全 文 ：第26卷第3期 生态科学 2邸)：25吣55
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3S与模型方法在湿地景观格局研究中的应用述评
郭程轩1，徐颂军卜，袁中友2
1．华南师范大学地理科学学院，广州510631
2．华南农业大学公共管理学院，广州510642
【摘要】湿地景观格局研究是景观生态学和全球变化研究领域中的热点问题。3s技术与模型方法相结合，已成为湿地
景观格局研究重要的途径与手段。论文首先介绍了景观格局研究的3s与模型方法的基本进展，在此基础上综述和评价了
3s技术与模型方法支持下的湿地景观格局的研究方法及其应用。重点探讨了遥感数据源的选择与分类、基于GIs的湿地
基础参数的获取与使用、景观指数模型与动态模型在定量表征和解释湿地景观格局与时空变化方面的应用等几个方面的
问题，最后分别就提高遥感分类与制图精度、构建指数模型筛选体系以及增强景观模型特别是动态模型的应用与解释能
力等方面提出了建议与研究展望。
关键词：湿地；景观格局；3s技术；模型
中圉分娄号：TP75：P941．78文献标识码：A 文章编号：1008_8873(2007)03-250-06
ReViewonapplicationof3Sa dmodeⅡngmethodsinwe¨andlandscapep ttern
I．esearches
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1．college《Geo罟rapbscie眦e．铀Hthch№N0啪aluniv￡髓i啦GH硼昏h硼5i0631．Ch{阳
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●
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K吖words：wetland；I柚dscapepan锄；3Stec|lIIOlogy；州eI
收蕊日期t2007_0s-22收稿．2007．06．20接受_1
基盒项目：广末省自然科学基金项目(5005940)；教育部博士点基金项目(20050574003)资助．
作者简介：郭程轩(1978一)．男．博士研究生，主要从事环境生态与景现生态研究．E．m撕l：g∞cx昏c，tu础．∞
·通讯作者：B啦n：。唧@scrluedu龃
万方数据
3期 郭程轩，等：3s与模型方法在湿地景观格局研究中的应用述评 251
I前言(Introduction)
空间格局、空间结构以及地理现象在时间和空
间上的动态演变一直是地理学和景观生态学研究的
核心问题【1J。湿地是地球上独特的自然地理单元和
生态景观单元，具有巨大的资源潜力和环境功能。
湿地景观格局主要是指大小和形状不一的湿地景观
斑块在空间上的排列，是各种生态过程在不同尺度
上综合作用的结果口J。20世纪70年代以来。随着全
球环境变化和土地利用，土地覆盖变化的日益加剧，
产生了全球，区域、局地等不同尺度的景观生态响
应，这其中以湿地景观的变化与响应最为独特。鉴
于此，近十几年来，各国研究者们都对湿地景观的
变化给予了较多的关注，湿地景观格局研究已成了
景观生态学和全球变化研究领域中的热点问题”J。
由于湿地发育环境的特殊性，决定了湿地数据具有
不易获取性，传统的湿地研究方法与手段具有很大
的局限性。20世纪80年代以来，随着湿地研究内
容的深入，湿地景观格局的研究方法已由最初的定
性描述发展到3S(GIS、RS与GPS)技术与数学模
型相结合的定量表征卜”。3s技术为分析湿地景观
格局的变化提供了坚实的资料基础，基于地统计学
基础的景观指数模型和动态变化模型则为定量分析
景观格局变化提供了强有力的工具峥”J。论文旨在
通过综述和评价3S技术和模型方法在湿地景观格
局研究中的应用，以加深对湿地景观的格局、过程
与尺度研究的理解，并为拓展湿地景观的研究方法
提供一定的参考。
2景观格局研究的3S与模型方法进展(Advances
of3SandModelsMethodsinResearcheson
LandscapeP R m)
景观生态学的研究方法特别是景观格局的研究
方法，经历了一个从传统的定性描述到集中了图形
叠置与定量统计相结合的发展过程，研究方法的突
破受景观数据的挖掘和获取程度影响极大。由于受
条件的限制，传统的景观格局研究在数据获取上主
要通过实地观测、抽样调查以及查阅历史统计资料
等方式进行，仅有少量是利用航空遥感资料来取得
有关数据的，工作难度大、费用高且周期长，给研
究带来了很大的困难【I“。1939年。德国著名生物地
理学家Troll在研究利用航片判读东非土地利用格局
时提出了“景观生态”的概念，开创了RS应用于景
观格局研究的先河”“。自此，RS与GIS技术开始逐
渐应用到景观格局研究当中。近年来，我国学者已
在黄河三角洲、三江平原、长江三角洲、珠江三角
洲以及辽河平原等湿地分布地区应用3s技术进行
了大量的研究与实证分析，重点研究了上述地区湿
地类型的空间分布特征和格局变化，取得了一系列
研究成果。2001年，亚洲湿地大会进一步肯定了3S
技术在湿地景观研究中应用的必要性【121，2003年，
我国第一次利用3S技术对全国的湿地景观进行了
调查与统计。与3S技术相辅相成的景观生态学另一
研究方法是基于地统计学理论的景观指数模型的引
进。通过景观指数描述景观格局具有使数据获得一
定统计性质和比较、分析不同尺度上的格局等优点，
长期以来一直倍受景观生态学家们关注113t。由于我
国景观生态研究起步较晚，景观指数大都来源于国
外学者对景观生态过程研究的理论总结，如
Schumakert”堪于渗透理论提出的斑块聚合度指数；
Gusmfson等【l”基于岛屿生物地理学理论提出的斑
块邻近度指数；He等【l”基于渗透理论提出的景观聚
合度指数以及0’Neillml基于等级理论提出的一些景
观指数构想等。随着景观生态学研究内容的深入，
其研究方法呈现出跨学科应用的趋势，特别是，
LUcC(土地利用／土地覆盖变化)关于土地动态变
化的模型方法也开始被引入到湿地景观格局变化研
究中来[18-19】，如动态度模型、动态变化程度模型、
相对变化率模型以及转移矩阵模型等。目前，基于
3S大规模、多尺度的空间数据获取与景观模型分析
相结合己形成了湿地景观研究独具特色的研究方法
与手段。
3湿地景观格局研究的3S技术方法(3SMethodsin
ResearchesOnWetlandLandscapePatt rn)
3．1RS数据源的选择与分类
湿地景观格局研究在数据挖掘上的首要问题是
数据源的选择，即应用何种遥感影像。通过比较已
有的湿地研究文献发现．1M、E1M+、MSS、SPoT
等影像数据在湿地景观格局研究中具有较高的使用
频率，其中Landsat-TM系列影像最为常用。近年来，
由于分辨率的优势，Ikonos、Quickbird等一批高分
辨率卫星影像也开始应用到湿地景观研究当中。黄
桂林等f20】、刘振乾等Ⅲ】分别以1994年、1996年和
1997年TM影像作为信息源，对黄河三角洲和辽河
三角洲湿地的空间信息进行了提取：邹发生等⋯1运
万方数据
252 生态科学EcologicalScience 26卷
用海南岛的TM影像，王茜等【23】运用洪湖湿地的
ETM影像，皆取得了较好的分析结果。孙娟等【241
选取了2001年的Quickbird卫星影像分析研究了
贵港市城市景观中水田、水域等湿地的格局分布
与变化，充分显示了高分辨率遥感影像的优势。
湿地景观遥感分类是湿地景观格局研究中的关
键环节。目前围绕遥感分类技术尚存在较多争议，
还没有形成较为成熟、统一的方法体系。阮仁宗等【25】
选取植被、土壤与水文三个要素作为湿地遥感分类
的重要参数，利用非监督分类中的聚类方法对洪泽
湖湿地进行了聚类分析，并在影像上进行聚类结果
叠加时，分别以红、绿、蓝表示影像的5、4、3三
个波段，以此作为湿地景观识别与制图的依据。黎
夏等【26】在研究珠江ISl红树林湿地演变时，利用神经
网络(ANN)分类方法对SAR与TM融合图像进行
分类，改善和提高了湿地景观分类的精度，取得了
较好的研究效果。由于湿地遥感分类精度直接影响
到湿地景观的制图精度，进而关系到湿地景观信息
的提取与分析，因此，当前湿地景观格局研究在遥
感分类上需要进行深入探索。为了提高湿地遥感影
像的分类精度，将不同类型、不同分辨率的影像进
行融合以提高遥感信息的丰富程度，将是一种有益
的探索。
3．2基于GIS的基础参数的获取与使用
这里所说的基础参数也可称为基础数据，是指
在湿地遥感数据处理中基于湿地斑块尺度或单一景
观尺度上利用GIS手段量算出来的属性数据，包括
斑块或单一景观的数量、面积、周长、比例等，主
要代表了湿地景观或斑块的分布、类型、形状、大
小等指标。从研究过程来看，基础参数是在湿地景
观制图的基础上来完成的，主要是通过GIS对遥感
影像进行处理，确立湿地分类体系和遥感解译标志，
在此基础上提取湿地类型信息(包括人机交互目视
解译和多时相遥感影像复合运算自动提取等)并制
作湿地景观分布图，之后通过多个时相的影像数据
或解译后不同时期的湿地景观分布图进行叠加分析
以得到，基本工作流程如图1所示。汪爱华等【27J通
过对三江平原遥感数据进行修改、编辑，得到三个
时期沼泽湿地的空间分布图并建立湿地空间数据
库，然后利用Arc／Info的空间分析功能，在湿地空
间分布图上完成了不同时期的沼泽数据的计算和分
析，从而获得了相应的湿地空间分布的基础数据；
王颖等【28】在对北京野鸭湖湿地进行分布与变化研究
时，在制作出l：8000湿地类型分布图的基础上，
利用ArcGIS9．0的空间叠置和统计功能分别计算出了
1988、2000和2004年三个时段各种湿地类型的面积。
GIS技术GIStechnologymethods
RS影像数据Remotesensingmagedata
图像数据处理Imageandataprocessing
湿地信息提取Wetlandinformationobtainment
湿地景观分布图Thedistributing
mapOfthewetlandlandscape
GPS野外抽样验证Thefield
samplevalidatebasedonGPS
辅助统计数据Assistantst tisticdata
数字化处理Digitizationdisp sal
基础数据处理Basicdataprocessing
叠加分析
Superpositionanalysis
拓扑地图Topologymap
湿地变化信息Thewetland
changeInformation
指数模型动态模型The
Indexandynamicmodel
湿地景观格局及其动态变化Thewetlandlandscapepatternanditsdynamicchange
圈I沮地曩观数据获取与分析工作流程
Fig．1Theflowchartofanalysisandobtainmentofthewetlandlandscapedata
万方数据
3期 郭程轩，等：3s与模型方法在湿地景观格局研究中的应用述评 253
从数据的应用来看，湿地基础数据可以在研究
中直接用于分析湿地景观的斑块分布、面积变化以
及分维(周长／面积)特征等景观的静态格局，如果
数据具有足够的时间序列，还可以用于分析不同时
间尺度下湿地景观格局的变化。如陈鹏㈣在研究厦
门滨海湿地景观格局时，通过描述景观类型特征值
的基础数据分析了研究区域的湿地景观面积、百分
比以及斑块的分离度；于瑞宏等p0J通过典型年份遥
感影像中各类湿她面积的提取，准确的分析了乌梁
素海湿地中全湖沼泽区、浅水区|三I及芦苇区等湿地
类型分布和面积变化。
4湿地景观格局研究的模型方法(ModelsMethods
inResearchesonWetlandLandscapePatt rn)
景观模型得益于3S技术海量数据处理能力而
逐步得到发展和完善。通过景观指数模型和动态模
型分析湿地景观格局的时空动态变化，可以揭示湿
地景观变化的内部规律和机制。
4．1湿地景观格局指数模型的应用
景观格局指数是高度浓缩的景观格局信息，是
反映景观结构组成、空间格局特征的定量指标p”。
景观格局指数的重要作用在于描述景观格局．进而
建立景观结构与过程或现象的联系，更好地解释与
理解景观功能p“。通过总结现有湿地景观格局研究
文献发现【2‘29弦冽，当前湿地景观研究中的指数模型
按照其解释能力可以分为描述景观格局特征的指数
模型和描述景观异质性的指数模型两种类型，前者
主要包括了形状指数、斑块分维数、优势度指数等
类型；后者包括了景观破碎度指数、斑块密度指数、
平均接近指数、多样性指数等类型。由于指数模型
的应用既可以在斑块尺度上进行，也可以在景观尺
度上进行，既可以实现静态描述，也可以实现部分
的动态分析，因此，需根据模型的建模机理和解释
功能对模型进行充分的比较和筛选，准确合适的选
择景观指数模型可以取得良好的研究效果。如通过
密度指数和平均接近指数，可以反映斑块的破碎化
程度，同时也反映景观空间异质性程度，王丹丹等口“
在分析松嫩平原西部沼泽湿地景观格局时采用上述
指数进行分析并取得较好的结果，王树功等1341以珠
江三角洲红树林湿地作为实证分析，充分利用密度
指数和平均接近指数等较好地解释了研究区的湿地
面积变化和破碎化程度；通过多样性指数对比，可
以在不同尺度上反映各湿地景观类型所占比例的差
异。进而分析湿地景观的多样性及其增减程度，如
侯伟等m1分析了三江平原挠力河流域的湿地景观格
局，多样性指数分析结果表明，该地区湿地面积从
1954年到2000年下降比例达到34．78％；根据景观
破碎度指数可以在景观尺度上判断湿地的破碎程
度，丁圣彦等p6】选取破碎度指数分析了河南沿黄湿
地景观格局变化。结果表明，随着湿地面积的减小
和斑块数量的增加，湿地的破碎化程度越来越大；
另外，根据优势度和形状指数分别可以判断占优势
的景观类型以及湿地景观的空间构型，相关成果已
在刘红玉等㈣、宁龙梅等㈣人的研究中得到充分的
验证。
当然，景观指数模型的应用并非具有普遍意义，
许多学者在用景观指数描述景观格局与结构、对景
观过程进行生态学解释时，发现有些景观指数的生
态学意义并不明确，甚至有相互矛盾的现象。许多
景观指数来自单纯的数理统计或拓扑计算公式，提
示不同景观要素及其组合的空问或结构形态，但这
些形态及其指标在揭示生态关系、生态功能上究竟
有多大意义就要根据具体的研究对象和内容来判
别。显然，在研究景观格局过程中，对景观指数模
型的选择应具有严格的标准，除充分考虑研究区域
的湿地分类、数据精度以及研究尺度以外，景观指
数模型的生态意义、数学逻辑意义以及模型的解释
能力等也是选择模型的关键标准，这些都需要在研
究当中予以考虑。
4．2湿地景观格局动态模型的应用
景观格局动态变化分析的主要内容足结合各种
动态模型的计算结果，反映景观要素的增减趋势、
各景观类型所占比例差异的变化以及景观在类型、
空间上的转移、扩张与收缩程度等，由此揭示湿地
景观格局的变化过程与演变规律。目前，湿地景观
格局动态模型比较多的引入了LUCC研究中的模型
方法，主要包括随机景观模型、基于过程的景观模
型和基于规则的景观模型口月。由于景观要素和景观
斑块分布具有随机性，因此随机景观模型是目前景
观格局动态变化研究的主要方法，主要包括动态度
模型、相对变化率模型、斑块质心变化模型以及景
观转移矩阵模型等。
景观动态度模型和相对变化率模型分别反映了
湿地景观面积的变化程度和区域差异，郑彩虹等139】
万方数据
通过运用单一景观类型动态度模型分别计算出了
】986、1994和2000年三个时段闽江河口湿地景观的
变化程度；空间质心模型则反映了湿地斑块的空间
转移规律，可结台景观类型图的叠加分析，通过景
观格局变化图来进行分析。韩敏等m1利用空间质心
模型计算出了扎龙沼泽湿地从1986年到2002年以
来的空间偏移程度，并绘制出湿地空间质心偏移路
线图。揭示了扎龙沼泽湿地在研究时间内从东北向
西南和西北方向偏移的规律，反映了在不同人为干
扰和影响下湿地空间格局的变化。转移矩阵的意义
在于它不仅可以反映研究期初、研究期末的湿地类
型结构，同时还可以反映研究时段内各湿地类型相
互转化的数量与程度。如刘红玉等Ⅲ1在分析挠力河
流域湿地景观演变过程中，分别建立了1967～1983
年和1983～2000年两个时间序列的湿地景观类型转
移矩阵，分析了挠力河流域湿地在大规模土地开发
利用过程中多样性减少，部分湿地类型严重丧失的
重要问题。
虽然动态变化模型在解释湿地景观格局动态变
化方面具有较强的优势，但真正用于解释景观格局
变化内在机制与驱动力的能力尚不全面，更不能适
应多种尺度的景观格局变化预测分析，要真正解决
驱动机制与预测分析等问题，还需要在现有基础上
提高动态模型的解释能力或构建新的模型来实现湿
地景观格局的深入分析。如在利用转移矩阵模型时，
可阻将湿地景观转移矩阵生成湿地变化的转移概率
矩阵，进而利用马尔柯夫随机过程分析来推测一些
特定情景下湿地变化的未来趋势。
5结语与讨论(ConclusionsandDiscussion)
随着全球环境变化的加剧，不同区域、不同尺
度下的湿地景观将呈现出不同的生态响应，从而产
生更加多样化的湿地景观格局，深入揭示复杂湿地
景观格局的分布与演变机理，有赖于3S技术与模型
方法的进一步发展与突破。(1)提高湿地遥感分类
与制图精度。目前对湿地景观研究尚无成熟的完全
自动分类方法，大多进行半自动孵译工作，需要借
助多源数据来增加数据的精度。为了提高湿地遥感
影像的分类精度，需要充分考虑影像物候、湿地生
境、影像类型、空间分辨率、光谱分辨率等因素，
进一步提高影像融合技术，并在影像融合的基础上
建立遥感自动分类系统。(2)构建景观指数模型的
筛选体系。依景观格局指数不同的生态学意义，描
述和解释景观格局的能力存在诸多差异，需建立严
格标准对指数进行筛选。对于湿地景观而言，通常
根据湿地的特性选用一些最能反映湿地景观格局分
布与变化的指数。(3)增强景观模型特别是动态模
型的应用与解释能力。从模型的数据基础来看，目
前大部分景观指数模型都是基于栅格数据来实现模
型的运算的，不少模型部存在着对分辨率的敏感性
问题，使来自于不同分辨率的景观数据(如TM数
据与SPOT、MSS数据)之间可比性不强，模型的
应用出现困难；从模型的解释能力来看，现有湿地
景观研究所应用的景观模型，用于反映景观格局特
征与动态变化的模型比较多，而用来解释湿地景观
变化驱动机制的模型不多。特别是用于预测与模拟
未来湿地景观变化趋势的模型更加缺乏，今后的研
究需要从驱动机制和预铡模拟方面强化景观模型的
构建与使用。
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万方数据
3S与模型方法在湿地景观格局研究中的应用述评
作者： 郭程轩， 徐颂军， 袁中友， GUO Cheng-xuan， XU Song-jun， YUAN Zhong-you
作者单位： 郭程轩,徐颂军,GUO Cheng-xuan,XU Song-jun(华南师范大学地理科学学院,广州,510631)
， 袁中友,YUAN Zhong-you(华南农业大学公共管理学院,广州,510642)
刊名： 生态科学
英文刊名： ECOLOGICAL SCIENCE
年，卷(期)： 2007,26(3)
被引用次数： 3次

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