CN105205330B - 一种基于渔网模型的生态安全评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于渔网模型的生态安全评价方法，其是利用遥感技术、ARCGIS10.0和全球定位系统，在数据采集、编辑与预处理的基础上，利用渔网模型对生态安全评价指标进行多源异构数据的融合，采用渔网单元作为生态安全的评价单元，应用ESEI指数进行生态安全的综合评价，本发明有别于同类研究中常采用行政区、流域、景观等作为评价单元，采用单一的数据模型(栅格或矢量)进行生态安全评价,以渔网单元为评价单元有助于揭示行政区、流域或景观内部的生态安全差异，以渔网为数据模型有助于对多源异构数据进行融合，可以进一步提高生态安全评价的客观性，对生态环境的永续利用具有重要理论与应用意义。
Description
技术领域
本发明涉及生态安全监测与评价领域，尤其涉及一种利用渔网模型对多源异构数据融合后进行生态安全评价的方法。
背景技术
随着全球化进程的加快和人类社会不断发展，近期各种生态环境问题也凸显出来，如雾霾、沙尘暴、森林退化与消失、土壤侵蚀与水土流失、土地荒漠化、水资源枯竭、及生物多样性减少等，这些问题已对人类赖以生存的生态环境造成了严重威胁。近年来保护人类生存环境、科学合理的管理和利用自然资源、保护生态系统服务功能等受到国内外学者的广泛关注。
通常生态安全研究的方法主要有：(1)生态学方法，应用野外与现场调查、实验室分析、模拟实验、生态网络综合分析等生态学方法开展研究。(2)模拟模型，模型在生态安全研究中具有预测(Prediction)、解释(Explanation)和推断(Extrapolation)功能。通常有空问模型和非空间模型，这些模型描述生态系统要素的行为特征，或者人类活动对生态系统的影响。(3)景观分析，采用景观分析的方法，从空间上定量地描述景观结构，建立景观结构、功能模型和相关评价指标。分析评价区域尺度上的环境效应及对安全影响的作用程度。(4)遥感与ARCGIS10.0，综合应用3S技术(RS，GIS，GPS)对生态环境与人类活动的响应进行动态监控、空间分析、生态风险评价和管理，从而建立区域生态安全决策模型以实现科学管理。(5)目标评价和指标体系构建，压力一状态一响应框架模型法、驱动力一状态一响应(DSR)框架、指标体系权重评价法、生态足迹分析方法、综合指数评价方法、生态承载力分析法、系统聚类分析等。(6)健康的生态系统标准，目前在具体操作中对健康的生态系统(标准)的设定是未受人类干扰的生态系统。即在同一生物地理区域内寻找同一生态类型的未受或者少受人类干扰的系统。
近年来国内外学者对生态安全进行了大量研究和实践，取得了重要进展，但仍然存在着许多问题，如评价单元过于宏观，多采用行政单元、景观单元、流域单元等，导致评价单元内部的生态安全差异无法表达；且评价当中涉及自然与人文等多种因素，数据结构复杂多样，缺乏高效的多源异构数据融合方法进行生态安全评价的案例，而且评价过程中自动化水平较低、效率低下、评价客观性较差等。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种利用渔网模型将多源异构数据融合后进行生态安全评价的方法。
本发明实现上述目的所采用的技术方案由以下步骤组成：
(1)构建状态-压力-响应生态安全评价指标体系，状态指标包括：景观破碎化指数Ejg、植被覆盖指数Ezb、净初级生产力指数Ejc，压力指标包括人类活动影响指数Erl，响应指标包括土壤侵蚀指数Etr，选取研究区进行生态安全评价；
(2)根据步骤(1)中确定的评价指标体系，收集遥感影像数据、行政区划矢量数据和土壤侵蚀矢量数据，利用遥感影像提取土地利用数据和归一化植被指数，利用ARCGIS10.0软件创建研究区渔网模型，利用土壤侵蚀矢量数据提取研究区的土壤侵蚀矢量数据；
(3)利用步骤(2)中得到的各数据，计算步骤(1)中景观破碎化指数、植被覆盖指数、净初级生产力指数、人类活动影响指数以及土壤侵蚀指数的对应的指标值，将各个指标进行无量纲化处理，并利用ARCGIS10.0软件将多源异构数据进行融合，并确定各指标的权重；
(4)利用步骤(3)计算得到的净初级生产力指数、景观破碎化指数、人类活动影响指数、植被覆盖指数、土壤侵蚀指数和权重，计算出该研究区的生态安全评价指数ESEI并绘制相关评价图，
ESEI＝Ejc×Wjc+Ejg×Wjg+Ezb×Wzb+Erl×Wrl+Etr×Wtr
其中：Wjc为净初级生产力指数的权重，Wjg为景观破碎化指数的权重，Wzb为植被覆盖指数的权重，Wrl为人类活动影响指数的权重，Wtr为土壤侵蚀指数的权重。
上述步骤(2)具体由以下方法实现：
(2.1)收集遥感影像数据，按照常规方法进行数据预处理,计算归一化植被指数NDVI，并按照标准假彩色解译标志对遥感影像进行目视解译得到土地利用数据；
(2.2)收集行政区划矢量数据，利用ARCGIS10.0软件创建研究区渔网，确定研究区渔网模型；
(2.3)步骤(2.2)的研究区渔网模型，分别与步骤(2.1)的归一化植被指数、土地利用图在ARCGIS10.0软件支持下对应进行分区统计分析和空间叠加分析，分别得到土地利用与渔网联合数据、归一化植被指数与渔网联合数据；
(2.4)收集土壤侵蚀矢量数据，利用ARCGIS10.0软件进行预处理，结合步骤(2.1)的土地利用数据，在ARCGIS10.0软件支持下进行空间叠加分析，得到土壤侵蚀与渔网联合数据。
上述步骤(3)具体由以下方法实现：
(3.1)利用步骤(2.3)的归一化植被指数与渔网联合数据，按照下式计算净初级生产力指数Ejc，
NDVI指归一化植被指数，S代表单元面积；
(3.2)利用步骤(2.3)的土地利用与渔网联合数据，按照下式计算景观破碎化指数Ejg、植被覆盖指数Ezb、人类活动影响指数Erl、
N代表单元内斑块个数；
Szb指植被面积，Wzb指植被权重；
Sjz指建筑用地面积，Snt指农用地面积；
(3.3)利用步骤(2.4)的土壤侵蚀与渔网联合数据，按照下式计算土壤侵蚀指数Etr，
土壤侵蚀指数Sqsi指不同侵蚀级别土地面积；
(3.4)对上述步骤(3.1)～(3.3)中所得到的各个指标进行无量纲化处理，并结合步骤(2)所创建的研究区渔网模型，对渔网内的每个指标数值进行统计，得到每个网格内部的指标值，从而完成多源异构数据的融合；
(3.5)利用层次分析法确定步骤(3.1)～(3.3)中所得到的各个指标的权重。
上述归一化植被指数NDVI是由下式计算得到：
NIR为近红外波段，R为红光波段。
上述无量纲化处理是通过下式计算各指标所对应的无量纲化值，具体公式为：
其中：Xi指任意指标值；Xmax指指标最大值，Xmin指指标最小值。
本发明所提供的基于渔网模型的生态安全评价方法主要是利用遥感技术(Remote sensing，RS)、ARCGIS10.0(Geography informationsystems，GIS)和全球定位系统(Global positioning systems，GPS)，在数据采集、编辑与预处理的基础上，利用渔网模型对生态安全评价指标进行多源异构数据的融合，采用渔网单元作为生态安全的评价单元，应用ESEI指数进行生态安全的综合评价，有别于同类研究中常采用行政区、流域、景观等作为评价单元，采用单一的数据模型(栅格或矢量)进行生态安全评价,以渔网单元为评价单元有助于揭示行政区、流域或景观内部的生态安全差异，以渔网为数据模型有助于对多源异构数据进行融合，可以进一步提高生态安全评价的客观性，对生态环境的永续利用具有重要理论与应用意义。
附图说明
图1本发明的实施例流程图。
图2实验样区遥感影像图。
图3提取NDVI的建模方法图。
图4实验样区NDVI图。
图5实验样区土地利用图。
图6实验样区渔网模型图。
图7实验样区土壤侵蚀图。
图8实验样区生态安全评价图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本实施例以贵阳市为研究区，贵阳市地处喀斯特地貌区，因为受岩性影响，适合种植的树种较少、树木生长较慢，城市的自然生态系统较脆弱，对环境的净化能力较低；同时由受人类活动的影响，城市环境灾害频发，土地供给不足，导致城市环境的人口承载能力低，城市的可持续发展潜力小，是一个典型的生态环境脆弱区。
现基于渔网模型对贵阳市的生态安全进行评价，参见图1，具体步骤如下：
步骤(1)构建状态-压力-响应生态安全评价指标体系，状态指标包括：景观破碎化指数Ejg、植被覆盖指数Ezb、净初级生产力指数Ejc，压力指标包括人类活动影响指数Erl，响应指标包括土壤侵蚀指数Etr，选取研究区进行生态安全评价研究；
(2)根据步骤(1)中确定的评价指标体系，通过国家地球系统科学数据平台(http://www.geodata.cn)下载贵阳市的ETM+影像，收集遥感影像数据、行政区划矢量数据和土壤侵蚀矢量数据，利用遥感影像提取土地利用数据和归一化植被指数，利用ARCGIS10.0软件创建研究区渔网模型，利用土壤侵蚀矢量数据提取研究区的土壤侵蚀矢量数据；具体是：
(2.1)收集遥感影像数据，利用ERDAS9.2和ARCGIS10.0对遥感影像进行预处理，主要包括格式转换(TIFF转换为IMG)、波段融合、拼接、掩膜、坐标转换等，得到RSDATA.img(图2)，利用ARCGIS10.0的模型构建器(ModelBuilder)(图3)进行归一化植被指数(NDVI)建模得到归一化植被指数NDVI.grid(图4)，将土地利用类型分为6个大类，分别为耕地、草地、林地、水域、居民建设用地、工矿用地，按照标准假彩色地物解译标志在ARCGIS10.0中对遥感影像进行目视解译得到土地利用数据Landuse.shp(图5)。
(2.2)通过国家地球系统科学数据平台(http://www.geodata.cn)下载贵阳市行政区划图，利用ARCGIS10.0对行政区划图进行预处理，主要包括定义投影及投影转换等，将行政区划图的投影转换为与遥感影像一致的投影,即参考椭球为克拉索夫斯基，投影方式为阿伯斯,得到行政区划矢量(XZQH.shp)，利用ARCGIS10.0软件，选择工具箱--数据管理工具，利用创建渔网工具创建渔网，渔网模型范围与行政区划范围一致，渔网大小选择900m×900m，得到研究区渔网模型(YJQYW.shp)(图6)。
(2.3)利用ARCGIS10.0软件所提供的空间分析工具，即分析-叠加-联合工具将土地利用数据(Landuse.shp)与渔网模型(YJQYW.shp)进行空间分析求并集操作得到了Land_YW_UN.shp,打开其属性表，使用添加字段按钮添加面积字段，使用“按属性选择”选择需要统计的土地利用类型，选择YJQYW.shp的FID-YJQYW字段作为分类统计的字段，这样就统计出了每个渔网内部的景观破碎指数Ejg、植被覆盖指数Ezb、人类活动影响指数Erl，计算公式中需要的数值，即单元面积S、单元内斑块个数N、植被面积Szb、建筑用地面积Sjz、农用地面积Snt，统计完成后将属性表利用导出工具(Export)导出为土地利用与渔网联合数据(Land_YW_UN.dbf)。
再利用ARCGIS10.0提供的空间分析工具，即空间分析工具-分区-分区统计工具,以YJQYW.shp为区域数据，以NDVI.grid为统计值数据，使用“求和(SUM)”统计方法进行分区统计，这样就统计出了每个渔网内部的净初级生产力指数Ejc，计算公式中需要的数值，即单元面积S、∑NDVI、统计完成后得到NDVI_YW_UN.grid，利用ARCGIS10.0提供的数据格式转换工具，即工具箱-转换工具-栅格转面，将NDVI_YW_UN.grid转换为矢量格式即NDVI_YW_UN.shp，转换完成后将属性表利用导出工具(Export)导出为归一化植被指数与渔网联合数据(NDVI_YW_UN.dbf)。
(2.4)通过国家地球系统科学数据平台(http://www.geodata.cn)下载研究区土壤侵蚀矢量数据，利用ARCGIS10.0软件对行政区划图进行预处理，在工具箱下的数据管理工具中选择投影与变换，进行定义投影及投影转换，将土壤侵蚀图的投影转换为与遥感影像一致的投影,即参考椭球为克拉索夫斯基，投影方式为阿伯斯,得到土壤侵蚀矢量数据(TRQS.shp)(图7)，再利用ARCGIS10.0软件所提供的空间分析工具，即分析-叠加-联合工具，将土壤侵蚀矢量数据(TRQS.shp)与渔网模型(YJQYW.shp)进行空间分析求并集操作得到了TRQS_YW_UN.shp,打开其属性表，使用添加字段按钮添加面积字段，使用“按属性选择”选择需要统计的土壤侵蚀类型，选择YJQYW.shp的FID-YJQYW字段作为分类统计的字段，从而统计出了每个渔网内部的土壤侵蚀指数计算公式中需要的数值，即单元面积S、不同级别的土壤侵蚀面积即Sqsi、统计完成后将属性表利用导出工具(Export)导出为土壤侵蚀与渔网联合数据(TRQS_YW_UN.dbf)。
(3)利用步骤(2)中得到的各数据，计算步骤(1)中景观破碎化指数、植被覆盖指数、净初级生产力指数、人类活动影响指数以及土壤侵蚀指数的对应的指标值，将各个指标进行无量纲化处理，并利用ARCGIS10.0软件将多源异构数据进行融合，并确定各指标的权重，具体如下：
(3.1)利用步骤(2.3)的归一化植被指数与渔网联合数据，按照下式计算净初级生产力指数Ejc，
NDVI指归一化植被指数，S代表单元面积；
(3.2)利用步骤(2.3)的土地利用与渔网联合数据，按照下式计算景观破碎化指数Ejg、植被覆盖指数Ezb、人类活动影响指数Erl、
N代表单元内斑块个数；
Szb指植被面积，Wzb指植被权重；
Sjz指建筑用地面积，Snt指农用地面积；
(3.3)利用步骤(2.4)的土壤侵蚀与渔网联合数据，按照下式计算土壤侵蚀指数Etr，
土壤侵蚀指数Sqsi指不同侵蚀级别土地面积；
(3.4)对上述步骤(3.1)～(3.3)中所得到的各个指标进行无量纲化处理，其中：Xi指任意指标值；Xmax指指标最大值，Xmin指指标最小值，将处理结果按照YJQYW.shp中的FID字段汇总在链接目标.xls中，利用ARCGIS10.0软件提供的链接和关联数据库工具，即链接(join data)工具，以步骤(2.2)的渔网模型YJQYW.shp为源数据，以链接目标.xls为链接目标数据，使用共有的“FID”字段作为链接基准地段，将生态安全评价中需要使用的各指标数据库链接目标.xls链接至评价单元渔网YJQYW.shp中，链接好后使用数据导出工具(Export)将数据导出为结果.shp,完成了多源异构数据的融合。
(3.5)利用AHP层次分析方法确定景观破碎化指数、植被覆盖指数、净初级生产力指数、人类活动影响指数和土壤侵蚀指数的权重分别为0.15、0.15、0.25、0.25、0.2。
(4)利用步骤(3)计算得到的净初级生产力指数、景观破碎化指数、人类活动影响指数、植被覆盖指数、土壤侵蚀指数和权重，计算出该研究区的生态安全评价指数ESEI并绘制相关评价图，具体是：
(4.1)利用ARCGIS10.0加载结果.shp，打开其属性表，使用添加字段(Add Field)添加生态安全评价字段，即ESEI字段，使用FieldCalculator工具按照下式计算得到生态安全评价指数ESEI，
ESEI＝Ejc×Wjc+Ejg×Wjg+Ezb×Wzb+Erl×Wrl+Etr×Wtr
其中：Wjc为净初级生产力指数的权重，Wjg为景观破碎化指数的权重，Wzb为植被覆盖指数的权重，Wrl为人类活动影响指数的权重，Wtr为土壤侵蚀指数的权重。
(4.2)利用ARCGIS10.0的制图模板(Layout View)进行生态安全专题图的制作，加载流域图层和结果.shp，进行地图的整饰，添加必要的地图要素，指北针、比例尺、经纬网、图名和图例，最终得到了实验样区生态安全评价图(图8)。
结合生态安全评价图可以看出，贵阳市被分成2956个90米×90米的渔网单元，生态安全评价指数ESEI最大为70.98，最小为4.08，ESEI越大说明生态安全状况越好，越小说明生态安全状况越差。
利用ARCGIS10.0提供的重分类方法将ESEI划分为5个级别，即ESEI值从4.08到25，为极不安全区，共包含635个渔网单元，主要分布在中部地区；ESEI值从25到35，为较不安全区，共包含779个渔网单元，主要分布在中部地区；ESEI值从35到45，为安全区，共包含895个渔网单元，主要分布在中部和南部地区；ESEI值从45到60，为较安全区，共包含619个渔网单元，主要分布在北部和南部地区；ESEI值从60到70.98，为极安全区，共包含28个渔网单元，主要分布在北部和南部地区。从土地利用结构来看，以草地、林地为主要土地利用结构的生态安全状况最好，生态系统结构完整，外部压力小，生态系统的生态功能完善，体系稳定。以农田和建筑用地为主要的土地利用类型生态安全受人类活动影响较大，外界压力大，敏感地带较多，等级差异较大。从研究区的各个安全状况的分布数量来看，极安全区的区域最少，占总面积的百分比最小，说明实验样区的生态安全水平相对较低，因此，该市在今后的城市发展过程当中，应该着重关注不安全区域的生态规划和生态恢复。
Claims (5)
1.一种基于渔网模型的生态安全评价方法，其特征在于由以下步骤组成：
(1)构建状态-压力-响应生态安全评价指标体系，状态指标包括：景观破碎化指数Ejg、植被覆盖指数Ezb、净初级生产力指数Ejc，压力指标包括人类活动影响指数Erl，响应指标包括土壤侵蚀指数Etr，选取研究区进行生态安全评价；
(2)根据步骤(1)中确定的状态-压力-响应生态安全评价指标体系，收集遥感影像数据、行政区划矢量数据和行政区划内的土壤侵蚀矢量数据，利用遥感影像提取土地利用数据和归一化植被指数，利用ARCGIS10.0软件创建研究区渔网模型，利用行政区划内的土壤侵蚀矢量数据提取研究区每个渔网的土壤侵蚀矢量数据；
(3)利用步骤(2)中得到的各数据，计算步骤(1)中景观破碎化指数、植被覆盖指数、净初级生产力指数、人类活动影响指数以及土壤侵蚀指数的对应的指标值，将各个指标进行无量纲化处理，并利用ARCGIS10.0软件将多源异构数据进行融合，并确定各指标的权重；
(4)利用步骤(3)计算得到的净初级生产力指数、景观破碎化指数、人类活动影响指数、植被覆盖指数、土壤侵蚀指数和权重，计算出该研究区的生态安全评价指数ESEI并绘制相关评价图，
ESEI＝Ejc×Wjc+Ejg×Wjg+Ezb×Wzb+Erl×Wrl+Etr×Wtr
其中：Wjc为净初级生产力指数的权重，Wjg为景观破碎化指数的权重，Wzb为植被覆盖指数的权重，Wrl为人类活动影响指数的权重，Wtr为土壤侵蚀指数的权重。
2.根据权利要求1所述的基于渔网模型的生态安全评价方法，其特征在于：所述步骤(2)具体由以下方法实现：
(2.1)收集遥感影像数据，按照常规方法进行数据预处理,计算归一化植被指数NDVI，并按照标准假彩色解译标志对遥感影像进行目视解译得到土地利用数据；
(2.2)收集行政区划矢量数据，利用ARCGIS10.0软件创建研究区渔网，确定研究区渔网模型；
(2.3)步骤(2.2)的研究区渔网模型，分别与步骤(2.1)的归一化植被指数、土地利用图在ARCGIS10.0软件支持下对应进行分区统计分析和空间叠加分析，分别得到土地利用与渔网联合数据、归一化植被指数与渔网联合数据；
(2.4)收集行政区划内的土壤侵蚀矢量数据，利用ARCGIS10.0软件进行预处理，结合步骤(2.1)的土地利用数据，在ARCGIS10.0软件支持下进行空间叠加分析，得到每个渔网的土壤侵蚀与渔网联合数据。
3.根据权利要求1所述的基于渔网模型的生态安全评价方法，其特征在于：所述步骤(3)具体由以下方法实现：
(3.1)利用步骤(2.3)的归一化植被指数与渔网联合数据，按照下式计算净初级生产力指数Ejc，
NDVI指归一化植被指数，S代表单元面积；
(3.2)利用步骤(2.3)的土地利用与渔网联合数据，按照下式计算景观破碎化指数Ejg、植被覆盖指数Ezb、人类活动影响指数Erl、
N代表单元内斑块个数；
Szb指植被面积，Wzb指植被权重；
Sjz指建筑用地面积，Snt指农用地面积；
(3.3)利用步骤(2.4)的土壤侵蚀与渔网联合数据，按照下式计算土壤侵蚀指数Etr，
土壤侵蚀指数Sqsi指不同侵蚀级别土地面积；
(3.4)对上述步骤(3.1)～(3.3)中所得到的各个指标进行无量纲化处理，并结合步骤(2)所创建的研究区渔网模型，对渔网内的每个指标数值进行统计，得到每个网格内部的指标值，从而完成多源异构数据的融合；
(3.5)利用层次分析法确定步骤(3.1)～(3.3)中所得到的各个指标的权重。
4.根据权利要求1或2所述的基于渔网模型的生态安全评价方法，其特征在于：所述归一化植被指数NDVI是由下式计算得到：
NIR为近红外波段，R为红光波段。
5.根据权利要求1或3所述的基于渔网模型的生态安全评价方法，其特征在于：所述无量纲化处理是通过下式计算各指标所对应的无量纲化值，具体公式为：
其中：Xi指任意指标值；Xmax指指标最大值，Xmin指指标最小值。
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Legal Events
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Granted publication date: 20160824 Termination date: 20170930 |