專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于gis技術(shù)的土地利用碳排放減量化控制優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)環(huán)境評(píng)價(jià)與變化監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種基于GIS技術(shù)構(gòu)建土地利用碳排放減量化控制優(yōu)化核算的模型與方法，實(shí)現(xiàn)了土地利用變化分析模塊、碳排放數(shù)據(jù)的空間映射模塊、土地利用的碳排放影響分析模塊及土地利用空間布局規(guī)劃模塊的集成。
背景技術(shù)：
可視化低碳分析決策集成技術(shù)。一是實(shí)現(xiàn)了低碳經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)(溫室氣體排放、 社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人口、基礎(chǔ)地理等數(shù)據(jù)庫(kù))與GIS基礎(chǔ)功能的整合，實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)信息的可視化、 信息查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)分析、空間分布表達(dá)、趨勢(shì)性分析和相關(guān)性分析等功能。二是實(shí)現(xiàn)了可視化的低碳經(jīng)濟(jì)數(shù)量分析模型、技術(shù)和系統(tǒng)，基于宏觀經(jīng)濟(jì)、政策分析、指標(biāo)評(píng)價(jià)、情景分析、排放核算等功能。國(guó)土空間碳排放監(jiān)測(cè)技術(shù)。一是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量的監(jiān)測(cè)設(shè)備和技術(shù)，包括渦度和箱法測(cè)定，也是中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)中主要方法。二是人為源監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和排放模擬技術(shù)集成，并實(shí)現(xiàn)化石燃料碳排放的時(shí)空模擬，最細(xì)粒度達(dá)到1小時(shí)和IOkm網(wǎng)格。城市空間碳排放評(píng)估技術(shù)。一是以城市中介要素為聯(lián)系，構(gòu)建起城市空間形態(tài)與碳排放關(guān)系的定量研究框架，包括電力傳送分配、住房市場(chǎng)和城市熱島效應(yīng)，進(jìn)而影響城市碳排放格局。二是通過(guò)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)和城市空間結(jié)構(gòu)的互饋關(guān)系，即產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整影響城市空間結(jié)構(gòu)，同時(shí)城市空間結(jié)構(gòu)和資源要素限制產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，三是通過(guò)定量化的空間形態(tài)指數(shù)來(lái)分析空間形態(tài)與碳排放的關(guān)系，如空間分型指數(shù)、信息商指數(shù)等。碳排放結(jié)構(gòu)優(yōu)化控制技術(shù)。一是線性規(guī)劃技術(shù)。即采用線性規(guī)劃模型，來(lái)實(shí)施土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配置。如采用生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量最大化或人為源排放最小化為目標(biāo)函數(shù)， 以土地利用類(lèi)型面積為決策變量，建立約束條件，進(jìn)行土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。二是多情景分析比對(duì)方法，如運(yùn)用馬爾可夫鏈模型預(yù)測(cè)碳強(qiáng)度趨勢(shì)，分別評(píng)估多個(gè)組合情景下不同能源結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)現(xiàn)碳強(qiáng)度目標(biāo)的貢獻(xiàn)潛力，進(jìn)而選擇最優(yōu)方案。三是結(jié)構(gòu)分析模型，包括投入產(chǎn)出分析技術(shù)、SDA因素分解技術(shù)等，可分析能源結(jié)構(gòu)、行業(yè)結(jié)構(gòu)的減排效果。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明要解決以下兩個(gè)問(wèn)題。(1)要解決以碳排放為技術(shù)控制指標(biāo)的土地利用布局優(yōu)化技術(shù)問(wèn)題，即低碳導(dǎo)向的土地利用規(guī)劃控制技術(shù)。目前，低碳導(dǎo)向的城市空間規(guī)劃、交通體系規(guī)劃、建筑空間設(shè)計(jì)控制技術(shù)已有開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，但低碳導(dǎo)向的土地利用規(guī)劃或國(guó)土空間規(guī)劃控制技術(shù)仍屬于起步階段。當(dāng)前相關(guān)技術(shù)只在概念、總量、模式、結(jié)構(gòu)層面上實(shí)現(xiàn)了土地利用碳排放優(yōu)化的模型和方法，缺乏空間層面的優(yōu)化分析技術(shù)。
本發(fā)明集成了基于GIS技術(shù)的空間層次分析算法和土地利用的碳排放核算技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)了低碳導(dǎo)向的土地利用的優(yōu)化布局及控制。(2)要解決以空間為載體的土地利用碳排放分析問(wèn)題，具體就是采用碳排放指標(biāo)空間映射和分配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)土地利用直接碳排放和土地利用的間接碳排放的整合分析。土地利用的直接碳排放系指農(nóng)、林、土地利用等部門(mén)直接的土地利用行為對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響，如采伐森林、圍湖造田、退耕還林、農(nóng)田耕作、草場(chǎng)退化、養(yǎng)分投入或種植制度改變等。土地利用的間接碳排放系指土地空間載體上的其他人為源排放，包括化石燃料燃燒、工業(yè)過(guò)程和產(chǎn)品、廢棄物處理等。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的觀測(cè)、模擬、評(píng)估技術(shù)已經(jīng)比較成熟；同時(shí)，全球、區(qū)域、城市、社區(qū)各尺度上的排放盤(pán)查核算的方法學(xué)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也已實(shí)現(xiàn)。但兩類(lèi)碳源/匯在空間維度上的融合分析技術(shù)仍有待開(kāi)發(fā)，目前只在數(shù)量層次上實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單整合，缺乏空間層次上的融合技術(shù)。本發(fā)明提出一種綜合陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和人為源排放的指標(biāo)空間映射和分配技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)從空間維的角度，來(lái)綜合評(píng)估自然和人為排放的空間布局效果，并結(jié)合空間布局優(yōu)化的核心算法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)排放效果的空間優(yōu)化布局控制。本發(fā)明的技術(shù)方案為該方法的總體步驟如下，
(1) 土地利用變化分析。獲取各時(shí)期土地利用現(xiàn)狀圖，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的分類(lèi)和邊界一致性， 數(shù)據(jù)融合處理，Gis疊合分析，獲取土地利用變化信息。(2)碳排放數(shù)據(jù)的空間映射。將碳排放數(shù)據(jù)落實(shí)到具體的土地利用類(lèi)型上，并將點(diǎn)源、線源、面源數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，落實(shí)到空間上，實(shí)現(xiàn)國(guó)土空間碳排放布局模擬。(3)土地利用變化的碳排放影響分析。繪制土地利用變化的碳排放影響圖，并獲取不同變化的影響數(shù)據(jù)矩陣。(4) 土地利用碳排放的空間布局優(yōu)化。采用了 GIS技術(shù)和線性規(guī)劃技術(shù)相結(jié)合的模型，實(shí)現(xiàn)土地利用空間布局的優(yōu)化，確定碳減排導(dǎo)向的土地利用空間布局。本發(fā)明的有益效果(1)本發(fā)明集成了 GIS空間分析算法、土地利用的碳排放核算技術(shù)和土地利用空間布局優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)了低碳導(dǎo)向的土地利用優(yōu)化布局及控制；(2)本發(fā)明提出一種綜合陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和人為源排放的指標(biāo)空間映射和分配技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)從空間維的角度，來(lái)綜合評(píng)估自然和人為排放的空間布局效果，并結(jié)合空間布局優(yōu)化的核心算法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)排放效果的空間優(yōu)化布局控制。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的總流程示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例的步驟1流程示意圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例的步驟2流程示意圖。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例的步驟3流程示意圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施例的步驟4流程示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)闡述。如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的總流程示意圖。本實(shí)施例的基于GIS技術(shù)的土地利用碳排放減量化控制優(yōu)化方法，步驟1、土地利用變化分析獲取各時(shí)期土地利用現(xiàn)狀圖， 檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的分類(lèi)和邊界一致性，并進(jìn)行圖層疊加，分析土地利用變化；步驟2、碳排放數(shù)據(jù)的空間映射將碳排放數(shù)據(jù)落實(shí)到具體的土地利用類(lèi)型上，并將點(diǎn)源、線源、面源數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，落實(shí)到空間上，實(shí)現(xiàn)國(guó)土空間碳排放布局模擬；步驟3、土地利用變化的碳排放影響分析繪制土地利用變化的碳排放影響圖，并計(jì)算不同變化的影響數(shù)據(jù)矩陣；步驟4、 土地利用碳排放的空間布局優(yōu)化采用了 GIS技術(shù)和線性規(guī)劃技術(shù)相結(jié)合的模型，實(shí)現(xiàn)土地利用空間布局的優(yōu)化，確定碳減排導(dǎo)向的空間布局。圖2為本發(fā)明實(shí)施例的步驟1流程示意圖。[Si] 土地利用變化識(shí)別。包括獲取土地利用空間數(shù)據(jù)，辨識(shí)土地利用變化。[S101] 土地利用現(xiàn)狀圖的導(dǎo)入，使用GIS平臺(tái)，將各時(shí)期土地利用現(xiàn)狀圖層導(dǎo)入，并一統(tǒng)一網(wǎng)格化處理。[S102]數(shù)據(jù)分類(lèi)檢驗(yàn)。辨識(shí)土地利用類(lèi)型，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)分類(lèi)是否符合標(biāo)準(zhǔn)，否則進(jìn)行重分類(lèi)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理。[S103]數(shù)據(jù)邊界檢驗(yàn)。檢驗(yàn)各時(shí)期土地利用數(shù)據(jù)邊界是否一致，否則需進(jìn)行邊界的一致化處理操作。[S104]數(shù)據(jù)疊加處理。對(duì)各期土地利用現(xiàn)狀圖層進(jìn)行疊加分析，識(shí)別土地利用類(lèi)型變化，作為土地利用碳排放核算的基礎(chǔ)。圖3為本發(fā)明實(shí)施例的步驟2流程示意圖。[S2]排放項(xiàng)目的空間映射。將碳排放項(xiàng)目落實(shí)到具體的土地利用類(lèi)型上，并將點(diǎn)源、線源、面源數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，落實(shí)到空間上，實(shí)現(xiàn)國(guó)土空間碳排放布局模擬。[S201]碳排放項(xiàng)目的用地類(lèi)型映射。調(diào)查評(píng)價(jià)區(qū)可能存在的碳排放項(xiàng)目，并將排放項(xiàng)目和土地利用類(lèi)型進(jìn)行一一映射。獲取相應(yīng)的活動(dòng)水平和排放因子數(shù)據(jù)，進(jìn)行單項(xiàng)排放核算，計(jì)算每個(gè)土地利用類(lèi)型上的單項(xiàng)排放項(xiàng)目規(guī)模。[S202]不同空間屬性的碳排放數(shù)據(jù)的空間映射。將點(diǎn)源排放(如工業(yè)源)、線源排放(交通排放)和面源排放(如農(nóng)業(yè)和土地利用排放)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為面狀分布。(1)點(diǎn)源排放，權(quán)重呈同心圓放射狀衰減。取值采用線性方法或者指數(shù)方法。(2)線源排放，權(quán)重呈線狀衰減，如河道兩邊。取值采用線性方法或者指數(shù)方法。(3)面源排放，權(quán)重是空間均質(zhì)的，主要以不同的土地利用方式區(qū)別，呈覆蓋狀分布。面狀排放因子取值采用區(qū)域賦值法，直接將面狀因子樣塊與土地利用單元進(jìn)行空間疊加，落入單元，直接賦值。其中，指數(shù)衰減模型為
權(quán)利要求
1.一種基于GIS技術(shù)的土地利用碳排放減量化控制優(yōu)化方法，它包括步驟Si、土地利用變化分析模塊獲取各時(shí)間點(diǎn)土地利用現(xiàn)狀圖，并對(duì)所有時(shí)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分類(lèi)和邊界一致性檢驗(yàn)，利用Gis空間分析技術(shù)，分析土地利用變化時(shí)空特征， 獲取土地利用變化信息；步驟S2、碳排放數(shù)據(jù)的空間映射將碳排放數(shù)據(jù)落實(shí)到具體的土地利用類(lèi)型上，并將點(diǎn)源、線源、面源數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值和緩沖區(qū)分析等空間分析，落實(shí)到空間上，實(shí)現(xiàn)國(guó)土空間碳排放布局模擬；步驟S3、土地利用變化的碳排放影響分析整合土地利用變化數(shù)據(jù)和碳排放數(shù)據(jù)，獲取不同變化的影響數(shù)據(jù)矩陣，繪制土地利用變化的碳排放影響圖；步驟S4、土地利用碳排放的空間布局優(yōu)化采用了 GIS技術(shù)和線性規(guī)劃技術(shù)相結(jié)合的模型，實(shí)現(xiàn)土地利用空間布局的優(yōu)化，確定以碳減排為導(dǎo)向的土地利用空間布局。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土地利用碳排放減量化控制優(yōu)化方法，其特征在于步驟Si、 土地利用變化識(shí)別，包括借助獲取土地利用空間數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)的一致性檢驗(yàn)與數(shù)據(jù)融合， 獲取土地利用變化信息；具體步驟為[5101]土地利用現(xiàn)狀圖的導(dǎo)入，使用GIS平臺(tái)，將各時(shí)期土地利用現(xiàn)狀圖層導(dǎo)入，并對(duì)其統(tǒng)一進(jìn)行網(wǎng)格化處理；[5102]數(shù)據(jù)分類(lèi)檢驗(yàn)辨識(shí)土地利用類(lèi)型，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)分類(lèi)是否符合標(biāo)準(zhǔn)，否則進(jìn)行重分類(lèi)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理；[5103]數(shù)據(jù)邊界檢驗(yàn)檢驗(yàn)各時(shí)期土地利用數(shù)據(jù)邊界是否一致，否則需進(jìn)行邊界的一致化處理操作；[5104]數(shù)據(jù)疊加處理對(duì)各期土地利用現(xiàn)狀圖層進(jìn)行疊加分析，識(shí)別土地利用類(lèi)型變化，作為土地利用碳排放核算的基礎(chǔ)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土地利用碳排放減量化控制優(yōu)化方法，其特征在于步驟S2、 排放項(xiàng)目的空間映射具體步驟為[5201]碳排放項(xiàng)目的用地類(lèi)型映射調(diào)查評(píng)價(jià)區(qū)可能存在的碳排放項(xiàng)目，并將排放項(xiàng)目和土地利用類(lèi)型進(jìn)行一一映射，獲取相應(yīng)的活動(dòng)水平和排放因子數(shù)據(jù)，進(jìn)行單項(xiàng)排放核算，計(jì)算每個(gè)土地利用類(lèi)型上的單項(xiàng)排放項(xiàng)目規(guī)模；[5202]不同空間屬性的碳排放數(shù)據(jù)的空間映射將點(diǎn)源排放、線源排放和面源排放統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為面狀分布；[5203]土地利用的碳排放空間布局模擬結(jié)合步驟[S201]和步驟[S202]的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格化的土地利用的碳排放空間布局模擬。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的土地利用碳排放減量化控制優(yōu)化方法，其特征在于步驟 [S202]中，所述點(diǎn)源排放，權(quán)重呈同心圓放射狀衰減，取值采用線性方法或者指數(shù)方法；所述線源排放，權(quán)重呈線狀衰減，取值采用線性方法或者指數(shù)方法；所述面源排放，權(quán)重是空間均質(zhì)的，以不同的土地利用方式區(qū)別，呈覆蓋狀分布，面狀排放因子取值采用區(qū)域賦值法，直接將面狀因子樣塊與土地利用單元進(jìn)行空間疊加，落入單元，直接賦值；其中，指數(shù)衰減模型為直線衰減模型為/ = EO-r) {r = t￡/d)；上述兩式中，I為作用到某個(gè)網(wǎng)格上的排放強(qiáng)度，E為某項(xiàng)排放的規(guī)模，r為相對(duì)距離， di為實(shí)際距離，d為影響半徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的土地利用碳排放減量化控制優(yōu)化方法，其特征在于步驟S3、 土地利用變化的碳排放影響具體步驟為[5301]獲取碳密度圖和碳匯分布圖；[5302]土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳密度的影響圖層，利用調(diào)查數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，估算全境轉(zhuǎn)化為某土地利用類(lèi)型所導(dǎo)致的碳密度變化圖；[5303]土地利用變化的碳排放的影響圖層結(jié)合步驟[S203]和步驟[S302]，繪制土地利用變化的碳排放影響圖，并令土地利用現(xiàn)狀全部轉(zhuǎn)化為土地利用類(lèi)型i后導(dǎo)致的碳排放影響圖的屬性數(shù)據(jù)矩陣為Wi。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土地利用碳排放減量化控制優(yōu)化方法，其特征在于步驟S4、 土地利用碳排放的空間布局優(yōu)化具體步驟為[5401]土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化采用線性規(guī)劃方法，建立土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，提出優(yōu)化措施；[5402]土地利用空間布局優(yōu)化根據(jù)步驟[S3]計(jì)算的碳排放強(qiáng)度影響矩陣，進(jìn)行空間優(yōu)化。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的土地利用碳排放減量化控制優(yōu)化方法，其特征在于步驟[5401]中，數(shù)學(xué)模型為求滿足下列約束條件，Γ H.工Jfi = Area( = 1,2,3^ , π)‘i-lXuui > Xi > Xijaf (/ = 1,2,3,Λ , is)使111·+小·函數(shù)片x)Xi) Min的一組最優(yōu)解_ 公式中足為決策變量，即土地利用類(lèi)型i的面積；1胃和為土地利用類(lèi)型i 的最大或最小約束性面積，宜取土地利用總體規(guī)劃目標(biāo)或土地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果；如無(wú)約束性目標(biāo)，應(yīng)保證面積非負(fù)；—為土地利用類(lèi)型i的碳排放強(qiáng)度；Il^為國(guó)土空間的碳排放量。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的土地利用碳排放減量化控制優(yōu)化方法，其特征在于步驟[5402]中，具體按以下模型，巧表示現(xiàn)有土地利用布局全部轉(zhuǎn)變?yōu)橥恋乩妙?lèi)別i的排放強(qiáng)度矩陣Grid^n = AimtxlWl, JC^T7,χ,ΙΤ,Λ 諷Λ XaITa)公式中，Xi表示網(wǎng)格 ^的土地利用類(lèi)型屬性值i，Wi，m，η表示土地利用類(lèi)型全部轉(zhuǎn)變?yōu)橥恋乩妙?lèi)型i后的碳排放強(qiáng)度矩陣，其網(wǎng)格m，η的取值。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于GIS技術(shù)的土地利用碳排放減量化控制優(yōu)化方法，具體是將土地利用變化分析方法、碳排放數(shù)據(jù)的空間映射方法、土地利用變化的碳排放影響矩陣獲取方法和碳減排導(dǎo)向的土地利用空間優(yōu)化布局方法整合，實(shí)現(xiàn)GIS空間分析算法、土地利用變化的碳排放和土地利用空間優(yōu)化布局規(guī)劃方法的集成。本發(fā)明由國(guó)土資源部公益性行業(yè)專(zhuān)項(xiàng)(200811033)、公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(200903001-1-4)、國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金重大項(xiàng)目(10ZD&M030)、江蘇省高校哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究重大項(xiàng)目(2010ZDAXM008)等項(xiàng)目資助完成。
文檔編號(hào)G06Q10/04GK102509172SQ20111032758
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月25日
發(fā)明者張墨逸, 彭佳雯, 揣小偉, 李麗, 章志, 賴(lài)力, 趙榮欽, 都金康, 鐘太洋, 陳志剛, 陳逸, 黃賢金 申請(qǐng)人:南京大學(xué)