本發(fā)明涉及生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種城市網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

最小費(fèi)用距離是網(wǎng)絡(luò)分析的一種計(jì)算方法，這種方法被用于物種保護(hù)、自然保護(hù)區(qū)功能規(guī)劃、動(dòng)物棲息地的確定、區(qū)域生態(tài)安全格局設(shè)計(jì)、土地和景觀利用格局，以及城市綠地建設(shè)規(guī)劃等方面。該模型能夠測(cè)定多種空間運(yùn)動(dòng)過(guò)程，它實(shí)質(zhì)上反映了異質(zhì)景觀對(duì)某種空間運(yùn)動(dòng)過(guò)程的綜合阻力。

隨著城市化的進(jìn)程加快，城市擴(kuò)大導(dǎo)致植被、綠地被侵占或者破碎化，由此帶來(lái)的直接后果就是物種棲息地的喪失，生物多樣性程度降低。生態(tài)廊道最主要的功能是提供生物遷徙的通道，為物種在不同的棲息地之間遷移提供場(chǎng)所，對(duì)自然和基因的流動(dòng)意義重大。另外，生態(tài)廊道還具備凈化污染物、防止水土流失等生態(tài)服務(wù)功能。近年來(lái)規(guī)劃編制人員和環(huán)境保護(hù)工作者逐漸重視生物多樣性的保護(hù)，在研究和制定相關(guān)規(guī)劃時(shí)，將保護(hù)物種棲息地放在重要的位置，把一些重要的生態(tài)服務(wù)功能區(qū)域列為禁止開(kāi)發(fā)區(qū)。隨著時(shí)間的推移，研究人員意識(shí)到僅僅保護(hù)棲息地是不夠，這種方式雖然保存了部分生境，但客觀上都變成了一個(gè)個(gè)單獨(dú)的生態(tài)孤島，不同棲息地之間物種群落難以維持正常的物質(zhì)和能量的流通，物種多樣性保持的效果有限，生態(tài)廊道在物種保持中的作用不容忽視。雖然人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了通過(guò)建立生態(tài)廊道來(lái)構(gòu)建和完善生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的重要性，目前生態(tài)廊道識(shí)別與提取的方法主要有模擬與分析生態(tài)網(wǎng)絡(luò)特性的EcoNet軟件，使用Matlab語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析軟件，另外還有Ecopath、Wand軟件等方式，但是這些軟件獲取困難、成本較高，或者操作復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于最小費(fèi)用距離模型的城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，利用基于柵格數(shù)據(jù)的最短路徑算法，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單易用的生態(tài)廊道識(shí)別與提取的方法。

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于最小費(fèi)用距離模型的城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，該方法包括以下步驟：

步驟1、依據(jù)所拍攝的土地遙感圖像進(jìn)行土地類型分類，確定每種土地類型對(duì)應(yīng)的阻力面的阻力值，選擇生態(tài)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)生態(tài)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)將土地進(jìn)行重新分類，將阻力值作為最小費(fèi)用距離模型中阻力柵格的單元值，生成阻力柵格；

步驟2、在最小費(fèi)用距離模型中，先確定作為源點(diǎn)的生態(tài)節(jié)點(diǎn)建立源柵格，同時(shí)根據(jù)不同景觀的阻力值建立阻力柵格，然后基于源柵格與阻力柵格這兩個(gè)圖層，利用GIS軟件的空間分析最小距離模塊，循環(huán)計(jì)算每?jī)蓚€(gè)生態(tài)節(jié)點(diǎn)之間的最小費(fèi)用距離；直至獲得費(fèi)用距離柵格，利用ARCGIS空間分析工具將最小費(fèi)用距離柵格轉(zhuǎn)為最小費(fèi)用距離矢量，根據(jù)土地利用分類數(shù)據(jù)生成景觀阻力面，用最小費(fèi)用距離柵格生成最小費(fèi)用路徑；

步驟3、分別提取每?jī)蓚€(gè)生態(tài)節(jié)點(diǎn)間的最小費(fèi)用距離后，模擬出兩個(gè)生態(tài)節(jié)點(diǎn)之間的生態(tài)廊道，在ARCGIS空間模型構(gòu)建器中集成為一個(gè)模塊，并且利用多個(gè)生態(tài)廊道構(gòu)建城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用最小費(fèi)用距離模型構(gòu)建生態(tài)廊道所需的計(jì)算量更小，適用于更大范圍的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的城市生態(tài)廊道的構(gòu)建方法流程圖；

圖2為具體實(shí)施例的某市樓土地利用分類視圖；

圖3為具體實(shí)施例的某市生態(tài)節(jié)點(diǎn)的分布圖；

圖4為具體實(shí)施例的某市的阻力柵格模擬視圖；

圖5為具體實(shí)施例的某市兩個(gè)生態(tài)節(jié)點(diǎn)間最小費(fèi)用路徑圖；

圖6為具體實(shí)施例的構(gòu)建的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模擬視圖；

圖7為具體實(shí)施例的優(yōu)化生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模擬視圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，為本發(fā)明的一種基于最小費(fèi)用距離模型的城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法流程圖。該流程具體描述如下：

步驟1、進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：依據(jù)所拍攝的土地遙感圖像進(jìn)行土地類型分類，確定每種土地類型對(duì)應(yīng)的阻力面的阻力值，選擇生態(tài)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)生態(tài)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)將土地進(jìn)行重新分類，將阻力值作為最小費(fèi)用距離模型中阻力柵格的單元值，生成阻力柵格；

步驟2、利用GIS軟件的空間分析最小距離模塊，計(jì)算每?jī)蓚€(gè)生態(tài)節(jié)點(diǎn)之間的最小費(fèi)用距離；

最小費(fèi)用距離模型介紹如下：

最小費(fèi)用距離方程基于圖論原理，可以表示每個(gè)柵格單元距最近源點(diǎn)的最小累積費(fèi)用距離，目的是用來(lái)識(shí)別與選取功能源點(diǎn)之間的最小費(fèi)用方向和路徑。其算法采用節(jié)點(diǎn)/鏈接的表示方式，即每個(gè)單元的中心被認(rèn)為是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)與相鄰節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)“鏈接”來(lái)聯(lián)系，每個(gè)“鏈接”被賦予一個(gè)阻抗值。如果從單元i前往4個(gè)直接相鄰單元i+1，其費(fèi)用距離為所在單元與前往單元阻力系數(shù)總和的一半，即：

N_i+1＝N_i+(r_i+r_i+1)/2

式中：N_i和r_i分別為所在單元i的累積費(fèi)用和阻力系數(shù)；r_i和r_i+1分別為前往單元i+1的累積費(fèi)用和阻力系數(shù)。

由于模型基于一個(gè)八鄰單元結(jié)構(gòu)，因此要考慮生物體有時(shí)作對(duì)角運(yùn)動(dòng)。如果從單元i前往4個(gè)對(duì)角相鄰的單元，其費(fèi)用距離的計(jì)算公式如下：

$N_{i+1}=N_i+\sqrt{2}(r_i+r_{i+1})/2$

在最小費(fèi)用距離模型中，先確定源點(diǎn)建立源柵格，同時(shí)根據(jù)不同景觀的景觀阻力系數(shù)建立阻力柵格，然后基于源柵格與阻力柵格2個(gè)圖層，利用GIS軟件中空間分析的費(fèi)用距離模塊循環(huán)計(jì)算，獲得費(fèi)用距離柵格，最后根據(jù)費(fèi)用距離柵格生成景觀阻力面(resistancesur-face)和最小費(fèi)用路徑(leas-tcostpath)。阻力面是指生物體運(yùn)動(dòng)的潛在可能性及趨勢(shì)。最小費(fèi)用路徑指生物體在源與目標(biāo)斑塊之間遷徙時(shí)具有最大生存幾率的生態(tài)廊道；

步驟3、分別提取每?jī)蓚€(gè)生態(tài)節(jié)點(diǎn)間的最小費(fèi)用距離后，模擬出兩個(gè)生態(tài)節(jié)點(diǎn)之間的生態(tài)廊道，在ARCGIS空間模型構(gòu)建器中集成為一個(gè)模塊，并且利用多個(gè)生態(tài)廊道構(gòu)建城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

以某市生態(tài)廊道及網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建為例，說(shuō)明利用最小費(fèi)用距離模型構(gòu)建城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的具體過(guò)程。下面以某市城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建為例，進(jìn)行說(shuō)明。

首先，將下載的TM衛(wèi)星數(shù)據(jù)在ENVI遙感圖像處理軟件中進(jìn)行土地類型分類如圖2所示，把研究區(qū)土地類型分為4類，林地、建成區(qū)、水域、農(nóng)田；

利用GIS空間分析工具，提取生態(tài)功能較好、面積較大的區(qū)域(綠地斑塊和水域)作為生態(tài)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，如圖3所示。根據(jù)生態(tài)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)將土地進(jìn)行重分類，生成阻力柵格面，如圖4所示。

模擬兩個(gè)生態(tài)節(jié)點(diǎn)之間的廊道，在ARCGIS模型構(gòu)建器中創(chuàng)建模型,在空間分析工具中找到計(jì)算所需的模塊載入模型構(gòu)建器，設(shè)置模型的相關(guān)參數(shù)，試運(yùn)行模型，檢查模型是否有錯(cuò)誤，若無(wú)錯(cuò)誤提示，表示模型建立完成，如圖5所示。

構(gòu)建由多個(gè)廊道組成的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)：分別提取每?jī)牲c(diǎn)間最小費(fèi)用距離后，構(gòu)建常見(jiàn)的幾種網(wǎng)絡(luò)如圖6所示，其中，網(wǎng)絡(luò)A是每個(gè)節(jié)點(diǎn)間都互相連接的原始的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，在該網(wǎng)絡(luò)中存在許多重復(fù)和相互重疊的廊道，需要進(jìn)一步優(yōu)化；網(wǎng)絡(luò)B屬于分支網(wǎng)絡(luò)類型，是簡(jiǎn)單的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，是從一個(gè)中心結(jié)點(diǎn)出發(fā)，生態(tài)功能流從中心節(jié)點(diǎn)到達(dá)其它節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，是一種到達(dá)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的流被等級(jí)瓜分的等級(jí)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)C、D屬于形成閉合回路的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡狀態(tài)。

在實(shí)際研究和工作中，提取生態(tài)廊道和構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)往往需要處理的數(shù)據(jù)量較大，選擇的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)根據(jù)研究區(qū)面積的大小，也會(huì)有較大的變化，因此本發(fā)明中也支持ARCGIS自帶的模塊批處理功能，可以加載所有需要識(shí)別和提取廊道的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，完成計(jì)算，如圖7所示。