CN113327042A - 一种区域生态系统修复需求的快速划分方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种区域生态系统修复需求的快速划分方法，选择生态功能退化、生态系统服务供需失衡的地区作为试验区，对获取的遥感数据进行影像预处理、监督分类操作；选择能够表征贡献力的水源涵养、固碳释氧评价指标、表征恢复力的生境质量、恢复力系数评价指标、表征组织力的景观异质性、景观连通性评价指标建立生态源地识别体系；利用MCR形成累积阻力面，基于连接度模型的电路理论模型提取生态廊道、生态节点、障碍区等；结合泰森多边形、社区挖掘算法识别生态盲区，通过叠加道路，识别生态廊道断裂区域，最终获取实验区生态修复分区的结果。本发明能快速准确识别出实验区生态系统状况，为生态修复、美丽国土空间格局构建提供顶层设计。
Description
技术领域
本发明涉及生态修复技术领域，具体是指一种区域生态系统修复需求的快速划分方法。
背景技术
加强生态文明建设，推进和落实国土空间规划体系，构建生态廊道和生态网络，统筹山水林田湖草生态保护和修复，不仅是落实生态文明建设的重大战略需求，也是顺应新时期变化的重要举措。为此如何识别能够保障生态安全、维系生态过程具有重要意义的地段？如何量化、准确划分生态系统修复需求？是本技术解决的问题。基于识别生态源地、廊道、节点等要素构建的生态网络，可以直观的把握对，能够为国土空间生态修复提供依据，是目前开展生态保护修复的有效途径。
生态系统服务是自然生态环境在承载能力范围内能够实现其自身可持续发展的前提和保证。快速识别生态受损区域，并划分生态修复分区，采取相关生态修复措施可以一定程度上缓解社会经济的高效运转带来的问题。但是目前生态修复需求划分方法尚未达到共识，本发明提出一种区域生态系统修复需求的快速划分方法。，以期能够为相关研究提供借鉴思路。
技术方案
为了满足上述需求，本发明提供了一种步骤简单，可以准确及时地了解人类活动造成生态环境变化的区域，以及生态环境受损区域，划分生态系统修复需求分区的方法。
为实现上述技术目的，本发明提供：一种区域生态系统修复需求的快速划分方法，所述快速划分方法的步骤如下：
S1:选择生态功能退化、生态系统服务供需失衡的地区作为试验区，获取研究区的遥感影像数据、气象数据以及土壤数据，利用ENVI软件进行影像预处理、监督分类操作；
S2:从当地的实际情况入手，选择能够表征贡献力的水源涵养、固碳释氧评价指标、表征恢复力的生境质量、恢复力系数评价指标、表征组织力的景观异质性、景观连通性评价指标建立生态源地识别体系，并利用InVEST软件、CASA模型软件进行计算；
S3:提取生态廊道、生态节点、障碍区，利用最小累积阻力模型形成累积阻力面，基于连接度模型的电路理论模型提取生态廊道；依据通过单个像元的电流密度识别廊道中的重要要素，来判别出廊道中的夹点区域；结合研究区景观斑块的大小，确定搜索半径，利用circuitscape软件识别出对研究区修复有重要作用的障碍区域；
S4:结合泰森多边形、社区挖掘算法进行生态节点分区，通过计算生态节点的生态功能与结构比值，识别待修复生态盲区；在生态廊道识别的基础上，利用电路理论中障碍区分析，识别待修复障碍区；通过叠加道路，识别生态廊道断裂区域，最终获取实验区生态修复分区的结果。
作为改进，利用监督分类方法将预处理后影像分为耕地、水域、园林地、草地、其他土地以及建设用地六类。
作为改进，在S2中，所述贡献力的水源涵养计算公式为：
Y(x)是每个栅格单元x的年产水量，AET(x)为栅格单元x的年实际蒸散量，P(x)为栅格单元x的年降水量。水量平衡公式中，土地利用/覆被类型的植物蒸散发量AET(x)/P(x)计算。Retention为水源涵养量，单位为mm；Ksat为土壤饱和导水率，单位为mm/d，可以利用土壤传递函数得出；Velocity是流速系数，以USDANRCS提供的国家工程手册上的流速-坡度-景观表格为基准,乘以1000得到出；TI为地形指数，无量纲；
贡献力的固碳释氧计算公式为：
NPP(x,t)＝APAR(x,t)×ε(x,t)
式中，APAR(x,t)表示栅格单元x在t月所吸收的光合有效辐射单位为gC·m-2·month-1，ε(x,t)表示栅格单元x在t月的实际光能利用率单位为gC·MJ-1。
作为改进，所述恢复力的生境质量计算公式为：
式中，Qxj是指用地类型j中栅格单元x的生境质量；Hj是用地类型j中栅格单元x的生境适宜性；Dxj是用地类型j中栅格单元x的生境受胁迫水平；k为半饱和常数，通常为Dxj最大值的一半；z为归一化常量，模型设置默认数值为2.5；
组织力的景观异质性计算公式为：
SHEI＝SHDIIn(m)
JGYZX＝0.5*SHDI+0.25*SHEI+0.25*D
式中，JGYZX为景观异质性，SHDI为香农多样性指数，SHEI为香农均匀度指数，D为优势度指数；m为总的物种数；pi为第i个物种占总数的比例；
将dIIC、dPC的细化分指标作为景观连通性判定依据，评价研究区斑块的连通性状况，计算公式如下：
dIICk＝dIICink+dIICfluk+dIICconk
dPCk＝dPCink+dPCfluk+dPCconk
式中：dIICink/dPCink表示斑块k对自身连接性的贡献，dIICfluk/dPCfluk表示斑块k自身属性的权重，dIICconk/dPCconk表示斑块k与其他斑块间的相互连接作用。
作为改进，在S3中，利用最小累积阻力模型构建生态阻力面计算公式如下：
式中，MCR为生态源斑块j扩散至某点的最小累积阻力值，Dij为物种从生态源地j到空间某一点所穿越的基面i空间距离，Ri为斑块i对生态过程或物种运动的基本阻力。
作为改进，在S3中，利用GIS工具Linkage Mapper判别生态廊道，具体判别方法为：计算综合生态阻力面上所有像元到源地的成本加权距离CWD；将CWD栅格与源地叠加后寻求源地间累积移动成本最小的路径；由路径最小值组成最小成本距离LCD，对应路径为生态廊道。
作为改进，在S3中，利用citcuitscape软件识别夹点和障碍区，具体方法如下：将研究区视为一个导电表面，导电表面上的每个网格都赋予一个反映能量消耗或移动难度的有限值，由多个网格组成的生态源地表示为一个零电阻节点。将一个栖息地接地，其他栖息地分别输入1A的电流，通过迭代运算计算出整个区域最小路径累积电流值，电流值越大区域即为区域的夹点；在构建最小成本距离LCD0的基础上，假定搜索移动窗口(直径为D)像元值降低1个单位，障碍点移除后最小成本距离的值随之下降为LCD1，则整个景观网络的潜在降低值△LCD＝LCD0-LCD1，则改善系数IS＝△LCD/D，将改善系数较大的区域作为障碍区。
作为改进，在S4中，结合泰森多边形、社区挖掘算法，计算模块度、功能重要性、生态重要性，进而划分生态节点区；通过计算生态节点的生态功能与结构比值，识别待修复生态盲区，计算公式如下：
式中，Ein为某一社团中所有路径的边权之和；Etot表示有外部节点连入该社区的所有路径边权之和；ki表示连入节点i的所有路径边权之和；ki,in为从节点i连接到该社区的所有路径边权之和；m是网络中所有路径的边权之和。
作为改进，在生态廊道识别的基础上，通过叠加道路，识别生态廊道断裂区域，最终获取区域生态系统修复需求的空间分布结果。
有益效果：
1)生态网络有利于改善破碎化的生态斑块，促进生境间物质、能量、基因流等运动，在保障生态系统稳定性和维持生态系统连续性方面发挥重要作用。通过构建“源地-廊道-节点”的生态网络结构范式，作为区域生态系统修复需求的快速划分识别方法，能够促进国土空间生态修复从多、乱、散向系统性、整体性、综合性转变；
2)通过构建“源地-廊道-节点”框架的生态系统修复，探讨发展过程中经济发展、生态保护对生态系统服务的影响，识别受损区域，为生态修复区域识别提供理论依据，操作简便，便于实施，能够减少人力、物力的投资，并且得到的结果更具科学性；
3)本发明最终构建一种快速识别出生态系统服务空间方法，基于此种方法可以帮助政府直观把握生态网络关键景观要素分布特征，为研究区美丽国土空间格局构建提供顶层设计。
附图说明
图1为本发明一种区域生态系统修复需求的快速划分方法的流程图。
图2为贡献力-恢复力-组织力评价结果示意图。
图3为生态网络各要素的空间分布示意图。
图4为生态修复分区结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施做进一步说明：
如图1所示，本发明一种区域生态系统修复需求的快速划分方法，快速划分方法的步骤如下：
S1:选择生态功能退化、生态系统服务供需失衡的地区作为试验区，获取研究区的遥感影像数据、气象数据以及土壤数据，利用ENVI软件进行影像预处理、监督分类操作；
S2:从当地的实际情况入手，选择能够表征贡献力的水源涵养、固碳释氧评价指标、表征恢复力的生境质量、恢复力系数评价指标、表征组织力的景观异质性、景观连通性评价指标建立生态源地识别体系，并利用InVEST软件、CASA(Carnegie-Ames-StanfordApproach)模型软件进行计算；
S3:提取生态廊道、生态节点、障碍区，利用MCR(Minimum CumulativeResistance，最小累积阻力模型)形成累积阻力面，基于连接度模型的电路理论模型提取生态廊道；依据通过单个像元的电流密度识别廊道中的重要要素，来判别出廊道中的夹点区域；结合研究区景观斑块的大小，确定搜索半径，利用circuitscape软件识别出对研究区修复有重要作用的障碍区域；
S4:结合泰森多边形、社区挖掘算法进行生态节点分区，通过计算生态节点的生态功能与结构比值，识别待修复生态盲区；在生态廊道识别的基础上，利用电路理论中障碍区分析，识别待修复障碍区；通过叠加道路，识别生态廊道断裂区域，最终获取区域生态系统修复需求的空间分布图，具体见图2、图3和图4中各个步骤识别结果示意图。
具体步骤为：
步骤1：选择生态功能退化、生态系统服务供需失衡的地区作为试验区，获取研究区的遥感影像数据、气象数据以及土壤数据，利用ENVI软件进行影像预处理、监督分类等操作；
具体的选择徐州市贾汪区作为研究区，遥感影像数据类型多，不受限制，可以采用Landsat、QuickBird、sentinel-2、Worldview、SPOT等数据。在本实施例中，以Landsat 8OLI影像为例进行详细描述，过程主要包括步骤1-1至步骤1-2。
步骤1-1：首先对遥感图像进行影像数据预处理操作，包括投影转换、大气校正、辐射定标、融合镶嵌、裁剪，得到预处理后影像。
步骤1-2：遥感影像中地物的形状、颜色等，采用监督分类中的最大似然分类方法和目视解译方法，将土地利用类型归并解译为耕地、水域、园林地、草地、其他土地以及建设用地六类。
步骤2：贡献力的量化以水源涵养、固碳释氧为主
步骤2-1：水源涵养是指在一定的时期范围内，生态系统在自然条件下对水分的保持能力。其计算公式为:
Y(x)是每个栅格单元x的年产水量，AET(x)为栅格单元x的年实际蒸散量，P(x)为栅格单元x的年降水量。水量平衡公式中，土地利用/覆被类型的植物蒸散发量AET(x)/P(x)计算。
步骤2-2：土地利用/覆被类型的植物蒸散发量AET(x)/P(x)计算。其计算公式为：
式中，PET(x)为像元x的年潜在蒸散量(mm)，ω(x)表示自然气候-土壤性质的非物理参数。
步骤2-3：由于计算得到的产水量结果没有考虑地形、土壤因素等的影响，因此需要进行修正，其修正的公式如下：
Retention为水源涵养量(mm)；Ksat为土壤饱和导水率(mm/d)，可以利用土壤传递函数得出；Velocity是流速系数，以USDANRCS提供的国家工程手册上的流速-坡度-景观表格为基准,乘以1000得到出；TI为地形指数，无量纲。
步骤2-4：固碳释氧是生态系统提供的一种重要服务功能，选择改进的CASA模型对实验区固碳释氧进行量化计算。其计算公式如下：
NPP(x,t)＝APAR(x,t)×ε(x,t)
式中，APAR(x,t)表示栅格单元x在t月所吸收的光合有效辐射(gC·m-2·month-1)，ε(x,t)表示栅格单元x在t月的实际光能利用率(gC·MJ-1)。
步骤3：生境质量可以在一定程度上表征区域的恢复能力。依据胁迫因子对不同土地利用类型的敏感性、对外界胁迫情况的强度，考虑到受胁迫因子影响的辐射距离、空间权重等因素，计算出生境质量指数，其计算公式如下：
式中，Qxj是指用地类型j中栅格单元x的生境质量；Hj是用地类型j中栅格单元x的生境适宜性；Dxj是用地类型j中栅格单元x的生境受胁迫水平；k为半饱和常数，通常为Dxj最大值的一半；z为归一化常量，模型设置默认数值为2.5。
步骤4：景观异质性是指景观生态系统在时空方面上呈现出的不均匀性和复杂的程度，选取香农多样性指数(SHDI)、香农均匀度指数(SHEI)、优势度指数(D)来定量描述景观异质性特征。其计算公式如下：
SHEI＝SHDIIn(m)
JGYZX＝0.5*SHDI+0.25*SHEI+0.25*D
式中，JGYZX为景观异质性，SHDI为香农多样性指数，SHEI为香农均匀度指数，D为优势度指数；m为总的物种数；pi为第i个物种占总数的比例。
步骤5：将dIIC、dPC的细化分指标作为景观连通性判定依据，评价研究区斑块的连通性状况，计算公式如下：
dIICk＝dIICink+dIICfluk+dIICconk
dPCk＝dPCink+dPCfluk+dPCconk
式中：dIICink/dPCink表示斑块k对自身连接性的贡献，dIICfluk/dPCfluk表示斑块k自身属性的权重，dIICconk/dPCconk表示斑块k与其他斑块间的相互连接作用。
步骤6：利用最小累积阻力模型构建生态阻力面计算公式如下：
式中，MCR为生态源斑块j扩散至某点的最小累积阻力值，Dij为物种从生态源地j到空间某一点所穿越的基面i空间距离，Ri为斑块i对生态过程或物种运动的基本阻力。
步骤7：利用GIS工具Linkage Mapper判别生态廊道，具体判别方法为：1)计算综合生态阻力面上所有像元到源地的成本加权距离CWD；2)将CWD栅格与源地叠加后寻求源地间累积移动成本最小的路径；3)由路径最小值组成最小成本距离LCD，对应路径为生态廊道。
步骤8：利用citcuitscape软件识别夹点和障碍区，具体方法如下：将研究区视为一个导电表面，导电表面上的每个网格都赋予一个反映能量消耗或移动难度的有限值，由多个网格组成的生态源地表示为一个零电阻节点。将一个栖息地接地，其他栖息地分别输入1A的电流，通过迭代运算计算出整个区域最小路径累积电流值，电流值越大区域即为区域的夹点；在构建最小成本距离LCD0的基础上，假定搜索移动窗口(直径为D)像元值降低1个单位，障碍点移除后最小成本距离的值随之下降为LCD1，则整个景观网络的潜在降低值△LCD＝LCD0-LCD1，则改善系数IS＝△LCD/D，将改善系数较大的区域作为障碍区。
步骤9：结合泰森多边形、社区挖掘算法，计算模块度、功能重要性、生态重要性，进而划分生态节点区；通过计算生态节点的生态功能与结构比值，识别待修复生态盲区，计算公式如下：
式中，Ein为某一社团中所有路径的边权之和；Etot表示有外部节点连入该社区的所有路径边权之和；ki表示连入节点i的所有路径边权之和；ki,in为从节点i连接到该社区的所有路径边权之和；m是网络中所有路径的边权之和。
步骤10：在生态廊道识别的基础上，通过叠加道路，识别生态廊道断裂区域，最终获取区域生态系统修复需求的空间分布图。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种区域生态系统修复需求的快速划分方法，其特征在于：所述快速划分方法的步骤如下：
S1:选择生态功能退化、生态系统服务供需失衡的地区作为试验区，获取研究区的遥感影像数据、气象数据以及土壤数据，利用ENVI软件进行影像预处理、监督分类操作；
S2:从当地的实际情况入手，选择能够表征贡献力的水源涵养、固碳释氧评价指标、表征恢复力的生境质量、恢复力系数评价指标、表征组织力的景观异质性、景观连通性评价指标建立生态源地识别体系，并利用InVEST软件、CASA模型软件进行计算；
S3:提取生态廊道、生态节点、障碍区，利用最小累积阻力模型形成累积阻力面，基于连接度模型的电路理论模型提取生态廊道；依据通过单个像元的电流密度识别廊道中的重要要素，来判别出廊道中的夹点区域；结合研究区景观斑块的大小，确定搜索半径，利用circuitscape软件识别出对研究区修复有重要作用的障碍区域；
S4:结合泰森多边形、社区挖掘算法进行生态节点分区，通过计算生态节点的生态功能与结构比值，识别待修复生态盲区；在生态廊道识别的基础上，利用电路理论中障碍区分析，识别待修复障碍区；通过叠加道路，识别生态廊道断裂区域，最终获取实验区生态修复分区的结果。
2.根据权利要求1所述的一种区域生态系统修复需求的快速划分方法，其特征在于：利用监督分类方法将预处理后影像分为耕地、水域、园林地、草地、其他土地以及建设用地六类。
3.根据权利要求1所述的一种区域生态系统修复需求的快速划分方法，其特征在于：在S2中，所述贡献力的水源涵养计算公式为：
Y(x)是每个栅格单元x的年产水量，AET(x)为栅格单元x的年实际蒸散量，P(x)为栅格单元x的年降水量，水量平衡公式中，土地利用/覆被类型的植物蒸散发量AET(x)/P(x)计算；
Retention为水源涵养量，单位为mm；Ksat为土壤饱和导水率，单位为mm/d，可以利用土壤传递函数得出；Velocity是流速系数，以USDANRCS提供的国家工程手册上的流速-坡度-景观表格为基准,乘以1000得到出；TI为地形指数，无量纲；
贡献力的固碳释氧计算公式为：
NPP(x,t)＝APAR(x,t)×ε(x,t)
式中，APAR(x,t)表示栅格单元x在t月所吸收的光合有效辐射，单位为gC·m-2·month-1；ε(x,t)表示栅格单元x在t月的实际光能利用率，单位为gC·MJ-1。
4.根据权利要求1所述的一种区域生态系统修复需求的快速划分方法，其特征在于：在S2中，所述恢复力的生境质量计算公式为：
式中，Qxj是指用地类型j中栅格单元x的生境质量；Hj是用地类型j中栅格单元x的生境适宜性；Dxj是用地类型j中栅格单元x的生境受胁迫水平；k为半饱和常数，通常为Dxj最大值的一半；z为归一化常量，模型设置默认数值为2.5。
5.根据权利要求1所述的一种区域生态系统修复需求的快速划分方法，其特征在于：在S2中，所述组织力的景观异质性计算公式为：
SHEI＝SHDI/In(m)
JGYZX＝0.5*SHDI+0.25*SHEI+0.25*D
式中，JGYZX为景观异质性，SHDI为香农多样性指数，SHEI为香农均匀度指数，D为优势度指数；m为总的物种数；pi为第i个物种占总数的比例；
将dIIC、dPC的细化分指标作为景观连通性判定依据，评价研究区斑块的连通性状况，计算公式如下：
dIICk＝dIICink+dIICfluk+dIICconk
dPCk＝dPCink+dPCfluk+dPCconk
式中：dIICink/dPCink表示斑块k对自身连接性的贡献，dIICfluk/dPCfluk表示斑块k自身属性的权重，dIICconk/dPCconk表示斑块k与其他斑块间的相互连接作用。
6.根据权利要求1所述的一种区域生态系统修复需求的快速划分方法，其特征在于：在S3中，利用最小累积阻力模型构建生态阻力面计算公式如下：
式中，MCR为生态源斑块j扩散至某点的最小累积阻力值，Dij为物种从生态源地j到空间某一点所穿越的基面i空间距离，Ri为斑块i对生态过程或物种运动的基本阻力。
7.根据权利要求1所述的一种区域生态系统修复需求的快速划分方法，其特征在于：在S3中，利用GIS工具Linkage Mapper判别生态廊道，具体判别方法为：计算综合生态阻力面上所有像元到源地的成本加权距离CWD；将CWD栅格与源地叠加后寻求源地间累积移动成本最小的路径；由路径最小值组成最小成本距离LCD，对应路径为生态廊道。
8.根据权利要求1所述的一种区域生态系统修复需求的快速划分方法，其特征在于：在S3中，利用citcuitscape软件识别夹点和障碍区，具体方法如下：将研究区视为一个导电表面，导电表面上的每个网格都赋予一个反映能量消耗或移动难度的有限值，由多个网格组成的生态源地表示为一个零电阻节点；将一个栖息地接地，其他栖息地分别输入1A的电流，通过迭代运算计算出整个区域最小路径累积电流值，电流值越大区域即为区域的夹点；在构建最小成本距离LCD0的基础上，假定搜索移动窗口(直径为D)像元值降低1个单位，障碍点移除后最小成本距离的值随之下降为LCD1，则整个景观网络的潜在降低值△LCD＝LCD0-LCD1，则改善系数IS＝△LCD/D，将改善系数较大的区域作为障碍区。
9.根据权利要求1所述的一种区域生态系统修复需求的快速划分方法，其特征在于：在S4中，结合泰森多边形、社区挖掘算法，计算模块度、功能重要性、生态重要性，进而划分生态节点区；通过计算生态节点的生态功能与结构比值，识别待修复生态盲区，计算公式如下：
式中，Ein为某一社团中所有路径的边权之和；Etot表示有外部节点连入该社区的所有路径边权之和；ki表示连入节点i的所有路径边权之和；ki,in为从节点i连接到该社区的所有路径边权之和；m是网络中所有路径的边权之和。
10.根据权利要求1所述的一种区域生态系统修复需求的快速划分方法，其特征在于：在生态廊道识别的基础上，通过叠加道路，识别生态廊道断裂区域，最终获取研究区生态修复划分的空间分布。
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