本發(fā)明涉及一種植被生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)氣候敏感帶類型的空間定量識別方法，適用于全球氣候變化及其生態(tài)效應(yīng)研究領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶作為對氣候變化和人類活動最為敏感的區(qū)域，更為重要的是其景觀水平上的物種豐富度要比鄰近的非敏感帶區(qū)域高，而且生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和格局的時空變化狀況也更能直接反應(yīng)氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)影響。植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶邊界范圍的動態(tài)變化和波動，是陸地生態(tài)系統(tǒng)對自然氣候變化和人類活動作用的綜合響應(yīng)結(jié)果。因此，植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型及其空間分布格局變化比非敏感帶更需要關(guān)注，甚至在一定程度上，植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶的時空變化在全球變化研究中啟著重要的指示作用。植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型的空間定量識別，對改進(jìn)全球變化適應(yīng)性戰(zhàn)略和減緩氣候變化對植被類型及其覆蓋變化的影響具有重要意義。目前國內(nèi)外對植被生態(tài)系統(tǒng)的氣候變化響應(yīng)進(jìn)行了大量的觀測統(tǒng)計(jì)分析和微觀尺度的過程模擬，但對中宏觀尺度的植被生態(tài)系統(tǒng)的空間分析和定量化識別尚處在起步階段。另外，雖然目前全球氣候變化背景下的植被生態(tài)系統(tǒng)類型及其格局的定量分析取得了長足進(jìn)展，但這些研究卻很少涉及到對其氣候敏感帶類型及其空間分布格局的定量識別和分析研究。譬如，盡管Holdridgelifezone(HLZ)模型(Holdridge，L.R.，1947.Determinationofworldplantformationsfromsimpleclimatedata.Science105(2727)，367-368.)目前在全球得到廣泛應(yīng)用，但卻不能直接用于植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型的定量識別和模擬。而國內(nèi)自20世紀(jì)70年代老一輩科學(xué)家根據(jù)大量的地學(xué)綜合考察、統(tǒng)計(jì)分析和專家經(jīng)驗(yàn)知識確定我國三級敏感帶及其空間分布的大致范圍以來，絕大多數(shù)研究人員在對植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶的生態(tài)系統(tǒng)敏感性研究的同時，很少對其所研究的范圍是否屬于氣候敏感帶以及哪一類型的植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶進(jìn)行定量確定和分析。也就是說國內(nèi)關(guān)于植被生態(tài)系統(tǒng)敏感帶區(qū)域內(nèi)部或相鄰區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性以及氣候敏感性的統(tǒng)計(jì)分析研究較多，尤其是主要集中在對植被-氣候的相互作用機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)分析和研究領(lǐng)域，而對于植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型的定量識別和空間分析則極為少見。因此，為了構(gòu)建植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型空間定量識別規(guī)則，實(shí)現(xiàn)植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型空間分布格局的定量提取和空間制圖，亟需構(gòu)建一種科學(xué)而有效的空間定量識別方法。本發(fā)明針對HLZ模型的模型參數(shù)為離散點(diǎn)而非連續(xù)空間柵格單元的模型局限，在模型分類機(jī)理進(jìn)行拓展的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶定量識別的空間分析方法。該方法不僅彌補(bǔ)了原有模型僅利用離散點(diǎn)數(shù)據(jù)作為模型輸入?yún)?shù)的缺陷外，而且經(jīng)過對模型判定機(jī)理的拓展和衍生，能夠有效地對植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型及其空間分布格局進(jìn)行定量識別和提取，同時具有很強(qiáng)的可操作性。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的旨在于修正和拓展HLZ模型并結(jié)合其他空間模擬方法，提出一種植被生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)氣候敏感帶類型的空間定量識別方法，實(shí)現(xiàn)宏觀尺度上的植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型及其空間分布格局的定量識別和快速提取，從而解決如何定量識別和提取植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型及其空間分布范圍的科學(xué)問題，從而為深入研究和探索生態(tài)系統(tǒng)對全球氣候變化的響應(yīng)提供方法和技術(shù)支持。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的關(guān)鍵技術(shù)方案包括以下步驟：整個技術(shù)流程主要分為三個步驟，首先是拓展HLZ模型的分類機(jī)理，構(gòu)建植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型的判定標(biāo)準(zhǔn)；其次通過對氣象臺站長期觀測的氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，運(yùn)用高精度曲面建建模(HASM)方法進(jìn)行空間模擬，以及空間統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，獲得研究區(qū)域每個柵格單元上的多年平均生物溫度、多年平均降水量及潛在蒸散比率等參數(shù)數(shù)據(jù)；最后將高質(zhì)量的氣候參數(shù)空間數(shù)據(jù)、各類氣候敏感帶的判定標(biāo)準(zhǔn)作為模型輸入?yún)?shù)，運(yùn)行植被生態(tài)系氣候敏感帶類型的空間定量識別和分析模型，在空間上實(shí)現(xiàn)每一個 柵格單元是否屬于氣候敏感帶的判定、類型賦值和空間分布格局提取。第一步、獲得植被氣候生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型定量識別的判定參數(shù)，通過以下三個步驟實(shí)現(xiàn)；1-1)對HLZ模型進(jìn)行拓展，構(gòu)建對植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型進(jìn)行定量識別的判定標(biāo)準(zhǔn)；1-2)對每一類植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型進(jìn)行劃分和定義；1-3)求解每一類植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型的每一個判別參數(shù)的邊界閾值。第二步、獲得研究區(qū)域高空間分辨率的氣候數(shù)據(jù)，通過以下三個步驟實(shí)現(xiàn)；2-1)收集研究區(qū)域氣象觀測臺站的長期觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)過預(yù)處理后轉(zhuǎn)換成空間屬性數(shù)據(jù)；2-2)運(yùn)用高精度曲面建模方法(HASM)，對氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度空間模擬，獲得年平均生物溫度數(shù)據(jù)和年平均降水?dāng)?shù)據(jù)；2-3)運(yùn)用空間統(tǒng)計(jì)方法，獲得平均潛在蒸散比率數(shù)據(jù)。第三步、植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型的空間定量識別，通過以下兩個步驟實(shí)現(xiàn)。3-1)建立植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型的空間定量識別模型，對研究區(qū)域的每一個柵格是否屬于過渡區(qū)進(jìn)行定量判別，獲得各類植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型的空間區(qū)域；3-2)運(yùn)用每一類植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型的邊界閾值，對整個研究區(qū)域的植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型及其空間分布進(jìn)行定量判定和賦值，進(jìn)而獲得各類植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶的空間分布范圍，并輸出識別結(jié)果。附圖說明圖1是本發(fā)明的主流程示意圖具體實(shí)施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施方式僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。如圖1所示本發(fā)明公開了一種植被生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)氣候敏感帶類型的空間定量識別方法，包括以下步驟：第一步、獲得植被氣候生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型定量識別的判定標(biāo)準(zhǔn)；第二步、獲得高空間分辨率的氣候參數(shù)數(shù)據(jù)；第三步、植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型的空間定量識別。以下對具體步驟進(jìn)行詳述：植被氣候生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型定量識別的判定參數(shù)獲取。該方法基于GIS空間分析方法，在對HLZ模型參數(shù)格式、運(yùn)行模式進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上，將其分類體系中平均生物溫度、平均降水和潛在蒸散比率刻度線相交而成的正三角形定義為植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶(原HLZ模型中相鄰正六邊形的相交地帶)，從而建立植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型的理論判別體系。具體計(jì)算方法為：根據(jù)重新定義的植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶判別體系，計(jì)算每一類植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶的年均生物溫度的邊界閾值(單位為℃)、年均降水量的邊界閾值(，單位為mm)和潛在蒸散比率的邊界閾值()。譬如，冷溫帶荒漠灌叢、草原及北方干旱灌叢交錯氣候敏感帶類型的年均生物溫度、年平均降水量和潛在蒸散比率的邊界閾值分別為大于6.0℃、小于250mm和小于2.00)，進(jìn)而構(gòu)建定量識別所有植被生態(tài)系統(tǒng)氣候過渡帶類型邊界閾值的判定標(biāo)準(zhǔn)集合，整個集合中包括49類植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型的判別標(biāo)準(zhǔn)值。高空間分辨率氣候參數(shù)數(shù)據(jù)的獲取。氣候數(shù)據(jù)的空間分辨率和數(shù)據(jù)精度直接關(guān)系到植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型定量識別的準(zhǔn)確度。該方法選擇氣候數(shù)據(jù)空間模擬精度要遠(yuǎn)高于反距離加權(quán)模型(IDW)、三角 網(wǎng)模型(TIN)、克里根模型(Kriging)和樣條插值模型(Spline)等傳統(tǒng)經(jīng)典插值模型的HASM方法，實(shí)現(xiàn)年平均生物溫度、平均降水的高精度空間模擬。HASM方法是為了解決現(xiàn)有曲面建模方法的誤差問題，運(yùn)用曲面論基本定理進(jìn)行曲面建模的方法。針對空間網(wǎng)格(xi，yj)，0≤i≤I+1，0≤j≤J+1，基于高斯方程HASM方法可表達(dá)為等式約束的最小二乘問題(YueTX.SurfaceModelling：HighAccuracyandHighSpeedMethods.NewYork：CRCPress，2011)：min||ACFn+1-bdn||2,s.t.S×Fn+1=t---(1)]]>式(1)中S∈RK×(I*J)和t∈RK×1分別為采樣矩陣和采樣向量，K為采樣點(diǎn)個數(shù)。在獲得研究區(qū)域范圍內(nèi)年平均生物溫度和平均降水量的高空間分辨率柵格數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將年平均生物溫度、平均降水量和潛在蒸散比率之間的散點(diǎn)統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式(Holdridge，L.R.，1947.Determinationofworldplantformationsfromsimpleclimatedata.Science105(2727)，367-368.)運(yùn)用到空間統(tǒng)計(jì)分析當(dāng)中，計(jì)算得到研究區(qū)域范圍內(nèi)相應(yīng)的潛在蒸散率空間分布數(shù)據(jù)，從而最終獲得植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型空間定量識別模型所需的高空間分辨率和高精度的氣候參數(shù)數(shù)據(jù)。根據(jù)年平均生物溫度和平均降水量，修正后的潛在蒸散比率的空間計(jì)算公式可表達(dá)為：PER(x,y)=58.93MAB(x,y)TAP(x,y)---(2)]]>式(2)中PER(x，y)、MAB(x，y)和TAP(x，y)分別為空間柵格單元(x，y)的潛在蒸散比率、年平均生物溫度和潛在蒸散比率。植被氣候生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型定量識別。在該步驟的實(shí)現(xiàn)過程中，首先根據(jù)步驟一中建立的49類植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型的判別標(biāo)準(zhǔn)值，構(gòu)建柵格層次上的植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型的空間分析模型，其空間判別計(jì)算公式可表達(dá)為：式(3)中VECSZ(x，y)表示空間柵格單元(x，y)點(diǎn)的植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶的賦值類型。當(dāng)空間柵格單元(x，y)處的PER(x，y)、MAB(x，y)和TAP(x，y)不滿足任何一類植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型的判別標(biāo)準(zhǔn)時，將空間柵格單元(x，y)處的VECSZ(x，y)值賦為0，表示柵格單元(x，y)處的植被生態(tài)系統(tǒng)類型不屬于氣候敏感帶；如果柵格單元(x，y)處的PER(x，y)、MAB(x，y)和TAP(x，y)滿足49類植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型中任何一類的判別標(biāo)準(zhǔn)時，則將空間柵格單元(x，y)處的VECSZ(x，y)值賦為相應(yīng)的氣候敏感帶類型。在該模型及所有的定量判別過程，均在柵格層次上利用程序設(shè)計(jì)和算法編程實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用識別標(biāo)準(zhǔn)和判別規(guī)則，將其與植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型的識別標(biāo)準(zhǔn)集合進(jìn)行對比，從而對每一個柵格單元進(jìn)行判斷識別并賦值，直到完成所有柵格單元的判斷識別為止。最終獲得整個研究區(qū)域所有植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶類型及其空間分布格局的定量識別。利用本發(fā)明的方法對全國植被生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)氣候敏感帶類型及其空間分布進(jìn)行識別和自動提取的研究結(jié)果表明，該方法的模擬結(jié)果能夠很好自動識別和提取出葉篤正等科學(xué)家在中國的全球變化預(yù)研究提出的三級中國植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶及其空間分布(葉篤正主編，中國的全球變化預(yù)研究，北京：氣象出版社，1992)，即：1)自內(nèi)蒙古東部向西南延伸至青藏高原的東南部的干旱/半干旱氣候想東南濕潤/半濕潤季風(fēng)氣候過渡的植被生態(tài)系同氣候敏感帶/農(nóng)牧交錯帶，稱其為一級敏感帶；2)沿鄂爾多斯高原西側(cè)直至蘭州/西寧附近，并向西沿青藏高原北麓至我國西部邊境的荒漠/草原/高寒植被生態(tài)系統(tǒng)敏感帶，稱其為二級 敏感帶；3)在我國東部森林植被區(qū)從北向南分布于寒溫帶針葉林/溫帶針闊葉混交林/暖溫帶落葉闊葉林/亞熱帶常綠闊葉林/熱帶雨林之間植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶，稱其為三級敏感帶。該方法除能夠自動識別和提取以上三大植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶以外，還能夠自動識別和提取分布于青藏高原的高寒植被生態(tài)系統(tǒng)氣候敏感帶。當(dāng)前第1頁1 2 3