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1、第二十一章 生态学研究方法,、3S技术及其在生态学研究中的应用,一、植被遥感1、遥感 RS是指不接触被测物体，利用某种传感器装置，获取观测对象特征信息并对这些信息进行提取、加工、表达和应用的一门科学和技术。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。,2、RS系统的构成主要包传感器技术，信息传输技术，信息处理、提取和应用技术，目标信息特征的分析与测量技术等。遥感技术系统包括：空间信息采集系统(包括遥感平台和传感器)，地面接收和预处理系统(包括辐射校正和几何校正)，地面实况调查系统(如收集环境和气象数据)，信息分析应用系
2、统。通常用到的传感器包括：航空摄影机(航摄仪)、全景摄影机、多光谱摄影机、多光谱扫描仪(Multi Spectral Scanner,MSS)、专题制图仪(Thematic Mapper,TM)、反束光导摄像管(RBV)、HRV(High Resolution Visible range instruments)扫描仪、合成孔径侧视雷达(Side-Looking Airborne Radar,SLAR)。主要应用的遥感软件是PCI、ENVI和ERDAS。,3、RS的类型RS技术依其遥感仪器所选用的波谱性质可分为：电磁波遥感技术，声纳遥感技术，物理场(如重力和磁力场)遥感技术。按照感测目标的能源
3、作用可分为：主动式遥感技术和被动式遥感技术。按照记录信息的表现形式可分为：图像方式和非图像方式。按照遥感器使用的平台可分为：航天遥感技术，航空遥感技术、地面遥感技术。按照遥感的应用领域可分为：地球资源遥感技术，环境遥感技术，气象遥感技术，海洋遥感技术等。,4、RS技术的应用生态学家主要利用遥感影像判读，制作专题地图，研究植被类型及其分布；土地利用类型及其面积，生物量分布，土壤类型及其水分特征，群落蒸腾量，叶面积指数，叶绿素含量；陆地水资源调查、土地资源调查、植被资源调查、地质调查、城市遥感调查、海洋资源调查、测绘、考古调查、环境监测和规划管理等。与其他方法相比，RS具有以下特点：观测过程中，传
4、感器、摄影镜头与被观测物体不相接触，可以避免研究者对研究对象的直接干扰，并可进行重复性观察。航空摄影镜头和卫星传感器具有不同光谱幅度和空间分辨率，可处于不同的观察高度，从而可提供多尺度上的资料。遥感数据一般为空间数据，即所测信息与地理位置相对应，通过软件解译，可直接应用于景观生态结构、功能、动态过程研究。,二、地理信息系统1 基本概念 数据:通过数字化或记录下来的可以被鉴别的符号。信息:关于现实世界的知识，是数据、消息中所包含的意义，与设备无关。地理信息：表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系或规律等的数字、文字、图像、图形的总称。地理信息具有区域性、多层次、动态变化
5、地理信息系统（Geographic Information System）：在计算机软硬件支持下，运用系统工程与信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供规划、管理、决策、研究所需信息的技术工具。,2、GIS系统组成与功能 1)组成：软件系统：操作系统（OS）、输入系统、数据编辑系统、数据管理系统、空间分析系统、输出系统；硬件系统：主机（管理与分析设备）、输入设备、输出设备、存贮设备、通讯传输设备；GIS数据库：空间数据、属性数据；掌握GIS技术的技术人员。,2)基本功能：a)数据输入、存贮、编辑：输入：各种来源的空间与属性数据输入计算机，并进行格式转换，包括：数字化：跟
6、踪数字化、扫描数字化；规范化：对不同比例尺、不同投影坐标系统、不同精度的外源数据统一坐标、统一记录格式，以便在同一基础上工作。数据编码：根据一定的数据结构和目标属性特征，将数据转化为便于计算机识别和管理的代码或编码字符。存贮：以某种格式记录于存贮介质。数据编辑：修改、增加、删除、更新,b)操作运算 操作：数据格式转换、叠加、拼接、剪裁等；运算：算术运算、关系运算、逻辑运算、函数运算等。c)数据查询、检索 d)应用分析 按需建立应用分析模型，为评价、管理、决策服务，如空间信息测量与分析、统计分析、地形分析、网络分析、叠加分析、缓冲区分析、决策分析等。应用分析功能是系统性能的重要标志之一。e)数据
7、更新、数据显示、结果输出。,3）GIS类型 综合性GIS 按全国统一的标准存储国家范围内的各种自然、社会、经济要素，以供全国性咨询。区域性GIS 以某个地区为研究、分析对象，同时围绕某个主题，或者匹配区域内其它一些要素，为区域研究、管理、规划提供信息。如：我国黄土高原信息系统等。专题性GIS 以某一专业、任务或现象为主要内容的系统，如森林管理信息系统、水质信息系统、城市绿地管理信息系统等。,3、GIS的应用 GIS巨大的数据处理能力及卓越的空间分析功能，使之成为国家宏观管理和区域多目标开发的重要工具，也是生态学研究及生态管理的重要工具与工作平台。尤其在景观生态学、生态规划与设计、生态工程学、生
8、态系统动态模拟等诸多领域，GIS及RS、GPS具有不可或缺的重要性。,三、全球定位系统1.什么是全球定位系统（GPS）全球定位系统（Global Positioning System-GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革。,2.G
9、PS系统如何组成 GPS系统包括三大部分：空间部分GPS卫星星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分GPS信号接收机。由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。GPS系统的控制部分由设在美国本上的5个监控站组成，这些站不问断地对GPS卫星进行观测，并将计算和预报的信息由注入站对卫星信息更新。接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包，构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。,3.GPS接收机分类 按接收机的用途分类：导航型接收机、测地型接收机、授时型接收机 车载型用于车辆导航定位；航海型用于船舶导航定位；航空
10、型用于飞机导航定位。测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。授时型接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。按接收机的载波频率分类：单频接收机、双频接收机单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除 电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（15km）的精密定位。双频接收机可以同时接收L1，L2载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层 对电磁波信号的延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。按接收机通
11、道数、工作原理等进行分类。,4.差分GPS定位技术及发展 差分技术很早就被人们所应用。它实际上是在一个测站对两个目标的观测量、两个测站对一个目标的观测量或一个测站对一个目标的两次观测量之间进行求差。其目的在于消除公共项，包括公共误差 和公共参数。在以前的无线电定位系统中已被广泛地应用。常规的GPS测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分（Real-time kinematic）方法，是GPS应用的重大里程碑。RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术，RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据（伪距观测值，相位观测值）及已知数据传输给流动站接收机，数据量比较大，一般都要求9600的波特率，这在无线电上不难实现。,四、3S技术在生态学中的应用,ETM,DEM,NDVI,Stocking Measured,Stepwise Regression,Relationship Building,Inversion,sub-compartment investigate Data,Relative PAR,城市化进程土地利用及其转移(km2),应用影像反演的江阴市2002年LAI分布,
