一种具有时空一致性的景观尺度植物多样性评价方法

技术领域

本发明涉及生物多样性评价技术领域，尤其是一种具有时空一致性的景观尺度植物多样性评价方法。

背景技术

生态系统中的植物多样性是其生物多样性的主要组成部分，因为植被既作为物质能量的主要供应者在生态系统中扮演重要角色，也构成哺乳动物、鸟类等生命形式的主要栖息地，因此其属性变化意味着其他生物体生境的变化，维持区域植物多样性是维持生态系统生物多样性的关键，因其植物多样性开展科学评估也是揭示区域总体生物多样性水平的关键。

传统的植物多样性评估多基于样点植被调查数据进行，受采样点数量、分布等限制，其评价结果往往难以由局域向全局尺度扩展，也难以进行横向和纵向的比较，因而限制了其在气候变化与人类活动对生态系统服务功能影响方面的评估。因此，探索客观、统一的区域尺度植物多样性评价方法，揭示区域植物多样性水平及其演变趋势，是当前生态系统综合评估领域面临的重要科学问题，也严重制约着人类保护生物多样性的理论与实践。

目前，利用遥感手段对大范围植被空间分布信息进行遥感提取的方法已较为成熟，这也使基于遥感解译的植被类型空间分布图进行区域植物多样性的评价成为了可能。但传统的植物多样性评价指数，如Shannon-Wiener指数、Simpson指数和Pielou均匀度指数等均基于植被样方调查数据构建，通过样方中物种出现的数量和频率计算其植物多样性。而遥感手段对景观尺度的植被观测主要集中在对其不同植物群落的空间分布和面积统计方面；因为存在这种量化指标的差异，目前亟待开发景观尺度的植物多样性评价指标，用于基于遥感解译的植被类型空间分布图的区域植物多样性评价。这一植物多样性评价指标的提升将大大提高植物多样性评价结果的横向与纵向可比性(因为遥感影像具有大范围、同步观测的特点)，即使评价结果具有很好的时空一致性，能很好的进行时空变化分析，服务于气候变化或人类活动等因素对植物多样性的长效影响评估。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种具有时空一致性的景观尺度植物多样性评价方法，适用于区域尺度长时间序列的植物多样性评估，操作方法简便，便与推广和应用。

为解决上述技术问题，本发明提供一种具有时空一致性的景观尺度植物多样性评价方法，包括如下步骤：

S1、基于随机森林方法解译中高分辨率遥感影像，得到研究区典型植物群落空间分布图；

S2、基于研究区数字高程模型DEM进行流域分析，将研究区划分为若干集水区或小流域；

S3、改进样点尺度的植物多样性评价指标，以物种分布面积代替物种计数，构建具有时空一致性的景观尺度植物多样性评价指标D

S4、计算研究区各小流域的景观尺度植物多样性指数，以其评价研究区总体植物多样性并分析其时空变化。

优选的，步骤S1中，预处理研究区植被生长期无云或少云的中高分辨率遥感影像，基于随机森林方法与样点植被调查数据对其进行遥感解译，得到研究区各典型植物群落空间分布图。

优选的，步骤S2中，对研究区高精度数字高程模型DEM进行流域分析，通过洼地填平、流向分析以及汇流计算步骤提取河流网络并捕捉汇流点，将研究区划分为若干集水区或小流域，得到研究区集水区/小流域空间分布图。

优选的，步骤S3中，参照传统样点尺度的Shannon-Weiner指数与Simpson指数进行景观尺度的植物多样性指数构件，以遥感解译的物种分布面积数据代替样方调查记录的物种计数数据，在景观尺度构建具有时空一致性的植物多样性评价指标D

其中，i＝1,2,…,s，D

优选的，步骤S4中，计算研究区各集水区/小流域的景观尺度植物多样性指数D

本发明的有益效果为：能将遥感提取的植被空间分布信息与DEM数据提供的流域相似性信息相结合，通过典型植物群落空间分布信息的遥感解译、研究区小流域/集水区的划分、以及各小流域景观尺度植物多样性指数的计算三种方法结合的方式，达到了对区域景观尺度植物多样性进行评价和时空变化分析的目的；操作较为简便，所需成本低。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图。

图2为本发明实施例1中基于随机森林方法解译的鄱阳湖湿地典型植物群落空间分布图。

图3为本发明实施例1中根据数字高程模型DEM划定的鄱阳湖湿地集水区/小流域空间分布图。

图4为本发明实施例1中计算的鄱阳湖各典型植物群落分布面积及占比示意图。

图5为本发明实施例1中计算的鄱阳湖景观尺度植物多样性指数及其时空变化示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种具有时空一致性的景观尺度植物多样性评价方法，包括如下步骤：

S1、基于随机森林方法解译中高分辨率遥感影像，得到研究区典型植物群落空间分布图；

S2、基于研究区数字高程模型(DEM)进行流域分析，将研究区划分为若干集水区或小流域；

S3、改进样点尺度的植物多样性评价指标，以物种分布面积代替物种计数，构建具有时空一致性的景观尺度植物多样性评价指标D

S4、计算研究区各小流域的景观尺度植物多样性指数，以其评价研究区总体植物多样性并分析其时空变化。

具体包括：

首先以随机森林方法解译研究区植被生长期无云或少云的Landsat TM/ETM影像，得到其典型植物群落空间分布图；同时以DEM数据对研究区地形进行集水区/小流域的划分，得到其若干个集水区/小流域的空间边界；在此基础上，统计各集水区/小流域不同典型植物群落的分布面积，计算其景观尺度植物多样性指数D

具体而言，本方法包括如下具体技术方案：

S1、下载研究区植被生长期覆盖整个研究区的30m分辨率Landsat TM/ETM/OLI影像，结合同期植被样点调查数据，建立随机森林分类器，解译其典型植物群落空间分布图；

其中，随机森林分类器通过匹配植被观测类型与Landsat TM/ETM/OLI影像不同波段(TM影像7波段，OLI影像9波段)及其计算的NDVI指数进行训练和验证，训练和验证数据的比例为8:2，通过R语言平台的RandomForest包实现。

S2、对研究区高精度数字高程模型DEM进行流域分析，通过洼地填平、流向分析以及汇流计算等步骤提取河流网络并捕捉汇流点，将研究区划分为若干集水区或小流域，得到研究区集水区/小流域空间分布图；

DEM数据的分辨率根据研究区面积与精度需求确定，如在面积较大(2500km

S3、参照传统样点尺度的Shannon-Weiner指数与Simpson指数进行景观尺度的植物多样性指数构建，以遥感解译的物种分布面积数据代替样方调查记录的物种计数数据，在景观尺度构建具有时空一致性的植物多样性评价指标D

D

其中，i＝1,2,…,s，D

统计研究区各集水区/小流域不同植物群落的空间分布面积，基于上述公式计算其景观尺度植物多样性指数D

S4、计算研究区各集水区/小流域D

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

以典型湿地生态系统鄱阳湖湿地为例。

图2为以随机森林方法解译的鄱阳湖湿地1989-2016年典型植物群落空间分布图。具体步骤包括下载鄱阳湖湿地植被生长期(春季4月～6月、秋季10～12月)覆盖整个研究区的30m分辨率Landsat TM/ETM/OLI影像，对其云量进行排序，选择各年份云量最少的遥感影像，结合同期植被样点调查数据，建立随机森林分类器，解译鄱阳湖湿地典型植物群落空间分布图，包括的典型植物群落类型为虉草-苔草群落、苔草群落和南荻-芦苇群落。

图3为根据数字高程模型DEM划定的鄱阳湖湿地集水区/小流域空间分布图。具体步骤为对鄱阳湖区30m分辨率的DEM数据进行流域分析，通过洼地填平、流向分析以及汇流计算等步骤提取河流网络并捕捉汇流点，将鄱阳湖湿地划分为星子湖区、都昌湖区、棠荫湖区、康山湖区、吴城(赣江)湖区和吴城(修水)湖区共六个子湖区。

图4为根据遥感解译结果统计的鄱阳湖各典型植物群落分布面积及占比。具体步骤包括各典型植物群落类型的栅格数量统计和面积计算，此步骤为计算景观尺度植物多样性指数D

图5为各湖区平均景观尺度植物多样性指数D

本发明构建了景观尺度基于典型植物群落分布面积信息的植物多样性评价指数，通过典型植物群落空间分布信息的遥感解译、研究区小流域/集水区的划分、以及各小流域景观尺度植物多样性指数的计算实现了对研究区整体植物多样性水平及其时空变化进行科学评估的目的。该方法将遥感解译的植被空间分布信息应用于了区域植物多样性的评价，大大提高了其评价结果的横向、纵向可比性，具有较为明显的优势和创新性。