CN111754096B - 一种生态空间的人类影响度获取方法 - Google Patents

一种生态空间的人类影响度获取方法 Download PDF

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Abstract

一种生态空间的人类影响度获取方法，解决了现有技术中获取生态空间的人类影响度的方法复杂问题，属于生态空间分析技术领域。本发明包括：在待分析区域内以各参考地物区域的质心作为控制点，用泰森多边形法划分参考地物单元；优化单元，使各单元内参考地物面积在设定阈值范围内；获取待分析区域的两期NDVI数据，获取各单元内每类生态空间的两期NDVI的差值ΔNDVIn，根据该差值ΔNDVIn求取生态空间内该差值的均值
Figure DDA0002542778210000011
并求取各单元内每类生态空间的所述均值
Figure DDA0002542778210000012
与生态空间内参考地物的所述均值的差值ΔNNUM，并对该差值ΔNNUM归一化处理，获得归一化差值NDVINOR，计算归一化差值NDVINOR基于待分析区域内相同生态空间的均值，该均值为
Figure DDA0002542778210000013
用于表示人类影响度。

Description

一种生态空间的人类影响度获取方法
技术领域
本发明涉及一种生态空间的人类影响度获取方法，属于生态空间分析技术领域。
背景技术
生态空间变化受气候和人类活动等影响，人类活动与生态空间环境关系密切。由于城市建设扩张等一系列人类活动持续进行，人类活动成为了生态空间变化首要影响因素(Mao et al.,2016；Song et al.,2018)。植被是各生态空间的主要成分，植被覆盖变化是反映人类活动对生态空间影响的最直接、最重要的指示器(Forkel et al.,2016)，归一化植被指数(Normalized difference vegetation index,简称NDVI)是监测植被覆盖变化的重要指标，即是衡量生态空间人类影响度的重要指标。
现有技术中，吴艳艳等采用CASA模型与CHIKUGO模型结合计算NPPlulc，并建立相对贡献指数对人类活动影响进行评价；赵旭阳等采用层次分析法结合4个方面23项指标，分析人类活动对湿地的影响；毛德华等基于遥感估算模型构建人类活动相对影响贡献率指数，定量分析人类活动对沼泽地影响程度等。现有这些对生态空间的分析方法中均要考虑到人类影响度，但是获取人类影响度时利用模型大多复杂，操作较为繁琐。
发明内容
针对现有技术中获取生态空间的人类影响度的方法复杂问题，本发明提供一种一种综合地理学思想与空间分析方法的生态空间的人类影响度获取方法。
本发明的一种生态空间的人类影响度获取方法，所述方法包括：
S1、在待分析区域内划分参考地物单元：
以各参考地物区域的质心作为控制点，建立各参考地物的泰森多边形，泰森多边形的区域作为参考地物单元；
S2、优化参考地物单元，使优化后的各参考地物单元内参考地物面积在设定阈值范围内；
S3、获取待分析区域的两期归一化植被指数NDVI数据，获取各参考地物单元内每类生态空间的两期NDVI的差值ΔNDVIn，根据该差值ΔNDVIn求取生态空间内该差值的均值
Figure BDA0002542778190000011
并求取各参考地物单元内每类生态空间的所述均值
Figure BDA0002542778190000012
与生态空间内参考地物的所述均值的差值ΔNNUM，并对该差值ΔNNUM归一化处理，获得归一化差值NDVINOR，计算归一化差值NDVINOR基于待分析区域内相同生态空间的均值，该均值为
Figure BDA0002542778190000021
Figure BDA0002542778190000022
用于表示人类影响度，
Figure BDA0002542778190000023
为0表示该生态空间不受人类影响，
Figure BDA0002542778190000024
为负数则表示人类对该生态空间造成消极影响，
Figure BDA0002542778190000025
为正数表示人类对该生态空间造成积极影响。
作为优选，所述参考地物为林地。
作为优选，所述S2包括：
计算各参考地物单元内包含参考地物面积的整体均值，将该均值设为阈值，判断若某参考地物单元内参考地物面积小于阈值则与临近单元合并。
作为优选，所述S3包括：
优化后的参考地物单元的编号为：
NUM＝NUMT×100+NUMF
式中，NUM为按参考地物单元及土地利用类型对各生态空间的编号，NUMT为优化后参考地物单元编号，NUMF为生态空间编号；
统计每个NUM编号的生态空间中包含的栅格像元个数COUNTNUM，统计待分析区域内相同生态空间的栅格像元个数COUNTF；
求各参考地物单元内每类生态空间的两期NDVI的差值ΔNDVIn，为：
ΔNVVIn＝NDVIni-NDVInj
式中，NDVIni为第n个栅格第i期NDVI数据，NDVInj为第n个栅格第j期NDVI数据，n的取值为1至COUNTNUM；
对各参考地物单元中每类生态空间中NDVI差值计算均值，为：
Figure BDA0002542778190000026
式中，n为该生态空间内一共包含的栅格数目；
在同一参考地物单元内，各生态空间的
Figure BDA0002542778190000027
与参考地物的NDVI差值的均值
Figure BDA0002542778190000028
做差值计算，为：
Figure BDA0002542778190000029
对差值ΔNNUM进行归一化处理，归一化差值为：
Figure BDA00025427781900000210
式中，max{ΔNNUM}表示差值ΔNNUM中最大值，归一化后，NDVINOR的范围为[-1,1]；
计算归一化差值NDVINOR基于相同生态空间NUMF的平均值，为：
Figure BDA0002542778190000031
作为优选，所述S3中，还包括根据
Figure BDA0002542778190000032
进行人类影响度判断：
当
Figure BDA0002542778190000033
人类对相应生态空间的负面影响度为大；
当
Figure BDA0002542778190000034
人类对相应生态空间的负面影响度为中等；
当
Figure BDA0002542778190000035
人类对相应生态空间的负面影响度为小；
当
Figure BDA0002542778190000036
相应生态空间不受人类影响；
当
Figure BDA0002542778190000037
人类对相应生态空间的正面影响度为小；
当
Figure BDA0002542778190000038
人类对相应生态空间的正面影响度为中等；
当
Figure BDA0002542778190000039
人类对相应生态空间的正面影响度为大。
本发明的有益效果：本发明提供了一种简便易操作且具有科学性的生态空间的人类影响度获取方法，根据NDVI获取人类影响度，选择受影响较小的地物作为参考，采用临近原则对生态空间进行单元划分，获取各生态空间的人类影响度，为生态环境建设、地表变化度量和人类活动价值评估等提供技术支持。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是数据类型示意图；
图3是泰森多边形构建及优化示意图；
图4是NDVI均值归一化结果示意图；
图5人类影响度分级示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图1所示，本实施方式的一种生态空间的人类影响度获取方法，包括：
步骤一、获取待分析区域内已分类土地利用类型数据，确定要获取人类影响度的生态空间(土地利用类型)，在待分析区域内划分参考地物单元：
以各参考地物区域的质心作为控制点，建立各参考地物的泰森多边形，泰森多边形的区域作为参考地物单元；
选择受影响较小的地物作为参考地物，本实施方式以林地作为参考地物，即每个单元内均包含林地，划分参考地物单元的方法为：将各林地质心作为控制点建立泰森多边形，泰森多边形建立方法：
(1)统计各林地质心X,Y坐标，记为Fi(Xi，Yi)，形成点集F＝{F1,F2,F3…Fn}；
(2)基于点集F构建三角网，形成三角形集合Ti＝{T1,T2…,Tn}，具体方法为：
计算点集F中距离最近的两个点Fi与Fj的距离，两点距离公式为：
Figure BDA0002542778190000041
连接Fi与Fj，Fi为线段起始点，Fj为线段终点。在线段FiFj右端寻找一个控制点Fn，判断线段FiFn与线段FjFn长度之和是否为最小值，若为最小值则Fn作为右三角形顶点，构成三角形FnFiFj。记录三角形为Ti{FnFiFj}。
将FnFiFj三点逆时针方向排列，三角形三边分别为FiFn FnFj FjFi，分别寻找边线段右侧控制点，使得控制点到两个线段端点距离和最小，并与两端点连接形成三角形，重复本步，直至三角网形成；
(3)计算Ti中各三角形Ti{Fn(Xn，Yn)，Fi(Xi，Yi)Fj(Xj，Yj)}外接圆圆心，记为Oi(xi，yi)，形成点集O＝{O1，O2，O3…On}，已知三角形三个顶点坐标Fn(Xn，Yn)，Fi(Xi，Yi)Fj(Xj，Yj)，其外接圆圆心计算公式为：
Figure BDA0002542778190000042
其中
Figure BDA0002542778190000051
(4)遍历三角形集合，寻找三角形Ti相邻的三个三角形Ta，Tb，Tc(与Ti共边的三个三角形)并记录其外接圆圆心Oa，Ob，Oc，将Oi与Oa，Ob，Oc分别相连，形成泰森多边形边界；若某三角形某条边界没有扩展三角形，则计算该边中垂线射线(不穿过三角形)与待分析区域边界交点Zi，并与该三角形外心连接。直到所有外心均相连，泰森多边形建立完毕，如图3所示；使得所有单元(泰森多边形)均包含参考地物(林地)。
步骤二、优化参考地物单元，使优化后的各参考地物单元内参考地物面积在设定阈值范围内；
步骤三、按单元数据处理：
获取待分析区域的两期归一化植被指数NDVI数据，如图2所示，获取各参考地物单元内每类生态空间的两期NDVI的差值ΔNDVIn，根据该差值ΔNDVIn求取生态空间内该差值的均值
Figure BDA0002542778190000052
并求取各参考地物单元内每类生态空间的所述均值
Figure BDA0002542778190000053
与生态空间内参考地物的所述均值的差值ΔNNUM，并对该差值ΔNNUM归一化处理，获得归一化差值NDVINOR；
步骤四、计算归一化差值NDVINOR基于待分析区域内相同生态空间的均值，该均值为
Figure BDA0002542778190000054
步骤五、
Figure BDA0002542778190000055
用于表示人类影响度，
Figure BDA0002542778190000056
为0表示该生态空间不受人类影响，
Figure BDA0002542778190000057
为负数则表示人类对该生态空间造成消极影响，
Figure BDA0002542778190000058
为正数表示人类对该生态空间造成积极影响。
根据待分析区域的实际情况，也可选择其他地物作为参考地物，选择的宗旨就是区域内的参考地物应受人为影响最少。
一般情况下，划分出的参考地物单元包含参考地物面积大小不一，为了使参考地物单元内参考地物面积差距相对较小，对单元进行优化，本实施方式的S2进行优化的方法为：
计算各单元内包含参考地物面积的整体均值，将均值设为阈值，判断若某单元内参考地物面积小于阈值则与临近单元合并，参考地物面积均值计算公式：
Figure BDA0002542778190000059
式中SFi为各单元参考地物(林地)的面积，n为单元的个数，SFi的计算公式为：
SFi＝P×NP
式中P为像元面积，NP为单元内参考地物像元数目。
本实施方式的S3包括：
优化后的参考地物单元的编号为：
NUM＝NUMT×100+NUMF
式中，NUM为按参考地物单元及土地利用类型对各生态空间的编号，NUMT为优化后参考地物单元编号，NUMF为生态空间编号；
统计每个NUM编号的生态空间中包含的栅格像元个数VOUNTNUM，统计待分析区域内相同生态空间的栅格像元个数COUNTF；
求各参考地物单元内每类生态空间的两期NDVI的逐栅格差值ΔNDVIn，为：
ΔNDVIn＝NDVIni-NDVInj
式中，NDVIni为第n个栅格第i期NDVI数据，NDVInj为第n个栅格第j期NDVI数据，n的取值为1至COUNTNUM；
对各参考地物单元中每类生态空间中NDVI差值计算均值，为：
Figure BDA0002542778190000061
式中，n为该生态空间内一共包含的栅格数目；
本实施方式以林地为参考地物，即将林地NDVI均值作为基准值，在同一参考地物单元内，各生态空间的
Figure BDA0002542778190000062
与参考地物的NDVI差值的均值
Figure BDA0002542778190000063
做差值计算，为：
Figure BDA0002542778190000064
对差值ΔNNUM进行归一化处理，归一化差值为：
Figure BDA0002542778190000065
式中，max{ΔNNUM}表示差值ΔNNUM中最大值，归一化后，NDVINOR的范围为[-1，1]；
计算归一化差值NDVINOR基于相同生态空间NUMF的平均值，为：
Figure BDA0002542778190000066
本实施方式的参考地物为林地，即视林地受人类影响度为0，其他生态空间受人类影响程度在此基础上评价；最终逐单元归一化结果与整体归一化结果均在[-1，1]区间内，结果为0则表示该生态空间不受人类影响，结果为负数则表示人类对该生态空间造成消极影响，其具体影响方面可能为植被减少、环境污染等；结果为正数则表示人类对该生态空间造成积极影响，其具体影响方面可能为植被增加、作物增加、环境改善等；
本实施方式按方法产生结果进行整体分级，首先判断所有生态空间归一化差值最大绝对值量，然后按三级分级，分别为：人类影响度大、人类影响度中、人类影响度小，进而根据归一化差值正负与0值分为七个等级，即：人类负面影响度大、人类负面影响度中、人类负面影响度小、不受人类影响、人类正面影响度小、人类正面影响度中、人类正面影响度大。
当
Figure BDA0002542778190000071
人类对相应生态空间的负面影响度为大；
当
Figure BDA0002542778190000072
人类对相应生态空间的负面影响度为中等；
当
Figure BDA0002542778190000073
人类对相应生态空间的负面影响度为小；
当
Figure BDA0002542778190000074
相应生态空间不受人类影响；
当
Figure BDA0002542778190000075
人类对相应生态空间的正面影响度为小；
当
Figure BDA0002542778190000076
人类对相应生态空间的正面影响度为中等；
当
Figure BDA0002542778190000077
人类对相应生态空间的正面影响度为大。
本实施方式与现有技术相比，提供了一种综合地理学思想与空间分析方法的易对应解释和实践操作方法，通过选择参考地物、划分单元进行逐单元对比分析后，再进行整体生态空间人类影响度评价与获取，操作简单且结果具有科学性，应用方面广泛
本实施方式根据上述方法提供具体实施例，其中共有耕地、林地、草地、湿地、城镇、荒漠六种土地利用类型，林地为参考地物，其NDVI归一化差值的平均值为0，即结果为不受人类影响，占整体待分析区域面积比为30.39％；耕地NDVI归一化差值的平均值为0.113，结果为受人类正面影响度大，荒漠NDVI归一化差值的平均值为0.156，结果为受人类正面影响度大，即人类正面影响度大区域占整体待分析区域面积比为7.79％；草地NDVI归一化差值的平均值为0.010，结果为受人类正面影响度小，湿地NDVI归一化差值的平均值为0.031，结果为受人类正面影响度小，即人类正面影响度小区域占整体待分析区域面积比为61.47％；城镇NDVI归一化差值的平均值为-0.065，结果为受人类负面影响度小，即人类负面影响度小区域占待分析区域面积比为0.35％；人类负面影响程度中、人类负面影响程度大、人类正面影响程度中区域占比均为0，如图5所示。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (4)

1.一种生态空间的人类影响度获取方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、在待分析区域内划分参考地物单元：
以各参考地物区域的质心作为控制点，建立各参考地物的泰森多边形，泰森多边形的区域作为参考地物单元；
S2、优化参考地物单元，使优化后的各参考地物单元内参考地物面积在设定阈值范围内；
S3、获取待分析区域的两期归一化植被指数NDVI数据，获取各参考地物单元内每类生态空间的两期NDVI的差值ΔNDVIn，根据该差值ΔNDVIn求取生态空间内该差值的均值
Figure FDA0003781218450000011
并求取各参考地物单元内每类生态空间的所述均值
Figure FDA0003781218450000012
与生态空间内参考地物的所述均值的差值ΔNNUM，并对该差值ΔNNUM归一化处理，获得归一化差值NDVINOR，计算归一化差值NDVINOR基于待分析区域内相同生态空间的均值，该均值为
Figure FDA0003781218450000013
Figure FDA0003781218450000014
用于表示人类影响度，
Figure FDA0003781218450000015
为0表示该生态空间不受人类影响，
Figure FDA0003781218450000016
为负数则表示人类对该生态空间造成消极影响，
Figure FDA0003781218450000017
为正数表示人类对该生态空间造成积极影响；
所述S3包括：优化后的参考地物单元的编号为：
NUM＝NUMT×100+NUMF
式中，NUM为按参考地物单元及土地利用类型对各生态空间的编号，NUMT为优化后参考地物单元编号，NUMF为生态空间编号；
统计每个NUM编号的生态空间中包含的栅格像元个数COUNTNUM，统计待分析区域内相同生态空间的栅格像元个数COUNTF；
求各参考地物单元内每类生态空间的两期NDVI的差值ΔNDVIn，为：
ΔNDVIn＝NDVIni-NDVInj
式中，NDVIni为第n个栅格第i期NDVI数据，NDVInj为第n个栅格第j期NDVI数据，n的取值为1至COUNTNUM；
对各参考地物单元中每类生态空间中NDVI差值计算均值，为：
Figure FDA0003781218450000018
式中，n为该生态空间内一共包含的栅格数目；
在同一参考地物单元内，各生态空间的
Figure FDA0003781218450000019
与参考地物的NDVI差值的均值
Figure FDA00037812184500000110
做差值计算，为：
Figure FDA0003781218450000021
对差值ΔNNUM进行归一化处理，归一化差值为：
Figure FDA0003781218450000022
式中，max{ΔNNUM}表示差值ΔNNUM中最大值，归一化后，NDVINOR的范围为[-1，1]；
计算归一化差值NDVINOR基于相同生态空间NUMF的平均值，为：
Figure FDA0003781218450000023
2.根据权利要求1所述的生态空间的人类影响度获取方法，其特征在于，所述参考地物为林地。
3.根据权利要求1所述的生态空间的人类影响度获取方法，其特征在于，所述S2包括：
计算各参考地物单元内包含参考地物面积的整体均值，将该均值设为阈值，判断若某参考地物单元内参考地物面积小于阈值则与临近单元合并。
4.根据权利要求1所述的生态空间的人类影响度获取方法，其特征在于，所述S3中，还包括根据
Figure FDA0003781218450000024
进行人类影响度判断：
当
Figure FDA0003781218450000025
人类对相应生态空间的负面影响度为大；
当
Figure FDA0003781218450000026
人类对相应生态空间的负面影响度为中等；
当
Figure FDA0003781218450000027
人类对相应生态空间的负面影响度为小；
当
Figure FDA0003781218450000028
相应生态空间不受人类影响；
当
Figure FDA0003781218450000029
人类对相应生态空间的正面影响度为小；
当
Figure FDA00037812184500000210
人类对相应生态空间的正面影响度为中等；
当
Figure FDA00037812184500000211
人类对相应生态空间的正面影响度为大。
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