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一種基于漁網模型的生態安全評價方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510641361.9

申請日:

2015.09.30

公開號:

CN105205330A

公開日:

2015.12.30

當前法律狀態:

終止

有效性:

無權

法律詳情: 未繳年費專利權終止IPC(主分類):G06F 19/00申請日:20150930授權公告日:20160824終止日期:20170930|||授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G06F 19/00申請日:20150930|||公開
IPC分類號: G06F19/00(2011.01)I 主分類號: G06F19/00
申請人: 西安科技大學
發明人: 郭斌
地址: 710054 陜西省西安市雁塔路中段58號
優先權:
專利代理機構: 西安永生專利代理有限責任公司 61201 代理人: 曹宇飛
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510641361.9

授權公告號:

|||||||||

法律狀態公告日:

2018.09.18|||2016.08.24|||2016.01.27|||2015.12.30

法律狀態類型:

專利權的終止|||授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及一種基于漁網模型的生態安全評價方法,其是利用遙感技術、ARCGIS10.0和全球定位系統,在數據采集、編輯與預處理的基礎上,利用漁網模型對生態安全評價指標進行多源異構數據的融合,采用漁網單元作為生態安全的評價單元,應用ESEI指數進行生態安全的綜合評價,本發明有別于同類研究中常采用行政區、流域、景觀等作為評價單元,采用單一的數據模型(柵格或矢量)進行生態安全評價,以漁網單元為評價單元有助于揭示行政區、流域或景觀內部的生態安全差異,以漁網為數據模型有助于對多源異構數據進行融合,可以進一步提高生態安全評價的客觀性,對生態環境的永續利用具有重要理論與應用意義。

權利要求書

權利要求書
1.  一種基于漁網模型的生態安全評價方法,其特征在于由以下步驟組成:
(1)構建狀態-壓力-響應生態安全評價指標體系,狀態指標包括:景觀破碎化指數Ejg、植被覆蓋指數Ezb、凈初級生產力指數Ejc,壓力指標包括人類活動影響指數Erl,響應指標包括土壤侵蝕指數Etr,選取研究區進行生態安全評價;
(2)根據步驟(1)中確定的評價指標體系,收集遙感影像數據、行政區劃矢量數據和土壤侵蝕矢量數據,利用遙感影像提取土地利用數據和歸一化植被指數,利用ARCGIS10.0軟件創建研究區漁網模型,利用土壤侵蝕矢量數據提取研究區的土壤侵蝕矢量數據;
(3)利用步驟(2)中得到的各數據,計算步驟(1)中景觀破碎化指數、植被覆蓋指數、凈初級生產力指數、人類活動影響指數以及土壤侵蝕指數的對應的指標值,將各個指標進行無量綱化處理,并利用ARCGIS10.0軟件將多源異構數據進行融合,并確定各指標的權重;
(4)利用步驟(3)計算得到的凈初級生產力指數、景觀破碎化指數、人類活動影響指數、植被覆蓋指數、土壤侵蝕指數和權重,計算出該研究區的生態安全評價指數ESEI并繪制相關評價圖,
ESEI=Ejc×Wjc+Ejg×Wjg+Ezb×Wzb+Erl×Wrl+Etr×Wtr
其中:Wjc為凈初級生產力指數的權重,Wjg為景觀破碎化指數的權重,Wzb為植被覆蓋指數的權重,Wrl為人類活動影響指數,Wtr為土壤侵蝕指數。

2.  根據權利要求1所述的基于漁網模型的生態安全評價方法,其特征在于:所述步驟(2)具體由以下方法實現:
(2.1)收集遙感影像數據,按照常規方法進行數據預處理,計算歸一化植被指數NDVI,并按照標準假彩色解譯標志對遙感影像進行目視解譯得到土地利用數據;
(2.2)收集行政區劃矢量數據,利用ARCGIS10.0軟件提供的創建研究區漁網,確定研究區漁網模型;
(2.3)步驟(2.2)的研究區漁網模型,分別與步驟(2.1)的歸一化植被指數、土地利用圖在ARCGIS10.0軟件支持下對應進行分區統計分析和空間疊加分析,分別得到土地利用與漁網聯合數據、歸一化植被指數與漁網聯合數據;
(2.4)收集土壤侵蝕矢量數據,利用ARCGIS10.0軟件進行預處理,結合步驟(2.1)的土地利用數據,在ARCGIS10.0軟件支持下進行空間疊加分析,得到土壤侵蝕與漁網聯合數據。

3.  根據權利要求1所述的基于漁網模型的生態安全評價方法,其特征在于:所述步驟(3)具體由以下方法實現:
(3.1)利用步驟(2.3)的歸一化植被指數與漁網聯合數據,按照下式計算凈初級生產力指數Ejc,
NDVI指歸一化植被指數,S代表單元面積;
(3.2)利用步驟(2.3)的土地利用與漁網聯合數據,按照下式計算景觀破碎化指數Ejg、植被覆蓋指數Ezb、人類活動影響指數Erl、
N代表單元內斑塊個數;
Szb指植被面積,Wzb指植被權重;
Sjz指建筑用地面積,Snt指農用地面積;
(3.3)利用步驟(2.4)的土壤侵蝕與漁網聯合數據,按照下式計算土壤侵蝕指數Etr,
土壤侵蝕指數Sqsi指不同侵蝕級別土地面積;
(3.4)對上述步驟(3.1)~(3.3)中所得到的各個指標進行無量綱化處理,并結合步驟(2)所創建的研究區漁網模型,對漁網內的每個指標數值進行統計,得到每個網格內部的指標值,從而完成多源異構數據的融合;
(3.5)利用層次分析法確定步驟(3.1)~(3.3)中所得到的各個指標的權重。

4.  根據權利要求1或2所述的基于漁網模型的生態安全評價方法,其特征在于:所述歸一化植被指數NDVI是由下式計算得到:
NIR為近紅外波段,R為紅光波段。

5.  根據權利要求1或3所述的基于漁網模型的生態安全評價方法,其特征在于:所述無量綱化處理是通過下式計算各指標所對應的無量綱化值,具體公式為:
其中:Xi指任意指標值;Xmax指指標最大值,Xmin指指標最小值。

說明書

說明書一種基于漁網模型的生態安全評價方法
技術領域
本發明涉及生態安全監測與評價領域,尤其涉及一種利用漁網模型對多源異構數據融合后進行生態安全評價的方法。
背景技術
隨著全球化進程的加快和人類社會不斷發展,近期各種生態環境問題也凸顯出來,如霧霾、沙塵暴、森林退化與消失、土壤侵蝕與水土流失、土地荒漠化、水資源枯竭、及生物多樣性減少等,這些問題已對人類賴以生存的生態環境造成了嚴重威脅。近年來保護人類生存環境、科學合理的管理和利用自然資源、保護生態系統服務功能等受到國內外學者的廣泛關注。
通常生態安全研究的方法主要有:(1)生態學方法,應用野外與現場調查、實驗室分析、模擬實驗、生態網絡綜合分析等生態學方法開展研究。(2)模擬模型,模型在生態安全研究中具有預測(Prediction)、解釋(Explanation)和推斷(Extrapolation)功能。通常有空問模型和非空間模型,這些模型描述生態系統要素的行為特征,或者人類活動對生態系統的影響。(3)景觀分析,采用景觀分析的方法,從空間上定量地描述景觀結構,建立景觀結構、功能模型和相關評價指標。分析評價區域尺度上的環境效應及對安全影響的作用程度。(4)遙感與ARCGIS10.0,綜合應用3S技術(RS,GIS,GPS)對生態環境與人類活動的響應進行動態監控、空間分析、生態風險評價和管理,從而建立區域生態安全決策模型以實現科學管理。(5)目標評價和指標體系構建,壓力一狀態一響應框架模型法、驅動力一狀態一響應(DSR)框架、指標體系權重評 價法、生態足跡分析方法、綜合指數評價方法、生態承載力分析法、系統聚類分析等。(6)健康的生態系統標準,目前在具體操作中對健康的生態系統(標準)的設定是未受人類干擾的生態系統。即在同一生物地理區域內尋找同一生態類型的未受或者少受人類干擾的系統。
近年來國內外學者對生態安全進行了大量研究和實踐,取得了重要進展,但仍然存在著許多問題,如評價單元過于宏觀,多采用行政單元、景觀單元、流域單元等,導致評價單元內部的生態安全差異無法表達;且評價當中涉及自然與人文等多種因素,數據結構復雜多樣,缺乏高效的多源異構數據融合方法進行生態安全評價的案例,而且評價過程中自動化水平較低、效率低下、評價客觀性較差等。
發明內容
本發明要解決的技術問題是:提供一種利用漁網模型將多源異構數據融合后進行生態安全評價的方法。
本發明實現上述目的所采用的技術方案由以下步驟組成:
(1)構建狀態-壓力-響應生態安全評價指標體系,狀態指標包括:景觀破碎化指數Ejg、植被覆蓋指數Ezb、凈初級生產力指數Ejc,壓力指標包括人類活動影響指數Erl,響應指標包括土壤侵蝕指數Etr,選取研究區進行生態安全評價;
(2)根據步驟(1)中確定的評價指標體系,收集遙感影像數據、行政區劃矢量數據和土壤侵蝕矢量數據,利用遙感影像提取土地利用數據和歸一化植被指數,利用ARCGIS10.0軟件創建研究區漁網模型,利用土壤侵蝕矢量數據提取研究區的土壤侵蝕矢量數據;
(3)利用步驟(2)中得到的各數據,計算步驟(1)中景觀破碎化指數、植被覆蓋指數、凈初級生產力指數、人類活動影響指數以及土壤侵蝕指數的對應的指標值,將各個指標進行無量綱化處理,并利用ARCGIS10.0軟件將多源異構數據進行融合,并確定各指標的權重;
(4)利用步驟(3)計算得到的凈初級生產力指數、景觀破碎化指數、人類活動影響指數、植被覆蓋指數、土壤侵蝕指數和權重,計算出該研究區的生態安全評價指數ESEI并繪制相關評價圖,
ESEI=Ejc×Wjc+Ejg×Wjg+Ezb×Wzb+Erl×Wrl+Etr×Wtr
其中:Wjc為凈初級生產力指數的權重,Wjg為景觀破碎化指數的權重,Wzb為植被覆蓋指數的權重,Wrl為人類活動影響指數,Wtr為土壤侵蝕指數。
上述步驟(2)具體由以下方法實現:
(2.1)收集遙感影像數據,按照常規方法進行數據預處理,計算歸一化植被指數NDVI,并按照標準假彩色解譯標志對遙感影像進行目視解譯得到土地利用數據;
(2.2)收集行政區劃矢量數據,利用ARCGIS10.0軟件提供的創建研究區漁網,確定研究區漁網模型;
(2.3)步驟(2.2)的研究區漁網模型,分別與步驟(2.1)的歸一化植被指數、土地利用圖在ARCGIS10.0軟件支持下對應進行分區統計分析和空間疊加分析,分別得到土地利用與漁網聯合數據、歸一化植被指數與漁網聯合數據;
(2.4)收集土壤侵蝕矢量數據,利用ARCGIS10.0軟件進行預處理,結合步驟(2.1)的土地利用數據,在ARCGIS10.0軟件支持下進行空間疊加分 析,得到土壤侵蝕與漁網聯合數據。
上述步驟(3)具體由以下方法實現:
(3.1)利用步驟(2.3)的歸一化植被指數與漁網聯合數據,按照下式計算凈初級生產力指數Ejc,
NDVI指歸一化植被指數,S代表單元面積;
(3.2)利用步驟(2.3)的土地利用與漁網聯合數據,按照下式計算景觀破碎化指數Ejg、植被覆蓋指數Ezb、人類活動影響指數Erl、
N代表單元內斑塊個數;
Szb指植被面積,Wzb指植被權重;
Sjz指建筑用地面積,Snt指農用地面積;
(3.3)利用步驟(2.4)的土壤侵蝕與漁網聯合數據,按照下式計算土壤侵蝕指數Etr,
土壤侵蝕指數Sqsi指不同侵蝕級別土地面積;
(3.4)對上述步驟(3.1)~(3.3)中所得到的各個指標進行無量綱化處理,并結合步驟(2)所創建的研究區漁網模型,對漁網內的每個指標數值進行統計,得到每個網格內部的指標值,從而完成多源異構數據的融合;
(3.5)利用層次分析法確定步驟(3.1)~(3.3)中所得到的各個指標的權重。
上述歸一化植被指數NDVI是由下式計算得到:
NIR為近紅外波段,R為紅光波段。
上述無量綱化處理是通過下式計算各指標所對應的無量綱化值,具體公式為:
其中:Xi指任意指標值;Xmax指指標最大值,Xmin指指標最小值。
本發明所提供的基于漁網模型的生態安全評價方法主要是利用遙感技術(Remotesensing,RS)、ARCGIS10.0(Geographyinformationsystems,GIS)和全球定位系統(Globalpositioningsystems,GPS),在數據采集、編輯與預處理的基礎上,利用漁網模型對生態安全評價指標進行多源異構數據的融合,采用漁網單元作為生態安全的評價單元,應用ESEI指數進行生態安全的綜合評價,有別于同類研究中常采用行政區、流域、景觀等作為評價單元,采用單一的數據模型(柵格或矢量)進行生態安全評價,以漁網單元為評價單元有助于揭示行政區、流域或景觀內部的生態安全差異,以漁網為數據模型有助于對多源異構數據進行融合,可以進一步提高生態安全評價的客觀性,對生態環境的永續利用具有重要理論與應用意義。
附圖說明
圖1本發明的實施例流程圖。
圖2實驗樣區遙感影像圖。
圖3提取NDVI的建模方法圖。
圖4實驗樣區NDVI圖。
圖5實驗樣區土地利用圖。
圖6實驗樣區漁網模型圖。
圖7實驗樣區土壤侵蝕圖。
圖8實驗樣區生態安全評價圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明。
本實施例以貴陽市為研究區,貴陽市地處喀斯特地貌區,因為受巖性影響,適合種植的樹種較少、樹木生長較慢,城市的自然生態系統較脆弱,對環境的凈化能力較低;同時由受人類活動的影響,城市環境災害頻發,土地供給不足,導致城市環境的人口承載能力低,城市的可持續發展潛力小,是一個典型的生態環境脆弱區。
現基于漁網模型對貴陽市的生態安全進行評價,參見圖1,具體步驟如下:
步驟(1)構建狀態-壓力-響應生態安全評價指標體系,狀態指標包括:景觀破碎化指數Ejg、植被覆蓋指數Ezb、凈初級生產力指數Ejc,壓力指標包括人類活動影響指數Erl,響應指標包括土壤侵蝕指數Etr,選取研究區進行生態安全評價研究;
(2)根據步驟(1)中確定的評價指標體系,通過國家地球系統科學數據平臺(http://www.geodata.cn)下載貴陽市的ETM+影像,收集遙感影像數據、行政區劃矢量數據和土壤侵蝕矢量數據,利用遙感影像提取土地利用數據和歸一化植被指數,利用ARCGIS10.0軟件創建研究區漁網模型,利用土壤侵蝕矢量數據提取研究區的土壤侵蝕矢量數據;具體是:
(2.1)收集遙感影像數據,利用ERDAS9.2和ARCGIS10.0對遙感影像進 行預處理,主要包括格式轉換(TIFF轉換為IMG)、波段融合、拼接、掩膜、坐標轉換等,得到RSDATA.img(圖2),利用ARCGIS10.0的模型構建器(ModelBuilder)(圖3)進行歸一化植被指數(NDVI)建模得到歸一化植被指數NDVI.grid(圖4),將土地利用類型分為6個大類,分別為耕地、草地、林地、水域、居民建設用地、工礦用地,按照標準假彩色地物解譯標志在ARCGIS10.0中對遙感影像進行目視解譯得到土地利用數據Landuse.shp(圖5)。
(2.2)通過國家地球系統科學數據平臺(http://www.geodata.cn)下載貴陽市行政區劃圖,利用ARCGIS10.0對行政區劃圖進行預處理,主要包括定義投影及投影轉換等,將行政區劃圖的投影轉換為與遙感影像一致的投影,即參考橢球為克拉索夫斯基,投影方式為阿伯斯,得到行政區劃矢量(XZQH.shp),利用ARCGIS10.0軟件,選擇工具箱--數據管理工具,利用創建漁網工具創建漁網,漁網模型范圍與行政區劃范圍一致,漁網大小選擇900m×900m,得到研究區漁網模型(YJQYW.shp)(圖6)。
(2.3)利用ARCGIS10.0軟件所提供的空間分析工具,即分析-疊加-聯合工具將土地利用數據(Landuse.shp)與漁網模型(YJQYW.shp)進行空間分析求并集操作得到了Land_YW_UN.shp,打開其屬性表,使用添加字段按鈕添加面積字段,使用“按屬性選擇”選擇需要統計的土地利用類型,選擇YJQYW.shp的FID—YJQYW字段作為分類統計的字段,這樣就統計出了每個漁網內部的景觀破碎指數Ejg、植被覆蓋指數Ezb、人類活動影響指數Erl,計算公式中需要的數值,即單元面積S、單元內斑塊個數N、植被面積Szb、建筑用地面積Sjz、農用地面積Snt,統計完成后將屬性表利用導出工具(Export)導出 為土地利用與漁網聯合數據(Land_YW_UN.dbf)。
再利用ARCGIS10.0提供的空間分析工具,即空間分析工具-分區-分區統計工具,以YJQYW.shp為區域數據,以NDVI.grid為統計值數據,使用“求和(SUM)”統計方法進行分區統計,這樣就統計出了每個漁網內部的凈初級生產力指數Ejc,計算公式中需要的數值,即單元面積S、∑NDVI、統計完成后得到NDVI_YW_UN.grid,利用ARCGIS10.0提供的數據格式轉換工具,即工具箱-轉換工具-柵格轉面,將NDVI_YW_UN.grid轉換為矢量格式即NDVI_YW_UN.shp,轉換完成后將屬性表利用導出工具(Export)導出為歸一化植被指數與漁網聯合數據(NDVI_YW_UN.dbf)。
(2.4)通過國家地球系統科學數據平臺(http://www.geodata.cn)下載研究區土壤侵蝕矢量數據,利用ARCGIS10.0軟件對行政區劃圖進行預處理,在工具箱下的數據管理工具中選擇投影與變換,進行定義投影及投影轉換,將土壤侵蝕圖的投影轉換為與遙感影像一致的投影,即參考橢球為克拉索夫斯基,投影方式為阿伯斯,得到土壤侵蝕矢量數據(TRQS.shp)(圖7),再利用ARCGIS10.0軟件所提供的空間分析工具,即分析-疊加-聯合工具,將土壤侵蝕矢量數據(TRQS.shp)與漁網模型(YJQYW.shp)進行空間分析求并集操作得到了TRQS_YW_UN.shp,打開其屬性表,使用添加字段按鈕添加面積字段,使用“按屬性選擇”選擇需要統計的土壤侵蝕類型,選擇YJQYW.shp的FID—YJQYW字段作為分類統計的字段,從而統計出了每個漁網內部的土壤侵蝕指數計算公式中需要的數值,即單元面積S、不同級別的土壤侵蝕面積即Sqsi、統計完成后將屬性表利用導出工具(Export)導出為土壤侵蝕與漁網聯合數據(TRQS_YW_UN.dbf)。
(3)利用步驟(2)中得到的各數據,計算步驟(1)中景觀破碎化指數、植被覆蓋指數、凈初級生產力指數、人類活動影響指數以及土壤侵蝕指數的對應的指標值,將各個指標進行無量綱化處理,并利用ARCGIS10.0軟件將多源異構數據進行融合,并確定各指標的權重,具體如下:
(3.1)利用步驟(2.3)的歸一化植被指數與漁網聯合數據,按照下式計算凈初級生產力指數Ejc,
NDVI指歸一化植被指數,S代表單元面積;
(3.2)利用步驟(2.3)的土地利用與漁網聯合數據,按照下式計算景觀破碎化指數Ejg、植被覆蓋指數Ezb、人類活動影響指數Erl、
N代表單元內斑塊個數;
Szb指植被面積,Wzb指植被權重;
Sjz指建筑用地面積,Snt指農用地面積;
(3.3)利用步驟(2.4)的土壤侵蝕與漁網聯合數據,按照下式計算土壤侵蝕指數Etr,
土壤侵蝕指數Sqsi指不同侵蝕級別土地面積;
(3.4)對上述步驟(3.1)~(3.3)中所得到的各個指標進行無量綱化處理,其中:Xi指任意指標值;Xmax指指標最大 值,Xmin指指標最小值,將處理結果按照YJQYW.shp中的FID字段匯總在鏈接目標.xls中,利用ARCGIS10.0軟件提供的鏈接和關聯數據庫工具,即鏈接(joindata)工具,以步驟(2.2)的漁網模型YJQYW.shp為源數據,以鏈接目標.xls為鏈接目標數據,使用共有的“FID”字段作為鏈接基準地段,將生態安全評價中需要使用的各指標數據庫鏈接目標.xls鏈接至評價單元漁網YJQYW.shp中,鏈接好后使用數據導出工具(Export)將數據導出為結果.shp,完成了多源異構數據的融合。
(3.5)利用AHP層次分析方法確定景觀破碎化指數、植被覆蓋指數、凈初級生產力指數、人類活動影響指數和土壤侵蝕指數的權重分別為0.15、0.15、0.25、0.25、0.2。
(4)利用步驟(3)計算得到的凈初級生產力指數、景觀破碎化指數、人類活動影響指數、植被覆蓋指數、土壤侵蝕指數和權重,計算出該研究區的生態安全評價指數ESEI并繪制相關評價圖,具體是:
(4.1)利用ARCGIS10.0加載結果.shp,打開其屬性表,使用添加字段(AddField)添加生態安全評價字段,即ESEI字段,使用FieldCalculator工具按照下式計算得到生態安全評價指數ESEI,
ESEI=Ejc×Wjc+Ejg×Wjg+Ezb×Wzb+Erl×Wrl+Etr×Wtr
其中:Wjc為凈初級生產力指數的權重,Wjg為景觀破碎化指數的權重,Wzb為植被覆蓋指數的權重,Wrl為人類活動影響指數,Wtr為土壤侵蝕指數。
(4.2)利用ARCGIS10.0的制圖模板(LayoutView)進行生態安全專題圖的制作,加載流域圖層和結果.shp,進行地圖的整飾,添加必要的地圖要素,指北針、比例尺、經緯網、圖名和圖例,最終得到了實驗樣區生態安全 評價圖(圖8)。
結合生態安全評價圖可以看出,貴陽市被分成2956個90米×90米的漁網單元,生態安全評價指數ESEI最大為70.98,最小為4.08,ESEI越大說明生態安全狀況越好,越小說明生態安全狀況越差。
利用ARCGIS10.0提供的重分類方法將ESEI劃分為5個級別,即ESEI值從4.08到25,為極不安全區,共包含635個漁網單元,主要分布在中部地區;ESEI值從25到35,為較不安全區,共包含779個漁網單元,主要分布在中部地區;ESEI值從35到45,為安全區,共包含895個漁網單元,主要分布在中部和南部地區;ESEI值從45到60,為較安全區,共包含619個漁網單元,主要分布在北部和南部地區;ESEI值從60到70.98,為極安全區,共包含28個漁網單元,主要分布在北部和南部地區。從土地利用結構來看,以草地、林地為主要土地利用結構的生態安全狀況最好,生態系統結構完整,外部壓力小,生態系統的生態功能完善,體系穩定。以農田和建筑用地為主要的土地利用類型生態安全受人類活動影響較大,外界壓力大,敏感地帶較多,等級差異較大。從研究區的各個安全狀況的分布數量來看,極安全區的區域最少,占總面積的百分比最小,說明實驗樣區的生態安全水平相對較低,因此,該市在今后的城市發展過程當中,應該著重關注不安全區域的生態規劃和生態恢復。

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一種 基于 漁網 模型 生態 安全評價 方法
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