專利名稱：一種城市生態(tài)系統(tǒng)調控技術的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于城市生態(tài)學和環(huán)境科學領域，該技術對城市生態(tài)系統(tǒng)景觀格局各種組 分進行多尺度轉換，分析各種景觀組分動態(tài)變化格局，從而監(jiān)測和評價城市生態(tài)系統(tǒng)，并對 城市生態(tài)系統(tǒng)進行調控，該技術廣泛應用于城市生態(tài)系統(tǒng)管理、監(jiān)測、評價和調控領域。本發(fā)明是一種基于多尺度變換的城市生態(tài)系統(tǒng)調控技術，在城市不同發(fā)展階段、 城市景觀類型劃分不同的情況下利用城市景觀格局指數及滑箱大小尺度的變化客觀反映 不同城市在發(fā)展過程中景觀變化規(guī)律，具有針對性和普適性特點，為城市生態(tài)系統(tǒng)管理和 決策提供科學的規(guī)劃依據。
背景技術：
隨著全球城市化過程的加速，城市化在全球、區(qū)域及地方尺度都對生態(tài)環(huán)境造成 了巨大影響。2008年底我國城市化水平已達45%，根據預測到2020年我國城市化水平將 達到55%。由于受戶籍政策、就業(yè)機會等方面的制約，我國城市化與發(fā)達國家城市化過程表 現出不同的模式，農村人口到大城市工作但沒有遷移到大城市中。目前，我國城市化過程仍 在加速中，城市擴展對建成區(qū)、邊緣地帶及農村區(qū)域都產生了深刻影響，促進了城市周圍自 然景觀向人文景觀的轉變?？紫抖戎笖灯鹪从诜志S幾何學，作用是定量描述固體物質中孔隙的幾何結構和分 布。1993年Plotnick等人首次將孔隙度概念和方法引入到景觀生態(tài)學中，并用來度量景觀 異質性?？紫抖仁菍坝^質地的間隙特征及分布的一種度量，具有均勻間隙的同質景觀其 孔隙度值較低，而具有間隙差異顯著的異質景觀的孔隙度則較高?？紫抖戎笖底鳛楹饬烤?觀組分在空間分布均勻程度的指標，反映了組分間孔隙大小的變化范圍。當組分在空間上 均勻分布，空隙間差異小，孔隙度?。划斀M分在空間上分布極不均勻，空隙的變化范圍大，孔 隙度大。在一個給定的尺度下，孔隙度指數能反映出同一景觀區(qū)域內不同采樣點間相似性 或差異性程度。低孔隙度表明景觀是接近同質的，組分的分布的差異在空間上變化平緩，組 分間空隙大小基本相等?？紫抖戎笖蹈弑砻骶坝^的異質性程度高，組分的分布在空間上變 化急劇，組分間空隙有較大變化范圍。然而，景觀的異質性受尺度影響，在小尺度下表現為 高度異質性的景觀，在大尺度下可能表現為同質。因此，孔隙度也是一個依賴于尺度的反映 異質性和景觀結構的指標。目前，對城市生態(tài)系統(tǒng)調控的專利技術很少，主要有生態(tài)敏感性分析、風險評價等 方法，缺乏對城市生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)調控和多尺度調控技術。在檢索到的專利技術中，主要 專利技術是微生物對生態(tài)調控的的影響，如申請?zhí)枮?2107264. 6，公開號為CN1062074，名 稱為對蝦弧菌病生態(tài)調控餌料添加劑；申請?zhí)枮?2107256. 2，公開號為CN1065882，名稱為 對蝦孤菌病生態(tài)調控孤菌計數劑的配方與生產工藝；申請?zhí)枮?00810017155.0，公開號為 CN101341857，名稱為海水池塘對蝦生態(tài)調控養(yǎng)殖方法。如申請?zhí)枮?3139164. 8，公開號 為CN1582644，名稱為一種生態(tài)調控水產動物養(yǎng)殖工藝；申請?zhí)枮?00510046166. 8，公開號 為CN1666601，名稱為一種利用生態(tài)調控在稻田養(yǎng)蟹的方法；申請?zhí)枮?00710020137. 3，公開號為CN101037275，名稱為治理天然水體的生物、工程復合生態(tài)調控方法。該技術方法通 過遙感圖像提取城市生態(tài)系統(tǒng)空間數據，并利用孔隙度計算多尺度景觀組分的動態(tài)變化格 局，從而能監(jiān)測和判斷生態(tài)系統(tǒng)中的組分變化。

發(fā)明內容
本發(fā)明提出利用孔隙度指數實現景觀動態(tài)變化過程中景觀的多尺度轉換，從而監(jiān) 測和評價城市化過程的景觀動態(tài)時空模式，并對城市生態(tài)系統(tǒng)進行調控，建立可持續(xù)的城 市發(fā)展模式。本發(fā)明針對景觀具有尺度性的特點，即不同尺度下相同景觀呈現規(guī)律不一定相 同，改進了目前孔隙度指數的算法，提供了一種更精確、全面且規(guī)律性體現更強的“基于多 尺度變換的城市生態(tài)系統(tǒng)調控”技術。該技術包括如下三個階段首先根據全國土地分類方 法和當地實際情況將城市景觀合理劃分成若干類型，如分為耕地、林地、草地、水體、城市、 農村居民點、獨立工礦建設用地、未利用地等類型。然后選擇天氣狀況良好的遙感影像，利 用遙感圖像處理及地理信息系統(tǒng)軟件對遙感圖像進行解譯，提取景觀類型空間數據。最后 計算每期各種景觀組分的孔隙度指數，不同的滑箱尺度對應不同的孔隙度指數曲線。為了 分析各景觀要素空間異質性隨尺度變化的差異，將不同時期的各種景觀要素的孔隙度指數 做出曲線，分析其動態(tài)變化規(guī)律。該技術針對城市景觀結構復雜、景觀結構變化深刻的特 點，利用不同景觀格局指數時空變化最大程度地反映了城市景觀動態(tài)變化規(guī)律及其尺度效 應，技術廣泛適用于城市生態(tài)系統(tǒng)調控。本發(fā)明特征是建立多尺度變換的城市生態(tài)系統(tǒng)調控技術，對城市各種景觀類型變 化的尺度轉換進行科學定量地分析。在相同滑箱尺度下計算不同時期景觀孔隙度指數，比 較城市景觀在時間上的變化發(fā)展格局，而在不同滑箱尺度下計算相同時期的景觀孔隙度指 數則可以反映景觀要素空間異質性隨尺度變化的差異性?？紫抖戎笖登€越平緩，說明此 類景觀斑塊面積越人，曲線越突出，則表明此類景觀類型分布更加零散、斑塊面積更小。此 種方法可以通過尺度的變換更好地反映城市增長過程，對于客觀反映不同規(guī)模的城市擴展 規(guī)律具有良好的作用。本發(fā)明的目的在于提供一種應用范圍廣、計量科學準確的基于多尺度變換的城市 生態(tài)系統(tǒng)調控技術，以解決現有景觀指數無法體現景觀異質性在空間上的連續(xù)性的不足。 與現有技術相比本發(fā)明專利具有以下優(yōu)點(1)采用多尺度的方法，體現尺度對城市生態(tài)系統(tǒng)中景觀異質性的影響。對于一個 確定的尺度，采樣遍及所研究的景觀范圍，不受方向、起止位置和邊界的影響。(2)在進行城市景觀采樣時，采樣點之間不是完全孤立、毫無聯(lián)系的，而是有一部 分相互重疊的區(qū)域，體現了景觀區(qū)域內的空間自相關性。(3)雖然城市生態(tài)系統(tǒng)中景觀組分復雜，但孔隙度指數不受景觀組分出現頻率的 影響，即使在頻率較小的情況下，方法仍然有效。適于分析和研究整個城市區(qū)域的景觀異質 性，概括性強，并能反映出異質性的等級。孔隙度指數對識別景觀結構特征、多尺度格局、景觀要素的空間分布及其尺度效 應有顯著效果，是判別各種景觀格局特征的有效手段。本發(fā)明是一種基于多尺度變換的城 市生態(tài)系統(tǒng)調控技術，在城市不同發(fā)展階段、城市景觀類型劃分不同的情況下仍能利用城市景觀格局指數及滑箱大小尺度的變化客觀反映不同城市在發(fā)展過程中景觀變化規(guī)律，具 有針對性和普適性特點，為城市發(fā)展的決策者提供科學的規(guī)劃依據。


圖1給出了技術發(fā)明的流程圖。1、根據全國土地分類方法和當地實際情況將城市景觀合理劃分成若干類型，如分 為耕地、林地、草地、水體、城市、農村居民點、獨立工礦建設用地、未利用地等類型。2、選擇天氣狀況良好的遙感影像，利用遙感圖像處理及地理信息系統(tǒng)軟件對遙感 圖像進行解譯，提取景觀類型空間數據。3、數據準備。將城市數據由矢量數據轉換為柵格數據，數據格式可以是以0(表示 土地利用類型A)、l(表示土地利用類型B)表示的二進制格式，也可以是以某種土地利用類 型(A或B)在單位面積內所占比例為value值的柵格數據。4、生成感興趣區(qū)域的柵格圖層用ArcMap中的Spatial Analyst菜單里的Raster Calculator中的除號運算符“/”進行柵格運算，生成新的柵格圖層“Α0Ι”，選擇結果圖層另 存為 “Grid”。5、計算不同尺度大小的滑箱平均值和標準差。用2X2的滑箱對“Grid”進行重采 樣在 ArcToolbox 里選擇 Spatial Analyst Tool 中的 Neighborhood，利用其中的 Focal Statistics命令。具體設置如下結果圖層命名為“Map Calculation. . . ”Neighborhood 選擇 Rectangle，在 Neighborhood Settings 中，Height 和 Width 都填 2，Units 選擇 Cell。 在 Statistics type 里選擇 SUM。6、計算結果圖層(例如“Map Calculation 1”)滑箱內的平均值和標準差選擇 “Analysis” 下的 “SmnmarizeZones” 命令，選擇將要加和的圖層(如 “Map Calculation 1”)；記錄下此滑箱尺度下的平均值和標準差。7、將滑箱尺度設定為4、8、16、32、64、128和256 (即將Height和Width處的2,2 改成4，4、8，8等)，重復步驟3和4或者景觀維度的1/2，即最小(行，列)/2。8、計算孔隙度指數并生成孔隙度曲線。在電子表格軟件(如Excel)中計算孔隙 度指數并生成孔隙度指數曲線將每個滑箱尺度下的平均值和標準差導出或復制到一個 Excel表格中；計算每個滑箱尺度下的孔隙度指數值，公式為孔隙度指數=1+標準差7平 均值2 ；用In (孔隙度)和In (滑箱尺度)的點值生成孔隙度曲線。
具體實施例方式以下結合附圖詳細說明本發(fā)明的工作原理和實施方式。本發(fā)明所述一種基于多尺度變換的城市生態(tài)系統(tǒng)調控技術，目的是強化尺度效應 在城市景觀動態(tài)變化中的作用，從而監(jiān)測和評價城市生態(tài)系統(tǒng)，并對城市生態(tài)系統(tǒng)進行調 控，該技術廣泛應用于城市生態(tài)系統(tǒng)管理、監(jiān)測、評價和調控領域。實施例1以某城市1990 2005年間的城鎮(zhèn)用地孔隙度指數變化圖為例。通過遙感圖像提 取某城市1990、1995、2000和2005年土地利用空間數據。然后利用孔隙度指數計算不同年 份城市用地、耕地、居民點用地等的多尺度孔隙度指數，并繪制曲線。從城市用地的孔隙度指數變化可以看出(圖1)，當滑箱邊長為1個像元時，1990年的孔隙度指數顯著高于其它 年份，1995年和2000年的差別不大，這是因為1990-1995年間是城市急劇擴張的時期，而 1995-2000年間城市擴張的速度放慢。從曲線的形態(tài)可以看出。在滑箱邊長較小時孔隙度 值下降非常緩慢，當滑動框邊長大于150個像元時才開始迅速下降，并且快速接近于零。這 表明當滑動框邊長小于150個像元時，城鎮(zhèn)用地呈明顯的聚集分布；曲線在150個像元處出現轉折，150個像元為城鎮(zhèn)用地的特征尺度。
圖21990-2005年城鎮(zhèn)用地的空隙度指數
權利要求
一種城市生態(tài)系統(tǒng)調控技術，其特征在于利用遙感技術獲取城市動態(tài)變化過程中空間數據，利用孔隙度指數對城市化過程中景觀組分進行變換，通過新的算法能更好地計算出各種景觀組分的動態(tài)變化格局，從而監(jiān)測和評價城市生態(tài)系統(tǒng)，并對城市生態(tài)系統(tǒng)進行調控，該技術具有針對性和普適性特點，為城市生態(tài)系統(tǒng)管理和決策提供科學的規(guī)劃依據。
全文摘要
本發(fā)明針對當前城市生態(tài)系統(tǒng)調控技術的不足，提供了一種多尺度轉換的城市生態(tài)系統(tǒng)調控技術，通過孔隙度指數計算方法的改進，對城市景觀各種組分進行尺度轉換，從而分析城市化過程中景觀結構和功能的變化，該技術對城市生態(tài)系統(tǒng)進行管理、調控、監(jiān)測和評價，具有靈活性強、運行成本低等特點，為城市生態(tài)系統(tǒng)管理和決策提供科學的規(guī)劃依據。
文檔編號G06F19/00GK101840462SQ20091025984
公開日2010年9月22日 申請日期2009年12月15日 優(yōu)先權日2009年12月15日
發(fā)明者全泉, 楊志峰, 田光進 申請人:北京師范大學