一种基于调查与因子修正的植被可恢复性评价方法

摘要

一种基于调查与因子修正的植被可恢复性评价方法，其是根据自然植被类型与主环境因子空间分布特征，划定区域植被因子等级与主环境因子等级，再对上述两个等级相互不协调之处选点进行不协调点位筛选与现场踏勘、复核，再拓展环境因子并与主环境因子评价结果结合划分系列环境因子等级，评判各等级与现场实际的相符性，确定最终用于植被可恢复性评价的植被因子与环境因子，评价最终植被可恢复性等级，该评价方法科学、实用，适于实践应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种生态环境领域的植被可恢复性评价方法，特别是一种基于调查与因子修正的植被可恢复性评价方法,其采用了现场踏勘结合空间分析技术的环境因子筛选及评价结果修正方法，提高评价结果准确性。

背景技术

青藏高原高寒冻土区，受高寒、干旱、多风等因素限制，植物生长极其缓慢，生态环境极其脆弱，植被一旦受破坏后恢复困难。在公路、铁路等基础设施建设中，不可避免地要对沿线植被造成破坏，不仅可供恢复的植物种类较少，且恢复的效果也不尽理想。青藏公路铁路路程长，跨越多个植被气候区，沿线气候条件、水热状况、植被类型均存在很大差异，对不同路段的植被利用与保护均应慎重地分别采用保护或恢复的方法。而在一个较大区域大尺度上针对植被可恢复性的研究还未曾系统地开展过，目前该研究存在几方面问题，主要表现在：

1.由于大尺度植被可恢复性工作的缺乏，导致工程实践中对草皮采取保护或恢复的措施缺乏预见性，在部分自然环境严酷、植被可恢复性较差区域开展植被恢复工程效果不理想。

2.植被可恢复性评价工作中，各因子选择的主观性较强，没有结合现场调查对因子进行筛选，导致评价结果的客观性备受质疑。

正因如此，在交通、管道等基础设施建设中，对自然植被选择保护或恢复技术显得尤为重要的保护与利用显得尤其重要，在大尺度上开展植被可恢复性的评价，确定植被保护与恢复路段，指导工程建设部门在公路建设中针对性地采取保护与恢复技术，具有重要的指导意义。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有植被可恢复评价中评价因子筛选主观性强，遴选与剔除较缺少科学依据的弊端，利用主成分分析等因子分析技术手段进行环境因子筛选，所要解决的技术问题是实现了环境因子评价结果与现场复核工作的结合，对环境因子评价结果进行修正，进而形成植被可恢复性评价成果。

本发明的另一目的在于，克服现有工程实践中进行植被保护与恢复措施的选择时，由于缺少对区域植被及气候条件的分析，从而使植被保护与恢复技术的选择缺少规划指导的弊端，提供一种基于调查与因子修正的植被可恢复性评价方法,所要解决的技术问题是使针对工程建设不同区段的植被及环境特征，确定其恢复的可行性，使植被保护或恢复技术的选择更为科学合理，从而有针对性地避免自然植被破坏，改善植被恢复效果，非常适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种基于调查与因子修正的植被可恢复性评价方法,其是筛选植被覆盖度因子作为植被因子，筛选年积温、区域干燥度指数作为主环境因子，划定植被因子等级与主环境因子等级，再对上述两个评价等级不一致的区域随机选点进行现场踏勘、复核，拓展温度、降水、地形、土壤环境因子，与主环境因子评价结果多种形式结合划分系列环境因子等级，将各等级结果与现场进行比对，将一致性最好的评价结果作为植被可恢复性评价结果，该结果对应的环境因子组合作为最终的环境因子,其具体步骤如下：

步骤1：划定区域植被因子等级与主环境因子等级

(1)划定区域植被因子等级

筛选植被覆盖度表征区域植被因子等级，植被覆盖度等级划分依据：由区域NDVI数据反演生成植被覆盖度数据，反演公式：

VFC＝(NDVI-NDVI_min)/(NDVI_max-NDVI_min)

其中：

VFC为植被覆盖度；

NDVI为归一化植被指数；

NDVImax为区域内最大归一化植被指数值；

和NDVImin为区域内最小的归一化植被指数值；

在GIS空间分析模块中，由区域NDVI数据生成区域植被覆盖度数据，采用自然分界法，将植被覆盖度结果划分为1-5级区域；

(2)划定主环境因子等级

筛选年积温、干燥度指数两个主环境因子，进行数据的采集，生成栅格数据，应用空间分析叠加方法，采用等权重加和计算分值，按自然分界法，划定主环境因子等级，由低至高划分为1-5级；

步骤2：等级不协调点位筛选与现场调查、复核

对于上述植被因子等级与主环境因子等级组合分值等级差异在3级以上的相互不协调的每个等级覆盖区域中随机选择3至多个调查点，现场采集调查点位的土壤温度与土壤含水量数据；将调查点的土壤温度与土壤含水量环境因子数值进行标准化后加权综合所得数值按自然分界法分为1-5级，生成现场核查点位处环境因子评价等级；

步骤3：划分系列环境因子等级

进一步收集如下几类环境因子数据资料：温度因子，包括年均温、生长季月均温；水分因子，包括生长季月均降水、土壤含水量；地形因子，包括海拔、坡度，地形湿润指数等；土壤因子：土壤类型；

应用主成分分析法，将拓展后的上述环境因子重新聚类成若干个主成分，每个主成分均为各环境因子的线性组合；取累计贡献率大于等于80％的主成分作为代表用于拓展评价的环境因子；

将主环境因子初步评价结果和拓展评价的环境因子评价结果，进行排列组合，生成系列环境因子等级，将系列环境因子等级按自然分界法分为1-5级；

步骤4：确定植被可恢复性等级

用按步骤2划分的现场核查点位处环境因子评价等级结果逐一校核按步骤3划分的系列环境因子等级结果，筛选步骤3划分的系列环境因子等级结果中与步骤2划分的现场核查点位处环境因子评价等级结果差异最小的结果，作为最终的环境因子等级；

将自然植被因子等级与最终的环境因子等级等权重相加，将加和结果按自然分界法分为1-5级，作为植被可恢复性等级。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。其至少具有下列优点：

1、本发明提出的基于现场复核与实验分析的植被可恢复性方法，在室内通过遥感图件的分析即可初步实现，结合现场踏勘可以再进行逐步细调，从而可以大大提高植被保护与恢复环节的针对性与可行性，避免现场决策的无序性。

2、本发明提出的基于现场复核与实验分析的植被可恢复性方法，将环境因子与植被因子进行了有机结合，使植被恢复的决策不仅要考虑满足决定植被生长的环境因子(水、热)要求，而且还要有环境植被条件作为保障，从而提高了决策的科学性；由于在自然环境中，植被生长的环境条件在不断地发生变迁，而草皮的退化或生长则具有滞后性，本发明将植被因子与环境因子分别结合进行等级划分与相互印证，对于二者评价等级矛盾区域进行现场踏勘核查，对等级区域进行修正，可以找到相关地区植被可恢复的限制性环境因子，以及环境因子或植被因子恶化的原因，这也提高了决策的科学性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

图1是本发明植被覆盖度分级评价图。

其中：

1：植被覆盖度1级 2：植被覆盖度2级

3：植被覆盖度3级 4：植被覆盖度4级

5：植被覆盖度5级

图2是本发明主环境因子等级评价结果图

其中：

6：环境因子初步评价1级 7：环境因子初步评价2级

8：环境因子初步评价3级 9：环境因子初步评价4级

10：环境因子初步评价5级

图3本发明现场调查点位环境因子评价等级图

其中：

11：现场调查点环境因子评价1级

12：现场调查点环境因子评价2级

13：现场调查点环境因子评价3级

14：现场调查点环境因子评价4级

15：现场调查点环境因子评价5级

图4是本发明环境因子格网化示例图。

图5A是本发明降水因子评价图。

图5B是地形因子评价图。

图5C是土壤水分因子评价图。

图5D是湿润指数评价图。

其中：

16：主成分因子评价等级1级

17：主成分因子评价等级2级

18：主成分因子评价等级3级

19：主成分因子评价等级4级

20：主成分因子评价等级5级

图6A是本发明主环境因子与降水、地形、土壤因子综合评价图。

图6B是本发明主环境因子与降水、地形、湿润指数综合评价图。

其中：

21：系列环境因子评价等级1级

22：系列环境因子评价等级2级

23：系列环境因子评价等级3级

24：系列环境因子评价等级4级

25：系列环境因子评价等级5级

图7是本发明植被可恢复性等级评价图

图8是本发明框架图。

具体实施方式

实施例1

某公路位于青藏高原高寒区，沿途植被类型以高寒草原、高寒草甸、荒漠草原等为主，在公路建设中，为了实现全线植被的科学规划、高效保护与利用，采用了本发明人提出的方法。

首先以该公路中心线为对象，生成两侧各5km缓冲区，以该面状区域作为评价区。主要思路是结合植被覆盖度与环境因子共同进行植被可恢复性等级划分，首先提取评价区主要环境因子(积温、干燥度)及植被覆盖度因子进行等级划分。在植被因子等级与主环境因子等级级差较大区域选点，现场复核调查点位的土壤温度、土壤水分状况，进行现场核查点位处环境因子评价等级

环境因子等级划分。再引入系列环境因子，结合主环境因子评级划分系列环境因子等级，并将系列环境因子等级结果与现场核查点位处环境因子评价等级结果一一比对，筛选出与现场情况符合性最好的系列环境因子等级，作为最终的用于植被可恢复性评价的环境因子等级。最后，结合自然植被因子等级与系列环境因子等级划分最终的植被可恢复性等级。具体步骤如下，参见图8所示：

步骤1：划定区域植被因子等级与主环境因子等级

(1)划定区域植被因子等级

筛选植被覆盖度表征区域植被因子等级，植被覆盖度等级划分依据：由区域NDVI数据反演生成植被覆盖度数据，反演公式：

VFC＝(NDVI-NDVI_min)/(NDVI_max-NDVI_min)

其中：

VFC为植被覆盖度；

NDVI为归一化植被指数；

NDVImax为区域内最大归一化植被指数值；

和NDVImin为区域内最小的归一化植被指数值；

在GIS空间分析模块中，由区域NDVI数据生成区域植被覆盖度数据，采用自然分界法，将植被覆盖度结果划分为1-5级区域；

(2)划定主环境因子等级

筛选年积温、干燥度指数两个主环境因子，进行数据的采集，生成栅格数据，应用空间分析叠加方法，采用等权重加和计算分值，按自然分界法，划定主环境因子等级，由低至高划分为1-5级；

步骤2：等级不协调点位筛选与现场调查、复核

对于上述植被因子等级与主环境因子等级组合分值等级差异在3级以上的相互不协调的每个等级覆盖区域中随机选择3至多个调查点，现场采集调查点位的土壤温度与土壤含水量数据；将调查点的土壤温度与土壤含水量环境因子数值进行标准化后加权综合所得数值按自然分界法分为1-5级，生成现场核查点位处环境因子评价等级；

步骤3：划分系列环境因子等级

进一步收集如下几类环境因子数据资料：温度因子，包括年均温、生长季月均温；水分因子，包括生长季月均降水、土壤含水量；地形因子，包括海拔、坡度，地形湿润指数等；土壤因子：土壤类型；

应用主成分分析法，将拓展后的上述环境因子重新聚类成若干个主成分，每个主成分均为各环境因子的线性组合；取累计贡献率大于等于80％的主成分作为代表用于拓展评价的环境因子；

将主环境因子初步评价结果和拓展评价的环境因子评价结果，进行排列组合，生成系列环境因子等级，将系列环境因子等级按自然分界法分为1-5级；

步骤4：确定植被可恢复性等级

用按步骤2划分的现场核查点位处环境因子评价等级结果逐一校核按步骤3划分的系列环境因子等级结果，筛选步骤3划分的系列环境因子等级结果中与步骤2划分的现场核查点位处环境因子评价等级结果差异最小的结果，作为最终的环境因子等级；

将自然植被因子等级与最终的环境因子等级等权重相加，将加和结果按自然分界法分为1-5级，作为植被可恢复性等级。

具体步骤如下：

步骤1：划定区域植被因子等级与主环境因子等级

(1)划定区域植被因子等级

筛选植被覆盖度表征区域植被因子等级，植被覆盖度等级划分依据：由区域NDVI数据反演生成植被覆盖度数据，反演公式：

VFC＝(NDVI-NDVI_min)/(NDVI_max-NDVI_min)

其中：

VFC为植被覆盖度；

NDVI为归一化植被指数；

NDVImax为区域内最大归一化植被指数值；

和NDVImin为区域内最小的归一化植被指数值；

在GIS空间分析模块中，由区域NDVI数据生成区域植被覆盖度数据，采用自然分界法，将植被覆盖度结果划分为1-5级区域；其中：

1级数值范围：0％-21％

2级数值范围：21％-39％

3级数值范围：39％-59％

4级数值范围：59％-79％

5级数值范围：79％-100％评价结果如图1所示：1为植被覆盖度1级，2为植被覆盖度2级，3为植被覆盖度3级，4为植被覆盖度4级，5为植被覆盖度5级。

(2)划定主环境因子等级

筛选年积温、干燥度指数两个主环境因子，进行数据的采集，经空间插值生成栅格数据，应用空间分析叠加方法，将两个因子数据分别进行标准化，对标准化后的数值采用等权重加和计算分值，按自然分界法，由低至高划分为1-5级。

1级数值范围：0.088-0.183

2级数值范围：0.183-0.286

3级数值范围：0.286-0.549

4级数值范围：0.549-1.208

5级数值范围：1.208-2.000

评价结果如图2所示：图中6为环境因子初步评价1级，7为环境因子初步评价2级，8为环境因子初步评价3级，9为环境因子初步评价4级，10为环境因子初步评价5级。

步骤2：等级不协调点位筛选与现场调查、复核

对于上述植被因子等级与主环境因子等级组合分值等级差异在3级以上的相互不协调的每个等级覆盖区域中随机选择3至多个调查点，现场采集调查点位的土壤温度与土壤含水量数据；将调查点的土壤温度与土壤含水量环境因子数值进行标准化后加权综合所得数值按自然分界法分为1-5级，生成现场核查点位处环境因子评价等级。其中：

1级数值范围：0.526-0.645

2级数值范围：0.645-0.787

3级数值范围：0.787-0.903

4级数值范围：0.903-1.165

5级数值范围：1.165-1.813

评价结果如图3所示：图中11为现场调查点环境因子评价1级，12为现场调查点环境因子评价2级，13为现场调查点环境因子评价3级，14为现场调查点环境因子评价4级，15为现场调查点环境因子评价5级。

步骤3：划分系列环境因子等级

(1)环境因子格网化

在GIS软件中，应用FISHNET命令将评价区划分为500m×500m格网矩阵，将各评价因子分别套入该矩阵中每一网格中进行计算，以网格为评价单元，进行植被可恢复性评价，空间格网划分见图4。

(2)环境因子数据主成分分析与主成分因子生成

将地形起伏度、0-10cm土壤水分、10-40cm土壤水分、坡度、海拔、地形湿润指数、年均温、生长季均温、生长季月降水量、年降水量等环境因子数据代入空间格网，提取各网格内的上述环境因子数值，以网格为单元进行主成分分析，计算各主成分因子贡献值，经计算，前四个主成分因子的贡献率达到80％，将这4项主成分因子作为拓展评价的环境因子，四个环境因子分别代表：

Factor1(因子A)：降水因子

Factor2(因子B)：地形因子

Factor3(因子C)：土壤水分因子

Factor4(因子D)：地形湿润指数因子

分别制作空间格网内各主成分因子评价结果如图5A-图5D所示:图中16为主成分因子评价等级1级，17为主成分因子评价等级2级，18为主成分因子评价等级3级，19为主成分因子评价等级4级，20为主成分因子评价等级5级。

(3)系列环境因子评价结果

分别将主环境因子评价等级与生成的4个主成分因子进行排列组合，将主环境因子等级设为数字1，拓展评价的环境因子分别为因子A、因子B、因子C、因子D，则排列组合的12种形式如下表所示：

将排列组合生成的12项评价结果分别按自然分界法分为1-5级，评价结果如图6A-图6B所示：图中21为系列环境因子评价等级1级，22为系列环境因子评价等级2级，23：系列环境因子评价等级3级，24为系列环境因子评价等级4级，25为系列环境因子评价等级5级。

步骤4：确定植被可恢复性等级

将步骤2生成的现场复核点位环境因子评价等级与对应点位上的按步骤3划分的系列环境因子评价结果进行逐一比对。对比方法为：①计算现场调查点位上的两种评级差，②计算各调查点位上评级差的总体标准差，③提取标准差最小的一个评价组合作为最终的环境因子等级，见表1、续表1。

由结果对比表可知，各调查点位上主环境因子等级与降水因子结合的环境因子评价结果与现场复核点位评价结果等级差值的标准差最小，为1.122。筛选该评价结果作为最终的环境因子等级。

表1调查点位环境因子评价等级与系列环境因子评价结果对比表

续表1调查点位环境因子评价等级与系列环境因子评价结果对比表

将自然植被因子等级与最终的环境因子等级等权重相加，将加和结果按自然分界法分为1-5级，作为植被可恢复性等级。其中，

评价等级1数值区间为：0.040-0.518

评价等级2数值区间为：0.518-0.931

评价等级3数值区间为：0.931-1.135

评价等级4数值区间为：1.135-1.339

评价等级5数值区间为：1.339-1.712

如图7所示：图中26为植被可恢复性等级1级，27为植被可恢复性等级2级，28为植被可恢复性等级3级，29为植被可恢复性等级4级，30为植被可恢复性等级5级。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。