一种顾及网络时空间动态联系的景观连通性评估方法技术

本发明专利技术提供了一种顾及网络时空间动态联系的景观连通性评估方法。本发明专利技术融合多源生态与地理数据，基于网络分析和时间流推断对动态景观下的栖息地网络连通性进行评估，包括对两期栖息地数据进行叠加分析并分类、各类栖息地的时间交互推断、栖息地的空间交互推断、栖息地内部连通指标、栖息地直接联通与考虑踏脚石效应的间接连通指标的构建。本发明专利技术将为保育生态学与生态文明建设提供重要的技术支持和决策依据，有助于科学评估各种土地利用变化情景对周边自然栖息地网络的影响以促进可持续的土地利用发展。土地利用发展。土地利用发展。

【技术实现步骤摘要】
一种顾及网络时空间动态联系的景观连通性评估方法


[0001]本专利技术涉及景观生态学与生态安全格局领域，主要涉及动态景观下的栖息地网络的景观连通性评价。

技术介绍

[0002]我国在工业化与城市化方面取得了举世瞩目的成就。然而，快速粗放式的城市扩张也带来了一系列生态环境问题，例如导致了自然栖息地的流失与破碎化，对我国生态安全格局产生了重要威胁。研究表明，合理提高自然栖息地的连通性能显著提高种群与物种的存续能力，对生物多样性的提升与维系生态系统稳定性起着至关重要的作用。在此背景下，评估土地利用变化对景观连通性的影响，不仅有利于加强对易危物种的保护，同时也有助于土地规划方案的比选和生态文明建设，促进人地关系向生态友好型、可持续型发展。
[0003]目前有关景观连通性评估的方法大致可以分为以下几类：(1)基于栖息地空间结构的结构连通性评估法、(2)同时顾及栖息地空间结构与物种扩散行为的功能连通性评估法、(3)基于复合种群理论的复合种群容量法和(4)网络分析法。然而，现有的景观连通性评估方法还存在一定的不足和局限性，主要表现为：
[0004](1)缺乏对栖息地斑块在时间维度上交互的考虑。现有研究大多基于空间的、景观快照式的评估方式，即仅对两个时刻的景观格局进行网络构建，比对二者的连通性变化，即可评估环境变化(如城市扩张、农田扩张)对某一物种栖息地的影响。此类方法仅考虑了栖息地斑块在空间维度上由物种扩散带来的交互，而忽略了斑块间在时间维度上可能存在的交互，因而可能造成对景观网络连通性变化的错误估计。
[0005](2)缺乏对种群跨代际扩散的考虑。现有研究多是假定斑块间联系强度与斑块间距离成负指数形式，负指数函数的坡度由物种自身的扩散能力所决定。这种假定更适用于单个扩散个体的扩散概率，而并不能很好的衡量斑块内整个种群的扩散概率。更重要的是，该方法忽视了从某一斑块扩散并定殖于中间斑块的亚种群，其后代从该中间斑块开始继续扩散的可能性，从而有可能低估了长距离扩散对景观连通性格局的影响。
[0006]总体上看，现有的景观联通性评估方法由于缺乏对时间维度的交互与跨代际长距离扩散的考虑，评估结果往往不能真实反映栖息地网络实际的连通性格局，因而不能很好地为保育生态学与生态安全格局构建提供科学有力的支撑。

技术实现思路

[0007]本专利技术通过提供一种顾及网络时空间动态方法，解决了现有技术中景观连通性模型无法对网络在时间维度的动态联系进行定量化处理、无法考虑种群跨代际长距离扩散的问题。
[0008]本专利技术提供一种顾及网络时空间动态联系的景观连通性评估方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1，获取研究区在两个不同时期的土地利用数据、该区域现存的动物物种名
录、种群规模和其扩散能力信息；
[0010]步骤2，基于土地利用数据，提取该区域在两个时刻的生态用地斑块分布(如林地斑块、草地斑块、湿地斑块等)，通过叠加分析对比，标记栖息地斑块的类型(分为流失型、稳定型和新增型三类)；
[0011]步骤3，基于斑块类型与种群规模，根据本专利技术提出的扩散核函数计算斑块间在时间与空间两个维度上的扩散概率；
[0012]步骤4，基于斑块面积，计算斑块内连通性；
[0013]步骤5，基于斑块属性、类型及其空间分布，计算斑块间的直接连通性和考虑踏脚石效应的间接连通性；
[0014]步骤6，将步骤4
‑
步骤5的结果加和，得到总的动态景观下的时空间连通性。
[0015]进一步的，步骤1包括以下子步骤：
[0016]先获取研究区在两个不同时期的土地利用栅格数据。所述土地利用栅格数据以像元为基本单位，将项目区的空间范围划分为R行、C列的栅格图像；栅格图像上的每个栅格像元均代表地理空间上一个单元区域，每个栅格像元的数值代表对应单元区域的土地利用类型。根据当地物种名录，确定拟保护或拟研究的物种，调查其种群的空间分布情况，并在网上查找资料获取物种的扩散能力信息。
[0017]进一步的，步骤2包括以下子步骤：
[0018]得到土地利用栅格数据后，针对拟研究物种提取其栖息地斑块。例如，若研究物种是森林哺乳动物，则应提取森林斑块。实际步骤为，将栅格地图用ArcGIS 软件打开，利用GIS工具箱中的“转换工具”将栅格数据转换为矢量文件，然后根据图斑属性选择并导出用地类型为林地的图斑。
[0019]得到两期林地斑块数据后，利用ArcGIS软件工具箱的“叠加分析”工具，将叠加分析后的斑块标注为“流失型”、“稳定型”和“新增型”。
[0020]进一步的，步骤3包含以下子步骤：
[0021]根据斑块类型与其种群规模，基于时间流推断和空间流推断，得到物种种群在斑块间的扩散概率。其中，单个扩散个体在斑块间在空间维度上的扩散概率通过以下负指数函数计算：
[0022][0023]式中，P
ij,k
表示个体k在斑块i和j之间扩散的概率；β表征物种的扩散能力，通常为物种最大扩散能力的倒数；d
ij
表示斑块i和j之间的距离。
[0024]而对于分布于各个斑块内的种群，它们在斑块间的扩散概率通过个体扩散概率的二项分布计算：
[0025][0026]式中，P
ij
表示从斑块i中的种群中有部分个体能成功扩散并定殖到斑块j的概率个体；N
i
表示斑块i中的种群规模大小；δ代表斑块i中可扩散的子种群占比；k
j
表示定殖斑块j所需要的最低个体数；其它变量含义同上。为了兼顾数据的可获取性和计算的可操作性，本专利技术将种群定殖其它斑块所需的最低个体数简化为一个常数，记为α。则上式可改写为：
[0027][0028]然后，斑块间在时间维度上产生交互强度(P
ijt
指代)是基于斑块类型的时间流推断，产生的交互强度总共有三类：可能发生(赋值1)、不可能发生(赋值0)和可能发生也可能不发生(赋值0.5)。具体的时间维度的交互强度推断方法详见下方“具体实施方法”小节。
[0029]最后，将空间维度扩散概率P
ijs
与时间维度交互概率P
ijt
相乘，得到总的斑块间扩散概率：
[0030]P
ij
＝P
ijs
×
P
ijt
[0031]进一步的，步骤4包含以下子步骤：
[0032]利用ArcGIS软件计算斑块面积并作为斑块属性；并通过以下公式计算景观内的斑块内连通性：
[0033][0034]式中，PC
intra
表示景观中的内连通性；n表示景观中的斑块数量；A
i
表示“稳定型”斑块i的面积；A
l
表示研究区的面积。
[0035]进一步的，步骤5包含以下子步骤：
[0036]通过下式计算动态景观的斑块间直接连通性：
[0037][0038]式中，PC
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种顾及网络时空间动态联系的景观连通性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，获取研究区在两个不同时期的土地利用数据、该区域现存的动物物种名录、种群规模和其扩散能力信息；步骤2，基于土地利用数据，提取该区域在两个时刻的生态用地斑块分布，通过叠加分析对比，标记栖息地斑块的类型，包括“流失型”、“稳定型”和“新增型”；步骤3，基于斑块类型与种群规模，根据扩散核函数计算斑块间在时间与空间两个维度上的扩散概率；步骤4，基于斑块面积，计算斑块内连通性PC
intra
；步骤5，基于斑块属性、类型及其空间分布，计算斑块间的直接连通性PC
direct
和考虑踏脚石效应的间接连通性PC
step
；步骤，将步骤4和步骤5的结果加和，得到总的动态景观下的时空间连通性。2.根据权利要求1所述的一种顾及网络时空间动态联系的景观连通性评估方法，其特征在于：步骤1的具体实现方式如下；先获取研究区在两个不同时期的土地利用栅格数据；所述土地利用栅格数据以像元为基本单位，将项目区的空间范围划分为R行、C列的栅格图像；栅格图像上的每个栅格像元均代表地理空间上一个单元区域，每个栅格像元的数值代表对应单元区域的土地利用类型；根据当地物种名录，确定拟保护或拟研究的物种，调查其种群的空间分布情况，并在网上查找资料获取物种的扩散能力信息。3.根据权利要求1所述的一种顾及网络时空间动态联系的景观连通性评估方法，其特征在于：步骤2的具体实现方式如下；得到土地利用栅格数据后，针对拟研究物种提取其栖息地斑块，具体步骤为，将栅格地图用ArcGIS软件打开，利用GIS工具箱中的“转换工具”将栅格数据转换为矢量文件，然后根据图斑属性选择并导出图斑；生态用地图斑类型包括：林地斑块、草地斑块、湿地斑块；得到两期林地斑块数据后，利用ArcGIS软件工具箱的“叠加分析”工具，将叠加分析后的斑块标注为“流失型”、“稳定型”和“新增型”。4.根据权利要求1所述的一种顾及网络时空间动态联系的景观连通性评估方法，其特征在于：所述步骤3包括以下子步骤；(31)首先通过负指数函数计算单个扩散个体在斑块间的空间扩散概率：式中，P
ij,k
表示个体k在斑块i和j之间扩散的概率；β表征物种的扩散能力；d
ij
表示斑块i和j之间的距离；(2)其次，对于分布于各个斑块内的种群，它们在斑块间的扩散概率通过个体扩散概率的二项分布计算：式中，P
ij
表示从斑块i中的种群中有部分个体能成功扩散并定殖到斑块j的概率个体；N
i
表示斑块i中的种群规模大小；δ代...

【专利技术属性】
技术研发人员：何建华，黄俊龙，刘殿锋，岳桥兵，李亚静，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：