数据的能
力与国外存在较大差距,体现在具体生态参数遥感
反演的精度和基于 GIS的模型深度分析方面.因此,
在数据处理算法上应注重自主创新,制定更加科学
的数据处理方案;发展基于 GIS 的特色生态科学数
据库、模型库等,提高数据的性价比和模型解决问题
的能力.
在 GIS和遥感技术与生态系统服务价值评估模
型之间集成的深度与广度方面,应强化以下几方面
的研究:专题层面,不仅要深度挖掘单项生态因子的
潜在影响,还应注意多要素的联合,开拓新的应用领
域和研究方法;空间层面,不仅要做好尺度转换机制
的研究,使成熟方法实现空间上的外延,还要构建基
于网络 GIS和多源遥感的点、线、面多级空间观测体
系,将生态系统服务功能机理更细致地刻画在空间
范畴中;时间层面,加强对历史环境的分析和解读,
利用 GIS平台的时空分析功能实现对未来发展和突
发事件的预测能力、决策支持能力. 此外,还应加强
生态系统服务机理模型、经济学模型和社会行为学
模型与 GIS 和 RS 技术系统的耦合机制研究,构建
开放、集成和智能化的数据与研究成果的共享平台.
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作者简介摇 李文杰,男,1986 年生,硕士研究生.主要从事生
态系统服务价值评估和土地利用变化对生态系统的影响研
究. E鄄mail: liwjgis@ 126. com
责任编辑摇 杨摇 弘
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