一种基于生态服务逻辑编码的生态网络构建方法与流程

本发明属于生态环境研究技术领域，尤其是涉及一种基于生态服务逻辑编码的生态网络构建方法。

背景技术：

近年来，生态网络构建已经成为景观生态学研究的热点问题之一，生态网络构建的基础是确定生态源地，生态源地是物种扩散和维持的原点，是促进生态过程发展的景观组分。但是现有的在识别生态源地时，还缺乏生态源地与其生态服务空间格局关系的研究，明确生态源地对应的生态服务类型的图谱关系研究以及依据生态服务识别其生态源地重要性的图谱关系研究，目前在生态网络构建过程中，考虑的因素太少，生态网络构建框架较为简单。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于生态服务逻辑编码的生态网络构建方法，以解决目前在生态网络构建过程中，考虑的因素太少，生态网络构建框架较为简单的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于生态服务逻辑编码的生态网络构建方法，包括：

s1、建立因子评价机制，选取因子，其中因子包括生态服务因子和人类干扰因子；

s2、对选取的生态服务因子划分等级；

s3、选取各种生态服务因子等级符合要求的区域作为生态源地，引入逻辑编码建立生态服务逻辑编码模型，并依据模型计算的结果制作生态服务逻辑图谱；

s4、引入人类干扰因子改进阻力面模型，建立人类干扰因子模型；

s5、结合生态源地和阻力面，利用最小累积阻力模型识别生态廊道；

s6、建立生态服务耦合重力模型，用于对识别的生态廊道进行评价，构建生态网络。

进一步的，所述步骤s1中，选取因子和建立因子评价机制的具体方法如下：

s101、基于专家知识库、区域政策、区域人为因素、区域环境因素对多种因子进行处理、分析；

s102、依据整体性、科学性、可操作性原则选取因子；

s103、基于选取的生态服务因子和人类干扰因子，利用定性与定量相结合的方法确定各生态服务的空间格局。

进一步的，所述步骤s2中，结合gis空间分析功能，利用自然间断点法将生态服务因子从低到高依次分为五个等级，分别为一般重要、轻度重要、中度重要、高度重要和极重要。

进一步的，所述步骤s3的具体方法如下：

s301、基于gis重分类功能提取各种生态服务的极重要区，将极重要区的栅格值赋值为“1”，区域内其余部分赋值为“0”；

s302、利用层次分析法确定各个生态服务因子的权重，设生态服务因子1、生态服务因子2、生态服务因子3、……和生态服务因子n的权重分别为x1、x2、x3、……和xn，将各生态服务的权重按照从大到小的顺序排列，则其对应的生态服务空间栅格值分别为(g1)ij、(g2)ij、(g3)ij、......和(gn)ij，上述中n都为正整数，建立生态服务逻辑编码模型；

具体如公式所示：

tij＝(g1)ij×10^n-1+(g2)ij×10^n-2+…+(gn)ij×10^n-n

式中：tij为栅格图像上第i行第j列栅格的生态服务逻辑编码值，表示生态源地与其对应生态服务因子的逻辑关系，栅格计算方法包括多种形式，针对不同权重的生态服务因子计算，采用两个相邻权重的生态服务因子间计算，或者是针对区域内特定类型的生态服务，有目的地选择特定生态服务因子计算，或者对选取的所有生态服务因子进行叠置运算，得到整个区域内生态服务逻辑编码图谱。

进一步的，依据步骤s302得到的生态服务逻辑编码中各生态服务因子的权重和，识别生态源地重要性，其权重和越大，表示生态服务能力越强，生态源地重要性越高，具体方法如下：

s3021、对生态服务逻辑编码模型得到的生态服务逻辑编码进行筛选，依据人类先验知识剔除掉不合理或者具有异常值的生态服务逻辑编码；

s3022、识别生态源地重要性，即对生态源地划分等级，将每个生态源地对应的生态服务逻辑编码进行权重加和，并按照从大到小的顺序排列，将排列好的权重加和依次赋值给v1、v2、v3、……和vn，则v1、v2、v3、……和vn所对应的等级分别为一级、二级、三级、……和n级生态源地，统计剩余的生态服务逻辑编码个数，其个数与生态源地等级数相当，其中权重和相同的生态服务逻辑编码的等级相同；

s3023、结合识别的生态源地重要性制作生态源地重要性图谱。

进一步的，所述步骤s5中，人类干扰因子模型的具体公式为：

式中:nli为栅格i的人类干扰因子1指数；nla为栅格i对应的土地利用类型a的平均人类干扰因子指数；sei为栅格i的人类干扰因子2指数，sea为栅格i对应的土地利用类型a的平均人类干扰因子2指数，gsi为栅格i的人类干扰因子3指数，gsa为栅格i对应的土地利用类型a的平均人类干扰因子3指数，r为栅格i对应土地利用类型的基本阻力系数，ri为基于夜间灯光数据和水土流失敏感性指数联合修正的栅格i的生态阻力系数。

进一步的，基于生态服务逻辑编码识别的生态源地重要性，建立生态服务耦合重力模型，对识别的生态廊道进行评价，构建生态网络，具体公式如下：

式中，gab为生态源地a和b之间的联系强度，na和nb分别表示生态源地a和b的权重值，dab为生态源地a和b之间潜在廊道阻力值的标准值，pa、pb分别为生态源地a和b的阻力值，sa、sb分别为生态源地a和b的面积，ta和tb分别表示生态源地a和生态源地b的等级；lab表示生态源地a和b之间廊道的累积阻力值，lmax表示研究区所有潜在生态廊道最小累积阻力的最大值；

重力模型是用来表示生态源地之间的联系强度，主要考虑生态源地a与b的面积、阻力值，对各等级生态源地赋予的对应生态源地等级值即为其对应的权重加和，结合研究区的实际情况和源地间相互作用矩阵数据分布情况，将生成的生态廊道采用分位数分类法对其进行分级，然后统计每个等级的生态廊道数目。

相对于现有技术，本发明所述的基于生态服务逻辑编码的生态网络构建方法具有以下优势：

(1)本发明所述的基于生态服务逻辑编码的生态网络构建方法包括建立生态服务逻辑编码模型识别生态源地、建立人类干扰因子模型构建阻力面、建立生态服务耦合重力模型对生态廊道评价，不仅为研究生态网络提供了一个新的研究框架，同时为生态保护和规划提供科学指导。

(2)本发明所述的基于生态服务逻辑编码的生态网络构建方法考虑人类干扰因子对传统的基于土地利用的阻力面模型修正，能够更为准确地表征城市群生物迁徙的阻力分异；基于逻辑编码识别的生态源地重要性建立生态服务耦合重力模型，更加科学的表征区域内的物质能量循环。

(3)本发明所述的基于生态服务逻辑编码的生态网络构建方法建立生态服务逻辑编码模型描述生态源地和其对应的生态服务对于系统理解生态源地和生态服务的对应关系具有重要意义；并且制作生态服务逻辑图谱以及识别生态源地重要性对于精细化生态源地管理也具有重要意义。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的基于生态服务逻辑编码的生态网络构建方法流程图；

图2为本发明实施例所述的生态服务和人类干扰因子评价机制原理图；

图3为本发明实施例所述的生态服务逻辑编码模型构建和生态源地重要性识别示意图；

图4为本发明实施例所述的系统结构框图；

图5为本发明实施例所述的生态服务空间格局示意图；

图6为本发明实施例所述的生态源地空间格局示意图；

图7为本发明实施例所述的人类干扰因子空间格局示意图；

图8为本发明实施例所述的阻力面空间格局示意图；

图9为本发明实施例所述的生态网络示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

方法流程如图1所示。

步骤一、建立生态服务和人类干扰因子评价机制，具体流程如图2所示，首先，基于专家知识、政策解读和研究区自然环境对因子识别进行理论探讨。在专家知识方面，主要参考前人相关的研究成果进行影响因子的选取；在政策解读方面，主要参考生态保护红线技术指南和研究区生态功能区划进行影响因子的选取；在研究区自然环境方面，主要从自然地理现状、自然资源状况、区域环境特征等方面进行影响因子的选取。然后，建立因子选取原则，主要包括整体性原则、科学性原则和可操作原则等。最后，基于选取的生态服务和人类干扰因子，利用定性与定量相结合的方法确定各生态服务的空间格局。

步骤二、结合gis空间分析功能，利用自然间断点法将生态服务因子从低到高依次分为五个等级，分别为一般重要、轻度重要、中度重要、高度重要和极重要。

步骤三、选取各种生态服务的极重要区作为生态源地，引入逻辑编码建立生态服务逻辑编码模型，依据模型计算的结果制作生态服务逻辑图谱。具体流程如下：

首先，基于gis重分类功能提取各种生态服务的极重要区，将极重要区的栅格值赋值为“1”，研究区其余部分赋值为“0”。然后，利用层次分析法确定各个生态服务因子的权重，假设生态服务因子1、生态服务因子2、生态服务因子3、……和生态服务因子n(n为正整数)的权重分别为x1、x2、x3、……和xn(n为正整数)，将各生态服务的权重按照从大到小的顺序排列，则其对应的生态服务空间栅格值(“0”或“1”)分别为(g1)ij、(g2)ij、(g3)ij、......和(gn)ij，建立生态服务逻辑编码模型。

具体如公式(1)所示：

tij＝(g1)ij×10^n-1+(g2)ij×10^n-2+…+(gn)ij×10^n-n(1)

式(1)中：tij为栅格图像上第i行第j列栅格的生态服务逻辑编码值，表示生态源地与其对应生态服务因子的逻辑关系，栅格计算方法可以采用多种形式，针对不同权重的生态服务因子计算，可以是两个相邻权重的生态服务因子间计算，也可以是针对区域内特定类型的生态服务，有目的地选择特定生态服务因子计算，或者对选取的所有生态服务因子进行叠置运算，得到整个研究区内生态服务逻辑编码图谱。其基本原理如图3所示。假设某个研究区内含有4种主要生态服务因子，依次为生态服务因子1、生态服务因子2、生态服务因子3和生态服务因子4，其对应的权重值x1、x2、x3和x4依次为0.5、0.25、0.15和0.1，因为0.5>0.25>0.15>0.1,则s1、s2、s3和s4对应的生态服务因子依次为生态服务因子1、生态服务因子2、生态服务因子3和生态服务因子4，将其带入公式(1)得到式(2)为：

tij＝生态服务因子1×10³+生态服务因子2×10²+生态服务因子3×10¹+生态服务因子4×10⁰(2)

即如式(3)所示：

tij＝(g1)ij×10³+(g2)ij×10²+(g3)ij×10¹+(g4)ij×10⁰(3)

依据上述公式则生成1011、0101、1111和0010四种生态服务逻辑编码。

步骤四、依据生态服务逻辑编码中各生态服务因子的权重和识别生态源地重要性，即量化生态源地的生态服务能力，其权重和越大，表示生态服务能力越强，生态源地重要性越高。

具体流程为，首先，对生态服务逻辑编码模型得到的生态服务逻辑编码进行筛选，依据人类先验知识剔除掉不合理或者具有异常值的生态服务逻辑编码；其次，识别生态源地重要性，即对生态源地划分等级，将每个生态源地对应的生态服务逻辑编码进行权重加和，并按照从大到小的顺序排列，将排列好的权重加和依次赋值给v1、v2、v3、……和vn(n为正整数)，则v1、v2、v3、……和vn所对应的等级分别为一级、二级、三级、……和n级生态源地，统计剩余的生态服务逻辑编码个数，其个数与生态源地等级数相当，(如果v2＝v3，则v1、v2、v3、……和vn所对应的等级分别为一级、二级、二级、……和n-1级生态源地)，最后，结合识别的生态源地重要性制作生态源地重要性图谱。其基本原理如图3所示，1011、0101、1111和0010其对应得权重和分别为0.75、0.35、1和0.15，则v1、v2、v3和v4对应的权重加和依次为1、0.75、0.35和0.15。因此，生态服务逻辑编码1111、1011、0101和0010所对应的生态源地等级依次为一级、二级、三级和四级生态源地。

步骤五、引入人类干扰因子对传统的基于土地利用的阻力面模型改进，建立人类干扰因子模型。

具体公式为：

式(4)中:nli为栅格i的人类干扰因子1指数；nla为栅格i对应的土地利用类型a的平均人类干扰因子指数；sei为栅格i的人类干扰因子2指数，sea为栅格i对应的土地利用类型a的平均人类干扰因子2指数，gsi为栅格i的人类干扰因子3指数，gsa为栅格i对应的土地利用类型a的平均人类干扰因子3指数，r为栅格i对应土地利用类型的基本阻力系数，ri为基于夜间灯光数据和水土流失敏感性指数联合修正的栅格i的生态阻力系数。

步骤六、结合生态源地和阻力面，利用最小累积阻力模型识别生态廊道。

步骤七、基于逻辑编码识别的生态源地重要性，对传统的重力模型改进，建立生态服务耦合重力模型，对识别的生态廊道进行评价，构建生态网络。

具体公式为：

式(5)中，gab为生态源地a和b之间的联系强度，na和nb分别表示生态源地a和b的权重值，dab为生态源地a和b之间潜在廊道阻力值的标准值，pa、pb分别为生态源地a和b的阻力值，sa、sb分别为生态源地a和b的面积，ta和tb分别表示生态源地a和生态源地b的等级。lab表示生态源地a和b之间廊道的累积阻力值，lmax表示研究区所有潜在生态廊道最小累积阻力的最大值。

重力模型是用来表示生态源地之间的联系强度，主要考虑生态源地a与b的面积、阻力值，对各等级生态源地赋予的对应生态源地等级值即为其对应的权重加和，结合研究区的实际情况和源地间相互作用矩阵数据分布情况，将生成的生态廊道采用分位数分类法对其进行分级，然后统计每个等级的生态廊道数目。

本专利申请的系统设置了生态网络构建模块，并且支持用户在gis界面下进行操作。数据输入方式支持手动输入和自动输入，将基础数据输入数据预处理模块，将获得各生态服务因子和人类因子的空间分布。

系统核心部分为生态服务逻辑编码模型、人类干扰因子模型和生态服务耦合重力模型，基于各生态服务和人类干扰因子的空间分布，结合核心模块，之后通过图谱制作，最终结果将出现在生态网络构建模块中。

系统基础部分为栅格计算器模块，数据处理过程中所涉及到的数据异常值处理、模型构建和模型计算都基于此模块实现。

系统构建采用phthon语言进行arcgis的二次开发。

以京津冀城市群为例进一步阐述本专利申请的技术方法，首先，结合研究区的自然环境特征，选取生态服务和人类干扰因子，结合生态服务和人类干扰因子评价机制确定研究区的主要生态服务因子为：产水服务、水土保持、固碳释氧和休闲游憩。人类干扰因子为：地质灾害敏感性、水土流失敏感性和夜间灯光指数。基于invest模型、rusle模型、casa模型和gis空间分析功能依次对产水服务、水土保持、固碳释氧和休闲游憩四种生态服务功能评估，评估结果如图5所示，其中图5中(a)为产水服务空间格局图；(b)为水土保持空间格局图；(c)为固碳释氧空间格局图；(d)为休闲服务空间格局图，利用自然间断点法将生态服务从低到高依次分为一般重要区、轻度重要区、中度重要区、高度重要区和极重要区，选取极重要区作为生态源地。基于生态服务逻辑编码模型识别生态服务逻辑编码，同时依据结果制作生态服务逻辑图谱，如图6a所示，从左至右依次为产水服务—水土保持—固碳释氧—休闲游憩，例如逻辑编码“1110”，表示该生态源地同时含有产水服务、水土保持和固碳释氧，不具有休闲游憩。结合逻辑编码中各生态服务因子的权重和识别生态源地重要性，基于此结果制作生态源地重要性图谱，如图6b所示，图6中，(a)为生态服务逻辑图谱，(b)为生态服务重要性图谱。

然后，定量计算夜间灯光、水土流失敏感性、地质灾害敏感性为人类干扰因子，其中，水土流失敏感性指数采用降水侵蚀力、土壤可侵蚀性、坡度坡长和地表植被覆盖评价指标进行计算，地质灾害敏感性指数采用地质灾害密度、坡度、断裂欧氏距离、工程岩组、地震动加速度、起伏度、ndvi、降水、和坡位)共9个指标计算图层的分配权重总和，利用层次分析法(saatytl,1987)确定各指标权重，所得到的权重依次为0.1908、0.1560、0.1349、0.1109、0.1099、0.0912、0.0743、0.0689、0.0632。夜间灯光数据来源于美国军事气象卫星dmsp(defensemeteorologicalsateliteprogram)搭载的ols(operationallinescansystem)传感器所生成的稳定夜间灯光数据。结果如图7所示，其中(a)为水土流失敏感性空间格局图；(b)为夜间灯光指数空间格局图；(c)为地质灾害敏感性空间格局图。利用人类干扰因子修正基于土地利用的生态阻力面，结果如图8所示，图8中(a)为基本阻力面空间格局图；(b)为修正阻力面空间格局图。

最后，基于识别的生态源地和修正的阻力面，结合最小累积阻力模型和生态服务耦合重力模型，构建京津冀城市群生态网络，如图9所示。

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。