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探讨基于地理信息系统技术的三峡库区生态空间统计技巧

2020-05-11 261 上传者：管理员

摘要：以地理国情数据为基础，基于地理信息系统（GIS）技术，提出一种生态空间统计的方法，充分借助ArcGIS和FME2种软件平台的优势，开发出一套生态空间统计工具集，实现重要生态要素时点数据集提取、变化数据集提取、时点统计和变化统计等内容。

关键词：
国土空间
地理信息系统
生态空间
统计
自然地理学
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国土是生态文明建设的空间载体和物质基础。国土空间可以分为城市空间、农业空间、生态空间和其他空间四类[1]，其中生态空间是指以提供生态产品或生态服务为主体功能的空间。林地、草地、荒漠与裸露地、水域等重要生态要素可以发挥生态功能，可归为生态空间。掌握生态空间的数量与分布特征，是优化国土空间格局的基础工作之一，是保护自然生态系统的前提。三峡库区是我国重要的水源保护地，受到三峡工程巨大影响，其生态环境状况也是研究热点[2-4]。顾晋饴等基于土地利用/覆被、生态和经济数据，通过构建指数模型，定量计算三峡库区生态环境和经济协调发展程度，并分析其时空变化特征[2]。官冬杰等构建三峡库区（重庆段）生态安全评价指标体系，基于模糊物元模型，对研究区域进行生态安全评价[3]。ArcGIS软件提供了丰富的地理空间数据处理与分析工具，其模型构建器是一种可视化编程语言，可灵活构建地理空间数据工作流。FME软件具备强大地理空间信息数据处理能力，已广泛应用。本文以覆盖三峡库区范围的地理国情数据为基础，综合利用ArcGIS和FME2种软件平台的地理空间数据处理优势，在实际生产经验基础上，提出多种统计单元下的生态空间统计方法。

1、研究区与数据源

1.1研究区

三峡库区地处四川盆地与长江中下游平原的结合处，跨越鄂西山区峡谷及川东岭谷地带106°51′E～111°28′E，29°21′N～31°44′N之间。从行政区划上看，库区横跨重庆和湖北两省市，主体位于重庆市中部和东北部，其余区域位于湖北省西部。

1.2数据源及预处理

地理国情普查是一项重大的国情国力调查，是全面获取地理国情信息的重要手段，是掌握地表自然、生态以及人类活动基本情况的基础性工作。地理国情信息分类对象主要包括地表形态、地表覆盖和重要地理国情监测要素3个方面，其中地表覆盖分类信息反映土地表面自然营造物和人工营造物的自然属性或状况。林地、草地、荒漠与裸露地、水域属于地表覆盖一级类，因此地理国情普查数据可以作为生态空间基础数据源。选择全国第一次地理国情普查数据作为基期，时相为2015年，2018年度基础性地理国情监测数据作为监测期。全国第一次地理国情普查的10m格网数字高程模型（DEM）作为地形单元数据源。地理国情要素数据中的HYDA层、BOUA5层、BERA4层分别作为长江水域范围、县级行政单元、主体功能区的数据源。数据预处理主要有提取覆盖研究区的长江范围、县级行政单元、主体功能区的图斑，长江水域图斑合并，地表覆盖分类编码（CC码）一致性处理等。其中长江水域图斑合并的目的是消除区县级接边界线。2017年及以后的基础性地理国情监测数据CC码与2015年地理国情普查数据的有变更，需要进行一致性处理。

2、统计方法

2.1统计单元

三峡库区作为生态环境脆弱和土壤侵蚀敏感地区，是水土保持型国家重点生态功能区[5]，从地形单元对其重要生态要素进行统计具有重要意义。高程带、坡度带由DEM数据衍生得到。国土空间具有多种功能，但必须有一种主体功能。《全国主体功能区规划》将三峡库区部分区域定为限制开发区、禁止开发区[6]，因此有必要从主体功能区角度统计生态空间特征。国家和地方不同层面着力推进长江岸线生态保护与修复、水土保持工作[7]，掌握长江岸线缓冲区范围内的生态要素数量与分布特征十分必要。基于此，选定县级行政单元、地形单元（高程带、坡度带）、主体功能区、长江岸线缓冲区作为三峡库区生态空间统计单元。

2.2统计过程

每类生态要素不同单元下的面积统计、报表输出等前期统计计算主要由利用ArcGIS模型构建器创建的工具集完成，如图1所示。1）单期要素提取。由于地理国情普查及监测数据的分区数据以区县GDB为单元存放，时点提取工具的输入量有2个：单个区县的地表覆盖层（V_LCRA），投影方式（仅跨带区县选择）。通过添加输入量V_LCRA层的ParsePath对象，类型设置为PATH，其Value值赋给工具生成的中间结果以及最终生态要素图层的存储路径，可以实现各个结果输出位置与原始地表覆盖图层位置一致。首选通过属性选择，分离出各类生态要素。投影后的图斑（其Shape_area即为图斑平面面积），通过属性计算赋给新建的字段AREA。对于跨带图斑的面积，根据唯一标识字段FEAID连接原始图斑的两个部分，将两部分面积相加得到。2）单期要素统计。输入量有要素GDB、DEM、长江水域范围、主体功能区、投影方式（仅跨带区县选择）。地形单元提取时先将初始统计单元图层进行平面投影转换（Project），其中DEM还需要进行坡度（Slope）运算，并按照高程分级、坡度分级分别进行栅格重分类（Reclassify），把重分类结果转换为矢量数据（RasterToPolygon），矢量结果的“Gridcode”字段记录高程和坡度分级信息。长江岸线缓冲区数据进行多环缓冲区处理（MultipleRingBuffer）。每种统计单元的矢量数据分别与单一生态要素进行面面叠加（Intersect），使用汇总统计工具（SummaryStatistics），设定统计字段和控制字段（例如CC和Gridcode），对每个要素同一统计单元的面积归类汇总。最后根据设置的输出路径，批量输出报表（TableToExcel）。统计成果按单一生态要素的不同统计单元存放，如图2所示。3）要素变化提取。基期和监测期地表覆盖分类层进行Intersect处理，提取分类码不一致的作为变化部分，每个图斑记录CC与CC_1两个分类码。两期全覆盖图层之间的变化转入和转出之和为0。变化部分面积AREA计算后，利用CopyFeatures工具复制一份变化要素，分别作为转入（changeI）和转出（changeD），新建变化标记字段“ChangeType”，转入和转出分别赋值1和2，同时将转出部分的CC_1赋值给CC。最后合并转入层和转出层，按类将变化图斑分层输出。

图1ArcGIS工具集

图2统计表格（整理前）

2.3统计结果整理

统计结果的整理主要通过FME软件来实现。整理的内容主要包括属性值文字化、地表覆盖一级类面积汇总、面积占比的计算、监测区全区数据汇总、报表合并等。

1）分县表格整理。使用Joiner根据对照关系，将要素名称、地形单元分级、行政区名称与代码等属性挂接到统计表格中。设置CC码前两位等群组字段，通过StatisticsCalculator转换器统计地表覆盖一级类的面积，统计单个县的各级统计单元总面积，后者用于面积占比计算。插入多个Writes，将多个单张Excel表输出到一个工作簿中，形成分县统计数据集。

2）全区成果合并。输入多个分县统计数据集，首先汇总得到监测区全区的各级统计单元总面积，用于分类的面积占比计算，最终形成全区的统计数据集。整理过程中，可利用Sorter转换器，根据特定属性字段，将表格中的记录按规则顺序排列。此外，根据要素变化矢量数据集，利用FME提取要素转移序列和转移矩阵，为要素流转方向提供数据支持。

3、结语

利用GIS技术进行三峡库区重要生态要素统计的方法已在国家专题性地理国情监测项目中得到应用，为生态空间统计分析以及地理国情统计分析提供了新的技术手段。

参考文献：

[1]姜广辉,付晶,谭雪晶,等.北京国土空间结构与未来空间秩序研究——基于主体功能区划框架[J].中国人口•资源与环境,2011,21(1):20-27.

[2]顾晋饴,刘培,李岱远,等.三峡库区生态环境与经济协调发展时空演变特征[J].三峡生态环境监测,2019,4(1):22-30.

[3]官冬杰,曾一笑.基于模糊物元模型的三峡库区重庆段生态安全评价[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2017,36(12):73-81.

[4]吴凯,王晓琳,刘培,等.三峡库区生态系统时空分布及其演替特征[J].三峡生态环境监测,2017,2(4):1-9.

[5]刘军林,陈国生.国家重点生态功能区旅游化发展研究——以三峡库区水土保持生态区为例[J].南通大学学报(社会科学版),2018,34(1):41-47.

[6]国务院.全国主体功能区规划[M].北京:人民出版社,2015.

[7]徐梦佳,刘冬,葛峰,等.长江经济带典型生态脆弱区生态修复和保护现状及对策研究[J].环境保护,2017,45(16):50-53

翟彦放.基于GIS技术的三峡库区生态空间统计方法[J].地理空间信息,2020,18(2):64-65