一种基于水生土三要素的湿地动态边界确定方法

1.本发明属于生态学、生物学、水文学等学科的湿地范围界定方法，具体涉及一种基于水生土三要素的湿地动态边界确定方法。


背景技术：

2.湿地具有巨大的调蓄洪水、净化水质、涵养水源、调节气候等生态服务功能，是生物多样性最丰富、生产力最高、最具价值的生态系统之一，被誉为“地球之肾”，为人类的生存与发展提供了重要保障。但在高强度的人类活动以及气候变化影响下，湿地生态问题凸显。目前，阐释湿地的内在作用机理、凸显湿地现存的问题和威胁、提出湿地管理和生态修复建议等领域，是生态学中重要的研究分支方向，也是涉及生物学、水文学等学科的热点问题之一。
3.湿地边界是湿地最基本的生态特征，判定湿地边界是认识湿地植被分布、生态格局、水土保持能力、湿地栖息地功能、生物多样性等众多结构与功能的基础信息。划清湿地边界是认识一个湿地的首要步骤。由于湿地具有多重特征和复杂多层次性，在不同维度下湿地的边界具有动态特征，并且基于不同要素确定的湿地边界存在差异，这给湿地边界的确定工作带了很大的困难与不确定性。
4.目前，国内外确定湿地边界的方法主要有基于湿地淹水特征的辨识方法、基于植被过渡带的辨识方法、基于水文地貌湿地分类的技术方法、以及基于遥感技术的辨识方法，但这些方法仅涉及水分、土壤、植被等某一个方面，且存在参数复杂、适用性不足等缺点。因此，本发明综合考虑“湿地三要素”即湿地水文、湿地植物与湿地土壤，并且识别湿地边界的动态变化特征，设计了一种基于水生土三要素的湿地动态边界确定方法，能够全面准确地反映湿地的动态边界。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于水生土三要素的湿地动态边界确定方法，本发明能够全面、准确地反映湿地在多维度下的动态边界。
6.一种基于水生土三要素的湿地动态边界确定方法，包括以下步骤：
7.步骤一：提取湿地水文动态边界；
8.步骤二：获取湿地植被数据；
9.步骤三：获取湿地土壤数据；
10.步骤四：根据步骤一至步骤三的数据模拟湿地植被与土壤动态边界；
11.步骤五：确定湿地动态边界。
12.优选地，步骤一的湿地水文动态边界包括实际水面边界与动植物残骸边界两种边界。
13.优选地，步骤一包括以下子步骤：
14.子步骤一：利用高精度手持gps现场调研获取实际水面边界，或通过分辨率2m以下
的遥感获取影像，通过现场调研寻找动植物残骸；
15.子步骤二：通过高精度手持gps追踪记录动植物残骸位置，通过动植物残骸边界为最远水文边界，通过叠加实际水面边界与动植物残骸边界得到湿地水文动态边界。
16.优选地，步骤二包括以下子步骤：
17.子步骤一：在垂直于湿地水文边界的方向布设调查样线，样线之间间隔100m
‑
500m，水面边界作为调查样线的端点，
18.子步骤二：在样线上每隔10m设置3个1m
×
1m的调查样方，记录样方中植被覆盖度、植物种类、各种植物的株数与分盖度，确定其中的湿生植物与旱生植物种类，
19.子步骤三：计算各个物种的重要值，重要值为每个物种相对盖度、相对密度与相对频度之和，进而计算湿生植物的重要值占比。
20.优选地，步骤三包括以下子步骤：
21.子步骤一：在调查样方中，采集表层0cm
‑
10cm的土壤样品，将土壤样品称重，再于105℃下烘干，利用重量差计算土壤含水率；
22.子步骤二：根据动植物残骸的最远水文边界为基准，计算实际离水最小距离指数：
[0023][0024][0025]
其中，(x0，y0)，(x,y)分别为各样方像元、水文边界像元的十进制纬度坐标和经度坐标，r为水文边界所有像元的十进制经纬坐标集合，d为实际离水最小距离指数，d
m
则指实际离水距离最小、受水体作用影响最大的样方，指数d越小，说明该样方与湿地水体的水文联系越强；
[0026]
子步骤三：对实际离水最小距离指数与湿生植物占比、实测土壤含水率进行回归分析，得到回归方程，在arcgis软件中地理加权回归模型进行湿地边界模拟，对实测、估计的湿生植物占比或土壤含水率拟合曲线；
[0027]
子步骤四：验证模型的模拟效果，拟合曲线r2大于等于0.6时，湿地边界模拟结果可靠，得到湿地植被与土壤动态边界，拟合曲线r2小于0.6时，则需要重新调整模型或重新开展野外调研；
[0028]
子步骤五：综合考虑湿地水文边界、湿地植被边界与湿地土壤边界，以实际水面边界为基准，分析水面边界每个像元垂线上三种边界的差异，以三个边界点中实际离水最小距离指数d最大的边界点处作为此条垂线的湿地边界，得到湿地的动态边界。
[0029]
本发明基于水生土三要素的湿地动态边界确定方法的有益效果如下：
[0030]
1.本发明构建了一种基于地理加权回归的湿地界定方法，涉及水土生三要素，工作量较小，对数据的时间尺度要求较低，可以反映湿地在不同维度下的范围。
[0031]
2.本发明模拟结果准确度高，适用范围广，数据获取方便简单，能清晰直观全面地展现湿地边界的动态演变，将水体边界、土壤边界、植物边界综合，模拟湿地的动态边界，可以据此提出湿地的管理建议。
附图说明
[0032]
图1为本发明方法的操作流程图。
[0033]
图2为实施例1的水文边界图。
[0034]
图3为实施例1的植被数据相关性分析图。
[0035]
图4为实施例1的土壤数据相关性分析图。
[0036]
图5为实施例1的植物边界验证结果散点图。
[0037]
图6为实施例1的土壤边界验证结果散点图。
[0038]
图7为实施例1的植被边界图。
[0039]
图8为实施例1的土壤边界图。
[0040]
图9为实施例1的水文、植被、土壤边界叠加图。
[0041]
图10为实施例1的湿地动态边界图。
具体实施方式
[0042]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0043]
实施例1：对北京市顺义区汉石桥湿地西湖进行湿地动态边界确定；
[0044]
如图1所示，本发明基于水生土三要素的湿地动态边界确定方法按照以下步骤进行：
[0045]
步骤一：湿地水文动态边界提取
[0046]
如图2所示，包括实际水面边界与动植物残骸边界两种边界，利用高精度手持gps现场调研获取实际水面边界，或通过分辨率2m以下的遥感影像获取，动植物残骸通过现场调研寻找，并通过高精度手持gps追踪记录动植物残骸位置，动植物残骸边界为最远水文边界，通过叠加实际水面边界与动植物残骸边界得到湿地水文动态边界；
[0047]
步骤二：湿地植被数据获取
[0048]
在垂直于湿地水文边界的方向布设调查样线，样线之间间隔100m
‑
500m，水面边界作为调查样线的端点，在样线上每隔10m设置3个1m
×
1m的调查样方，记录样方中植被覆盖度、植物种类、各种植物的株数与分盖度，确定其中的湿生植物与旱生植物种类，计算各个物种的重要值，重要值为每个物种相对盖度、相对密度与相对频度之和，进而计算湿生植物的重要值占比；
[0049]
步骤三：湿地土壤数据获取
[0050]
在调查样方中，采集表层0cm
‑
10cm的土壤样品，将土壤样品称重，再于105℃下烘干，利用重量差计算土壤含水率；
[0051]
步骤四：湿地植被与土壤动态边界模拟
[0052]
根据动植物残骸的最远水文边界为基准，计算实际离水最小距离指数：
[0053]
[0054][0055]
其中，(x0，y0)，(x,y)分别为各样方像元、水文边界像元的十进制纬度坐标和经度坐标，r为水文边界所有像元的十进制经纬坐标集合，d为实际离水最小距离指数，d
m
则指实际离水距离最小、受水体作用影响最大的样方，指数d越小，说明该样方与湿地水体的水文联系越强；
[0056]
如图3、图4所示，对实际离水最小距离指数与湿生植物占比、实测土壤含水率进行回归分析，得到回归方程；
[0057]
在arcgis软件中选择空间统计工具箱——空间关系建模工具集——地理加权回归工具，利用地理加权回归模型对湿地植被或土壤边界进行模拟，对实测、估计的湿生植物占比或土壤含水率拟合曲线，验证模型的模拟效果，如附图5、附图6所示，拟合曲线r2大于0.6，湿地边界模拟结果可靠，如图7、附图8所示，土壤含水率为34％
‑
37％或湿生植物占比为45％
‑
55％时，为土壤边界、植物边界；
[0058]
步骤五：湿地动态边界确定
[0059]
如图9所示，综合考虑湿地水文边界、湿地植被边界与湿地土壤边界，以实际水面边界为基准，分析水面边界每个像元垂线上三种边界的差异，以三个边界点中实际离水最小距离指数d最大的边界点处作为此条垂线的湿地边界，如图10所示得到湿地的动态边界。