一种时空动态农业活动生命周期环境影响评估方法及在线平台系统与流程

本申请涉及一种时空动态农业活动生命周期环境影响评估方法及系统。

背景技术：

生命周期环境影响评估(lifecycleassessment(lca))方法是可持续发展评估体系的最重要基础方法学之一，被欧盟委员会认定为“评估现有产品的潜在环境影响的最佳框架”。产品环境足迹，碳足迹，水足迹等概念均是建立在lca方法学之上。相比欧美发达国家，国内较少利用lca方法学进行农业生产综合利用环境影响评估。这很大一部分归因于国内相关数据清单(lifecycleinventory(lci))的缺失。目前背景lci数据基本都为欧美国家所囊括。

由于农业系统具有高度空间敏感性，因此标准lca中的“单位世界”假设常常受到质疑与挑战。在lci阶段，农业活动所在地理位置及其生物物理特性均对生产活动最终排放路径，排放量等造成影响。在环境影响评估(lifecycleimpactassessment(环境影响评估))过程，与场地相关的环境影响类别，如酸化和富营养化，用标准的空间非异质型的环境影响评估方法容易误导评价结果。目前，空间技术例如遥感，gis技术，以及智慧农业在lca方法中应用并不广泛，只有少许国外学者提出理论框架，国内无一实际应用。

目前lca评估模型具体应用多停留在静态归因分析阶段，鲜有对不同生产方式环境影响进行动态分析，亦不考虑不同系统角色之间的时空交互及其行为结果对于环境影响的分析。角色建模(agent-basedmodeling，abm)可整合动态lci清单建立，在多时空上量化不同用户生产模式对环境的直接及间接影响。

综上，现有国内农业背景lci数据亟需建立，标准lca技术方法利用于农业系统缺乏时空异质型考量，无法结合用户行为动态变化，传统数据收集方法亦无法精确收集农业生产活动相关数据，在指导减排政策制定及减排措施实施中存在欠缺。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本申请一方面公开了一种时空动态农业活动生命周期环境影响评估方法，包括如下步骤：

获取背景环境数据以及环境拓扑结构；

获取现有的活动排放数据，基于环境拓扑结构模拟排放数据，通过行为角色建模预测不同角色之间的行为交互对于活动排放数据的影响；

将环境影响种类分为空间非异质型和空间异质型两种类型，对获得的活动排放数据分别进行评估得到评估结果；

对评估结果进行分析得到分析改进方法。

优选的，对于所述评估结果分别进行热点分析、不确定性分析以及时空分析得到减排热点。

优选的，所述背景环境数据包括基础地理、水文、景观、土地利用、植被、土壤、气候气象以及利用遥感数据绘制调研区域的土地利用类型图，所述土地利用类型图中包括林地、草地和农田盖度；所述环境拓扑结构包括排放类的环境拓扑结构及影响类的环境拓扑结构。

优选的，空间异质型的排放量通过土地利用类型及背景环境拓扑结构来确定；将收集的初级活动数据映射于不同背景的环境拓扑结构当中，根据其所在生物物理环境属性展开空间异质型的农业排放数据建模。

优选的，通过传统入户调研、统计数据来源、文献整理、智慧农业技术方式建立初级活动数据：在每一时间段开始节点展开调研场所的农户数据收集及整理记录；对于传统手段无法精确收集之活动数据，通过智慧农业手段进行活动数据收集；所述传统手段无法精确收集之活动数据为水资源、牧草地资源；

通过角色建模预测减排手段对于不同角色活动数据之影响：根据本时间段之分析改进方法在农户中开展减排措施，通过角色建模模型预测下一时间节点之数据，通过新一期实地调研以及智慧农业数据展开角色建模验证，识别对于减排推广有效的行为交互模式；同时验证上一期之减排成果，进行减排措施有效性分析；

将所有时间段所收集并验证之活动数据及其空间异质型排放数据进行整理并建立时空动态生命周期环境影响评估清单数据库。

优选的，所述空间非异质型为环境影响机理及评估分析不会由于其所对应不同空间位置而产生不同结果的类型；所述空间异质型为环境影响机理及评估分析会由于其所对应不同空间位置而产生不同结果的类型。

优选的，对于空间非异质型按照标准环境影响评估进行环境影响评估。

对于空间异质型引入空间变量并完成清单及环境影响评估空间映射完成；

时间动态评估中，根据环境影响评估的标准评估公式中的技术矩阵实现。

优选的，对评估结果进行分析采用热点分析、不确定性分析以及时空分析。

优选的，所述热点分析通过生命周期环境影响结果热点分析获取各单位生产过程的相对环境影响，识别产生较多排放或消耗较多资源之生产过程，从而识别最佳减排环节；

所述不确定性分析对于情景不确定性通过敏感性分析展开关键技术决定的不确定性分析；对于参数不确定性通过蒙特卡洛分析展开模拟；

所述时空分析对于不同时间段的环境影响进行时间序列分析，验证上一期之减排成果，并识别环境影响动态变化机理，同时通过空间聚类分析统计方法对空间异质型结果进行对比分析，结合角色建模从空间角度解释不同用户之间行为交互环境影响。

另一方面，还公开了一种农业活动生命周期环境影响评估在线平台系统，包括：

数据获取模块，用于获取背景环境数据以及环境拓扑结构；

分析模块，获取现有的活动排放数据，基于环境拓扑结构模拟排放数据，通过行为角色建模预测不同角色之间的行为交互对于活动排放数据的影响；

评估模块，将获得的活动排放数据根据其对应的环境影响类别是否受到空间位置的影响，分为空间非异质型和空间异质型两种类型分别进行评估得到评估结果；

建议模块，对评估结果进行分析得到分析改进方法；

展示平台，用于汇集数据获取模块，分析模块，评估模块，建议模块的数据并进行展示。

总之，本申请解决了如下问题：

i.解决lci清单数据缺失，尤其是时空动态lci数据收集/模拟问题。

本申请通过利用遥感，gis技术建立背景环境拓扑结构，此结构结合土地利用类型决定生产相关排放机制，排放路径、排放区间、及排放量。利用传统调研方法、结合新型智慧农业技术手段收集第一手时空异质型lci数据资料，同时利用abm进行时空动态用户生产行为交互模拟。

ii.解决时空动态lcia环境影响评估计算问题。

时间动态lcia通过引入时间变量及改变评估系统维度完成。对于空间非异质型的环境影响类别按照标准lcia展开计算，对于空间异质型的环境影响类别则引入空间变量并完成清单及环境影响评估空间映射完成。

iii.解决通过分析时空动态环境影响评估结果来科学设定减排机制并验证减排成果问题。

通过时空序列、空间聚类分析等统计方法对不同时间段(例如季节/年份)、不同地理位置的环境影响结果进行对比，从时间及空间角度解释调研系统的环境影响变化机理。通过贡献值、热点分析揭露每一时段减排热点，制定减排政策后通过abm进行减排行为模拟，对于后一时间段的环境影响结果将用来验证上一时间段的减排成果。

iv.建立农业生产相关的“数据-分析-报告-监测”环境影响评估一体化平台系统。

本申请将整合所有数据收集、模拟、验证、监测、计算、分析过程建立网上平台，进一步推广时空动态lca评估体系在农业系统及其他行业的应用。

本申请能够带来如下有益效果：

1.本申请综合利用遥感数据，gis技术构建背景环境拓扑结构，利用实地调研及智慧农业技术收集初级活动数据、abm模拟行为数据实现时空动态lci数据库建立，利用gis等计算机程序实现空间异质化的环境影响评估计算模型建立，通过时空序列，空间聚类等方法对影响结果进行分析，最终实现整合行为及时空变量的动态生命周期环境影响评估模型，以用于指导减排政策及减排措施并验证减排成果；

2.通过在线平台建立，可动态监测及评估农业资源利用及污染排放，有助于发现目前存在的问题，提出针对性的政策建议，提高地方部门的管理水平和效率，为农业生态建设提供科技支撑。建立农业生产相关的“数据-分析-报告-监测”一体化平台系统，从而帮助我国继续实现粮食安全的前提下推进农业可持续监测及评估体系发展。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请的第一个实施例的示意图；

图2为本申请的第二个实施例的示意图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本申请进行详细阐述。

在第一个实施例中，一种时空动态农业活动生命周期环境影响评估方法，本申请基于遥感、gis、智慧农业、abm等技术手段收集时空异质型lci清单数据并对其展开时空异质型lcia环境影响评估，对其结果进行统计分析以用于减排指导，最终建立“数据-分析-报告-监测”环境影响评估一体化平台系统。

本申请的总体步骤如图1所示，具体的操作步骤如下：

s11.背景环境数据收集及环境拓扑结构建立。包括获取背景环境之生物物理特性因子，建立环境拓扑结构。

s1101.根据背景调研区域内通量塔、气象站、水文站等数据构建背景环境数据库，包含日均、最小及最高温度、相对湿度、辐射、降水、风向、风速、地表温度、土壤种类、土壤含氮量、土壤含水量、土壤温度、地表水、地下水、水质、大气含氮量、pm指数、植被种类、植被盖度等参数。对背景数据进行必要数据及图层处理以作为时空差异性背景环境数据。

s1102.绘制背景区域(30m)的土地利用类型图。国内已有的分类产品有可以提供100m尺度的植被盖度，包括林地、草地和农田盖度。在空间异质型lca中，由于背景环境不同，将造成不同的排放机制及环境影响机制。通过gis技术将背景区域按照由s1101获取的生物物理特性区分为具有相同环境拓扑结构的不同子区域，包括排放类及影响类的环境拓扑结构，时空异质型的排放量将通过结合土地利用类型及背景环境拓扑结构来决定。

s12.行为及时空差异性的生产活动数据收集及排放数据模拟。包括通过实地调研以及智慧农业技术获取每一时间段实际生产活动数据。通过s11背景环境拓扑结构进行空间差异性的排放类数据模拟。通过abm预测不同角色之间的行为交互对于生产活动数据之影响。最终建立时空动态lci。

s1201.根据s11土地利用类型及背景环境拓扑结构来模拟时空异质型的排放量。将收集的初级活动数据映射于不同背景环境拓扑结构，根据其所在生物物理环境属性展开空间异质型的农业排放数据模拟。

s1202.通过传统入户调研、统计数据来源、文献整理、智慧农业技术等方式建立初级活动数据。在每一时间段开始节点展开调研场所的农户数据收集及整理记录。对于传统手段无法精确收集之活动数据，如水资源，牧草地等资源消耗则通过智慧农业如作物耗水智能监测，牲畜gps追踪定位系统，无人机监测等收集数据。

s1203.通过abm预测政策/技术等减排手段对于不同角色活动数据之影响。根据本时间段之减排建议在农户中开展减排措施(s1404)，通过abm模型预测下一时间节点之行为模式/活动数据，再通过新一期实地调研/智慧农业数据(s1202)展开abm验证，识别对于减排推广有效的行为交互模式。同时验证上一期之减排成果，进行减排措施有效性分析。

s1204将所有时间段所收集并验证之活动数据及其空间异质型排放数据进行整理并建立时空动态lci数据库。按照ecospold开源数据交换格式进行数据录入及保存。针对空间异质型的lci数据，按照ecoinvent对于地理信息的数据格式来执行，其中地理位置数据包含在xml文件(ecospold2格式)中的kml格式中。所有数据将通过sqlite方式进行储存及管理，为后续软件平台建立数据库基础。

s13.针对清单数据展开时间以及空间异质型环境影响评估。不同时间段的动态评估引入时间变量并通过改变评估系统维度完成。空间评估按照环境影响类别进行分别计算，一为空间非异质型的环境影响类别(即此类环境影响机理及评估分析不会由于其所对应的消耗/排放数据的空间位置而产生不同结果)，二为空间异质型的环境影响类别(即此类环境影响机理及评估分析会由于其所对应的消耗/排放数据的空间位置而产生不同结果)：

s1301.对于空间非异质型的环境影响类别(如温室气体效应、光化学污染、非生物质能源及化石能源消耗)按照标准lcia进行环境影响评估：评估公式使用标准lca计算公式：h＝c□g＝c(b□(a^-1f))；

其中h为最终环境影响的影响结果向量j×1，j代表非空间异质型的环境影响种类数目，c为排放系数特征因子矩阵j×m，g为最终lci排放向量m×1，g进一步由b□(a^-1f)决定，其中b为环境矩阵m×n，a为技术矩阵n×n，f为技术需求向量n×1。

s1302.对于空间异质型的环境影响类别(如酸化、富营养化、水资源缺失、土地资源利用及生物多样性变化、生态毒性、人体毒性、可吸入颗粒物)进行空间异质型环境影响评估：引入空间变量后的评估公式为hsp(x)，i＝csp，i□g＝mgr^tg；

其中hsp(x)，i为第i类环境影响(如酸化)位于地理位置sp(x)之影响结果向量q×1，g为最终lci排放向量m×1，csp，i扩展为mgr^t，其中r为已经空间化(即环境影响类别i在特定空间单元中)的排放系数特征因子矩阵n×q，n为该类环境影响类别所取空间单元数，q为基础物质流，m为清单数据空间映射矩阵(即若g发生在活动清单空间位置，m中对应值为1，否则赋值为0)m×p，m为所有活动清单总数，p为活动清单所取的空间单元数，由于不同活动m可以发生在同一空间地点，需满足p小于或等于m。g为活动清单与环境影响类别i之间的空间映射矩阵p×n，可通过基于局部曲面加权将清单数据与其特征因子进行空间重叠进行计算。

s1303.在时间/生产系统变化的动态评估中，通过改变s1301标准评估公式中的技术矩阵a实现。在标准静态评估中，a技术矩阵的维度是n×n，代表其中有n项与我们评估系统相关的生产活动参与，而动态评估中由于生产系统变化，a的维度改变为s□s，其中s可大于或者小于n，取决于例如减排活动导致哪些直接及间接生产活动的更改。这一部分动态数据首先由模拟减排行为的abm获取，然后在后一时间段通过实测数据代替并验证减排成果。

s14.对环境评估结果展开热点分析、不确定性分析、及时空分析。通过热点分析识别减排热点，不确定性分析识别数据质量问题并于下一期改进，时间序列及空间聚类统计方法则揭示环境变化机理及生产活动空间互动机理。

s1401.贡献值及环境热点分析：通过生命周期环境影响结果热点分析获取各单位生产过程的相对环境影响，识别产生较多排放/消耗较多资源之生产过程，从而识别最佳减排环节。

s1402敏感性及不确定性分析：针对情景不确定性(假设相关)通过敏感性分析展开关键技术决定的不确定性分析。针对参数不确定性(数据相关)通过蒙特卡洛分析展开模拟。

s1403.环境影响结果时间序列及空间分析：对于不同时间段的环境影响进行时间序列分析，验证上一期之减排成果，并识别环境影响动态变化机理。同时通过空间聚类分析等统计方法对空间异质型结果进行对比分析，结合abm结果从空间角度解释不同用户之间行为交互及其环境影响。

s1404识别本期减排热点并建议指导生产活动优化行为：对热点分析所展示的减排点展开可行性分析并排序，综合选取减排效应及可行性较高的减排点指导农户开展政策/技术/行为层面减排。

当然，本申请还可以整合lci数据库、时空异质型lca及结果分析，汇编为最终集案例展示，数据输入及分析，报告及建议一体化的在线平台。结合实际案例巡演推进应用到其他生产消费系统。选取迭代模型作为软件开发生命周期，其与此项目周期以及lca迭代周期相对应。软件开发过程将从每一个需求子集s11/12/13/14的简单实现开始，并迭代增强不断发展的版本，直到整个系统实现目标功能。整个平台需求区分为几个模块，分别为背景环境数据s11储存及读取，时空异质型lci数据s12储存及读取，其他lci数据库链接及用户自行定义活动数据输入，环境影响模型储存及读取及lcia矩阵计算s13，以及结果分析及可视化s14。这些子模块将按照前序任务的完成进度同时分开构建。每个子模块完成设计、实现和测试阶段，模块的后续版本都会在先前版本的基础上添加功能，并一直持续到整个平台系统完成整合。平台发布后亦会按照系统要求定期完成维护，直到终结使用或被取代。

在第二个实施例中，一种时空动态农业活动生命周期环境影响评估在线平台系统，包括：数据获取模块21，用于获取背景环境数据以及环境拓扑结构；分析模块22，获取现有的活动排放数据，基于环境拓扑结构模拟排放数据，通过行为角色建模预测不同角色之间的行为交互对于活动排放数据的影响；评估模块23，将获得的活动排放数据根据是否受到空间位置的影响，分为空间非异质型和空间异质型两种类型分别进行评估得到评估结果；建议模块24，对评估结果进行分析得到分析改进方法；展示平台25，用于汇集数据获取模块21，分析模块22，评估模块23，分析模块24的数据并进行展示。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。