基于尺度分级反向推演法的景观生态安全格局优化方法及系统与流程

本发明涉及景观生态规划与生态网络构建，尤其涉及基于尺度分级反向推演法的景观生态安全格局优化方法及系统。

背景技术：

1、景观生态安全格局优化是协调城市发展与生态保护、提升区域生态系统连通性的核心技术手段。现有主流技术以“源地识别—阻力面构建—廊道生成—节点定位”为基本范式，其中尺度反推法与最小累积阻力（mcr）模型的组合应用最为广泛。然而，现有技术存在以下显著缺陷：

2、（1）最优尺度判定依赖主观经验，缺乏量化标准。现有研判方法在确定最优尺度时，多采用目视判读或简单拐点识别，不同研究人员的判定结果差异显著。虽有研究尝试结合主成分分析进行综合评价，但最优尺度的选取仍停留在“评分曲线拐点”的定性描述层面，缺乏可复现的量化判定规则。

3、（2）生态节点仅能识别点位，无法量化建设规模与空间形态。现有研究虽提及了生态节点规模与形状的探讨，但未形成系统化的节点形态推演方法。大多数研究仅能确定生态节点的空间点位，无法量化节点的建设面积、空间形状与适宜建设类型，规划成果难以直接落地实施。

4、（3）缺乏面向城市生态缓冲带的专属技术约束。通用尺度反推法未耦合生态系统服务评估来划定缓冲带管控边界，难以满足城市生态缓冲带等专项规划的精准落地需求。

5、（4）阻力面构建方法有待改进。已有研究提出了区分显性与隐性生态阻力特征、结合克里金插值法与空间主成分分析构建综合生态阻力面的方法，但不同区域的生态阻力赋值参数差异显著，缺乏针对区域生态系统特征的适配方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有通用尺度反推法缺乏缓冲带约束、尺度判定主观、节点无法量化形态、阻力参数适配性差的缺陷，提供一种耦合生态系统服务评估、具备缓冲带专属约束、全流程量化客观的基于尺度分级反向推演法的景观生态安全格局优化方法及系统，通过引入二阶导数量化判定最优尺度、建立次级尺度节点形态完整推演流程、耦合invest模型划定缓冲带边界，实现生态网络从源地到节点全流程的客观化、定量化构建。

2、为实现上述目的，本发明提供了基于尺度分级反向推演法的景观生态安全格局优化方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：基于生态系统服务评估划定研究区生态缓冲带边界，提取土地利用栅格数据，依据单位面积生态服务价值划分生态景观类型，生成多级空间尺度的生态景观组分结构；

4、步骤s2：构建包含整体性与连通性两类指标的评价体系，对所有指标进行标准化正向化处理，通过主成分分析计算各尺度综合评分，对评分曲线进行三次样条插值拟合后求二阶导数，以二阶导数最大值对应的尺度作为最优生态源地参考尺度；

5、步骤s3：将最优尺度的生态景观组分边界反向映射至原始土地利用数据，识别天然生态斑块与待生态转换斑块，整合形成完整生态源地并确定区域生态源地建设规模最低阈值；

6、步骤s4：构建融合显性生态阻力与隐性生态阻力的综合生态阻力面；

7、步骤s5：以生态源地为基础，结合综合生态阻力面与最小累积阻力模型，生成生态廊道网络；

8、步骤s6：识别生态廊道网络中的生态节点空间位置，通过次级尺度反向推演确定生态节点建设规模与空间形态，生成节点规划建设边界并判定建设类型。

9、优选的，步骤s1具体包括：

10、s11、输入研究区高分辨率遥感解译土地利用数据，运行invest模型量化区域生态系统服务功能，采用自然裂点法划分单位面积生态服务价值等级，将价值高于分级临界点的林地、灌丛、草地、水域划定为生态景观类型；

11、s12、以预设梯度步长，生成50m～1200m连续多级尺度栅格单元，尺度上推采用统一多数判定规则：单尺度栅格单元内生态景观面积占比＞50%时标记为生态尺度单元，连通的生态尺度单元集合构成生态景观组分；

12、s13、依托invest模型输出的生态系统服务价值分级图层，划定两层缓冲带管控边界：200～500m环城核心隔离带、500～1000m外围保育带，缓冲带宽度依据研究区主要指示物种的平均扩散距离确定，作为后续生态网络布局的空间约束。

13、优选的，步骤s2中，评价体系与最优尺度判定规则具体为：

14、s21、整体性指标包含聚合度、斑块内聚力指数、邻接比率、平均邻近指数、景观分离度；连通性指标包含景观组分数、最大组分斑块数、连接度指数、连接度增加百分率；将平均邻近指数、景观分离度、景观组分数三类负向指标取负值完成正向转换；

15、s22、对各级尺度全部指标执行z-score标准化消除量纲差异，主成分提取标准为特征值＞1、累积方差贡献率≥85%；

16、s23、构建综合连通性评分公式：，式中为综合评分，为主成分得分，为各主成分方差贡献率占总累积贡献率的权重；对离散尺度评分点采用三次样条插值拟合光滑曲线后求二阶导数，以二阶导数最大值对应的尺度作为最优生态源地参考尺度。

17、优选的，步骤s3中，生态源地反向推演流程为：

18、s31、将最优尺度生态景观组分栅格转换为矢量边界，与原始高精度土地利用栅格图层空间叠加；

19、s32、矢量边界内部原有生态景观斑块构成生态源地主体，边界内部耕地、零散建设用地划定为待生态转换斑块，两类斑块空间合并形成完整生态源地范围；

20、s33、遍历全部矢量生态源地斑块面积，提取最小值作为区域生态源地建设最低规模阈值，同步统计所有待生态转换斑块的总面积与空间分布位置。

21、优选的，步骤s4中，综合生态阻力面构建步骤为：

22、s41、基于研究区生态系统特征对应赋值各景观类型的生态阻力系数，生成显性生态阻力栅格；

23、s42、提取所有土地利用斑块几何质心作为插值采样点，采用普通克里格插值法、半变异函数模型选用球面模型，模拟生态阻力空间扩散效应，生成隐性生态阻力面；

24、s43、将显性生态阻力栅格与隐性生态阻力栅格进行波段组合，执行空间主成分分析，提取第一主成分栅格作为综合生态阻力面，要求第一主成分累积方差贡献率≥98%。

25、优选的，步骤s5中，生态廊道网络构建规则为：

26、s51、以全部生态源地矢量斑块作为最小累积阻力计算的源数据集，生态源地内部区域的生态阻力系数赋值为0，以生态源地的边界作为廊道路径的起止边界；

27、s52、采用最小累积阻力模型计算全域栅格的累积阻力值，模型计算公式：

28、；

29、式中：为任意栅格单元至最近生态源地的最小累积阻力值，为最小累积阻力计算函数，为栅格单元到生态源地边界的空间直线距离，为栅格单元的生态阻力系数，生态源地范围内取值为0，为栅格单元总数，为生态源地总数量；

30、s53、提取任意两个生态源地之间的最小累积阻力路径，全部路径集合构成生态廊道网络；按廊道穿越的基质类型，将生态廊道分为林地廊道、耕地廊道、水域廊道、建设用地廊道与未利用地廊道，统一设置廊道最低建设宽度为100m。

31、优选的，步骤s6中，生态节点点位识别方法为：

32、s61、廊道-山脊线脆弱节点：将综合生态阻力栅格等效为数字高程模型，采用gis水文分析工具提取阻力山脊线，阻力山脊线与生态廊道矢量线的相交点，划定为廊道-山脊线脆弱节点；

33、s62、廊道交叉关键节点：两条及以上生态廊道矢量线段相交的空间点位，划定为廊道-廊道关键节点。

34、优选的，步骤s6中，生态节点空间形态定量推演步骤为：

35、s63、以50～100m为固定递减步长，在小于最优源地尺度的区间内生成不少于3级的次级尺度单元栅格；复用步骤s2中的主成分综合评分方法，选取综合评分最高的次级尺度作为生态节点最优参考尺度；

36、s64、以生态节点最优参考尺度单栅格面积的1/2作为生态节点最小建设面积，基于圆形面积计算公式换算得到生态节点最小搜索半径；

37、s65、以全部生态廊道构建线性网络数据集，以各生态节点点位为中心、最小搜索半径为阈值，采用网络距离作为阻抗参数执行网络服务区分析，生成依附廊道走向的不规则多边形，作为生态节点的规划建设边界。

38、优选的，步骤s6中，生态节点建设类型判定标准为：

39、同时满足以下三项条件的生态节点划定为水域型生态节点，其余统一划定为林地型生态节点：

40、①生态节点中心点落在面积≥50hm2的完整集水盆地矢量范围内；

41、②生态节点所在水系的strahler分级≥3级；

42、③生态节点点位位于对应集水盆地的出水口矢量点位上。

43、基于尺度分级反向推演法的景观生态安全格局优化系统，包括：

44、多尺度组分生成模块，输入生态缓冲带边界与土地利用栅格，输出多级空间尺度生态景观组分栅格；

45、最优尺度评价模块，输入多级尺度组分栅格与景观指数计算结果，通过三次样条插值与二阶导数计算输出最优源地参考尺度与生态节点次级最优尺度；

46、生态源地反演模块，输入最优尺度矢量边界与原始土地利用数据，输出生态源地矢量图层与最低建设规模阈值；

47、阻力面构建模块，输入土地利用斑块质心与生态阻力赋值参数，输出综合生态阻力栅格；

48、廊道网络生成模块，输入生态源地质心与综合阻力栅格，输出分类生态廊道矢量网络；

49、生态节点推演模块，输入廊道网络、综合阻力栅格与区域水文矢量数据，输出生态节点点位、规划建设边界与节点分类结果。

50、因此，本发明采用上述的基于尺度分级反向推演法的景观生态安全格局优化方法及系统，具有以下好处：

51、（1）最优尺度判定客观量化：首次将三次样条插值与二阶导数引入最优尺度判定，以二阶导数最大值对应的尺度作为最优生态源地参考尺度，克服了传统方法依赖目视判读或简单拐点识别的主观缺陷，判定结果具备可复现性；

52、（2）生态节点形态完整定量推演：首次建立“次级尺度生成→主成分评价→栅格面积1/2定规模→网络服务区分析定形状”的完整节点形态推演链条，输出成果包含节点点位、建设面积、多边形边界与建设类型，可直接支撑工程落地；

53、（3）耦合生态系统服务评估的缓冲带约束：通过invest模型量化生态系统服务价值，直接用于划定环城核心隔离带与外围保育带的两层缓冲带管控边界，使生态网络布局具备明确的生态学依据；

54、（4）综合生态阻力面精准构建：采用普通克里格插值（球面模型）构建隐性生态阻力面，通过空间主成分分析实现显性与隐性阻力面的客观融合，更贴近真实生态过程的阻力分布。

55、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。