CN105022932B - 一种基于水生态功能的流域分区方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于水生态功能的流域分区方法，所述方法包括：建立流域水生态功能的指标数据库；生成一级分区图层；生成二级分区图层；以及生成流域水生态功能分区图；本发明实现了对于流域水生态功能进行针对性的分区保护的有益效果。

Description

一种基于水生态功能的流域分区方法

技术领域

本发明涉及计算机图像处理领域，尤其涉及对于流域水生态功能相关数据的处理方法，特别涉及一种基于水生态功能的流域分区方法。

背景技术

流域水生态系统的特征由自然因素和人文因素共同作用而形成，其中人类活动的影响深远而强烈。对流域水生态系统形成的自然与人文基础条件进行分析，是开展流域水生态功能分区以及流域水生态环境综合管理的基础。社会经济的发展和人口的急剧增加，给区域水资源造成了巨大的压力，区域水资源供需矛盾加剧，河流水体质量恶化，造成区域一定程度的水质型缺水。水功能区划是通过对水资源和水生态环境现状的分析，根据国民经济发展规划与江河流域综合规划的要求，将江河湖库划分为不同使用目的的水功能区，并提出保护水功能区的水质目标。水功能区划采用两级体系，即一级区划和二级区划。一级功能区分4类，即保护区、保留区、开发利用区和缓冲区；二级功能区划是在一级功能区中的开发利用区进行，分7类，包括饮用水源区、工业用水区、农业用水区、渔业用水区、景观娱乐用水区、过渡区和排污控制区。

由于主要产业类型由农业转变为工业，人口数量急剧增加，使得流域农业用水量从上游至下游逐渐减少，而流域工业用水量和居民生活用水则由上游至下游逐渐增多。由于诸多的自然和人为因素，导致流域污染日益加剧，如果不采取措施，必将影响社会和经济的发展，危及水资源的可持续利用。虽然目前已有大量有关流域的研究，但很少从社会、经济、生态各个层面全面、统筹地进行综合分析，对于流域水环境基准技术的制定也少有探索，流域水生态功能与水环境质量的分区、分类管理与保护不足。因此，需要引入国内外先进的水生态管理技术和最新的水生态研究科技成果，在充分认识流域水生态系统特征空间分异的基础上，通过水生态功能分区，为流域水生态功能保护、水环境治理及流域管理提供科技支撑，并将其经验用于指导和推动其它类似地区的水生态保护工作。目前，虽然有技术涉及生态分区，还有技术涉及主体功能分区。但是现有技术中从未涉及基于水体的特征及流域内陆域与水域之间的关联性进行分区的方法。

发明内容

为了解决前述的体现流域陆地对水体的生态服务功能差异的技术问题，本发明提出了一种基于水生态功能的流域分区方法，所述方法包括：建立流域水生态功能的指标数据库，所述指标数据库中存储有表征产水能力和速度的一级分区指标，同时存储有影响入水物质数量和性质的二级分区指标；根据一级分区指标、集水区图层、行政区图层生成一级分区图层；根据二级分区指标、一级分区图层、集水区图层、行政区图层生成二级分区图层；基于一级分区图层和二级分区图层生成流域水生态功能分区图。

优选地，根据一级分区指标、集水区图层、行政区图层生成一级分区图层包括：对所有一级分区指标进行空间标准化和无量纲化处理，并对经空间标准化处理和无量纲化处理的所有一级分区指标进行指标综合及归一化处理，以获得一级分区综合指标；基于一级分区综合指标，计算集水区图层中每一集水区中的一级分区综合指标平均值，根据计算得到的多个一级分区综合指标平均值显示的明显差异性格局，沿所述格局边缘的集水区边界线进行矢量化处理，生成一级分区初步界线；参照行政区图层中的县级行政区边界，对一级分区初步界线进行调整，当一级分区初步界线中的某一子界线与相对应的县级行政区边界不一致时，以距离集水区图层中的集水区界线垂直距离最短的县级行政区边界替换所述某一子界线。

优选地，所述对所有一级分区指标进行空间标准化和无量纲化处理包括：定义L₁×W₁像元对流域进行重采样以达到空间标准化，在重采样过程中，对每个新像元中的所有一级分区指标重新进行赋值：其中，C_a为新像元中某一级分区指标的重采样值，a_i为新像元中某一级分区指标的第i个数值所占面积，C_i为新像元中某一级分区指标第i个数值，m为新像元中包含的某一级分区指标的数值个数，m≥1，1≤i≤m；C_s＝(C_a-C_amin)/(C_amax-C_amin)，其中C_s为新像元标准化之后的数值，C_amax和C_amin分别为新像元重采样后在流域中的最大值和新像元重采样后在流域中的最小值。

优选地，所述指标综合及归一化处理为等权重叠加，W_qt＝(P/T)+NDVI+E，其中W_qt为一级分区指标综合指数，P和T分别为年平均降水量和年平均气温，NDVI是归一化植被指数，E为根据所述地表数字高程计算得出的像元平均海拔。

优选地，根据二级分区指标、一级分区图层、集水区图层、行政区图层生成二级分区图层包括：对多个二级分区指标中的每一个进行空间标准化和无量纲化处理，并对经空间标准化处理和无量纲化处理的所有二级分区指标进行指标综合及归一化处理，以获得二级分区综合指标；在已经产生的一级分区图层中，基于所述二级分区综合指标，计算集水区图层中每一集水区中的二级分区综合指标平均值，根据计算得到的多个二级分区综合指标平均值显示的明显差异性格局，沿所述格局边缘的集水区边界线进行矢量化处理，生成二级分区初步界线；参照流域内县级行政区边界，对二级分区格局界线进行调整，当二级分区界线与其所在区域的县级行政区边界不一致时，采用距离集水区界线垂直距离最短的县级行政区界限为二级分区界限。

优选地，所述对每个二级分区指标进行空间标准化和无量纲化处理包括：定义L₂×W₂像元对流域分区指标进行重采样，在重新采样过程中，对每个新像元中各个二级指标参数进行重新赋值：其中，D_a为新像元中某二级分区指标的重采样值，b_j为新像元中某二级分区指标第j个数值所占面积，D_j为新像元中某二级分区指标第j个数值，n为新像元中包含的某二级分区指标的数值个数，n≥1，1≤j≤n；对所述D_a进行无量纲化处理：D_s＝(D_a-D_amin)/(D_amax-D_amin)，其中D_s为新像元标准化之后的数值，D_amax和D_amin分别为新像元重采样后在流域中的最大值和新像元重采样后在流域中的最小值。

优选地，所述指标综合及归一化处理为等权重叠加，Z_k＝Value Hyd+Str+Slope，其中Z_k为第二级分区综合指标，ValueHyd为植被水文调节与过滤净化生态服务价值，Str为土壤粘粒含量百分比值，Slope为坡度值。

本发明提出的基于水生态功能的流域分区方法，实现了对于流域水生态功能进行针对性的分区保护。

附图说明

图1示出了根据本发明优选实施例的基于水生态功能的流域分区方法的流程图。

具体实施方式

下文将结合本发明的附图一起提供对本发明优选实施例的详细描述。结合这样的实施例描述本发明，但是本发明不限于实施例。本发明的范围仅由权利要求书限定，并且本发明涵盖诸多替代、修改和等同物。在下文描述中阐述诸多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。出于示例的目的而提供这些细节，并且无这些具体细节中的一些或者所有细节也可以根据权利要求书实现本发明。

图1示出了根据本发明优选实施例的基于水生态功能的流域分区方法的流程图。如图1所示，本发明提出的分区方法包括：建立流域水生态功能的指标数据库；生成一级分区图层；生成二级分区图层；以及生成流域水生态功能分区图。

具体地，首先，建立流域水生态功能的指标数据库。所述指标数据库中存储有表征产水能力和速度的一级分区指标，同时存储有影响入水物质数量和性质的二级分区指标。本发明提出的分区方法通过计算机网络系统实现，所述系统也包括空间数据库，所述空间数据库存储有与流域相关的集水区图层、行政区图层。所述空间数据库还存储有所述分区方法执行过程中产生的一级分区图层以及二级分区图层。

接着，根据一级分区指标、集水区图层、行政区图层生成一级分区图层。所述一级分区指标用于表征产水能力和速度。该步骤具体包括：对所有一级分区指标进行空间标准化和无量纲化处理，并对经空间标准化处理和无量纲化处理的所有一级分区指标进行指标综合及归一化处理，以获得一级分区综合指标。其中空间标准化处理的目标是使得所有的分区图层统一像元大小，同时不同指标在亚像元尺度空间匹配。无量纲化处理的目标是通过采用归一化处理，使得不同分区指标之间具有可比性。所述对所有一级分区指标进行空间标准化和无量纲化处理的具体做法是，以高精度图层对各指标图层进行精几何校正。例如分别定义长度为L₁米、宽度为W₁米(优选80×80m²)的像元对流域进行重采样以达到空间标准化，在重采样过程中，由于每个新像元中有可能包括某一级分区指标的m(m≥1)个不同数值，每个不同数值在新像元中所占据的面积不同。因此根据公式(1)对每个新像元中的所有一级分区指标重新进行赋值，对经空间标准化的数据采用公式(2)进行无量纲化处理：

$C_a=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}\frac{a_i}{L_1\×W_1}{C}_i---\left(1\right),$

其中，C_a为新像元中某一级分区指标的重采样值，a_i为新像元中某一级分区指标的第i个数值所占面积，C_i为新像元中某一级分区指标第i个数值，m为新像元中包含的某一级分区指标的数值个数，1≤i≤m；

C_s＝(C_a-C_amin)/(C_amax-C_amin) (2)，

其中C_s为新像元标准化之后的数值，C_amax和C_amin分别为新像元重采样后在流域中的最大值和新像元重采样后在流域中的最小值。

在本发明优选实施例中，所述一级分区指标包括归一化植被指数NDVI、地表数字高程指数DEM和降水/温度指数P/T。结合公式(3)分别对NDVI、DEM和P/T三个一级分区指标进行标准化及归一化处理，所述指标综合及归一化处理为等权重叠加，对各个一级分区指标的空间分异特征进行研究。在判断流域中上述因子在维持水资源数量及其时间分配特征功能过程中，P/T值愈大、NDVI数值愈高、海拔高程愈高的区域，被认为是对流域水资源量贡献愈大的区域，也是应该尽量减少开发利用的区域。据此，对一级分区指标的水生态功能指标综合如下：

W_qt＝(P/T)+NDVI+E (3)，

其中W_qt为一级分区指标综合指数，P和T分别为年平均降水量和年平均气温，NDVI是归一化植被指数，E为根据DEM计算得出的像元平均海拔。

基于一级分区综合指标，计算集水区图层中每一集水区中的一级分区综合指标平均值，根据计算得到的多个一级分区综合指标平均值显示的明显差异性格局，沿所述格局边缘的集水区边界线进行矢量化处理，生成一级分区初步界线。参照行政区图层中的县级行政区边界，对一级分区初步界线进行调整，当一级分区初步界线中的某一子界线与相对应的县级行政区边界不一致时，以距离集水区图层中的集水区界线垂直距离最短的县级行政区边界替换所述某一子界线。即采用自上而下的划分方法，采用以综合指标为主要依据确定分区界线的方法，具体过程如下：

1)在对一级分区综合指标的空间异质性进行分析的基础上，以一级分区综合指标所反映的流域空间分异格局为准，参照三个一级分区指标的空间异质性格局，沿格局的边界线进行矢量化处理，生成一级分区初步界线。

2)在界线绘制生成过程中，为保证子流域的完整性，需要参照各子流域的集水区界线，对一级分区初步界线进行微调整。其中调整界线时的主要依据，以格局界线与集水区界线垂直距离最短为准。

3)对经调整后的一级分区初步界线，采用流域水生态系统野外调查数据和历史资料文献等进一步进行区域差异性验证，以验证结果为基础对界线再重新进行一次优化，直至制定出最为合理的一级分区界线；

4)根据一级分区界线命名和编码的原则制定出一级分区名称和代码。

然后，根据二级分区指标、一级分区图层、集水区图层、行政区图层生成二级分区图层。所述二级分区指标用于表征影响入水物质数量和性质。该步骤具体包括：对多个二级分区指标中的每一个进行空间标准化和无量纲化处理，并对经空间标准化处理和无量纲化处理的所有二级分区指标进行指标综合及归一化处理，以获得二级分区综合指标。其中空间标准化处理的目标是使得所有的分区图层统一像元大小，同时不同指标在亚像元尺度空间匹配。无量纲化处理的目标是通过采用归一化处理，使得不同分区指标之间具有可比性。所述对每个二级分区指标进行空间标准化和无量纲化处理的具体做法是。例如分别长度为L₂米、宽度为W₂米(优选80×80m²)的像元对流域分区指标进行重采样，在重新采样过程中，由于每个新像元中有可能包括某二级分区指标的n(n≥1)个不同数值，每个不同数值在新像元中所占据的面积不同。因此根据公式(4)对每个新像元中各个二级分区指标进行重新赋值，对经空间标准化的数据采用公式(5)进行无量纲化处理：

$D_a=\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{b_j}{L_2\×W_2}{D}_j---\left(4\right),$

其中，D_a为新像元中某二级分区指标的重采样值，b_j为新像元中某二级分区指标第j个数值所占面积，D_j为新像元中某二级分区指标第j个数值，n为新像元中包含的某二级分区指标的数值个数，1≤j≤n；

对所述D_a进行无量纲化处理：

D_s＝(D_a-D_amin)/(D_amax-D_amin) (5)，

其中D_s为新像元标准化之后的数值，D_amax和D_amin分别为新像元重采样后在流域中的最大值和新像元重采样后在流域中的最小值。

在本发明优选实施例中，所述二级分区指标包括植被水文调节能力价值Hyd、土壤粘粒含量比值Str、坡度值Slope。结合公式(6)分别对Hyd、Str和Slope三个二级分区指标进行标准化及归一化处理，所述指标综合及归一化处理为等权重叠加。在一级分区的基础上，对各个二级分区指标的空间分异特征进行研究。据此，对二级分区指标的水生态功能指标综合如下：

Z_k＝Hyd+Str+Slope (6)，

其中Z_k为二级分区指标综合指数，Hyd为植被水文调节与过滤净化生态服务价值，Str为土壤粘粒含量百分比值，Slope为坡度值。

在已经产生的一级分区图层中，基于所述二级分区综合指标，计算集水区图层中每一集水区中的二级分区综合指标平均值，根据计算得到的多个二级分区综合指标平均值显示的明显差异性格局，沿所述格局边缘的集水区边界线进行矢量化处理，生成二级分区初步界线。参照流域内县级行政区边界，对二级分区格局界线进行调整，当二级分区界线与其所在区域的县级行政区边界不一致时，采用距离集水区界线垂直距离最短的县级行政区界限为二级分区界限。即采用自下而上与自上而下相结合的方法进行二级分区界线的确定,具体过程如下：

1)参照一级分区图层，分析二级分区综合指标的空间异质性，以二级分区综合指标所反映的流域空间分异格局为准，参照三个一级分区指标的空间异质性格局，沿格局的边界线进行矢量化处理，生成二级分区初步界线。

2)在界线绘制生成过程中，为保证子流域的完整性，需要参照各子流域的集水区界线，对二级分区初步界线进行微调整。其中调整界线时的主要依据，以格局界线与集水区界线垂直距离最短为准。

3)对经调整后的二级分区初步界线，采用流域水生态系统野外调查数据和历史资料文献等进一步进行区域差异性验证，以验证结果为基础对界线再重新进行一次优化，直至制定出最为合理的二级分区界线；

4)根据二级分区界线命名和编码的原则制定出二级分区名称和代码。

最后，基于一级分区图层和二级分区图层生成流域水生态功能分区图。即对一级分区图层和二级分区图层进行叠加运算以生成流域水生态功能分区图。

在本发明优选实施例中，根据如下方法确定一级分区指标和二级分区指标：选取对流域水生态系统中水量供给和水质调节能力有直接或间接影响的陆地生态系统特征参数，作为备选指标。以所述备选指标为自变量，以流域水生态系统的特征参数作为因变量，采用典范对应分析方法对所述备选指标进行排序。对排序结果按照累计贡献率≥90％的标准确定应予以保留的排序轴数量，依据此标准保留第一排序轴和第二排序轴。排序结果中第一轴综合反映流域水生态系统最高级别的特征差异，第二轴综合反映流域水生态系统次高级别的特征差异。以排序结果为依据，进行一级和二级指标筛选。为此在第一轴上选择前三个投影最大的、能够影响产水能力和速度的指标作为流域内最高级别特征差异的表征指标，即一级分区指标。而把在第二轴上除去一级指标之外的、投影最大的、能够影响入水物质数量和性质的前三个指标作为流域内次高级别特征差异的表征指标，即二级分区指标。

本发明提出的基于水生态功能的流域分区方法解决了体现流域陆地对水体的生态服务功能差异的技术问题，为流域水生态功能保护、水环境治理及流域管理提供科技支撑，并将其经验用于指导和推动其它类似地区的水生态保护工作，从而实现了对于流域水生态功能进行针对性的分区保护的有益效果。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (5)

1.一种基于水生态功能的流域分区方法，所述方法包括：

建立流域水生态功能的指标数据库，所述指标数据库中存储有表征产水能力和速度的一级分区指标，同时存储有影响入水物质数量和性质的二级分区指标；

根据一级分区指标、集水区图层、行政区图层生成一级分区图层；

根据二级分区指标、一级分区图层、集水区图层、行政区图层生成二级分区图层；

基于一级分区图层和二级分区图层生成流域水生态功能分区图；其中，根据一级分区指标、集水区图层、行政区图层生成一级分区图层包括：

对所有一级分区指标进行空间标准化和无量纲化处理，并对经空间标准化处理和无量纲化处理的所有一级分区指标进行指标综合及归一化处理，以获得一级分区综合指标；

基于一级分区综合指标，计算集水区图层中每一集水区中的一级分区综合指标平均值，根据计算得到的多个一级分区综合指标平均值显示的明显差异性格局，沿所述格局边缘的集水区边界线进行矢量化处理，生成一级分区初步界线；

参照行政区图层中的县级行政区边界，对一级分区初步界线进行调整，当一级分区初步界线中的某一子界线与相对应的县级行政区边界不一致时，以距离集水区图层中的集水区界线垂直距离最短的县级行政区边界替换所述某一子界线；

并且，所述对所有一级分区指标进行空间标准化和无量纲化处理包括：

定义L₁×W₁像元对流域进行重采样以达到空间标准化，在重采样过程中，对每个新像元中的所有一级分区指标重新进行赋值：

$C_a=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}\frac{a_i}{L_1\×W_1}{C}_i,$

其中，C_a为新像元中某一级分区指标的重采样值，a_i为新像元中某一级分区指标的第i个数值所占面积，C_i为新像元中某一级分区指标第i个数值，L₁为新像元的长度值，W₁为新像元的宽度值，m为新像元中包含的某一级分区指标的数值个数，m≥1，1≤i≤m；

C_s＝(C_a-C_amin)/(C_amax-C_amin)，

其中C_s为新像元标准化之后的数值，C_amax和C_amin分别为新像元重采样后在流域中的最大值和新像元重采样后在流域中的最小值。

2.根据权利要求1所述的基于水生态功能的流域分区方法，其特征在于，所述指标综合及归一化处理为等权重叠加，W_qt＝(P/T)+NDVI+E，其中W_qt为一级分区指标综合指数，P和T分别为年平均降水量和年平均气温，NDVI是归一化植被指数，E为根据地表数字高程计算得出的像元平均海拔。

3.根据权利要求1所述的基于水生态功能的流域分区方法，其特征在于，根据二级分区指标、一级分区图层、集水区图层、行政区图层生成二级分区图层包括：

对多个二级分区指标中的每一个进行空间标准化和无量纲化处理，并对经空间标准化处理和无量纲化处理的所有二级分区指标进行指标综合及归一化处理，以获得二级分区综合指标；

在已经产生的一级分区图层中，基于所述二级分区综合指标，计算集水区图层中每一集水区中的二级分区综合指标平均值，根据计算得到的多个二级分区综合指标平均值显示的明显差异性格局，沿所述格局边缘的集水区边界线进行矢量化处理，生成二级分区初步界线；

参照流域内县级行政区边界，对二级分区格局界线进行调整，当二级分区界线与其所在区域的县级行政区边界不一致时，采用距离集水区界线垂直距离最短的县级行政区界限为二级分区界限。

4.根据权利要求3所述的基于水生态功能的流域分区方法，其特征在于，所述对每个二级分区指标进行空间标准化和无量纲化处理包括：

定义L₂×W₂像元对流域分区指标进行重采样，在重新采样过程中，对每个新像元中各个二级指标参数进行重新赋值：

$D_a=\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{b_j}{L_2\×W_2}{D}_j,$

其中，D_a为新像元中某二级分区指标的重采样值，b_j为新像元中某二级分区指标第j个数值所占面积，D_j为新像元中某二级分区指标第j个数值，L₂为新像元的长度值，W₂为新像元的宽度值，n为新像元中包含的某二级分区指标的数值个数，n≥1，1≤j≤n；

对所述D_a进行无量纲化处理：

D_s＝(D_a-D_amin)/(D_amax-D_amin)，

其中D_s为新像元标准化之后的数值，D_amax和D_amin分别为新像元重采样后在流域中的最大值和新像元重采样后在流域中的最小值。

5.根据权利要求3所述的基于水生态功能的流域分区方法，其特征在于，所述指标综合及归一化处理为等权重叠加，

Z_k＝Hyd+Str+Slope，

其中Z_k为二级分区指标综合指数，Hyd为植被水文调节与过滤净化生态服务价值，Str为土壤粘粒含量百分比值，Slope为坡度值。