基于3S达里诺尔国家级自然保护区景观格局演变及监控技术的研究

摘要

论文依托“草型湖泊内源性营养物质负荷与沼泽化效应的研究”（国家自然科学基金项目，批准号：30560029，2006～2008)和“浅水草型湖泊沼泽化安全决策分析的研究”（教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目，批准号：20060129006，2007～2009)项目。
　　本论文取得如下研究成果：
　　(1)建立了达里诺尔国家级自然保护区地理信息系统包括：景观格局演变、湿地信息、牧户草场信息、林业信息、GPS动态监控等模块，在该平台上对景观演变进行生态学空间分析，实现保护区数字化管理和动态监控。
　　(2)利用基于LM算法的BP神经网络技术和最大似然法实现一级景观自动分类，基于LM算法BP网络分类混淆矩阵分类精度为90.71％、 Kappa系数：0.8781，最大似然法分类混淆矩阵分类精度为86.59%、Kappa系数：0.8132。
　　(3)利用1995、2000、2004～2009年TM影像获取了15年间的保护区水域面积变化，结果表明：1995～2009年湖泊面积由24670hm2减少至21800hm2，面积减少了2335hm2，水域面积减小的原因除自然因素影响外，放牧制度和工矿用水是主要原因。
　　(4)通过1995、2000、2004、2008年4期TM影像数据获取了保护区景观类型及动态变化特征：禾草草原景观、湖泊湿地景观和沙地景观是整个研究区的优势景观类型，禾草草原是整个景观的主要基质。1995～2008年，二级景观变化幅度较大的是：盐碱滩景观，增加了3564 hm2，湖泊湿地景观减少了2335 hm2；动态度最大的是沙地低覆盖草原景观，动态度为29.78%，沙地中覆盖草原景观动态度为8.56%。
　　(5)1995～2008年斑块密度指数由0.5702增加到0.5793，边缘密度由27.6743增加到27.8410，最大斑块指数由41.9764减小到28.8060，面积加权指数由1.2191减少到1.2011，景观蔓延度在58～61之间，说明该区景观团聚程度适中，多样性指数由1.6743增加到1.6909，均匀度指数由0.6039增加到0.6244，优势度指数由2.3257减少到2.3091，表明整个景观斑块向小型化发展，景观破碎化程度加剧，景观异质性更加明显。
　　(6)依据空间统计学定量分析景观格局三维变化。高程1级（1230～1260m）区域面积占总面积60.2%，主要景观禾草草原景观、湖泊湿地景观的面积是29285 hm2、22132 hm2，1995～2008年变化较大的是高程1级的禾草草原景观、湖泊湿地景观演变为盐碱滩景观的面积分别为2175 hm2、1396 hm2，说明该区景观总体上的退化状态，高程2、3、4、5级区域景观变化不明显。
　　坡度1级（<3°）区域面积占保护区面积90.46%，主要的景观为禾草草原景观、湖泊湿地景观和沙地景观，面积分别为47223 hm2、22325 hm2和12268hm2。坡度1级地区地势平坦，景观类型的相互转化较为频繁，主要是湖泊湿地景观、禾草草原景观分别减少了2334 hm2、1088 hm2，盐碱滩景观面积增加了3553hm2，应加强防治坡度3度以下地区的沙化和盐碱化现象。
　　阳坡（顺时针90～270°）、阴坡（0～90°，270～0°）区域面积分别占保护区面积41.1%、6.50%，阳坡上的景观类型之间的转化面积3441 hm2，阴坡的景观类型之间的转化面积为453 hm2，阳坡上的景观类型之间的相互转换幅度大于阴坡，即阳坡上的生态环境的变化强度大于的阴坡。
　　(7)1995～2008年，达里诺尔自然保护区功能区景观格局演变情况：
　　核心区：宝音图柳灌丛湿地核心区主要是沼泽草甸景观向禾草草原景观转变131 hm2。沙里河河口湿地核心区主要是沼泽草甸向禾草草原景观转变49 hm2，禾草草原景观向盐碱滩景观转变54 hm2，其余核心区均无明显变化。
　　缓冲区：缓冲区1、缓冲区3主要是湿地景观向禾草草原景观转变，转化面积分别为158 hm2、16 hm2；缓冲区2无变化；
　　试验区：达尔罕山旅游区湖泊水域湿地景观向沼泽草甸景观转变39 hm2，湖泊水域湿地景观向盐碱滩景观转变47 hm2；凤凰嘴旅游区主要是湖泊水域湿地景观向盐碱滩景观转变116 hm2，其余旅游区均无变化。
　　(8)通过无线网络实现GPS设备和保护区GIS平台的无缝集成，定制、开发集成GPS功能的智能巡检手机，通过后台程序控制GPS搜索卫星状态的开启与关闭，保障手机可以长时间处于定位待机状态，实现巡检人员利用手机野外采样并实时回传多种格式采集数据的功能。
　　本论文创新点如下：
　　(1)基于3S从二维、三维两个方面定量研究1995～2008年达里诺尔自然保护区多种自然景观和人为景观的时空演变，同时在GIS平台上对保护区内的生产活动给保护区带来的人为扰动进行监控，全方位研究保护区景观格局的时空演变，为分析保护区景观演变及演变原因提供完整的基础数据，提高国家级自然保护区数字化管理水平。
　　(2)通过无线网络实现GPS设备和保护区GIS平台的无缝集成，定制、开发集成GPS功能的智能巡检手机，通过后台程序控制GPS搜索卫星状态的开启与关闭，保障手机可以长时间处于定位待机状态，实现巡检人员利用手机野外采样并实时回传多种格式采集数据的功能，为自然保护区小尺度景观的实时监测和科学管理提供一项实用技术。

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插图和附件清单

1 引言

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容、方法及技术路线

2 研究区概况

2.1 达里诺尔保护区地理位置

2.2 达里诺尔保护区主要保护对象

2.3 达里诺尔保护区功能区划

2.4 达里诺尔保护区水系

2.5 达里诺尔保护区气象

2.6 本章小结

3 基于神经网络的遥感卫星影像分类

3.1 达里诺尔保护区遥感卫星影像数据预处理

3.2 BP神经网络

3.3 利用ＭATLAB中实现达里诺尔保护区遥感影像分类

3.4 精度对比分析

3.5 本章小结

4 达里诺尔保护区景观格局演变分析

4.1 达里诺尔景观格局

4.2 景观类型水平上的景观格局指数分析

4.3 DEM的生成与景观格局变化分析

4.4 达里诺尔保护区功能区景观格局分析

4.5 达里诺尔保护区水域面积变化

4.6 本章小结

5 达里诺尔自然保护区地理信息系统

5.1 达里诺尔保护区地理信息系统基础

5.2 达里诺尔保护区地理信息系统

5.3 本章小结

6 达里诺尔保护区监控技术

6.1 GIS与GPS无缝集成技术研究

6.2 GPS监控平台

6.3 智能巡检终端

6.4 本章小结

7 结论与研究展望

7.1 主要结论

7.2 主要创新点

7.3 研究展望

致谢

参考文献

作 者 简 介