CN113487181B - 城市化区域生态安全格局评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了城市化区域生态安全格局评估方法，属于城市生态环境技术领域。该评估方法包括建立城市化区域评价基础空间数据库、生态系统服务初始赋值和空间挂接、生态系统服务多级校正后，进行数据归一化处理和加权计算得到生态安全综合指数，基于此进行包含生态安全水平判定、生态安全格局分析、生态安全情景比较和生态安全优化决策的生态安全水平评价。本发明基于城乡用地统一的城市化区域土地利用分类标准，从国土空间“要素‑质量‑格局‑过程‑服务”级联关系出发，建立耦合国土空间要素和生态系统服务潜力的城市化区域生态安全格局评估方法，可为城市化区域生态安全格局构建和优化提供模拟预测、评估分析和辅助决策等技术支撑。

Description

城市化区域生态安全格局评估方法
技术领域
本发明属于城市生态环境技术领域，特别涉及一种基于国土空间“要素-质量-格局-过程-服务”级联关系的城市化区域生态安全格局评估方法。
背景技术
构建科学、合理、高效的生态安全格局是保障城市化区域各类土地资源有效利用、协调生态环境保护与社会经济发展的重中之重。生态安全一般为广义的，即从人类角度出发，指生态环境条件与生态系统服务能够有效保障人类生活和健康不受损害，经济发展和社会安定不受阻碍和威胁的复合生态系统安全状况。城市生态安全是指在快速城市化过程中，城市生态系统及其组分能够维持自身的结构和功能，支撑城市的健康与可持续发展，同时避免人类不期望的生态环境事件的发生。城市生态安全不仅受到区域水土流失、土地退化和区域地质灾害的影响，也与城市内涝、雾霾、热岛效应和交通拥堵密切相关。
目前，城市化区域的生态安全评估和格局构建多从土地利用的优化配置入手，采用“3S”技术和各类模型(如相关关系法、生物-物理过程法以及专家知识法)作为支撑，基于多源数据叠加和空间分析、景观生态网络分析、生态系统服务评估与权衡、生态保护红线划示等分析方法，在城市和区域水平上对生态风险、生态系统服务功能和健康进行综合评价，从而统筹协调城市复合生态系统中社会、经济和自然之间的关系，划分不同的生态安全等级，通过空间制图来反映生态安全水平的时空格局。这些地图能够帮助决策者有效识别不同空间单元的生态安全水平、生态系统服务权衡和协同作用的发生区域，以及亟需采取针对性管理的优先区域(热点区域)，从而从生态系统管理的角度出发，以空间显性方式支持城市规划和生态建设保护。
总的来看，现有的城市化区域生态安全评估和格局构建研究在用于城市规划和生态建设保护实践时，尚存在以下几个问题：
(1)常以一般意义上的生态空间(如林地、草地、湿地等)为基本单元，强调生态空间格局与过程功能的关系，缺乏对非生态空间的生态环境影响的考虑。
(2)基于生态过程、多目标功能和生态红线的方法各自比较成熟，但缺乏对生态系统服务、景观生态格局以及城市与区域生态关联机制的耦合和统筹。
(3)结果多没有落在用地要素水平上，与国土空间规划实践需求对接性差，布局方案往往难以深入，无法用于直接指导各类用地规划布局和格局优化，难以满足城市管理者的决策需求。
(4)生态安全格局评价、构建、模拟和优化的可操作性和可实施性不强，缺乏基于生态系统服务供需和生态网络模型的生态安全格局评价和模拟平台。
发明内容
为实现对城市化区域生态安全空间格局的科学评估，将相关评估结果应用于城市与区域规划和决策管理实践，本发明基于城乡统一的土地利用分类标准，建立与用地要素密切关联的多层级多目标指标体系，综合多因素空间叠加分析、生态系统服务评价、生境质量评估、生态网络结构分析等垂直和水平维度的模型或方法，构建基于国土空间“要素-质量-格局-过程-服务”级联关系的城市化区域生态安全评估方法，从而为城市与区域的协调发展和可持续管理提供技术支撑。
本发明能够帮助决策者客观、整体上把握不同土地利用情景下城市化区域的生态系统服务潜力和综合生态安全水平的时空变化，了解单项生态系统服务指标水平，明确不同指标之间权衡或协同关系，识别亟需关注的优先区域(热点区域)，从而实现生态安全格局的情景模拟、对比分析和预警预测，可为城市管理决策者针对性地统筹城市化区域的“生产、生活、生态”布局、优化国土空间规划布局、提升城市生态安全水平提供科学依据。
本发明提供的城市化区域生态安全格局评估方法，该方法包含以下步骤：
步骤1：评价基础空间数据库构建
(1)收集对象城市化区域的自然资源分布、土地利用、社会经济、自然地理、城市总体规划、城市功能分区和生态环境等数据进行空间化处理，建立评估基础空间数据库。
步骤2：生态系统服务初始值计算
(2)对由住房和城乡建设部发布的《城市用地分类与规划建设用地标准》(GB50137-2011)和由国土资源部(现自然资源部)发布的《土地利用现状分类》(GB/T21010-2017)两个覆盖城市化区域的土地利用分类现行国标进行梳理，建立两个标准不同用地分类的对应规则，形成城乡统一的土地利用分类对应表；利用该对应表对不同来源的土地利用矢量数据进行重新归并，建立标准化土地利用情景矢量化底图。
优选的，所述土地利用分类表将所有土地分为生态用地和非生态用地，其中生态用地包含耕地、园地、林地、草地、公园与绿地、水域、其他用地7个大类，包含水田、水浇地、旱地、园地、其他园地、有林地、其他林地、其他草地、公园与绿地、河流水面、坑塘沟渠、内陆滩涂、空闲地、裸地14个小类；非生态用地包含商业服务业设施用地、工矿用地、物流仓储用地、居住用地、公共管理与公共服务设施用地、公用设施用地、特殊用地、道路与交通设施用地8个大类，包含商业设施用地、商务设施用地、其他服务设施用地、工业用地、采矿用地、物流仓储用地、城镇居住用地、村庄建设用地、行政办公用地、教育科研用地、医卫慈善用地、文化设施用地、公用设施用地、军事用地、安保用地、宗教设施用地、其他服务设施用地、铁路用地、公路用地、其他交通设施用地、农村道路、机场用地、港口用地、管道运输用地、水工建筑用地和设施农业用地26个小类。
(3)依据千年生态系统评估(Millennium Ecosystem Assessment，MA)框架、生态系统与生物多样性经济学(The Economics of Ecosystems and Biodiversity，TEEB)和生态系统服务的国际通用分类(Common International Classification of EcosystemServices，CICES)框架，参考对德国柏林、瑞典斯德哥尔摩、英国曼彻斯特、美国纽约等国际化大都市在城市化背景下土地利用变化与城市生态系统服务和生态安全关系的相关研究，考虑对生态环境管理的实际需求，对不同用地要素的生态系统服务指标进行梳理和筛选，构建包含4项一级指标，15项二级指标的生态系统服务指标体系(表1)。
表1：不同用地要素生态系统服务指标赋值标准
序号 描述 赋值
1 对某一地类的某种生态系统正效应极高 9～10
2 对某一地类的某种生态系统正效应较高 7～8
3 对某一地类的某种生态系统正效应中等 5～6
4 对某一地类的某种生态系统正效应较弱 3～4
5 对某一地类的某种生态系统正效应很弱 1～2
6 对某一地类的某种生态系统无影响或者影响中性 0
7 对某一地类的某种生态系统负效应很弱 -1～-2
8 对某一地类的某种生态系统负效应较弱 -3～-4
9 对某一地类的某种生态系统负效应中等 -5～-6
10 对某一地类的某种生态系统负效应较高 -7～-8
11 对某一地类的某种生态系统负效应很高 -9～-10
优选的，所述生态系统服务指标体系包含EQ(环境质量)、EE(生态保障)、HS(人居支撑)和RP(资源供给)为四项一级指标；其中，EQ包含空气质量(AQ)、水体污染(WP)、土壤污染(SP)、固体废物(SD)四个二级指标；EE包含气候调节(CR)、生物多样性(BD)、土壤保持(SP)、洪水调蓄(FR)、固碳释氧(CO)五个二级指标；HS包含休闲游憩(LT)、景观美学(LA)、社会文化(SC)三个二级指标；RP包含提供能源(PE)、提供食物(PF)、提供淡水(PW)三个二级指标。
(4)依据对象区域的城市生态环境特征、突出生态安全问题和社会经济发展水平，参考当地生态系统服务和生态环境健康评价的相关研究结果，采用问卷调查法和焦点小组法相结合的方法，为对象区域不同地类的15项生态系统服务指标的潜力进行初始赋值(表1)，对同一指标的赋值进行频率统计，采用出现频次最高的赋值。若某一赋值频次相同，则组织重新赋值；基于此评估判断该项服务在该地区的一般发挥程度，建立国土空间要素—生态系统服务潜力对应矩阵。
(5)在地理信息系统软件(如ArcGIS)中，依托上述对应矩阵，将土地利用矢量底图与相应的生态系统服务指标进行空间挂接，将15项二级指标的初始值(X初始)赋给每一个用地要素斑块。
步骤3：生态系统服务多级校正
(6)不同城市化区域所面临的主导生态安全问题不同，社会和经济发展水平、生态空间的重要性、生态系统质量、生态网络结构乃至非生态空间的等级均可能存在较大差别。为科学、客观反映对象区域不同土地利用情景在用地要素斑块水平上的生态系统服务潜力和在区域水平上的生态安全综合状况，在基于地类的生态系统服务初始赋值的基础上，依据对象区域的区位条件、社会经济发展水平、生态网络布局结构、生态空间与非生态空间的质量水平等空间数据，采用一系列数学模型在斑块水平上对每类用地要素进行生态系统服务初始值的多级校正。
(7)生态区位校正系数，计算公式如下：
K生态＝1+R
其中，R为不同生态空间等级分类对应的系数。
通过叠加土地利用空间数据与生态空间分级空间数据，根据前者中用地要素斑块在后者中所对应的生态空间等级分类，赋予其相应的R值，从而计算获得K生态。
(8)经济区位校正系数，计算公式如下：
K经济＝1+GDPe/GDP0
其中，GDPe为年人均GDP，单位：万元/人；GDP0为年人均GDP的参比值，单位：万元/人。
通过叠加土地利用空间数据与年人均GDP空间数据，根据前者中用地要素斑块在后者中所对应的GDPe，除以GDP0，从而计算获得K经济值。
(9)社会区位校正系数，计算公式如下：
K社会＝1+POPe/POP0
其中，POPe为常住人口密度，单位：万人/平方公里，下同；POP0常住人口密度的参比值，单位：万人/平方公里。
通过叠加土地利用空间数据与常住人口密度空间数据，根据前者中用地要素斑块在后者中所对应的POPe，除以POP0，从而计算获得K社会值。
(10)生态空间质量校正系数K生态质量，计算公式如下：
K生态质量＝Qxe/Qx0
其中，Qxe为反映某类生态空间质量的x指数，不同生态空间类型的x指数不同，Qx0为x指数的参比值；所述生态空间包括林地、耕地、园地、草地、绿地、湿地(水域)和其他用地。
通过叠加土地利用空间数据与不同类型生态空间质量等级数据，根据前者中用地要素斑块在后者中所对应的Qxe，除以Qx0，从而计算获得K生态质量值。
其中，林地的质量等级划分可以采用单位面积蓄积量作为依据，该数据可从对象区域的森林资源调查空间数据中提取，制作成矢量图层。
对于耕地、园地、草地和绿地的质量等级，可基于中高分辨率的多光谱遥感数据，通过遥感软件提取归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)、植被覆盖度(Faction of Vegetation Cover,FVC)，或者采用遥感模型计算植被净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)，从而获取可以反映绿色植被质量的栅格图；对于绿地，除植被指数外，还可采用高分辨率的遥感影像对其树木树冠覆盖信息(Urban treecanopy,UTC)进行基于对象的解译和提取，采用该指标更加精细化地反映城市绿地的生态质量。
对于湿地(水域)的生态质量划分，可依据对象区域的断面水质综合污染指数或者地表水质量指数的空间分布图(来源包括当地的水资源公报或者水资源相关规划等)，将制作成矢量化的空间数据。
(11)生态网络结构水平校正系数K生态结构，计算公式如下：
K生态结构＝1+Qye/Qy0
其中，Qye为反映生态网络结构水平的y指数，此处的y指数指一定空间范围内由蓝绿生态空间所构成的生态网络的连接度、渗透性和密度等，Qy0为y指数的参比值；不同对象区域由绿地、林地、湿地等要素所构成的生态网络的布局结构存在较大差异，可选用的y指数包括蓝绿网络连接度、生态廊道面积比、绿地可达性、绿道网密度等。
通过叠加土地利用空间数据与不同生态网络结构水平的空间数据，根据前者中用地要素斑块在后者中所对应的Qye，除以Qy0，从而计算获得K生态结构。
(12)非生态空间质量校正指数K非生态质量，计算公式如下：
K非生态质量＝Qze/Qz0
其中，Qze为反映非生态空间质量的z指数，Qz0为z指数的参比值；所述非生态空间包括商业服务业设施用地、工矿用地、物流仓储用地、居住用地、公共管理与公共服务设施用地、公用设施用地、特殊用地、道路与交通设施用地等。
通过叠加土地利用空间数据与不同类型非生态空间质量等级数据，根据前者中用地要素斑块在后者中所对应的Qze，除以Qz0，计算K非生态质量值。
对于非生态空间中的工矿、物流仓储和居住用地，参照我国现行的《城市用地分类与规划建设用地标准》(GB50137-2011)，依据其所属类别(一、二或三类)，对其质量等级进行校正。其他地类如有需求，也可划分质量等级。
(13)综合上述计算获得的生态区位校正系数(K生态)、经济区位校正系数(K经济)、社会区位校正系数(K社会)、生态空间质量校正系数(K生态质量)、生态空间结构校正系数(K生态结构)和非生态空间质量校正指数K非生态质量，分别针对生态空间和非生态空间的15项二级指标进行多级校正。
对于生态空间斑块，需要综合K生态、K经济、K社会、K生态质量、K生态结构，对其指标进行多级校正。
X生态校正＝X生态初始×K生态×K经济×K社会×K生态质量×K生态结构
其中，X生态初始为生态空间斑块各指标的初始值，X生态校正为生态空间斑块各指标的校正值。
对于非生态空间斑块，需要综合K生态、K经济、K社会、K非生态质量，对其指标进行多级校正。
X非生态校正＝X非生态初始×K生态×K经济×K社会×K非生态质量
其中，X生态初始为非生态空间斑块各指标的初始值，X生态校正为非生态空间斑块各指标的校正值。
步骤4.生态安全水平评价
(14)采用层次分析法(AHP)设置对象区域不同生态系统服务指标的权重，步骤如下：
①依据上述构建的指标体系，采用AHP法构造判断矩阵；在确定不同层次各指标之间的权重时，邀请生态学、地理科学、环境科学、林学、园林绿化、社会科学等学科领域的专家，将各元素两两相互比较，按照其重要性进行打分。
②使用偏离一致性指标、平均一致性指标对判断矩阵进行一致性检验。
③依据重要性打分结果对指标进行层次单排序和总层次排序。
④计算每一个指标的权重分值，公式如下：
式中，Bi为指标的权重分值，其值越高该指标越重要；aj为层次总排序所得到的权重值；bij为与aj对应的B层次的单排序得到的权重值；i和j为分别代表矩阵m×n的标度。
(15)指标数据归一化
为反映每一项指标对于综合生态安全水平的相对贡献，假设各指标具有相同的重要性。对每个单项指标的赋值结果进行归一化，将结果归一到0～1的范围以内，在此基础上进行加权计算和综合评价。
归一化公式如下：
Si＝(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)
式中Si为某一指标标准化值，Xi为某一地类某一指标的初始赋值，Xmax为所有地类某一指标的最大值，Xmin为所有地类某一指标的最小值。
(16)生态安全综合指数(EI)是指每个斑块上的综合生态系统服务水平，反映人类活动导致的土地利用变化对城市生态环境的影响与干扰程度。生态空间的EI为EI生态，非生态空间的EI为EI非生态。
(17)对于生态空间斑块，EI生态为多级校正后四项一级指标(EQ校、EE校、HS校和RP校)的加权平均。计算公式为：
EI生态＝WEQ×EQ校+WEE×EE校+WHS×HS校+WRP×RP校
式中，WEQ、WEE、WHS、WRP分别表示EQ校、EE校、HS校和RP校的权重。
(18)对于非生态空间斑块，EI非生态为两部分之和，其一为四项一级指标(EQ校、EE校、HS校和RP校)的加权平均与该斑块非绿地面积比例的乘积；其二为对象区域绿地生态安全综合指数的平均值与该斑块绿地率(即所含附属绿地面积比例)的乘积，计算公式为：
EI非生态＝(WEQ×EQ校+WEE×EE校+WHS×HS校+WRP×RP校)×非绿地率(％)+EI绿地×绿地率(％)
式中，EI绿地为对象区域生态空间中绿地斑块EI的平均值；绿地率为不同非生态空间中，附属绿地的面积比例(％)(表2)。
表2：非生态空间中不同用地类型的绿地率
序号 用地类型 绿地率范围* 采用绿地率
1 居住用地 25-35％ 30％
2 道路与交通设施用地 20-40％ 20％
3 商业服务业设施用地、工矿用地、物流仓储用地 20％ 20％
4 公共管理与公共服务设施用地、公用设施用地、特殊用地 35％ 35％
*参照《城市用地分类与规划建设用地标准》(GB/T 50137-2011)、《城市绿线划定技术规范》(GB/T 51163-2016)
优选的，所述一级指标环境质量(EQ校)为四项二级指标(空气质量(AQ校)、水体污染(WP校)、土壤污染(SP校)、固体废物(SD校))的加权平均，计算公式为：
EQ校＝WAQ×AQ校+WWP×WP校+WSP×SP校+WSD×SD校
式中，WAQ、WWP、WSP、WSD分别表示AQ校、WP校、SP校和SD校的权重。
优选的，所述一级指标生态保障(EE校)为气候调节(CR校)、生物多样性(BD校)、土壤保持(SC校)、洪水调蓄(FR校)、固碳释氧(CO校)五个二级指标的加权平均，计算公式为：
EE校＝WCR×CR校+WBD×BD校+WSC×SC校+WFR×FR校+WCO×CO校
式中，WCR、WBD、WSC、WFR、WCO分别表示CR校、BD校、SC校、FR校和CO校的权重。
优选的，所述一级指标人居支撑(HS校)为休闲游憩(LT校)、景观美学(LA校)、社会文化(SC校)三个二级指标的加权平均，计算公式为：
HS校＝WLT×LT校+WLA×LA校+WSC×SC校
式中，WHS、WLT、WLA分别表示HS校、LT校、LA校的权重。
优选的，所述一级指标资源供给(RP校)为提供能源(PE校)、提供食物(PF校)、提供淡水(PW校)三个二级指标的加权平均，计算公式为：
RP调＝WPE×PE校+WPF×PF校+WPW×PW校
式中，WPE、WPF、WPW分别表示PE校、PF校和PW校的权重。
进一步的，采用以上计算公式，基于ArcGIS平台，分别计算四项一级指标(EQ校、EE校、HS校和RP校)以及生态安全综合指数EI，从而在斑块水平得到校正后的一级指标以及生态安全综合指数EI，及其空间分布图。考虑到城市化区域现实情况，为使模型计算结果处于具有实际应用价值的数值区间，将生态空间的EI生态校正或非生态空间的EI非生态校正计算结果的数值区间设定在[-10,10]之间。
进一步的，当某一斑块的EI生态校正/EI非生态校正≥10，为该斑块赋最大值10；当某一斑块EI生态校正/EI非生态校正≤-10，为该斑块赋值最小值-10；当-10＜EI生态校正/EI非生态校正＜10，该斑块的模型计算结果不做处理，赋值结果即为模型计算值。
进一步的，根据需求将斑块水平的EI按照一定的地理单元或空间格网进行汇总，从而反映生态安全水平的时空格局。按照EI计算结果，将对象区域内不同空间单元的生态安全水平评价结果分为5级，安全等级划分成不安全、较不安全、一般、较安全、安全，分别对应EI的变化范围为：EI≤0、0≤EI≤2、2≤EI≤4、4EI≤6、6≤EI≤8、8≤EI≤10。
采用以上计算结果，可以实现以下四个目标：(1)根据一定的空间范围将计算结果进行分区汇总和可视化展示；(2)分析对比不同情景下单项生态系统服指标和综合生态安全指数的差异，帮助识别存在显著差异的热点区域；(3)通过设定阈值的方式，对生态安全水平超过阈值的斑块进行预警表达；(4)分析现有情景的不足，提出基于用地要素配置来提升城市生态安全水平的建议。
本发明的有益效果：本发明基于城乡用地统一的城市化区域土地利用分类标准，综合多因素空间叠加分析、生态系统服务评价、生境质量评估、生态网络结构分析等垂直和水平维度的模型或方法，从国土空间“要素-质量-格局-过程-服务”级联关系出发，构建基于用地要素类别的生态系统服务指标体系，对不同土地利用情景下用地要素斑块在生态、环境、人居和资源四方面所能发挥的生态系统服务潜力进行评估，根据需求，通过空间加权计算某一对象区域内的生态安全综合指数。构建一套耦合国土空间要素(TSE)和生态系统服务潜力(ESP)的城市化区域生态安全格局评估方法，可为城市化区域生态安全格局构建和优化提供模拟预测、评估分析和辅助决策等技术支撑。
附图说明
图1为实施例中城市化区域生态安全格局评估方法流程图。
图2为实施例中上海市闵行区生态安全综合指数多情景模拟结果对比(街镇水平)。
图3为实施例中上海市闵行区生态系统服务校正值多情景模拟结果对比(街镇水平)。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明进一步解释和说明。有必要指出，以下实施例只用于对发明内容的描述，并不构成对本发明保护范围的限制。
实施例1
本实施例以上海市闵行区作为城市化区域的研究对象，采用的城市化区域生态安全评估方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：评价基础空间数据库构建。
包括闵行区2035规划生态空间分区数据，闵行区人均GDP和常住人口密度现状分布数据，闵行区林地资源单位面积蓄积量数据，闵行区2035规划生态网络体系专题图，闵行区2035规划绿道体系专题图，闵行区《绿道专项规划》，闵行区断面水质综合污染指数数据，《第一次全国水利普查暨第二次闵行区水资源普查公报》，基于2015-2016植物生长旺季的高分二号遥感影像提取的闵行区2m分辨率NDVI数据等。(表3)。
表3：上海市闵行区生态安全格局模拟情景设置参数方案
步骤2：生态系统服务初始值计算。
设置四个土地利用情景进行对比分析，分别为现状情景(闵行区2014国土二调土地利用图)、规划情景1(闵行区2035总体规划的土地利用图)、规划情景2(闵行区2035总体规划中的三类生态空间被占用)、规划情景3(闵行区2035总体规划中的四类生态空间被占用)，四个土地利用情景图如图1所示。四个情景的说明和相关参数设置如表3所示。
邀请城市规划、自然资源管理、风景园林规划、生态建设、环境保护等相关领域专家，以及闵行区当地的相关行业从业者和利益相关者共20人组成焦点小组，就闵行区某一用地要素对某项生态系统服务指标是否具有正向或者负向效应进行评价和赋值，建立耦合国土空间要素(TSE)和生态系统服务潜力(ESP)的对应矩阵。
在ArcGIS软件中，将土地利用情景图中的用地要素斑块和生态系统服务初始值进行空间挂接，将15项二级指标的初始值(X初始)赋给每一个用地要素斑块。
步骤3：生态系统服务校正值计算。
K生态依据闵行区的生态空间分区图计算获得，计算公式如下：
K生态＝1+R
其中，R为不同生态空间等级分类对应的系数，闵行区R的设置如表4所示。
表4：生态区位校正缺省参数表
生态空间类别 R值 单位
一类 1 无量纲
二类 0.75 无量纲
三类 0.5 无量纲
四类 0.25 无量纲
其他 0 无量纲
K经济依据闵行区年人均GDP分布图获得，计算公式如下：
K经济＝1+GDPe/GDP0
其中，GDPe为年人均GDP，单位：万元/人，下同；GDP0为年人均GDP，参数设置如表5所示。
表5：社会经济区位校正缺省参比值表
名称 编号 数值 单位
人均GDP GDP0 11.9132 万元/人
人口密度 POP0 2.1679 万人/平方公里
K经济依据闵行区人口密度分布图获得，计算公式如下：
K社会＝1+POPe/POP0
其中，POPe为常住人口密度，单位：万人/平方公里，下同；POP0为常住人口密度参比值，参数设置如表5所示。
K生态质量依据闵行区不同生态空间类型的质量等级获得。计算公式如下：
K生态质量＝Qxe/Qx0
其中，Qxe为x指数平均值，Qx0为x指数参比值。采用以下指标反映闵行区不同生态空间类型的质量等级(表6)。
表6：生态空间质量等级校正缺省参比值表
生态空间类型 编号 指标 数值 单位
(1)林地 Q林0 单位面积蓄积量 126.90 立方米/公顷
或NDVI 0.85 无量纲
(2)耕地 Q耕0 NDVI 0.78 无量纲
(3)园地 Q园0 NDVI 0.76 无量纲
(4)草地 Q草0 NDVI 0.59 无量纲
(5)绿地 Q绿0 NDVI 0.73 无量纲
(6)湿地(水域) Q耕0 1/断面水质 0.90 无量纲
(7)其他用地 Q其0 - - -
K生态结构依据闵行区生态网络的布局结构指数y计算，计算公式如下：
K生态结构＝1+Qye/Qy0
其中，Qye为y指数平均值，Qy0为y指数参比值。此处的y指数包含生态网络连接度、城市绿地空间可达性、生态廊道面积比和绿道网密度，设置如表7所示。
表7：生态空间质量等级校正缺省参比值表
生态空间结构指标 编号 数值 单位
(1)蓝绿网络连接度 Q网0 - 无量纲
(2)城市绿地空间可达性 Q达0 0.9534 无量纲
(3)生态廊道面积比 Q廊0 4.5 公顷/平方公里
(4)绿道网密度 Q道0 1.5 公里/平方公里
K非生态质量依据闵行区非生态空间质量指数z来计算。计算公式如下：
K非生态质量＝Qze/Qz0
其中，Qze为z指数平均值，Qz0为z指数参比值。
对于闵行区非生态空间中的工矿、物流仓储和居住用地，不同等级的矢量图斑及其分布从闵行区不同地块的控制性详细规划中提取获得，参比值Qz0设置如表8所示。其他非生态空间地类暂无类别划分。
表8：生态空间结构水平校正缺省参比值表
综合上述计算获得的生态区位校正系数(K生态)、经济区位校正系数(K经济)、社会区位校正系数(K社会)、生态空间质量校正系数(K生态质量)、生态空间结构校正系数(K生态结构)、和非生态空间质量校正指数K非生态质量，对整个闵行区不同地类斑块的生态系统服务初始值进行多级校正。
对于生态空间斑块，综合K生态、K经济、K社会、K生态质量、K生态结构，对其初始赋值进行多级校正。
X生态校正＝X初始×K生态×K经济×K社会×K生态质量×K生态结构
对于非生态空间斑块，综合K生态、K经济、K社会、K非生态质量对其初始赋值进行多级校正。
X非生态校正＝X初始×K生态×K经济×K社会×K非生态质量
步骤4：生态安全水平评价。
采用AHP法获得本次评价中闵行区不同生态系统服务指标的权重，如表9所示。
表9：闵行区不同用地要素生态系统服务指标的权重
根据闵行区不同生态系统服务指标的校正计算结果、不同指标的权重设置结果，在斑块水平上，计算生态安全综合指数(EI)。
对于生态空间斑块，EI生态为多级校正后四项一级指标(EQ调(环境质量)、EE调(生态保障)、HS调(人居支撑)和RP调(资源供给)的加权平均。计算公式为：
EI生态＝WEQ×EQ调+WEE×EE调+WHS×HS调+WRP×RP调
式中，WEQ、WEE、WHS、WRP分别表示EQ调、EE调、HS调和RP调的权重。
(17)对于非生态空间斑块，EI非生态为两部分之和，其一为四项一级指标(EQ调(环境质量)、EE调(生态保障)、HS调(人居支撑)和RP调(资源供给))的加权平均与该斑块非绿地面积比例的乘积；其二为区域内绿地综合效益的平均值与该斑块绿地率(即所含附属绿地面积比例)的乘积，计算公式为：
EI非生态＝(WEQ×EQ调+WEE×EE调+WHS×HS调+WRP×RP调)×非绿地率(％)+EI绿地×绿地率(％)
式中，EI绿地为对象区域土地利用类型中绿地EI的平均值；绿地率为不同非生态空间地类中，附属绿地的面积比例。
其中，一级指标环境质量(EQ调)为四项二级指标(空气质量(AQ调)、水体污染(WP调)、土壤污染(SP调)、固体废物(SD调))的加权平均，计算公式为：
EQ调＝WAQ×AQ调+WWP×WP调+WSP×SP调+WSD×SD调
式中，WAQ、WWP、WSP、WSD分别表示AQ调、WP调、SP调和SD调的权重。
一级指标生态保障(EE调)为气候调节(CR调)、生物多样性(BD调)、土壤保持(SC调)、洪水调蓄(FR调)、固碳释氧(CO调)五个二级指标的加权平均，计算公式为：
EE调＝WCR×CR调+WBD×BD调+WSC×SC调+WFR×FR调+WCO×CO调
式中，WCR、WBD、WSC、WFR、WCO分别表示CR调、BD调、SC调、FR调和CO调的权重。
一级指标人居支撑(HS调)为休闲游憩(LT调)、景观美学(LA调)、社会文化(SC调)三个二级指标的加权平均，计算公式为：
HS调＝WLT×LT调+WLA×LA调+WSC×SC调
式中，WHS、WLT、WLA分别表示HS调、LT调、LA调的权重。
一级指标资源供给(RP调)为提供能源(PE调)、提供食物(PF调)、提供淡水(PW调)三个二级指标的加权平均，计算公式为：
RP调＝WPE×PE调+WPF×PF调+WPW×PW调
式中，WPE、WPF、WPW分别表示PE调、PF调和PW调的权重。
由以上方程完成闵行区所有斑块4项一级指标值的计算(EQ调、EE调、HS调和RP调)，根据一级指标的权重设定加权计算EI。
在此基础上，在ArcGIS软件中，叠加闵行区街镇水平的行政边界矢量图，按照其所划定的不同街镇的空间范围，通过空间汇总计算不同空间单元上的生态系统服务指标和生态安全综合指数，从而得到不同街镇和整个闵行区的生态安全评估结果，并用于城市生态安全格局时空分析、情景对比、预警预测和决策支持。
结果显示：在2014年闵行区的现状土地利用情景(Scenario 0)下，整个闵行区的生态安全水平较差，全区平均生态安全综合指数仅为1.86，处于“不安全”的水平(图2)。在不同街镇中，仅有华漕镇、新虹街道、马桥镇、莘庄工业区、吴泾镇和浦江镇的生态安全综合指数大于2，处于“较不安全”的水平。显示出在这一土地利用情景下，该区域的生态系统服务水平和生态安全保障能力亟待加强。
与Scenario 0相比，闵行区2035规划的土地利用情景(Scenario 1)将显著提升全区的生态安全水平，全区平均生态安全综合指数为5.54，达到“一般”水平。在不同街镇中，莘庄工业区仍处于“较不安全”的水平外，而华漕镇、新虹街道、马桥镇、吴泾镇、浦锦街道和浦江镇的生态安全综合指数均为6～8，处于“较为安全”的水平。说明如果2035规划得到完全落地实施，整个闵行区的生态安全水平将显著增强。
未来，若迫于城市发展对于土地资源的需求，将2035规划中闵行区的三类生态空间(Scenario2)或四类生态空间(Scenario 3)中的生态用地转变为商务、居住或者工业用地，将会明显降低闵行区整体的生态安全水平(前者降低到5.40，后者降低到5.31)。另外，部分街镇(如虹桥镇、马桥镇和江川路街道)的生态安全水平也会发生显著变化。
与现状情景相比，3个规划情景在全区水平上对于闵行区国土空间资源的生态系统服务潜力均有较大程度提升(图3)。以Scenario1为例对比不同的指标。在一级指标中，人居支撑指数最高(7.15)，依次为生态保障(3.91)、环境质量(3.06)和资源供给(1.92)，这充分体现了高度城市化地区生态空间所承载的社会文化服务功能对于改善城市人居环境的重要作用；在二级指标中，除反映人居支撑功能的社会文化(8.54)、休闲游憩(6.63)和景观美学(6.30)外，另外两项相对重要的指标为洪水调蓄(5.03)和空气质量调节(4.09)，这与一般认为的城市生态空间的代表性调节服务作用较为一致。而在资源供给方面的二级指标，其校正后的生态系统服务潜力普遍在2.00左右，显示城市需要大量的外界资源输入才能维持其正常的经济社会发展。
本发明所提出的城市生态安全格局评估方法，可为编制国土空间生态修复规划、城镇绿地系统规划和城市总体规划等提供支撑，为制定城市与区域生态环境一体化管理的对策和优化模式提供依据。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.城市化区域生态安全格局评估方法，其特征在于，该评估方法基于国土空间“要素-质量-格局-过程-服务”级联关系构建得到，包含以下步骤：
步骤1、建立城市化区域评价基础空间数据库：收集城市化区域对象包括自然资源分布、土地利用、社会经济、自然地理、城市总体规划、城市功能分区和生态环境的数据，对收集的数据进行空间化处理，建立评价基础空间数据库；
步骤2、生态系统服务初始赋值和空间挂接：基于步骤1建立的评价基础空间数据库进行生态系统服务指标体系、城市化区域土地利用情景设定、不同地类生态系统服务潜力初始赋值、以及土地利用情景和不同地类生态系统服务初始值空间挂接：
步骤3、生态系统服务多级校正：结合城市化区域包含区位条件、社会经济发展水平、生态网络布局结构、生态空间与非生态空间质量水平的空间数据，采用多个数学模型在斑块水平上对步骤2得到的不同地类生态系统服务初始值进行多级校正，包括生态区位校正、社会区位校正、经济区位校正、生态空间质量等级校正、生态空间结构水平校正和非生态空间质量等级校正，得到不同地类生态系统服务校正值；
步骤4、城市化区域生态安全水平评价：采用层次分析法AHP设定城市化区域中不同地类生态系统服务校正值的权重，对每一个单项生态系统服务指标的赋值进行归一化处理，根据权重和归一化值进行斑块水平上的加权计算，得到生态安全综合指数EI布图，基于此进行包含生态安全水平判定、生态安全格局分析、生态安全情景比较和生态安全优化决策的生态安全水平评价；
步骤3中，生态区位校正系数K生态的计算公式为K生态＝1+R，其中，R为不同生态空间等级分类对应的系数；通过叠加土地利用空间数据与生态空间分级空间数据，根据前者中用地要素斑块在后者中所对应的生态空间等级分类赋予其相应的R值，获得K生态值；
经济区位校正系数K经济的计算公式为K经济＝1+GDPe/GDP0，其中，GDPe为年人均GDP，单位：万元/人，GDP0为年人均GDP的参比值，单位：万元/人；通过叠加土地利用空间数据与年人均GDP空间数据，根据前者中用地要素斑块在后者中所对应的GDPe，除以GDP0，获得K经济值；
社会区位校正系数K社会的计算公式为K社会＝1+POPe/POP0，其中，POPe为常住人口密度，单位：万人/平方公里，POP0为常住人口密度的参比值，单位：万人/平方公里；通过叠加土地利用空间数据与常住人口密度空间数据，根据前者中用地要素斑块在后者中所对应的POPe，除以POP0，获得K社会值；
生态空间质量校正系数K生态质量的计算公式为K生态质量＝Qxe/Qx0；其中，Qxe为反映某类生态空间质量的x指数，不同生态空间类型的x指数不同，Qx0为x指数的参比值；所述生态空间类型包括林地、耕地、园地、草地、绿地、湿地和其他用地；通过叠加土地利用空间数据与不同类型生态空间质量等级数据，根据前者中用地要素斑块在后者中所对应的Qxe，除以Qx0，从而获得K生态质量值；
生态空间结构水平校正系数K生态结构的计算公式为K生态结构＝1+Qye/Qy0，其中，Qye为反映生态空间结构水平的y指数，y指数包含一定空间范围内由蓝绿生态空间所构成的生态网络连接度、渗透性和密度，可以为蓝绿网络连接度、生态廊道面积比、绿地可达性、绿道网密度，Qy0为y指数的参比值；通过叠加土地利用空间数据与不同生态空间结构水平的空间数据，根据前者中用地要素斑块在后者中所对应的Qye，除以Qy0，获得K生态结构；
非生态空间质量校正指数K非生态质量的计算公式为K非生态质量＝Qze/Qz0；其中，Qze为反映非生态空间质量的z指数，Qz0为z指数的参比值；所述非生态空间包括商业服务业设施用地、工矿用地、物流仓储用地、居住用地、公共管理与公共服务设施用地、公用设施用地、特殊用地、道路与交通设施用地；通过叠加土地利用空间数据与不同类型非生态空间质量等级数据，根据前者中用地要素斑块在后者中所对应的Qze，除以Qz0，获得K非生态质量值；其中：非生态空间中工矿用地、物流仓储用地和居住用地参照GB50137-2011，依据其所属类别对其质量等级进行校正。
2.根据权利要求1所述的城市化区域生态安全格局评估方法，其特征在于，步骤2中所述生态系统服务初始赋值和空间挂接的方法包括：
(2-1)对《城市用地分类与规划建设用地标准》GB50137-2011和《土地利用现状分类》GB/T21010-2017两个覆盖城市化区域的土地利用分类现行国标进行梳理，建立两个标准不同用地分类的对应规则，形成城乡统一的土地利用分类对应表，基于所述土地利用分类对应表对不同来源的土地利用矢量数据进行重新归并，建立标准化土地利用情景矢量化底图；
(2-2)结合城市化区域对生态环境管理的实际需求对不同用地要素的生态系统服务指标进行梳理和筛选，构建包含4项一级指标、15项二级指标的生态系统服务指标体系，包含EQ环境质量、EE生态保障、HS人居支撑和RP资源供给四项一级指标；其中：EQ包含空气质量AQ、水体污染WP、土壤污染SP、固体废物SD四个二级指标；EE包含气候调节CR、生物多样性BD、土壤保持SP、洪水调蓄FR、固碳释氧CO五个二级指标；HS包含休闲游憩LT、景观美学LA、社会文化SC三个二级指标；RP包含提供能源PE、提供食物PF、提供淡水PW三个二级指标；
(2-3)采用问卷调查法和焦点小组法相结合为城市化区域不同地类的生态系统服务潜力进行初始赋值，建立国土空间要素—生态系统服务潜力对应矩阵；其中：对同一指标的赋值进行频率统计，采用出现频次最高的赋值；
(2-4)基于所述国土空间要素—生态系统服务潜力对应矩阵，采用地理信息系统软件将所述标准化土地利用情景矢量化底图与相应的生态系统服务指标进行空间挂接，将15项二级指标的生态系统服务指标初始值赋给每一个用地要素斑块。
3.根据权利要求2所述的城市化区域生态安全格局评估方法，其特征在于，所述土地利用分类表将所有土地分为生态用地和非生态用地，其中：
所述生态用地包含耕地、园地、林地、草地、公园与绿地、水域、其他用地7个大类；
所述非生态用地包含商业服务业设施用地、工矿用地、物流仓储用地、居住用地、公共管理与公共服务设施用地、公用设施用地、特殊用地、道路与交通设施用地8个大类。
4.根据权利要求1所述的城市化区域生态安全格局评估方法，其特征在于，所述林地的质量等级划分采用单位面积蓄积量作为依据，单位面积蓄积量数据由城市化区域的森林资源调查空间数据中提取，制成矢量图层；
所述耕地、园地、草地和绿地的质量等级采用基于中高分辨率的多光谱遥感数据，通过遥感软件提取归一化植被指数NDVI、植被覆盖度FVC，或者采用遥感模型计算植被净初级生产力NPP，获取可以反映绿色植被质量的栅格图；其中所述绿地除植被指数外，采用高分辨率的遥感影像对其树木树冠覆盖信息UTC进行基于对象的解译和提取；
所述湿地的生态质量划分依据对象区域的断面水质综合污染指数或者地表水质量指数的空间分布图，制成矢量化的空间数据。
5.根据权利要求1所述的城市化区域生态安全格局评估方法，其特征在于，步骤3中，综合所述生态区位校正系数K生态、经济区位校正系数K经济、社会区位校正系数K社会、生态空间质量校正系数K生态质量、生态空间结构校正系数K生态结构和非生态空间质量校正指数K非生态质量，分别针对生态空间和非生态空间的15项二级指标进行多级校正；其中：
对于生态空间斑块，综合K生态、K经济、K社会、K生态质量、K生态结构，对其指标进行多级校正，计算公式为X生态校正＝X生态初始×K生态×K经济×K社会×K生态质量×K生态结构；其中，X生态初始为生态空间斑块各指标的初始值，X生态校正为生态空间斑块各指标的校正值；
对于非生态空间斑块，综合K生态、K经济、K社会、K非生态质量，对其指标进行多级校正，计算公式为X非生态校正＝X非生态初始×K生态×K经济×K社会×K非生态质量；其中，X生态初始为非生态空间斑块各指标的初始值，X生态校正为非生态空间斑块各指标的校正值。
6.根据权利要求2所述的城市化区域生态安全格局评估方法，其特征在于，步骤4中，采用层次分析法设置城市化区域不同生态系统服务指标权重的步骤如下：
①依据步骤2中构建的生态系统服务指标体系，采用层次分析法构造判断矩阵，确定不同层次各指标之间的权重，将各指标两两相互比较，按照其重要性进行打分；
②使用偏离一致性指标、平均一致性指标对所述判断矩阵进行一致性检验；
③依据步骤①中重要性打分对所述生态系统服务指标进行层次单排序和总层次排序；
④计算每一个生态系统服务指标的权重分值，计算公式为其中：Bi为生态系统服务指标的权重分值，其值越高该生态系统服务指标越重要；aj为层次总排序所得到的权重值；bij为与aj对应的B层次的单排序得到的权重值；i和j为分别代表矩阵m×n的标度；
和/或所述归一化处理的计算公式为Si＝(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)，其中：Si为某一生态系统服务指标标准化值，Xi为某一地类某一指标的初始赋值，Xmax为所有地类某一指标的最大值，Xmin为所有地类某一指标的最小值。
7.根据权利要求2所述的城市化区域生态安全格局评估方法，其特征在于，步骤4中，EI包括生态空间的EI生态，非生态空间的EI非生态；
对于生态空间斑块，EI生态为多级校正后的四项一级指标环境质量EQ校、生态保障EE校、人居支撑HS校和资源供给RP校的加权平均，计算公式为EI生态＝WEQ×EQ校+WEE×EE校+WHS×HS校+WRP×RP校；式中，WEQ、WEE、WHS、WRP分别表示EQ校、EE校、HS校和RP校的权重；
对于非生态空间斑块，EI非生态为两部分之和，其一为四项一级指标EQ校、EE校、HS校和RP校的加权平均与该斑块非绿地面积比例的乘积；其二为城市化区域绿地生态安全综合指数的平均值与该斑块绿地率即所含附属绿地面积比例的乘积；计算公式为EI非生态＝(WEQ×EQ校+WEE×EE校+WHS×HS校+WRP×RP校)×非绿地率(％)+EI绿地×绿地率(％)；式中，EI绿地为城市化区域生态空间中绿地斑块EI的平均值；绿地率为不同非生态空间中，附属绿地的面积比例(％)。
8.根据权利要求7所述的城市化区域生态安全格局评估方法，其特征在于，
所述EQ校为四项二级指标AQ校、WP校、SP校、SD校的加权平均，计算公式为EQ校＝WAQ×AQ校+WWP×WP校+WSP×SP校+WSD×SD校；式中，WAQ、WWP、WSP、WSD分别表示AQ校、WP校、SP校和SD校的权重；
和/或所述EE校为CR校、BD校、SC校、FR校、CO校五个二级指标的加权平均，计算公式为EE校＝WCR×CR校+WBD×BD校+WSC×SC校+WFR×FR校+WCO×CO校；式中，WCR、WBD、WSC、WFR、WCO分别表示CR校、BD校、SC校、FR校和CO校的权重；
和/或所述HS校为LT校、LA校、SC校三个二级指标的加权平均，计算公式为HS校＝WLT×LT校+WLA×LA校+WSC×SC校；式中，WHS、WLT、WLA分别表示HS校、LT校、LA校的权重；
和/或所述RP校为PE校、PF校、PW校三个二级指标的加权平均，计算公式为RP调＝WPE×PE校+WPF×PF校+WPW×PW校；式中，WPE、WPF、WPW分别表示PE校、PF校和PW校的权重。
9.根据权利要求8所述的城市化区域生态安全格局评估方法，其特征在于，基于ArcGIS平台分别计算四项一级指标EQ校、EE校、HS校和RP校以及EI，在用地要素斑块水平得到校正后的一级指标以及生态安全综合指数；其中：生态空间的EI生态校正或非生态空间的EI非生态校正计算数值区间设定在[-10,10]之间；当某一斑块的EI生态校正/EI非生态校正≥10，为该斑块赋最大值10；当某一斑块EI生态校正/EI非生态校正≤-10，为该斑块赋值最小值-10；当-10＜EI生态校正/EI非生态校正＜10，该斑块的计算结果不做处理，赋值即为计算值。
10.根据权利要求9所述的城市化区域生态安全格局评估方法，其特征在于，按照校正后的EI计算值，将城市化区域内不同空间单元的生态安全水平评价结果分为5级，安全等级划分成不安全、较不安全、一般、较安全、安全，分别对应EI的变化范围为EI≤0、0≤EI≤2、2≤EI≤4、4EI≤6、6≤EI≤8、8≤EI≤10。
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基于生态安全的土地整治规划环境影响评价――以莆田市荔城区为例;陈威;潘润秋;张强;王心怡;;中国国土资源经济(第02期);全文 *

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