CN117236711A - 一种基于大数据的自然灾害后生态系统损害评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生态系统损害评估技术领域，具体涉及一种基于大数据的自然灾害后生态系统损害评估方法，基于地震前后地类分布数据，针对单一土地利用动态度进行分析，即在某个时间段内某一个地区不同土地利用类型的变化的幅度与速度的指标，并通过进一步分析来预测土地利用的变化情况。该发明能够帮助研究人员系统评估自然灾害后生态系统的损害程度、恢复能力和经济价值损失，对于评估生态系统的受损程度和经济价值损失具有重要意义，为后续的生态系统损害评估提供科学依据，为后续的分析和总结提供可靠的数据支持，为相关决策提供科学依据。
Description
技术领域
本发明属于生态系统损害评估技术领域，具体涉及一种基于大数据的自然灾害后生态系统损害评估方法。
背景技术
自然灾害是指给人类生存带来危害或损害人类生活环境的自然现象，包括干旱、高温、低温、寒潮、洪涝、山洪、台风、龙卷风、火焰龙卷风、冰雹、风雹、霜冻、暴雨、暴雪、冻雨、酸雨、大雾、大风、结冰、霾、雾霾、地震、海啸、滑坡、泥石流、浮尘、扬沙、沙尘暴、雷电、雷暴、球状闪电、火山喷发，地震是对于人类危害较大的自然灾害，地震又称地动、地振动，是地壳快速释放能量过程中造成的振动，期间会产生地震波的一种自然现象，地球上板块与板块之间相互挤压碰撞，造成板块边沿及板块内部产生错动和破裂，是引起地震的主要原因，地震开始发生的地点称为震源，震源正上方的地面称为震中，破坏性地震的地面振动最烈处称为极震区，极震区往往也就是震中所在的地区，地震常常造成严重人员伤亡，能引起火灾、水灾、有毒气体泄漏、细菌及放射性物质扩散，还可能造成海啸、滑坡、崩塌、地裂缝次生灾害；
现有的生态系统损害评估方法一般只是对生态系统的损害程度进行判断，对于地震后的灾害恢复能力及经济价值损失的评估不足，不利于后续的重建相关决策制定，为此我们提出一种基于大数据的自然灾害后生态系统损害评估方法来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于大数据的自然灾害后生态系统损害评估方法，能够帮助研究人员系统评估自然灾害后生态系统的损害程度、恢复能力和经济价值损失，为相关决策提供科学依据。
本发明采取的技术方案具体下：
一种基于大数据的自然灾害后生态系统损害评估方法，包括以下步骤：
步骤1.基于地震前后地类分布数据，针对单一土地利用动态度进行分析，即在某个时间段内某一个地区不同土地利用类型的变化的幅度与速度的指标，并通过进一步分析来预测土地利用的变化情况；
式中，k是研究时间内某一种土地利用类型动态度，Ua和Ub分别表示研究区开始和结束时某一土地类型的面积，T是研究时间的长度，一般单位设定为年；
步骤2.利用综合土地利用动态度分析地震烈度带土地利用的整体变化情况；
式中，LUi为研究初期第i类土地利用类型面积，ΔLUi-j为第i类土地利用类型转为j类土地利用类型面积的绝对值，T为研究时长；
步骤3.利用土地利用转移矩阵分析土地利用的结构特征和土地利用类型的方向变化情况；
转移矩阵的表达式为：
式中：S表示面积，n表示土地类型的数目，i、j分别代表研究的区域初期和结束时的各种土地类型；
步骤4.对于研究区震前和震后的生境质量情况分析，利用InVEST模型中的HabitatQuality模块，基于土地利用数据，确定生境适宜度和敏感程度，k值设0.5，将沙地和裸地视为主要威胁源进行生境质量分析，InVEST生境质量模型通过结合景观类型敏感性和外界威胁强度来计算生境质量，计算公式为：
式中：Dxj为生境退化指数；R为胁迫因子；y为胁迫因子r栅格图层的栅格数量；Yr为胁迫因子所占的栅格数量；wr为胁迫因子的权重；ry为栅格y的胁迫因子值；βx为栅格x的可达性水平；Sjr为生境类型对胁迫因子r的敏感性；iryx为栅格y的胁迫因子值ry对生境栅格x的胁迫水平；
步骤5.了解地震前后研究区的生态系统服务价值的变化情况，采用谢高地提出的价值量模型计算研究区的生态服务价值，具体计算公式下：
ESV＝∑(En×A)；
式中：En为一个当量因子的经济价值(元/hm2)；m为粮食作物种类数；Qi为第i种作物的面积(hm2)；Pi为第i种作物的单产(kg/hm2)；qi为第i种作物的平均价格(元/kg)；M为粮食作物总面积(hm2)；ESV是某一地类产生的生态价值总量；A是某一地类的面积；
步骤6.地震数据获取；
步骤7.数据分析总结。
在一种优选方案中，所述地震数据获取包括数据源确定，所述数据源确定为确定可信赖的地震数据来源，地震监测机构、科学研究机构或国际地震台网，常用的数据源包括美国地质调查局、中国地震局。
在一种优选方案中，所述地震数据获取还包括数据接入，所述数据接入为通过相关机构的数据接口或数据库进行数据获取，具体方式因数据源而异，有些机构可能提供在线数据接入，直接下载数据，其他机构需要填写数据申请表格并待批准后才能获得数据，果无法直接获取数据，与相关机构联系并申请获得数据副本，在申请过程中，提供个人或组织的身份信息，以及研究目的和数据使用计划。
在一种优选方案中，所述地震数据获取还包括数据预处理，所述数据预处理包括数据清洗、数据去噪、数据插值，所述数据清洗为检查数据的完整性，删除缺失或错误的数据点，并处理异常值，所述数据去噪为使用滤波算法去除高频噪声干扰，以提取出地震信号，所述数值插值为使用插值方法填充缺失的数据点。
在一种优选方案中，所述地震数据获取还包括数据格式转换，所述数据格式转换为将获取到的原始数据转换为适合后续处理和分析的格式，文本文件或数据库格式，所述数据格式转换还包括数据标准化，将地震参数统一转换为国际通用的单位制。
在一种优选方案中，所述地震数据获取还包括数据存储，所述数据存储为选择合适的数据存储方式，本地存储或云端存储，确保数据的安全性和可访问性，果使用本地存储，选择合适的硬盘、服务器或网络存储设备进行存储，果使用云端存储，选择云服务提供商进行存储。
在一种优选方案中，所述地震数据获取还包括数据验证，所述数据验证为对存储的地震数据进行验证，以确保数据的完整性和准确性，使用校验算法，比对其他数据源或与相关机构核对数据来进行验证，验证过程中，需要检查数据是否包含所有所需的地震参数，并与已知合理范围内的数据进行对比，以排除数据错误或异常情况。
在一种优选方案中，所述数据分析总结包括利用获取的地震数据进行进一步分析，计算地震的震级、震源位置参数。
在一种优选方案中，所述数据分析总结还包括进行数据处理和建模，以获得更详细的地震特征和趋势，为后续的生态系统损害评估提供基础数据。
在一种优选方案中，所述数据分析总结还包括使用各种数据分析工具和算法，包括地震波形分析、时频分析、机器学习。
本发明取得的技术效果为：
1、对地震前后土地利用的变化进行详细分析，包括土地类型的动态度、整体变化情况和方向变化情况，这可以为了解灾后生态系统的恢复能力和生境质量提供重要基础；
2、分析研究区震前和震后的生境质量情况和生态系统服务价值的变化，这对于评估生态系统的受损程度和经济价值损失具有重要意义；
3、使用了地震波形分析、时频分析和机器学习数据分析工具和算法，更全面地理解地震特征和趋势，为后续的生态系统损害评估提供科学依据；
4、对地震数据进行了全面的获取、预处理、存储和验证，这确保了数据的准确性、完整性和安全性，为后续的分析和总结提供可靠的数据支持。
附图说明
图1是本发明的一种基于大数据的自然灾害后生态系统损害评估方法的示意图；
图2是本发明的一种基于大数据的自然灾害后生态系统损害评估方法的土地利用变化量及动态度的示意图；
图3是本发明的一种基于大数据的自然灾害后生态系统损害评估方法的地震VI烈度带土地利用转移矩阵的示意图；
图4是本发明的一种基于大数据的自然灾害后生态系统损害评估方法的地震VI烈度带不同景观的破碎度的示意图；
图5是本发明的一种基于大数据的自然灾害后生态系统损害评估方法的地震VI烈度带生境质量等级面积的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个较佳的实施方式中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
请参阅图1-5所示，本发明提供了一种基于大数据的自然灾害后生态系统损害评估方法，包括以下步骤：
步骤1.基于地震前后地类分布数据，针对单一土地利用动态度进行分析，即在某个时间段内某一个地区不同土地利用类型的变化的幅度与速度的指标，并通过进一步分析来预测土地利用的变化情况；
式中，k是研究时间内某一种土地利用类型动态度，Ua和Ub分别表示研究区开始和结束时某一土地类型的面积，T是研究时间的长度，一般单位设定为年；
步骤2.利用综合土地利用动态度分析地震烈度带土地利用的整体变化情况；
式中，LUi为研究初期第i类土地利用类型面积，ΔLUi-j为第i类土地利用类型转为j类土地利用类型面积的绝对值，T为研究时长；
步骤3.利用土地利用转移矩阵分析土地利用的结构特征和土地利用类型的方向变化情况；
转移矩阵的表达式为：
式中：S表示面积，n表示土地类型的数目，i、j分别代表研究的区域初期和结束时的各种土地类型；
步骤4.对于研究区震前和震后的生境质量情况分析，利用InVEST模型中的HabitatQuality模块，基于土地利用数据，确定生境适宜度和敏感程度，k值设0.5，将沙地和裸地视为主要威胁源进行生境质量分析，InVEST生境质量模型通过结合景观类型敏感性和外界威胁强度来计算生境质量，计算公式为：
式中：Dxj为生境退化指数；R为胁迫因子；y为胁迫因子r栅格图层的栅格数量；Yr为胁迫因子所占的栅格数量；wr为胁迫因子的权重；ry为栅格y的胁迫因子值；βx为栅格x的可达性水平；Sjr为生境类型对胁迫因子r的敏感性；iryx为栅格y的胁迫因子值ry对生境栅格x的胁迫水平；
步骤5.了解地震前后研究区的生态系统服务价值的变化情况，采用谢高地提出的价值量模型计算研究区的生态服务价值，具体计算公式下：
ESV＝∑(En×A)；
式中：En为一个当量因子的经济价值(元/hm2)；m为粮食作物种类数；Qi为第i种作物的面积(hm2)；Pi为第i种作物的单产(kg/hm2)；qi为第i种作物的平均价格(元/kg)；M为粮食作物总面积(hm2)；ESV是某一地类产生的生态价值总量；A是某一地类的面积；
步骤6.地震数据获取；
步骤7.数据分析总结；
地震数据获取包括数据源确定，数据源确定为确定可信赖的地震数据来源，地震监测机构、科学研究机构或国际地震台网，常用的数据源包括美国地质调查局、中国地震局，地震数据获取还包括数据接入，数据接入为通过相关机构的数据接口或数据库进行数据获取，具体方式因数据源而异，有些机构可能提供在线数据接入，直接下载数据，其他机构需要填写数据申请表格并待批准后才能获得数据，果无法直接获取数据，与相关机构联系并申请获得数据副本，在申请过程中，提供个人或组织的身份信息，以及研究目的和数据使用计划，地震数据获取还包括数据预处理，数据预处理包括数据清洗、数据去噪、数据插值，数据清洗为检查数据的完整性，删除缺失或错误的数据点，并处理异常值，数据去噪为使用滤波算法去除高频噪声干扰，以提取出地震信号，数值插值为使用插值方法填充缺失的数据点，地震数据获取还包括数据格式转换，数据格式转换为将获取到的原始数据转换为适合后续处理和分析的格式，文本文件或数据库格式，数据格式转换还包括数据标准化，将地震参数统一转换为国际通用的单位制；
地震数据获取还包括数据存储，数据存储为选择合适的数据存储方式，本地存储或云端存储，确保数据的安全性和可访问性，果使用本地存储，选择合适的硬盘、服务器或网络存储设备进行存储，果使用云端存储，选择云服务提供商进行存储，地震数据获取还包括数据验证，数据验证为对存储的地震数据进行验证，以确保数据的完整性和准确性，使用校验算法，比对其他数据源或与相关机构核对数据来进行验证，验证过程中，需要检查数据是否包含所有所需的地震参数，并与已知合理范围内的数据进行对比，以排除数据错误或异常情况；
数据分析总结包括利用获取的地震数据进行进一步分析，计算地震的震级、震源位置参数，数据分析总结还包括进行数据处理和建模，以获得更详细的地震特征和趋势，为后续的生态系统损害评估提供基础数据，数据分析总结还包括使用各种数据分析工具和算法，包括地震波形分析、时频分析、机器学习；
以2020、2022年玛多地震VI烈度带范围草地、湿地、沙地分布为例，统计地震前后各地类的变化情况；
图2所示，研究区沙地面积自2020年到2022年增加了5.25km2，湿地的面积从2020年到2020年缩减了85.31km2，其中河流湿地的变化最为明显，单一变化度达到了-3.16％：而湖泊湿地的面积变化量最大达到48.34km2，地震前和地震后土地利用的综合动态度为0.19％，考虑到时间比较短，综合动态度还是比较大的；
图3所示，通过土地利用转移矩阵可以的到震前震后的土地利用变化方向，可以从震前震后的土地利用转移矩阵中看到，沙地主要转向草地，向其他地类也有少量的转向；河流湿地面积总体占比比较小，但是在地震后有很大比例的河流湿地转向草地、湖泊湿地和沼泽湿地；沼泽湿地向河流湿地和湖泊湿地都有少量转化；湖泊湿地面积总体占比也比较小，转向草地的有29.14km2，转向沼泽湿地的有8.79km2；草地在所有地类中占比最大，地震后部分草地转向了沼泽湿地；
图4所示，地震前后研究景观的破碎度是非常重要的，对于震后生态环境的修复具有很重要的作用，计算方法为单位面积的斑块数量，可以得到地震对地表的影响情况，图4所示，沙地、河流湿地、湖泊湿地与震前相比较，变得更加破碎，破碎化最严重的是河流湿地，其次是沙地和湖泊湿地，沼泽破碎度则是稍微下降，表明地震可能造成一些沼泽地面积微增，以上结果表明地震影响最大的是河流湿地，地震可能造成了部分河流被截断；
图5所示，从震前震后的生境质量图中看出震前震后总体上的生境质量变化不大，但相对于地震前，低级生境质量的面积有所增加，而其他级的生境质量面积有所下降，从空间分布情况来看，高级和较高级生境质量减少主要是鄂陵湖和扎陵湖区域，而低级生境质量增加的区域也主要是在这些区域。
本发明中，对地震前后土地利用的变化进行详细分析，包括土地类型的动态度、整体变化情况和方向变化情况，这可以为了解灾后生态系统的恢复能力和生境质量提供重要基础，分析研究区震前和震后的生境质量情况和生态系统服务价值的变化，这对于评估生态系统的受损程度和经济价值损失具有重要意义，使用了地震波形分析、时频分析和机器学习数据分析工具和算法，更全面地理解地震特征和趋势，为后续的生态系统损害评估提供科学依据，对地震数据进行了全面的获取、预处理、存储和验证，这确保了数据的准确性、完整性和安全性，为后续的分析和总结提供可靠的数据支持。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。
Claims (10)
1.一种基于大数据的自然灾害后生态系统损害评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1.基于地震前后地类分布数据，针对单一土地利用动态度进行分析，即在某个时间段内某一个地区不同土地利用类型的变化的幅度与速度的指标，并通过进一步分析来预测土地利用的变化情况；
式中，k是研究时间内某一种土地利用类型动态度，Ua和Ub分别表示研究区开始和结束时某一土地类型的面积，T是研究时间的长度，一般单位设定为年；
步骤2.利用综合土地利用动态度分析地震烈度带土地利用的整体变化情况；
式中，LUi为研究初期第i类土地利用类型面积，ΔLUi-j为第i类土地利用类型转为j类土地利用类型面积的绝对值，T为研究时长；
步骤3.利用土地利用转移矩阵分析土地利用的结构特征和土地利用类型的方向变化情况；
转移矩阵的表达式为：
式中：S表示面积，n表示土地类型的数目，i、j分别代表研究的区域初期和结束时的各种土地类型；
步骤4.对于研究区震前和震后的生境质量情况分析，利用InVEST模型中的HabitatQuality模块，基于土地利用数据，确定生境适宜度和敏感程度，k值设0.5，将沙地和裸地视为主要威胁源进行生境质量分析，InVEST生境质量模型通过结合景观类型敏感性和外界威胁强度来计算生境质量，计算公式为：
式中：Dxj为生境退化指数；R为胁迫因子；y为胁迫因子r栅格图层的栅格数量；Yr为胁迫因子所占的栅格数量；wr为胁迫因子的权重；ry为栅格y的胁迫因子值；βx为栅格x的可达性水平；Sjr为生境类型对胁迫因子r的敏感性；iryx为栅格y的胁迫因子值ry对生境栅格x的胁迫水平；
步骤5.了解地震前后研究区的生态系统服务价值的变化情况，采用谢高地提出的价值量模型计算研究区的生态服务价值，具体计算公式下：
ESV＝∑(En×A)；
式中：En为一个当量因子的经济价值(元/hm2)；m为粮食作物种类数；Qi为第i种作物的面积(hm2)；Pi为第i种作物的单产(kg/hm2)；qi为第i种作物的平均价格(元/kg)；M为粮食作物总面积(hm2)；ESV是某一地类产生的生态价值总量；A是某一地类的面积；
步骤6.地震数据获取；
步骤7.数据分析总结。
2.根据权利要求1所述的一种基于大数据的自然灾害后生态系统损害评估方法，其特征在于：所述地震数据获取包括数据源确定，所述数据源确定为确定可信赖的地震数据来源，地震监测机构、科学研究机构或国际地震台网，常用的数据源包括美国地质调查局、中国地震局。
3.根据权利要求1所述的一种基于大数据的自然灾害后生态系统损害评估方法，其特征在于：所述地震数据获取还包括数据接入，所述数据接入为通过相关机构的数据接口或数据库进行数据获取，具体方式因数据源而异，有些机构可能提供在线数据接入，直接下载数据，其他机构需要填写数据申请表格并待批准后才能获得数据，果无法直接获取数据，与相关机构联系并申请获得数据副本，在申请过程中，提供个人或组织的身份信息，以及研究目的和数据使用计划。
4.根据权利要求1所述的一种基于大数据的自然灾害后生态系统损害评估方法，其特征在于：所述地震数据获取还包括数据预处理，所述数据预处理包括数据清洗、数据去噪、数据插值，所述数据清洗为检查数据的完整性，删除缺失或错误的数据点，并处理异常值，所述数据去噪为使用滤波算法去除高频噪声干扰，以提取出地震信号，所述数值插值为使用插值方法填充缺失的数据点。
5.根据权利要求1所述的一种基于大数据的自然灾害后生态系统损害评估方法，其特征在于：所述地震数据获取还包括数据格式转换，所述数据格式转换为将获取到的原始数据转换为适合后续处理和分析的格式，文本文件或数据库格式，所述数据格式转换还包括数据标准化，将地震参数统一转换为国际通用的单位制。
6.根据权利要求1所述的一种基于大数据的自然灾害后生态系统损害评估方法，其特征在于：所述地震数据获取还包括数据存储，所述数据存储为选择合适的数据存储方式，本地存储或云端存储，确保数据的安全性和可访问性，果使用本地存储，选择合适的硬盘、服务器或网络存储设备进行存储，果使用云端存储，选择云服务提供商进行存储。
7.根据权利要求1所述的一种基于大数据的自然灾害后生态系统损害评估方法，其特征在于：所述地震数据获取还包括数据验证，所述数据验证为对存储的地震数据进行验证，以确保数据的完整性和准确性，使用校验算法，比对其他数据源或与相关机构核对数据来进行验证，验证过程中，需要检查数据是否包含所有所需的地震参数，并与已知合理范围内的数据进行对比，以排除数据错误或异常情况。
8.根据权利要求1所述的一种基于大数据的自然灾害后生态系统损害评估方法，其特征在于：所述数据分析总结包括利用获取的地震数据进行进一步分析，计算地震的震级、震源位置参数。
9.根据权利要求1所述的一种基于大数据的自然灾害后生态系统损害评估方法，其特征在于：所述数据分析总结还包括进行数据处理和建模，以获得更详细的地震特征和趋势，为后续的生态系统损害评估提供基础数据。
10.根据权利要求1所述的一种基于大数据的自然灾害后生态系统损害评估方法，其特征在于：所述数据分析总结还包括使用各种数据分析工具和算法，包括地震波形分析、时频分析、机器学习。
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