一种基于最小费用距离模型的城市生态网络构建方法与流程

本发明涉及生态网络构建技术领域，特别是涉及一种城市网络的构建方法。

背景技术：

最小费用距离是网络分析的一种计算方法，这种方法被用于物种保护、自然保护区功能规划、动物栖息地的确定、区域生态安全格局设计、土地和景观利用格局，以及城市绿地建设规划等方面。该模型能够测定多种空间运动过程，它实质上反映了异质景观对某种空间运动过程的综合阻力。

随着城市化的进程加快，城市扩大导致植被、绿地被侵占或者破碎化，由此带来的直接后果就是物种栖息地的丧失，生物多样性程度降低。生态廊道最主要的功能是提供生物迁徙的通道，为物种在不同的栖息地之间迁移提供场所，对自然和基因的流动意义重大。另外，生态廊道还具备净化污染物、防止水土流失等生态服务功能。近年来规划编制人员和环境保护工作者逐渐重视生物多样性的保护，在研究和制定相关规划时，将保护物种栖息地放在重要的位置，把一些重要的生态服务功能区域列为禁止开发区。随着时间的推移，研究人员意识到仅仅保护栖息地是不够，这种方式虽然保存了部分生境，但客观上都变成了一个个单独的生态孤岛，不同栖息地之间物种群落难以维持正常的物质和能量的流通，物种多样性保持的效果有限，生态廊道在物种保持中的作用不容忽视。虽然人们已经认识到了通过建立生态廊道来构建和完善生态网络的重要性，目前生态廊道识别与提取的方法主要有模拟与分析生态网络特性的EcoNet软件，使用Matlab语言开发的生态网络分析软件，另外还有Ecopath、Wand软件等方式，但是这些软件获取困难、成本较高，或者操作复杂。

技术实现要素：

基于现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于最小费用距离模型的城市生态网络构建方法，利用基于栅格数据的最短路径算法，实现简单易用的生态廊道识别与提取的方法。

本发明公开了一种基于最小费用距离模型的城市生态网络构建方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、依据所拍摄的土地遥感图像进行土地类型分类，确定每种土地类型对应的阻力面的阻力值，选择生态节点，根据生态节点数据将土地进行重新分类，将阻力值作为最小费用距离模型中阻力栅格的单元值，生成阻力栅格；

步骤2、在最小费用距离模型中，先确定作为源点的生态节点建立源栅格，同时根据不同景观的阻力值建立阻力栅格，然后基于源栅格与阻力栅格这两个图层，利用GIS软件的空间分析最小距离模块，循环计算每两个生态节点之间的最小费用距离；直至获得费用距离栅格，利用ARCGIS空间分析工具将最小费用距离栅格转为最小费用距离矢量，根据土地利用分类数据生成景观阻力面，用最小费用距离栅格生成最小费用路径；

步骤3、分别提取每两个生态节点间的最小费用距离后，模拟出两个生态节点之间的生态廊道，在ARCGIS空间模型构建器中集成为一个模块，并且利用多个生态廊道构建城市生态网络。

与现有技术相比，本发明利用最小费用距离模型构建生态廊道所需的计算量更小，适用于更大范围的生态网络构建。

附图说明

图1为本发明的城市生态廊道的构建方法流程图；

图2为具体实施例的某市楼土地利用分类视图；

图3为具体实施例的某市生态节点的分布图；

图4为具体实施例的某市的阻力栅格模拟视图；

图5为具体实施例的某市两个生态节点间最小费用路径图；

图6为具体实施例的构建的生态网络模拟视图；

图7为具体实施例的优化生态网络模拟视图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明的一种基于最小费用距离模型的城市生态网络构建方法流程图。该流程具体描述如下：

步骤1、进行数据准备：依据所拍摄的土地遥感图像进行土地类型分类，确定每种土地类型对应的阻力面的阻力值，选择生态节点，根据生态节点数据将土地进行重新分类，将阻力值作为最小费用距离模型中阻力栅格的单元值，生成阻力栅格；

步骤2、利用GIS软件的空间分析最小距离模块，计算每两个生态节点之间的最小费用距离；

最小费用距离模型介绍如下：

最小费用距离方程基于图论原理，可以表示每个栅格单元距最近源点的最小累积费用距离，目的是用来识别与选取功能源点之间的最小费用方向和路径。其算法采用节点/链接的表示方式，即每个单元的中心被认为是一个节点，每个节点与相邻节点之间通过“链接”来联系，每个“链接”被赋予一个阻抗值。如果从单元i前往4个直接相邻单元i+1，其费用距离为所在单元与前往单元阻力系数总和的一半，即：

N_i+1＝N_i+(r_i+r_i+1)/2

式中：N_i和r_i分别为所在单元i的累积费用和阻力系数；r_i和r_i+1分别为前往单元i+1的累积费用和阻力系数。

由于模型基于一个八邻单元结构，因此要考虑生物体有时作对角运动。如果从单元i前往4个对角相邻的单元，其费用距离的计算公式如下：

$N_{i+1}=N_i+\sqrt{2}(r_i+r_{i+1})/2$

在最小费用距离模型中，先确定源点建立源栅格，同时根据不同景观的景观阻力系数建立阻力栅格，然后基于源栅格与阻力栅格2个图层，利用GIS软件中空间分析的费用距离模块循环计算，获得费用距离栅格，最后根据费用距离栅格生成景观阻力面(resistancesur-face)和最小费用路径(leas-tcostpath)。阻力面是指生物体运动的潜在可能性及趋势。最小费用路径指生物体在源与目标斑块之间迁徙时具有最大生存几率的生态廊道；

步骤3、分别提取每两个生态节点间的最小费用距离后，模拟出两个生态节点之间的生态廊道，在ARCGIS空间模型构建器中集成为一个模块，并且利用多个生态廊道构建城市生态网络。

以某市生态廊道及网络的构建为例，说明利用最小费用距离模型构建城市生态网络的具体过程。下面以某市城市生态网络的构建为例，进行说明。

首先，将下载的TM卫星数据在ENVI遥感图像处理软件中进行土地类型分类如图2所示，把研究区土地类型分为4类，林地、建成区、水域、农田；

利用GIS空间分析工具，提取生态功能较好、面积较大的区域(绿地斑块和水域)作为生态节点数据，如图3所示。根据生态节点数据将土地进行重分类，生成阻力栅格面，如图4所示。

模拟两个生态节点之间的廊道，在ARCGIS模型构建器中创建模型,在空间分析工具中找到计算所需的模块载入模型构建器，设置模型的相关参数，试运行模型，检查模型是否有错误，若无错误提示，表示模型建立完成，如图5所示。

构建由多个廊道组成的生态网络：分别提取每两点间最小费用距离后，构建常见的几种网络如图6所示，其中，网络A是每个节点间都互相连接的原始的环形网络，在该网络中存在许多重复和相互重叠的廊道，需要进一步优化；网络B属于分支网络类型，是简单的树状结构网络，是从一个中心结点出发，生态功能流从中心节点到达其它节点的网络，是一种到达每个节点的流被等级瓜分的等级网络。网络C、D属于形成闭合回路的环形网络，这种网络中各节点之间实现最佳平衡状态。

在实际研究和工作中，提取生态廊道和构建生态网络往往需要处理的数据量较大，选择的节点可能会根据研究区面积的大小，也会有较大的变化，因此本发明中也支持ARCGIS自带的模块批处理功能，可以加载所有需要识别和提取廊道的节点数据，完成计算，如图7所示。