专利名称：一种城市生态系统调控技术的制作方法
技术领域：
本发明属于城市生态学和环境科学领域，该技术对城市生态系统景观格局各种组 分进行多尺度转换，分析各种景观组分动态变化格局，从而监测和评价城市生态系统，并对 城市生态系统进行调控，该技术广泛应用于城市生态系统管理、监测、评价和调控领域。本发明是一种基于多尺度变换的城市生态系统调控技术，在城市不同发展阶段、 城市景观类型划分不同的情况下利用城市景观格局指数及滑箱大小尺度的变化客观反映 不同城市在发展过程中景观变化规律，具有针对性和普适性特点，为城市生态系统管理和 决策提供科学的规划依据。
背景技术：
随着全球城市化过程的加速，城市化在全球、区域及地方尺度都对生态环境造成 了巨大影响。2008年底我国城市化水平已达45%，根据预测到2020年我国城市化水平将 达到55%。由于受户籍政策、就业机会等方面的制约，我国城市化与发达国家城市化过程表 现出不同的模式，农村人口到大城市工作但没有迁移到大城市中。目前，我国城市化过程仍 在加速中，城市扩展对建成区、边缘地带及农村区域都产生了深刻影响，促进了城市周围自 然景观向人文景观的转变。孔隙度指数起源于分维几何学，作用是定量描述固体物质中孔隙的几何结构和分 布。1993年Plotnick等人首次将孔隙度概念和方法引入到景观生态学中，并用来度量景观 异质性。孔隙度是对景观质地的间隙特征及分布的一种度量，具有均勻间隙的同质景观其 孔隙度值较低，而具有间隙差异显著的异质景观的孔隙度则较高。孔隙度指数作为衡量景 观组分在空间分布均勻程度的指标，反映了组分间孔隙大小的变化范围。当组分在空间上 均勻分布，空隙间差异小，孔隙度小；当组分在空间上分布极不均勻，空隙的变化范围大，孔 隙度大。在一个给定的尺度下，孔隙度指数能反映出同一景观区域内不同采样点间相似性 或差异性程度。低孔隙度表明景观是接近同质的，组分的分布的差异在空间上变化平缓，组 分间空隙大小基本相等。孔隙度指数高表明景观的异质性程度高，组分的分布在空间上变 化急剧，组分间空隙有较大变化范围。然而，景观的异质性受尺度影响，在小尺度下表现为 高度异质性的景观，在大尺度下可能表现为同质。因此，孔隙度也是一个依赖于尺度的反映 异质性和景观结构的指标。目前，对城市生态系统调控的专利技术很少，主要有生态敏感性分析、风险评价等 方法，缺乏对城市生态系统的动态调控和多尺度调控技术。在检索到的专利技术中，主要 专利技术是微生物对生态调控的的影响，如申请号为92107264. 6，公开号为CN1062074，名 称为对虾弧菌病生态调控饵料添加剂；申请号为92107256. 2，公开号为CN1065882，名称为 对虾孤菌病生态调控孤菌计数剂的配方与生产工艺；申请号为200810017155.0，公开号为 CN101341857，名称为海水池塘对虾生态调控养殖方法。如申请号为03139164. 8，公开号 为CN1582644，名称为一种生态调控水产动物养殖工艺；申请号为200510046166. 8，公开号 为CN1666601，名称为一种利用生态调控在稻田养蟹的方法；申请号为200710020137. 3，公开号为CN101037275，名称为治理天然水体的生物、工程复合生态调控方法。该技术方法通 过遥感图像提取城市生态系统空间数据，并利用孔隙度计算多尺度景观组分的动态变化格 局，从而能监测和判断生态系统中的组分变化。
发明内容
本发明提出利用孔隙度指数实现景观动态变化过程中景观的多尺度转换，从而监 测和评价城市化过程的景观动态时空模式，并对城市生态系统进行调控，建立可持续的城 市发展模式。本发明针对景观具有尺度性的特点，即不同尺度下相同景观呈现规律不一定相 同，改进了目前孔隙度指数的算法，提供了一种更精确、全面且规律性体现更强的“基于多 尺度变换的城市生态系统调控”技术。该技术包括如下三个阶段首先根据全国土地分类方 法和当地实际情况将城市景观合理划分成若干类型，如分为耕地、林地、草地、水体、城市、 农村居民点、独立工矿建设用地、未利用地等类型。然后选择天气状况良好的遥感影像，利 用遥感图像处理及地理信息系统软件对遥感图像进行解译，提取景观类型空间数据。最后 计算每期各种景观组分的孔隙度指数，不同的滑箱尺度对应不同的孔隙度指数曲线。为了 分析各景观要素空间异质性随尺度变化的差异，将不同时期的各种景观要素的孔隙度指数 做出曲线，分析其动态变化规律。该技术针对城市景观结构复杂、景观结构变化深刻的特 点，利用不同景观格局指数时空变化最大程度地反映了城市景观动态变化规律及其尺度效 应，技术广泛适用于城市生态系统调控。本发明特征是建立多尺度变换的城市生态系统调控技术，对城市各种景观类型变 化的尺度转换进行科学定量地分析。在相同滑箱尺度下计算不同时期景观孔隙度指数，比 较城市景观在时间上的变化发展格局，而在不同滑箱尺度下计算相同时期的景观孔隙度指 数则可以反映景观要素空间异质性随尺度变化的差异性。孔隙度指数曲线越平缓，说明此 类景观斑块面积越人，曲线越突出，则表明此类景观类型分布更加零散、斑块面积更小。此 种方法可以通过尺度的变换更好地反映城市增长过程，对于客观反映不同规模的城市扩展 规律具有良好的作用。本发明的目的在于提供一种应用范围广、计量科学准确的基于多尺度变换的城市 生态系统调控技术，以解决现有景观指数无法体现景观异质性在空间上的连续性的不足。 与现有技术相比本发明专利具有以下优点(1)采用多尺度的方法，体现尺度对城市生态系统中景观异质性的影响。对于一个 确定的尺度，采样遍及所研究的景观范围，不受方向、起止位置和边界的影响。(2)在进行城市景观采样时，采样点之间不是完全孤立、毫无联系的，而是有一部 分相互重叠的区域，体现了景观区域内的空间自相关性。(3)虽然城市生态系统中景观组分复杂，但孔隙度指数不受景观组分出现频率的 影响，即使在频率较小的情况下，方法仍然有效。适于分析和研究整个城市区域的景观异质 性，概括性强，并能反映出异质性的等级。孔隙度指数对识别景观结构特征、多尺度格局、景观要素的空间分布及其尺度效 应有显著效果，是判别各种景观格局特征的有效手段。本发明是一种基于多尺度变换的城 市生态系统调控技术，在城市不同发展阶段、城市景观类型划分不同的情况下仍能利用城市景观格局指数及滑箱大小尺度的变化客观反映不同城市在发展过程中景观变化规律，具 有针对性和普适性特点，为城市发展的决策者提供科学的规划依据。
图1给出了技术发明的流程图。1、根据全国土地分类方法和当地实际情况将城市景观合理划分成若干类型，如分 为耕地、林地、草地、水体、城市、农村居民点、独立工矿建设用地、未利用地等类型。2、选择天气状况良好的遥感影像，利用遥感图像处理及地理信息系统软件对遥感 图像进行解译，提取景观类型空间数据。3、数据准备。将城市数据由矢量数据转换为栅格数据，数据格式可以是以0(表示 土地利用类型A)、l(表示土地利用类型B)表示的二进制格式，也可以是以某种土地利用类 型(A或B)在单位面积内所占比例为value值的栅格数据。4、生成感兴趣区域的栅格图层用ArcMap中的Spatial Analyst菜单里的Raster Calculator中的除号运算符“/”进行栅格运算，生成新的栅格图层“Α0Ι”，选择结果图层另 存为 “Grid”。5、计算不同尺度大小的滑箱平均值和标准差。用2X2的滑箱对“Grid”进行重采 样在 ArcToolbox 里选择 Spatial Analyst Tool 中的 Neighborhood，利用其中的 Focal Statistics命令。具体设置如下结果图层命名为“Map Calculation. . . ”Neighborhood 选择 Rectangle，在 Neighborhood Settings 中，Height 和 Width 都填 2，Units 选择 Cell。 在 Statistics type 里选择 SUM。6、计算结果图层(例如“Map Calculation 1”)滑箱内的平均值和标准差选择 “Analysis” 下的 “SmnmarizeZones” 命令，选择将要加和的图层(如 “Map Calculation 1”)；记录下此滑箱尺度下的平均值和标准差。7、将滑箱尺度设定为4、8、16、32、64、128和256 (即将Height和Width处的2,2 改成4，4、8，8等)，重复步骤3和4或者景观维度的1/2，即最小(行，列)/2。8、计算孔隙度指数并生成孔隙度曲线。在电子表格软件(如Excel)中计算孔隙 度指数并生成孔隙度指数曲线将每个滑箱尺度下的平均值和标准差导出或复制到一个 Excel表格中；计算每个滑箱尺度下的孔隙度指数值，公式为孔隙度指数=1+标准差7平 均值2 ；用In (孔隙度)和In (滑箱尺度)的点值生成孔隙度曲线。
具体实施例方式以下结合附图详细说明本发明的工作原理和实施方式。本发明所述一种基于多尺度变换的城市生态系统调控技术，目的是强化尺度效应 在城市景观动态变化中的作用，从而监测和评价城市生态系统，并对城市生态系统进行调 控，该技术广泛应用于城市生态系统管理、监测、评价和调控领域。实施例1以某城市1990 2005年间的城镇用地孔隙度指数变化图为例。通过遥感图像提 取某城市1990、1995、2000和2005年土地利用空间数据。然后利用孔隙度指数计算不同年 份城市用地、耕地、居民点用地等的多尺度孔隙度指数，并绘制曲线。从城市用地的孔隙度指数变化可以看出(图1)，当滑箱边长为1个像元时，1990年的孔隙度指数显著高于其它 年份，1995年和2000年的差别不大，这是因为1990-1995年间是城市急剧扩张的时期，而 1995-2000年间城市扩张的速度放慢。从曲线的形态可以看出。在滑箱边长较小时孔隙度 值下降非常缓慢，当滑动框边长大于150个像元时才开始迅速下降，并且快速接近于零。这 表明当滑动框边长小于150个像元时，城镇用地呈明显的聚集分布；曲线在150个像元处出现转折，150个像元为城镇用地的特征尺度。
图21990-2005年城镇用地的空隙度指数
权利要求
一种城市生态系统调控技术，其特征在于利用遥感技术获取城市动态变化过程中空间数据，利用孔隙度指数对城市化过程中景观组分进行变换，通过新的算法能更好地计算出各种景观组分的动态变化格局，从而监测和评价城市生态系统，并对城市生态系统进行调控，该技术具有针对性和普适性特点，为城市生态系统管理和决策提供科学的规划依据。
全文摘要
本发明针对当前城市生态系统调控技术的不足，提供了一种多尺度转换的城市生态系统调控技术，通过孔隙度指数计算方法的改进，对城市景观各种组分进行尺度转换，从而分析城市化过程中景观结构和功能的变化，该技术对城市生态系统进行管理、调控、监测和评价，具有灵活性强、运行成本低等特点，为城市生态系统管理和决策提供科学的规划依据。
文档编号G06F19/00GK101840462SQ20091025984
公开日2010年9月22日 申请日期2009年12月15日 优先权日2009年12月15日
发明者全泉, 杨志峰, 田光进 申请人:北京师范大学