第十章 綜合自然地理學(xué)的數(shù)量方法

1、綜合自然地理學(xué) 第十章第十章 綜合自然地理學(xué)的數(shù)量方法本章運(yùn)用各種方法量化地球表層的主要屬性，并列舉了一些實(shí)例和規(guī)則，以便了解量化地球表層屬性的多種方法及量化步驟。綜合自然地理學(xué)的數(shù)量研究方法很多，要對(duì)這些方法進(jìn)行全面的列舉和闡述并找出最合理的方法是很困難的。其中許多方法都是地統(tǒng)計(jì)學(xué)、地植物學(xué)、動(dòng)物種群分析、行為生態(tài)學(xué)等學(xué)科的方法。一般地說，圖像處理、地理信息系統(tǒng)、空間統(tǒng)計(jì)和分形幾何法是量化地球表層復(fù)雜結(jié)構(gòu)最一般的方法。第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)處理方法通常，地圖、航片、衛(wèi)片是對(duì)區(qū)域進(jìn)行實(shí)際調(diào)查中常用的分析資料，這些資料因時(shí)間、方法和質(zhì)量不同而常常有很大的不同點(diǎn)。因而，將這些信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理是必須的。

2、landsat衛(wèi)星影像的信息分辨率為30m，spot衛(wèi)星影像的分辨率為10m。航片信息的精度范圍從23m到幾厘米不等，這主要取決于圖像攝取的高度。最近，出現(xiàn)了一種可懸掛在較低高度氣球上的可視相機(jī)，這是遙感技術(shù)的新發(fā)展。例如將可視相機(jī)用于山區(qū)草原的演化研究。收集野外資料時(shí)需要知道資料準(zhǔn)確的地理位置，傳統(tǒng)方法是使用大比例尺地形圖(從1：5000到1：25000)。最近，全球定位系統(tǒng)(GPS)定位要素的位置已十分可靠。全球定位系統(tǒng)是為導(dǎo)彈和飛機(jī)自動(dòng)飛行系統(tǒng)服務(wù)的，以一系列衛(wèi)星計(jì)算的大量野外地物位置的無線電信號(hào)為基礎(chǔ)。GPS的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例是鳥群落的研究(Farina 1997)。鳥的位置被控制器存進(jìn)數(shù)

3、據(jù)記錄儀，然后再轉(zhuǎn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，再將這些信息輸入GIS系統(tǒng)繪制地圖，以進(jìn)行詳細(xì)的地理空間分析。數(shù)據(jù)的空間精度是量化的關(guān)鍵，因此這方面的研究很多。提高數(shù)據(jù)的空間精度的技術(shù)方法主要靠從其它學(xué)科中借用，如空間統(tǒng)計(jì)學(xué)（或地統(tǒng)計(jì)學(xué)）、圖像分析和分形分析等。在利用歐幾里德幾何學(xué)和非歐幾里德幾何學(xué)分析具有不同時(shí)間尺度和空間尺度的地理過程和景觀格局時(shí)，要處理兩類信息：斑塊屬性和自然綜合體屬性。斑塊屬性分析主要集中在斑塊面積、形狀和空間分布。屬性分析較復(fù)雜，它分析的目的是尋找鑲嵌體的復(fù)雜性，對(duì)于這種分析，分析尺度的改變可能會(huì)產(chǎn)生很大的變化。一、然地理要素屬性的計(jì)量借助衛(wèi)星影像，主要了解自然地理要素（斑塊

4、）的如下屬性：斑塊面積（S） 組成鑲嵌體斑塊的面積。斑塊周長(zhǎng)（L） 組成鑲嵌體斑塊的直徑。斑塊形狀 斑塊形狀是否規(guī)則對(duì)自然地理過程和有機(jī)體的分布很重要。一般認(rèn)為圓形斑塊是規(guī)則斑塊，而越不規(guī)則的斑塊其邊緣越長(zhǎng)，內(nèi)部面積也越小。不規(guī)則斑塊的異質(zhì)性過程多于規(guī)則斑塊。棲息地的適應(yīng)性、捕食的危險(xiǎn)性和微氣候壓力都對(duì)不規(guī)則斑塊產(chǎn)生直接影響。斑塊形狀可用斑塊指數(shù)計(jì)算。斑塊指數(shù)的計(jì)算方法有6種：（1）、面積比(L/S)斑塊周長(zhǎng)除以斑塊面積。其中L為周長(zhǎng)，S為面積。當(dāng)形狀一定時(shí)，這個(gè)指數(shù)隨斑塊面積的變化而變化。（2）、糾正周長(zhǎng)-面積比(CPA)這個(gè)指數(shù)用于糾正指數(shù)（1），當(dāng)變化范圍從0.0(圓)到無窮大(無窮長(zhǎng)或

5、無窮窄)時(shí)采用。CPA=（0.282L）/（3）相關(guān)外切圓(RCC)這個(gè)指數(shù)將斑塊面積與斑塊相切圓的面積相比： RCC=2*(面積/)1/2/最長(zhǎng)軸線。（4）SI(Hulshoff .1995)S1=1/Ni* (Li/ Si) 。式中 Ni是地圖上i型斑塊的數(shù)量，Li Si分別是i型斑塊的周長(zhǎng)和面積。S1值大表示存在大量的內(nèi)部面積小的斑塊。（5）S2(Hulshoff 1995)S2=1/Ni*)， 它是測(cè)量斑塊等徑屬性的指標(biāo)。 Ni是i型斑塊的數(shù)量，Li和Si分別是i類型斑塊的直徑和面積，S2大于1，說明非等直徑的斑塊也就越多。（6）分形維數(shù) DD是斑塊形狀復(fù)雜程度的指標(biāo)。它用斑塊直徑對(duì)數(shù)

6、與斑塊面積對(duì)數(shù)的回歸來量測(cè)。D=2S S是回歸線的斜度。表10-1 斑塊屬性的計(jì)算斑塊SLL/SCPARCC最長(zhǎng)軸線14838259.520.0541.0520.99479.01024235356.270.0841.5440.451162.720311055521.240.0471.3980.867136.90045639562.320.1172.4870.448189.090二、斑塊空間分布規(guī)律變化的計(jì)量（1）豐富度是研究區(qū)域中屬性不同斑塊的數(shù)量。斑塊數(shù)量是指組成空間鑲嵌體中斑塊的數(shù)量，這個(gè)指數(shù)可以是所有鑲嵌體或每種土地利用類型或植被類型的累計(jì)值。相對(duì)豐富度是研究范圍內(nèi)每種土地覆蓋類型或植被

7、類型的比例。（2）Shannom多樣性(H)指數(shù)，它將豐富度與均勻度結(jié)合起來，估算土地覆蓋的變化和相對(duì)數(shù)量。H= Pi是I類土地覆蓋的相對(duì)重要值。（3）優(yōu)勢(shì)指數(shù)(D)這個(gè)指數(shù)與Shannon指數(shù)有關(guān)，是每種土地覆蓋類型相對(duì)于其它土地覆蓋類型所呈現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)值。 D=ln n-HH=，Pi是區(qū)域中I類土地利用的柵格比例，n是土地利用類型的種類數(shù)，當(dāng)土地覆蓋類型相對(duì)豐富時(shí)，D接近于0，當(dāng)土地利用類型僅為一種時(shí)，D接近于1。（4）均勻度(E) 這個(gè)指數(shù)表示斑塊種類數(shù)及其在斑塊中所占的面積比。E=-100lnn是斑塊種類的總數(shù)，Pi是像元屬于類型i的可能性。（5）斑塊對(duì)比度(RPI)RPI=100nn是景

8、觀結(jié)構(gòu)中斑塊種類的總數(shù)，Eij是I種和j種斑塊的邊緣總數(shù)，Dij是I種和j種斑塊間的不相似性。Nb是像元邊緣的數(shù)量。這個(gè)指數(shù)描述地球表層鑲嵌體中相鄰斑塊種類的對(duì)比。（6）Simpsoms多樣性指數(shù)(1/S)該指數(shù)是隨機(jī)抽取兩個(gè)具有相同屬性像元可能性的統(tǒng)計(jì)。1/s=1/m 2Pi是屬性I的面積比，m是屬性的數(shù)量。（7）熵(ENT)這個(gè)指數(shù)描述結(jié)構(gòu)中斑塊像元的無序度。ENT=- Pij是土地利用類型為i與j的柵格相鄰的可能性，Pij值的計(jì)算方法是用與土地利用類型J相鄰類型I的柵格總數(shù)除以基質(zhì)中類型I的柵格總數(shù)。Pij=2Nij 是I類斑塊與j類斑塊之間鄰接的像元總數(shù)。 （8）感染指數(shù) 這個(gè)指數(shù)來源

9、于信息理論測(cè)量，它主要是用來描述斑塊的聚集程度，也指其熵值與其最大可能熵值的差值。 這個(gè)指數(shù)表示柵格的聚生程度，2lnm指相鄰斑塊的最大可能值(m為土地覆蓋類型總數(shù))。如果感染指數(shù)高，表明空間結(jié)構(gòu)中存在感染斑塊，如果感染指數(shù)低，則空間結(jié)構(gòu)多由小斑塊組成。（9）相對(duì)感染指數(shù)(RC) 這個(gè)指數(shù)是由Li和Reynolds(1993)提出的。它用與感染指數(shù)公式相同的變量，用熵值除以最大熵值，這樣RC的變化范圍就是從0-1，RC就是一個(gè)均勻度指數(shù)。三、距離量算空間結(jié)構(gòu)分析中，單元斑塊之間的距離或斑塊集合之間的距離也是一個(gè)非常重要的參數(shù)。距離不同表明物質(zhì)、能量、物種在遷移過程中所需的能量不同，其在遷移過程

10、中安全性也不同。在矢量運(yùn)輸中，距離也意味著連接性和暢通性。距離可根據(jù)斑塊組合可能性的不同進(jìn)行計(jì)算，也可以根據(jù)可能性的不同選擇來測(cè)算。如從I斑塊到與其所有相鄰斑塊，從I斑塊到與其同類的其他斑塊，從I斑塊到與其不同類的最近斑塊，從特定類的一個(gè)斑塊到該類中的其他斑塊。 接近指數(shù)(PX)可用來描述斑塊的隔離程度(Gustafuson and Parker 1992)。Sk是斑塊面積，nk是斑塊k的最近相鄰距離，這個(gè)指數(shù)可以作為PX最大值的一個(gè)比例分級(jí)。E是由可能最小值n分離而成的自然綜合體全部面積的一半，PX不能用于比較兩個(gè)范圍不同的自然綜合體，因?yàn)镻Xm根據(jù)自然綜合體范圍的不同而有所變化。四、質(zhì)地測(cè)

11、算質(zhì)地測(cè)算主要用于衛(wèi)星影像的分析中。用于分析影像中陰影變化的格局(Haralick et al 1973,Music and Grover 1991)。這個(gè)指數(shù)可以用來分析鑲嵌體的復(fù)雜性和斑塊間的對(duì)比性。（1）空間共軛指數(shù)空間共發(fā)可能性P(I,j,d,)是類型I的像元或柵格在方向上因距離d 被類型j的像元或柵格隔離的可能性，方向可以是0o（水平方向）或45o（右對(duì)角線），90o（垂直方向），135o（左對(duì)角線），對(duì)比性包括兩個(gè)互補(bǔ)共發(fā)事件，基質(zhì)要求對(duì)稱。在質(zhì)地分析中涉及兩個(gè)均質(zhì)指數(shù)：角度秒動(dòng)差(ASM)和反差動(dòng)差(IDM)。角度秒動(dòng)差(ASM)，是共發(fā)可能性的總和：是與柵格J相連的柵格I的相對(duì)

12、數(shù)量。是與柵格J相鄰的柵格I的共發(fā)事件的數(shù)量，。 ASM值隨斑塊均質(zhì)性的提高而增加，因?yàn)榫叩戎档墓舶l(fā)性對(duì)這個(gè)指數(shù)影響很大。在均質(zhì)斑塊中，占主導(dǎo)地位的是等值柵格的共發(fā)性。當(dāng)所有共發(fā)事件都相同時(shí)，ASM值為1，但ASM與不同值的柵格間性質(zhì)的差異有關(guān)。反差動(dòng)差(IDM)這個(gè)指數(shù)是根據(jù)I和J之間值的不同，加權(quán)測(cè)算其共發(fā)性，當(dāng)所有的像元都一致時(shí)，IDM值最大。為了在土地分析中有效地運(yùn)用IDM，值I和J之間的差值很重要(密度或間隔種類數(shù)據(jù))。（2）對(duì)比度(CON)這一指數(shù)是表述景觀空間結(jié)構(gòu)的對(duì)比關(guān)系。式中i、j 為斑塊類的數(shù)量，PIJ為其概率。（3）變化指數(shù)（C） 該指數(shù)表述斑塊表面隨時(shí)間的變化。 PK2

13、是種類K在時(shí)間2時(shí)的表面，PK1是種類K在時(shí)間1時(shí)的表面，t2和t1 為時(shí)間段。五、半變差半變差用于測(cè)量尺度的變化，對(duì)一個(gè)隨機(jī)變量在特定時(shí)間段內(nèi)兩點(diǎn)的值，該指數(shù)廣泛應(yīng)用于地統(tǒng)計(jì)學(xué)中(Isaaks and Srivastava 1989)： g(r)是時(shí)間段r的半變差，N(r)是時(shí)間段r處相比照的數(shù)量，Xj是位置J處的隨機(jī)變量。時(shí)間段r處的半變差g可以反應(yīng)出在時(shí)間段r處變量的變化，關(guān)變差差隨時(shí)間距離增大而增加，雖然對(duì)所有的過程來說這一結(jié)論不一定正確，但反應(yīng)了時(shí)間變量與空間變量的變化不時(shí)是相反的。六、基質(zhì)中空隙的測(cè)量具有相同維數(shù)的破碎斑塊可能有不同的外觀。Mandelbrot稱基質(zhì)中空隙面積所占的

14、比例為空隙性(Mandclbrot 1982)?？障缎钥捎闷扑榘邏K在空間分布的特征來測(cè)算。具有低空隙性的景觀，物種在遷移時(shí)基本不發(fā)生變化；而異質(zhì)性較大即具有高空隙性的景觀，物種在遷移時(shí)發(fā)生變化的可能性大，但變化與否與景觀的尺度相關(guān)：在小尺度范圍內(nèi)不變的物種在大尺度范圍內(nèi)可能是異質(zhì)性的，物種的不變性與其自相似性的意義是不同的。與地球表層結(jié)構(gòu)的其它指數(shù)相比，空隙性具有以下優(yōu)點(diǎn)(Plotnick et al 1993):（1）運(yùn)算法則相對(duì)簡(jiǎn)單。（2）漸進(jìn)式運(yùn)算規(guī)則可依據(jù)地圖獲取不變化物種的信息量，且這種不變物種具有不同尺度的自相似性變化。（3）結(jié)果對(duì)邊界不敏感。（4）這個(gè)分析可用于非常分散的數(shù)據(jù)分析

15、中。破碎化主要是由人類活動(dòng)引起的擾動(dòng)效應(yīng)之一，它可以改變地球表層的異質(zhì)性，引起物種分布的變化。間隙性是衡量這種異質(zhì)性的較好方法。破碎性維數(shù) D=ln2/ln3。為了計(jì)算間隙性，根據(jù)Allain 和Cloitre (1991)可以運(yùn)用漸進(jìn)式運(yùn)算規(guī)則：一個(gè)R*R的盒子從左上角移到右下角，移動(dòng)的速度是一個(gè)欄中的一個(gè)柵格，所占立地的數(shù)量是根據(jù)盒子的種類(即所占立地的種類)來計(jì)算的。2可能性分布表示為： n(s, r)是盒子數(shù)量，在盒子中有盒子種類。頻率分布表示為：N(r)=(M-r+1)*2 在這里，包含S個(gè)被占的立地大小，可根據(jù)盒子的數(shù)量用N(r)來計(jì)算，M=地圖面積。將間隙性指數(shù)作為A(r)的比率

16、，A(r)=2(2)/(2(1)2，2(1)=S(r)，22 S(r)是平均盒子量，Ss2是每個(gè)例子中立地?cái)?shù)量的變化，則。（1）間隙性是漸進(jìn)式運(yùn)算規(guī)則的一種功能，大盒子具有較低的間隙性，因?yàn)殡S著盒子面積的增加，相關(guān)變化就降低。（2）間隙性是被侵占立地的一種功能，被侵占立地的破碎度P越低，間隙性Ss2(r)/S2(r)越趨于無窮大。（3）間隙性隨被侵占立地的空間分布而變化，大型斑塊比分散斑塊具有較高的間隙性。Plotnick et al (1993)進(jìn)行的模擬試驗(yàn)，用從1到128的r值模擬地圖，證明當(dāng)r=1，地圖面積與柵格面積相等時(shí)就可以得到最大間隙值。間隙性可以用來分析橫切面數(shù)據(jù)。七、地球表層

17、中邊界的測(cè)算地球表層中邊界的測(cè)算不是一件簡(jiǎn)單的事情，事實(shí)上，位于兩種不同棲息地或土地覆蓋類型間的過渡帶從來沒有起到真正邊界的作用。在另一方面，尤其在人類活動(dòng)占統(tǒng)治地位的地理系統(tǒng)中，一般界限很窄，棲息地限制因素如此之高，以至于很難發(fā)現(xiàn)邊界的結(jié)構(gòu)和功能之間的聯(lián)系。從動(dòng)物行為的研究中可以看出在自然交錯(cuò)帶的相鄰區(qū)域中存在邊界。因此，與這種環(huán)境不連續(xù)性相關(guān)的物種進(jìn)化在生命進(jìn)化史是很重要的。自然地理系統(tǒng)的復(fù)雜性可以通過斑塊多樣性和邊界多樣性來衡量，由于邊界在地理系統(tǒng)機(jī)制和功能中的重要作用，它們的測(cè)算就成為認(rèn)識(shí)地球表層鑲嵌體結(jié)構(gòu)和功能的重要內(nèi)容。 第二節(jié) 分形法 異質(zhì)性是常見的空間格局，在地球表層尺度中尤其

18、常見。有機(jī)個(gè)體、種群和群落具有反應(yīng)這種異質(zhì)性特定的空間格局。自然現(xiàn)象的不均衡分布如巖石在地表的分布，降水量隨山體高度變化的分布，流域中植被覆蓋的分布等，這種分布的差異性必然產(chǎn)生復(fù)雜的嵌塊結(jié)構(gòu)，有機(jī)體對(duì)這種結(jié)構(gòu)反應(yīng)敏感。為了量測(cè)這種復(fù)雜鑲嵌性，歐幾里德幾何學(xué)經(jīng)常顯得不夠用，在這方面，分形學(xué)就顯得很合適。人類活動(dòng)使地球表層產(chǎn)生了直線和規(guī)則的幾何圖形，將天然的地球表層轉(zhuǎn)變?yōu)猷l(xiāng)村或城市區(qū)域，歐幾里德幾何可以用來描述簡(jiǎn)單的空間格局，如直徑/面積比，斑塊面積和距離。當(dāng)研究自然斑塊時(shí)，就沒有這些規(guī)則的形狀了，這樣斑塊的不規(guī)則性就降低了歐幾里德幾何學(xué)的可描述能力。分形學(xué)為研究和解釋不同尺度中地球表層的復(fù)雜性和

19、動(dòng)力機(jī)制提供了一個(gè)新方法。本節(jié)列舉了不同尺度的例子介紹在地球表層的研究中如何運(yùn)用分形法。因?yàn)榈厍虮韺拥牡燃?jí)復(fù)雜性及其格局和過程需要強(qiáng)有力的調(diào)查工具，分形學(xué)在地球表層的分析中占有重要的地位，分形不僅體現(xiàn)在格局中如森林斑塊形狀，而且體現(xiàn)在過程中，而過程又是非常有用的。分形分析可以應(yīng)用到斑塊形狀和空間分布的分析中，但也可以用來分析動(dòng)物的空間分布。一、概念和定義分形是Mandelbrot1975年創(chuàng)建的，用來描述不規(guī)則的物體。分形存在于不同尺度的不規(guī)則圖形中。Mavdelbrot(1986)將分形定義為：分形結(jié)構(gòu)是在某些方面與整體具有部分相似性的形狀。它具有非整數(shù)尺度的物體或格局，當(dāng)一個(gè)分形體在大尺度

20、范圍內(nèi)具有許多可以在小尺度或更小尺度范圍中重復(fù)的格局時(shí)，這個(gè)物體表現(xiàn)出一種自相似性。分形有兩種類型：規(guī)則的和隨機(jī)的。規(guī)則性的分形用尺度不變性(自相似性或自類同性)物體表示，具有很高的自相似性。當(dāng)一個(gè)物體在各個(gè)方向上是一個(gè)自我分級(jí)拷貝時(shí)，它具有相似性。當(dāng)分形是異構(gòu)時(shí)，物體表面具有類同性。隨機(jī)分形：通常自然分形沒有線性自相似性，被稱作隨機(jī)分形。與自相似性相關(guān)的是尺度問題，例如海岸線是分形物體，其全部長(zhǎng)度依賴量測(cè)時(shí)所采用的精度。復(fù)雜性通過分形維數(shù)D來表示，它與歐幾里德維數(shù)0(點(diǎn))、1(線和曲線)、2(面)、3(柱)具有相似的表示方法。在規(guī)則的一維物體中，物體質(zhì)量隨長(zhǎng)度增加而增加。有半徑的二維物體的質(zhì)

21、量增加與R2成正比，即與圓成正比。三維物體的質(zhì)量增加與4/3R3即與柱體成正比。加上維數(shù)，物體質(zhì)量與維數(shù)平方成正比，分形物體的R增加到一定的冪Dm，Dm不是整數(shù)。分形方法在理論上很容易理解，但關(guān)鍵是如何運(yùn)用。分形法在如地理學(xué)(Acuna and Yortsos 1995,loahle and Li 1996)、水文學(xué)(Ichoku etal 1996)、土壤組成(Perrier et al 1995,Barak et al 1996)、動(dòng)力機(jī)制(Perfect and Kay 1995,Rasiah 1995,Perfect et al 1996)、微生物運(yùn)動(dòng)(Li et al 1996)和植

22、物結(jié)構(gòu)(Chen et al 1994)等方面都有廣泛的應(yīng)用。在根據(jù)尺度研究模糊現(xiàn)象中尤其有用，海岸線長(zhǎng)度就是一個(gè)典型的例子。海岸線長(zhǎng)度依賴測(cè)量單位，提高測(cè)量單位長(zhǎng)度如從米到千米，海岸線的整體長(zhǎng)度減少。因此海岸線長(zhǎng)度與測(cè)量精度相關(guān)。將這種量測(cè)方法與有機(jī)體面積相聯(lián)系如水獺和蟹，就有可能找到有機(jī)體敏感的適當(dāng)尺度。這種方法也可以應(yīng)用到與人類現(xiàn)象相關(guān)的研究中，如沿海岸隨著船載量的增加，適合港口數(shù)也在減少。許多格局和過程都是具有尺度性的，分形模型可以采用歐幾里德幾何定義而描述格局和過程的特征，因此分形在地理學(xué)、生態(tài)學(xué)或相關(guān)學(xué)科中越來越受到重視。分形模型可用于量測(cè)地球表層特征，也可用來量測(cè)特定物種的格局(

23、Johnson et al 1992)，這兩種方案在理解環(huán)境復(fù)雜性和預(yù)測(cè)特定物種對(duì)資源空間結(jié)構(gòu)的反應(yīng)中都具有重要的意義。Rexand Malanson(1990)將分形模型應(yīng)用到森林草原斑塊的研究中，Leduc et al (1994)將分形分析與各種技術(shù)手段結(jié)合起來，評(píng)價(jià)地球表層破碎化的分形維數(shù)，Van Hoes (1994)運(yùn)用分隔的分形技術(shù)量測(cè)植被的復(fù)雜性。Lathrop and Peterson (1992)運(yùn)用分形法證明山區(qū)結(jié)構(gòu)的自相似性及面積/直徑關(guān)系。二、邊緣帶的分形維數(shù)許多過程和有機(jī)體對(duì)斑塊的形狀很敏感，但用歐幾里德幾何學(xué)卻很難量測(cè)斑塊彎曲度。分形在研究邊緣復(fù)雜性時(shí)考慮到邊緣測(cè)

24、量及所用工具的尺度，換一種說法，測(cè)量海岸線、河流和山脈長(zhǎng)度的精確性依賴于測(cè)量尺度L。根據(jù)一個(gè)簡(jiǎn)單的乘方定律：1-DC(L)是尺度L下所測(cè)物體的長(zhǎng)度(如海岸線、河流等)，D(2D1)是分形維數(shù)，K是常數(shù)，L提高就會(huì)降低被測(cè)物體的總長(zhǎng)度C(L)，如果L變小則被測(cè)物體的長(zhǎng)度將會(huì)增加。對(duì)于歐幾里德幾何法，物體維數(shù)D=1，長(zhǎng)度依賴于測(cè)量尺度，對(duì)于分形物體如雪花，其分形維數(shù)D=1.26。這個(gè)乘方定律曾被用于研究昆蟲活動(dòng)路線的彎曲性(Wiens et al 1993)。實(shí)際上，分形維數(shù)依路徑復(fù)雜程度而變化Wiens et al 1995)。D是路徑長(zhǎng)度的自然對(duì)數(shù)和長(zhǎng)度尺度L對(duì)數(shù)的回歸計(jì)算，從回歸值中減1就得

25、到D，k是回歸線的截距。當(dāng)路徑為直線時(shí)，D=1，當(dāng)路徑非常復(fù)雜不能在平面內(nèi)繪制時(shí)，D=2，通常越曲折(D值越大)，在小尺度內(nèi)有機(jī)體與異質(zhì)的地理環(huán)境相互作用就越強(qiáng)。C(L)可以通過柵格方法近似且較容易地獲得，它包含所研究的邊緣或道路的邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的規(guī)則柵格，在每個(gè)L型柵格中，把每段路或邊緣方格統(tǒng)計(jì)起來，然后將全部柵格的自然對(duì)數(shù)與L一起進(jìn)行回歸計(jì)算，得出C(L)，D等于回歸線坡度減去1。三、斑塊的分形維數(shù)多邊形的復(fù)雜程度用公式表述：D(例如，log P=1/2 Dlog A)，P是直徑，A是面積。簡(jiǎn)單多邊形如圓和三角形的P約等于面積的平方根，D=1。對(duì)于不規(guī)則的復(fù)雜多邊形，直徑不在平面上的，P約等于A

26、，D趨近于2。假如不同面積的島嶼或植物斑塊具有自相似性，這個(gè)公式就可以運(yùn)用到測(cè)量各種島嶼海岸線的復(fù)雜程度或動(dòng)植物斑塊的復(fù)雜程度上，在測(cè)量過程中用相同的尺度。分形維數(shù)通過在log(A)上對(duì)log(P)進(jìn)行回歸計(jì)算得到，在這里D=2*回歸坡度。運(yùn)用這個(gè)方法，Krummel eta l (1987)證明分形維數(shù)隨著森林斑塊的面積而變化，在受輕度干擾的大森林中由人類擾動(dòng)產(chǎn)生的林地小空隙，分形維數(shù)增加了，這說明在自然過程占主導(dǎo)作用的大尺度的地理環(huán)境中，其結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。相比之下，小尺度的地理環(huán)境格局較規(guī)則且簡(jiǎn)單，這樣的格局絕大多數(shù)是人為擾動(dòng)下產(chǎn)生的。從分形的觀點(diǎn)來看，這說明隨著尺度的變換，不變性發(fā)展為兩個(gè)不

27、同的子集，第二個(gè)子集由人為擾動(dòng)事件支配，第一個(gè)由自然過程支配。這一規(guī)則可運(yùn)用到更廣泛的形狀或生態(tài)過程的研究中去。四、不完全方差（semivariance又稱半變差）和分形分析Russell et al (1992)運(yùn)用分形研究海島分布及食物的分配，在獵物與捕食者之間關(guān)系的評(píng)價(jià)研究中，作者運(yùn)用了一種基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)和分區(qū)變量理論(RV)的方法。不完全方差通過2g(r)=r(4-2D)與r(即抽樣間隙)有聯(lián)系，g(r) 是間隙r的不完全方差，分形維數(shù)D=(4-m)/2 (r趨于0)。M是log(r)-lnr的坡度(4-2D)（Burrough 1981）分形分析適用于描述大尺度的變化，通常格局是在空間

28、尺度和水平過程的研究中產(chǎn)生。雖然信息本身與特定過程無關(guān)，但分形研究幫助我們理解生態(tài)過程，分形也可計(jì)算動(dòng)物穴居范圍(Loehle 1990)。用對(duì)不同面積的盒子計(jì)數(shù)來研究物體所占空間的格局。在Loehle的例子中，隨機(jī)監(jiān)測(cè)的鷹探尋剿穴范圍的路線是不規(guī)則的，一些地方很頻繁，但其它地方卻從未去過。如果我們?nèi)Χㄕ麄€(gè)區(qū)域作為被觀察的最大范圍，就會(huì)忽略許多細(xì)節(jié)。相比之下，如果在不同的時(shí)空尺度中觀察鳥類活動(dòng)，就可以測(cè)定區(qū)域利用的復(fù)雜性，從穴居區(qū)到整個(gè)地球表層。最近，F(xiàn)orina(1997)將分形分析運(yùn)用到調(diào)查亞平寧山區(qū)交錯(cuò)帶的鳥類可利用的資源中，研究方法是以斑塊面積的對(duì)數(shù)對(duì)半徑長(zhǎng)進(jìn)行回歸計(jì)算，并內(nèi)插鳥類豐富

29、度。當(dāng)鳥類豐富度增加時(shí)，斑塊維數(shù)D明顯降低。在這個(gè)例子中，低豐富度、簡(jiǎn)單形狀的斑塊是因?yàn)橘Y源的稀疏分布而迫使鳥類在更小的范圍內(nèi)通過更曲折的路徑尋找資源。相比之下，其它斑塊中資源更趨于集中分布，鳥類可以通過更簡(jiǎn)單的路徑找到資源。然而，當(dāng)資源量增多時(shí)，D有上升的趨勢(shì)。假定資源的尺度是不斷變化的，則這種假設(shè)是合理的。 五、分形在動(dòng)物行為分析中的應(yīng)用若將地球表層的尺度理解成以有機(jī)體為中心的，則必須知道精確度或粒徑、尺度范圍。粒徑和范圍是隨著有機(jī)體的的變化(例如魚大小)而變化的，當(dāng)然也隨季節(jié)的變化而改變(如候鳥)。當(dāng)用一個(gè)太簡(jiǎn)單或太復(fù)雜的模型模擬時(shí)常會(huì)出現(xiàn)問題。動(dòng)物活動(dòng)可以很容易地被跟蹤觀察，許多物種都

30、是可測(cè)量的，并且動(dòng)物的活動(dòng)受到有機(jī)體個(gè)體的質(zhì)量及其對(duì)其周圍環(huán)境感覺的分辨能力的影響。因?yàn)榈厍虮韺邮怯梢幌盗袕?fù)雜雜的等級(jí)單元組成的整體。區(qū)分有機(jī)體與環(huán)境相互作用尺度及有機(jī)體所忽略的特定范圍以外的格局的是十分重要的。如果將有機(jī)體活動(dòng)作為地球表層相互作用的一個(gè)指標(biāo)，就必須假定運(yùn)動(dòng)慢的有機(jī)體感覺到的環(huán)境比運(yùn)動(dòng)快的物種尺度小。但如果兩種物種的大小不同，則它們的對(duì)地球表層感知的尺度也就不同，這樣就不能比較它們的行為和對(duì)資源的利用。事實(shí)上，活動(dòng)路徑受地球表層結(jié)構(gòu)和有機(jī)體體積的影響，這種因身體大小所產(chǎn)生的對(duì)活動(dòng)范圍的認(rèn)知是很難比較的。With (1994)研究草原鑲嵌體中三種蝗蟲的活動(dòng)格局，作者在對(duì)地球表層中

31、物種的活動(dòng)空間進(jìn)行分析時(shí)，證明了大型的蝗蟲比小型的活動(dòng)頻率快、對(duì)地表空間的感 知與其他兩種不同，故分形維數(shù)D值不同，且活動(dòng)范圍多表現(xiàn)為直線活動(dòng)，對(duì)地球表層的異質(zhì)性不太敏感。其它兩種物種具有類似的D值，這或許可以說明它們運(yùn)用資源的方式類似。計(jì)算分形維數(shù)D時(shí)用分割方法：這包括計(jì)算單位不同時(shí)計(jì)算路徑的全部長(zhǎng)度(點(diǎn)間距離的累加)。但進(jìn)行線性回歸時(shí)，至少需要三點(diǎn)，最小刻度單位作為點(diǎn)間平均距離，最大刻度單位作為全部路徑長(zhǎng)度的三分之一。例如，Wiens et al (1993)發(fā)現(xiàn)Colorado東部草原上的三種tenebrionid甲蟲其活動(dòng)路徑彎曲度有相似的D值，不是1(即直線運(yùn)動(dòng))也不是隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。這就

32、明了在各種尺度中它們活動(dòng)路徑基本相似。分形法也可用干擾的傳播。干擾傳播可導(dǎo)致新陳代謝的提高，動(dòng)物行為復(fù)雜度降低。生物有機(jī)體的多樣性隨路徑被干擾的強(qiáng)度而降低，這一點(diǎn)是公認(rèn)的。同理，行為多樣性也在路徑影響下降低，智力行為包括供給行為的中斷和反捕食警惕性的提高。在對(duì)用腦頻率進(jìn)行雙對(duì)數(shù)線性化后，可以通過回歸分析法分析。F(t)是時(shí)間上用腦（head-lifts）的頻率。地F(t)=K(t)D=K(1/t)-D。K是常數(shù)，D是分形維數(shù)。對(duì)F(t)* t進(jìn)行雙對(duì)數(shù)回歸分析后，可以看出非寄生雌性植物(a)和寄生雌性植物(b)之間的分形維數(shù)降低了。六、總結(jié)斑塊大小，形狀和空間分布是空間結(jié)構(gòu)分析的重要內(nèi)容，這些

33、屬性在不同方面影響自然地理過程、空間格局和有機(jī)體的活動(dòng)范圍。本節(jié)提出幾種指數(shù)，將其與生態(tài)信息結(jié)合起來，但做起來是一件很困難的事。指數(shù)的分析從兩方面考慮，一是斑塊尺度，二是區(qū)域尺度，在斑塊尺度中指數(shù)可用來分析斑塊面積、直徑和形狀；在區(qū)域尺度中，指數(shù)可用來分析鑲嵌體的復(fù)雜度，如豐富度、斑塊數(shù)量、相對(duì)重要值、斑塊的shannon多樣性(種類和形狀等級(jí))、優(yōu)勢(shì)度、均勻度、熵等。距離和質(zhì)地為研究空間結(jié)構(gòu)提供了新的方法。間隙的分析也是空間結(jié)構(gòu)一種研究方法，主要采用是分形法進(jìn)行分析。最后還討論了間隙是量測(cè)自然格局復(fù)雜程度的一種有效的方法。由于分形法太龐雜，本章僅就其對(duì)地球表層中的生態(tài)過程做了一點(diǎn)應(yīng)用方面的闡

34、述。第三節(jié) 地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)(GIS)是處理空間數(shù)據(jù)的工具。它是對(duì)表達(dá)地理特征與地理現(xiàn)象之間關(guān)系的地理數(shù)據(jù)的解釋。通過近年來的發(fā)展，它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于從局地到全球尺度的地理現(xiàn)象的分析中。GIS主要由兩部分組成，即硬件系統(tǒng)和圖形處理軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)實(shí)際是物理裝置的總和，可以是電子的、電的、磁的、機(jī)械的、光的元件或裝置，是GIS的物理外殼，主要由四部分組成：計(jì)算機(jī)主機(jī)、數(shù)據(jù)輸入設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備和數(shù)據(jù)輸出設(shè)備。軟件系統(tǒng)是指GIS運(yùn)行所必需的各種程序，通常包括：數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、數(shù)據(jù)分析與處理、用戶接口模塊等，其中，計(jì)算機(jī)制圖、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、遙感和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)都是GIS的組成部分(

35、Maguire et al 1991)。它是地理圖形化的重要工具。根據(jù)應(yīng)用，GIS可以分為城市信息系統(tǒng)、空間決策支持系統(tǒng)、土壤信息系統(tǒng)、規(guī)劃信息系統(tǒng)、土地信息系統(tǒng)等?，F(xiàn)在，由于空間統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)學(xué)過程和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的結(jié)合，使對(duì)一個(gè)事件地理空間屬性的空間信息處理很容易地做到。GIS被越來越多地被應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域，從經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域到社會(huì)科學(xué)和規(guī)劃部門。精度、軟件和技術(shù)要求(硬件)從幾千字節(jié)到幾G字節(jié)，經(jīng)費(fèi)支出從幾美元到幾千美元，并有了一些直接面向用戶的界面，但有些軟件的使用還不能普及，必須專業(yè)人員來操作。GIS是自然地理研究的基本工具，是處理模型和現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)的平臺(tái)，尤其在將模糊信息轉(zhuǎn)化成精確信息時(shí)更為重要

36、。一、信息處理GIS可以處理三種類型的屬性數(shù)據(jù) ：屬性的名稱和特征、屬性的位置、屬性的空間關(guān)系。（1）空間信息的表示方法將空間信息轉(zhuǎn)化為湖森林農(nóng)田等地物的工具有兩個(gè)：柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)單最直觀的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，又稱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或像元結(jié)構(gòu)，是指將地面劃分為大小均勻緊密相鄰邦的網(wǎng)格陣列，每個(gè)網(wǎng)格作為一個(gè)像元或像素，由行、列號(hào)定義，并包含一個(gè)代碼。表示該像素的屬性類型或量值，因此柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是以規(guī)則的陣列來表示空間地物或現(xiàn)象創(chuàng)始布的數(shù)據(jù)組織。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通過記錄坐標(biāo)的方式盡可能精確地表示點(diǎn)、線、面的位置及其聯(lián)系。柵格結(jié)構(gòu)與矢量結(jié)構(gòu)是模擬地理信息的兩種不同方法。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具有：能夠很好

37、地表示現(xiàn)象性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緊密、可用網(wǎng)狀關(guān)系表示拓?fù)潢P(guān)系、圖形表達(dá)精確、可對(duì)圖形和屬性進(jìn)行重新制作、更新和判斷等優(yōu)點(diǎn)。但也有：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通過疊加不容易實(shí)現(xiàn)將矢量多邊形地圖或多邊形與柵格地圖的結(jié)合、 因?yàn)槊總€(gè)單元都有不同的拓?fù)鋱D形，很難進(jìn)行模仿處理、地圖繪制花費(fèi)昂貴，尤其對(duì)高質(zhì)量、彩色的地圖更是如此、其技術(shù)本身造價(jià)也很昂貴，尤其是高級(jí)的軟件和硬件、不能對(duì)多邊形進(jìn)行空間分析和過濾等缺點(diǎn)。柵格結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)地圖數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)很容易實(shí)現(xiàn)疊加處理、因?yàn)槊總€(gè)空間單元都有相同的面積和形狀，很容易實(shí)現(xiàn)模擬操作、技術(shù)系統(tǒng)便宜，易發(fā)展。缺點(diǎn)：圖形數(shù)據(jù)量大。 用大的網(wǎng)格可以減小數(shù)據(jù)量，但同時(shí)使

38、一些現(xiàn)象結(jié)構(gòu)消失，丟失一些信息。用粗網(wǎng)格則繪制的地圖不如用細(xì)線繪制出來的漂亮。不易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀聯(lián)系。二、空間數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)就是為了一定的目的，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中以特定的結(jié)構(gòu)組織、存儲(chǔ)和應(yīng)用的相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集合。地理空間或虛擬空間中的地理信息系統(tǒng)將每個(gè)要素(柵格和矢量結(jié)構(gòu))用坐標(biāo)值(x,y)表示，這樣就可以對(duì)同一層中或地圖中或不同層間的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理。三、繪圖模型 繪圖模型是地圖層的集合，描述很明確的區(qū)域。地圖層包括同一地理區(qū)域的信息如面積、位置名稱、空間位置、歷史分布等 ，每個(gè)繪圖模型都有一個(gè)明確的形式和一個(gè)模糊的形式。四、圖層經(jīng)常簡(jiǎn)稱層，是表現(xiàn)各種信息的常規(guī)地圖，但不一定是地理信息。在層中，信息用物

39、體不同屬性所占的網(wǎng)格來表示。層通常包括其他解釋性信息如標(biāo)題、方法、定位和地帶。（1）每層是一種繪圖格局時(shí)，處理時(shí)標(biāo)題如植被、鳥類豐富度就是重要的參考依據(jù)。（2）表示地面和地圖之間的關(guān)系。（3）圖層的方向表示地理方向和繪圖方向間的關(guān)系。（4）帶是按一定屬性與其它區(qū)域分開的地圖上的一部分，例如森林斑塊、農(nóng)田和城市區(qū)等。每個(gè)帶都由一個(gè)標(biāo)題如名字或數(shù)值，這些值是對(duì)區(qū)域特征更加詳盡的說明，例如，森林標(biāo)志，值為200的表示森林距道路200米。值可以是比率、間隙、順序或根本沒有意義，無意義的值表示區(qū)域的一種性質(zhì)，如密集灌叢。（5）位置是地圖的一個(gè)組成部分。在柵格結(jié)構(gòu)中，位置表示為方形網(wǎng)格或漸變網(wǎng)格，在繪圖過

40、程中用像元表示。（6）坐標(biāo)是地理單元中的數(shù)字對(duì)，例如與赤道和格林威治的距離，或是圖上的數(shù)據(jù)尺度。五、繪圖處理程序和模型目前GIS都具有處理單個(gè)位置信息或尺度信息的能力，根據(jù)地理坐標(biāo)或工作坐標(biāo)GIS中的所有數(shù)據(jù)都有一個(gè)精確的位置，地理坐標(biāo)或許是UTM(公里坐標(biāo))。六、數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)獲取方式很多，最簡(jiǎn)便的方法是用柵格的形式處理現(xiàn)存地圖如地形圖，土地覆蓋地圖等，遙感衛(wèi)星站提供的數(shù)據(jù)也是經(jīng)過柵格化處理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。數(shù)字化很精確，但費(fèi)用昂貴，例如坐標(biāo)為Xij，Yij的區(qū)域(i表示屬性如土地覆蓋類型，j是圖層)可以與其它層的相同區(qū)域位置相加，XijYij+XimYin(m表示另一層)，其它的程序可以處理整個(gè)層

41、，如一個(gè)地圖+另一個(gè)地圖=新圖。七、制圖模型流程Tomlin (1990)認(rèn)為，在GIS流程中至少存在三種操作：局部型操作：對(duì)于每個(gè)區(qū)域位置，新的域值與一個(gè)或幾個(gè)層上相同位置的值通過數(shù)學(xué)方法進(jìn)行相關(guān)分析。區(qū)域操作：對(duì)于每個(gè)位置，特定層中現(xiàn)存值被賦于一個(gè)新值的功能處理。聚焦操作：每個(gè)位置上，根據(jù)層中的相鄰位置或其它層中的相鄰位置處理新值。八、GIS命令變換數(shù)據(jù)的途徑有幾種，對(duì)于局域操作，可利用算術(shù)方法，它具有如下功能：add：將兩個(gè)或更多地圖的值相加 。average：將兩個(gè)或更多地圖的值進(jìn)行平均運(yùn)算。Cover：用一個(gè)或更多值覆蓋現(xiàn)存地圖的值。Divide：用一個(gè)或更多地圖值劃分現(xiàn)存地圖的值。

42、Maxim：在新圖上將兩個(gè)或更多的現(xiàn)存地圖值最大化處理。Min：在新圖上將兩個(gè)或更多現(xiàn)存地圖值最小化。Multiply：將兩個(gè)或更多現(xiàn)存地圖值相加起來。Subtract：從多個(gè)現(xiàn)存地圖中減去一個(gè)現(xiàn)存地圖的值。對(duì)于分形處理，有如下相關(guān)的菜單：clump：產(chǎn)生一個(gè)具有臨近類似值網(wǎng)格的地圖。differentiate：由表面數(shù)據(jù)產(chǎn)生坡向地圖。內(nèi)插：計(jì)算兩個(gè)位置間的距離。定向：由表面數(shù)據(jù)產(chǎn)生方向地圖。輻射：從特定觀測(cè)位置產(chǎn)生觀測(cè)域地圖。scan：對(duì)與領(lǐng)域值有關(guān)的特定位置的領(lǐng)域進(jìn)行分類。score：對(duì)比總結(jié)以點(diǎn)與點(diǎn)為基礎(chǔ)的兩個(gè)地圖的值。平滑：從地圖等高線產(chǎn)生表面圖。Spread:產(chǎn)生與特定位置相近的地圖

43、。九、GIS與遙感由衛(wèi)片或航片提供的遙感信息在運(yùn)用到GIS前必須對(duì)其進(jìn)行解譯。通常遙感數(shù)據(jù)經(jīng)過分類和地理校正后輸入到GIS中。土地分類程序依賴于GIS，但當(dāng)數(shù)據(jù)要輸入GIS中時(shí)，至少應(yīng)該知道地理校正地圖的空間比例尺。十、GIS的比例尺自然地理系統(tǒng)中對(duì)不同尺度空間數(shù)據(jù)的處理是很有意義的。地球表層的格局和過程都在一定的空間尺度范圍內(nèi)存在并發(fā)揮功能作用(Turner et al 1989)。然而僅存在有限的幾個(gè)程序來處理這些空間數(shù)據(jù)。Barker and Cai (1992)制作了一個(gè)在GRASS上運(yùn)行的程序，在幾種面積區(qū)中，應(yīng)用15種比例尺或移動(dòng)窗口對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，至少計(jì)算出60多種關(guān)于地球表層

44、結(jié)構(gòu)(如距離、大小、形狀、分形維數(shù)、參數(shù)、多樣性、質(zhì)地、并列、邊緣等)的數(shù)據(jù)。十一、應(yīng)用研究邊緣群落分類繪圖模型在Anletla流域中的應(yīng)用(Farina 1996)將地球表層分成地球表層元是地球表層分析中常見的步驟，地球表層元的某些特征是均質(zhì)的，是與相鄰區(qū)域不同的土地。在地球表層元中經(jīng)常是自然環(huán)境和生物要素的組合，例如在200500m范圍的山區(qū)(阿爾卑斯山區(qū)，位于意大利北部，屬于地中海盆地)中的分區(qū)，山區(qū)的坡向是SE，S和SW，需要確定所有的耕作區(qū)。分區(qū)中，景觀交錯(cuò)帶(ectone)指橄欖園和葡萄園間旱生、溫暖的立地，為方便起見，稱其為“邊緣帶”。這一過渡帶對(duì)許多小型鳥類過冬起重要作用(Fa

45、rina 1987)，而且這些邊緣帶的局地化也很重要，如在設(shè)計(jì)保護(hù)措施時(shí)，始點(diǎn)的基本信息輸入是很重要的，例：海拔地圖(地形)、方向圖(方向地圖)、土地利用(耕作)。地形圖和植被圖可以通過對(duì)現(xiàn)有地圖進(jìn)行數(shù)字化得到，方向圖通過利用MacGIS程序中定位程序?qū)０螆D定位得出，模型很簡(jiǎn)單。步驟如下：（1）從地形圖上選擇大于200m小于500m的所有區(qū)域組成一個(gè)新圖。（2）從土地利用圖中選擇耕作類型，制成新的耕作圖。（3）在地形圖上運(yùn)行程序，得到新的地圖。（4）從方向值中選擇4，5，6分別代表SE，S，SW，制定新的南部地圖。（5）重新編碼，設(shè)定1為南部，耕作類型和山地，將地圖另存編號(hào)為南1，耕作1和山

46、1。運(yùn)行“add”程序?qū)⑷齻€(gè)地圖相加，選擇值為3的地區(qū)，這就是“過渡帶”。十二、總結(jié)GIS是自然地理學(xué)的一個(gè)重要工具。雖然有些GIS使用起來價(jià)格很昂貴，數(shù)據(jù)輸入也很浪費(fèi)時(shí)間，但若選擇合適的軟件可使我們獲得極大的益處。GIS程序可以儲(chǔ)存、操作和轉(zhuǎn)化及地理柵格遙感信息?？臻g數(shù)據(jù)處理保證了信息的準(zhǔn)確性，雖然這需要一個(gè)強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。在這方面，繪圖模型可對(duì)GIS的不同圖層進(jìn)行疊加、聯(lián)合和分離處理。將遙感、圖像解譯與GIS程序進(jìn)行耦合是非常有前景的操作系統(tǒng)。第四節(jié) 遙感在自然地理學(xué)中的應(yīng)用遙感和GIS在自然地理學(xué)數(shù)量研究中占有十分重要的地位。通過SPOT傳感器可以觀察到線性結(jié)構(gòu)如灌叢、邊界、灌渠和

47、道路。物體高度(高物體具有長(zhǎng)影像)、太陽高度角(太陽高度角小，影子長(zhǎng))及樹木和邊界的方向等。航天遙感或衛(wèi)星遙感圖像反應(yīng)的多光譜反射能力使遙感技術(shù)在地球表層研究中具有更廣泛的應(yīng)用。遙感數(shù)據(jù)可以包括不同尺度的空間和時(shí)間數(shù)據(jù)，這就為過程研究提供了強(qiáng)大的工具。遙感數(shù)據(jù)可在造價(jià)低廉的數(shù)字技術(shù)設(shè)備中加工和改進(jìn)，尺度精度的變化范圍是10m-20m或30m，Landsat 的比例尺是30X30m。SPOT的是10X10m。地球表層中每一組分都有特定的多光譜反射率。Hall et al (1991)利用Landsat Multisppectrac scaaner (MSS)數(shù)據(jù)(精度是60m)研究北方森林生態(tài)系

48、統(tǒng)在10年內(nèi)的變化。一、傳感器精度對(duì)自然地理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響遙感已被用來研究地球表層的屬性(Nellis and Briggs 1989,Bonson and Mackenxie 1995)。例如，Nellis and Briggs (1989)將Landsat多光譜掃描(MSS)圖與TM圖之間的頻率與三種尺度圖像質(zhì)地特征結(jié)合，頻率用于估計(jì)和監(jiān)測(cè)綠色植物的生物量，健康的綠色植物可吸收50%的近紅外能量(0.7-0.8m)，8090%的近紅光區(qū)(0.60.7m)和可見光(0.40.7m)。MSS42與TM43之間的比率(近紅外光能量與可見光能量比)主要用于研究生物量和凈生產(chǎn)力。分析的比例尺有三

49、種：5m(數(shù)字化校正的航空照片)(光譜為0.3m)，30mTM80m(MSS)，相鄰光柵間的轉(zhuǎn)換可通過0255個(gè)對(duì)比類型實(shí)現(xiàn)。Konza 草原的景觀組分中不同組分對(duì)傳感器的反應(yīng)不同，如何景觀的破碎化程度高，干擾頻率大，可用航片和Landsat衛(wèi)片研究未燃燒區(qū)，運(yùn)用高精度的數(shù)字化航片能夠分析質(zhì)地對(duì)比中的不同點(diǎn)。因此，衛(wèi)星MSS數(shù)字化數(shù)據(jù)不適宜繪制Konza草原的地圖。Benson 和 Mackenzie運(yùn)用SPOT多光譜高分析度航片，Landsat主題衛(wèi)片和NOAA影像，先進(jìn)的高無線波(AVHRR)對(duì)比研究北部Wissconsin湖區(qū)自然地理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化，所用的自然地理參數(shù)有：水面占的百分比，

50、湖泊個(gè)數(shù)，湖泊平均面積和周長(zhǎng)，fractal 比例尺和嵌塊體質(zhì)地的三種測(cè)試指標(biāo)(均質(zhì)性、對(duì)比性和熵)，這些指數(shù)對(duì)傳感器精度反應(yīng)均很敏感，從HRV的20m到AVHRR的100m，當(dāng)比例尺增大時(shí)，自然地理系統(tǒng)中湖泊的數(shù)量和水面占的百分比降低了，但均質(zhì)性與熵值卻隨著衛(wèi)星傳感器精度的變化保持不變。因?yàn)樽匀坏乩硐到y(tǒng)的主要參數(shù)對(duì)傳感器很敏感，在不同的精度中自然地理格局就會(huì)有出現(xiàn)或消失的現(xiàn)象，因此，利用內(nèi)插法在TM和AVHRR之間填充中間尺度是很重要的一步。用遙感解釋的方法劃分土地類型時(shí)，尺度是非常重要的，如，Moody 和 Woodcock(1995)用TM對(duì)Plumas 自然森林 (Califrnia)

51、進(jìn)行分析時(shí)，將森林類型劃分為五類(90、150、240、510和1024)。土地覆蓋類型隨著聚集程度的變化通過五個(gè)相互獨(dú)立的變量進(jìn)行對(duì)比：平均斑塊、平均斑塊間距離、shannon指數(shù)、平均和原始比。通常，像元聚集引起的精度降低導(dǎo)致許多錯(cuò)誤發(fā)生，這嚴(yán)重影響著大尺度模型的可信度。Simmons 等人 (1992)通過衛(wèi)片運(yùn)用Carlibe等人 (1989)用過的方法評(píng)價(jià)生態(tài)類型。二、遙感和自然地理系統(tǒng)的界限界限，也稱作自然地理系統(tǒng)單元間的過渡帶，是任何自然地理系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)。Metzger和 Muller (1996)運(yùn)用數(shù)據(jù)提出了一個(gè)新的界限指數(shù)。（1）土地覆蓋和邊界比參數(shù)Pi=Ai/A Pi為

52、土地覆蓋類型I的比例，Ai是土地覆蓋I的面積，A是自然地理系統(tǒng)的面積。Qi=Bi/Ai Qi是土地覆蓋邊界I的比例，Bi是土地覆蓋I的邊界面積，A是自然地理系統(tǒng)的面積。Fi=Bi/Ai Fi是土地覆蓋I的邊界面積比或形狀指數(shù)。F=B/A 自然地理系統(tǒng)的破碎指數(shù)或邊界面積比。（2）覆蓋邊界的復(fù)雜性指數(shù)Ci=Bci/Ai 是土地覆蓋I中趨同點(diǎn)(轉(zhuǎn)換)的比，Bci是土地覆蓋I中趨同點(diǎn)的面積，NBci是土地覆蓋I中邊界類型數(shù)。HB=-Qki*log2qki，每種邊界類型K中土地覆蓋I的邊界密集指數(shù)。（3）邊界復(fù)雜性指數(shù)C=Bc/A是自然地理系統(tǒng)中趨同點(diǎn)的比例，Bc是自然地理系統(tǒng)中趨同點(diǎn)的面積，NB是地

53、球表層邊界豐度指數(shù)，如簡(jiǎn)單(兩類土地覆蓋的聯(lián)系點(diǎn))和趨同點(diǎn)(三種或更多種土地覆蓋的聯(lián)系點(diǎn))。HB=2QK 是自然地理系統(tǒng)邊界密度指數(shù)，QK是邊界K中自然地理系統(tǒng)的邊界面積比。利用Jacare-Pepeira盆地(比利時(shí)東南部)的Landsat影像，通過紅光(TM3)、近紅外光(TM4)和短紅外光(TM5)的光譜分析可以進(jìn)行分類，利用的標(biāo)準(zhǔn)植物是NDVI=(TM4-TM3)/(TM4+TM3)。土地覆蓋分類后，邊界光束被抽取出來，然后將擴(kuò)大后的邊界相加，作為三種類型結(jié)合體的每種土地覆蓋的邊界類型被抽取出來，例如 6是2+4個(gè)土地覆蓋類型，12是8+4等 。這種方法說明解釋自然地理系統(tǒng)復(fù)雜邊界分析

54、的重要性，土地覆蓋邊界多樣性與土地覆蓋類型是緊密相關(guān)的，草原景觀具有最大邊緣多樣性值和趨同指數(shù)，形狀、豐富度、多樣性和趨同比是自然地理系統(tǒng)復(fù)雜性的重要指標(biāo)。三、森林生態(tài)學(xué)和遙感第一顆人類地球觀測(cè)衛(wèi)星于1972年發(fā)射成功，從那時(shí)起到現(xiàn)在，遙感技術(shù)已發(fā)生了巨大的發(fā)展，尤其在土地覆蓋分類領(lǐng)域。因?yàn)長(zhǎng)andsatTM、MSS和AVHRR的精度不高，有效分類僅限于較大區(qū)域，因此在地理學(xué)和生態(tài)學(xué)在遙感應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)重要的利用工具，它在自然和人工調(diào)節(jié)的系統(tǒng)中都能產(chǎn)生復(fù)雜的信息，影像分析與GIS技術(shù)相結(jié)合，然后再與空間參考數(shù)據(jù)如地形起伏，就能夠較大程度地改進(jìn)數(shù)據(jù)的輸出和繪圖輸出的質(zhì)量。在土地覆蓋分類中，遙感

55、方法根據(jù)自然地理系統(tǒng)的變化而變化，據(jù)此，遙感技術(shù)在起步階段的前20年內(nèi)是有局限性的，但將來的發(fā)展前景是非?？捎^的。關(guān)于衛(wèi)星多光譜圖像分類的步驟，在許多軟件手冊(cè)中都有詳細(xì)的描述。影像分類方法有兩種：第一是基于光束光譜特性的自動(dòng)分類，自動(dòng)分類后，必須對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)(即設(shè)計(jì)土地覆蓋類型的轉(zhuǎn)換等級(jí))，例如，在森林制圖中最精確的傳感器是TM傳感器，尤其對(duì)于1、5和7波段。第二是手動(dòng)分類，存在于訓(xùn)練SETS的產(chǎn)生中，選擇可以分辯土地覆蓋或植被覆蓋的光柵聚集，根據(jù)所選擇的訓(xùn)練SETS可以將影像進(jìn)行分類。四、利用遙感進(jìn)行自然地理系統(tǒng)的分類通過遙感可以對(duì)土地覆蓋類型進(jìn)行非?？煽康姆诸?，特別是對(duì)土地覆蓋鑲嵌體中表示

56、不同土地類型的空間分布格局時(shí)，可通過不同時(shí)刻的遙感圖像進(jìn)行辨析。Haines-young (1992)將Wales東南部所選區(qū)域的TM和TSS數(shù)字化過程與TWISPAN程序進(jìn)行耦合，他將國(guó)家級(jí)的的土地覆蓋精度為11 km的網(wǎng)格分割成景觀等級(jí)，發(fā)現(xiàn)結(jié)果與ITE(地形生態(tài)研究所)的關(guān)于英國(guó)的土地等級(jí)和英國(guó)及Wales的普查統(tǒng)計(jì)結(jié)果有很大的相關(guān)性，為了進(jìn)行自然地理系統(tǒng)的分類，運(yùn)用與英國(guó)Ordnance調(diào)查國(guó)家網(wǎng)格相類似的規(guī)則對(duì)被分類影像進(jìn)行幾何糾正。這種方法在遙感的一般程序中可以進(jìn)行。五、校正中心的概念Lverson 等人 (1994)在兩個(gè)地方(Illinois and Smoky Mountai

57、ns)驗(yàn)證了TM與AVHRR結(jié)合應(yīng)用的效果。TM數(shù)據(jù)用于在森林或非森林區(qū)中對(duì)小面積(校正中心)進(jìn)行分類。TM與AVHRR數(shù)據(jù)的結(jié)合可以更好地解譯AVHRR數(shù)據(jù)。自動(dòng)分類技術(shù)是運(yùn)用TM 30m的數(shù)據(jù)對(duì)非森林或森林區(qū)域進(jìn)行分類，分類結(jié)果用航片進(jìn)行驗(yàn)證。AVHRR光束(1km的精度)與TM光束(30m)相加，對(duì)于Illinois區(qū)域來說有154AVHRR光束，每個(gè)光束包括369個(gè)TM光束，對(duì)于Smoky 山區(qū)99AVHRR光束與871個(gè)TM光束相對(duì)應(yīng)，在判斷AVHRR數(shù)據(jù)與TM數(shù)據(jù)的空間特征時(shí)用回歸分析方法。僅是AVHRR分析可以少估或多估森林覆蓋面積，TM尺度可以提高AVHRR的分辯率。這種方法的有效性取決于土壤、地形和植被的反射率。針葉林和闊葉林具有不同的反射特性，必須重置標(biāo)準(zhǔn)才能避免這兩種森林的錯(cuò)誤分類。六、總結(jié)遙感廣泛應(yīng)用于自然地理系統(tǒng)的分析中。在自然地理系統(tǒng)的格局如異質(zhì)性分析和自然地理單元的分類（告別是自然地理過渡帶的分析中）這種方法非常有用。遙感分析在自然地理系統(tǒng)的研究中是一種非常有前景的方法。不同傳感