CN113269403B - 一种支持生境双向变化的景观连通度获取方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种支持生境双向变化的景观连通度获取方法及系统，包括以下步骤：获取遥感卫星影像时空数据；对影像时空数据进行预处理，获得研究区土地利用空间格局；根据土地利用空间格局，计算生境景观连通度。本发明通过遍历每个栅格单元计算景观连通度，可以直观和可视化的表示区域生态系统的连接特征，体现生境的迁入和迁出，反映生态环境的破坏与重建，达到从景观结构和景观功能上双向评估生境连通度的效果。

Description

一种支持生境双向变化的景观连通度获取方法及系统
技术领域
本发明属于景观生态学领域，特别涉及一种支持生境双向变化的景观连通度获取方法及系统。
背景技术
生态系统类型转变、自然景观由连续的地带性转变为不连续的镶嵌斑块，导致生物生境景观破碎、栖息地丧失，这种生态破碎化严重影响景观生态过程和生态调节能力(即生境退化)。植被恢复作为景观格局变化的一种表现，可以改善生态系统结构和景观生态过程，提高生态调节能力，是区域生态恢复和重建的主要环节(即生境改善)。生境景观连通度是对景观空间结构单元相互之间连续性的度量,是表征景观格局及生态过程完整性的重要指标。通过土地利用数据建立生境破碎格局与植被信息间的有效连接来研究景观连通程度，可为合理开展区域生态保护和建设提供一种重要途径。
目前，景观格局指数法和图论功能连接度指数法在评价植物种群的景观连通度中应用最广泛。而通过景观格局指数计算的景观破碎度虽可以直观明了地评估生态景观破坏和连通度降低情况，但当把它用于评估生态恢复过程中生态景观格局改变情况时，会因计算的斑块数增加(如植树造林、退耕还林草)，使得景观破碎度加剧，从而无法反应生态恢复导致的生态改善情况。图论法是目前研究大尺度区域景观连通度的主要手段，它不仅考虑了物种迁移等生态过程，而且可以分析景观要素的连接重要性。但基于图论的景观连通度计算依赖距离阈值，只有适宜阈值下的景观连通度才能有效寻找出生境破碎区域，反映区域景观连通度水平，而适宜距离阈值与生态过程和景观格局相互作用机制在当前的研究中仍不明确。因此，基于图论法计算的连通度指数存在很大的不确定性，且计算公式也较复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种支持生境双向变化的景观连通度获取方法及系统，以解决上述问题。
与现有技术相比，本发明采用以下技术方案：
一种支持生境双向变化的景观连通度获取方法，包括以下步骤：
获取遥感卫星影像数据；
对影像数据进行预处理，获得研究区土地利用空间格局；
根据土地利用空间格局，计算生境景观连通度：基于生境可利用性，选取研究区作为生境的生态用地，当该生态用地面积增加，认为生态系统得到修复和重建，认为生境景观连通度提高；反之，认为生境趋向破碎化，景观连通度降低。
进一步的，预处理具体为：根据遥感图像处理平台ENVI或地理数据分析平台ARCGIS对影像数据依次进行辐射定标、大气校正、波段融合、影像镶嵌和裁剪步骤。
进一步的，预处理后的数据根据研究区实际土地覆被情况确定土地利用类型，基于人机交互式解译对预处理后的影像进行地类信息的提取，获得研究区土地利用空间格局。
进一步的，根据土地利用类型，将林地和草地视为生物的生境，耕地、建设用地以及未利用地视为生境景观连通度的阻力因子；选取研究区林地和草地作为自然生境，对该区域生境景观连通度进行计算，当土地利用类型由耕地、建设用地、裸地转变为林地和草地或者由草地转变为林地，认为生境景观连通度提高，反之，生境趋向破碎化。
进一步的，根据土地利用栅格数据计算景观连通度，采用赋值的方法，通过遍历每个生态系统类型栅格单元进行判断并赋值。
进一步的，若土地利用栅格的属性属于生物生境，则该栅格的景观连通度被赋值1/9，中心栅格的景观连通度等于该栅格及其相邻8个栅格单元景观连通度之和，计算的景观连通度最大值为1。
进一步的，具体计算方法：
土地利用栅格(i，j)，用A表示景观连通度；
若栅格(i，j)的属性属于生物生境，用Y表示；否则，用N表示；
若VALUE(i，j)＝Y，令A(i，j)＝1/9；
当VALUE(Xn)＝Y，令A(Xn)＝1/9；
当VALUE(Xn)＝N，令A(Xn)＝0；n的范围为1～8；
综上，A(i，j)＝1/9+1/9*m，其中m为X1～X8中属于生物生境的栅格个数,1≤m≤8；
若VALUE(i，j)＝N，则栅格(i，j)不参与计算，A(i，j)＝0；
根据每个土地利用栅格对应连通度指数，以生境连通度空间图的形式展示出来。
进一步的，一种支持生境双向变化的景观连通度获取系统，包括：
遥感卫星影像数据获取模块用于获取遥感卫星影像数据；
预处理模块用于对影像数据进行预处理，获得研究区土地利用空间格局；
生境景观连通度计算模块用于根据土地利用空间格局，计算生境景观连通度：基于生境可利用，选取研究区作为生境的生态用地，当该生态用地面积增加，认为生态系统得到修复和重建，认为生境景观连通度提高；反之，认为生境趋向破碎化，景观连通度降低。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明通过遍历每个栅格单元计算景观连通度，不仅直观和可视化的表示区域生态系统的连接特征，体现生境的迁入和迁出，反映生态环境的破坏与重建，达到从景观结构和景观功能上双向评估生境连通度的效果；同时，该方法可以应用于不同区域尺度上，需求的数据量少，具有通用、简便、易理解的特点。发展该简洁、高效的景观连通度计算方法可有效评估景观变化对区域生境连续性的影响，为合理开展区域生态保护和建设提供重要手段。
通过预处理减少多种原因造成影像的辐射度失真、几何变形以及影像与地形坐标系统不统一等传感器本身产生的误差。通过预处理后得到研究区质量更高、更加清晰的影像数据，便于下一步土地利用信息的识别和提取。
附图说明
图1为土地利用栅格数据的样例图；
图2为本发明技术方法的流程图；
图3为本发明实施例中土地利用类型空间分布图；
图4为本发明实施例中计算得到生境景观连通度空间分布图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1至图4，本发明提出一种通用的表征生态双向变化的景观连通度计算方法，着重解决现有技术中景观指数计算复杂，难表征的特点。以下描述和附图充分展示了本发明的具体实施方案，以使本领域的科研和管理人员能够有效实践。实施例中仅采取了本发明的技术方案，且单独的部件和功能是可选、可改动的。参照图2的技术路线图，选用两期不同年份的土地利用数据，应用该方法对研究区生境景观连通度进行计算和分析。具体步骤包括：
第一步：获得研究区域的土地利用时空信息
①获取覆盖研究区的遥感卫星影像数据；
②对研究区遥感影像数据进行辐射定标、大气校正、波段融合、影像镶嵌和裁剪等预处理，根据对研究区实际土地覆被情况的了解，采用《土地利用现状分类》标准将土地利用分类为5种(如表1所示)，根据人机交互式解译获得研究区土地利用信息，如图3所示。
Figure BDA0003045461390000041
第二步：研究区生境景观连通度计算
基于生境可利用的观点，通常将林地和草地认为是生物的主要生境，耕地、建设用地以及裸地等视为生境景观连通度的阻力因子。选取研究区林地和草地作为自然生境，以整个研究区作为环境背景，对该区域生境景观连通度进行计算，用于评价研究区景观生态安全格局。当土地利用类型由耕地、建设用地、裸地转变为林地和草地或者由草地转变为林地，认为生境景观连通度提高，反之，生境趋向破碎化。本发明根据研究区的两期土地利用空间数据，采用赋值的方法，通过遍历每个生态系统类型栅格单元进行判断，对林、草生境的景观连通度进行赋值，具体赋值方法：
土地利用类型栅格用(i，j)来表示，A表示栅格(i，j)的景观连通度；
①若VALUE(i，j)＝2，令A(i，j)＝1/9；
当VALUE(Xn)＝2，令A(Xn)＝1/9；
当VALUE(Xn)＝3，令A(Xn)＝1/18；
当VALUE(Xn)＝1或4或6，令A(Xn)＝0；n的范围为1～8；
综上，A(i，j)＝1/9+1/9*m+1/18*p，其中m为X1～X8中属性为2的栅格个数，p为X1～X8中属性为3的栅格个数，1≤m≤8，1≤p≤8。
②若VALUE(i，j)＝3，令A(i，j)＝1/9；
当VALUE(Xn)＝2或3，令A(Xn)＝1/9；
当VALUE(Xn)＝1或4或6，令A(Xn)＝0；n的范围为1～8；
综上，A(i，j)＝1/9+1/9*m，其中m为X1～X8中属性为2或3的栅格个数，1≤m≤8。
③当VALUE(i，j)＝1或4或6，则栅格(i，j)不参与计算，A(i，j)＝0。
综上，研究区的生境景观连通度范围为0～1。
针对不同的研究目的确定生物生境，本研究根据土地利用类型来判定是否为生物生境，认为林地和草地两种土地利用类型为生物生境，其他来土地利用类型为非生物生境。
本实施例中土地利用数据见下图3，输出的生境景观连通度空间图见下图4。可以看出在退耕还林草等生态修复措施的实施下，从2009到2018年，研究区的生境景观连通度明显提高，从0.23增加至0.29，说明研究区整体上生境改善，这与事实吻合。然而，从两期景观格局指数变化来看(如表2所示)，斑块数量和分离度增加，最大斑块指数、平均斑块面积、连接度和聚集度减小，这些景观指数的变化情况都反映了景观破碎程度加剧，生境变坏。可见，尽管由于生态恢复措施(林草地面积明显增加)，但因增加的林草面积没有与原来的林草面积相连，而导致用景观格局指数来评价时所得出生境质量退化的结论，这与事实相背。因此，本发明更能切合实际的反映出生物生境质量双向变化情况。
表2实施例中研究区景观格局指数
Figure BDA0003045461390000061

Claims (4)

1.一种支持生境双向变化的景观连通度获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取遥感卫星影像数据；
对影像数据进行预处理，获得研究区土地利用空间格局；
根据土地利用空间格局，计算生境景观连通度：基于生境可利用性，选取研究区作为生境的生态用地，当该生态用地面积增加，认为生态系统得到修复和重建，认为生境景观连通度提高；反之，认为生境趋向破碎化，景观连通度降低；
土地利用分类为5种：林地、草地、耕地、建设用地和未利用地；将林地和草地作为生物的生境，耕地、建设用地以及未利用地视为生境景观连通度的阻力因子；选取研究区林地和草地作为自然生境，对自然生境区域生境景观连通度进行计算，当土地利用类型由耕地、建设用地、裸地转变为林地和草地或者由草地转变为林地，认为生境景观连通度提高，反之，生境趋向破碎化；
根据土地利用栅格数据计算景观连通度，采用赋值的方法，通过遍历每个生态系统类型栅格单元进行判断并赋值；
若土地利用栅格的属性属于生物生境，则该栅格的景观连通度被赋值1/9，中心栅格的景观连通度等于该栅格及其相邻8个栅格单元景观连通度之和，计算的景观连通度最大值为1；
具体计算方法：
土地利用栅格（i，j），用A表示景观连通度；
若栅格（i，j）的属性属于生物生境，用Y表示；否则，用N表示；
若VALUE（i，j）= Y，令A（i，j）= 1/9；
当VALUE（Xn）= Y，令A（Xn）= 1/9；
当VALUE（Xn）= N，令A（Xn）= 0；n的范围为1~8；
综上，A（i，j）= 1/9 + 1/9 * m，其中m为X1~ X8中属于生物生境的栅格个数，1≤m≤8；
若VALUE（i，j）= N，则栅格（i，j）不参与计算， A（i，j）= 0；
根据每个土地利用栅格对应连通度指数，以生境连通度空间图的形式展示出来。
2.根据权利要求1所述的一种支持生境双向变化的景观连通度获取方法，其特征在于，预处理具体为：根据遥感图像处理平台ENVI或地理数据分析平台ARCGIS对影像数据依次进行辐射定标、大气校正、波段融合、影像镶嵌和裁剪步骤。
3.根据权利要求1所述的一种支持生境双向变化的景观连通度获取方法，其特征在于，预处理后的数据根据研究区实际土地覆被情况确定土地利用类型，基于人机交互式解译对预处理后的影像进行地类信息的提取，获得研究区土地利用空间格局。
4.一种支持生境双向变化的景观连通度获取系统，其特征在于，包括：
遥感卫星影像时空数据获取模块用于获取遥感卫星影像数据；
预处理模块用于对影像数据进行预处理，获得研究区土地利用空间格局；
生境景观连通度计算模块用于根据土地利用空间格局，计算生境景观连通度：基于生境可利用性，选取研究区作为生境的生态用地，当该生态用地面积增加，认为生态系统得到修复和重建，认为生境景观连通度提高；反之，认为生境趋向破碎化，景观连通度降低；
土地利用分类为5种：林地、草地、耕地、建设用地和未利用地；将林地和草地作为生物的生境，耕地、建设用地以及未利用地视为生境景观连通度的阻力因子；选取研究区林地和草地作为自然生境，对自然生境区域生境景观连通度进行计算，当土地利用类型由耕地、建设用地、裸地转变为林地和草地或者由草地转变为林地，认为生境景观连通度提高，反之，生境趋向破碎化；
根据土地利用栅格数据计算景观连通度，采用赋值的方法，通过遍历每个生态系统类型栅格单元进行判断并赋值；
若土地利用栅格的属性属于生物生境，则该栅格的景观连通度被赋值1/9，中心栅格的景观连通度等于该栅格及其相邻8个栅格单元景观连通度之和，计算的景观连通度最大值为1；
具体计算方法：
土地利用栅格（i，j），用A表示景观连通度；
若栅格（i，j）的属性属于生物生境，用Y表示；否则，用N表示；
若VALUE（i，j）= Y，令A（i，j）= 1/9；
当VALUE（Xn）= Y，令A（Xn）= 1/9；
当VALUE（Xn）= N，令A（Xn）= 0；n的范围为1~8；
综上，A（i，j）= 1/9 + 1/9 * m，其中m为X1~ X8中属于生物生境的栅格个数，1≤m≤8；
若VALUE（i，j）= N，则栅格（i，j）不参与计算， A（i，j）= 0；
根据每个土地利用栅格对应连通度指数，以生境连通度空间图的形式展示出来。
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