一种城市人工湿地公园生态地质环境稳定性的评价方法

摘要

本发明涉及湿地公园生态保护领域，涉及人工湿地公园生态地质环境稳定性的评价方法。一种城市人工湿地公园生态地质环境稳定性的评价方法，包括以下步骤：收集并调查分析城市人工湿地公园的生态、地质、水土环境质量的基本特征参数，获得湿地公园生态地质环境的原始数据；将所述的基本特征参数处理生成因子层，建立综合评价指标体系；计算各评价指标的综合权重；基于GIS平台构建评价模型；利用所述的评价模型，对研究区生态地质环境稳定性进行评价。本发明的方法面向湿地公园评估与规划设计人员，不同于以往传统的评估方法，在RS、GIS、GPS和人工智能算法的支持下，基于时空大数据分析生态环境的不同特征，对湿地公园的生态地质环境稳定性进行评估，为湿地公园规划提供科学指导。

说明书

技术领域

本发明涉及湿地公园生态保护领域，具体涉及一种评价城市人工湿地公园生态地质环境稳定性的方法。

背景技术

湿地系统是由水陆相互作用形成的复合生态系统，具有重要的生态功能，如净水、固碳、泄洪、调节局部小气候、防止土壤流失和蓄养水资源等。但是，随着自然资源的不断开发利用(土地、矿产和空间资源)和经济建设，湿地系统遭到大面积破坏，据统计，自1990年以来，世界范围内约50％的自然湿地已退化。由此引发了水土流失、污染等生态环境问题，这些问题已逐渐成为制约城市健康发展的重要因素，严重威胁了人类的生存环境。因此，解决湿地的生态地质环境问题对于人类安全、城市发展和规划有极大的推进作用。

为了合理解决湿地的相关问题，扩大湿地资源的比例和协调经济的发展，中国政府在湿地保护方面做出了许多努力。在全球范围内，众多学者也对湿地进行了研究，相关研究由单一的湿地特征定性描述，发展到目前的湿地价值评价、湿地生态系统健康评价、湿地环境影响评价以及湿地生态风险评价等定量评价，但由于湿地数据获取的有效性、多样性和不确定性，使得对湿地生态环境质量的分析、评价以及规划变得十分困难，相关研究也较少。并且，大多数的研究对象仍然集中在自然湿地上，对于湿地公园这种特殊类型的湿地研究较少。此外，也较少有综合生态、地质、环境的多元角度对湿地系统的稳定性进行研究。

随着3S技术(RS、GIS、GPS)、数值模拟、人工智能算法的兴起，相关困难得到解决，这些方法在湿地的评价上得到了广泛的应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种评价城市人工湿地公园生态地质环境稳定性的方法，为城市地区湿地资源的可持续发展和生态地质环境评价、保护提供参考依据，为类似湿地规划及选址提供一个可以参考的标准以及可靠的地质科学依据。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种城市人工湿地公园生态地质环境稳定性的评价方法，其包括以下步骤：

1)收集并调查分析城市人工湿地公园的生态、地质、水土环境质量的基本特征参数，获得湿地公园生态地质环境的原始数据；

2)将所述的基本特征参数处理生成因子层，建立综合评价指标体系；

3)计算各评价指标的综合权重；

4)基于GIS平台构建评价模型；

5)利用所述的评价模型，对研究区生态地质环境稳定性进行评价。

作为本发明的一种优选方式，步骤1)中所述基本特征参数包括地质构造、地形因子、地球化学、气象条件、土地利用类型、植被覆盖程度。

作为本发明的一种优选方式，步骤2)中生态地质环境评价指标体系的建立方法包括：a)从所述基本特征参数中选择影响生态地质环境稳定性的影响因子；b)结合专家经验法、自然间断点法、归一化方法对影响因子进行分级并赋予0～1范围内的值；c)通过SPSS平台进行数据分析，最终确定影响生态地质环境稳定性的主要影响因子，将其作为评价指标。

进一步优选地，所述的评价指标包括：归一化植被指数、水域湿地、生态土地利用类型、地表高程、地形坡度、地下水埋深、土壤质量、地表水质量和地下水质量。

作为本发明的一种优选方式，步骤3)中各评价指标的综合权重的计算方法包括：

A.首先，采用德尔菲专家调查法征求相关领域共9位专家学者的意见；

B.其次，每位专家根据1–9比例法评估每个评价指标对生态环境的相对重要性，确定出第k个专家在该评估方法下对第i和j两个评价指标的相对重要程度的判断为B

C.然后利用三角模糊数，建立模糊组判断矩阵，矩阵表示如下：

B

D.确定评价指标F

其中，

E.通过几何平均法计算每个评价指标的相对权重，然后将其归一化处理，即可得综合权重，归一化公式如下：

作为本发明的一种优选方式，步骤4)中基于GIS平台构建评价模型的方法包括：

依据确定的评价指标及综合权重，将各评价指标在GIS平台中栅格化，其通式如下：

其中，W

根据S

作为本发明的一种优选方式，步骤5)中对湿地生态地质环境稳定性进行评价的步骤如下：

使用ArcGIS处理原始数据，对影响因子进行归一化；

基于Python平台，将研究区的生态地质环境进行分类；

结合研究区的生态地质环境分类，在构建的评价模型中对湿地生态地质环境稳定性进行分区评价。

进一步优选地，所述研究区的生态地质环境采用如下方法进行分类：采用改进的k-means聚类算法将研究区的生态地质环境分为五类，分别是耕地农田、灌木林地、沼泽水域、沉砂池和水库。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

本发明提供的城市人工湿地公园生态地质环境稳定性的评价方法，从生态、地质及水土环境质量多个方面全面的考虑了城市人工湿地公园复杂的生态-地质-环境质量的系统特点，评价了城市人工湿地生态环境质量的稳定性状况。本发明充分利用RS、GPS的大数据存储功能、GIS平台的数据处理空间分析功能以及Python系统的人工智能数据分析技术(机器学习和深度学习)，在建立GIS和Python良好的接口条件下，利用模糊德尔菲层次分析法实现对各种城市人工湿地生态地质环境稳定性影响因子数据的处理(赋值、赋权、分类等)，以及影响因素的叠加分析，从而提取获得生态地质环境稳定性的数值。通过实际应用表明，该方法不同于以往的传统生态稳定性评价方法，在GIS和Python环境下进行，达到了预期效果，为生态地质环境的评价和规划提供了新的思路。

附图说明

图1为本发明基于评价城市人工湿地公园生态地质环境稳定性的技术路线图。

图2为本发明城市人工湿地公园生态地质环境稳定性评价层次结构模型；

图3为本发明实施实例中济西国家湿地公园的生态因子层；

图4为本发明实施实例中济西国家湿地公园的地质因子层；

图5为本发明实施实例中济西国家湿地公园的水土环境质量因子层；

图6为本发明实施实例中济西国家湿地公园基于机器学习的生态地质环境分类图；

图7为本发明实施实例中济西国家湿地公园的生态地质环境稳定性分级图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。

实施例1本实施提供的是基于GIS和Python环境下的城市人工湿地公园的生态地质环境稳定性的评价方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

(1)收集并调查分析城市人工湿地公园的生态、地质、水土环境质量的基本特征参数，获得湿地公园生态地质环境的现状情况，并依据所述现状情况制定所述湿地公园的规划和恢复目标。

其中，市人工湿地公园的生态、地质、水土环境质量的基本特征参数包括地质构造、地形因子、地球化学(土壤、地表水、地下水)、气象条件、土地利用类型、植被覆盖程度等数据。

土壤数据包括采集表层、距地表1m和距离地表2m的土壤样品。地表水数据包括在湖泊湿地主要河流入口和出口处、工农业及生活废水排放入口处、河流内300～500m以及湿地湖泊内50～100m处均匀布置采样点，测量了丰水期、平水期、枯水期的水质。地下水数据包括取样分析丰水期、平水期、枯水期的水质。

(2)基于遥感影像、数字高程和环境质量插值处理生成因子层，建立了综合评价指标体系，如图2所示，具体步骤如下：

a.生态地质环境评价指标的选取，是指选择影响生态地质环境稳定性的影响因子，主要包括三大方面：生态环境(M1)、地质环境(M2)和水土环境质量(M3)。

b.结合专家经验法、自然间断点法、归一化等方法对各评价指标(影响因子)进行分级并赋予0～1范围内的值。通过SPSS平台进行数据分析，最终确定研究区稳定性评估的主要影响因子。

采用上述方法，本实施例确定9个主要影响因子作为评价指标：归一化植被指数(NDVI，F1)、水域湿地(F2)、生态土地利用类型(F3)、地表高程(F4)、地形坡度(F5)、地下水埋深(F6)、土壤质量(F7)、地表水质量(F8)、地下水质量(F9)。

(3)通过运用模糊德尔菲层次分析法计算各评价指标的综合权重，具体步骤如下：

由于每一个评价指标(影响因子)对城市人工湿地公园生态地质环境稳定性的贡献大小不同，因此不同影响因子有不同的权重Wi，权重的计算方法为：

A.首先，采用德尔菲专家调查法征求相关领域共9位专家学者的意见，其中3位为水文地质专家、3位为生态学专家、3位为园林规划专家。

B.其次，每位专家根据1–9比例法评估每个评价指标对生态环境的相对重要性，确定出第k个专家在该评估方法(例如Saaty的1-9比例法)下对第i和j两个评价指标之间的相对重要程度的判断为B

C.然后利用三角模糊数，建立模糊组判断矩阵，表示如下：

B

在决策专家主观意见的基础上，综合其他专家的建议，建立相对客观的模糊群体判断矩阵。

D.接着，确定评价指标F

E.最后，通过几何平均法计算每个评价指标的相对权重，然后将其归一化处理，即可得每个评价指标的综合权重。归一化公式如下：

(4)基于GIS平台构建评价模型

依据步骤(2)a中确定的生态地质环境稳定性评价指标，及步骤(3)E中确定的每个评价指标的综合权重，将各评价指标在GIS平台中栅格化，其通式如下：

其中，W

根据综合评估值S

表1综合生态地质环境稳定性分级

构建的评价模型中城市人工湿地的生态地质环境稳定性的评价标准如表2所示。

表2城市人工湿地的生态地质环境稳定性的评价标准

(5)对湿地生态地质环境稳定性进行分区评价，具体步骤如下：

使用ArcGIS处理原始数据(即步骤(1)获得的城市人工湿地公园的生态、地质、水土环境质量的基本特征参数)，对影响生态地质环境稳定性的影响因子进行归一化；

基于Python平台，采用机器学习技术，如改进的k-means聚类算法将研究区的生态地质环境分为五类，如表3所示。

表3生态地质环境类型

结合上述步骤中获得的研究区的生态地质环境分类，在构建的评价模型GIS平台中对不同的生态地质环境类别进行分区评价，获得湿地公园生态地质环境稳定性评价结果。

(6)最后，通过比较定量评价结果与现场确认和遥感定性分析，对获得的评价结果进行验证。

实施例2本实施例采用本发明提供的评价方法，对研究区湿地公园的生态地质环境稳定性进行评价，具体过程如下：

(1)研究区(湿地公园)概况：研究区位于济南市中心城区的西部，地理坐标范围为116°45'E～116°50'E、36°37'N～36°41'N，北部为沉沙池、大坝，西部为黄河，南部至冯庄村与老李村间道路，东部为南水北调东线引渠，面积约为33.6km

(2)评价指标数据的获取方式

利用研究区Landsat图像、DEM影像、基础地质、水文气象数据等相关数据资料获取指标数据。其中Landsat 8 OLI数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台，土地利用数据由支持向量机(SVM)使用Landsat图像提取。DEM影像采取无人机实地勘测与影像结合校正，利用ENVI5.4专业遥感图像处理软件，对遥感数据进行辐射定标、大气校正、镶嵌、波段组合、增强等处理，编制遥感影像图。同时，为了确定湿地内的水土环境质量，采集了9个地方的地表水样，14个地点的地下水样和16个地点的土壤样品。每个地点的样品采集三组进行比较分析。

(3)数据的预处理

指对所有的影响因子，利用GIS方法，依据各影响因子对稳定性的贡献程度，同时基于相关国家标准规范文件与济西国家湿地公园的历史数据统计，对影响因子进行分级和归一化处理。

(4)评价指标的选择

根据《拉姆萨尔公约》中的要求，评估指标的选取应当具备以下两个要素：(1)能够具体描述湿地环境现状(生态系统、社会系统状态，近期和现在存在的压力，现有条件)，缺乏数据地区可通过科学方法搜集专家和当地居民意见来弥补；(2)能够描述现在和未来可能存在的压力。

据此，选择对生态环境起主导作用的影响因子，剔除次要因子。同时，考虑到信息获取的准确性、有效性，湿地的稳定性包含了三大类：生态环境M1、地质环境M2和水土环境质量M3。

每一大类分别选择3个共选择9个因子：生态环境M1：归一化植被指数(NDVI)F1、水域湿地F2、生态土地利用类型F3；地质环境M2：地表高程F4、地形坡度F5、地下水埋深F6；水土环境质量M3：土壤质量F7、地表水质量F8、地下水质量F9，如图2所示。

采用上述方法，选取的济西国家湿地公园的生态因子层如图3所示，地质因子层如图4所示，水土环境质量因子层如图5所示。

结合专家经验法、自然间断点法、归一化等方法对各评价指标(选取的影响因子)进行分级并赋予0～1范围内的值。通过SPSS平台进行数据分析，最终确定影响生态地质环境稳定性的主要影响因子，将其作为评价指标，制定湿地公园生态地质环境稳定性综合评价指标体系。

(5)赋权

由于每一个评价指标对城市人工湿地公园生态地质环境稳定性贡献的大小不同，基于模糊数学法、德尔菲专家调查法、层次分析法等融合理论对评价指标进行赋权，具体方法如下步骤：

A.采用德尔菲专家调查法征求了相关领域共9位专家学者的意见，其中3位为水文地质专家、3位为生态学专家、3位为园林规划专家。每位专家根据1–9比例法评估每个评价指标对生态环境的相对重要性；

B.其次，确定出第k个专家在该评估方法准则下对第i和j两个评价指标之间的相对重要程度的判断为B

C.然后利用三角模糊数，在决策者主观意见的基础上，建立相对客观的模糊群体判断矩阵，从而综合了专家的建议。模糊组判断矩阵表示如下：B

D.接着，确定评估指标F

E.最后，通过几何平均法计算每个评价指标的相对权重，然后将其归一化处理，即可得每个评价指标的综合权重。归一化综合权重由如下公式获得：

获得的9个评价指标的综合权重如表4所示。

表4各评价指标的决策权重

(6)依据上述步骤中确定的生态地质环境稳定性评价指标，以及确定的每个评价指标的综合权重，将各评价指标在GIS平台中栅格化，其通式如下：

其中，W

根据S

(7)对济西国家湿地公园湿地生态地质环境稳定性进行分区评价

使用ArcGIS处理原始数据，在对主要控制因子进行归一化后，在Python中编程进行高维数据聚类分析。Python计算后，处理后的数据以ArcGIS可以读取的格式输出。利用ArcGIS对聚类结果进行了统计分析。最后，根据聚类的结果到实地进行调查，划分生态地质环境类型，如表3和图6所示。

(8)在构建的GIS平台中，利用评价模型结合上述步骤获得的济西国家湿地公园生态地质环境类型，对济西国家湿地公园生态地质环境稳定性进行分区评价。评价结果如图7所示。

(9)通过比较定量评价结果与现场确认和遥感定性分析进行验证，对济西国家湿地公园进行规划。

通过对研究区生态环境与地质情况、土地利用类型、地下水和地表水资源类型与分布、植被覆盖度等实际情况进行调查，验证了本发明提供的稳定性评价方法的适用性。