景观生态学Chapter 7 景观模型与尺度

《景观生态学Chapter 7 景观模型与尺度》由会员分享，可在线阅读，更多相关《景观生态学Chapter 7 景观模型与尺度（39页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、Chapter 7 景观模型与尺 度四川农业大学土地资源管理系景观模型与尺度的主要内容f生态学模型概述f景观模型的主要类型及特征f空间概率模型f细胞自动机模型f景观机制模型f空间尺度演绎f景观实验模型系统数学模型是针对参照某种事物系统的特征或数量依存关系，采用数学语言，概括地或近似地表述出的一种数学结构借助于数学符号刻划出来的某种系统的纯关系结构数学模型动态变化？干扰扩散？种子传播？土地利用变化？生理生态过程？一、充分利用和推广所得的有限数据二、通过模型模拟来帮助解决重复性研究的问题三、对于景观空间结构和生态学过程在动态变化现象的理解和预测方面就必须要借助于模型四、景观模型可以综合不同时间和空

2、间尺度上的信息，成为环境保护和资源管理的有效工具景观模型的重要性和必要 性一、生态学模型概述什么是模型？景观生态学中所指的生态学模型：一般就是数学模型 。有何作用？ 预测 增进理解 诊断 综合 支持管理与决策Eg：The relationships between landscape compositions and land surface temperature: Quantifying their resolution sensitivity with spatial regression modelsQuickbird image Eg：The relationships betwee

3、n landscape compositions and land surface temperature: Quantifying their resolution sensitivity with spatial regression modelsDecision-making process of spatial regression Decision-making process of spatial regression Question：Sensitivity analysis of spatial autocorrelation of LST with respect to sp

4、atial resolutionsSensitivity analysis of LST/land-cover relationships with respect to spatial resolutions Implications of the coefficients of an SLMVariations of the relationships at different resolutionsEffects of spatial autocorrelation of LST on the relationshipsEffects of land-cover areas on the

5、 relationshipsEffects of different land-cover types on the relationshipsEffects of spatial resolutions on the relationships一、生态学模型概述模型的种类(1) 根据计算机在建模中的作用 解析模型(analysis model)：多为线性且涉及变量较少，可获得精确解 模拟模型(simulation model)：涉及变量多，甚至涉及到他们的时空变异和非线性作用关系。因此，需用计算机完成一、生态学模型概述模型的种类(2) 根据时间和空间上的连续性 连续模型、离散模型(3) 根据

6、数学方法 微分方程、差分方程和矩阵模型。含有随机变量或参数的为随机型模型，否则为固定型模型(4) 根据模型内容 干扰传播、复合种群、植被动态、土地利用变化以及生物地球化学循环等模型一、生态学模型概述模型的种类(5) 根据涉及的生态学过程和机制多寡 现象学和机制或过程模型(6) 根据涉及的生态学组织层次 生理生态、种群、群落、生态系统、景观以及全球等模型 此外，还有半空间模型、空间模型等。但在实际中，模型常是多种类型的组合一、生态学模型概述模型的一般原理和过程模型是对现实系统或现象的抽象或简化，也可以说 是对现实系统或现象的漫画模型的一般原理和过程Levins(1996)提出建模的“三分”观点普

7、遍性：能代表系统或现象的总数真实性：模型与真实系统的相似程度准确性：模型输出结果与真实相同的吻合程度此外，还应考虑模型可操作性和可理解性等一、生态学模型概述一个模型可 以在各方面都 达到最佳状态 吗？模型的一般原理和过程生态学建模的4个阶段（1）建立概念模型：包括明确地定义所研究的问题、确定目的和系统边界以及建立因果关系图u（2）建正定量控型：包括选用适当的数学方法、确定变量间的函数因果关系、估计参数值、编写程序、却定模拟的时间步长以及运转模型并获得最初结果。一、生态学模型概述模型的一般原理和过程生态学建模的4个阶段（3）模型检验：模型检验包括模型确认和模型验证。（4）模型的应用：这一阶段包括

8、设计和执行模拟实验，分析、综合和解译模型结果，最后与生态学同行或应用领域的对象交流模型结果并征求改进意见一、生态学模型概述二、景观模型的主要类型及 特征景观模型：是指对景观生态系统的简化或数学抽象。按处理空间异质性的方式可分为3种。 空间景观模型：完全不考虑所研究地区的空间异质性 准空间景观模型：考虑空间异质性的统计学特征 空间显示景观模型：明确考虑所研究对象和过程的空间位置和它们在空间上的相互作用关系的数学模型空间显示景观模型包含空间异质性和非线性生态学关系，它们绝大多数属于计算机模拟模型。景观空间模型根据其处理空间信息的方式分为 两大类： 栅格型景观模型(grid-based landsc

9、ape model)：其研究对象和过程的空间位置由栅格细胞的位置来表示，而每个栅格细胞可以与该位置上的一个或多个生态学变量联系在一起 矢量型景观模型(vector-based landscape model)：以点、线和多边形的组合来表达景观的结构组成三、空间显示景观模型哪一种模型好？具体研究中，三、空间概率模型空间概率模型(spatial transition probability model)：是生态学中应用已久的马尔柯夫类模型在空间上的扩展。空间马尔柯夫模型也是景观生态学家用来模拟植被动态和土地利用格局变化的最早、最普遍的模型。具体做法：就是把所研究的景观根据其异质性特点分类，并用栅格

10、网表示，每一个栅格网细胞属于m种景观斑块类型之一。根据两个不同时期的景观图计算从一种类型到另一种类型的转化概率。然后，在整个栅格网上采用这些概率以预测景观格局的变化。应用：描述植被演替、群落空间结构变化、土地利用变化等四、细胞自动机模型细胞自动机模型(cellular automation model)：是指一类有许多相同单元组成的，根据一些简单的邻域规则即能在系统水平上产生复杂结构和行为的离散型动态模型。粒度代表一个不能 伸缩的、均质 的离散型单元 ，在任何时刻 只能处于某一 种状态细胞自动机模型就是由许多这样简单细胞组成的栅格网，其中每个细胞可以具有有限种状态；邻近的细胞按照某些既定规则相

11、互影响，导致局部空间格局的变化；而这些局部变化还可以繁衍、扩展，乃至产生景观水平的复杂空间结构。假设空间单元 i 的值记作ai ,以r表示相邻单元之间的距离(例如r=1表示只把紧靠单元i两边的单元作为相邻者考虑)一维细胞自动机的数学表达式：二维 r=1邻域规则： 确定型 随机型最简单的二维模型细胞自动机模型可产生的结 果 空间均质状态； 稳定态或周期性结构； 混沌行为(Chaos); 蔓延性有限，但局部性结构复杂的格局细胞自动机模型：最大优点之一是可以把局部性小尺度上观测得数据结合到领域转换规则之中，然后通过计算机模拟来研究大尺度上系统的动态特征。行为表现为不确定性、不可重复、不可预测的现象

12、五、景观机制模型景观机制模型又名景观过程模型(process based landscape model)。景观过程为景观空间格局和生态过程相互作用的结果。广义地讲，这些过程和机制包括动物个体行为、种群动态和控制、干扰扩散过程、生态系统物质循环以及能量流动等。景观过程模型主要有2种：空间生态系统模型空间显式斑块动态模型(或空间斑块模型)空间生态系统模型式中：Si表示某一生态学变量(如养分含量、种群密度、干扰面积)，F表示环境因素的影响(如温度、水分、光照、风)，Di是表示所研究过程的空间扩散或传播力的系数， 表示空间梯度(可以是一维、二维或三维的)一般数学表达式：该模型是用来研究环境因于与植被

13、的空间异质性是如何影响生态系统过程的；换言之，其重点在于格局对过程的影响，但缺乏过程对格局的反馈作用。假设有一具有地形梯度的景观，由44个栅格细胞组成，如下图：Eg：模拟土壤中氮含量在空间和时间上的 变化氮含量 时间 步长 氮转 入率 氮输 出率 可以根据相邻细胞 的海拔高度之差和 栅格细胞的大小求 出(即高度差与细胞 边长之比)Eg：模拟土壤中氮含量在空间和时间上的 变化扩展到更大的空间尺度上，并考虑一系列物理和生态学过程：常见的方法是把景观按空间异质性(如生态系统类型)分成许多空间单元(或栅格细胞)，然后将结构上相同或相似的生态系统单元模型“移植”到这些空间栅格细胞中。 简单氦传输模型的系

14、统结构图空间生态系统模型整合遥感、GIS和计算机模拟为一体， 建立空间景观机制模型的般途径 空间斑块模型 E该模型突出空间格局和生态学过程之间频繁的相互作用；E将整个景观视为大小、形状以及内容上不同的斑块组成的动态镶嵌体；E明确地将斑块的形成、变化和消失过程作为模型的重要组成部分；E将斑块镶嵌体空间格局动态和生态学过程在斑块以及景观水平上直接耦合到一起；空间斑块模型是斑块动态理论的一种确切的数学表达，其最适宜于格局和过程作用频繁、斑块周转率快的生态学系统。空间斑块模型的结构示意图六、空间尺度演绎在生态学和地球科学中广泛接受的尺度推绎定义是在不同时空尺度或不同组织水平上的信息转译。这一广义定义包

15、含了具有幂函数关系的尺度推绎过程；异速生长推绎只不过是尺度推绎的一个特例。尺度上推(upscaling)：是指将小尺度上的信息转化为大尺度上的结果。尺度下推(down-scaling) ：是指特大尺度上的信息转化为小尺度上的结果。空间尺度演绎云尺度推绎途径：尺度上推和尺度下推要通过改变模型的粒度、幅度或同时改变两者来完成Wu和Li(2006)归纳的推译方 法基于相似性原理的推译方法量纲分析法、相似性分析法、传统的异速生长学、空间异速生长学基于动态模型的推译方法简单聚合法、直接外推法、期望值外推法、显式积分法、云梯度推译法、有效参数外推法、空间相互作用模型七、景观实验模型系统实验研究对于检验和完

16、善景观生态学理论和模型以及促进其应用都十分重要。然而，宏观尺度上的景观实验研究显然是极为困难的。因此，迄今大尺度景观实验的例于尚为罕见。小尺度景观(或微景观)实验研究是目前既可行又具有很大潜力的一个途径。这种微观景观途径是对景观格局分析和动态模型途径的一个重要补充。由于实验途径在景双生态学发展过程巾尚未受到足够重视，小尺度景观实验研究也才刚刚开始，但迅速增加。景观实验模型系统作物丰富度对害虫-天敌关系的影响：每个小区面积为 (99)m。 每年每个小区分别调查 5 次，每次调查详细记录各种害虫和天 敌的种类与数量。景观实验模型系统与宏观景观途径相比，微观景观实验方法只有宰间幅度小、景观动态速率快、较易控制各种因素、较易观测格局与过程的变化、可重复性高以及所需研究经费少等优点。实验模型景观(EMS)途径有许多优点，但存在着片面性和局限性。小尺度的人工系统重复性强而且又易控制，但实践证明，将其结果直接推绎到大尺度上的真实系统往往是很难的(尺度维绎问题)