CN104699728B - 一种基于滑动窗口的生态交错带自动识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于滑动窗口的生态交错带自动识别方法，包括以下步骤：S1、利用土地覆被类型空间分布数据，制作一定尺度单元格网下不同土地覆被类型所占面积百分比的栅格数据；S2、利用滑动窗口对各类土地覆被栅格数据进行重新计算，将栅格数据中每一单元格的新属性值赋为其周围一定范围内所有单元格属性值的平均值，边界区域则为有效单元格属性值的平均值；S3、设定不同类型生态交错带内相关土地覆被类型的面积比例阈值；S4、根据设定的面积比例阈值，对各类型土地覆被面积比例数据进行计算判定，生成生态交错带类型和空间范围。本发明能有效获取生态交错带的类型和空间分布范围，从而为深入开展生态交错带研究和生态环境保护提供参考依据。

Description

一种基于滑动窗口的生态交错带自动识别方法

技术领域

本发明涉及土地覆被、生态环境研究和遥感、地理信息系统空间化技术领域。尤其涉及一种在土地覆被类型空间分布数据基础下，通过计算滑动窗口内不同土地覆被类型面积比例，进而结合有效的阈值参数进行生态交错带空间范围自动识别的技术方法。

背景技术

生态交错带是指相邻生态系统之间的过渡带，是生态系统结构和功能在时、空尺度上变化较快的区域，也是土地覆被类型交错区、生物多样性丰富区、全球变化敏感区，又称生态过渡带、生态脆弱带、景观交错带，相比其他地区来说，对全球气候变化具有“指示”和“预防”作用，也是全球变化及区域响应研究的关键区，是联合国第七届“人与生物圈计划”大会呼吁各国重点研究的Ecotone地带。随着全球气候变化和人为干扰活动的日益加剧，生态交错带在时间和空间上的异质性已经成为其普遍特征，自生态交错带提出以来，有关生态交错带的研究越来越引起国内外众多相关领域学者的广泛关注。通过对生态交错带的研究能够使人们更加深入地理解景观和生态系统格局与生态过程的关系，以及生态系统之间的相互作用和联系。

生态交错带空间范围判定是定量研究交错带生态学过程的基础。在空间尺度上，生态交错带出现在从生态区域到行政区划等各等级不同尺度水平，而且根据不同的尺度水平确立的生态交错带会有一定的差异。在时间尺度上，因气候变化、人为干扰等多种因素的作用，生态交错带的组成、空间结构、分布范围也会表现出随地表覆盖类型变化而变化的明显动态性。这些综合影响因素给生态交错带研究的开展带来了一定的困难。近年来，生态学界对交错带研究的重新关注和植被生态学的定量化研究热潮，最终推动了交错带定量判定技术的发展，研究生态交错带的判定方法在斑块尺度格局和动态、群落尺度种群统计和种群尺度异质种群的行为等研究中具有重要意义。

由于生态交错带本身的复杂性、定量研究生态交错带目前缺乏公认的原理和方法，对其范围、宽度判定和动态变化研究一直处于不断的探索中。长期以来，对生态交错带的研究主要基于定性的描述、传统地理界定等比较笼统的方面，这显然是不全面的，尤其对不断变化的交错区域的描述有可能会存在一定错误，这些都在一定程度上制约着生态交错带的深入研究。

生态交错带最为明显的特征是植被的变化，包括植物种类组成和植被结构的变化。最容易定义的生态交错带是空间位置上植被种类组成发生突然变化的地段。目前判定生态交错带空间范围的方法主要是边缘检测滤波方法，即计算相邻栅格(如3×3移动窗口)的导数来判定生态交错带范围，然而基于一次滤波的方法仅能够提取出相邻生态系统之间边界的所在。基于二次导数检测滤波技术则可以获取生态交错带位置和范围，这些滤波被称之为拉普拉斯滤波。然而拉普拉斯滤波对噪声非常敏感，计算量也非常大，因此在自动提取生态交错带空间范围时非常困难。

本专利提出了基于滑动窗口的生态交错带自动识别方法，是在土地覆被类型空间分布数据的基础上，通过滑动窗口内各种土地覆被类型面积比例的计算，结合通过大量调研得出的各种交错带不同土地覆被类型种类组成比例阈值，实现生态交错带的自动识别，试验证明，该方法在保证土地覆被类型数据精度的情况下能真实反映出生态交错带范围的空间分布情况。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何根据已有的土地覆被类型空间分布数据，在借助空间分析技术的基础上，有效实现不同类型生态交错带空间分布范围的自动识别。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于滑动窗口计算不同土地覆被类型面积比例，进而结合不同类型生态交错带阈值参数自动识别生态交错带空间范围的方法，具体包括以下步骤：

S1、利用土地覆被类型空间分布数据，制作一定尺度单元格网下(如1km*1km)不同土地覆被类型所占面积百分比的栅格数据。

S2、利用滑动窗口对各类土地覆被栅格数据进行重新计算，将栅格数据中每一单元格的新属性值赋为其周围一定范围内(如矩形范围下5*5个单元格)所有单元格属性值的平均值，边界区域则为有效单元格属性值的平均值。计算公式为：

式中，V_k表示滑动窗口范围内中心单元格属性值，V_i表示滑动窗口内第i个单元格属性值，n表示窗口中包含的有效单元格个数。根据研究区范围大小和对交错带识别的精细程度不同可以设置不同形式、不同大小的滑动窗口。

S3、设定不同类型生态交错带内相关土地覆被类型的面积比例阈值。

S4、根据设定的不同类型生态交错带内相关土地覆被类型的面积比例阈值，在步骤2获取的新的各类型土地覆被数据的基础上进行计算判定生态交错带类型。由于不同生态交错带中各土地覆被类型所占比例不同，当某一土地覆被类型所占面积比例大于相关阈值，则将该单元格视为其单一类型区，即非生态交错带；当各类型所占面积比例满足某一类生态交错带的阈值区间时则将该单元格判定为该类型生态交错带。

其中，步骤S1中所利用的土地覆被数据的精度直接影响着该方法对生态交错带的判定识别，根据不同的研究精度要求，可以制作不同尺度的土地覆被类型空间分布栅格数据。

步骤S2中所选用的滑动窗口形状和范围也可以根据要求进行调整，计算效果和单元格个数只针对具有有效属性值的区域。该步骤中的滑动窗口栅格计算可以使用ArcGIS软件Workstation grid环境下的Focalmean函数实现。

步骤S3中的比例阈值可根据多次实验结果的对比分析进行调整，例如：识别对象为农、林、牧交错带时，会有四种交错带(林牧、农牧、农林和农林牧交错带)，此时，在计算比例时所涉及的单元格网内相关类型面积比例，即为耕地、林地和草地三种土地覆被类型面积占总面积的比重。

步骤S4中的生态交错带类型判定也可以在ArcGIS软件Workstation grid环境下实现，比例计算和条件判断可选用相关函数进行计算。

(三)有益效果

本发明是在土地覆被类型空间分布数据的基础上，基于滑动窗口计算不同土地覆被类型面积比重，进而结合有效的阈值参数自动识别判定生态交错带类型，试验证明，该方法能真实反映出相关生态交错带的空间分布情况。

附图说明

图1是本发明的技术方法流程图；

图2是研究区2005年不同土地覆被类型(耕地、林地、草地)单元网格面积比例分布图；

图3是经滑动窗口(20km*20km)重新计算生成的不同土地覆被类型单元格网面积比例分布图；

图4是研究区2005年不同生态交错带类型空间分布图；

具体实施方式

下面结合附图和实例，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用于限制本发明的范围。

实例以中国东北和华北地区为研究试验区，以2005年的土地覆被类型空间分布数据为基础，基于本发明提出的滑动窗口法进行研究区内不同生态交错带类型的自动识别。

如图1所示，实例依据本发明步骤包括以下流程：

首先，利用研究区2005年的土地覆被类型空间分布数据，制作1km*1km单元格网内不同土地覆被类型所占面积百分比栅格数据(图2)；然后确定各土地覆被类型在不同类型生态交错带内的阈值参数。本实例以10％-80％为关键阈值，如表1所示：

表1各土地覆被类型在不同类型生态交错带内的比例阈值

注：A为农田面积比例；F为林地面积比例；G为草地面积比例

不同生态交错带中各土地覆被类型所占面积比例不同。当某一土地覆被类型所占比例较大(大于相关阈值)，则将该单元格视为其单一类型区，即非生态交错带；当各类型所占比例满足某一类生态交错带的阈值区间时则将该单元格判定为该类型生态交错带。本实例中所采用的阈值参数是借助生态交错带传统边界设定的，各土地覆被类型在不同生态交错带内的比例界定是确定生态交错带的关键环节。针对不同研究区，可在表1的基础上通过反复对比分析实验结果的精度和可靠性进行修改。

其次，利用滑动窗口平滑法，对各类土地覆被栅格数据进行重新计算。本实例设置的滑动窗口大小为20km*20km，计算时将栅格数据中每一单元格的新属性值赋为其周围20km*20km所有单元格属性值的平均值，边界区域则为有效单元格属性值的平均值。本实例利用ArcGIS软件Workstation grid环境下的Focalmean函数进行滑动窗口栅格计算，获得新的不同土地覆被类型(耕地、林地、草地)单元格网面积比例分布图(图3)。滑动窗口的大小可根据实际情况进行调整，一般情况下，滑动窗口越小，重新计算后获得的不同土地覆被类型面积比例分布越破碎。

最后，借助表1中的阈值参数在上步中获得的新土地覆被类型单元格网面积比例数据基础上再次进行栅格运算，获得2005年研究区内农林牧、林牧、农牧和农林四类生态交错带空间分布图(图4)。本步骤是利用ArcGIS软件Workstation grid环境下的相关栅格运算函数实现的，主要通过栅格计算并依据表1的比例判定，识别农林牧、林牧、农牧和农林四类生态交错带的空间范围。

由于生态交错带的分布与当地的土地覆被类型具有直接相关性，在遥感空间分析技术的基础上，借助较高精度的土地覆被类型空间分布数据进行生态交错带类型和范围的自动识别具有较高的可靠性。实现生态交错带类型和范围的自动识别对生态学领域进行生态交错带的研究具有重要的现实意义。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变形，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (5)

1.一种基于滑动窗口的生态交错带自动识别方法，包括以下步骤：

S1、利用土地覆被类型空间分布数据，制作一定尺度单元格网下不同土地覆被类型所占面积百分比的栅格数据；

S2、利用滑动窗口对各类土地覆被栅格数据进行重新计算，将栅格数据中每一单元格的新属性值赋为其周围一定范围内所有单元格属性值的平均值，边界区域则为有效单元格属性值的平均值；

S3、根据区域土地覆被类型特点，设定不同类型生态交错带内相关土地覆被类型的面积比例阈值；

S4、根据设定的不同类型生态交错带内相关土地覆被类型的面积比例阈值，对利用滑动窗口获取的新的各类型土地覆被面积比例数据进行计算判定，相关土地覆被类型面积比例满足不同条件则判定为相对应类型的生态交错带。

2.如权利要求1所述的一种基于滑动窗口的生态交错带自动识别方法，其特征在于，步骤S1中所述的土地覆被类型依据不同分类体系略有差异，生态交错带类型和范围的识别过程主要依据一级土地覆被类型实现对不同类型生态交错带范围的判定。

3.如权利要求1所述的一种基于滑动窗口的生态交错带自动识别方法，其特征在于，步骤S2中利用滑动窗口对各类土地覆被类型空间分布栅格数据重新计算，计算的方法为将栅格数据中某一单元格的新属性值赋为其周围一定范围内所有单元格属性值的平均值，边界区域则为有效单元格属性值的平均值，计算公式为：

式中，V_k表示滑动窗口范围内中心单元格属性值，V_i表示滑动窗口内第i个单元格属性值，n表示窗口中包含的有效单元格个数。

4.如权利要求1所述的一种基于滑动窗口的生态交错带自动识别方法，其特征在于，所述一定范围内为矩形范围下5*5个单元格。

5.如权利要求1所述的一种基于滑动窗口的生态交错带自动识别方法，其特征在于，步骤S3中所述的基于设定的不同类型生态交错带内相关土地覆被类型的面积比例阈值来判定生态交错带的类型和空间范围，不同类型生态交错带内相关土地覆被类型的面积比例阈值可根据实际情况有所变化。