基于遙感和GIS技術的生態承載力評價的解決方案

1.引言

    生態承載力的概念最早來自于生態學。 1921 年， Park 和 Burgess 在生態學領域中首次應用了生態承載力的概念，即在某一特定環境條件下（主要指生存空間、營養物質、陽光等生態因子的組合），某種個體存在數量的最高極限。生態承載力是生態系統整體水平的主要特征之一，其定量分析已成為生態環境管理和區域可持續發展決策的有效依據。

    該方案利用 Landsat TM/ETM+  等遙感影像數據及統計年鑒數據，建立了生態承載力評價指標體系。利用遙感和 GIS 技術對主要指標（如 NDVI  指數等）進行空間數據分析處理，通過主成分分析法篩選指標、層次分析法（AHP）獲得各指標權重，從定性和定量的角度分析研究區生態承載力，并提出實現該區良性發展的對策與措施。具體技術路線圖如下：

圖1  生態承載力評價技術路線

2.數據準備及預處理

    數字高程模型（digital elevation model，DEM）數據；土壤類型數據。

    植被覆蓋度以多年歸一化植被指數（NDVI）求平均計算得到，公式如下：

    式中：f 為多年旬平均植被覆蓋度；NDVI 為多年旬平均歸一化植被指數；NDVImax、NDVImin分別多年旬平均 NDVI 的最大值和最小值。

    氣象數據包括年均降水量、年均氣溫等，通過氣象站多年數據求平均，借助 ANUSPLIN4.36 軟件完成插值工作；人口密度、經濟密度和 GDP 密度等數據來自統計年鑒。所有數據均柵格化為 1 km。

3.研究方法

    3.1 評價指標的選擇

    評價體系包括 3 個指標：資源環境指標、生態彈性力指標和人類社會影響力指標。資源環境指標包含人均耕地面積、人均草地面積、人均林地面積、人均糧食占有量、人均水域面積和人均牲畜占有量；生態彈性力指標由平均海拔、起伏度、年均氣溫、年均江水、景觀多樣性指標、平均植被覆蓋度、草地植被覆蓋度和水域面積比構成；人類社會影響力指標包括草地放牧超載率、年造林面積、人均居民地面積、勞動力比重、經濟密度和人口密度等。

    3.2 指標歸一化處理

    在進行總體評價之前,  由于原始指標數據間存在的量綱不同,  需要指標間各數量級差異。本研究使用極差正規化法,  對第 i 個評價值進行極差正規化處理:

    通過計算后,  將原始數據有效歸一化在[ 0, 1]  之間,  使離散度具有一致性。

    3.3 因子篩選和權重確定

    采用主成分分析篩選指標、AHP 確定綜合評價指標的權重。首先，根據各主成分的貢獻率，確定各主成分之間的重要性。依據層次分析法 1-9 的重要性標度方法，對各主成分的評比給出數量標度。然后，利用統計軟件通過 AHP 計算出各評價指標的權重并檢驗權重的合理性。

    3.4 基于生態健康的生態承載力模型

    根據各評價指標及其權重，參照狀態空間法，建立研究區生態承載力的數學模型，計算研究區每個像元的承載力指數，計算公式如下：

4.模擬結果的應用

    基于以上分析，得到研究區生態承載力評價的模擬結果，該結果可為以下分析提供支持：

    （1）研究區生態承載力分級

    （2）研究區資源環境承載力評價

    （3）研究區生態彈性力評價

    （4）研究區人類社會影響力評價

    （5）研究區基于生態健康的生態承載力綜合分析評價