一种区域自然生态地理国情质量综合测度方法

摘要

本发明提出一种区域自然生态地理国情质量综合测度方法，包括：采用标准格网划分评价区域，将格网作单元作为基本单元，与所收集的空间数据做空间相交分析；在单位格网上计算压力源的空间分布密度，在此基础上对压力密度进行归一化，生成压力源强度格网分布图；在单位格网上计算生境质量指标；设定生态压力的空间传播模型；设定压力源的影响因子，在单位格网上计算生态压力指标，得到压力的空间格网；在单位格网上计算响应指标，得到生态响应指标的空间格网；在单元格网上计算生境质量综合指数，生成生境质量综合指数的格网分布图。本发明所提出的综合分析方法可以有效整合生态压力、状态、响应因子之间的逻辑关系，满足了生境质量综合制图与分析的需求。

说明书

技术领域

本发明涉及区域生态环境地理国情信息统计分析与监测领域，尤其涉及一种基于生态压力、状态、响应三个方面的区域自然生态地理国情质量综合测度方法。

背景技术

目前，能源资源相对不足、生态环境承载能力不强已成为我国的基本国情。地理国情是重要的基本国情，是从地理的角度分析、研究和描述国情。自然生态地理国情是以地球表层自然、生物和人文现象的空间变化和它们之间的相互关系、特征等为基本内容，对构成生态环境的各种地理国情要素做出宏观性、整体性、综合性的描述。

随着经济、社会的高速发展，我国地表自然和人文地理国情变化进程不断加剧，特别是当前我国资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化等问题日益突出。现有的研究表明，人类对地表资源的无序开发和利用是造成当前生态环境恶化和生物多样性锐减的主要原因之一，因此，从地理国情的视角出发，在大尺度空间范围研究自然生态地理国情质量及其与人类活动之间的关系，对于实现资源环境承载能力评估与预警、市县空间规划编制(多规合一)、领导干部自然资源资产离任审计等工作有着重要的意义。

“压力-状态-响应”(PSR，Pressures-State-Responses)模型是由经济合作与发展组织(Organization for Economic Cooperation and Development，OECD)与联合国环境规划署(UNEP)于20世纪80年代末共同提出，从人类与生态系统的相互作用与影响出发对生态指标进行组织分类，具有较强的系统性。“压力”是指是社会、经济发展过程中由于人类开发自然资源和使用土地而引起的物理环境的变化，这些人为产生的压力在自然界中通过转移、转化，最终导致生态环境，特别是自然生态地理国情状况的改变；“状态”主要通过定量或定性的指标来描述自然生态地理国情的物理状态；“响应”所体现的是社会(团体、个人)和政府为阻止、补偿以及适应景观格局的变化所采取的应对措施。PSR架构有益于表达人类活动与景观格局变化之间的因果关系，有助于制定对应的空间规划和环保策略。当前，PSR模型主要应用于景观生态分析与评估中，对所采用的景观指数/指标按照压力、状态、响应分类，对各个类别中的指标分别进行定性评价，尚缺乏一种能够有效利用PSR模型内在逻辑关系的定量分析方法，未能满足区域自然生态地理国情质量综合量化分析的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种区域自然生态地理国情质量综合测度方法，有利于弥补单个指数或指标未能全面反映自然生态质量演化过程的不足，基于生态压力、状态、响应模型形成满足应用需求的、完整的综合测度指数来满足区域生态环境地理国情监测与评估的需求。

本发明所提出的自然生态地理国情质量综合测度指数并不含有绝对的生态含义，其主要用于对比同一地区多时相下或者对比不同区域之间的生态状况，且该评价方法不受区域面积差异的影响。本发明的方法包括：

S2，采用标准格网划分评价区域，将格网作单元作为自然生态地理国情分析与制图的基本单元，与所收集的空间数据做空间相交分析；

S3，选取地理要素作为压力源，在单位格网上计算压力源的空间分布密度，在此基础上对压力密度进行归一化，生成压力源强度格网分布图；

S4，在单位格网上计算生境质量指标；

S5，设定生态压力的空间传播模型，建立生态压力随距离增加的衰退公式；

S6，设定压力源的影响因子，根据压力源的空间传播特征，在单位格网上计算生态压力指标，得到压力的空间格网；

S7，根据区域所采取的生态保护措施建立响应指标，在单位格网上计算响应指标，得到生态响应指标的空间格网；

S8、基于格网单元的状态和其所受到的生态压力，在单元格网上计算生境质量综合指数，生成生境质量综合指数的格网分布图。

由上可以看出，本发明提供了一种灵活的基于格网单元的区域自然生态地理国情综合测度方法，其优点是将与生态环境相关的压力、状态以及响应三个方面的指标通过内在的逻辑关系进行整合，计算结果可以格网图的形式展示。在实际应用中，可根据具体需求选择相应的压力、状态、响应指标，利用本发明所给出的指标综合方式进行综合评价与制图。

本发明的有益效果包括：

本发明所提出的综合分析方法可以有效整合生态压力、状态、响应因子之间的逻辑关系，满足了生境质量综合制图与分析的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所参考的生态环境定性分析模型；

图2为本发明方法的流程图；

图3为本发明基于PSR模型所提出的自然生态地理国情质量综合测度的参考流程图；

图4为本发明所采用的生态压力传播模型中所采用的三种计算函数以及其相应的样例；

图5为本发明实施例中基于1公里格网的不透水面和道路的压力强度空间分布图以及基于生态压力传播模型所计算的生态压力空间分布图；

图6为本发明实施例中基于1公里格网的生境质量指标和生境质量综合指数的空间分布图；

图7为本发明实施例中基于城市单元在仅考虑生态状态(S)和同时考虑生态压力对状态的影响(PS)两种情况下生态质量指数的统计结果；

图8为本发明实施例中基于城市单元在考虑生态状态、压力(PS)和同时考虑生态压力、状态、响应(PSR)两种情况下生态质量指数的统计结果。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的实施方式，其中相同的部件用相同的附图标记表示。

如图1所示，在生态环境评估中，生态压力的传播会对生态状态产生负面的影响，而生态响应所采取的环保措施主要用于缓解生态压力，从而对生态状态产生正面的影响，由此，本发明提出了基于PSR的定量分析模型。

由图2所示，本发明提出自然生态地理国情质量综合测度方法包括以下步骤：

S1、空间数据收集：收集与地理国情现状相关的土地利用(覆盖)、交通网络和不透水地表面、自然保护区等空间数据作为生态状态、压力、响应的输入数据。

S2、区域空间格网化：采用标准格网(例如，1公里×1公里)划分评价区域，将格网作单元作为自然生态地理国情分析与制图的基本单元，与所收集的空间数据做空间相交分析。

S3、根据自然生态地理国情分析内容的需求，选取地理要素作为压力源，在单位格网上计算压力源的空间分布密度，在此基础上对压力密度进行归一化，生成压力源强度格网分布图。

S4、计算生境质量指标：生境质量指标主要采用反映当前评价区域的生境质量，也可采用其他描述地表覆盖状态的指数，例如植被覆盖度等。

本发明采用环境保护部2015年发布的《生态环境状况评价技术规范(发布稿)》(HJ192-2015)中生境质量指标表征当前景观格局的状态，基于区域地表覆盖数据，在单位格网上计算生境质量指标，计算公式如下：

式中，S_x表示格网单元x的生态状态，即生境质量指标，取值范围[0，100]；k_bio表示生境质量指标的归一化系数，参考值为2.8571；n表示地表覆盖类型的数目；A_i表示i类地表覆盖的面积；C_i表示i类地表覆盖的权重(见表1)；A表示单元格网的面积。

表1生境质量指标各地表覆盖类型分权重

S5、设定生态压力的空间传播模型，建立生态压力随距离增加的衰退公式。

生态压力由压力源出发而逐渐向周边衰退，生态压力主要来源于人对土地的开发利用活动，通常将不透水面和交通网络的空间分布作为生态压力的来源，压力源对周边地区的影响从压力源出发而逐渐向四周衰退。压力源对生境的影响主要取决于以下几个因素：压力源本身的影响因子、压力强度、影响范围以及压力源与生境之间的距离。

步骤1)：采用格网单元上压力源的面积(或长度)占比计算压力密度，并进行归一化。计算公式如下：

式中，d_yt表示压力源t在单元y的压力强度，取值范围[0，1]；d_yt’表示压力源t在单元y的压力密度，通常采用压力源在格网上的面积占比或长度占比来表示；d_max和d_min表示压力源t在单位格网上压力密度最大和最小值，d_min通常取值为0。

步骤2)：利用压力传播模拟函数来模拟生态压力空间传播。本发明主要采用线性函数、幂函数与指数函数三种方式来表示生态压力在地表空间的传播过程，实际应用中可根据压力源的差异选择相应的传播方式。

图4展示了本发明所采用三种压力传播模拟函数，以及点压力源的空间传播示例：

线性函数：

幂函数：

指数函数：

式中：i_txy表示压力源t的衰退指数；x，y均表示格网单元，其中x表示景观中的任一格网单元，y表示威胁源t所在的格网单元；d_xy表示格网单元x与压力源t中格网单元y的之间的空间距离；d_tmax表示压力源t的最大影响范围距离。

S6、设定压力源的影响因子，根据压力源的空间传播特征(影响半径、分布密度和传播方式)，在单位格网上计算生态压力指标，得到压力的空间格网。

上述压力传播模型需满足以下约束条件，即对于压力源t上的某一格网单元y，其对周围所有的格网单元x(y最大影响半径范围内格网单元集合X_y)上的影响之和为1：

在单位格网上，计算每个格网单元所受到的压力影响。计算公式如下：

式中，P_x表示格网单元x所受的生态压力，取值范围[0，1]；T表示压力源的数目；Y_t表示压力源t分布图中的距离单元x小于压力源t最大影响距离范围内的单元集合；w_t表示压力源t的影响因子，取值范围[0，1]，所有压力源的影响因子之和为1。

S7、根据区域所采取的生态保护措施建立响应指标，在单位格网上计算响应指标，得到生态响应指标的空间格网。

响应指标的计算主要基于区域内自然保护区的分布范围，各网格单元的响应指标取值范围为[0，1]，计算公式如下：

R_x表示格网单元x的生态响应指标。

S8、基于格网单元的状态和其所受到的生态压力(生态压力负面影响和生态响应正面影响)，优选地还可以考虑其是否属于自然保护区，在单元格网上计算生境质量综合指数，生成生境质量综合指数的格网分布图。具体参考以下公式：

Q_x＝S_x(1-P_x(1-R_x))

上式中，Q_x表示格网单元x的生境质量综合指数，取值范围为[0，100]；S_x表示格网单元x的状态指标；P_x表示格网单元x受到的生态压力；R_x表示格网单元x的生态响应指标。

S9、区域生境质量综合评估：在区域尺度上，计算所有格网单元综合指数的平均值，以此表征该区域自然生态地理国情质量的优劣。

在区域尺度上，计算所有格网单元的生境质量综合指数的平均值，以此表征区域生境质量综合指数，取值范围为[0，100]，该值越接近于100表示生境质量越好。计算公式如下：

式中，Q表示区域生境质量综合指数；m表示区域所包含的所有格网的数目。

一个示例

以江苏省作为实验区测试本发明所提出的自然生态地理国情质量综合测度方法，在1公里格网上绘制江苏省生境质量综合指数分布图，并对比分析省内各地级市的综合生境质量。

试验数据主要有江苏省2015年地表覆盖数据，包括林地、草地、水田、旱地、房屋建筑用地、水域、裸露地七个类别；交通网络数据，包括铁路、国道、省道、县道的线状要素；不透水地表面分布数据，主要由房屋建筑、构筑物、路面、建筑工地等硬化地表构成；自然保护区边界，包括自然文化保护区、自然文化遗产、风景名胜区和旅游区、森林公园、湿地保护区、地质公园六种类型。测试结果如下所示。

图5中的(a)，(b)展示了在一公里格网上江苏省不透水面和道路压力强度的空间分布图，图5中的(c)展示了通过压力传播模型综合考虑道路和不透水面两种压力源所得的江苏省生态压力空间分布图，计算参数见表2。

表2压力空间传播参数设置

图6中的(a)，(b)分别展示了江苏省生态状态(生境质量指标)和考虑生态压力和响应后的综合生态状态(生境质量综合指数)的1公里格网空间分布图。从整体上看，江苏省生境质量指标平均值为43.2，考虑生态压力和响应的影响后，生境质量综合指数均值为37.8。从分布上来看(图6)，生境质量较低的区域主要集中分布在中南部地区的镇江、常州、泰州和南通，以及北部地区的徐州和连云港；生态压力的影响导致在城市周边地区的生境质量出现下降，在城市分布密集的苏南地区，生境质量下降明显。

为测试生境质量综合分析方法，假设各市未能采取有效的生态响应措施，即R＝0，统计各城市的生境质量指标(S)和生境质量综合指数(PS，仅考虑生态压力的影响)(见图7)，从图中可以看出，考虑生态压力的影响后，各市的生境质量均出现下降，其中，无锡、苏州、南京的生境质量降低最为显著，淮安、宿迁、盐城的生境质量受生态压力的影响相对较小。在此基础上，进一步考虑生态响应措施对生境质量的影响，对比各市仅考虑生态压力(PS)和同时考虑生态压力、响应下的综合指数(PSR)(图8)，从图8可以看出在考虑生态响应因子后，各市的生境质量综合指数有微小的提升，其中，苏州的生境质量提升显著，表明该市的生态保护区分布更能有效的保护生境质量；淮安和南通的生境质量综合指数没有发生明显变化，表明这两个城市的生态保护区分布有待进一步优化。

实验结果表明，本发明所提出的区域自然生态地理国情质量综合分析方法可以有效整合生态压力、状态、响应因子之间的逻辑关系，满足了生境质量综合制图与分析的需求。

以上所述，仅是用以说明本发明的具体实施案例而已，并非用以限定本发明的可实施范围，在自然生态地理国情质量综合制图与分析过程中可根据数据源和业务需求，选择适当的生态压力、状态、响应指标，应用本发明所提出的综合制图与分析模型进行生态格局分析，举凡本领域熟练技术人员在未脱离本发明所指示的精神与原理下所完成的一切等效改变或修饰，仍应由本发明权利要求的范围所覆盖。