CN112132418A - 基于高分辨率遥感影像的自然保护地生态环境评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于高分辨率遥感影像的自然保护地生态环境评价方法，包括：构建自然保护地生态环境评价指标，包括一级指标和二级指标，一级指标包括生态系统格局、气候响应系统和人类活动生态胁迫；生态系统格局包括的二级指标有景观多样性指数、景观聚集度指数、景观连接度指数和生态用地面积占比；气候响应系统包括的二级指标有年降水量、地表平均温度和植被覆盖度；人类活动生态胁迫包括的二级指标有综合人类扰动指数和污染气体排放；对评价指标进行等级划分以及权重划分；基于等级赋值和权重构建评价模型，得到自然保护地生态环境质量等级。能够实现对自然保护区生态环境质量快速评价，有利于快速掌握自然保护区生态环境状况。

Description

基于高分辨率遥感影像的自然保护地生态环境评价方法
技术领域
本发明涉及自然保护地评估技术领域，更具体的说是涉及一种基于高分辨率遥感影像的自然保护地生态环境评价方法。
背景技术
自然保护地是以具有代表性的区域自然生态系统、珍稀濒危野生动植物物种、特殊意义自然遗迹等特殊保护对象存在的陆地和水域为基础，划出一定面积予以特殊保护和管理的区域，是各国家推进生态文明建设、构建国家生态安全屏障的重要载体，对人类生存和福祉具有重要意义。
然而，在过去30年里，由于气候变化、人口增长和人类发展的影响，另外再加上自然保护地的管理不善和保护政策缺位，导致自然保护地的破坏量翻了一倍。其科学价值也正在下降甚至消失。实现自然保护区生环境质量快速评价，并掌握其变化趋势，对于自然保护地保护，保证物种多样性、生态系统多样性等的可持续利用具有重要的意义。
因此，如何提供一种基于高分辨率遥感影像的自然保护地生态环境评价方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于高分辨率遥感影像的自然保护地生态环境评价方法，能够实现对自然保护区生态环境质量快速评价，有利于快速掌握自然保护区生态环境状况，对自然保护区保护，保证物种多样性、生态系统多样性等的可持续利用具有重要的意义，评价结果也是保护区保护战略编制的重要基础资料。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于高分辨率遥感影像的自然保护地生态环境评价方法，包括：
步骤1：构建自然保护地生态环境评价指标，
步骤2：对评价指标进行等级划分以及权重划分；
步骤3：基于等级赋值和权重构建评价模型，得到自然保护地生态环境质量等级。
进一步，所述评价指标包括一级指标和二级指标，所述一级指标包括生态系统格局、气候响应系统和人类活动生态胁迫；
所述生态系统格局包括的所述二级指标有景观多样性指数、景观聚集度指数、景观连接度指数和生态用地面积占比；
所述气候响应系统包括的所述二级指标有年降水量、地表平均温度和植被覆盖度；
所述人类活动生态胁迫包括的所述二级指标有综合人类扰动指数和污染气体排放。
进一步，基于遥感土地利用数据计算所述景观多样性指数、所述景观聚集度指数、所述景观连接度指数、所述生态用地面积占比和所述综合人类扰动指数；
所述景观多样性指数具体计算公式为：
Figure BDA0002663582550000021
其中，H景观为多样性指数，Pi为景观类型i所占面积的比例，m为景观类型总数；
所述景观聚集度指数具体计算公式为：
Figure BDA0002663582550000022
其中，AI表示聚集度指数，Pi为景观中i类斑块所占比例；gik为斑块i与斑块k相邻的多边形数目，m为景观中斑块类型总数，包括景观边界；
所述景观连接度指数具体计算公式为：
Figure BDA0002663582550000031
其中，I表示景观连接度指数，n表示景观中绿地斑块总数，ai和aj分别表示绿地斑块i和斑块j的面积，nlij表示斑块i和斑块j之间的连接数，AL表示研究区总面积；
所述生态用地面积占比具体计算公式为：
Figure BDA0002663582550000032
其中，P生态用地面积占比，Si表示第i类土地覆盖类型面积，S表示区域总面积；
所述综合人类扰动指数具体计算公式为：
Figure BDA0002663582550000033
其中，D为综合人类扰动指数，Ai表示第i级土地覆盖类型的人类扰动程度分级指数，Pi表示第i级土地覆盖类型面积所占百分比。
进一步，将计算出的全部所述二级指标进行等级划分，等级划分为差、较差、中等、良和优，分别赋值为1、3、5、7、9，得到全部所述二级指标的等级赋值。
进一步，根据所述一级指标的相对重要性，采用层次分析法确定所述二级指标的权重。
进一步，基于所述二级指标的等级赋值和所述二级指标的权重构建评价模型：
Figure BDA0002663582550000041
其中，Bi为各二级指标等级赋值，Wi为各二级指标权重，且W1+W2+…+Wi＝1，n表示总的二级指标个数，S为评价值。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于高分辨率遥感影像的自然保护地生态环境评价方法，能够实现对自然保护区生态环境质量快速评价，且能够全面反映出生态环境状况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为基于高分辨率遥感影像的自然保护地生态环境评价方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种基于高分辨率遥感影像的自然保护地生态环境评价方法，如图1所示，包括：
步骤1：构建评价指标体系，包括一级指标和二级指标，如表1所示：
表1自然保护区生态环境质量评价指标体系
Figure BDA0002663582550000051
二级指标包括景观多样性指数、景观聚集度指数、景观连接度指数、生态用地面积占比、年降水量、地表平均温度、植被覆盖度、综合人类扰动指数和污染气体(NO2)排放，9个相互独立且相互补充的评价指标。
其中，基于遥感土地利用数据计算所述景观多样性指数、所述景观聚集度指数、所述景观连接度指数、所述生态用地面积占比和所述综合人类扰动指数，基于遥感降水产品利用现有算法计算年降水量，基于遥感地表温度数据利用现有算法计算地表平均温度，基于遥感植被覆盖度数据利用现有算法计算植被覆盖度，基于遥感污染物排放数据利用现有算法计算污染气体排放，包括NO2的排放量。
①景观多样性指数
景观多样性指数指景观元素在结构、功能以及随时间变化方面的多样性，它能够反映景观类型的丰富度和复杂度。具体计算公式为：
Figure BDA0002663582550000052
H景观为多样性指数，Pi为景观类型i所占面积的比例，m为景观类型总数；H值的大小反映景观要素的多少和各景观要素所占比例的变化。H值越大，表示景观多样性越大。当景观是由单一要素构成时，景观是均质的，其多样性指数为0；由两个以上的要素构成的景观，当各景观类型所占比例相等时，其景观的多样性为最高；各景观类型所占比例差异增大，则景观的多样性下降。随着景观多样性指数的增加，景观结构组成成分的复杂性越大，景观类型越多，占地比例越均匀，生态结构越稳定。
本发明景观连接度描述了自然保护地内结构对生态流扩散移动的促进或阻碍作用，对局地物质、能量、信息传递等生态过程产生影响，全面体现了生态环境状况对格局的响应，解决了现有算法主要从社会、经济和生态评价自然保护地生态环境状况，无法体现生态环境状况对格局的响应。
②景观聚集度指数
景观聚集度反映景观中不同斑块类型的非随机性或聚集程度。其计算公式如下：
Figure BDA0002663582550000061
Pi为景观中i类斑块所占比例；gik为斑块i与斑块k相邻的多边形数目，m为景观中斑块类型总数，包括景观边界，AI表示聚集度指数，取值范围为[0,100]，AI的取值越大，则代表景观由少数团聚的大斑块组成，AI＝100，表明景观类型高度聚集，景观由单一类型组成；AI取值越小，代表景观由许多小斑块组成，AI＝0，表明景观类型高度分散。
③综合人类扰动指数
综合人类扰动指数值的大小综合反映了某一地区人类对生态系统的扰动程度，计算方法如下：
Figure BDA0002663582550000062
D为综合人类扰动指数，范围为[0,1]，Ai表示第i级土地覆盖类型的人类扰动程度分级指数，Pi表示第i级土地覆盖类型面积所占百分比。人类扰动指数值越高，代表人类对该评价单元的扰动程度越高。不同土地覆盖类型的综合人类扰动指数分级表如下：
表2土地覆盖类型综合人类扰动指数分级表
Figure BDA0002663582550000071
④景观连接度指数
景观连接度指数是景观空间结构单元间连续性的度量，包括结构连接度和功能连接度，计算方法如下：
Figure BDA0002663582550000072
I表示景观连接度指数，n表示景观中绿地斑块总数，ai和aj分别表示绿地斑块i和斑块j的面积，nlij表示斑块i和斑块j之间的连接数，AL表示研究区总面积；
⑤生态用地面积占比
生态面积占比的大小综合反映了某一地区生态用地面积占区域面积相对大小，计算方法如下：
Figure BDA0002663582550000073
P生态面积占比，Si表示第i类土地覆盖类型面积，包括湿地、林地和草地这三类土地覆盖类型面积，S表示区域总面积，范围为[0,1]。生态用地面积占比数值越大，表示生态用地面积比例越高。
步骤2：对二级指标进行等级标准划分
污染气体排放则参考国家环境空气质量标准，其它指标则根据其指数等间距划分，等级划分由差到优分别赋值为1、3、5、7、9。
以温带地区为例，其植被以热带植被为主，气候指标分级标准参考热带植物气候喜好，如表3所示。
表3自然保护区生态环境质量评价指标量化标准
Figure BDA0002663582550000081
步骤3：对二级指标进行权重划分
首先利用现有算法确定每个一级指标的相对重要性，然后对一级指标采用层次分析法(AHP)确定各评价指标权重。
层次分析法可以分为4个步骤：首先，建立问题的递阶层次结构，确定目标层、中间层和指标层：其次，构造两两比较判断矩阵，并计算判断矩阵的特征根与特征向量，得到本层次因子对于上一层次某因子相互之间的权重；再次，计算单一准则下元素的相对权重及一致性检验；最后，计算各层元素的组合权重并进行一致性检验。由于二级指标是一级指标不同方面的描述，故同一级指标下二级指标采用等权方法确定权重。
表4自然保护区生态环境质量评价指标权重
Figure BDA0002663582550000082
Figure BDA0002663582550000091
步骤4：构建评价模型
评价模型计算公式为:
Figure BDA0002663582550000092
Bi为各二级指标等级赋值，Wi为各二级指标权重，且W1+W2+…+Wi＝1，n表示总的二级指标个数，S为评价值。
评价结果借助ArcGIS软件对每个因子的相关数据进行量化处理，并采用自然断点法划分为5(较差、差、中等、良和优)个自然保护区生态环境质量等级。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.基于高分辨率遥感影像的自然保护地生态环境评价方法，其特征在于，包括：
步骤1：构建自然保护地生态环境评价指标；
步骤2：对评价指标进行等级划分以及权重划分；
步骤3：基于等级赋值和权重构建评价模型，得到自然保护地生态环境质量等级。
2.根据权利要求1所述的基于高分辨率遥感影像的自然保护地生态环境评价方法，其特征在于，所述评价指标包括一级指标和二级指标，所述一级指标包括生态系统格局、气候响应系统和人类活动生态胁迫；
所述生态系统格局包括的所述二级指标有景观多样性指数、景观聚集度指数、景观连接度指数和生态用地面积占比；
所述气候响应系统包括的所述二级指标有年降水量、地表平均温度和植被覆盖度；
所述人类活动生态胁迫包括的所述二级指标有综合人类扰动指数和污染气体排放。
3.根据权利要求2所述的基于高分辨率遥感影像的自然保护地生态环境评价方法，其特征在于，基于遥感土地利用数据计算所述景观多样性指数、所述景观聚集度指数、所述景观连接度指数、所述生态用地面积占比和所述综合人类扰动指数；
所述景观多样性指数具体计算公式为：
Figure FDA0002663582540000011
其中，H景观为多样性指数，Pi为景观类型i所占面积的比例，m为景观类型总数；
所述景观聚集度指数具体计算公式为：
Figure FDA0002663582540000021
其中，AI表示聚集度指数，Pi为景观中i类斑块所占比例；gik为斑块i与斑块k相邻的多边形数目，m为景观中斑块类型总数，包括景观边界；
所述景观连接度指数具体计算公式为：
Figure FDA0002663582540000022
其中，I表示景观连接度指数，n表示景观中绿地斑块总数，ai和aj分别表示绿地斑块i和斑块j的面积，nlij表示斑块i和斑块j之间的连接数，AL表示研究区总面积；
所述生态用地面积占比具体计算公式为：
Figure FDA0002663582540000023
其中，P生态用地面积占比，Si表示第i类土地覆盖类型面积，S表示区域总面积；
所述综合人类扰动指数具体计算公式为：
Figure FDA0002663582540000024
其中，D为综合人类扰动指数，Ai表示第i级土地覆盖类型的人类扰动程度分级指数，Pi表示第i级土地覆盖类型面积所占百分比。
4.根据权利要求3所述的基于高分辨率遥感影像的自然保护地生态环境评价方法，其特征在于，将计算出的所述二级指标进行等级划分，等级划分为差、较差、中等、良和优，分别对应赋值为1、3、5、7、9，得到全部所述二级指标的等级赋值。
5.根据权利要求4所述的基于高分辨率遥感影像的自然保护地生态环境评价方法，其特征在于，根据所述一级指标的相对重要性，采用层次分析法确定对应的所述二级指标的权重。
6.根据权利要求4所述的基于高分辨率遥感影像的自然保护地生态环境评价方法，其特征在于，基于所述二级指标的等级赋值和所述二级指标的权重构建评价模型：
Figure FDA0002663582540000031
其中，Bi为各二级指标等级赋值，Wi为各二级指标权重，且W1+W2+…+Wi＝1，n表示总的二级指标个数，S为评价值。
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