一种流域沼泽湿地空间恢复分析方法与流程

本发明涉及环境恢复方法领域，具体是一种流域沼泽湿地空间恢复分析方法。

背景技术：

沼泽湿地是重要的生态系统，其功能独特性是不可替代的，具有重要的生态、经济和社会价值。近几十年来，全球性的沼泽湿地退化和消失危机引发了严重的生态环境和社会问题，直接威胁到区域、国家乃至全球的可持续发展。自《沼泽湿地公约》缔结以来，国际社会越来越意识到加强沼泽湿地生态优化、沼泽湿地恢复、促进沼泽湿地可持续利用的重要性和迫切性，而且国际社会对沼泽湿地的关注也从最初仅强调沼泽湿地作为水禽栖息地的功能，拓展到沼泽湿地优化、沼泽湿地恢复、沼泽湿地保护及合理利用的各个方面，其中沼泽湿地的优化、恢复与保护成为国际社会关注的热点。因此，结合相关技术实现沼泽湿地恢复，对生态环境的改善具有重要的研究意义和实际价值。目前现有技术对沼泽湿地恢复的研究主要集中在如何创建和实现沼泽湿地的恢复目标上，没有考虑沼泽湿地的功能特征，从沼泽湿地功能特征的角度实现沼泽湿地恢复。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种流域沼泽湿地空间恢复分析方法，以实现对流域内沼泽湿地空间恢复分析。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种流域沼泽湿地空间恢复分析方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、数据采集：

采集流域的tm遥感影像数据、气象数据、流域内土地利用数据、数字高程模型dem数据、食物丰富度植被指数ndvi数据、叶面积指数lai数据、河流及道路矢量数据，其中：

tm遥感影像数据来源于卫星测量；

气象数据来源于气象测量；

流域内土地利用数据为采用面向对象分类的方法，由tm遥感影像数据经人工目视解译得到，并且根据流域内土地利用数据将流域内区域分为林地、草地、沼泽湿地、水体、人工表面、耕地及未利用地共七种类型；

数字高程模型dem数据是1:25万的30米分辨率；食物丰富度植被指数ndvi数据为经过tm遥感影像数据反演得到，反演计算公式为(nir–r)/(nir+r)，其中，nir是0.76μm到0.96μm的近红外波段，r是0.62μm到0.69μm的红波段；叶面积指数lai数据是由食物丰富度植被指数ndvi数据反演得到，用来计算流域内的实际蒸散；

河流及道路矢量数据由流域内土地利用数据提取得到，并且在arcgis9.3数据处理平台下，利用linedensity命令可分别生成河流、道路密度图；

上述数据均被统一到同一坐标系和投影之下，所采用的投影为utm投影，并采用全国统一的，所有数据都被统一成相同栅格大小的grid；

(2)、确定流域内沼泽湿地恢复评价指标：选择流域内沼泽湿地的水文调节功能和水禽栖息地功能作为沼泽湿地恢复评价指标，具体过程如下：

(2.1)、以蒸散数据和来源于气象数据的降水数据为基础，结合tm遥感与gis分析技术，对水文调节功能进行评价：

首先根据流域内的气象站点分布，对气象站点数据进行插值；

然后按照penman-monteith公式计算出流域的潜在蒸散数据，再结合降雨量反演出实际蒸散，通过tm遥感影像数据与气象数据计算得到区域尺度上的实际蒸散量et，计算公式如下：

et＝9.78+0.0072*eto*ppt+0.051*ppt*lai，

其中，eto为潜在蒸散，lai表示叶面积指数，ppt表示降雨量，全称为precipitation。

最后采用降雨量栅格减去实际蒸散得到最终区域的水文径流调节，以该水文径流调节评价流域内沼泽湿地的水文调节功能；

(2.2)、以tm遥感和gis为技术支撑，结合水禽栖息地的环境特征以及环境状况，选择影响水禽栖息的水源状况、干扰条件、食物丰富度植被指数ndvi以及遮蔽物作为评价指标，采用层次分析法确定各因子权重，再结合gis的空间分析手段，实现穆陵河流域水禽栖息地适应性的空间分析，以评价流域内沼泽湿地的水禽栖息地功能，其中水源状况由流域内河流密度和湖泊密度得到，干扰条件由道路密度和居民点聚集度得到，遮蔽物由土地利用和坡度得到；

(3)、沼泽湿地恢复分析：

水文调节功能反映了沼泽湿地的水文特征，也是沼泽湿地的主要特征之一，水文调节的好坏直接决定可沼泽湿地的可恢复性程度，因此选择水文调节高的区域作为备选的沼泽湿地优先恢复区域；仅仅考虑水文调节难以说明沼泽湿地的特征，因此选择沼泽湿地的另一个主要特征水禽栖息地适宜性作为判断依据，将适宜性最好的区域作为沼泽湿地优先恢复区域，适宜性较好的区域作为次优先恢复区域，不适宜区域作为不可恢复；

综合以上分析可以得出基于功能特征的沼泽湿地恢复方案：水文调节高且水禽栖息地适宜性最好的区域为沼泽湿地优先恢复级别；水文调节高且水禽栖息地适宜性较好的区域为次优先恢复级别；水文调节低或者水禽栖息地不适宜区域为不可恢复级别。

所述的一种流域沼泽湿地空间恢复分析方法，其特征在于：步骤(1)中，流域内土地利用数据所采用的面向对象分类方法包括影像分割和分类规则的设定。

所述的一种流域沼泽湿地空间恢复分析方法，其特征在于：步骤(1)中，流域内主要植被类型的叶面积指数lai数据计算公式如下：

耕地：lai＝0.7271*exp(3.0236*ndvi)，

林地：lai＝0.9428*exp(2.4725*ndvi)，

草地：lai＝0.8253*exp(0.3309*ndvi)，

沼泽湿地：lai＝1.1273*ndvi-0.3468。

所述的一种流域沼泽湿地空间恢复分析方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的中央经线为东经105°，所有数据都被统一成30m×30m栅格大小的grid。

所述的一种流域沼泽湿地空间恢复分析方法，其特征在于：步骤(2)水禽栖息地功能中，考虑到定性数据和定量数据的标准化统一计算，对适宜性指数采用百分制形式进行量化分级，即(100-75)分区间为适宜性最好等级、(75-50)分区间为适宜性一般等级、(50-25)分区间为适宜性差等级、(25-0)分区间为不适宜等级，最终确定适宜性最好、适宜性一般、适宜性差、不适宜四个等级。

本发明结合遥感数据和gis空间分析工具，并且以沼泽湿地水文调节和水禽栖息地适宜性功能来定量的确定沼泽湿地恢复方案，与传统的方法相比，本发明首先充分考虑了沼泽湿地的功能特征，能够在改善沼泽湿地生态环境的同时最大限度的发挥沼泽湿地的功能。其次，能实现大范围区域的沼泽湿地恢复，并且准确的确定沼泽湿地恢复区域，为沼泽湿地恢复项目实施带来便捷。

本发明选择沼泽湿地水文调节和水禽栖息地适宜性功能作为沼泽湿地恢复方案的指标因子。结合更多的沼泽湿地功能特征和环境因子实现沼泽湿地恢复会得到更加准确可靠的沼泽湿地恢复方案。本发明可实现沼泽湿地功能特征的最大发挥，因此选择主要的沼泽湿地功能作为恢复方案的指标因子进行分析。

本发明以一种简单的方法来实现沼泽湿地的空间恢复，以此为沼泽湿地空间恢复和优化等相关研究提供技术支持和科学依据。

本发明选择水文调节改善和加强生物多样性作为沼泽湿地恢复的目标。第一个目标是实现水文调节改善，包括考虑营养、固体和水源。水文是沼泽湿地最重要的因素之一。第二个沼泽湿地恢复目标是加强生物多样性。选择水禽栖息地适宜性评价作为生物多样性的指标。多目标的沼泽湿地恢复目标比单一目标的投资要大，但针对部门服务而言，多目标的沼泽湿地恢复更加综合的考虑了多个因素，适用范围更加广泛。沼泽湿地恢复能为生态环境的改善提供科学的支持，进而缓解人类活动给生态环境带来的压力和危害。

附图说明

图1为面向对象影像分类流程图。

图2为沼泽湿地空间恢复模型图。

图3为水文调节空间分布图，其中：

图3a为潜在蒸散；图3b为实际蒸散；图3c为水文调节。

图4为穆陵河流域沼泽湿地空间恢复图，其中：

穆陵河流域沼泽湿地优先(a)、次优先(b)以及不可恢复(c)空间分布图。

具体实施方式

以穆陵河流域为例来说明本发明方法：

穆陵河流域位于我国东北部的三江平原东南区，属于鸡西地区。地处43°01′～43°19′n，131°20′～132°09′e，总面积约为2.22×104km2。穆陵河流域属温带大陆性半湿润、半干旱季风气候，受冬、夏季风交替影响，四季气候变化明显，雨热同期，春季干旱多风，夏季高温多雨，秋季降温快、降水量少，冬季严寒干燥。年降水量390～450mm，主要集中在5～9月，占全年降水的80％。该区在广阔的冲积低平原和河流形成的阶地、河漫滩上广泛发育着沼泽和沼泽化草甸。区域内以草本植被占优势，乔木和灌木较少，非地带性植被面积较大，并有较多的盐生植物群落，丘陵台地分布着森林植被。土壤以黑土、黑钙土、暗棕壤、草甸土、沼泽土、盐土、碱土为主。流域内水域较多，包括大小兴凯湖。以往研究显示，穆陵河流域沼泽湿地由1990年的1949.44km2退化到说2010年的1061.50km2，因此，急需采取一定的沼泽湿地恢复和优化措施来改善沼泽湿地生态环境。

一、数据采集：

本发明具体实施方式涉及的数据包括landsatthematicmapper(tm)影像；气象数据；2010年穆陵河流域土地利用数据；数字高程模型dem数据；植被指数ndvi、lai；河流、道路矢量数据以及其他辅助数据。

流域内2010年土地利用数据采用面向对象分类的方法，由tm遥感影像经人工目视解译得到。面向对象分类方法主要包括两个步骤：影像分割和分类规则的设定。影像分割主要涉及分割尺度、形状权重等参数的设定。经过多次试验，本文具体分割参数选择如下：颜色(光谱)权重为0.8，形状权重为0.2，其中光滑度权重为0.9，紧凑度权重为0.1，分割尺度为10。穆陵河流域土地覆盖分类规则主要包括：植被指数、亮度指数、形状比等，具体流程如图1所示。

按照以上步骤，将区域划分为林地、草地、沼泽湿地、水体、人工表面、耕地以及未利用地七种一级类型。根据野外样点验证得知，穆陵河流域土地覆盖总体精度约为91％，满足本研究的需求。表1显示了各类型面积及其占总面积比例，其中，林地和耕地是流域内的主要地物类型，分别为1.01×10⁶ha、8.98×10⁵ha，占流域总面积的85.95％，区域内沼泽湿地面积为1.06×10⁵ha，仅占区域总面积的4.77％，主要分布于兴凯湖以及河流周边。

表1穆陵河流域2010年土地覆盖数据

所需要的气象数据包括流域内的降雨量、平均风速、平均气温、平均相对湿度等，由气象卫星测量并公开在中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)。数字高程模型dem数据是1:25万的30米分辨率，流域内南部地区高程相对于北部平原地区要高。植被指数ndvi数据经过landsatthematicmapper(tm)影像反演得到，计算公式为(nir–r)/(nir+r)，其中，nir和r分别是近红外波段(0.76μm到0.96μm)和红波段(0.62μm到0.69μm)。

lai主要用来计算流域内的实际蒸散，是由植被指数ndvi反演得到，主要植被类型的lai计算方法如下所示。

河流、道路矢量数据从流域内2010年土地利用数据提取得到，在arcgis9.3数据处理平台下，利用linedensity命令分别生成河流、道路密度图，用于分析区域内水禽栖息地适宜性。其他辅助数据主要包括野外验证点数据等。

以上数据均被统一到同一坐标系和投影之下。所采用的投影为utm投影，并采用全国统一的中央经线，中央经线为东经105°，所有数据都被统一成30m×30m栅格大小的grid。

二、确定流域内沼泽湿地恢复评价指标：

以降水和蒸散数据为基础，结合遥感与gis分析技术，对2010穆陵河流域水文调节功能进行评价。其中用到的气象数据包括降雨量、日照时间、平均风速、日最高气温、日最低气温、平均相对湿度、平均气压等。首先根据流域的气象站点分布，对站点数据进行插值。按照penman-monteith公式计算出流域的潜在蒸散数据，再结合lai降雨量反演出实际蒸散，最后采用降雨量栅格减去实际蒸散得到最终区域的径流调节。通过遥感数据与气象数据可以快速、便捷地计算得到区域尺度上的实际蒸散量et，计算公式如下：

et＝9.78+0.0072*eto*ppt+0.051*ppt*lai

其中，eto为潜在蒸散，lai表示叶面积指数，ppt表示降雨量，全称为precipitation。

以遥感和gis为技术支撑，结合水禽栖息地的环境特征以及环境状况，选择影响水禽栖息的水源状况(河流密度和湖泊密度)、干扰条件(道路密度和居民点聚集度)、食物丰富度(植被指数ndvi)以及遮蔽物(土地利用和坡度)作为评价指标，采用层次分析法确定各因子权重，再结合gis的空间分析手段，实现穆陵河流域水禽栖息地适应性的空间分析。考虑到定性数据和定量数据的标准化统一计算，对适宜性指数采用百分制形式(0-100)进行量化分级，即适宜性最好(100-75)、适宜性一般(75-50)、适宜性差(50-25)、不适宜(25-0)等4个等级，最终确定适宜性最好、适宜性一般、适宜性差、不适宜四个等级。

本发明结合沼泽湿地的功能特征，选择沼泽湿地水文调节和水禽栖息地功能作为沼泽湿地恢复评价指标，

三：沼泽湿地恢复分析：

采用空间分析模型，设计沼泽湿地恢复方案。其中水文调节功能反映了沼泽湿地的水文特征，这也是沼泽湿地的主要特征之一，水文调节的好坏直接决定可沼泽湿地的可恢复性程度，因此选择水文调节高的区域作为备选的沼泽湿地优先恢复区域。仅仅考虑水文调节难以说明沼泽湿地的特征。因此，选择沼泽湿地的另一个主要特征水禽栖息地适宜性作为判断依据。将适宜性最好的区域作为沼泽湿地优先恢复区域，适宜性较好的区域作为次优先恢复区域，不适宜区域作为不可恢复。综合以上分析可以得出基于功能特征的沼泽湿地恢复方案：水文调节高且水禽栖息地适宜性最好的区域为沼泽湿地优先恢复级别；水文调节高且水禽栖息地适宜性较好的区域为次优先恢复级别；水文调节低或者水禽栖息地不适宜区域为不可恢复级别。

为了实现gis的空间分析叠加，将水文调节和水禽栖息地适宜性功能分别进行栅格量化。按照以上原则最终得到穆陵河流域沼泽湿地空间恢复的优先、次优先以及不可恢复的级别。基于功能特征的沼泽湿地空间恢复模型如图2所示。

四：结果与分析

1、水文调节分析

根据以上计算原理，最终得到穆陵河流域潜在蒸散、实际蒸散以及水文调节功能的空间分布如图3所示。

2、水禽栖息地适宜性分析

采用gis空间分析技术，获取穆陵河流域水禽栖息地适宜性评价的指标因子，主要包括：水源状况(河流密度、湖泊密度)、干扰条件(道路密度、居民点密度)、食物丰富度(植被指数ndvi数据)以及遮蔽物、坡度、土地利用)。

在gis的支持下，得到穆陵河流域水禽栖息地适宜性分析结果。对各适宜性等级单元进行计算，分别得到适宜性等级的分布面积，如表2所示。

表2穆陵河流域水禽栖息地适宜性评价面积统计表

基于以上数据分析结果表明，穆陵河流域水禽栖息地适宜性最好、适宜性良好的区域分别为5.08×10⁵ha、4.21×10⁵ha，占总面积的41.76％，集中分布在河流、湖泊周围。数据显示，穆陵河流域水禽栖息地的适宜性面积相对较少，这与人类活动增加有关。适宜性最好主要分布于河流、湖泊等水源与食物比较充足地区边缘，这些区域极其适合水禽类生存,其地势平坦、水源充足、有大面积的沼泽湿地及河滩地，区域内人口稀少，很少有村庄及道路设施干扰，为水禽提供了良好的觅食、隐蔽和繁殖场所。临近适宜性最好的区域，处于栖息地适宜性最好的缓冲区，耕地低产区域，该区域内居民点相对比较分散分布区域。适宜性差的区域主要包括高产农田区，位于道路和居民密集区及其缓冲地带，受人为干扰力较强，对生态敏感性很弱，生态系统稳定性差。不适宜区域主要包括城镇居民点，人为干扰比较强的区域，不适宜水禽栖息。面积为2.97×10⁵ha，占总用地的13.34％。

3、穆陵河流域沼泽湿地空间恢复

在以上分析的基础上，结合图2模型描述的沼泽湿地空间恢复方案实现穆陵河流域沼泽湿地空间恢复。

沼泽湿地恢复主要针对海拔比较低的平原地区，主要集中在流域的中北部地区以及兴凯湖周边地区。优先级沼泽湿地恢复分布于整个穆陵河流域，主要分布于以下两个位置，首先是位于河流、湖泊(例如：兴凯湖)等开放水体周边，这些区域自然环境较差，土地利用率相对较低，且接近水体，沼泽湿地恢复比较容易，另一部分优先级恢复区域位于平原地区的耕地以及草地，这些区域耕地生产力相对较低，恢复成沼泽湿地有利于大区域生态系统的协调性；次优先恢复区域面积相对于优先级别较少，主要是增加优先级别沼泽湿地恢复的连通性，优化沼泽湿地景观格局，集中在平原地区。其中，优先级别为近期沼泽湿地恢复目标，次优先为中长期沼泽湿地恢复计划，并且用于增进优先恢复沼泽湿地斑块的连通性。

经过统计分析得知，穆陵河流域优先、次优先、不可恢复区域的面积分别为3.25×10⁴ha，2.65×10⁴ha，3.06×10⁵ha。占整个流域面积的1.46％，1.19％，13.75％。其中，经过优先恢复后，穆陵河流域的沼泽湿地与2000年的沼泽湿地面积较为接近，也即，按照沼泽湿地优先恢复方案实施沼泽湿地恢复，能够将流域内的沼泽湿地恢复到2000年的状态。若优先、次优先沼泽湿地恢复均实施以后，穆陵河流域的沼泽湿地面积将达到了1990状态。

4、沼泽湿地恢复效果验证

在沼泽湿地恢复结果分析的基础上，分别从整体景观效果、沼泽湿地功能特征进行沼泽湿地恢复效果评估。

采用fragstats景观格局指标计算软件进行分析。借助景观指数分析方法，对研究区景观生态格局进行定量分析，穆陵河流域沼泽湿地空间恢复后类别水平上景观指数的比较如表3所示。

表3穆陵河流域沼泽湿地空间恢复后类别水平上景观指数的比较

表3中数据显示：沼泽湿地空间恢复后，在类别水平上，流域内沼泽湿地的斑块密度大幅度减少，说明实施沼泽湿地恢复以后，沼泽湿地景观的破碎化程度降低；而沼泽湿地的平均斑块面积在增加，同时，沼泽湿地的最大斑块指数、聚集度指数也呈现与之相同的变化趋势，说明沼泽湿地恢复后流域内沼泽湿地总面积增加的同时，景观类型的空间格局也发生了显著变化。沼泽湿地最大斑块面积的增加和斑块聚集程度的加大，说明沼泽湿地空间恢复实施后的景观格局更有利于朝着沼泽湿地生态功能的发挥，对维护区域生态安全具有很大的意义；数据显示，沼泽湿地景观类型的平均形状指数表现为下降趋势，由恢复前的2.914下降到2.168。沼泽湿地空间恢复工程实施后，有相当一部分属于人为开垦的耕地与属于自然景观的沼泽湿地直接相邻，因此造成沼泽湿地斑块的边界趋于规则，平均形状指数下降。

从水文调节角度评价分析可知，沼泽湿地空间恢复后，由于沼泽湿地的增加以及其他土地利用数据的改变，穆陵河流域内43％的区域(主要为中部和东部)径流增加，相对于2000年而言，平均增加量为2.56×10⁷m³/年(2.74mm/年)，增加范围为(0.41—9.45mm/年)。同期，穆陵河流域北部、西部和南部区域径流减少，占全区面积比例为21％。经过沼泽湿地恢复前后对比，流域全区径流调节总量由28.57×10⁸m³增加到31.69×10⁸m³，增加了10.08％。分析结果显示，沼泽湿地恢复工程实施后，穆陵河流域沼泽湿地水文调节功能增加，实现了沼泽湿地恢复的目标之一。

在前文分析水鸟栖息地适宜性的基础上，以沼泽湿地恢复后的沼泽湿地数据为依据，实现穆陵河流域沼泽湿地恢复后的水鸟栖息地适宜性变化分析。在gis的支持下，以沼泽湿地恢复后的结果数据为参照，得到沼泽湿地恢复前后适宜性等级的分布面积，如表4所示。

表4穆陵河流域沼泽湿地恢复前后水鸟栖息地适宜性面积统计对比

表4中数据表明：经过沼泽湿地恢复实施后，穆陵河流域沼泽湿地的水禽栖息地适宜性发生了显著变化。水禽栖息地适宜性最好、适宜性良好的面积由恢复前的5.0710⁵hm²、4.2110⁵hm²增加到恢复后的6.1810⁵hm²和5.4010⁵hm²，净增加量为1.11×10⁶hm²和1.1910⁶hm²。这主要是由于沼泽湿地恢复后沼泽湿地面积增加引起的水禽栖息地适宜性的面积相应的增加。