基于流域空间尺度效应的河流生物多样性指数预测方法与流程

本发明涉及河流生态预测方法，尤其涉及一种基于流域空间尺度效应的河流生物多样性指数预测方法及装置。

背景技术：

1、horton-strahler河网规律是一个发展了近百年的传统理论，它能反映河网内部拓扑结构的分级体系，在此基础上总结的一系列简洁明了的经验公式被称为horton-strahler河网定律(简记为h-s河网定律)。这套河网自相性定律自从提出以来在大量天然河流网络中得到了运用和证实。其主要内容如下：

2、

3、

4、

5、其中：ω为河流的级别，nω,lω,aω分别为河流级别为ω的河流数目、平均河流长度、平均流域面积，αi、βi为正的常数，i＝1,2,3，这3个公式分别被称为河数定律、长度定律、面积定律。

6、从公式(1)可以推导出：

7、

8、式(4)表明，基于h-s河网分级的流域，不同级别河流数目之比为常数，这个常数rb称为分叉比。类似的，可以推导出河长比和面积比

9、

10、

11、多年以来，许多学者就这一理论进行了拓展和深入，然而实际河流与h-s河网规律的结合研究主要对于是对于某一特定流域的河网规律的统计证实，如图1所示，与生态环境相结合的研究寥寥甚少，并且没有在h-s河网定律的基础上对于生物多样性指数的规律进行深入的研究。

12、此外，以往的流域生态学研究也更多关注是上下游的纵向空间上的变化，对于不同河级的横向空间上变化关注不多，过去更加关注流域的干流大江大河而忽视了支流小溪小河。

13、但在全球气候不断变暖和全球生态环境的不断恶化的大背景下，流域整体的生态环境保护越来越受到重视，生物学和河流几何结构的结合研究也在慢慢走入研究人员的视野，这必然是传统河流研究的一个有意义的崭新领域。

技术实现思路

1、发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种基于流域空间尺度效应的河流生物多样性指数预测方法及装置。

2、技术方案：本发明所述的基于流域空间尺度效应的河流生物多样性指数预测方法，该方法包括：

3、(1)根据dem数据提取所研究流域河网，并结合所研究流域实际水系图，得到能够达到最小级别支流的详细流域水系图；

4、(2)根据所述详细流域水系图，在其中一河流上布置若干采样点，采样点包括拟合点与验证点；

5、(3)对各采样点进行生态学采样及物种鉴定分析，采样数据至少包括生态物种类别数和每种生态物种的个数；

6、(4)根据采样点的采样结果计算各采样点的生物多样性指数；

7、(5)计算各级别河流拟合点的各生物多样性指数平均值，与河流级别进行回归分析，得到不同生物多样性指数与河流级别的拟合关系；

8、(6)根据回归分析得到的拟合关系，计算各生物多样性指数对应的horton比与预测公式；

9、(7)采用预测公式计算各验证点的各生物多样性指数预测值，将预测值与实际采样值进行误差分析；

10、(8)将误差小于预设阈值对应的生物多样性指数确定为适用性较好的生物多样性指数，大于预设阈值的生物多样性指数确定为适用性较差的生物多样性指数；

11、(9)选择适用性较好的生物多样性指数的预测公式和对应horton比，对所研究流域其他各级别河流进行生物多样性指数的预测，以及对其他采样中产生的异常结果进行纠正。

12、进一步的，步骤(1)中所述最小级别支流最小级别支流是指根据horton-strahler分级法得到的一级河流。

13、进一步的，步骤(4)中所述生物多样性指数包括生态物种类别数s、物种密度d、margalef丰富度指数m、simpson指数h、shannon–wiener指数h’和pielou均匀度指数j’，计算公式分别为：

14、d＝n/a

15、m＝(s-1)/lnn

16、

17、

18、j′＝h′/lns

19、式中，n表示样本总个体数，a为采样面积，pi表示第i种物种的数量ni占样本总个体数n的比例，即pi＝ni/n。

20、进一步的，步骤(5)中回归分析所采用的的拟合关系式为：

21、lgy＝kω+b

22、式中，y表示生物多样性指数，ω表示河流级别，k表示待拟合的斜率，b表示待拟合的截距。

23、进一步的，步骤(6)具体包括：

24、根据回归分析得到的拟合关系，按照下式计算各生物多样性指数对应的horton比与预测公式：

25、

26、

27、式中，rx表示生物多样性指数x的horton比，s,d,m,h,h′,j′分别表示生物多样性指数中的生态物种类别数s、物种密度d、margalef丰富度指数m、simpson指数h、shannon–wiener指数h’和pielou均匀度指数j’，kx表示对生物多样性指数x回归分析拟合得到的斜率，bx表示对生物多样性指数x回归分析拟合得到的截距，ω表示河流级别，xω表示河流级别为ω的生物多样性指数x的预测值。

28、进一步的，步骤(8)中所述预设阈值为20％。

29、本发明所述的基于流域空间尺度效应的河流生物多样性指数预测装置，包括：

30、水系图提取模块，用于根据dem数据提取所研究流域河网，并结合所研究流域实际水系图，得到能够达到最小级别支流的详细流域水系图；

31、采样模块，用于根据所述详细流域水系图，在其中一级河流上布置若干采样点，采样点包括拟合点与验证点；

32、采样分析模块，用于对各采样点进行生态学采样及物种鉴定分析，采样数据至少包括生态物种类别数和每种生态物种的个数；

33、参数计算模块，用于根据采样点的采样结果计算各采样点的生物多样性指数；

34、关系获取模块，用于计算各级别河流拟合点的各生物多样性指数平均值，与河流级别进行回归分析，得到不同生物多样性指数与河流级别的拟合关系；

35、公式拟合模块，用于根据回归分析得到的拟合关系，计算各生物多样性指数对应的horton比与预测公式；

36、误差分析模块，用于采用预测公式计算各验证点的各生物多样性指数预测值，将预测值与实际采样值进行误差分析；

37、适用性确定模块，用于将误差小于预设阈值对应的生物多样性指数确定为适用性较好的生物多样性指数，大于预设阈值的生物多样性指数确定为适用性较差的生物多样性指数；

38、生物多样性预测模块，用于选择适用性较好的生物多样性指数的预测公式和对应horton比，对所研究流域其他各级别河流进行生物多样性指数的预测，以及对其他采样中产生的异常结果进行纠正。

39、进一步的，所述最小级别支流最小级别支流是指根据horton-strahler分级法得到的一级河流。

40、进一步的，所述生物多样性指数包括生态物种类别数s、物种密度d、margalef丰富度指数m、simpson指数h、shannon–wiener指数h’和pielou均匀度指数j’，计算公式分别为：

41、d＝n/a

42、m＝(s-1)/lnn

43、

44、

45、j′＝h′/lns

46、式中，n表示样本总个体数，a为采样面积，pi表示第i种物种的数量ni占样本总个体数n的比例，即pi＝ni/n。

47、进一步的，所述关系获取模块中回归分析所采用的的拟合关系式为：

48、lgy＝kω+b

49、式中，y表示生物多样性指数，ω表示河流级别，k表示待拟合的斜率，b表示待拟合的截距。

50、进一步的，所述公式拟合模块具体用于：根据回归分析得到的拟合关系，按照下式计算各生物多样性指数对应的horton比与预测公式：

51、

52、

53、式中，rx表示生物多样性指数x的horton比，s,d,m,h,h′,j′分别表示生物多样性指数中的生态物种类别数s、物种密度d、margalef丰富度指数m、simpson指数h、shannon–wiener指数h’和pielou均匀度指数j’，kx表示对生物多样性指数x回归分析拟合得到的斜率，bx表示对生物多样性指数x回归分析拟合得到的截距，ω表示河流级别，xω表示河流级别为ω的生物多样性指数x的预测值。

54、有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)本发明方法可以简化野外采样工作的量，主要体现在很多高级别河流流速太大条件恶劣难以采样或者小支流进不去难以采样的时候，可以通过本发明方法，对其他级别河流来进行预测；(2)使用本发明方法可以更好的了解一个流域在不同级别河流上物种的空间分布规律，这对于流域生态栖息地保护区的建立和管理有着重要的指导意义；(3)本发明与现有的h-s河网定律和流域生态学研究相比，一方面拓展了河网定律的研究范畴，将流域生态学与河流几何学相结合，为二者的结合研究提供了一种崭新的视角和研究方法，另一方面，丰富了以往流域生态学的定量分析方法，在通常的定量指标的评价体系基础上，加入了生物多样性指数的预测方法，可以服务于流域生态模型的建立和实验分析。