基于小波变换的生态环境空间尺度研究

论文摘要

生态环境系统是一个复杂非线性系统,“3S”技术的发展使这个复杂非线性系统的特性表达具有了定量化的数字特征。地理学宏观规律和生态学微观规律如何在海量的定量化信息数据中得到表达和体现,涉及到这些规律的存在前提—作用尺度问题。目前普遍存在于生态环境领域的区划过程中的专家经验冲突和不确定性问题、区划界限模糊或人为化问题都与尺度问题研究密切相关。尺度问题一直是生态环境研究相关领域的热点问题,本文从尺度表达对象、尺度研究采用的数据资料和尺度定量化研究方法三个方面对研究现状进行了综述,并对典型研究实例进行了细致的分析和评述。在此基础上提出尺度研究的重点不是定位于某个尺度上的生态环境规律本身,而是定位于多尺度下生态环境规律之间的联系或转化,进一步提出目前尺度研究存在的几个问题。在文献综述及对其分析评价的基础上确立了本论文的重点研究内容:以遥感数据为基本数据源,应用多分辨率数学工具——小波分析进行尺度上推,研究生态环境特征尺度的确定原则及其地学成因、生态环境参数的空间格局—尺度效应规律、生态环境参数之间相互关系的尺度效应、特征尺度下的生态阈值识别和划分、生态环境格局—尺度效应的时间响应五方面内容。最后以上述研究结论为基础,对生态环境尺度问题的内涵提出新见解,对生态环境尺度研究有待深化的方向和内容予以讨论。论文的主要结论与创新点如下:1)实现了生态环境空间尺度定量化分析将传统的时间-频率域的多分辨率分析方法成功引入生态环境的空间尺度研究领域,实现了具有空间属性数字信号的多尺度定量化分析。生态环境空间尺度定量化分析的技术方法为:以遥感数据和地面数字化信息为生态环境信息源,以小波多分辨率分析为尺度分析工具,将生态环境空间信息进行多尺度分解变换;进一步对多尺度信息进行空间统计分析,包括空间自相关系数分析、尺度方差分析和尺度信息熵分析,得到生态环境特征尺度值;更深入一层,在特征尺度结果之上,进行传统的数理统计分析,包括相关分析、偏相关分析和空间聚类分析,得到特征尺度下的生态环境阈值带,该阈值带可以直接应用于生态环境评价和生态环境规划的实际工作中。2)构建了生态环境尺度分析的相关标准体系生态环境尺度分析包括特征尺度和阈值带两个方面。特征尺度确定的标准为:以小波细节信息方差极大值的对应尺度+小波细节信息熵极大值的对应尺度为主要判定依据,同时辅以小波近似信息方差变化率出现极大值的对应尺度和小波空间自相关系数方差波动频繁的对应空间距离作为验证。特征尺度上下界限范围值由主要判定依据确定。生态环境阈值带划分标准:特征尺度上生态环境近似信息梯度值出现峰值;细节信息同时出现峰值;空间连续分布;阈值带宽度之低限值是特征尺度对应的像元数,高限值是相邻峰值+两侧二分之一峰值所对应的空间像元数;若高限值小于低限值,排除;若阈值带宽度大于相邻类型带宽度,排除。3)部分丰富了生态环境尺度的内涵在时间空间坐标系下以尺度作为度量单位,可以将生态环境具有宏观性质的地带性规律和微观的地表观测实验得到的点上规律统一定位,实现生态环境规律的定位度量。因此生态环境尺度架起了地理学宏观规律和生态学微观规律互相沟通的一座桥梁,在以尺度为定量度量工具的前提下,可以定量计算生态环境规律的不确定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 中文文摘
• 第1章 绪论
• 1.1 生态环境尺度问题的提出
• 1.2 生态环境尺度问题的研究进展
• 1.2.1 传统的生态景观尺度研究
• 1.2.2 地理尺度研究
• 1.2.3 空间信息多尺度研究
• 1.3 尺度研究的综合评价
• 1.3.1 尺度研究的本质
• 1.3.2 尺度研究目前存在的问题
• 1.4 本文重点研究内容
• 1.5 小结
• 第2章 生态环境尺度研究的基础理论与方法
• 2.1 等级理论（Hierarchy theory）与生态尺度
• 2.1.1 等级理论内涵
• 2.1.2 生态等级结构
• 2.1.3 等级结构—生态等级结构—生态尺度
• 2.2 区域分异理论与生态尺度
• 2.2.1 理论内涵
• 2.2.2 景观格局与尺度
• 2.3 有关空间信息的基础研究与尺度转换
• 2.4 多尺度（多分辨率）分析的数学方法——小波分析
• 2.4.1 小波函数
• 2.4.2 小波变换
• 2.4.3 多分辨率分析与Mallat算法
• 2.4.4 小波分析应用于地学领域中的可行性分析
• 2.5 研究技术路线
• 2.6 小结
• 第3章 研究区生态环境背景和数据资料
• 3.1 TM影像资料
• 3.2 生态环境地面调查资料
• 3.3 研究区生态环境背景状况
• 第4章 生态环境空间格局—尺度响应分析
• 4.1 研究的详细技术方案
• 4.1.1 研究样区和样带的选择
• 4.1.2 生态环境因子及其影响因子的选择
• 4.1.3 尺度转换方法
• 4.2 小波多分辨率尺度分析数据
• 4.3 生态环境因子特征尺度的确定原则分析
• 4.3.1 小波方差
• 4.3.2 空间自相关性分析
• 4.3.3 小波信息熵
• 4.4 生态环境因子的格局-尺度响应特征
• 4.4.1 NDVI格局-尺度响应特征
• 4.4.2 BRIGHTNESS格局-尺度响应特征
• 4.4.3 GREENESS格局-尺度响应特征
• 4.4.4 WETNESS格局-尺度响应特征
• 4.4.5 PC格局-尺度响应特征
• 4.4.6 SLOPE格局-尺度响应特征
• 4.4.7 DEM格局-尺度响应特征
• 4.4.8 不同生态样带的生态环境参数尺度响应特征对比分析
• 4.4.9 生态环境特征尺度的地学成因分析
• 4.5 生态环境参数相互关系的尺度响应特征
• 4.5.1 地理环境因子对生态因子作用的尺度响应特征
• 4.5.2 不同生态环境因子之间相关关系的尺度响应特征
• 4.5.3 同一种生态环境因子在尺度分解过程中其相关性分析
• 4.6 与尺度相关的生态环境阈值的确定原则及其应用
• 4.6.1 基于特征尺度上的生态环境阈值带划分原则
• 4.6.2 生态环境阈值带划分的数学方法
• 4.6.3 生态环境参数阈值带分析
• 4.6.4 特征尺度下生态环境综合阈值带划分
• 4.7 小结
• 4.7.1 特征尺度的度量参数和确定原则
• 4.7.2 生态环境因子的格局-尺度响应特征
• 4.7.3 生态环境因子相关关系的尺度响应特征
• 4.7.4 生态环境阈值带识别分析
• 第5章 时间对生态环境空间格局—尺度效应的影响分析
• 5.1 不同年份生态环境特征尺度的对比分析
• 5.1.1 基于小波方差上的特征尺度时间变化规律分析
• 5.1.2 基于小波信息熵的特征尺度随时间变化规律分析
• 5.2 不同年份生态环境参数相互关系的尺度效应对比
• 5.2.1 不同年份地理环境因子对生态因子作用的尺度响应特征对比分析
• 5.2.2 不同年份生态环境因子之间相关关系的尺度响应特征对比分析
• 5.3 小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 主要创新内容
• 6.3 有待深化研究的方向和内容
• 参考文献
• 攻读学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 索引
• 个人简历