一种基于遥感和地理信息系统的生态环境动态监测方法

摘要

本发明请求保护的一种基于遥感和地理信息系统的生态环境动态监测方法运用PSR模型构建生态环境质量评价体系框架。运用主成分分析法对影响研究区域生态环境质量等级主要因素进行分析并得出结果。将土地利用信息图谱和生态环境质量等级相结合得出生态环境质量等级空间分布，明确其时空演变特征以及演变过程；基于障碍度模型研究结果了解到影响生态环境提升的影响因素，并提出对今后环境的提高提供科学依据。通过所构建的水动力‑水质模型,结合实际,得出特定工况下库区受威胁程度,为监测预警提供参考。根据水质模拟及河道流场分析结果,针对三河口流域生态受损河段,提出河道生态修复建议及对策。

说明书

技术领域

本发明属于计算机数学模型处理和生态学综合交叉领域，具体的，涉及一种基于遥感和地理信息系统的生态环境动态监测方法。

背景技术

生态环境是由生态关系构成的环境的简称。它与人密切相关，是影响人类生产生活的自然力或功能的总和。生态环境在人类生存和发展的过程中起到重要作用，具体表现在水资源、土地资源、生物资源和气候资源。生态环境的发展与社会经济的可持续发展有关，它在人类在改造自然的同时对人类的破坏会产生负反馈。生态系统是由生物群落和非生物自然因素组合而成的有机整体，影响了自然因素的结构，对人类的生存与发展产生了或多或少的影响。随着目前经济飞速发展，过快的城镇化发展以及城乡建设已经危及到了生态环境，社会进步带来的化工厂超标排放、水污染、大气污染加剧、河流湖泊富营养化、泥石流、山体滑坡等现象时有发生，已经严重危及到生态环境质量以及人们身体健康。近年来，国家认识到了生态文明建设对于社会经济发展的重要价值，逐渐要以生态可持续为核心，生态环境建设为前提。对生态环境质量的研究对我们国家完善现有的生态环境文明理论以及生态文明体系起着关键的作用。

生态环境评价的主要目的体现在对生态环境的总体价值进行评估，可以有效地判断出人类在生态环境方面的需求。水源区水质达标是保障关中城市群化、生态化、工业化发展的前提,构建近自然健康化的水源区湿地是解决工程遗留问题的重要举措。因此在进行生态环境评价时，需要将社会因素的影响综合加入到生态环境评价中。运用科学的、行之有效的方法不仅可以让当地居民理解生态环境保护的重要意义，也为整个区域的生态环境改善提供科学依据。

而当前对于生态环境的信息化监测还缺少一种行之有效的全方位监管平台，用于合理评价区域生态环境并给出建设性意见。

发明内容

为解决当前的生态环境监测信息化问题，本发明请求保护一种基于遥感和地理信息系统的生态环境动态监测方法，其特征在于，包括：

完成生态环境指标体系的构建及数据处理；

搭建水动力模型并进行调试；

实施生态环境质量评价模型的构建与分析；

对生态环境质量评价模型进行调试，对结果进行率定和验证；

对生态环境质量进行障碍度分析，制定生态修复策略。

进一步地，所述完成生态环境指标体系的构建及数据预处理，还包括：

使用RS和GIS对地区生态环境质量的研究，运用模型构建生态环境质量评价体系，包括自然、社会、经济因素在内的24个指标统计数据；

择“压力－状态－响应”(PSR)模型作为地区生态环境总体评价指标体系，从压力、状态、响应三个系统出发，根据指标选取原则选取20个生态环境质量评价指标因子；

所述生态环境质量评价指标的选取包括生态环境质量压力系统指标、生态环境质量状态系统指标、生态环境质量响应系统指标；

所述数据处理包括数据预处理，

所述数据预处理为在遥感软件ENVI5.3和ArcGIS10.3的支持下，完成遥感图像的正射校正、辐射矫正、大气矫正、拼接和裁剪等处理，采用最大似然法完成遥感图像的分类；

所述数据处理还包括土地利用数据分类及处理、气象数据的提取与处理、土地利用变化研究、土地利用空间结构变化分析、土地利用动态度变化分析、土地利用信息图谱变化分析、生态环境质量评价指标数据处理。

进一步地，所述搭建水动力模型并进行调试，还包括：

构建平面二维水流连续方程和平面二维水流动量方程，采用有限体积法对以上水动力控制方程进行空间离散求解,并运用一阶形式进行数值求解；

制作研究区域边界数据文件，采用MIKE Mesh Generator将边界地形文件导入并进行边界平滑处理,定义进出口以及边界；通过模块自带功能对研宄区域进行非结构化网格单元划分,生成初始的网格文件，生成初始网格后将水深差值后输出地形图。

进一步地，所述实施生态环境质量评价模型的构建与分析，还包括：

生态环境评价指标权重计算，包括数据的标准化计算、熵权法计算权重；

采用主成分分析法对生态环境质量进行综合评价测算与分析；

对生态环境质量进行等级划分。

进一步地，所述对生态环境质量评价模型进行调试，对结果进行率定和验证，包括：

以水动力模拟的研究结果为基础,构建水质污染模型,再将监测点的实测值与模拟值对照分析,对模型的准确性进行率定验证；

利用构建的水质模型分析目标区域在经历突发性水质污染时水质的时空变化规律及流量与污染量浓度之间的关系；

水动力模型要进行参数率定及模型验证主要是水深、涡粘系数、曼宁系数；

对模型的验证,采用坝前实测水位资料对模型进行验证。

进一步地，所述对生态环境质量进行障碍度分析，制定生态修复策略，还包括：

搭建生态环境障碍度模型；

获取生态环境障碍度计算结果；

利用复合的生态系统对排放的污染物进行处理,物理沉降、生物处理方法原位修复。

本发明请求保护的一种基于遥感和地理信息系统的生态环境动态监测方法运用PSR模型构建生态环境质量评价体系框架。运用主成分分析法对影响研究区域生态环境质量等级主要因素进行分析并得出结果。将土地利用信息图谱和生态环境质量等级相结合得出生态环境质量等级空间分布，明确其时空演变特征以及演变过程；基于障碍度模型研究结果了解到影响生态环境提升的影响因素，并提出对今后环境的提高提供科学依据。通过所构建的水动力- 水质模型,结合实际,得出特定工况下库区受威胁程度,为监测预警提供参考。根据水质模拟及河道流场分析结果,针对三河口流域生态受损河段,提出河道生态修复建议及对策。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明所涉及的一种基于遥感和地理信息系统的生态环境动态监测方法的工作流程图；

图2为本发明所涉及的一种基于遥感和地理信息系统的生态环境动态监测方法实施例一的工作流程图；

图3为本发明所涉及的一种基于遥感和地理信息系统的生态环境动态监测方法实施例二的工作流程图；

图4为本发明所涉及的一种基于遥感和地理信息系统的生态环境动态监测方法实施例三的工作流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

参照附图1，本发明请求保护一种基于遥感和地理信息系统的生态环境动态监测方法，其特征在于，包括：

完成生态环境指标体系的构建及数据处理；

搭建水动力模型并进行调试；

实施生态环境质量评价模型的构建与分析；

对生态环境质量评价模型进行调试，对结果进行率定和验证；

对生态环境质量进行障碍度分析，制定生态修复策略。

进一步地，所述完成生态环境指标体系的构建及数据预处理，还包括：

使用RS和GIS对地区生态环境质量的研究，运用模型构建生态环境质量评价体系，包括自然、社会、经济因素在内的24个指标统计数据；

择“压力－状态－响应”(PSR)模型作为地区生态环境总体评价指标体系，从压力、状态、响应三个系统出发，根据指标选取原则选取20个生态环境质量评价指标因子；

所述生态环境质量评价指标的选取包括生态环境质量压力系统指标、生态环境质量状态系统指标、生态环境质量响应系统指标；

所述数据处理包括数据预处理，

所述数据预处理为在遥感软件ENVI5.3和ArcGIS10.3的支持下，完成遥感图像的正射校正、辐射矫正、大气矫正、拼接和裁剪等处理，采用最大似然法完成遥感图像的分类；

所述数据处理还包括土地利用数据分类及处理、气象数据的提取与处理、土地利用变化研究、土地利用空间结构变化分析、土地利用动态度变化分析、土地利用信息图谱变化分析、生态环境质量评价指标数据处理。

所述生态环境质量压力系统指标包括人均地区生产总值(万元)、年人均财政收入(万元)、农村人均可支配收入(万元)、城镇居民人均可支配收入(万元)、第三产业占GDP比重(％)、人口自然增长率(‰)、人均耕地面积(亩/人)、人口密度(人/平方公里)8个指标。

所述生态环境质量状态指的是生态环境的发展现状，状态指标的选择也是反映地区生态环境状态的指标。选取了年降水量、年平均气温、森林覆盖率、城市空气环境质量达标率、城市人均绿地面积、城市化水平、城镇恩格尔系数、农村恩格尔系数8个指标。

所述生态环境质量响应指的是社会和政府等组织为优化提高生态环境质量而做出的响应，选取的响应指标也是社会及政府对人类活动造成的压力和现处的状态而做出的响应指标。选取了科技、教育投入占GDP比重、工业固体废物处置利用率、城镇生活污水集中处理率、城镇生活垃圾无害化处理率4个指标。

所述数据预处理还包括：(1)正射校正：消除图形的几何畸变，从而生成平面正射图像的过程。它可以纠正系统因素影响的几何畸变和消除地形产生的几何畸变。

(2)辐射定标：把传感器记录转换成辐射亮度值的过程，也可将其转换与地表反射率等其他相关值的处理过程。辐射定标可以分为绝对定标和相对定标。

(3)大气校正：为了消除大气等因素对地物发射的影响，从而获得真是物理模型参数。大气校正也是反演地物真实反射率的过程。

(4)影像的拼接和裁剪：ENVI的图像镶嵌功能提供交互式的方式将没有地理坐标或者有地理坐标的多幅图像合并，生成一幅单一的合成图像。

所述土地利用变化研究包括(1)单一土地利用动态度：单一土地利用动态度用来表征研究区一定时段内某种土地利用类型的变化速率，表达式为：

式中U——研究时段内某种土地利用类型动态度；

Sa、Sb——初期、末期某种土地利用类型的面积；

T——时间段；

当T设定为年时，U表示研究时段内某种土地利用类型的年变化率。

(2)综合土地利用动态度：用来表征研究区域一定时间段内整体土地利用变化速率，表达式为：

式中LC——研究时段内综合土地利用动态度；

LU

ΔLU

n——土地利用类型个数。

当T的时段设定为年时，LC为研究区土地利用年变化率。

(3)土地利用图谱分析：土地利用图谱能够以图谱单元来记录土地利用变化的时空复合信息，是由空间单元和时序单元合并而成。

所述生态环境质量评价指标数据处理包括：

反距离加权插值法，将已知样本点的数值加权平均得到未知点的数值，此方法得出的插值结果与实际结果一致。

空间特征分析至少包括：DEM、坡度和坡向空间特征分析，人均地区生产总值空间分布，年人均财政收入(万元)，农村人均可支配收入(万元)，城镇居民人均可支配收入(万元)，第三产业占GDP比重，人口自然增长率，人均耕地面积(亩/人)

进一步地，所述搭建水动力模型并进行调试，还包括：

构建平面二维水流连续方程和平面二维水流动量方程，采用有限体积法对以上水动力控制方程进行空间离散求解,并运用一阶形式进行数值求解；

制作研究区域边界数据文件，采用MIKE Mesh Generator将边界地形文件导入并进行边界平滑处理,定义进出口以及边界；通过模块自带功能对研宄区域进行非结构化网格单元划分,生成初始的网格文件，生成初始网格后将水深差值后输出地形图。

进一步地，参照图2，所述实施生态环境质量评价模型的构建与分析，还包括：

生态环境评价指标权重计算，包括数据的标准化计算、熵权法计算权重；

采用主成分分析法对生态环境质量进行综合评价测算与分析；

对生态环境质量进行等级划分。

所述数据的标准化计算将所有的数据进行统计运算，把数据进行统一标准化处理运算，也称为数据的标准化计算。首先，对各个指标进行标准化计算，标准化的指标主要有两项：同趋化与无量纲化。了解到数据的相关性，将得到的指标因素与环境相比较，判断其影响因素对生态环境是正向指标或反向指标，两种要分开处理，文章选用了极差法对其进行标准化计算，具体公式如下：

正向指标公式：

反向指标公式：

所述熵权法减少2主观因素的影响，也可以减少指标间信息重叠的相互影响。

(1)指标的标准化处理

根据上述公式得到对渝东南地区生态环境质量评价指标的标准化处理，得到的矩阵为 Y＝{y

(2)计算指标数据的熵值

第i项指标的熵值ei计算公式为：

式中

(3)计算差异性系数

计算第i个指数的差异系数，计算公式如下：

g

(4)计算权重

(5)计算生态环境质量综合指数

式中ω——指标权重；

Y

进一步地，参照图3，所述对生态环境质量评价模型进行调试，对结果进行率定和验证，包括：

以水动力模拟的研究结果为基础,构建水质污染模型,再将监测点的实测值与模拟值对照分析,对模型的准确性进行率定验证；

利用构建的水质模型分析目标区域在经历突发性水质污染时水质的时空变化规律及流量与污染量浓度之间的关系；

水动力模型要进行参数率定及模型验证主要是水深、涡粘系数、曼宁系数；

对模型的验证,采用坝前实测水位资料对模型进行验证。

水动力取值为,底床摩擦力取值为32m1/3s,涡粘系数取值为0.28m1/3s。涡粘系数使用Smagorinsky公式,底床摩擦力％由曼宁系数表示。

式中:C

l

S

式中：

ρ

g——重力加速度

M——与曼宁数互为倒数

h——总水深

进一步地，参照图4，所述对生态环境质量进行障碍度分析，制定生态修复策略，还包括：

搭建生态环境障碍度模型；

获取生态环境障碍度计算结果；

利用复合的生态系统对排放的污染物进行处理,物理沉降、生物处理方法原位修复。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。