一种基于植被生态网络的生态供水优先级划分方法及系统

技术领域

本发明属于水资源高效利用与生态修复技术领域，更具体地，涉及一种基于植被生态网络的生态供水优先级划分方法及系统。

背景技术

生态网络是综合了生态学、环境学、地理学等多个学科理论而发展形成的一种区域化生态环境规划理念。景观生态网络基于景观生态学的思想，以保护物种的多样性、景观完整性以及生态系统的稳定性及为目的，在区域内将景观斑块进行有机连接的一种网络结构。科学合理地构建生态网络并划定生态控制区能够有效提升城市韧性,保护生物多样性。

生态水权是指为保护河流、湖泊和自然生态系统而设立的水权，有学者认为，水资源短缺、用水效率低和水资源保护等问题可以通过生态水权的建立得到缓解。生态水权配置以生态需水量计算为基础，现有研究生态需水计算的空间尺度往往是流域，时间尺度多为一年，其成果是一种偏宏观的流域水资源管理生态用水描述。由于生态系统的特殊性，生态水权的分配往往比工业、农业和生活水权的分配更加复杂，其将随着所研究地区的水环境、生态格局不同而产生巨大的差异，植被在生长、扩张等活动中的作用也不稳定。

而生态网络可以用来描述生态系统内生态功能的空间差异，因此生态网络结构中的结构可以被用以生态水权优先级的划分中。科学合理地构建生态网络能够准确地反映流域的生态空间格局，通过对生态网络关键节点进行保护可提高整个生态系统的稳定性。为提高生态系统关键区域的生态用水保障程度，生态网络的构建是建立区域生态调度模型的重要基础。

在干旱地区河流沿岸植被是稳定当地生态系统的关键，因此基于植被生态网络的生态供水优先级划分对维持整个生态系统的稳定具有重要意义。然而，目前基于植被生态网络的生态供水优先级划分的相关研究还有所欠缺。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于植被生态网络的生态供水优先级划分方法及系统，其目的在于解决生态水权配置相关研究空间尺度和时间尺度偏宏观而难以指导实际生态供水、忽略旱区植被对干旱条件的适应能力以及生态系统之间连贯性等技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于植被生态网络的生态供水优先级划分方法，包括以下步骤：

S1，对待决策区域进行网格划分，再基于土地利用类型进行生态源地的识别；

S2，将不同土地利用类型对应的网格赋以对应的阻力初值，再利用归一化植被指数对各网格的阻力初值进行修正，获得各网格的最终阻力值；

S3，利用最小累计阻力模型计算得到不同生态源地间的最小累计阻力，提取出待决策区域的生态廊道；

S4，根据待决策区域每个生态闸门的供水区域所涵盖的生态源地个数、生态廊道密度以及所处河道的弯曲程度，对各生态闸门进行供水优先级划分。

进一步地，所述S1中，基于土地利用类型进行生态源地的识别，包括：

S11，根据土地利用类型对各网格数据进行重分类；

S12，将重分类后的网格数据转换为矢量格式，并计算不同土地利用类型图斑的面积；

S13，筛选出图斑的面积大于阈值的图斑；

S14，计算S13中筛选出的各图斑的质心坐标；

S15，以S14中每个图斑的质心坐标为圆心，建立与该图斑等面积的圆形缓冲区，作为该图斑的生态源地。

进一步地，所述S2包括：

S21，根据土地利用类型对生态源地扩张的阻碍程度大小对不同网格赋以0-M的阻力初值，M为大于0的常数；

S22，利用归一化植被指数计算各网格的阻力修正值Rv：

其中，NDVI表示各网格的归一化植被指数，NDVI

S23，将每个网格的阻力初值与阻力修正值叠加，作为每个网格的最终阻力值。

进一步地，所述S3包括：

基于图论数学中的节点/链接像素映射表达算法的最小累计阻力模型计算不同生态源地间的累计阻力最小的联通路径，作为待决策区域的生态廊道。

进一步地，所述S4包括：

根据待决策区域每个生态闸门的供水区域所涵盖的生态源地个数，给各生态闸门赋以第一权重值，其中，所涵盖的生态源地个数越多，权重值越大；

根据待决策区域每个生态闸门的供水区域所涵盖的生态廊道密度，给各生态闸门赋以第二权重值，其中，所涵盖的生态廊道密度越大，权重值越大；

根据待决策区域每个生态闸门的供水区域所处河道的弯曲程度，给各生态闸门赋以第三权重值，其中，所处河道的弯曲程度越大，权重值越大；

计算每个生态闸门的权重平均值，根据各生态闸门的权重平均值进行供水优先级划分，其中，权重平均值越大，供水优先级越高。

本发明另一方面提供了一种基于植被生态网络的生态供水优先级划分系统，包括：

生态源地识别模块，用于对待决策区域进行网格划分，再基于土地利用类型进行生态源地的识别；

阻力值生成模块，用于将不同土地利用类型对应的网格赋以对应的阻力初值，再利用归一化植被指数对各网格的阻力初值进行修正，获得各网格的最终阻力值；

生态廊道提取模块，用于利用最小累计阻力模型计算得到不同生态源地间的最小累计阻力，提取出待决策区域的生态廊道；

优先级划分模块，用于根据待决策区域每个生态闸门的供水区域所涵盖的生态源地个数、生态廊道密度以及所处河道的弯曲程度，对各生态闸门进行供水优先级划分。

进一步地，所述生态源地识别模块包括：

重分类子模块，用于根据土地利用类型对各网格数据进行重分类；

图斑面积计算子模块，用于将重分类后的网格数据转换为矢量格式，并计算不同土地利用类型图斑的面积；

图斑筛选子模块，用于筛选出图斑的面积大于阈值的图斑；

图斑质心计算子模块，用于计算筛选出的各图斑的质心坐标；

缓冲区建立子模块，用于以每个筛选出的图斑的质心坐标为圆心，建立与该图斑等面积的圆形缓冲区，作为该图斑的生态源地。

进一步地，所述阻力值生成模块包括：

阻力初值设置子模块，用于根据土地利用类型对生态源地扩张的阻碍程度大小对不同网格赋以0-M的阻力初值，M为大于0的常数；

阻力修正值计算子模块，用于利用归一化植被指数计算各网格的阻力修正值Rv：

其中，NDVI表示各网格的归一化植被指数，NDVI

叠加子模块，用于将每个网格的阻力初值与阻力修正值叠加，作为每个网格的最终阻力值。

进一步地，所述生态廊道提取模块，还用于基于图论数学中的节点/链接像素映射表达算法的最小累计阻力模型计算不同生态源地间的累计阻力最小的联通路径，作为待决策区域的生态廊道。

进一步地，所述优先级划分模块包括：

第一权重值赋予子模块，用于根据待决策区域每个生态闸门的供水区域所涵盖的生态源地个数，给各生态闸门赋以第一权重值，其中，所涵盖的生态源地个数越多，权重值越大；

第二权重值赋予子模块，用于根据待决策区域每个生态闸门的供水区域所涵盖的生态廊道密度，给各生态闸门赋以第二权重值，其中，所涵盖的生态廊道密度越大，权重值越大；

第三权重值赋予子模块，用于根据待决策区域每个生态闸门的供水区域所处河道的弯曲程度，给各生态闸门赋以第三权重值，其中，所处河道的弯曲程度越大，权重值越大；

优先级划分子模块，用于计算每个生态闸门的权重平均值，根据各生态闸门的权重平均值进行供水优先级划分，其中，权重平均值越大，供水优先级越高。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

本发明以土地利用类型数据为基础，计算不同种土地覆盖类型图斑的面积，筛选出面积大于阈值(例如10km

附图说明

图1为本发明提供的一种基于植被生态网络的生态供水优先级划分方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的利用土地利用数据识别生态源地示意图，其中，横坐标表示区域经度坐标，纵坐标表示区域纬度坐标；

图3为本发明实施例提供的阻力值数值叠加后得到的总阻力面示意图，其中，横坐标表示区域经度坐标，纵坐标表示区域纬度坐标；

图4为本发明实施例提供的生态网络提取结果示意图，其中，横坐标表示区域经度坐标，纵坐标表示区域纬度坐标；

图5为本发明实例提供的生态闸门位置及控制区划分示意图，其中，横坐标表示区域经度坐标，纵坐标表示区域纬度坐标；图中待决策区域从上至下的中文描述依次为大西海子水库、阿克东生态闸、库木吐格生态闸、昆阿斯特生态闸、买买提托赫生态闸、魔鬼坝生态闸、萨吐尔生态闸、阿拉干节制闸、一号节制闸、二号节制闸、三号节制闸、四号节制闸、五号节制闸、库尔干生态闸、台特玛湖；

图6为本发明实例提供的河道弯曲系数结果示意图，其中，横坐标表示区域经度坐标，纵坐标表示区域纬度坐标。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。此外，以下所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参阅图1，本发明提供了一种基于植被生态网络的生态供水优先级划分方法，包括以下步骤：

S1，对待决策区域进行网格划分，再基于土地利用类型进行生态源地的识别。

具体地，所述S1中，基于土地利用类型进行生态源地的识别，包括：

S11，根据土地利用类型对各网格数据进行重分类；

本实施例中，利用ArcMap10.8软件对土地利用类型栅格数据进行重分类，分别将有林地、灌木林、疏林地、其他林地及水体等土地利用类型对应网格赋以相同数值；

S12，将重分类后的网格数据转换为矢量格式，并计算不同土地利用类型图斑的面积；

S13，筛选出图斑的面积大于阈值(例如10km

S14，计算S13中筛选出的各图斑的质心坐标；

S15，以S14中每个图斑的质心坐标为圆心，建立与该图斑等面积的圆形缓冲区，作为该图斑的生态源地。

如图2所示，根据上述步骤在塔里木河下游中共识别出14个生态源地，其下游大部分区域为荒漠(未利用土地)，水库、河道及湖泊附近分布有少量林地以及部分高、中盖度草地，大西海子水库还分布有少许耕地。

S2，将不同土地利用类型对应的网格赋以对应的阻力初值，再利用归一化植被指数对各网格的阻力初值进行修正，获得各网格的最终阻力值。

本实施例中，在S1的基础上，利用归一化植被指数(NDVI)表征地表植被生长状况，中国科学院地理科学与资源研究所牵头建立的中国多时期土地利用遥感监测数据(CNLUCC)表征用地类型，融合两种数据源进行待决策区域的阻力面设置；

具体的，对于塔里木河下游区域生态网络阻力面的设置具体阻力值赋值规则如下：

(1)根据土地利用类型对生态源地扩张的阻碍程度大小对不同网格赋以0-5的阻力值，赋值方式如表1所示：

表1不同土地利用类型生态阻力设置

(2)归一化植被指数(NDVI，Normalized Difference Vegetation Index)是一个根据植被叶片组织对可见光中蓝光(470nm)、红光(650nm)以及近红外辐射的反射率不同的特性来表征植被生长状况的指数[100]，其值一般介于-1～1之间，植被长势越好则NDVI值越接近1，裸地的NDVI值接近于0，而水体、冰雪等对应的NDVI值接近-1。由于干旱区的水体是维持植被生长的基本条件，因此将其对应网格的阻力值设为0，其余区域按照线性插值方式赋以0～5的阻力值，如表2所示；

表2不同NDVI对应的生态网络阻力值

(3)对步骤(1)和步骤(2)生成的阻力面进行数值叠加，生成总阻力面，其表面阻力值介于0～10之间，总阻力面如图3所示。

从图3中阻力分布情况可以看出，塔河下游的生境区域中，水分供给条件较好的区域对于生态系统的扩张阻碍程度最小，如大西海子水库至阿拉干断面之间的河段以及台特玛湖周边的区域，都形成了阻力相对较小的面状斑块；而远离河岸的荒漠地带则会对植被生态源地的扩张产生较大的阻力，均为高阻力图斑。

S3，利用最小累计阻力模型计算得到不同生态源地间的最小累计阻力，提取出待决策区域的生态廊道。

具体的，基于图论数学中的节点/链接像素映射表达算法的最小累计阻力模型计算不同生态源地间的最小累计阻力可表示为：

式中，

本实施例中，在S1及S2的基础上，采用最小阻力模型计算出塔里木河下游范围内不同生态源地之间累积阻力最小的连通路径，此路径即为塔里木河下游生态廊道，生态廊道与生态源地一同构成了塔河下游的生态网络。结果如图4所示。

从图4中可以看出大西海子水库至阿拉干断面之间区域所构建的生态廊道较为密集，且整体呈网状分布；而阿拉干断面以下由于生态源地密度锐减，不同源地之间距离较远，因此不同源地之间的生态廊道出现了重合，且重合的廊道与河道位置基本一致，表明连续而不断流的河道对干旱区生态系统的结构完整和稳定性具有至关重要的作用。

S4，根据待决策区域每个生态闸门的供水区域所涵盖的生态源地个数、生态廊道密度以及所处河道的弯曲程度，对各生态闸门进行供水优先级划分。

具体地，所述S4包括：

根据待决策区域每个生态闸门的供水区域所涵盖的生态源地个数，给各生态闸门赋以第一权重值，其中，所涵盖的生态源地个数越多，权重值越大；

根据待决策区域每个生态闸门的供水区域所涵盖的生态廊道密度，给各生态闸门赋以第二权重值，其中，所涵盖的生态廊道密度越大，权重值越大；

根据待决策区域每个生态闸门的供水区域所处河道的弯曲程度，给各生态闸门赋以第三权重值，其中，所处河道的弯曲程度越大，权重值越大；

计算每个生态闸门的权重平均值，根据各生态闸门的权重平均值进行供水优先级划分，其中，权重平均值越大，供水优先级越高。

本实施例中，塔河下游生态闸门位置及控制区划分如图5所示；对塔河下游河道弯曲系数进行计算，计算结果如图6所示。将13个目标区域共划分为4个级别，其中1级优先级最高，4级优先级最低，划分结果如表3所示。结果表明，6号闸门具有最高的供水优先级，为1级闸门，其次4号和10号均为2级闸门，5、7、8号闸门为3级闸门，其余均为4级闸门，高优先级闸门在生态供水中将得到更高的保障。

表3不同供水区生态供水优先级划分

本发明另一方面提供了一种基于植被生态网络的生态供水优先级划分系统，包括：

生态源地识别模块，用于对待决策区域进行网格划分，再基于土地利用类型进行生态源地的识别；

阻力值生成模块，用于将不同土地利用类型对应的网格赋以对应的阻力初值，再利用归一化植被指数对各网格的阻力初值进行修正，获得各网格的最终阻力值；

生态廊道提取模块，用于利用最小累计阻力模型计算得到不同生态源地间的最小累计阻力，提取出待决策区域的生态廊道；

优先级划分模块，用于根据待决策区域每个生态闸门的供水区域所涵盖的生态源地个数、生态廊道密度以及所处河道的弯曲程度，对各生态闸门进行供水优先级划分。

上述基于植被生态网络的生态供水优先级划分系统中各个模块的划分仅用于举例说明，在其他实施例中，可将基于植被生态网络的生态供水优先级划分系统按照需要划分为不同的模块，以完成上述系统的全部或部分功能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明，对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。