基于结构‑过程‑功能模型的城市生态安全评价方法与流程

本发明涉及一种基于结构-过程-功能模型的城市生态安全评价方法。

背景技术：

生态安全的概念和内容是不断完善的，其评价标准和评价内容也会随着不同区域、不同发展阶段而不同。生态安全的基本要素主要有环境质量、系统结构风险、物质保障安全等，其主要研究方向有生态环境风险评价、生态安全与生态服务、生态系统脆弱性评价、生态安全管理等。生态安全包括静态和动态两个方面，静态值是时间横截面上某一状态的生态安全值，比如生态安全等级划分；动态值是时间纵轴连续状态下的“压力-状态-响应”(press-state-response,psr)的某种安全状态评价，是与风险相对的概念。现有生态安全评价对静态安全值评价的指标体系选取没有一定的理论框架基础，缺乏系统性和完整性。

技术实现要素：

本发明的目的是解决目前静态安全值评价指标体系选取缺乏理论框架基础，评价方法缺乏系统性和完整性的技术问题。

为实现以上发明目的，本发明提供一种基于结构-过程-功能模型的城市生态安全评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据生态系统结构、生态系统过程和生态系统功能构成的生态系统结构特征，采用层次分析法构建生态安全指标体系，设目标层、系统层、指标层和要素层四个层次；

所述目标层对应生态系统综合安全值；

所述系统层包括生态系统结构安全指标、生态系统过程安全指标和生态系统功能安全指标三个方面；

所述指标层基于所述系统层的三个方面分别进行指标分解，得到若干指标；其中，生态系统结构安全指标包括垂直结构指标和水平结构指标；生态系统过程安全指标包括支持功能指标；生态系统功能安全指标包括供给功能指标、调节功能指标和文化功能指标；

所述要素层对各所述指标进一步分解，得到若干生态安全指标要素；其中，垂直结构指标包括地形指数；水平结构指标包括海拔指数；支持功能指标包括土壤形成与保持要素和生物多样性保护要素；供给功能指标包括食物生产要素、原材料生产要素和水源涵养要素；调节功能指标包括气体调节要素、气候调节要素和废物处理要素；文化功能指标包括文化娱乐要素；

(2)利用高程数据、遥感影像数据、土地利用类型数据和社会经济及环境数据计算所述要素层中各所述生态安全指标要素的值；

(3)对各所述生态安全指标要素的值进行量纲统一化；

(4)计算各所述生态安全指标要素值的权重；

(5)通过对各所述生态安全指标要素值进行加权求和得出所述目标层对应的所述生态系统综合安全值；

(6)根据所述生态系统综合安全值划分城市生态安全等级。

进一步地，所述步骤(2)中，地形指数通过式ln(α/tanβ)计算，其中，α为流经坡面任一点单位等高线长度的汇流面积，β为该点处的坡度。

进一步地，所述步骤(2)中，海拔指数通过下式计算：

e＝-lg(δh)；

其中，e为海拔指数，δh为高程差。

进一步地，步骤(2)中所述生态安全指标要素中，其中土壤形成与保持要素、生物多样性保护要素、食物生产要素、原材料生产要素、水源涵养要素、气体调节要素、气候调节要素、废物处理要素和文化娱乐要素这9个要素的值通过生态服务价值当量因子法和建设用地单位面积价值量法进行计算。

进一步地，对计算得到的所述9个生态安全指标要素值分别进行植被覆盖度单元格修正，其中，植被覆盖度通过下式计算：

式中，fv是植被覆盖度，ndvi是植被覆盖指数，ndvimax、ndvimin分别为ndvi在一定置信区间内的最大值和最小值。

进一步地，所述步骤(3)中，采用数据标准化处理的方法对各所述生态安全指标要素的值进行量纲统一化；

其中，对参评因子与生态系统综合安全值分级相一致的正效应指标，则参评因子的标准化量化公式为：

y＝(xi-xmin)/(xmax-xmin)；

对参评因子与生态系统综合安全值分级相反的负效应指标，则参评因子的标准化量化公式为：

y＝(xmax-xi)/(xmax-xmin)；

式中，xi为每个像元的要素值，xmax为该要素最大值，xmin为该要素最小值。

进一步地，所述步骤(4)中，采用熵权系数法计算各所述生态安全指标要素值的权重，第i(i＝1,2,…,n)项指标要素权重的计算公式为：

式中：m为评价样本数，n为指标要素的数量，ei为指标要素的输出熵，wi为指标要素的权重。

进一步地，所述步骤(5)中，所述生态系统综合安全值通过下式计算：

式中，s表示目标层生态系统综合安全值，ai表示系统层中第i种指标的权重，bij表示第i种系统层指标的第j种指标层指标权重，cijk表示权重bij对应指标层所包含的要素层中第k种要素的权重，yijk表示权重cijk对应的要素层标准化后的指标因子值。

进一步地，所述步骤(6)中，所述城市生态安全等级划分为5级，各级对应的生态系统综合安全值区间分别为(0.7,1.0]、(0.5,0.7]、(0.25,0.5]、(0.18,0.25]和(0,0.18]。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所述方法计算过程简单，可根据实际情况调整参数，适用性广。基于结构-过程-功能模型构建的生态安全指标体系从生态功能发生机理的角度进行了剖析，更能反映生态系统内部环境作用状况和外界的影响结果，可以科学有效的评价静态生态安全值，静态生态安全值评价结果可作为动态安全状态评价的时间轴输入值，可将研究结果融入到“压力-过程-响应”动态生态安全预警与管理研究中，具有较强的完整性和系统性。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是生态安全评价结构基础框架图；

图3是城市生态安全的评价指标体系图；

图4是本发明一个实施例的生态系统综合安全值分布图；

图5是与图4对应的城市生态安全等级图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图2所示，生态系统结构影响生态系统过程，生态系统结构和生态系统过程综合影响生态系统功能，从而形成“结构-过程-功能”(structure-process-function,spf)的生态系统的结构特征。生态系统结构特征是生态安全评价的结构基础。

根据上述生态安全评价结构基础，确定生态安全评价内容，具体包括生态系统结构安全、生态系统过程安全和生态系统功能安全三个方面。基于“结构-过程-功能”概念框架，采用层次分析法确定生态安全指标体系，设目标层、系统层、指标层和要素层四个层次，分别描述为：

目标层，以研究区生态系统综合安全值作为目标层，表示研究区生态安全的状况。

系统层，用来评价生态系统安全的结构基础，本研究选择生态系统结构安全、生态系统过程安全、生态系统功能安全三个方面进行综合评价。

指标层，根据系统层的划分，分别选取对应的生态系统功能作为评价生态系统结构、过程和功能安全的指标，将评价的深度从整体系统层次深入到具体生态系统层次，其中生态结构安全从垂直结构和水平结构考虑；生态过程安全从支持功能方面考虑；生态功能安全从供给动能、调节功能和文化功能方面考虑。

要素层，为了进一步明确生态系统结构、过程和功能的表达方式，建立其相应指数的要素层来表示指标层的各项指标。各项指标的确定要具有代表性，符合区域特征。

结合城市区域特征，根据上述spf指标构建方法，得出城市生态安全的评价指标体系，如图3所示。城市生态安全的评价要素包括：地形指数、海拔指数、土壤形成与保持、生物多样性保护、食物生产、原材料生产、水源涵养、气体调节、气候调节、废物处理、文化娱乐要素等11项。

如图1所示，本发明的方法利用高程数据、遥感影像数据、土地利用类型数据、社会经济和环境数据来计算各生态安全要素值，并对生态安全要素值进行量纲统一化、确定各要素值权重、加权求和得出生态系统综合安全值，最后根据生态系统综合安全值对城市生态安全进行等级划分。

具体地，生态系统结构安全要素值计算方法如下：

(1)地形指数计算

根据公式ln(α/tanβ)进行地形指数的计算，其中α为流经坡面任一点单位等高线长度的汇流面积，β为该点处的坡度。在arcgis中进行空间分析建模(buildmodel)，对dem数字高程模型(digitalelevationmodel)进行逐步计算。

(2)海拔指数计算

海拔指数用来指示地面起伏度，一定范围内(7*7pixel)地面高程差。用高程差δh的指数函数表示，如式1-1：

e＝-lg(δh)(1-1)

e表示海拔指数，δh为高程差。

如表1所示，生态系统过程和功能安全要素值的计算过程采用谢高地的生态服务价值当量因子法及胡喜生的建设用地单位面积价值量法，并对计算结果进行空间值修正。空间修正的方法主要包括基于植被覆盖度单元格修正。

表1城市生态系统过程和功能安全要素及其评价方法

(1)基于植被覆盖度单元格安全值修正

植被覆盖度(fv)是指植被在地面上的垂直投影面积在单位面积上所占的比例，用来衡量地表植被覆盖的重要参数，也是指示生态环境变化的基本指标^[11]。每个像元的ndvi数据和fv有如下关系：

fv是植被覆盖度，ndvimax、ndvimin分别为ndvi一定置信区间(如95％置信区间)内的最大值和最小值。

生态系统过程和功能安全要素值与生物量成正相关，生物量与ndvi(植被覆盖指数)、植被覆盖度有高度相关性。本方法基于植被覆盖度修正单元格生态过程和功能安全要素值。本修正方法应用于农田、林地、草地、园地等生态系统类型。修正公式如下：

fvj为第j类生态系统类型的生态安全要素值修正因子。对研究区植被覆盖度进行统计，得出农田、林地、园地、草地等的平均值。

v(x，y)＝v0(x，y)·fv(1-4)

v(x,y)为修正后的安全值，v0(x,y)为修正前的安全值，fv为生态安全要素值修正因子。

采用数据标准化处理的方法作为量纲统一化的方法，便于计算。参评因子的标准化量化公式如下：

正效应指标：若参评因子与生态综合生态安全值分级相一致(如土壤形成与保持功能值越高，生态安全水平就越高)

y＝(xi-xmin)/(xmax-xmin)(1-5)

式中，xi为每个像元的要素值，xmax为该要素最大值，xmin为该要素最小值。

负效应指标：若参评因子与生态综合安全值分级相反(如海拔高差越大生态安全水平就越低)，那么该参评因子的标准化量化的公式改为：

y＝(xmax-xi)/(xmax-xmin)(1-6)

式中，xi为每个像元的要素值，xmax为该要素最大值，xmin为该要素最小值。

根据研究区生态系统指标因子的特点，选取熵权系数法作为评价指标权重的依据。根据各指标要素之间的相互作用的大小，分别赋予不一样的权重值。

假设有m个评价样本，n项评价指标，则用评价矩阵[y]＝{yi}m×n表示，其中第i(i＝1,2,…,n)项指标的权重,计算公式为：

式中：ei为指标的输出熵；wi为指标的权重。熵权系数法评价结果并不完全适用，因此结合专家经验判断，得出基准层、准则层和指标层的权重值。指标越重要，权重就越大。生态安全评价指标的权重见表2。

表2生态安全评价指标的权重表

生态安全目标层综合评价计算公式如下，整个计算过程即逐级加权求和：

上式1-9中，s表示目标层总生态安全值，ai表示系统层中第i种指标的权重，bij表示第i种系统层指标的第j种指标层指标权重，cijk表示权重bij对应指标层所包含的要素层中第k种要素指标的权重，yijk表示权重cijk对应的要素层标准化后的指标因子值。

参照国内相关科研成果，结合专家经验，得出一个5级分级标准，并给出了相应的解释(参见

表3)。表3中给出各等级对应的安全状态指示和生态系统综合安全值区间或范围。

表3生态安全评价分级标准

根据生态安全评价分级标准对晋江市生态安全值分级统计汇总(如表44所示)，其中，生态极不安全区(生态敏感区)占总城市区域面积的25.59％，占比略高。一般安全分布占比较大，占总城市区域面积的30.22％，其次是较不安全，占比为28.99％。另外，生态安全空间分级分布结果如图5所示。

表4晋江市生态安全等级面积占比

本方法计算过程简单，可根据实际情况调整参数，适用性广。基于spf的生态安全指标体系的构建，可以科学有效的评价晋江市静态生态安全值。静态生态安全值评价结果可作为动态安全状态评价的时间轴输入值，可将研究结果融入到“压力-过程-响应”动态生态安全预警与管理研究中。

除上述实施方式外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明的保护范围内。