全 文 ：第 33卷 第 6期 生 态 科 学 33(6): 1208−1212
2014 年 11 月 Ecological Science Nov. 2014

收稿日期: 2014-03-24; 修订日期: 2014-04-20
基金项目: 国家自然科学基金项目(41301378)；资源与环境信息系统国家重点实验室青年人才培养基金(O8R8B670KA)；广东省中科院全面战略合作项
目(2012B091100256)；国家科技基础性工作专项(2014FY210150)
作者简介: 陈鹏飞(1982—), 男, 河南许昌人, 博士, 助理研究员, 主要从事遥感应用研究, E-mail: pengfeichen@igsnrr.ac.cn

陈鹏飞. 空间信息技术在国内生态学研究中的应用[J]. 生态科学, 2014, 33(6): 1208−1212.
CHEN Pengfei. Application of spatial information technology in domestic ecological research[J]. Ecological Science, 2014, 33(6):
1208−1212.

空间信息技术在国内生态学研究中的应用
陈鹏飞
中国科学院地理科学与资源研究所, 资源与环境信息系统国家重点实验室, 北京 100101

【摘要】 遥感技术、地理信息系统、全球定位系统、地面自动观测网络等信息技术的应用, 既为生态学研究提供了丰
富的数据源, 又为时空异质性数据的管理、分析、展示, 提供了技术手段。它们为生态学研究提供了前所未有的机遇。
综述了空间信息技术在生态学要素获取、生态健康评价、生态安全评价、生态过程分析和生态系统管理中的应用现状,
并在此基础上提出若干今后需要进一步加强研究的领域, 期望能对相关领域研究者有所帮助。

关键词：信息技术; 生态健康; 生态安全; 生态系统管理
doi:10.14108/j.cnki.1008-8873.2014.06.028 中图分类号：Q948.1 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2014)06-1208-05
Application of spatial information technology in domestic ecological research
CHEN Pengfei
State Key Lab of Resources and Environment Information System, Institute of Geographic Science and Natural Resources
Research, CAS, Beijing 100101, China
Abstract: The applications of remote sensing technology, geographical information system, global position system and
automatic ground observation network provide important opportunities to ecological study. They can not only provide plenty
data sources, but also facilitate temporal and spatial heterogeneous data management, analysis and display. This paper made
a summary of the development status of applying information technology in the acquisition of ecological parameters,
assessment of ecological health, evaluation of ecological security, analysis of ecological process, and ecosystem management.
Based on the above analysis, some research areas needed to further strengthen, were given. It could be helpful for the
researchers in relative field.
Key words: information technology; ecological health; ecological security; ecological management
1 前言
人类社会已进入信息时代。数字化、网络化技
术发展迅速。现代生态学研究也越来越强调对各种
信息技术的应用, 以达到对信息的及时、全面获取,
以及对不同尺度数据的综合分析。这为空间信息系
统的发展和应用提供了广阔的舞台。空间信息系统
是集空间信息获取、管理、分析和应用于一体的技
术系统[1], 主要包括遥感、地理信息系统、全球定位
系统、地面自动观测网络等。
遥感技术根据物质在电磁波作用下形成的反
映其成分和结构信息的光谱吸收与反射特征来实
现对各种物质物理、化学组成的探测。它具有快
速、无损、可大面积同步观测的优点[2]。将其应用
6 期 陈鹏飞. 空间信息技术在国内生态学研究中的应用 1209

于生态学研究, 可及时获取生态系统参数的时空
分布, 为探究生态系统时空演变规律提供支撑。地
理信息系统以地理信息数据库(包括空间数据和属
性数据)为基础, 在计算机软、硬件环境下, 支持
对数据进行采集、管理、分析、模拟和显示, 并适
时提供多种地理模型对数据进行科学管理和综合
分析[3]。将地理信息系统应用于生态学研究, 有助
于解决生态学研究涉及参数众多, 不同参数在不
同尺度上表现出各异的时空异质性, 数据分析、整
理、模拟困难的问题, 并能运用空间分析模型通过
地理关系对生态学数据进行获取、存贮和分析, 便
于研究尺度效应与生态系统演替规律[4]。全球定位
系统利用卫星技术实现对对象的精准定位。将其
应用于生态学研究可用于监测动物活动足迹、制
作专题地图(生境图、植被图、土地利用类型分布
图)、辅助遥感数据几何校正等。地面自动监测网
络系统依托现代传感技术, 利用布设在不同生态
环境敏感区的传感器, 实时采集研究区生态环境
质量(水、土壤及大气等)以及各种生物(动物、植
物、微生物等)的动态变化信息, 并通过无线或有
线网络传输给使用者。将其应用于生态学研究, 可
以动态获取各种生态学要素, 便于进行不同生态
学现象的成因分析。
以上几种信息技术互为补充, 促进了生态学研
究的变革和进步。它们已成功应用于生态学要素获
取、生态系统健康评价、生态安全评价、生态过程
分析和生态系统科学管理等领域。
2 信息技术在生态学要素获取中的应用
生态学研究涉及复杂的生物化学、生物物理过
程, 需要获取大量的生态监测指标, 以便研究生物
与环境之间相互关系及其作用机理。遥感技术、地
面观测网络系统等为这些指标的实时获取提供了重
要支撑。
2.1 地面自动观测网络系统
为研究生态环境变化, 解决资源和生态环境方
面的重大问题, 我国于 1988 年开始组建中国生态系
统研究网络(Chinese Ecosystem Research Network,
CERN)。目前已拥有 40 个生态站, 涉及农业、森林、
荒漠、海湾、湖泊、草原、沼泽、喀斯特、城市等
领域。站上配备的自动观测系统, 可实现微气象涡
度相关通量数据从远程数据采集, 到传输、存贮、
管理, 再到分析、共享等一体化的信息服务。国家
环保系统也在全国建立多个环境质量自动监测系
统。其中, 在九江县建立的蛤蟆石水质环境自动监
测站, 可实现对水温、pH、溶解氧、高锰酸盐指数、
化学需氧量、总磷、总氮、铜、锌、砷、铬、铅、
氰化物、挥发酚、石油类、叶绿素等水环境指标的
自动监测[5]。随着传感技术、无线传输技术的发展,
以及大型存贮设备、信息处理服务器的使用, 使得
这种依赖传感器对生态系统环境参数进行实时采
集、传输、存储、分析的物联网技术越来越受人们
重视, 但它们在大面积应用之前, 目前还需要解决
传感器小型化、节能化、低成本、智能化等问题[6]。
2.2 遥感观测
经过近几十年的发展, 遥感技术已发展成为从
地面、空中、太空等不同尺度, 全方位监测生态环
境信息的工具。在地面, 基于机械(汽车、吊车)、观
测塔以及人本身携带传感设备进行观测; 在空中,
利用各种飞机、飞艇、热气球等作为传感器运载工具
进行观测, 携带的传感器可以是 CCD 数码相机、成
像光谱仪、合成孔径雷达及激光雷达等等; 在太空,
主要利用卫星作为搭载平台。获得的遥感数据, 光谱
范围覆盖从可见光到微波, 几何分辨率从几千米到
不足 1 米, 光谱分辨率从几十纳米到几纳米。这些数
据可应用于土地利用/覆被分类[7], 植被生物量/叶面
积指数/生产力反演[8], 地表蒸散发反演[9]等。
遥感技术在给生态学研究带来极大便利的同时,
为适应生态学研究对精度日益增加的需求, 其自身
也存在一些亟待解决的问题: 1)尺度效应问题。高分
辨率遥感不易获取较大空间范围的数据, 而较低分
辨率遥感不能获取足够详细的空间信息。面对这对
矛盾, 将遥感技术应用于生态学研究时, 需要深入
研究利用不同尺度遥感技术获取地表信息时的时
空对应关系及不同尺度数据间的转换关系与互补
关系[10]; 2)信息自动提取问题。由于同物异谱、异
物同谱现象的存在, 虽然基于遥感信息的自动提取
技术已发展几十年, 但目前仍然精度不高。今后怎
样广泛利用多源、多角度遥感技术, 合理利用地面
实测数据, 构建功能强大的信息提取算法, 以实现
目标信息的自动、准确提取, 仍将是日后发展的重
要方向。
1210 生 态 科 学 33 卷

3 信息技术在生态健康评价中的应用
生态系统健康是指一个生态系统所具有的稳定
性和可持续性, 即在时间上具有维持其组织结构和
功能的能力。将空间信息技术应用于生态系统健康
评价, 便于管理不同来源、不同格式的资料, 有利于
开展叠加分析与空间解析, 能提高生态系统健康评
价的精度。根据稻田生态系统的构成要素, 李晶晶
等建立了基于作物长势指数、稻田环境指数、病虫
害指数等指数来表征稻田系统健康程度的方法, 利
用遥感技术反演关键参数值, 基于地理信息系统开
展空间分析, 获得了长江下游平原稻田生态系统健
康状况[11]。基于地理信息系统平台, 结合白桦林样
地调查等数据, 施明辉等利用改进人工神经网络模
型, 对长白山白河林业局两江林场进行健康评价,
为该地区森林可持续经营和多功能利用提供理论支
撑[12]。王一涵等选择位于三江平原东北部的洪河国
家级自然保护区湿地及其周边农场湿地为研究区,
基于遥感和地理信息系统, 结合野外生态调查与水
文气象监测数据, 利用层次分析法和综合指数方法,
对研究区湿地进行生态健康评价[13]。目前, 尽管信
息技术已在生态系统健康评价中得到初步应用, 但
生态系统健康评价是一项跨学科的工作, 其涉及的
领域包括生态学、环境学、社会学、医学以及经济
学等领域, 已有研究还处于起步阶段[14], 缺乏跨学
科综合分析。
2000 年 , 英国科学家提出虚拟化科研环境
(e-Science)的概念, 即建立一个基于网络的全新的
信息化科研环境, 以解决科学研究中处理问题的规
模和可扩展性, 实现不同节点的异实验平台数据设
备共享。其目的是利用先进的网络设施和信息化手
段, 使人、工具和信息有机地连接起来, 以消除科学
研究中因地域、时间、团队和学科领域造成的壁垒。
在我国虚拟化科研环境正逐渐引起科学界重视的同
时, 怎样建立生态系统健康评价的虚拟化科研环境,
以及在这一平台上集成遥感与地理信息系统等空间
分析技术, 对于跨学科开展生态健康评价将具有重
要意义。
4 信息技术在生态环境安全评价中的应用
生态安全是指某一国家或区域人的生活、健康、
安乐、基本权利、生活保障来源、必要资源、社会
次序和人类适应环境变化的能力等不受威胁或破坏,
呈现出整体健康与可持续发展状态的保障程度[15–16]。
近年来, 随着生态环境的不断恶化, 生态安全问题
已经成为新世纪人们面临的重大难题。遥感技术、
地面自动观测网络可提供时间序列多要素、多层次
数据, 支持环境要素变化监测分析, 而地理信息系
统的空间分析功能可嵌入生态学模型, 便于进行综
合分析[17]。它们为生态环境安全评价注入新的活力。
屈芳青和周万村利用遥感技术提取若儿盖 1995、
2000、2004 年土地利用变化状况, 基于地理信息系
统利用压力—状态—响应模型评价了若儿盖草原生
态安全状况[18]。孙芬以三峡库区丰都县沿江地区为
研究区, 结合丰都县三峡工程后续规划的土地生态
功能区划, 利用地理信息系统对研究区的土地利用
变化、地形地貌、地质灾害、植物覆盖和景观格局进
行分析, 开展了研究区土地生态安全综合评价[19]。利
用多时相遥感数据, 高杨等基于聚集度、景观破碎
度、景观形状指数、Shannon 多样性指数、景观脆
弱度指数、景观安全邻接指数等, 对研究区景观空
间格局变化进行对比分析, 通过计算景观生态安全
指数, 评价了研究区的景观生态安全状况[20]。
虽然空间信息技术已越来越多的应用于生态安
全分析, 但由于生态安全评价尚处于探索阶段, 没
有形成系统综合的评价指标体系, 更没有规范的数
据标准[21]。基于空间信息技术的生态安全评价同样面
临着指标体系不统一, 缺乏动态分析与预警研究[21]。
因此, 今后一方面需要按领域、行业、地域范围等,
将生态安全评价指标进行合理分类, 基于空间信息
技术系统化的提出相应评价标准体系, 形成国家
(行业)标准; 另一方面需要加强基于空间信息技术
的生态安全动态分析模型研究, 实现生态安全的科
学预警。
5 信息技术在生态过程分析中的应用
生态过程作为生态学研究的重要内容, 主要涉
及生态系统中的元素循环、种群动态、种子或生物
体的传播、捕食者和猎物的相互作用、群落演替和
干扰等方面[22]。现代生态学过程研究, 在研究层次
和尺度上, 正逐渐由个体—群落—生态系统向区域
—国家—全球规模转变; 在研究对象上, 正由以自
然生态系统为主逐渐向自然—社会—经济复合生态
6 期 陈鹏飞. 空间信息技术在国内生态学研究中的应用 1211

系统转变[23]。传统的生态学研究技术和方法已不能
满足这一发展趋势要求, 而遥感技术、地理信息系
统、全球定位系统、自动传感器观测网络等现代
信息技术, 为现代生态学过程研究提供了丰富的
数据源和强大的数据分析工具。这些技术已成功
应用于人与自然相互联系研究[24]、水文与生态过
程相互耦合研究[25]和生态过程与资源环境效益研
究[26–27]等领域。但如前所述, 随着生态学研究, 特
别是在生态过程分析中对精度的要求越来越高 ,
迫切需要加强各种数据的融合与同化, 特别是遥
感反演结果与野外实测数据的结合, 以提高生态
过程研究的准确性。
6 信息技术在生态系统管理中的应用
生态系统管理是基于对生态系统组成、结构
和功能的理解, 在一定的时空尺度将人类价值和
社会经济条件整合到生态系统经营中, 以恢复或
维持生态系统整体性和可持续性的行为[28]。将现
代信息技术应用于生态系统管理, 能及时、快速地
获得生态环境参数(植被、水质、土壤等)及其地理
空间分布格局信息, 可开展各种管理措施的生态
效益分析, 便于进行科学合理的规划、保护和利
用。卢卫峰基于遥感技术和地理信息系统进行了
森林立地分析和营林设计[29], 解决了常规森林资
源监测 , 从资源清查到数据整理成册 , 到最后制
定经营方案 , 需要较长时间 , 容易造成经营方案
和现实情况不相符的问题。在湖泊生态系统管理
中, 蓝藻水华等湖泊污染的爆发往往具有突发性,
将空间信息技术应用于湖泊环境监测, 同样能很
好解决传统调查方法易导致信息滞后等问题。王
甡等建立了太湖蓝藻水华遥感动态监测信息系统,
为开展蓝藻水华应急处理提供支撑[30]。王军建立
了长江口滨岸湿地环境信息系统, 实现空间信息
的显示、查询、编辑、分析, 可估算湿地沉积物—
水界面无机氮交换通量[31]。
7 结论
遥感、地理信息系统、全球定位系统、地面
自动监测网络等空间信息技术的应用, 推动了生
态学研究的变革。它们在为各种生态学研究提供
丰富数据和强大空间分析能力的同时, 促使人们
从不同尺度(种群、群落、生态系统、景观、区域、
全球; 坡面、集水区、流域、区域、全球)来深入
认识与分析生态学现象, 更加科学的对生态系统
进行评价与管理。虽然目前人们已成功将以上信
息技术应用于生态健康评价、生态安全评价、生态
过程分析和生态系统管理等领域。但随着生态学研
究对精度要求越来越高, 将这种新的技术手段应用
于生态问题分析, 也面临着降低成本、提高监测精
度与自动化程度、构建全国或区域统一的监测指标
体系, 促进现状监测与过程模型耦合开展预警分析
等任务。另外, 自然生态系统与人类社会的交织,
使得当代生态学研究往往需要开展跨学科综合研
究, 建立生态学研究的虚拟化科研环境也将是未
来重要的研究方向。
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