Landscape Ecology:Coupling of Pattern,Process,and Scale

Landscape ecology provides new theoretical frameworks and methodologies for understanding complex ecological phenomena at multiple scales.Studies of landscape ecology focus on understanding the dynamics of eco-logical patterns and processes,and highlight the integration of multiple disciplines.In this paper,we discussed the problems and challenges that landscape ecology is currently facing,emphasizing the limitations of current methods used to describe dynamic landscape patterns and processes.We suggested that the focus should be on the integration of ground-based observation,mobile monitoring,transect survey,and remote-sensing monitoring,as well as improved coupling of experimental and model simulations.In addition,we outlined the research frontiers in landscape ecology,including scaling,integrated pattern and process modeling,and regional synthesis.Lastly,a brief review of pat-tern-process-scale coupling studies in China was provided.We concluded by pointing out that pattern-process-scale interactions,correlations between natural,economic,and social processes,and the coupling of human and natural systems will be major research areas in landscape ecology in the future.

景观尺度、过程及格局(LSPP)研究的内涵及特点

景观尺度、过程与格局(LSPP)及其相互作用是景观生态学研究的核心内容。在分析景观尺度及效应、景观生态过程、景观格局及变化的基础上,凝练出了LSPP一体化理念的主要特征,并探索了LSPP中各要素之间的耦合关系。研究表明:LSPP一体化具有一定的理论价值,景观时空尺度是LSPP的重要基础,LSPP体现了景观过程及其生态效应。景观生态研究所涉及的结构、功能、动态与LSPP一体化等的理论与应用问题,随着新时代生态环境的复杂化,在情景模拟技术、大数据挖掘技术,以及生态物联网等技术支撑下,促进了景观生态学机理研究与应用范式的拓展与深化,对于当前区域发展与生态文明建设具有重要指导意义。

基于大型物理模型试验的强降雨诱发全风化花岗岩滑坡失稳分析

随着极端天气的增多,极端强降雨诱发滑坡对人民生命财产安全造成重大威胁。以典型强烈风化花岗岩地区青岛崂山的7.23返岭前滑坡为实例,基于相似准则,采用大型滑坡模型试验箱,开展了3组不同极端降雨条件下的室内模型试验,分析了不同降雨强度条件下边坡对降雨入渗的响应规律、边坡变形过程与破坏模式,总结了强烈风化地区极端降雨诱发花岗岩类滑坡的诱发机理与降雨成灾过程。结果表明:①降雨诱发全风化花岗岩滑坡经历了浸润侵蚀、表层变形、破坏加深和整体失稳4个阶段,坡体呈现“片状溜滑”特征;②降雨强度越大,降雨入渗速率越高,土压力、孔隙水压力和含水率变化越快,滞后效应越弱;③坡体变形破坏与降雨入渗具有一定的空间分布规律,研究成果可为强烈风化花岗岩地区的滑坡预警与治理提供参考。

成都市景观格局对大气污染物影响研究

本文以成都市中心城区为研究区域,探究成都市景观格局与大气污染物之间的尺度效应与相互关系。结果表明:①2015—2021年成都市大气污染物质量浓度显著下降,各污染物质量浓度存在明显的空间分异和季节差异,CO、NO_(2)、PM_(2.5)、PM_(10)、SO_(2)生长季污染物质量浓度高于非生长季,O_(3)生长季污染物质量浓度低于非生长季;NO_(2)、PM_(10)、PM_(2.5)分布热点主要位于城市中心,而CO、O_(3)、SO_(2)分布热点向郊区偏移。②成都市的主要景观斑块类型为林地、耕地和建设用地,林地呈外环聚集,城市中心分散的分布格局,耕地主要分布在绕城高速外围,建设用地斑块聚集化明显,连接程度高,呈现出由城市中心向外密度逐渐降低的分布特征。③景观格局对大气污染物的影响具有尺度效应,其最佳尺度受到大气污染物扩散能力的影响。城市中各类型斑块对大气污染物影响复杂,具有选择性、方向性、差异性,景观指数中斑块面积比例(PLAND)、优势斑块(LPI)、分布密度(PD)、连接聚集程度(AI)和斑块形状(LSI)在生长季对PM_(10)和CO影响显著,但对NO_(2)、O_(3)无明显影响;在非生长季对CO和O_(3)影响显著,但对PM_(2.5)和PM_(10)无明显影响。

科尔沁沙地流动沙丘优势物种的点格局分析

植被恢复与重建在保护水土资源、防止生态退化和荒漠化扩大等方面发挥着重要作用,成为防治荒漠化的主要措施和方法。一定尺度内优势物种的格局反映了植被恢复的过程。通过在科尔沁沙地流动沙丘迎风坡底部建立了20 m×20 m样方,调查了流动沙丘3种优势物种的位置和高度信息,采用点格局分析的方法,对优势物种格局、过程与尺度的关系进行分析。经研究发现:沙蓬在该样方内,r<5 cm尺度上均匀分布,5 cm<r<50 cm尺度上表现为均匀分布与聚集分布交替出现的格局;狗尾草和差巴嘎蒿在0<r<50 cm尺度上表现为随机分布,但狗尾草在r=10 cm尺度上聚集分布和r=18 cm尺度上均匀分布。在r<5 cm尺度内,沙蓬和狗尾草表现为负相关,随着尺度的增大,出现正相关,但整体尺度以正相关为主且随着尺度增加相关性减弱。同质性条件下种子扩散模型不能解释沙蓬与狗尾草的空间格局,由于流动沙丘异质性较强,推测环境异质性是导致优势物种格局的主要原因。

土地利用结构与生态过程

本文从土地利用与土壤水分、土地利用与土壤养分、土地利用与水土流失 3个方面系统讨论了土地利用结构与生态过程研究的现状和特征 ,指出 :1 )土地利用结构对土壤水分的影响涉及生态系统、坡面、小流域和区域等系列尺度 ,土地利用的分布及景观特点影响土壤水分的时空变异 ;2 )土地利用对土壤养分的影响表现在土地利用的镶嵌格局影响土壤养分的分布和迁移 ,土地利用的变化可以引起土壤养分的变化 ;3)土地利用与水土流失关系密切 ,土地利用的改变能够减少或增加径流和土壤侵蚀。尺度不同 ,土地利用与水土流失的机制也不尽相同。土地利用结构与生态过程的研究 ,还需要注重大尺度和多尺度上的综合研究。

景观空间分析的特征和主要内容

在综合前人对景观空间格局与异质性 ,景观镶嵌动态 ,尺度、格局、过程相关等景观生态学基本原理的基础上 ,初步提出了景观空间分析的框架 ,认为 :景观空间分析主要包括景观空间形态分析、空间关系分析与空间构型分析 ,并对景观空间分析的特征及与一般空间分析之间的关系进行了探讨。

基于模式识别的景观格局分析与尺度转换研究框架

景观格局分析和尺度转换是生态学和地理学研究的核心问题之一。尽管多年来投入了大量的精力,然而由于尺度效应的复杂性和尺度转换过程的不确定性,仍然没有找到合适的方法。目前关于尺度转换的研究存在两个误区,其一是过分重视空间尺度的转换,忽略了过程尺度的转换;其二是过分强调了对不同尺度间数量关系的外推与转换,忽略了不同尺度间生态规律的外推与转换。在系统分析了景观格局与尺度转换研究现状、存在问题和难点的基础上,提出了借用模式识别的原理和方法,针对特定的生态过程,开展景观格局分析与尺度转换的思路。认为尺度转换的关键在于通过识别不同尺度上影响生态过程的主导因子,找到各个尺度上“格局(环境因子空间组合)-过程”、尺度间“格局-格局”之间的对应关系,通过建立“环境-格局-过程”模式识别数据库,就能够建立不同尺度之间基于模式识别的尺度转换方法。

地理尺度转换若干问题的初步探讨

大量研究证实, 地理学研究对象格局与过程及其时空特征均是尺度依存的, 随着研究工作的不断深入, 尺度问题越来越展示出其重要性。针对地理学各个分支学科都不同程度存在诸如概念模糊、转换模式不统一、转换效果评价缺乏客观标准等与尺度相关问题, 本文对一些有关尺度转换的议题进行了探讨。在评述了尺度及其转换研究的地理学意义后, 着重阐述了地理学尺度研究理论框架的内容和对象, 提出了地理科学中需要解决的 10个关键尺度问题, 并给出了初步的解决方案。

城市河流的景观生态学研究:概念框架

城市河流作为城市景观中一种重要的生态廊道,其功能的正常实现与否关系到整个城市的可持续发展。通过分析当前城市河流的研究概况,发现应用景观生态学原理对城市河流展开多尺度、多学科的综合研究是实现“自然-人类-水体”可持续发展的必然趋势。从景观生态学的角度出发,结合城市河流的特点,提出了更为综合的、景观水平上的城市河流研究的概念框架。特别针对景观生态学研究的核心问题,对城市河流的研究尺度、格局分析、干扰程度等重要方面进行了详细论述,以期在景观水平上构建城市河流的可持续发展预案。

北京地区一次重污染过程的大尺度天气型分析

对北京2000年11月的一次PM10重污染过程进行分析,以期进行造成PM10质量浓度增量的天气型诊断.结果表明:最不利于污染扩散的气象形势对应着PM10质量浓度增量最大,而不一定是PM10质量浓度达到最高的环境背景场;PM10质量浓度的峰值是逐步累积而成的.提出定义PM10质量浓度从谷值逐日累积到峰值而后重新下降到谷值的状态为一次环境污染过程.根据环境过程与天气型的诊断分析结果认为,PM10质量浓度变化与天气形势演变有较好的对应关系.PM10质量浓度在上升、达到峰值和下降阶段对应的天气形势分别为持续数日的大陆高压均压场、相继出现的低压均压区及锋后的高气压梯度场,其中持续存在的大陆高压均压场是造成重污染浓度累积的主要背景场.

景观格局与生态过程相互关系研究进展

景观格局的形成反映了不同的景观生态过程,与此同时景观格局又在一定程度上影响着景观的演变过程。空间格局、生态过程与尺度之间的相互关系是景观生态学研究的核心内容。本文对景观格局与生态过程的研究方法、景观格局与生态过程相互关系等方面的国内外研究进展进行了综述。最后分析了目前景观格局与生态过程相互关系研究中存在的问题与不足、未来的研究热点及发展趋势。

旅游景观生态系统理论

针对旅游业快速发展过程中旅游目的地人地关系日趋恶化的趋势,在景观生态学理论的基础上,较为系统地提出旅游景观生态系统的相关理论框架,借以辩明旅游地复杂的人地关系,为旅游地的可持续发展研究提供理论依据。在景观生态学中景观生态系统概念的基础上,探讨了旅游景观生态系统的概念框架,指出旅游景观生态系统是由旅游者、当地居民与其周围的自然环境,遵循相应的生态、经济与社会规律,相互作用相互影响所形成的,具有旅游功能的地域综合体。进而重点讨论了尺度、格局、功能与变化等旅游景观生态系统研究的基本问题,强调辨析旅游景观生态系统格局与功能变化的影响因素及其相互作用机制是研究的重点,是为制止或逆转系统的不良趋势以及制定适宜的优化途径的基础。阐述了格局-功能依存性与状态脆弱性等旅游景观生态系统的特性。

不同植物类群物种丰富度垂直格局分形特征的比较

格局和过程一直是生态学的核心问题,该文应用“非布朗运动随机分形”模型,在北京东灵山远离人为干扰地区的阴坡设置了两条宽2m的样带,描述和比较了暖温带落叶阔叶林区乔木、灌木、草本以及总的植物物种丰富度在不同尺度上沿海拔梯度变异特征,以及相关的生态过程。研究结果表明:1)直接梯度法刻画了植物物种丰富度在海拔梯度上的总体变化趋势,并不能从中获得更多的信息。“非布朗运动随机分形”模型揭示了不同尺度上物种丰富度的空间变化并能和生态过程相联系,研究表明该模型适合对乔木、灌木和草本植物物种丰富度的垂直梯度格局特征进行描述,但对总的植物物种丰富度有一定的局限性。2)乔木物种丰富度在海拔梯度上的变化主要受两种生态过程的控制,小尺度上分形维数接近于2,主要受独立的不具有长程相关的生态过程控制,呈近随机分布;大尺度上分形维数接近于1,主要受自相关范围大、具有长程关联特性的生态过程控制,随海拔上升呈近似单调下降的趋势。灌木和草本物种丰富度在海拔梯度上的变化主要受3种生态过程的控制,小尺度和大尺度上的特征与乔木相似;但在中等尺度上,分形维数接近于1.5,它们以近似布朗运动的形式变化。虽然乔木和灌木物种丰富度在海拔梯度上变化的尺度范围相似,但决定它们的主要生态过程完全不同,或相同的生态过程以截然不同的方式作用于两种不同的植物类群。总的植物物种丰富度在整个尺度范围内呈现标度不变性,这可能是由于决定其变化的生态过程作用尺度紧密相关,也可能因为该文研究范围的局限性。

毛乌素沙地景观格局变化研究

通过对毛乌素沙地不同时期的景观分类和制图以及景观格局计算 ,分析了 50年代到 90年代毛乌素沙地景观动态与景观格局变化的特征和模式。研究表明 ,50年代以来 ,毛乌素沙地景观发生了巨大变化 ,流动沙地、半固定沙地面积大幅度增加 ,固定沙地面积迅速减少 ,农田面积明显增加 ,草原、柳湾和盐湿低地等面积显著减少。50年代时 ,整个景观以流动沙地和固定沙地占优势 ,而 90年代 ,则以流动沙地占绝对优势。伴随着荒漠化的发展 ,各种景观要素类型之间相互转化 ,景观格局发生显著变化。固定沙地面积减少伴随着斑块的破碎化 ,大型斑块数量减少 ,小型斑块数量增加 ;流动沙地面积增加的同时 ,一方面 ,较小的斑块不断联合形成更多的大型斑块 ,另一方面 ,流动沙地不断向固定、半固定沙地内部渗透 ,形成更多的小型斑块 ,使整个景观更加破碎。不合理的人类活动是荒漠化扩展及景观格局发生显著变化的主要驱动因素。

特征提取与匹配算法在民族服饰图案上的应用研究

服饰图案包含某些象征意义,是传统服饰文化研究中的重要元素。将图像处理技术应用于民族服饰图案的特征提取时,尺度不变特征变换(SIFT)算法和快速鲁棒性尺度不变(SURF)算法是两类较典型的特征提取算法,它们在图像旋转、尺度变化、噪声干扰情况下具有较好的适应性。文章选取清代宫廷服饰中具有代表性的图案作为实验对象,用SIFT和SURF算法分别对该图像进行特征提取,用最优节点优先(BBF)算法确定特征点匹配点对,计算两种算法的正确匹配率和时间复杂度。实验结果表明,两种算法在服饰图案发生旋转、尺度变化、噪声干扰情况下均保持较高的特征匹配率,对从事网络中海量服饰图像数据自动化分类和检索方面的研究人员具有一定参考价值。

适用于复杂环境下的实时目标跟踪技术

针对复杂环境下目标跟踪过程中目标存在旋转、视角、尺度等变化以及噪声干扰的问题,提出了一种基于尺度不变特征与快速模板匹配相结合的目标跟踪技术;该技术通过分别提取预先存储模板和实时采集图像的尺度不变特征,建立初始模板;采用菱形搜索策略对模板的低分辨率子图和待跟踪图像的低分辨率子图进行快速互相关检测,根据检测结果在该帧高分辨率图像中建立紧凑ROI,在此区域内进行模板匹配,对目标进行精确定位;在目标跟踪的过程中采用自适应模板更新策略,以保证在目标发生变化时跟踪的稳定性;实验结果表明,该技术在稳定性、准确性和实时性等方面均优于传统方法。

一种识别气液两相流流型的新方法

根据图像灰度直方图统计特征,提出了一种基于图像处理和改进支持向量机相结合的气液两相流流型识别的新方法。该方法是应用高速摄像机在气液两相流试验台上获取7种典型流型的图像,经过图像处理,对图像进行灰度直方图统计特征提取构成特征矢量,作为流型样本对改进支持向量机进行训练与识别。实验结果表明:图像灰度直方图特征可以很好地反映各流型之间的差异;改进的支持向量机与原始的支持向量机相比分类性能好,运算时间短,网络识别率高达99.04%,为流型在线识别提供一种新的有效方法。

乡村景观格局特征及演变中的多尺度空间过程探索——以乌镇为例

城镇建设冲击并蚕食着乡村景观,使其风貌特征和地域美学逐渐丧失。从空间过程的角度研究乡村景观格局的特性与演变规律是对其进行保护与调控的基础。首先提出乡村景观格局演变的多尺度分析框架;其次以图式语言呈现了乡村古镇乌镇各尺度空间格局特征;最后分析了影响格局演变的多尺度空间过程。研究发现:自然生态过程是整体尺度上反映人们对人居安全和水患防范基本需求的主导过程;经济生产过程是复合尺度上促使乌镇交通与产业彼此适应与景观格局发展的主要动因;人文文化过程是单一尺度上使景观格局向着人的意愿与需求呈现地方特征的主要驱动。研究结论对制定乡村景观多尺度保护、恢复、维护和提升策略具有启发作用。

基于观测窗的大蒜鳞芽朝向识别研究

为了解决大蒜自动种植面临的鳞芽朝向识别问题,提出了一种数字图像技术识别的方法来处理这一问题。对蒜瓣样本图像进行形态学处理,采用一种观测窗的方法来识别定位蒜瓣的尖角位置,结合质心的位置得出蒜瓣的偏角;基于类内离散度的思想,将观察窗口改进为自适应大小,300个样本实验的正确个数为278,正确率达到92.67%。为大蒜的自动化种植提供了一种新的高效的解决方案。