CN114386816A - 一种国土空间生态修复关键区识别系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生态修复技术领域，公开了一种国土空间生态修复关键区识别系统，包括：数据采集模块、多源数据集成处理模块、分析模块、评价模块、模型构建模块、综合评估模块、修复识别网络构建模块、修复识别模块、结果输出模块。本发明基于国土空间“要素‑格局‑过程‑服务”级联框架，并强调山水林田湖草要素一体化测算评价，布局生态安全网络、维护生态安全，进而实现多尺度、多层级的生态修复关键区的识别技术，可广泛应用于国土空间生态修复方案制定、规划编制中，特别是针对区域社会‑生态耦合关系与互馈机制分析，生态环境状况、生态功能重要性、脆弱性评价研究，以及生态修复重点地域的识别等方面具有较强的参考意义与借鉴价值。
Description
技术领域
本发明属于生态修复技术领域，尤其涉及一种国土空间生态修复关键区识别系统。
背景技术
目前，伴随着长期的资源开发与利用，城市化与工业化均得到了飞速发展。这在一方面促进人民生活水平提高，为社会经济带来实质性贡献的同时，另一方面也大大增加了生态系统紊乱失调，资源环境枯竭恶化的几率和风险。所以首先就需建立可提供优质生态产品和生态系统服务的国土空间。
国土空间生态修复对于优化国土空间格局、提高资源利用效率、改善生态环境质量、加快国土空间总体规划落地实施有着非常关键的作用。为了保证国土空间生态修复质量、加快修复进程、提升修复能力，急需对国土空间生态修复技术展开积极探索。
然而，当前国土空间生态修复的研究尚在起步发展阶段，学者们的关注点主要集中在概念理解、内涵认知、问题讨论、范式归纳、逻辑厘定等理论研究方面，以定性分析为主，实证分析与定量分析的研究还远远不够，针对国土空间生态修复相关技术的探讨也鲜少有突破性的成果，这使得国土空间生态修复工作的开展缺乏可靠的数据支撑与实践支撑。
现有的生态修复技术方法的大致可归纳为两类，一类是从生态系统类型的角度出发，针对不同的生态系统探究其各自的生态修复方法；另一类是从生态系统要素的角度出发，面向某种特定的生态环境要素展开修复技术研究。
第一类中，涉及草地、森林(林区)、河流(流域)、湿地以及矿山(矿区)生态系统的生态修复是国内外研究的热点领域。如现有技术1强调对于草地生态修复应采用焚烧、表土去除、深耕、覆盖有机物等方式来改善土壤性质，进而促进草地植物群落的建立；现有技术2通过设置草方格沙障来有效阻止草地沙化；现有技术3在对粤港澳大湾区森林生态系统的研究中指出，可实施林分改造，促进森林正向演替；现有技术4利用构建的生态系统退化驱动力模型，提出了一套具体的汤河流域分区修复方案，针对不能自然扩散的湿地植物研发出人工扩繁技术，利用人工草毯将其移植到不同退化迹地上进行植被修复，成效喜人；现有技术5结合目前矿山环境修复的先进技术，研究并提出了多项综合性矿山生态环境修复对策；现有技术6用丛枝菌根真菌本身在修复根系功能、促进养分吸收运输及改良土壤方面具有的强大的生命力与适应性特点，将优势丛枝菌根真菌作为采煤塌陷地复垦新突破口。
第二类中，主要涉及对土壤、水体等非生物环境要素，动物、植物等生物要素，以及生态系统结构、功能等理论要素的修复技术的探讨。在生态系统非生物要素修复方面，高通量DNA测序和功能基因分析的最新技术进展，可以快速评估生态系统中的功能基因、了解系统的多样性，为改善生态修复效果提供依据；在植物修复方面，种子处理、加工及质量评估技术的改进、种子增强技术的发展、成熟农业播种技术的改良等，对生态修复中的植被重建起到辅助作用；在动物修复方面，动物在生态系统中所起的诸如种子传播、授粉、养分循环等作用可辅助恢复植物群落功能，对生态修复具有重要意义；在生态系统结构、功能修复方面，3S技术的应用进展，可以为大规模生态修复提供帮助，如生态环境监测预警、环境评价、生态修复选址及设计等。
然而，虽然现有的生态学及恢复生态学取得了显著的发展，诸如生态位、岛屿生物地理学、状态过渡模型及阈值、人为设计与自我设计、弹性生态系统等理论的提出，极大地促进了生态修复技术方法的发展更新。但国土空间修复不仅仅需要生态学方面的理论技术支撑，由于涉及面广、修复工程类型多，整治修复范围要覆盖山水林田湖草全要素自然资源，所以需多技术、多方位、多层次协同运用。但是目前还没有生态修复关键识别技术及复杂系统关键性评价模型相关的专利、标准和软件著作权等知识产权成果登记。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术还没有生态修复关键识别方法、系统及复杂系统关键性评价模型的相关内容。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种国土空间生态修复关键区识别系统。
本发明是这样实现的，一种国土空间生态修复关键区识别系统，所述国土空间生态修复关键区识别系统包括：
评价模块，用于基于分析结果以及集成处理后构建包括生态环境状况评价、生态功能重要度评价、生态功能脆弱性的关联评价模型，进行国土空间整体关联评价，确定生态环境恶化区、生态功能重要区和生态空间脆弱区；
模型构建模块，用于构建生境质量模型、生境风险评估模型以及最小累积阻力模型；其中，所述构建生境质量模型的方法包括：
对所述集成后的国土空间多源数据进行分析结合确定的待修复区域的时空演变规律与互馈机制计算相应的生态威胁因子；
提取多源数据中的区域土地图及其他图数据，将提取的图数据转换为栅格图；基于转化得到的栅格图以及集成处理的数据计算各个威胁因子的影响力：
ir xy＝1-(dxy/dr max)if linear；
式中，ir xy表示威胁r的栅格x的生境对栅格y的影响；dxy表示栅格x与y之间的线性距离； dr max表示威胁r的最大影响距离；
基于各个威胁因子以及威胁因子的影响力大小分别计算待修复区域的生境退化指数、生境质量指数、生境稀缺性，构建相应的生境质量模型；
其中，所述生境质量计算公式如下：
式中，Qxj为地类j中栅格x的生境质量指数；Hj为地类j的生境适宜度；Dxj为地类j中栅格x的生境退化度；k为半饱和常数，即退化度最大值的一半；z为模型默认参数；
所述最小累积阻力模型为：
式中，MCR为生态源斑块j扩散至某点的最小累积阻力值；f反映累积阻力值与景观生态过程的正相关关系；min表示取累积阻力最小值；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；
综合评估模块，用于基于构建的生境质量模型、生境风险评估模型、最小累积阻力模型结合粒度反推法构建区域生态安全格局进行国土空间综合生态评估，确定生态夹点、生态障碍点、生态断裂点以及其他生态损坏区域；
其中，所述其他生态损坏区域包括生态源地、生态廊道和生态阻力面；
所述分区指数EPS为：
式中，EPS为分区指数；ISi为障碍区栅格像元i的值；ISmin为障碍区的最小值；ISmax为障碍区最大值； R为最小累积阻力面栅格像元i的值；Rmin为阻力面的最小值；Rmax为阻力面最大值；n是年期数，大于1；
修复识别网络构建模块，与中央控制模块连接，用于基于整体关联评价结果以及综合生态评估结果构建多尺度、多层级的国土空间生态修复关键区识别网络；
修复识别模块，用于基于多尺度、多层级的国土空间生态修复关键区识别网络识别得到生态修复关键区。
进一步，所述国土空间生态修复关键区识别系统还包括：
数据采集模块，用于利用RS、GIS以及其他技术进行待修复区域内国土空间多源数据的采集；
多源数据集成处理模块，用于对采集的待修复区域内国土空间多源数据进行预处理与集成；
分析模块，用于基于集成处理后的数据确定待修复区域的时空演变规律与互馈机制；
结果输出模块，用于将采集的数据、集成处理数据以及分析结果、评价结果、评估结果以及识别结果进行输出。
进一步，所述多源数据集成处理模块对采集的待修复区域内国土空间多源数据进行预处理包括：
首先，将采集的待修复区域内国土空间多源数据进行分类处理，得到不同类别的数据；
其次，确定数据标准存储格式，按照确定的数据标准存储格式对各个类别的数据进行标准化处理；
最后，对标准化处理的各个类别的数据进行过滤、清洗处理。
进一步，所述对标准化处理的各个类别的数据进行过滤、清洗处理包括：
对各个类别的数据进行分析，判断是否为异常数据，过滤删除所述异常数据；
对删除异常数据的进行连贯性分析，判断是否存在缺失情况；对存在缺失情况的数据进行缺失值范围确定；
根据确定的缺失值范围，计算每个字段的缺失值比例，并评估所述字段的重要程度，基于缺失值比例计算结果以及字段重要程度执行对应的处理。
进一步，所述基于缺失值比例计算结果以及字段重要程度执行对应的处理包括：
当字段缺失比例多且字段不重要时，直接删除对应数据；当字段缺失比例少或字段重要时，则进行缺失字段的填充。
进一步，所述基于分析结果以及集成处理后构建包括生态环境状况评价包括：
首先，获取分析得到的待修复区域的时空演变规律与互馈机制，基于所述待修复区域的时空演变规律与互馈机制选取能够表示待修复区域的国土空间生态环境状况的指标构建生态环境评价指标；
其次，对选取的评价指标进行归一化处理，基于归一化处理的评价指标构建生态环境评价指标体系；
然后，基于所述生态环境评价指标体系的各个生态环境评价指标构建相应的反演模型；
最后，基于层次分析法或主成分分析法得到区域的遥感生态指数，结合各个指标的值以及相应的遥感生态指数得到待修复区域的生态环境状况的评价结果。
进一步，所述对选取的评价指标进行归一化处理包括：
对选取的各个评价指标进行影响的趋势分析，当所述评价指标为正影响趋势定量类型时，则无需执行其他处理；
当所述评价指标的类型为负影响趋势定量类型时，则执行逆处理得到负影响趋势定量类型的标准指标；
当所述评价指标类型为定性类型时，则将所述类型转化为对应的数值以及等级，得到标准指标。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现所述的国土空间生态修复关键区识别系统。
本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以应用所述的国土空间生态修复关键区识别系统。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机应用所述的国土空间生态修复关键区识别系统。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的国土空间生态修复关键区识别系统，基于国土空间“要素-格局-过程-服务”级联框架，并强调山水林田湖草要素一体化测算评价，布局生态安全网络、维护生态安全，进而实现多尺度、多层级的生态修复关键区的识别技术，最终以人类福社提升为目标，综合社会需求、(生态)工程技术、修复成本等约束条件开展生态修复实践，构建多层级协同修复的国土空间生态修复示范技术体系。
本发明包含多个指标体系、评价体系与技术体系，能够帮助对国土空间生态修复中涉及到的多个技术难点进行攻克，并可广泛应用于国土空间生态修复方案制定、规划编制等工作中，特别是针对区域社会会 -生态耦合关系与互馈机制分析，生态环境状况、生态功能重要性、脆弱性评价研究，以及生态修复重点地域的识别等方面具有较强的参考意义与借鉴价值。
本发明以社会一生态系统耦合视角展开研究，为当下开展国土空间生态修复提供了新思路，也在理论方法上取得了一定的创新。且研究社会--生态耦合与互馈机制时是基于国土空间“要素-格局-过程-服务”级联框架下进行的，具有更加明确的量化方法及指标，更指向生态空间优化的源头途径，为科学推进生态安全格局修复提供前置条件。
本发明首先对区域内的生态环境状况、生态功能重要度以及脆弱性评价依次进行评价分析，确定生态环境恶化区、生态功能重要区和生态空间脆弱区，为识别生态修复关键区打好基础、做下铺垫；基于景观生态学理念，从生境质量和生境风险出发，结合电路理论，构建生态廊道，诊断生态“夹点”、生态障碍点、生态断裂点等；将两部分结果进行比照结合，确定研究区域国土空间生态修复关键区域的确定与识别。
本发明具有多项技术创新，如国土空间多源数据集成技术、社会-生态耦合关联技术、生态修复关键区识别技术、生态修复示范技术等，为开展山水林田湖草资源生态系统保护修复工作提供科学支撑的同时，也为推动国土空间生态系统保护修复高点定位、高水平推进、高质量建设，为生态整体保护、系统修复和综合治理提供先进技术保障。
本发明可为国土空间生态修复提供多个具有创新性、可行性的指标评价体系与技术实施体系，对于科学认知国土空间生态修复、正确把握修复工作的逻辑思路、指导学界不断进行相关技术创新发展、促进生态环境效益全面提升具有重要意义和应用价值。
本发明形成的多源数据集成技术、多尺度多层级生态修复关键区识别技术、生态修复示范技术等国土空间生态修复关键技术可广泛应用于全域全要素国土空间生态修复以及矿山、流域、湿地等某一特定生态系统的修复与整治。能够克服当下国土空间生态修复中存在的诸如整治范围小、包含要素少、应用技术旧等弊端，且避免因这些弊端引发的资源浪费、投入产出效率低、政策执行不到位等其他经济社会问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的国土空间生态修复关键区识别系统结构示意图；
图中：1、数据采集模块；2、多源数据集成处理模块；3、分析模块；4、评价模块；5、模型构建模块；6、综合评估模块；7、修复识别网络构建模块；8、修复识别模块；9、结果输出模块。
图2是本发明实施例提供的多源数据集成处理模块对采集的待修复区域内国土空间多源数据进行预处理的方法流程图。
图3是本发明实施例提供的对标准化处理的各个类别的数据进行过滤、清洗处理的方法流程图。
图4是本发明实施例提供的基于分析结果以及集成处理后构建包括生态环境状况评价的方法流程图。
图5是本发明实施例提供的构建生境质量模型的方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种国土空间生态修复关键区识别系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施提供的国土空间生态修复关键区识别系统包括：
数据采集模块1，用于利用RS、GIS以及其他技术进行待修复区域内国土空间多源数据的采集；
多源数据集成处理模块2，用于对采集的待修复区域内国土空间多源数据进行预处理与集成；
分析模块3，用于基于集成处理后的数据确定待修复区域的时空演变规律与互馈机制；
评价模块4，用于基于分析结果以及集成处理后构建包括生态环境状况评价、生态功能重要度评价、生态功能脆弱性的关联评价模型，进行国土空间整体关联评价，确定生态环境恶化区、生态功能重要区和生态空间脆弱区；
模型构建模块5，用于构建生境质量模型、生境风险评估模型以及最小累积阻力模型；
综合评估模块6，用于基于构建的生境质量模型、生境风险评估模型、最小累积阻力模型结合粒度反推法构建区域生态安全格局进行国土空间综合生态评估，确定生态夹点、生态障碍点、生态断裂点以及其他生态损坏区域；其中，所述其他生态损坏区域包括生态源地、生态廊道和生态阻力面；
修复识别网络构建模块7，与中央控制模块连接，用于基于整体关联评价结果以及综合生态评估结果构建多尺度、多层级的国土空间生态修复关键区识别网络；
修复识别模块8，用于基于多尺度、多层级的国土空间生态修复关键区识别网络识别得到生态修复关键区；
结果输出模块9，用于将采集的数据、集成处理数据以及分析结果、评价结果、评估结果以及识别结果进行输出。
如图2所示，本发明实施提供的多源数据集成处理模块对采集的待修复区域内国土空间多源数据进行预处理包括：
S101，将采集的待修复区域内国土空间多源数据进行分类处理，得到不同类别的数据；
S102，确定数据标准存储格式，按照确定的数据标准存储格式对各个类别的数据进行标准化处理；
S103，对标准化处理的各个类别的数据进行过滤、清洗处理。
如图3所示，本发明实施提供的对标准化处理的各个类别的数据进行过滤、清洗处理包括：
S201，对各个类别的数据进行分析，判断是否为异常数据，过滤删除所述异常数据；
S202，对删除异常数据的进行连贯性分析，判断是否存在缺失情况；对存在缺失情况的数据进行缺失值范围确定；
S203，根据确定的缺失值范围，计算每个字段的缺失值比例，并评估所述字段的重要程度，基于缺失值比例计算结果以及字段重要程度执行对应的处理。
本发明实施提供的基于缺失值比例计算结果以及字段重要程度执行对应的处理包括：
当字段缺失比例多且字段不重要时，直接删除对应数据；当字段缺失比例少或字段重要时，则进行缺失字段的填充。
如图4所示，本发明实施提供的基于分析结果以及集成处理后构建包括生态环境状况评价包括：
S301，获取分析得到的待修复区域的时空演变规律与互馈机制，基于所述待修复区域的时空演变规律与互馈机制选取能够表示待修复区域的国土空间生态环境状况的指标构建生态环境评价指标；
S302，对选取的评价指标进行归一化处理，基于归一化处理的评价指标构建生态环境评价指标体系；
S303，基于所述生态环境评价指标体系的各个生态环境评价指标构建相应的反演模型；
S304，基于层次分析法或主成分分析法得到区域的遥感生态指数，结合各个指标的值以及相应的遥感生态指数得到待修复区域的生态环境状况的评价结果。
本发明实施提供的对选取的评价指标进行归一化处理包括：
对选取的各个评价指标进行影响的趋势分析：
当所述评价指标为正影响趋势定量类型时，则无需执行其他处理；
当所述评价指标的类型为负影响趋势定量类型时，则执行逆处理得到负影响趋势定量类型的标准指标；
当所述评价指标类型为定性类型时，则将所述类型转化为对应的数值以及等级，得到标准指标。
如图5所示，本发明实施提供的构建生境质量模型包括：
S401，对所述集成后的国土空间多源数据进行分析结合确定的待修复区域的时空演变规律与互馈机制计算相应的生态威胁因子；
S402，提取多源数据中的区域土地图及其他图数据，将提取的图数据转换为栅格图；
S403，基于转化得到的栅格图以及集成处理的数据计算各个威胁因子的影响力大小；
S404，基于各个威胁因子以及威胁因子的影响力大小分别计算待修复区域的生境退化指数、生境质量指数、生境稀缺性，构建相应的生境质量模型。
本发明实施例提供的各个威胁因子的影响力大小计算公式：
ir xy＝1-(dxy/dr max)if linear
其中，ir xy表示威胁r的栅格x的生境对栅格y的影响；axy表示栅格x与y之间的线性距离； dr max表示威胁r的最大影响距离。
本发明实施例提供的生境质量计算公式如下：
式中，Qxj为地类j中栅格x的生境质量指数；Hj为地类j的生境适宜度；Dxj为地类j中栅格x的生境退化度；k为半饱和常数，即退化度最大值的一半；z为模型默认参数。
本发明实施例提供的最小累积阻力模型为：
式中，MCR为生态源斑块j扩散至某点的最小累积阻力值；f反映累积阻力值与景观生态过程的正相关关系；min表示取累积阻力最小值；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。
本发明实施例提供的分区指数EPS为：
式中，EPS为分区指数；ISi为障碍区栅格像元i的值；ISmin为障碍区的最小值；ISmax为障碍区最大值； R为最小累积阻力面栅格像元i的值；Rmin为阻力面的最小值；Rmax为阻力面最大值；n是年期数，大于1。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例1：基于生态安全格局识别的国土空间生态修复分区--以徐州市贾汪区为例
基于2000年、2008年、2016年遥感影像、历史矿井信息以及GIS空间分析方法，应用生态安全格局研究范式：综合识别生态源地—经井田边界修正生态阻力面—应用电路理论构建生态廊道—判别生态过程障碍区，将代表生态修复需求、生态过程难易和生态要素特征的生态源地、障碍区和生态阻力面空间叠加，最终划定生态修复分区。研究结果表明：(1)三个年份生态源地面积平均约占贾汪区面积的17.77％，随着城镇化发展和矿井闭坑等因素影响呈现先降后升的趋势；生态阻力面变化规律与之相反，并逐步以城镇化发展为主导影响因子。(2)生态廊道分布明显存在整体空间相似性和各镇内部分异性，呈环形沿河流分布或位于植被覆盖较好的低山丘陵区；障碍区明显存在重叠区域，主要分布在京杭大运河以北的区域，以北部和中部较多。(3)划分了生态保育区、生态提升区、生态修复区、生态控制区四个生态修复分区，面积分别为144.38km2、189.60km2、182.68km2、103.34km2。研究结论能够为贾汪区生态转型发展和生态修复提供空间指引。
本发明以资源型城市国土空间生态修复的空间不均衡性为切入点，基于连通性-敏感性-生态重要性框架识别生态源地，利用电路理论模型判别生态廊道和判断障碍区，并划定生态修复分区，提出修复策略，以期为建设生态型城市、保障系统性生态修复提供空间指引。
1、研究方法与数据来源
1.1研究区概况
贾汪区位于华北平原与黄淮冲积平原的过渡地带、江苏省徐州市东北部，地理位置为 117°17′～117°42′E、34°17′～34°32′N，全区总面积为620km2。属湿润至半湿润季风气候，多年平均降水量896mm，降雨多集中在7～9月；境内地势呈西北高东南低特征，地貌以低山、丘陵为主。过去存有夏桥、权台、青山泉、姚庄、韩桥、旗山等生产规模大小不同的煤矿，主要分布在青山泉镇、大吴街道、紫庄镇以及老矿街道。
因煤而兴、因矿设区，煤炭开采一度成为贾汪区的支柱产业，支撑经济发展的“半壁江山”。2002年开始煤炭开采枯竭，2011年成为江苏省唯一的资源枯竭型城市。
1.2数据来源
以美国地质勘测局(USGS)2000年和2008年的TM影像、2016年的OLI遥感影像为基础数据，数据空间分辨率为30m，行列号为121/03、122/03；利用ENVI 5.3软件进行数据处理，将土地利用类型划分为耕地、园林地、草地、水域、未利用地及建设用地等六类。数字高程模型(DEM)来源于地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)，空间分辨率为30m。归一化植被指数采用美国地质勘查局 (https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov)影像MOD13Q1产品，空间分辨率为250m。气象数据采用中国气象科学数据共享服务(http://data.cma.cn/)的中国地面气候资料年值以及月值数据集，包括温度、降水、辐射等数据。土壤数据来源于原国土资源部土地资源调查评价专项课题“黄淮海采煤塌陷区土地生态状况调查与评估”。
1.3研究思路与方法
1.3.1生态源地识别方法
生态源地是指生态系统相对稳定的区域、对生态安全有重要意义或具有辐射功能的生境斑块，是构建生态安全格局的基础，其至少要实现三个层次的目标：具有较好生态景观连通性、较高生态因子敏感性和重要生态系统服务。
在2000年、2008年、2016年生态景观连通性、生态因子敏感性、生态系统服务重要性评价结果的基础上，依据德尔斐法(Delphi)确定指标权重、按照自然断点法划分综合评价结果，选其最优斑块作为生态源地。
1.3.2生态阻力面构建
物种在水平空间上运动、生态流在斑块之间的流动与传递，很大程度上受到土地利用类型和人为活动干扰的影响，生态阻力赋值主要根据专家知识或经验数据进行。参考陆禹等、李保杰等的研究，按照单位面积土地利用类型生态系统服务价值赋予相应的阻力值：耕地75、林地28、草地75、水域1、未利用地 80、建设用地100，构建基本生态阻力面。
由于煤炭资源长期高强度开采，微地貌产生形变，地面塌陷积水，形成局部内循环生态系统，一定程度上割裂生态源地、切断廊道，影响了生物之间的交流，造成井田边界内外生态阻力因采煤活动的显著差异。贾汪区原井田边界内大部分采空区的沉降活跃期已过(以2016年最后关闭的旗山煤矿93118工作面为例，平均采深约为550m，地表移动延续时间为3.6年)，越靠近中心地带与外部联系越被隔绝；塌陷损毁严重地段仍为积水洼地或改造为鱼塘或整治为湿地公园；或为季节性积水耕地或挖深垫浅为鱼塘或与周边土地利用类型无异。本发明以煤矿井田边界为基础，查阅历史岩移观测资料或文献，估算采空区影响范围，并据此修正井田范围及其影响范围阻力状况。
式中：Ri为修正后的阻力系数；R为基本阻力系数；H为矿井平均采深(m)；α为煤层的倾角(°)； d为到井田边界距离(m)；h0为平均采厚(m)；L为井田中心到边界的距离(m)。
1.3.3生态廊道与障碍区识别
生态廊道是沟通生态源地的桥梁或通道，现被拓展到生态安全保护结构范畴和支撑生态系统运作的重要部分，是生态修复中最有可能改善连通性的结构要素或区域，进而减少生态过程被截留和分割的概率。生态廊道会与周边发生差异性联系，如动植物利用廊道迁移的方式、相邻斑块生态系统服务类型、所连接生态源地位置等。电路理论是将斑块抽象为一系列节点和电阻，利用最小累积阻力模型构建生态阻力面，并基于电荷随机游走特性识别生态廊道，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。
总会存在一些障碍区域影响到生态廊道连接质量，成为生态修复的重点关注区域，是可应用具体生态修复行动恢复阻碍迁移的可能区域，但其具体修复行为针对不同的保护前提和应用条件而异。基于电路理论的障碍区识别过程如下：在模拟出生态廊道的基础上，采用移动窗口(参考李保杰等、刘佳等的最佳景观粒度域与搜索半径研究，结合贾汪区平均斑块宽度96.8m，选择100m作为搜索半径)检测研究区是否存在阻碍生态过程的潜在区域，以单位距离恢复的连通性值(土地利用类型改变前后最小成本路径的差值与搜索直径的比值即IS值)大小来表征障碍区对于生态景观连通性的影响强弱。
1.3.4基于生态安全格局的生态修复分区
生态修复分区是开展生态修复的前提，一般采用“自上而下”与“自下而上”相结合的“分区指标+ 因子叠加”方法。但区域生态建设是动态的、持续的过程，相关生态要素的空间格局随着区域快速发展产生较大的变动。静态视角或单一年份空间格局构建忽略了生态系统要素复杂、动态连续变化等特征，难以较好地反映当地生态本底，需要综合构建区域生态安全格局背景下的生态修复分区。
将三年期生态源地、障碍区和生态阻力面分别进行归一化处理，综合考虑生态修复需求、生态过程难易和生态要素特征，在保障生态源地留存的基础上，叠加归一化处理后的障碍区与生态阻力面，最终形成分区指数，利用自然断点法进行生态修复分区。下式为分区指数EPS：
式中：EPS为分区指数；ISi为障碍区栅格像元i的值；ISmin为障碍区的最小值；ISmax为障碍区最大值； R为最小累积阻力面栅格像元i的值；Rmin为阻力面的最小值；Rmax为阻力面最大值；n是年期数，大于1。
2、结果分析
2.1生态源地分布
依据保护生态系统完整性和修复工作连续性以及后期管护便利性原则，选择性删除生态源地评价结果产生的生态系统服务辐射功能较弱、零碎细小斑块。2000年、2008年、2016年生态源地约占贾汪区总面积的17.77％；主要由耕地、园林地、水域构成，三者累计约占生态源地的94.36％。整体而言，生态源地主要分布在大吴街道、塔山镇和大泉街道，园林地、草地等植被覆盖较高，水资源丰富，生态系统服务明显；部分地段因临近主干河流及自然保护区，在生态系统服务方面发挥一定的作用而成为生态源地的一部分。相较而言，在老矿街道和江庄镇分布较少，前者为人口主要聚居地和历史矿区分布，生态景观连通性较差，后者地形起伏明显，均难以保障生态空间完整性和生态功能稳定性。2002-2012年被称为煤炭黄金十年，期间由于煤炭资源开采引发地表沉陷、地段性积水等现象，也在一定程度上割裂了生态空间完整性和生态系统功能稳定性；与此同时，城区或镇区建设用地不断扩张，使生态源地面积在2008年处于低谷。
2.2阻力面分布
自然条件和人类活动对阻力值都有很大影响，主要反映出生态源地间穿越景观过程的难易程度。阻力值大的生态景观在空间上不利于生态过程，亟需进行生态修复。2000年生态阻力值介于8.34～101.42，高值区主要集中在老矿街道、大吴街道、潘安湖街道、紫庄镇西南部等采矿活动干扰较高的区域以及交通运输活动频繁的江庄镇东北部；2008年生态阻力值介于4.36～132.21，阻力高值区分布与2000年类似，但范围较2000年有所增大，主要是煤炭开采范围的影响以及采煤活动带来的采空区、塌陷区进一步扩大导致； 2016年生态阻力值分布范围为1.38～100，高值区主要分布在人类活动干扰较高的老矿街道、大吴街道，中等偏上阻力值在全域均有广泛分布，呈现由城区往外逐渐减小的趋势；生态阻力所受影响由采矿活动和开发建设活动共同引致。
2.3生态廊道与障碍区分布
2.3.1生态廊道分布
生态廊道的价值在于将耕地、园林地、水域等连接形成更为完整的生态系统和提高其空间服务价值，主要承担物种迁移的传输通道、生物生存繁殖的生境等基础功能，同时承担防风滤污的保护隔离和生态景观建设等生态修复功能。利用GIS工具LinkageMapper判别，通过生态源地的矢量图和阻力面的栅格图来创建它们之间最小成本路径(Least-Cost-Path)，作为生态源地间的生态廊道。经统计，2000年、2008年、 2016年生态廊道分别为58条、66条、44条，总长度分别为15.74km、205.19km、144.76km；分散的生态源地会导致生态廊道单个长度变短、总体数量增多和总长度增加。2000-2008年生态廊道在<1.5km、>4.5km 范围内呈现增长趋势，在1.5～4.5km范围内呈现下降趋势，主要原因是持续煤炭开采和城镇化建设导致的坑塘水面和建设用地增加，割裂生态源地连接水平，导致生态廊道长度呈现两极分化与适中长度生态廊道的减少；2008-2016生态廊道在各长度范围内总体上呈现下降趋势，其主要原因是贾汪区采取生态乡镇建设、农村环境连片综合整治、采煤塌陷地生态修复等措施，一定程度上促进生态源地集中连片分布与生态源地间所需生态廊道数量的减少。
2000年、2008年、2016年生态廊道分布整体呈明显的空间相似性，主要分布在江庄镇、青山泉镇，呈树枝状从西北向南部延伸；在南北方向上，生态廊道沿着地势平坦耕地、大洞山风景区等风景名胜区分布；在东西方向上，生态廊道沿着大运河、不老河等河流水系向南北方向延伸。生态廊道在贾汪区北部山区分布密度较高，而在中部、南部、西南地区则分布较为稀疏，各镇之间存在着显著的内部空间分异差异。
2.3.2障碍区判断
利用Barrier Mapper工具在生态廊道构建基础上找出影响生态廊道连接质量的障碍区，目的在于通过障碍区的改善或去除以促进或增强整体生态系统连接性。障碍区是生态恢复的关键区域，其恢复可极大地增强生态源地的连通性和减小生态过程的阻力。由统计可知，障碍区面积由2000年的327.8km2到2008年的345.6km2，略有增幅；2016年锐减至279.66km2，降幅达19.1％；总体处于下降趋势。主要可能原因是： 2000-2008年延续煤炭开采造成地表塌陷和交通线路的切割等阻断物种迁移途径；2008-2016年部分矿井逐步关闭，开始对所有关闭的矿山推进采煤塌陷区综合治理以及各类整治工程，部分障碍区得到恢复且损毁面积减少。
障碍区多位于生态源地之间或是源地边缘地区，电流密度较大的区域主要分布在京杭大运河以北的区域，以北部和中部较高；其中，江庄镇(18.80％～17.53％～18.54％)、青山泉镇(17.29％～14.18％～17.25％)、汴塘镇(17.73％～19.53％～20.26％)、大泉街道(13.93％～12.24％～15.60％)的障碍区占全区障碍区比例较大。江庄镇、青山泉镇主要是由于地势起伏、京台高速、京沪高铁、国道省道(G310、G206)等密集的交通路网的切割，将园林地、草地以及耕地等自然景观割裂为多个破碎生境斑块；汴塘镇由于生态景观破碎，生态源地斑块小且较少，地处低山丘陵区域，物种迁移较为困难；大泉街道、老矿街道因大洞山和督公山等旅游产业的发展，人类活动频繁、旅游设施建设等，对生态廊道分割作用明显。大吴街道 (6.43％～8.20％～3.93％)、塔山镇(8.02％～8.53％～8.87％)和紫庄镇(7.35％～10.18％～5.59％)虽有一定面积障碍区分布，但因集中连片大面积的陆地生态源地分布以及连接生态源地的京杭大运河和不老河的水生态廊道分布，提供并缓解生物避开道路等人工景观实现远距离源地间迁移扩散。
2.4生态修复分区与策略
2.4.1生态修复分区
生态源地是维系生态安全的重点区域，是生态修复需要保护的核心区域，面积为144.38km2，占研究区总面积23.29％；应作为生态保育区进行自然恢复，以现有自然保护区为框架，辅以生态保护。
在生态源地识别的基础上，其余区域按照自然断点法将分区指数划分为三类：生态提升区、生态控制区、生态修复区。生态提升区面积为189.60km2，占总面积30.58％；以生态源地周边地段或低阻碍区为导向区，生态修复活动导向以保护生态安全屏障为主，辅以控制城镇建设用地边界。生态修复区以高阻碍区或交通路线缓冲区或采煤塌陷区为范围，面积为182.68km2，占总面积29.64％；生态修复活动导向为水源涵养、生物多样性保护等生态系统支撑能力提升和历史煤矿受损区修复。生态控制区为其他三个区域未覆盖的广大农业用地区，面积103.34km2，占总面积16.49％；生态修复活动以国家农用地用途管制为依据，发展基础农业或特色农业。
2.4.2主要生态修复策略
加强生态用地保障和生态产品供给，有必要对生态保育、生态提升以及生态修复区进行一系列的生态修复和保护等措施。
生态保育区是区域发展的自然山水基底，选择以潘安湖、大洞山、督公湖、凤鸣海四个4A级景区和卧龙泉3A级景区进行重点保护与维护；采取生态空间圈层控制，禁止在保育区周围5km以内建设，对湿地、水源、生态及景观恢复可能造成污染的项目和设施严格控制；借助京杭大运河丰富的水系资源，梳理历史采矿区、塌陷区用地，构建湿地生态效应，形成重要的生态系统保育区域。
生态提升区是区域发展的重要生态屏障，应充分利用乡村生态环境资源，注重保护自然生态和加强成片乡村景观保护，开展丘陵生态特色农业观光；积极推行清洁生产、发展循环经济；加强污染综合治理，着重加强重污染行业的整治力度，限制开发地下水资源，提高自然灾害防御能力。采取治理矿山污染、恢复矿山植被等措施，依托现状水系、山体涵养生态，维护和改善历史矿区生态安全格局。
生态修复区是包含历史采煤塌陷区在内的生态建设重点关注区域，应以生态修复为重点，加强环境治理与生态保护；参照生态功能区划规定，划定并针对不同生态损毁地段或类型采用因地制宜修复策略，如重要生态斑块廊道附近的废弃矿山及宕口，采取生态重建措施重塑生态环境；塌陷用地采取土地整治措施、合理规划田间沟渠、防护林以及灌溉设施等，保护区域农业资源，对部分耕作土地采取土壤修复策略以保障区域生态安全。
3、结论与讨论
3.1结论
本发明基于生态景观连通性、生态因子敏感性和生态系统服务重要性角度，综合识别了贾汪区2000 年、2008年、2016年的生态源地；利用电路理论的连接度模型和经井田边界信息修正的生态阻力面，判别了生态廊道等生态安全格局基本要素与阻碍生态过程的障碍区；采用分区系数划分了全域覆盖的生态修复分区，并提出相应生态修复策略。
研究结果表明：(1)2000年、2008年、2016年生态源地面积分别为137.56km2、101.72km2、119.02km2，生态源地是保障区域生态安全的底线生态用地，主要分布在贾汪区的江庄镇、大泉街道、大吴街道，以耕地、园林地、水域为主；随着城镇化发展和矿井闭坑，生态空间完整性和生态功能稳定性也随之发生变化；贾汪区2000-2016年生态阻力面高值区主要分布在老矿街道、大吴街道，2000-2008年煤炭开采活动频繁以及开发建设活动导致区域阻力面增加，随着矿井逐步关闭，2008-2016年阻力值呈现减小趋势。
(2)2000-2016年生态廊道分别为58条、66条、44条，整体分布呈明显的空间相似性，在植被覆盖较好的低山丘陵区或呈环形沿河流分布；但也存在显著的各镇内部空间分异差异；2000-2016年障碍区明显存在重叠区域，主要分布在京杭大运河以北区域，以北部和中部较高。(3)基于生态源地、障碍区以及生态阻力面将贾汪区划分为生态保育区、生态提升区、生态修复区以及生态控制区四个生态修复分区，各分区面积分别为144.38km2、189.60km2、182.68km2、103.34km2，并提出相应的开发引导和规划管控内容。
3.2讨论
资源型城市向山水园林城市转变，需要通过采煤塌陷地治理、生态修复等谋划生态转型方向；而通过识别生态安全格局基本构成要素，并实行分区修复与保护是实现区域生态安全与生境安全的基本途径之一。本发明在充分考虑生态源地内涵以及时空变化基础上，从生态景观连通性—生态因子敏感性—生态系统服务重要性入手，所选取的生态源地与研究区域重要生态功能区的空间分布基本重合，可以认为本研究识别的生态源地基本可靠；依据电路理论识别障碍区，考虑到贾汪区城镇化速率较快，大范围生态修复的成本高，应该以最小的成本最大限度提高景观连通性，所判别的生态过程障碍区基本位于城镇向外扩张缓冲带或曾是煤炭开采塌陷区域，仅能为宏观生态修复规划分区服务，具体生态修复措施还需因地而异、因需而异。此外，本发明侧重于研究生态廊道所处位置，较少考虑生态修复设计中对生态廊道宽度的要求；在今后的研究中，将尝试探究生态廊道宽度的具体应用需求，以更好地解释生态修复分区范围和修复工程建设地段。
实施例2：基于生态安全格局的国土空间生态保护修复关键区域诊断与识别--以烟台市为例
山水林田湖草系统生态保护修复是维护国家生态安全的重要保障。当前国土空间生态保护修复研究缺乏从生态系统的完整性和结构连通性角度对国土空间生态保护修复关键区域进行诊断和识别。烟台市作为我国典型滨海城市，湿地退化，生境类型单一造成景观稳定性差，国土空间生态保护修复刻不容缓。为全面识别烟台市国土空间生态保护修复关键区域，利用生境质量模型、生境风险评估模型、粒度反推法、最小累积阻力模型和电路理论，通过构建区域生态安全格局，诊断生态“夹点”、生态障碍点、生态断裂点等，识别和确定研究区域的国土空间生态保护修复关键区域。研究发现：(1)烟台市生态源地共计668.85km2，主要为林地、水域，源间廊道共计1548.36km，呈现“两横两纵”的空间特征；(2)基于生态安全格局识别烟台生态保护修复关键区域，包括13处生态“夹点”区域、8处生态障碍点区域、39处生态断裂点区域、破碎生态空间1308.66km2；(3)结合各类生态保护修复关键区域的空间分布特征、土地利用现状，分别提出修复提升方向。研究可为国土空间生态保护修复关键区域识别、生态系统整体修复提升提供科学指导。
本发明在总结分析国内外已有生态空间修复研究基础上，选择烟台市为典型区域，基于景观生态学理念，从生境质量和生境风险出发，结合电路理论，构建生态廊道，识别生态“夹点”、生态障碍点、生态断裂点，在构建生态安全格局框架下，识别烟台市内国土生态保护修复关键区域，提出相应的生态空间保护修复方式与策略，以期为国土空间生态保护修复提供借鉴和参考。
1研究方法与数据来源
1.1研究区概况
烟台市地处山东半岛东部，位于119°34′～121°57′E、36°16′～38°23′N之间，下辖四区、七市、一县，总面积13853.84km2，常住人口708.94万人。烟台市区域内地形复杂，属典型山地—丘陵—平原复合区，北部沿海地区以平原和低丘为主，中部为山地丘陵区，南部为平原丘陵区。全市生态空间占国土面积的25.6％，各类林地、草地等基础性生态用地主要分布于中部低山丘陵区以及东部的牟平区。市域内海域和海岸带空间资源丰富，北临黄海、渤海，南临黄海，海域面积2.6万km2，海岸线长1037.93km，全域属暖温带大陆性季风气候，同时也具有明显的海洋性气候特征。
1.2数据来源及处理
本发明涉及到的数据包括土地利用数据、DEM数据及交通数据等。其中，土地利用数据来自烟台市 2017年土地利用变更调查数据库。将湿地、林地、草地和水域等划为生态用地。DEM数据来自地理空间数据云GDEM产品(分辨率为30m×30m)。交通数据为烟台市高速公路、铁路分布数据，来源于Open Street Map数据平台。
1.3研究方法
1.3.1研究框架
本发明基于生态学理论，利用生态安全格局从景观层面识别国土空间生态保护修复关键区域。生态源地确定中，综合了生境质量、生境风险、景观连通性、生态系统服务价值四个方面：首先基于InVEST模型中生物多样性服务价值模块、生境风险模块测算烟台市生态用地的生境质量和生境风险系数，以生境风险修正生境质量得到综合生境质量；其次，采用粒度反推法确定生境连通性最好的景观粒度，确定初步生态源地；最后，基于谢高地等制定生态系统服务价值计算标准测算生态系统服务价值，选取生态系统服务价值高的区域作为生态源地，生态系统服务价值较低的生境破碎区域作为生态保护修复关键区域之一。构建生态阻力面时，为更准确地模拟阻力面分布，除传统基于景观类别的显性阻力面外，借鉴相关研究，引入隐性阻力面、坡度、起伏度因子，测算综合阻力面。以生态源地、综合生态阻力面为基础，利用Circuitscape 插件构建生态廊道，识别待修复生态“夹点”区域、生态障碍点区域及生态断裂点区域，结合低生态系统服务价值的景观破碎区域，共同构成研究区内亟需生态保护修复的关键区域。
1.3.2生境质量模型(Habitat Quality Model)
InVEST模型中的生境质量模型通过栖息地受人类活动干扰程度计算生境质量值。本发明主要从三个方面考虑威胁源对生境斑块的干扰程度，即每个威胁的相对影响，每种生境类型对每种威胁的相对敏感度，栖息地与威胁来源之间的距离。
根据InVSET模型指南、相关研究及烟台市自然条件，确定湿地、林地、草地和水域为生境，其他用地为非生境；将城镇建设用地、农村居民点、公路、铁路和农村道路定义为生境的威胁源；根据模型推荐的参考值及相关文献，确定模型的各类参数。生境质量计算公式如下：
式中：Qxj为地类j中栅格x的生境质量指数；Hj为地类j的生境适宜度；Dxj为地类j中栅格x的生境退化度；k为半饱和常数，即退化度最大值的一半；z为模型默认参数。
1.3.3生境风险评估模型(Habitat Risk Assessment Model)
HRA模型常用于评价人类活动对海域生态系统健康的影响，但其对生境风险的模拟同样适用于陆地生态系统。HRA基于生态风险理论与空间叠加分析，结合生境威胁因子威胁的频率和程度、生境因子受影响的程度以及自我恢复能力来模拟和评估生态用地受到的风险划分等级。在本发明中，生境因子和威胁源的选取与生境质量评估模型保持一致，并按照HRA模型指南设置基础参数，暴露、影响及风险的计算公式如下：
式中：E表示暴露；C表示影响；Rij表示由生态威胁因子j造成的生境i的风险；Ri为生境i的生境风险值；ei为该威胁地类所有斑块的平均生态威胁影响得分；N为每种生境评价标准数量；di为数据质量得分；wi为每个栅格的威胁得分；ci为生境因子所有斑块受影响程度得分。
1.3.4粒度反推法
粒度反推法基于反证法思想，通过测算不同粒度下景观格局指数确定最优景观组分，从而根据该景观组分反选生态源地。本发明选取斑块数、斑块密度、景观形状指数、蔓延度、连接度、斑块结合度六大指标表征景观整体性和连通性，以提取的生态用地为基础，生成100m、200m、400m、600m、800m、1000m、 1200m不同粒度栅格图，利用Fragstats软件计算各粒度水平下的六大景观格局指数，通过分析景观整体性和连通性选取最优景观组分的栅格粒度大小，以该粒度水平为依据与生态用地相交得到初步生态源地。
1.3.5生态阻力面和廊道构建
传统的阻力面构建主要根据斑块土地利用特征模拟生态阻力，不能准确模拟阻力面分布，本发明借鉴相关研究，除显性阻力面外，利用Kriging插值法生成不易直观判断的隐性生态阻力值并计算累积值得到隐性阻力面，同时选取代表地貌条件的指标共同构建综合生态阻力面，最小累积阻力模型原理如下：
式中：MCR为空间内某一景观到源的累积阻力值；f反映累积阻力值与景观生态过程的正相关关系； min表示取累积阻力最小值；Dij表示空间景观单元i到源j的空间距离；Ri表示景观单元i对某目标单元运动扩散的阻力系数。本发明利用Circuitscape插件中的Link-age Mapper模块构建生态廊道。
1.3.6生态“夹点”识别
生态“夹点”是由McRae等基于电路理论提出的概念，是表征生境连通性的景观关键点。在 Circuitscape建模中，生态“夹点”为电流高度密集的区域，表明该区域替代路径极少或不存在，栖息地的退化或损失极大可能切断生境的连通性，故生态“夹点”可代表防止栖息地退化/改变的关键位置，需优先考虑栖息地保护。若生态“夹点”恰好处于生态阻力高值区，则表明该区域退化/损失的概率较大，应作为生态保护修复的关键区域。本发明利用Circuitscape插件的PinchpointMapper模块识别生态“夹点”。
1.3.7生态障碍点识别
生态障碍点是指生物在生境斑块间运动受到阻碍的区域，移除这些区域会增加生态重要区间连通的可能性。本发明使用Circuitscape插件的Barrier Mapper模块识别生态障碍点，并与土地利用现状叠加，确定障碍点土地利用及与基础设施相交状况，有针对性地提出生态保护修复措施。该工具通过计算清除障碍点后连通性恢复值的大小来识别生境内的对连通性影响最大的区域，其中连通性恢复值由累积电流恢复值表征，累积电流恢复值与区域对景观连通性的阻碍成正比。
2、结果分析
2.1生态源地诊断与识别
利用生境质量和生境风险评估模型综合确定烟台市综合生境质量。烟台市综合生境质量较高，平均值为0.90，最低值为0.50，低于0.60的不足0.03％，总体呈现出以城区为中心向外增高的趋势，其中质量高的区域主要位于市内的各大森林公园，低值区零星镶嵌于高值区周围，以蓬莱市、莱山区南部、莱州市南部最多。
利用Fragstats计算得不同粒度水平下景观格局指数，400m粒度是各景观指数发生突变的关键点(连接度指数除外)，大于400m后各指数均逐渐稳定，连接度指数在400m时达到最高，即为该粒度时烟台市生态景观组分的整体性和连通性最佳，故选取该粒度下的景观组分作为初步生态源地。
生态源地选取应兼顾斑块自身价值和不同生境在景观中的功能、结构，生境质量、生境风险测算均基于栅格尺度，主要考虑斑块自身的生态价值，故本发明在此基础上测算初步生态源地各斑块的生态系统服务价值并采用自然断点法划分等级，选取生态系统服务价值前两级作为最终的生态源地。烟台市生态源地面积共计668.85km2，包括湿地、林地、水域，占生态用地面积的19.46％，其中有林地为主要生态源地，占生态源地总面积的82.52％。生态源地以牟平区最多，达234.03km2，莱山市、芝罘区和蓬莱市的生态源地面积最小，均小于15km2。
2.2区域基础生态安全格局构建
构建综合阻力面，利用Linkage Mapper模块构建生态廊道，形成由生态源地和生态廊道构成的基础生态安全格局。烟台市高阻力值区域集中分布于龙口市、蓬莱市、福山区及芝罘区北部沿海地区、莱阳市西部地区和莱州市西南角，主要受城市建设用地、交通用地的阻尼作用。生态源地主要包括昆嵛山、招虎山、牙山、罗山四大国家森林公园、门楼水库、沐浴水库和莱州西部沿海滩涂等。生态廊道连接各大生态源地，呈现出两横两纵的空间特征，共计1548.36km，其中河流廊道主要包括五龙河、大沾夹河、鱼鸟河、富水河等河流的部分河段。
2.3国土空间生态保护修复关键区域识别
2.3.1待修复生态“夹点”区域识别
基于基础安全格局识别生态“夹点”。烟台市内生态廊道的电流强度(即生物质流动强度)分布中，电流强度由绿色到深红色逐步增强，深红色区域均为生态“夹点”，对生态景观的重要性极高。叠加综合阻力面，发现处于高阻力区域的生态“夹点”。即待修复的生态“夹点”区域共有13处，共计90.40km。其中最长为36.11km，分布于莱阳市西部，最短为0.73km，位于莱州市西北角处。待修复的13处生态“夹点”区域中，11处位于河流廊道上，具体包括莱阳市2处、福山区1处、海阳市1处、莱山区1处、招远市1处、莱州市2处、招远市、栖霞市2处。河流廊道作为天然廊道，不可替代性极强，受到建设用地侵占、填河造田等影响，河流逐渐萎缩、狭窄，加之部分工厂污染物的排放超过河流纳污能力，二者共同造成河流廊道的风险高。
在待修复的河流廊道“夹点”区域应加强河流修复治理，进行污染治理和清淤、建立河流保护区，同时强化河流保护监督工作，严禁任何破坏河流生态环境行为。河流入海口还应加强入海口整治，做好土壤治理与保护。另有2处待修复的生态“夹点”区域位于莱山区北部的马山寨高尔夫俱乐部和招远市北部海北咀村渔港，破坏了原有岸线资源，对沿海滩涂间大量的生物流动造成巨大的潜在威胁。高尔夫球场耗水量高、水污染严重，对生态环境和生物流动的影响极大，维护球场内生态环境、控制污染物排放、做好整治清理以保障区域生态环境质量不下降是该区域生态保护修复的首要工作。渔港地区应加强生态污染治理，严格控制发展规模、人口规模、产业布局，减少生活和生产污染。
2.3.2待修复生态障碍点区域识别
研究识别待修复生态障碍点区域8处，其中芝罘区3处、莱州市3处、栖霞市1处、莱阳市1处。空间分布上，8处生态障碍点区域均处于低阻力值与高阻力值相交区域，其中6处位于生态廊道与生态源地接壤处，是廊道与源地的连通关键位置，生态障碍点区域的保护修复对生态系统连通性和整体功能具有重要意义；从土地利用类型来看，待修复生态障碍点区域土地利用现状均为非生态用地，主要为城市建设用地与耕地。故而在修复时可针对生态障碍点类别分类进行：对于城镇内部建设用地，可加强绿带、绿心等城市绿地建设，增加植被丰度，保障城市内部生态系统连续性；对于滨海地区，可拆除部分建筑，同时沿岸线种植生态防护林，恢复岸线资源；对于耕地区域，可开展退耕还林、退耕还湖，加强源地—廊道连接的生态稳定性。
2.3.3待修复生态断裂点区域识别
本发明待修复生态断裂点区域识别主要考虑大型交通道路(铁路和高速公路)对生态廊道的阻隔。纵横交错的交通设施加剧景观破碎化，与廊道相交处直接或部分切断了景观连接度，对生物流动的畅通和安全性造成威胁。烟台市内生态断裂点区域共39处，集中分布于芝罘、福山、莱山交界处，其中与铁路相交23处，与高速公路相交19处，有3处因铁路、公路并行且相隔距离较近，生态廊道与二者同时相交。铁路、高速公路均为重要交通设施，不可直接拆除，故应在生态断裂点处因地制宜地建立相关改良设施，如管状涵洞、桥下涵洞、“过街天桥”等野生动物通道，并于通道旁竖立警示牌，保证野生动物流动的畅通性，同时定期开展野生动物通道监测，及时排除干扰因素。
2.3.4待修复破碎生态空间识别
初步生态源地中生态系统服务价值低的区域也应作为关键区域进行保护和修复。低质量破碎生态空间共1308.66km2，镶嵌于耕地和园地中，以栖霞市、海阳市分布最广，分别为251.76km2、219.36km2。
破碎生态空间由交通用地切割、地质灾害、城市建设侵占等多方面因素引起，景观斑块分散，难以统一进行修复，应结合市(区)发展规划重组生态用地，如可选取区域内斑块较大区域进行地形修复和岸线维护等，以逐步恢复生态景观的连续性；若区内生态用地过于分散无法集中修复，可通过相关规划，采取异地造林、异地复绿等措施整合绿地资源。
2.4国土空间生态保护修复关键区域的生态修复策略
基于生态安全格局，结合生态阻力面、生态障碍点等相关概念，识别出烟台市生态保护修复的关键区域。烟台市待修复生态“夹点”区域、生态断裂点区域及生态障碍点区域多处有重叠或相交，生态断裂点区域基本位于待修复生态“夹点”区域中，而生态障碍点区域大多处于生态源地与源间廊道接壤处，三大类节点区域是保证生物在源间流通关键位置。整合修复三大类节点区域和破碎生态空间，提高城市绿地、湿地等生态用地间的生态网络完整性，可保障和提高烟台市生态基质和生态空间的稳定性，提升生态系统服务供给能力。
考虑国土空间生态保护修复关键区域利用现状，提出分类修复建议如下：关键区域中受损水域主要包含河流“夹点”区域和破碎生态空间中沿海湿地等，可开展湿地腾退工程、入河排污口综合整治工程、湿地恢复重建工程、水生态系统保护与修复工程、水源地保护工程以及水资源保护监测工程等生态保护修复项目，并加强沿河绿道、湿地绿化工程建设，全面清污截污，提高受损河流和湿地的生态水平；针对铁路、公路上的待修复生态断裂点区域，可因地制宜建设野生动物通道并开展野生动物通道监测，杜绝破坏通道、猎杀野生动物行为；城镇地区生态保护修复除上文提及绿地、绿心建设外，可通过开展垃圾、污水处理等综合整治工程，建立环境监测网络，提高建成区生态环境品质；针对耕地，基本农田保护区外耕地可适当退耕还林、还湖，基本农田保护区内耕地可加强农田整治工程、防护林建设工程等环境建设，并充分发挥耕地的生态功能，改善区域内生态环境。同时，为保证生态保护修复效果，可建立长期生态监测体系，及时发现各类生态用地恢复中的问题并完善生态修复手段；建立面向公众的生态修复交流和信息分享平台，发展生态教育，提高人们的生态保护意识；加强社区保护，保障生态修复区域居民的利益，提高居民生态保护意愿等。
3、结论与讨论
本发明以我国典型海湾城市烟台为研究区，基于景观生态学，采用InVEST中生境质量、生境风险评估模型评估烟台综合生境质量和风险，结合粒度反推法、生态系统服务价值评估识别生态源地和破碎生态空间，构建综合阻力面，识别生态廊道、生态“夹点”、生态障碍点、生态断裂点，创新性地利用生态安全格局识别市域国土空间生态保护修复关键区域，并针对各类关键修复区域提出生态保护修复措施。得到结论如下：
(1)烟台市生态源地共计668.85km2，占生态用地面积的19.46％，主要为林地和水域；源间廊道包括河流廊道和人工廊道，共计1548.36km，呈现“两横两纵”的空间特征。
(2)研究识别出烟台生态保护修复关键区域包括：待修复生态“夹点”区域13处，其中11处位于河流廊道；待修复生态障碍点区域8处，均处于低阻力值与高阻力值相交区域；待修复生态断裂点区域39 处，集中分布于芝罘、福山、莱山交界处，与铁路相交23处，与高速公路相交19处，有3处与铁路、公路同时相交；破碎生态空间以栖霞市、海阳市分布最广，共1308.66km2。
(3)结合各类生态保护修复关键区域的空间分布特征、土地利用现状，分别提出针对各类生态保护修复关键区域的修复提升方向和待修复生态空间各类用地的针对性修复工程和长期监测工程等。
本发明基于生态安全格局理论识别生态保护修复关键区域，融入景观格局优化理念，全面考虑了生态系统的整体性和连通性，相较传统的针对某一具体待修复区域设立生态保护修复工程更具全局性、系统性和理论性：生态源地选取上，生境质量、生境风险、粒度反推法和生态系统服务价值评估的综合运用测算了生态用地为人类提供的服务和遭受风险的大小，全面考虑了斑块自身价值、斑块大小、粒度水平对生态源地选取的影响；待修复生态“夹点”区域、生态障碍点区域、生态断裂点区域均为景观格局中的关键区域，对山水林田湖草生态系统修复和综合治理具有重要意义。最后，需指出本发明存在的一些问题：识别了生态断裂点、生态“夹点”、生态障碍点三类关键待修复区域，修复这些区域后景观连通性的提升程度仍有待进一步研究；同时本发明未确定生态保护修复关键区域的修复优先顺序，今后应结合关键区域的地理位置、社会经济条件及生态需求，明确关键区域生态保护修复的先后顺序，以期达到更高效的生态保护修复效果。
以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种国土空间生态修复关键区识别系统，其特征在于，所述国土空间生态修复关键区识别系统包括：
评价模块，用于基于分析结果以及集成处理后构建包括生态环境状况评价、生态功能重要度评价、生态功能脆弱性的关联评价模型，进行国土空间整体关联评价，确定生态环境恶化区、生态功能重要区和生态空间脆弱区；
模型构建模块，用于构建生境质量模型、生境风险评估模型以及最小累积阻力模型；其中，所述构建生境质量模型的方法包括：
对所述集成后的国土空间多源数据进行分析结合确定的待修复区域的时空演变规律与互馈机制计算相应的生态威胁因子；
提取多源数据中的区域土地图及其他图数据，将提取的图数据转换为栅格图；基于转化得到的栅格图以及集成处理的数据计算各个威胁因子的影响力：
ir xy＝1-(dxy/dr max)if linear；
式中，ir xy表示威胁r的栅格x的生境对栅格y的影响；dxy表示栅格x与y之间的线性距离；dr max表示威胁r的最大影响距离；
基于各个威胁因子以及威胁因子的影响力大小分别计算待修复区域的生境退化指数、生境质量指数、生境稀缺性，构建相应的生境质量模型；
其中，所述生境质量计算公式如下：
式中，Qxj为地类j中栅格x的生境质量指数；Hj为地类j的生境适宜度；Dxj为地类j中栅格x的生境退化度；k为半饱和常数，即退化度最大值的一半；z为模型默认参数；
所述最小累积阻力模型为：
式中，MCR为生态源斑块j扩散至某点的最小累积阻力值；f反映累积阻力值与景观生态过程的正相关关系；min表示取累积阻力最小值；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；
综合评估模块，用于基于构建的生境质量模型、生境风险评估模型、最小累积阻力模型结合粒度反推法构建区域生态安全格局进行国土空间综合生态评估，确定生态夹点、生态障碍点、生态断裂点以及其他生态损坏区域；
其中，所述其他生态损坏区域包括生态源地、生态廊道和生态阻力面；
所述分区指数EPS为：
式中，EPS为分区指数；ISi为障碍区栅格像元i的值；ISmin为障碍区的最小值；ISmax为障碍区最大值；R为最小累积阻力面栅格像元i的值；Rmin为阻力面的最小值；Rmax为阻力面最大值；n是年期数，大于1；
修复识别网络构建模块，与中央控制模块连接，用于基于整体关联评价结果以及综合生态评估结果构建多尺度、多层级的国土空间生态修复关键区识别网络；
修复识别模块，用于基于多尺度、多层级的国土空间生态修复关键区识别网络识别得到生态修复关键区。
2.如权利要求1所述的国土空间生态修复关键区识别系统，其特征在于，所述国土空间生态修复关键区识别系统还包括：
数据采集模块，用于利用RS、GIS以及其他技术进行待修复区域内国土空间多源数据的采集；
多源数据集成处理模块，用于对采集的待修复区域内国土空间多源数据进行预处理与集成；
分析模块，用于基于集成处理后的数据确定待修复区域的时空演变规律与互馈机制；
结果输出模块，用于将采集的数据、集成处理数据以及分析结果、评价结果、评估结果以及识别结果进行输出。
3.如权利要求2所述的国土空间生态修复关键区识别系统，其特征在于，所述通过多源数据集成处理模块对采集的待修复区域内国土空间多源数据进行预处理包括：
首先，将采集的待修复区域内国土空间多源数据进行分类处理，得到不同类别的数据；
其次，确定数据标准存储格式，按照确定的数据标准存储格式对各个类别的数据进行标准化处理；
最后，对标准化处理的各个类别的数据进行过滤、清洗处理。
4.如权利要求3所述的国土空间生态修复关键区识别系统，其特征在于，所述对标准化处理的各个类别的数据进行过滤、清洗处理包括：
对各个类别的数据进行分析，判断是否为异常数据，过滤删除所述异常数据；
对删除异常数据的进行连贯性分析，判断是否存在缺失情况；对存在缺失情况的数据进行缺失值范围确定；
根据确定的缺失值范围，计算每个字段的缺失值比例，并评估所述字段的重要程度，基于缺失值比例计算结果以及字段重要程度执行对应的处理。
5.如权利要求4所述的国土空间生态修复关键区识别系统，其特征在于，所述基于缺失值比例计算结果以及字段重要程度执行对应的处理包括：
当字段缺失比例多且字段不重要时，直接删除对应数据；当字段缺失比例少或字段重要时，则进行缺失字段的填充。
6.如权利要求1所述的国土空间生态修复关键区识别系统，其特征在于，所述基于分析结果以及集成处理后构建包括生态环境状况评价包括：
首先，获取分析得到的待修复区域的时空演变规律与互馈机制，基于所述待修复区域的时空演变规律与互馈机制选取能够表示待修复区域的国土空间生态环境状况的指标构建生态环境评价指标；
其次，对选取的评价指标进行归一化处理，基于归一化处理的评价指标构建生态环境评价指标体系；
然后，基于所述生态环境评价指标体系的各个生态环境评价指标构建相应的反演模型；
最后，基于层次分析法或主成分分析法得到区域的遥感生态指数，结合各个指标的值以及相应的遥感生态指数得到待修复区域的生态环境状况的评价结果。
7.如权利要求6所述的国土空间生态修复关键区识别系统，其特征在于，所述对选取的评价指标进行归一化处理包括：
对选取的各个评价指标进行影响的趋势分析，当所述评价指标为正影响趋势定量类型时，则无需执行其他处理；
当所述评价指标的类型为负影响趋势定量类型时，则执行逆处理得到负影响趋势定量类型的标准指标；
当所述评价指标类型为定性类型时，则将所述类型转化为对应的数值以及等级，得到标准指标。
8.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求1～7任意一项所述的国土空间生态修复关键区识别系统。
9.一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以应用如权利要求1～7任意一项所述的国土空间生态修复关键区识别系统。
10.一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机应用如权利要求1～7任意一项所述的国土空间生态修复关键区识别系统。
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