CN110516921A - 一种基于智能设备的生态健康宜居气象分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于智能设备的生态健康宜居气象分析系统，包含生态健康指数模块，用于确定生态健康指数EHI；生态宜居指数模块，用于确定生态宜居指数ELI；指数权重模块，对生态健康和生态宜居的各项指标数据进行归一化处理；宜居气象计算分析模块，计算区域生态健康、宜居性指数值EHLI并展示宜居气象结果。本发明通过构建指标体系对区域生态健康及宜居性进行分析，从气象角度出发，构建了以生态健康及生态宜居为重点的分析体系，并引入k对生态健康指数及生态宜居指数进行修正，可靠性较高。
Description
技术领域
本发明涉及一种宜居气象分析系统，特别是一种基于智能设备的生态健康宜居气象分析系统，属于气象分析领域。
背景技术
随着城镇化过程的不断推进和经济社会的快速发展，面临的生态环境问题也是日益突出，而人们对生活水平和质量的追求越来越高，生态健康与生态宜居受到人们越来越广泛的关注。气候因子是构成生态健康和宜居的一个重要因素，在全球变暖背景下，气象灾害、极端气候事件屡屡出现，对生态环境、生态安全、农作物生长等造成了重要的影响，气候变化与生态健康、宜居之间的关系，不仅关系人们居民的生存问题，还关系到景观资源环境保护和可持续健康发展趋势。
在乡村振兴的背景下，生态健康、生态宜居成为当前研究的热点和前沿。国内外学者对生态健康、生态宜居都进行了大量的理论探讨，如对生态宜居度、生态安全、生态脆弱性、生态承载力等方面对人居环境进行研究。此外，不同学者从不同角度对生态宜居和可持续健康方法提出评价指标体系，从研究视角来看，国外学者对宜居性的研究主要对城市内部人居的主观感受出发，而国内重点从自然、经济、居民健康状况、教育、文化以及基础设施等多角度出发；从评价方法上看，多采用客观评价方法、主观评价方法、GIS空间分析法、模糊数学模型等方法。研究对象大多为大尺度区域，而小尺度区域研究甚少，特别是由气象角度对生态健康及宜居进行研究，因此，有必要从气候环境角度入手，探讨小尺度区域的生态健康与宜居问题。
同时目前的气象宜居主要是专业性的研究方法，普通大众并不能掌握或者进行使用，而只能获取相关研究站或者部分直接发布的结果，而相关结果通常所含信息量极少，很难满足人们对目前宜居气象了解的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种于智能设备的生态健康宜居气象分析系统，从区域性气候环境分析宜居结果并且能够自动展示。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于智能设备的生态健康宜居气象分析系统，其特征在于：包含
生态健康指数模块，用于确定生态健康指数EHI；
生态宜居指数模块，用于确定生态宜居指数ELI；
指数权重模块，对生态健康和生态宜居的各项指标数据进行归一化处理；
宜居气象计算分析模块，计算区域生态健康、宜居性指数值EHLI并展示宜居气象结果。
进一步地，所述生态健康指数EHI包含空气质量指数AQI、大气降尘量AD和大气降水PH值PHpre。
进一步地，所述生态宜居指数ELI包含空气相对湿度RH、负氧离子含量NOIC、植被覆盖指数NDVI和湿润指数K。
进一步地，所述空气相对湿度RH为系统读取的基于气象站点所提供的月均相对湿度值。
进一步地，所述负氧离子含量NOIC由系统读取当地气象局实时监测数据或者系统获取输入的实验监测数据。
进一步地，所述植被覆盖指数NDVI，系统读取MODIS卫星的NDVI遥感数据，系统调用MRT软件对NDVI遥感数据进行格式转变和波段合成，调用ENVI软件将格式转变后的遥感数据进行波段运算，最后调用ArcGIS的局部分析对NDVI数据逐年求平均值，区域植被覆盖指数NDVI。
进一步地，所述湿润指数K的表达式为K＝P/ET，其中P为月均降水量，ET为潜在蒸散，基于区域气象站点提供的降水月均值数据，根据ArcGIS对P和ET进行空间插值得到两个要素图层，并利用栅格计算器得到湿润指数K。
进一步地，所述指数权重模块处理过程为
当指标为正向指标时：yij＝(xij-min xij)/(max xij-min xij)
当指标为负向指标时：yij＝(max xij-xij)/(max xij-min xij)
其中，max xij，min xij分别为第i年的第j个指标的最大值和最小值，xij为第i年的第j个评价指标值,yij为经过归一化处理的第i年的第j个评价指标值；对数据归一化后采用变异系数法确定生态健康指数权重WEHI、生态宜居指数权重WELI；
对各项指标的变异系数来衡量各项指标取值的差异程度，其计算公式为
其中，Vi表示第i项指标的变异系数，σi和分别为第i项指标的标准差和平均值；
其权重值Wi计算公式为
进一步地，所述宜居气象计算分析模块计算区域生态健康、宜居性指数值EHLI，其计算公式为
其中，ai、bi分别为生态健康指数EHI、生态宜居指数ELI中各项指标的归一化值；Wi为对应各层指标的权重，k为生态健康和生态宜居修正系数，并基于加权指数法计算区域EHLI；
通过ArcGIS对EHLI进行样条法空间插值，得出生态健康、宜居评价指标结果栅格图层从而展示宜居气象分析结果。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、本发明通过构建指标体系对区域生态健康及宜居性进行分析，从气象角度出发，构建了以生态健康及生态宜居为重点的分析体系，并引入k对生态健康指数及生态宜居指数进行修正，可靠性较高。
2、通过构建指标体系对乡村复杂的生态健康性、宜居性进行定量评价，对区域实现可持续健康发展、环境保护具有重要的意义。
3、通过将整体分析基于智能设备进行软件化，用户直接能够简单操作得到需要的结果，简单实用，便于推广应用。
附图说明
图1是本发明的一种基于智能设备的生态健康宜居气象分析系统的工作流程图。
图2是本发明的实施例的指标实例表格。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，本发明的一种基于智能设备的生态健康宜居气象分析系统，其特征在于：包含
生态健康指数模块，用于确定生态健康指数EHI；生态健康指数EHI包含空气质量指数AQI、大气降尘量AD和大气降水PH值PHpre。大气污染直接影响了人居环境的优劣程度，本发明根据AQI、AD和PHpre来评估区域生态气象环境的健康指数。
生态宜居指数模块，用于确定生态宜居指数ELI；从气象角度考虑到研究区域生态宜居性，主要包含空气质量指数AQI、大气降尘量AD和大气降水PH值PHpre。
空气相对湿度RH，研究表明最适宜人类健康居住的大气相对湿度在45％－65％之间。系统获取气象站点所提供的月均相对湿度值以表征区域的空气相对湿度。
负氧离子含量NOIC，空气中的负氧离子具有改善空气的作用，是评价人居生态环境的重要指标之一，负氧离子数据可由当地气象局实时监测数据或实验监测获取。
植被覆盖指数NDVI，植被覆盖度是衡量地表生态环境的一个重要指标,对生态宜居建设具有重要的意义。植被覆盖度一般以MODIS影像为数据源，根据研究目标选择遥感数据，评价区域单位面积的归一化植被指数，采用MODIS卫星的NDVI遥感数据，其植被覆盖指数＝NDVI区域均值,利用MRT软件对遥感数据进行格式转变和波段合成，将格式转变后的遥感数据在ENVI软件上进行波段运算，最后基于ArcGIS的局部分析对NDVI数据逐年求平均值，即为区域植被覆盖指数。
湿润指数K，湿润指数是判断某一地区气候干、湿程度的指标，能较客观地反映某一地区的水热平衡状况。其表达式为：
K＝P/ET；
式中：ET为潜在蒸散，P为月均降水量。ET值通过修正的彭曼公式(Penman-Monteith)得到区域潜在蒸散。基于区域气象站点提供的降水月均值数据，根据ArcGIS对P和ET进行空间插值得到两个要素图层，并利用栅格计算器得到湿润指数。
指数权重模块，对生态健康和生态宜居的各项指标数据进行归一化处理；确定生态健康指数和生态宜居指数的权重WEHI、WELI；由于各项指标的来源及其量纲具有非一致性，因此首先对生态健康和生态宜居的各项指标数据进行归一化处理，
当指标为正向指标时：yij＝(xij-min xij)/(max xij-min xij)
当指标为负向指标时：yij＝(max xij-xij)/(max xij-min xij)
其中，max xij，min xij分别为第i年的第j个指标的最大值和最小值，xij为第i年的第j个评价指标值,yij为经过归一化处理的第i年的第j个评价指标值；对数据归一化后采用变异系数法确定生态健康指数权重WEHI、生态宜居指数权重WELI；
对各项指标的变异系数来衡量各项指标取值的差异程度，其计算公式为
其中，Vi表示第i项指标的变异系数，σi和分别为第i项指标的标准差和平均值；
其权重值Wi计算公式为
宜居气象计算分析模块，计算区域生态健康、宜居性指数值EHLI并展示宜居气象结果。
宜居气象计算分析模块计算区域生态健康、宜居性指数值EHLI，其计算公式为
其中，ai、bi分别为生态健康指数EHI、生态宜居指数ELI中各项指标的归一化值；Wi为对应各层指标的权重，k为生态健康和生态宜居修正系数，并基于加权指数法计算区域EHLI；本发明是基于气象角度对乡村生态健康和宜居进行评价，单一要素对其进行考虑具有一定的局限性，因此引入修正系数k，k为WEHI、WELI权重之差。
通过ArcGIS对EHLI进行样条法空间插值，得出生态健康、宜居评价指标结果栅格图层从而展示宜居气象分析结果。
下面通过具体的应用实例来对本发明做进一步的验证说明。
将本发明运用于南京市浦口区的生态健康的宜居状况进行评价，基于构建的浦口区气象评价指标体系计算区域的生态健康指数和生态宜居指数。
如图2所示，计算生态健康指数EHI；基于南京市浦口区国控点2015年逐日AQI指数资料、大气降尘监测点及大气降水监测点得知，AQI指数均值为94.64，其中2015年1月份AQI指数最高，达到122.77；大气降尘量均值为6.21t/km2；大气降水PH值均值为5.87。
确定空气相对湿度RH；根据气象观测资料显示，浦口区2015年的年均相对湿度为72.03％。确定负氧离子浓度NOIC；利用EPEX品牌的EP050系列便携式大气负离子检测仪对负氧离子浓度进行观测，根据浦口区4个固定监测点结果显示，浦口区2015年均NOIC浓度为621.78个/cm3。确定植被覆盖指数NDVI；依据MODIS浦口区行列号h28v05下载2015年MODIS-NDVI遥感产品数据MOD13A1，空间分辨率为500m。首先采用MRT软件对原始数据作投影转换处理，得到TIFF格式的影像，然后利用GIS、ENVI等软件对MODIS-NDVI数据进行镶嵌、裁剪和投影等预处理。最终得到浦口区的矢量数据并获取得到区域的植被覆盖指数，得到2015年均NDVI指数为0.4324。确定湿润指数K；根据浦口区气象站提供的气象数据，对气象数据进行处理得到月平均降水、气温、风速等数据，根据彭曼公式计算得到月潜在蒸散ETi，利用反距离权重插值工作将ETi处理成栅格数据，并采用克里金插值和样条插值方法得到两个气象要素图层，最后通过栅格计算器按照步骤(c)中公式得到2015年湿润指数为0.51。
计算生态健康、宜居指数EHLI；通过以上数据确定浦口区乡村生态健康、生态宜居的各项指标指数，用层次分析法(AHP)确定各项指标权重，并用EHI、ELI修正系数乘以指标权重数，即为生态健康、宜居指数：由此计算得到浦口EHLI，根据EHLI值反映健康、宜居性，其中1～0.8为非常宜居；0.8～0.6宜居；0.6～0.4为中等；0.4～0.2为较不宜居；0.2～0为极不宜居。由此计算得到2015年浦口区EHLI值为0.66。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于智能设备的生态健康宜居气象分析系统，其特征在于：包含
生态健康指数模块，用于确定生态健康指数EHI；
生态宜居指数模块，用于确定生态宜居指数ELI；
指数权重模块，对生态健康和生态宜居的各项指标数据进行归一化处理；
宜居气象计算分析模块，计算区域生态健康、宜居性指数值EHLI并展示宜居气象结果。
2.按照权利要求1所述的一种基于智能设备的生态健康宜居气象分析系统，其特征在于：所述生态健康指数EHI包含空气质量指数AQI、大气降尘量AD和大气降水PH值PHpre。
3.按照权利要求1所述的一种基于智能设备的生态健康宜居气象分析系统，其特征在于：所述生态宜居指数ELI包含空气相对湿度RH、负氧离子含量NOIC、植被覆盖指数NDVI和湿润指数K。
4.按照权利要求3所述的一种基于智能设备的生态健康宜居气象分析系统，其特征在于：所述空气相对湿度RH为系统读取的基于气象站点所提供的月均相对湿度值。
5.按照权利要求3所述的一种基于智能设备的生态健康宜居气象分析系统，其特征在于：所述负氧离子含量NOIC由系统读取当地气象局实时监测数据或者系统获取输入的实验监测数据。
6.按照权利要求3所述的一种基于智能设备的生态健康宜居气象分析系统，其特征在于：所述植被覆盖指数NDVI，系统读取MODIS卫星的NDVI遥感数据，系统调用MRT软件对NDVI遥感数据进行格式转变和波段合成，调用ENVI软件将格式转变后的遥感数据进行波段运算，最后调用ArcGIS的局部分析对NDVI数据逐年求平均值，区域植被覆盖指数NDVI。
7.按照权利要求3所述的一种基于智能设备的生态健康宜居气象分析系统，其特征在于：所述湿润指数K的表达式为K＝P/ET，其中P为月均降水量，ET为潜在蒸散，基于区域气象站点提供的降水月均值数据，根据ArcGIS对P和ET进行空间插值得到两个要素图层，并利用栅格计算器得到湿润指数K。
8.按照权利要求1所述的一种基于智能设备的生态健康宜居气象分析系统，其特征在于：所述指数权重模块处理过程为
当指标为正向指标时：yij＝(xij-min xij)/(max xij-min xij)
当指标为负向指标时：yij＝(max xij-xij)/(max xij-min xij)
其中，max xij，min xij分别为第i年的第j个指标的最大值和最小值，xij为第i年的第j个评价指标值,yij为经过归一化处理的第i年的第j个评价指标值；对数据归一化后采用变异系数法确定生态健康指数权重WEHI、生态宜居指数权重WELI；
对各项指标的变异系数来衡量各项指标取值的差异程度，其计算公式为
其中，Vi表示第i项指标的变异系数，σi和分别为第i项指标的标准差和平均值；
其权重值Wi计算公式为
9.按照权利要求1所述的一种基于智能设备的生态健康宜居气象分析系统，其特征在于：所述宜居气象计算分析模块计算区域生态健康、宜居性指数值EHLI，其计算公式为
其中，ai、bi分别为生态健康指数EHI、生态宜居指数ELI中各项指标的归一化值；Wi为对应各层指标的权重，k为生态健康和生态宜居修正系数，并基于加权指数法计算区域EHLI；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20191129 |
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