CN109919819A - 区域生态网络的构建、评价和优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种区域生态网络的构建、评价和优化方法，所述方法包括：构建区域生态网络；其中，所述区域生态网络包括生态源地、生态廊道和生态节点；判断区域生态网络是否符合无尺度网络幂次分布定律，以及对区域生态网络进行分析，得到区域生态网络的整体分布情况；对不符合无尺度网络幂次分布定律的区域生态网络进行优化调整，以及从区域生态网络的整体分布情况中识别出生态廊道和生态节点不均匀和空白的区域，对生态廊道和生态节点的等级和位置进行优化调整。本发明通过建设高效和谐的区域生态网络，对改善城市和区域生态环境、实现城市的可持续发展具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种区域生态网络的构建、评价和优化方法，属于景观生态学和城市生态规划领域。
背景技术
20世纪90年代以来，生态网络成为景观生态学、城市规划与设计等多个领域的研究热点。随着各学科对生态网络的认识不断深化和融合，逐渐认识到生态网络具有生态、休闲、美学和景观等多种功能。城乡自然生境的完整和连续是维护城市生态健康、改善城市居住环境的重要保障。国际上生态网络规划实践的蓬勃兴起，极大推动了区域生态网络的构建及相关技术方法的发展。但中国在城市及区域生态公园的规划和实施方面起步较晚，现有的生态系统尚难以满足公众的需求。另外，随着城市化水平不断提高，自然生境由于受到人为干扰而致使品质下降，影响了城市及区域生态网络的健康。现有窘境的摆脱离不开对自然生境的科学保护和合理利用。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种区域生态网络的构建、评价和优化方法，该方法通过建设高效和谐的区域生态网络，对改善城市和区域生态环境、实现城市的可持续发展具有重要意义。
本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种区域生态网络的构建、评价和优化方法，所述方法包括：
构建区域生态网络；其中，所述区域生态网络包括生态源地、生态廊道和生态节点；
判断区域生态网络是否符合无尺度网络幂次分布定律，以及对区域生态网络进行分析，得到区域生态网络的整体分布情况；
对不符合无尺度网络幂次分布定律的区域生态网络进行优化调整，以及从区域生态网络的整体分布情况中识别出生态廊道和生态节点不均匀和空白的区域，对生态廊道和生态节点的等级和位置进行优化调整。
进一步的，所述构建区域生态网络，具体包括：
创建生态源地；
建立生态源地耗费成本表面；
根据生态源地数据集和生态源地耗费成本表面，生成累积耗费距离成本栅格图；
从累积耗费距离成本栅格图中提取多等级生态廊道和选择生态节点。
进一步的，所述根据生态源地数据集和生态源地耗费成本表面，生成累积耗费距离成本栅格图，具体为：
根据生态源地数据集、耗费成本表面中的耗费成本栅格数据和方向栅格数据，计算每个栅格单元到生态源地的成本加权距离，生成累积耗费距离成本栅格图。
进一步的，所述从累积耗费距离成本栅格图中提取多等级生态廊道和选择生态节点，具体包括：
利用累积耗费距离成本栅格图，结合生态源地的景观特征，根据不同尺度，设定阈值，确定各生态源地景观功能流运行的最低阻力通道，进而得到生态廊道的空间位置，并根据生态网络的划分，构建宏观、中观、微观三个等级的生态廊道；
基于累积耗费距离成本栅格图，针对宏观、中观、微观三个等级设定三个不同的阈值，分别提取各生态源地之间最小累积耗费距离路径和最大累耗费距离路径栅格表面；通过栅格计算，取最小累积耗费距离路径和最大累耗费距离路径栅格表面的交集；对各生态源地的景观格局指标、斑块密度、最大斑块指数、平均斑块指数计算，从而明确各生态源地的景观特征，以确定生态节点的空间分布。
进一步的，所述判断区域生态网络是否符合无尺度网络幂次分布定律，具体包括：
计算区域生态网络中不同等级的生态节点的边数；
将区域生态网络中不同等级的生态廊道分别赋予不同的权值；
将所有连接在生态节点上生态廊道的权值相加，作为该生态节点的度；
拟合生态节点-度分布曲线，根据该曲线的拟合函数是否遵循指数2＜τ＜3的幂律，以判断区域生态网络是否符合无尺度网络幂次分布定律。
进一步的，所述对区域生态网络进行分析，得到区域生态网络的整体分布情况，具体包括：
计算区域生态网络中的生态廊道密度和生态节点密度；
将生态廊道密度和生态节点密度相加，得到区域生态网络的整体分布情况。
进一步的，所述生态廊道密度反映每单位面积下城市生态廊道的密集程度；所述生态节点密度表现了生态廊道的连接程度与生态廊道形成的网络复杂程度。
进一步的，所述对生态廊道和生态节点的等级和位置进行优化调整，具体包括：
利用方格网法增加低等级生态节点，以增加分散在人类干扰区域的生态平衡点，实现生态节点的均匀分布；
对于生态廊道构建时没有自然资源依托的地区，通过对经过生态节点的道路加强绿化形成道路生态廊道。
进一步的，所述利用方格网法增加低等级生态节点，具体包括：
划分两个级别的网格，将划分的网格和已有的生态节点和生态源地叠加，查找出已有生态节点的网格；
以查找出来的生态节点盲区的网格中心作为构建生态节点的参考位置，与累积耗费成本值叠加，若生态节点落在生态廊道上，在原位置增加生态节点；若生态节点落在累积耗费成本值较高区域，在网格范围内调整到累积耗费成本值较低区域。
进一步的，所述方法还包括：
根据优化调整后得到的生态源地、生态节点和生态廊道，将各生态源地、生态节点通过生态廊道串联起来，构成点、线、面相互交织和有机结合的区域生态网络格局，得到生态源地、生态节点和生态廊道组成的三等级生态网络复合体系。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明结合随机网络和无尺度网络特点，构建随机网络和无尺度网络共同组成的生态网络，从而可以实现随机网络的稳定性、可达性和无尺度网络的高效性、成长性的区域生态网络，有利于区域生态环境质量的全面提升。
2、本发明通过耗费距离分析方法，以物质能量耗费成本路径最低原则构建生态廊道，将无尺度网络思想和方格网法结合引入区域生态网络的构建，确定区域生态网络增长和发展的战略点，为区域生态系统保护寻找锲入点。
附图说明
图1为本发明实施例1的区域生态网络的构建、评价和优化方法的流程图。
图2为本发明实施例1的累积耗费距离成本表面图。
图3为本发明实施例1的图论意义上的网络形成示意图。
图4为本发明实施例1的抽象出来的生态网络结构图。
图5为本发明实施例2的京津地区NDVI植被指数图。
图6为本发明实施例2的京津地区生态源地分布图。
图7为本发明实施例2的京津地区生态源地分级图。
图8为本发明实施例2的京津地区生态源地耗费成本图。
图9为本发明实施例2的京津地区累积耗费距离成本图。
图10a为本发明实施例2的京津地区宏观生态廊道构建图。
图10b为本发明实施例2的京津地区中观生态廊道构建图。
图10c为本发明实施例2的京津地区微观生态廊道构建图。
图11为本发明实施例2的京津地区生态节点选择示意图。
图12为本发明实施例2的京津地区生态节点-度分布曲线图。
图13为本发明实施例2的京津地区生态网络等级结构图。
图14a为本发明实施例2的京津地区生态廊道密度分析图。
图14b为本发明实施例2的京津地区生态节点密度分析图。
图14c为本发明实施例2的京津地区生态廊道密度和生态节点密度相加的分析图。
图15a为本发明实施例2的京津地区划分的10000m×10000m网格示意图。
图15b为本发明实施例2的京津地区划分的5000m×5000m网格示意图。
图16a为本发明实施例2的京津地区10000m×10000m网格的生态节点盲区示意图。
图16b为本发明实施例2的京津地区5000m×5000m网格的生态节点盲区示意图。
图17为本发明实施例2的生态节点落在生态廊道上的示意图。
图18为本发明实施例2的添加节点后的生态网络结构图。
图19a为本发明实施例2的京津地区一级生态网络示意图。
图19b为本发明实施例2的京津地区二级生态网络示意图。
图19c为本发明实施例2的京津地区三级生态网络示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供了一种区域生态网络的构建、评价和优化方法，该方法包括以下步骤：
S1、构建生态网络。
从景观生态学角度看，景观是高于生态系统的自然综合体，景观的物质循环和能量交换，即景观流，是控制景观功能稳定的决定因素。景观流的运行必须要克服一定的阻力来实现，并表现于一定的景观空间格局中。因此，在构建生态网络时，为实现景观功能与景观结构的联系，需在不同景观功能需要的基础上，考虑相关驱动与限制因子的空间布局，并结合功能随着距离衰减的空间特性进行量化，构建累积耗费距离成本栅格图。本实施例考虑三个因素，即生态源、距离和耗费值，来刻画不同的景观介质对生态源空间扩散的影响。
S11、创建生态源地。
生态源地是物质、能量甚至功能服务的源头或汇集处，如森林、公园、开敞绿地，湖泊等地。考虑到城市生态功能特征可空间化及定量化，本实施例主要选择植被覆盖度和生态源地的面积，来确立各级生态网络的生态源地；并依靠GIS技术的空间分析功能来实现。
具体而言，首先借助erdas9.1在遥感影像中提取NDVI植被指数(NDVI植被指数是遥感估算植被覆盖度中最常用的植被指数，便于脆弱生态环境监测，指示生态系统变化的重要指标)，其次利用ArcGIS9.0空间分析功能，将林地、绿地和水体斑块提取出来。生态源地核心斑块面积最小为1平方公里。最后综合考虑植被覆盖度(NDVI>0.5) 和面积大小(面积>1平方公里)，提取生态源地，再设定不同的阈值，细化为三等级生态源地。
S12、建立生态源地耗费成本表面。
不同生态源地之间景观流的空间运行要克服一定的阻力才能实现。本实施例使用耗费值来形容这种阻力，意味着源景观流运行时，景观生态功能必然要随距离而衰减，对不同的土地利用类型和植被覆盖度的耗费不同。故考虑土地利用类型和植被覆盖度两种因素来确定耗费成本。
参照Costanza等人在1997年“全球生态系统服务与自然资本的价值估算”一文中对全球森林、湖/河和农田生态系统的服务功能价值进行的评估，选取生态系统的气体调节、气候调节、水供应、防侵蚀、土壤形成、养分循环、废物处理、生物防害、栖息地/避难所等10项功能，得到单位面积不同景观类型生态系统的服务功能总价值，如下表1所示。根据各景观单元的生态功能强度赋值，生态服务功能价值越高，其阻力越小，耗费成本(cost)值越低。水域阻力最低，取水域cost值为1；然后得出各景观类型的耗费成本值，如下表1所示。
表1研究区域各景观类型生态系统服务功能价值和成本值
| 景观类型 | 生态功能价值(yuan/hm2) | cost值 |
| 湖/河 | 59234.4 | 1 |
| 林地 | 5378.4 | 11 |
| 草地 | 1260 | 42 |
| 农田 | 273.6 | 210 |
| 建成区 | 0 | 10000 |
| 道路 | 0 | 10000 |
在ArcGIS中将各景观类型图层添加cost属性字段，并根据表1分别赋值。然后通过矢量转栅格命令转换为栅格数据，进行加权叠加运算，确立研究区域景观流运行的生态源地耗费成本表面，然后利用NDVI植被指数加权叠加，来修正耗费成本表面，最后得到不同类型的地域空间生态源地耗费成本。
S13、生成累积耗费距离成本栅格图。
计算每个栅格单元到最近生态源地的累积耗费距离成本时，需要生态源地数据集和上一步所得到的耗费成本表面中的耗费成本栅格数据，以及获得的方向栅格数据；进而获得从任一点出发，沿着成本最低路径到达最近生态源地的路线。
具体在ArcMap中，计算每个栅格单元到生态源地的成本加权距离，生成累积耗费距离成本栅格图。使用空间分析模块(Spatial Analyst)的成本加权距离(Distance-CostWeighted)计算工具，选定生态源图层作为“Cost to”选项的值，计算成本加权距离结果。
其中，成本加权距离计算使用耗散距离方程，方程的算法使用了节点/链接的表示方式。在这样的表示方式中，每个栅格单元的中心被当作是节点，节点与节点之间通过链接来联系。每个链接都具有一定的阻抗，其取决于链接所联系的单元的耗费值与运动的方向(Walker&Craighead，1997；Adriaensen et al.,2003)，其公式如下：
Ci＝∑(Di×Fj)(i＝1，2，3，…n；j＝1，2，3，…m) (1)
其中，Di是指从空间某一个景观单元i到源的实地距离(Surface distance)；Fj是指景观空间中某一景观单元j的阻力值；Ci是第i景观单元到源的累积耗费值；n为基本景观单元总数。
进一步基于图论(graph theory)的原理，计算每个栅格单元距最近生态源地的最小累积耗费距离(accumulative cost distance)，以识别与选取生态源地之间的最小耗费方向和路径——即抽象的网格图解法来分析景观空间格局的性质，应用节点/链 (node/link)的像元表示法来表示某一累积耗费距离成本表面，如图2所示，其中Ci是指像元i的耗费值(i＝l，2，3)，1是链指，其抗阻为(C1+C2)/2，2是指节点。对于生态源地所在单元，赋值为1，表示其对运动的阻碍最小。在这种像元表示法中，将像元的中心称为节点，每个节点被多条链连接，每条链表示一定大小的抗阻，这种抗阻与该代价表面上各像元所代表的耗费值和运动的方向有关。
因此，基于节点/链的像元表示方法，可以计算通过某一代价表面到最近源的累积耗费距离(accumulative cost distance，简写为A)，计算公式如下:
其中，Ci表示第i个像元的耗费值；Ci+1是指沿运动方向上第i+1个像元的耗费值；n为像元总数；A是指通过某一代价表面到源的累积耗费距离；当通过某一代价表面沿着像元的垂直方向或者水平方向运动时采用公式(2)中的(1)式；当通过某一代价表面沿着像元的对角线方向运动时采用公式(2)中的(2)式。空间任一像元到源点的累积耗费就是沿着某一路径方向上所有链的累积抗阻。到每个源像元或者多个像元可能有许多路径，有一条最低耗费的路径，即通过该路径到达源像元具有最小累积耗费距离。
S14、提取多等级生态廊道。
廊道是景观结构中相当特殊的元素，可同时发挥隔离与联系的功能；廊道效益由中心向外逐步衰减,遵循距离衰减规律。基于廊道的连通度以及功能随着与节点距离增加而衰减的特性，利用最小耗费距离模型，可获得研究区城市生态功能网络的廊道结构。
本实施例采用累积耗费距离成本栅格图，借鉴GIS空间分析中的水文分析方法，构建生态廊道，利用上一步生成的累积耗费距离成本栅格图中的景观生态功能累积耗费距离表面，结合研究区的景观特征，根据不同尺度，设定适当的阈值，最终确定景观功能流运行的最低阻力通道，进而得到生态廊道的空间位置，并根据生态网络的划分构建宏观、中观、微观三个等级的生态廊道。
S15、选择生态节点。
基于累积耗费距离成本栅格图，运用GIS空间分析中邻域分析和重分等功能，针对宏观、中观、微观三个等级设定三个不同的阈值(15、7、3)，分别提取各生态源地之间最小累积耗费距离路径和最大累耗费距离路径栅格表面；然后，通过栅格计算，取上述两栅格表面的交集；最后，利用Fragstas3.3软件对各类型景观的景观格局指标(如斑块数量(Numberof patches，NP)、斑块密度(Patch density，PD)、最大斑块指数(Largest Patch Index，LPI)、平均斑块指数(Patch Area Distribution–Mean，AREA_MN) 等)计算，从而明确区域生态景观的特征，以确定景观生态节点的空间分布。生态节点的构建，有助于增加景观生态系统的连通性，作为生态源地连结的跳板，对物质的扩散、能量的流通具有重要的生态意义。
S2、基于无尺度网络理论对区域生态网络进行评价。
S21、拟合节点-度分布曲线
依据复杂网络理论，现实世界中很多复杂网络表现无尺度(Scale-Freetopology) 和小世界(Small-world)特性，过去人们惯于将所有复杂网络看作是随机网络(stochastic networks)。描述网络拓扑性质的常用几何量包括度分布、平均集聚系数、平均路径长度等。其中度是描述网络局部特性的基本参数，一个节点的度是指该节点与其它节点关联的边数，当网络路径存在等级时，可以对其进行加权，与生态节点关联的边的权值之和就是该节点的度，用K表示，网络中并不是所有节点都具有相同的度，系统各节点度可以用一个分布函数P(K)(度分布函数)描述，度分布函数反应了网络系统的宏观统计特征，理论上利用度分布可以计算出其它表征全局特征参数的量化数值，其中幂次分布定律是常见的一种度分布，公式如下：
P(K)＝CK-τ (3)
其中，C、τ为常数，τ值通常介于2-3之间。
随机网络的一个重要特征是稳定性强，当部分节点发生故障或堵塞时，可以通过其他节点继续保持网络整体特征，但由于没有高等级的节点存在，网络整体集约化效益得不到优化，只能在低水平条件下重复增长，表现为成长性差。无尺度网络具有优良的成长性和稳定性，存在一些重要战略性集聚点，边缘节点发生故障或堵塞时问题不大，但如果高集结度的中心节点发生故障或堵塞时，会导致网络的整体结构遭到破坏，分裂成多个割裂的子网。
借助拓扑学，对于生态区域，如河流交汇点、生物保护区、村庄等都可以被抽象成点，如图3所示，它们之间的相互联系，如海岸线、河流、交通线路、物质流、信息流、能量流等都可被抽象成点与点的连线，这样生态系统就成为图论意义上的网络。将研究范围内的生态源地和生态廊道抽象成生态节点，生态节点和生态节点之间的连线形成图论意义上的生态网络，如图4所示。
本实施例的多层次(又称多等级)复合生态网络从以下三个层次进行：1)宏观层面/区域尺度；2)中观层面/地方尺度；3)微观层面/场所尺度。分别计算不同等级生态节点-边数。不同等级的生态廊道在功能上，起着不同的生态服务功能作用，所以按顺序法对三个等级的生态廊道分别赋于1-3的权值，一级廊道权值为3，二级廊道为2，三级廊道为3。并将所有连接在生态节点上的生态廊道的权值相加，作为该生态节点的度 (K)：
其中，N为边数，Wi是对应级别生态廊道的权值。
根据以上统计得到的生态节点-度数据，结合通用软件Excel作复合生态节点-度曲线的拟合。若该生态节点-度曲线的拟合函数遵循指数2＜τ＜3的幂律，则认为该区域生态网络符合标准B-A模型的总结规律，即符合无尺度网络幂次分布定律，若否，则需对区域生态网络进行优化调整以符合无尺度网络幂次分布定律，优化调整后的区域生态网络是具有无尺度网络特征的网络体系。
S22、分析生态廊道密度和生态节点密度。
从空间分布角度对生态网络的均衡性和充足性判断，通过生态廊道密度和生态节点密度两个指标来分析生态网络分布情况，实现了空间要素点-线-网-面的转换。
1)生态廊道密度
Dc＝L/A (5)
其中，Dc是指生态廊道密度，单位是米/平方公里；L是指研究范围内生态廊道骨架总长度，单位是米；A是指研究区域面积，单位是平方公里。
生态廊道密度反映每单位面积下城市生态廊道的密集程度，按照生态廊道密度的意义，生态廊道的密度越大，说明每平方公里城市范围内具有更长的生态廊道，生态廊道的密集程度越高。但是生态廊道的密度只能反映区域中生态廊道的多少，而同一密度下的生态廊道由于连接方式的不同，可以形成不同连接复杂程度的网络结构，因此仅仅依靠生态廊道密度不能反映城市生态廊道结构复杂程度的这一特性，必须通过生态节点密度量化描述。
2)生态节点密度
DP＝N/A (6)
其中，Dp是指生态节点密度，单位是个/百平方公里；N是指在研究范围内的生态节点总数，单位是个；A是指研究区域面积，单位是百平方公里；
生态节点密度表现了生态廊道的连接程度与生态廊道形成的网络复杂程度。在相同生态廊道密度下，每单位面积下出现的生态节点密度越大，说明生态网络复杂程度越高。
在ArcGIS工具中空间分析模块(Spatial Analyst)的密度分析(Density)工具分别计算得出生态廊道密度和生态节点密度图，并进一步将二者相加计算，分析区域生态网络整体分布情况。根据以上生态网络密度分析，识别出生态廊道和生态节点不均匀和空白的区域，据此在下一步对生态廊道、生态节点的等级和位置进行优化调整。
S3、对区域生态网络进行优化。
S31、使用方格网法增加生态节点。
随机网络和无尺度网络共同组成的生态网络，可以实现随机网络的稳定性、可达性和无尺度网络的高效性、成长性的优势互补。增加具有战略性的生态功能节点和生态平衡点可以使区域生态环境得到最大限度的保护和改善。本实施例将二者结合发展，从而构建可持续的区域生态网络体系。
利用方格网法增加低等级生态节点，以增加分散在人类干扰区域的生态平衡点，实现生态节点的均匀分布，增强区域生态网络的稳定性。以10000m×10000m、5000m ×5000m两种尺寸划分两个级别的网格，分别代表二级节点对应的网格系统和三级节点对应的网格。在ArcGIS中将划分的网格和已有的生态节点和生态源地叠加，利用 GIS空间查询功能，查找出已有生态节点的格网。通过无尺度网络分析选择关键性节点，提升为具有战略意义的重要生态节点，以具有生长性的节点来构成整个区域大的生态网络骨架，提升生态环境质量。
基于生态节点均衡分布的考虑，每个网格都应该有一个生态节点以维持网络的平衡，故如果有些网格没有则需要构建一个生态节点，而这些网格将成为本次生态网络优化重点区域。
进而，以查找出来的生态功能节点盲区的格网中心作为构建节点的参考位置，和累积耗费成本值叠加，若生态节点落在生态廊道上，就在原位置增加生态节点；若生态节点落在累积耗费值较高区域，可以在网格范围内调整到成本值较低区域。生态廊道的构建上有些地区没有林地、河流等自然资源的依托，则通过对经过生态节点的道路加强绿化形成道路生态廊道，完善区域生态网络。
S32、构筑多等级的生态网络体系对区域生态网络进行优化。
通过上述对生态源地、生态节点和生态廊道的选择，将各生态源地、生态节点通过生态廊道紧密串联起来，构成点、线、面相互交织，有机结合的区域生态网络格局，得到生态源地、生态节点和生态廊道组成的三等级生态网络复合体系，三等级生态网络复合体系包括一级生态网络、二级生态网络和三级生态网络。
一级生态网络形成区域生态网络的主要骨架，能有效控制城市蔓延。一级节点主要由对区域生态系统的稳定起到“结构控制”和“生态源地”作用的生态功能节点(NDVI 指数大于0.5面积大于60平方公里)和一级生态节点组成。一级廊道以贯穿区域、联系山水城之间的河流廊道为主，辅以交通廊道，共同形成区域的一级生态网络。
二级和三级生态网络是通过道路廊道和河流廊道连接城区内外孤立的生态斑块生态功能节点，把城郊良好的自然环境渗透进城区，促进城区与自然的交流，形成城乡生态一体化。二级和三级生态功能节点是相对于一级生态功能节点而言，面积和生物多样性较小，对于局部地区的生态环境状况具有一定影响的生态源地(面积大于1平方公里)和生态节点中处于次要地位的二级和三级生态节点。以较小河流、水渠、林地、交通要道为核心构建生态廊道，连接生态功能节点，形成生态网络结构。服务于地方和场所尺度。
不同等级的生态网络在构成网络体系中的功能作用不同，具有不同的重要程度，三个等级的生态网络体系的有机整合形成了维护区域生态平衡、联系区域山水城的可持续发展的区域生态网络。
实施例2：
本实施例的区域生态网络的构建、评价和优化方法以京津地区的生态网络构建作为应用实例进行验证，包括以下步骤：
S1、构建生态网络。
S11、创建生态源地。
首先借助erdas9.1在遥感影像中提取NDVI植被指数(NDVI植被指数是遥感估算植被覆盖度中最常用的植被指数，便于脆弱生态环境监测，指示生态系统变化的重要指标)，如图5所示；其次利用ArcGIS9.0空间分析功能，将林地、绿地和水体斑块提取出来。生态源地核心斑块面积最小为1平方公里。最后综合考虑植被覆盖度 (NDVI>0.5)和面积大小(面积>1平方公里)，提取生态源地，如图6所示；再设定不同的阈值，细化为三级生态源地，如图7所示。
S12、建立生态源地耗费成本表面。
在ArcGIS中将各景观类型图层添加cost属性字段，并根据表1分别赋值。然后通过矢量转栅格命令转换为栅格数据，进行加权叠加运算，确立研究区域景观流运行的生态源地耗费成本表面，然后利用NDVI植被指数加权叠加，来修正耗费成本表面，最后得到不同类型的地域空间生态源地耗费成本，如图8所示，从图中可以看到耗费成本的高值和低值。
S13、生成累积耗费距离成本栅格图。
在ArcMap中，计算每个栅格单元到生态源地的成本加权距离，生成累积耗费距离成本栅格图，如图9所示。使用空间分析模块(Spatial Analyst)的成本加权距离(Distance-Cost Weighted)计算工具，选定生态源图层作为“Cost to”选项的值，计算成本加权距离结果。
S14、提取多等级生态廊道。
本实施例采用累积耗费距离成本栅格图，借鉴GIS空间分析中的水文分析方法，构建生态廊道，利用上一步生成的累积耗费距离成本栅格图中的景观生态功能累积耗费距离表面，结合研究区的景观特征，根据不同尺度，设定适当的阈值，最终确定景观功能流运行的最低阻力通道，进而得到生态廊道的空间位置，并根据生态网络的划分构建宏观、中观、微观三个等级的生态廊道，分别如图10a、图10b和图10c所示。
S15、选择生态节点。
基于累积耗费距离成本栅格图，运用GIS空间分析中邻域分析和重分等功能，针对宏观、中观、微观三个等级设定三个不同的阈值(15、7、3)，分别提取各生态源地之间最小累积耗费距离路径和最大累耗费距离路径栅格表面；然后，通过栅格计算，取上述两栅格表面的交集；最后，利用Fragstas3.3软件对各类型景观的景观格局指标 (如斑块数量(Numberof patches，NP)、斑块密度(Patch density，PD)、最大斑块指数(Largest Patch Index，LPI)、平均斑块指数(Patch Area Distribution–Mean，AREA_MN) 等)计算，从而明确区域生态景观的特征，以确定景观生态节点的空间分布，如图11 的黑圈标记处。
S2、基于无尺度网络理论对区域生态网络进行评价
S21、拟合节点-度分布曲线
根据统计得到的生态节点-度数据，结合通用软件Excel作复合生态节点-度曲线的拟合，如图12所示。
生态节点-度曲线的拟合函数，为多项式函数，如下：
y＝-0.6416x2+7.4985x+15.455
相关系数R2＝0.5608
从图12中可以看出生态网络既不遵循随机网络(钟形的泊松分布)，也不遵循无尺度网络幂次分布定律。
经过等级调整后生态节点-边分布曲线
对生态节点-边进行等级调整，得到调整后的节点-边数据(表2)，进行曲线拟合并得拟合函数：
y＝272.5x-2.1256
相关系数R2＝0.8343
从图13和拟合函数来看，等级调整后网络节点与边的分布得到的函数遵循指数2＜τ＜3的幂律，符合标准B-A模型的总结规律。通过对生态节点-边分布曲线拟合表明，生态节点-边经过等级调整后出现无尺度网络幂次分布定律。表明生态网络是具有无尺度网络特征的网络体系。
表2生态网络节点-边等级调整
| 等级 | 边数 | 节点数 |
| 1 | <5条 | 175 |
| 2 | 6-7条 | 89 |
| 3 | 8-9条 | 51 |
| 4 | 10-11条 | 18 |
| 5 | 〉12条 | 4 |
S22、分析生态廊道密度和生态节点密度。
在ArcGIS工具中空间分析模块(Spatial Analyst)的密度分析(Density)工具分别计算得出生态廊道密度和生态节点密度图，分别如图14a和图14b所示，并进一步将二者相加计算，如图14c所示，分析区域生态网络整体分布情况。根据以上生态网络密度分析，识别出生态廊道和生态节点不均匀和空白的区域，据此在下一步对生态廊道、生态节点的等级和位置进行优化调整。
S3、对区域生态网络进行优化。
S31、使用方格网法增加生态节点。
利用方格网法增加低等级生态节点，以增加分散在人类干扰区域的生态平衡点，实现生态节点的均匀分布，增强区域生态网络的稳定性。以10000m×10000m、5000m ×5000m两种尺寸划分两个级别的网格，分别如图15a和图15b所示，分别代表二级节点对应的网格系统和三级节点对应的网格。在ArcGIS中将划分的网格和已有的生态节点和生态源地叠加，利用GIS空间查询功能，查找出已有生态节点的格网。通过无尺度网络分析选择关键性节点，如图16a和16b所示，提升为具有战略意义的重要生态节点，以具有生长性的节点来构成整个区域大的生态网络骨架，提升生态环境质量。
基于生态节点均衡分布的考虑，每个网格都应该有一个生态节点以维持网络的平衡，故如果有些网格没有则需要构建一个生态节点，而这些网格将成为本次生态网络优化重点区域。
进而，以查找出来的生态功能节点盲区的格网中心作为构建节点的参考位置，和累积耗费成本值叠加，若生态节点落在生态廊道上，如图17中的A点，就在原位置增加生态节点；若生态节点落在累积耗费值较高区域，可以在网格范围内调整到成本值较低区域。生态廊道的构建上有些地区没有林地、河流等自然资源的依托，则通过对经过生态节点的道路加强绿化形成道路生态廊道，完善区域生态网络。通过方格网法增加节点和生态廊道后得到添加节点后的生态网络结构，如图18所示，共增加节点254 个结点。节点的增加，分布趋于均衡，连结节点的廊道也随之，生态廊道的连接程度与生态廊道形成的网络复杂程度也得到提高，整个生态网络稳定性的到增强。
S32、构筑多等级的生态网络体系对区域生态网络进行优化。
通过上述对生态源地、生态节点和生态廊道的选择，将各生态源地、生态节点通过生态廊道紧密串联起来，构成点、线、面相互交织，有机结合的区域生态网络格局，得到生态源地、生态节点和生态廊道组成的三等级生态网络复合体系，三等级生态网络复合体系包括一级生态网络、二级生态网络和三级生态网络，分别如图19a、图19b 和图19c所示。
综上所述，本发明结合随机网络和无尺度网络特点，构建随机网络和无尺度网络共同组成的生态网络，从而可以实现随机网络的稳定性、可达性和无尺度网络的高效性、成长性的区域生态网络，有利于区域生态环境质量的全面提升。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
Claims (10)
1.一种区域生态网络的构建、评价和优化方法，其特征在于，所述方法包括：
构建区域生态网络；其中，所述区域生态网络包括生态源地、生态廊道和生态节点；
判断区域生态网络是否符合无尺度网络幂次分布定律，以及对区域生态网络进行分析，得到区域生态网络的整体分布情况；
对不符合无尺度网络幂次分布定律的区域生态网络进行优化调整，以及从区域生态网络的整体分布情况中识别出生态廊道和生态节点不均匀和空白的区域，对生态廊道和生态节点的等级和位置进行优化调整。
2.根据权利要求1所述的区域生态网络的构建、评价和优化方法，其特征在于，所述构建区域生态网络，具体包括：
创建生态源地；
建立生态源地耗费成本表面；
根据生态源地数据集和生态源地耗费成本表面，生成累积耗费距离成本栅格图；
从累积耗费距离成本栅格图中提取多等级生态廊道和选择生态节点。
3.根据权利要求2所述的区域生态网络的构建、评价和优化方法，其特征在于，所述根据生态源地的耗费成本表面，生成累积耗费距离成本栅格图，具体为：
根据生态源地数据集、耗费成本表面中的耗费成本栅格数据和方向栅格数据，计算每个栅格单元到生态源地的成本加权距离，生成累积耗费距离成本栅格图。
4.根据权利要求2所述的区域生态网络的构建、评价和优化方法，其特征在于，所述从累积耗费距离成本栅格图中提取多等级生态廊道和选择生态节点，具体包括：
利用累积耗费距离成本栅格图，结合生态源地的景观特征，根据不同尺度，设定阈值，确定各生态源地景观功能流运行的最低阻力通道，进而得到生态廊道的空间位置，并根据生态网络的划分，构建宏观、中观、微观三个等级的生态廊道；
基于累积耗费距离成本栅格图，针对宏观、中观、微观三个等级设定三个不同的阈值，分别提取各生态源地之间最小累积耗费距离路径和最大累耗费距离路径栅格表面；通过栅格计算，取最小累积耗费距离路径和最大累耗费距离路径栅格表面的交集；对各生态源地的景观格局指标、斑块密度、最大斑块指数、平均斑块指数计算，从而明确各生态源地的景观特征，以确定生态节点的空间分布。
5.根据权利要求1所述的区域生态网络的构建、评价和优化方法，其特征在于，所述判断区域生态网络是否符合无尺度网络幂次分布定律，具体包括：
计算区域生态网络中不同等级的生态节点的边数；
将区域生态网络中不同等级的生态廊道分别赋予不同的权值；
将所有连接在生态节点上生态廊道的权值相加，作为该生态节点的度；
拟合生态节点-度分布曲线，根据该曲线的拟合函数是否遵循指数2＜τ＜3的幂律，以判断区域生态网络是否符合无尺度网络幂次分布定律。
6.根据权利要求1所述的区域生态网络的构建、评价和优化方法，其特征在于，所述对区域生态网络进行分析，得到区域生态网络的整体分布情况，具体包括：
计算区域生态网络中的生态廊道密度和生态节点密度；
将生态廊道密度和生态节点密度相加，得到区域生态网络的整体分布情况。
7.根据权利要求6所述的区域生态网络的构建、评价和优化方法，其特征在于，所述生态廊道密度反映每单位面积下城市生态廊道的密集程度；所述生态节点密度表现了生态廊道的连接程度与生态廊道形成的网络复杂程度。
8.根据权利要求1-7任一项所述的区域生态网络的构建、评价和优化方法，其特征在于，所述对生态廊道和生态节点的等级和位置进行优化调整，具体包括：
利用方格网法增加低等级生态节点，以增加分散在人类干扰区域的生态平衡点，实现生态节点的均匀分布；
对于生态廊道构建时没有自然资源依托的地区，通过对经过生态节点的道路加强绿化形成道路生态廊道。
9.根据权利要求8所述的区域生态网络的构建、评价和优化方法，其特征在于，所述利用方格网法增加低等级生态节点，具体包括：
划分两个级别的网格，将划分的网格和已有的生态节点和生态源地叠加，查找出已有生态节点的网格；
以查找出来的生态节点盲区的网格中心作为构建生态节点的参考位置，与累积耗费成本值叠加，若生态节点落在生态廊道上，在原位置增加生态节点；若生态节点落在累积耗费成本值较高区域，在网格范围内调整到累积耗费成本值较低区域。
10.根据权利要求1-7任一项所述的区域生态网络的构建、评价和优化方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据优化调整后得到的生态源地、生态节点和生态廊道，将各生态源地、生态节点通过生态廊道串联起来，构成点、线、面相互交织和有机结合的区域生态网络格局，得到生态源地、生态节点和生态廊道组成的三等级生态网络复合体系。
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