基于SOM-MCR耦合的都市圈多特征生态安全格局构建方法及系统

本技术涉及景观生态学与国土空间规划，具体涉及一种基于som-mcr耦合的都市圈多特征生态安全格局构建方法及系统。

背景技术：

1、生态安全格局是维持区域生态系统稳定性、保障生态过程连续性以及支撑国土空间生态保护的重要基础，广泛应用于国土空间规划、生态修复、流域综合治理及区域生态安全评价等领域。目前，生态安全格局构建一般包括生态源地识别、生态阻力面构建、生态廊道提取以及生态网络优化等步骤。

2、在生态源地识别方面，传统技术主要采用生态系统服务综合评价、多指标加权叠加、生态红线提取等方式确定生态源地。该类方法通常需要人为设定指标权重，将生境质量、年产水量、碳储存、粮食供给等不同生态系统服务压缩为单一综合评价结果，难以保留各生态系统服务之间的原始特征信息，无法有效识别具有不同主导生态功能的多类型生态源地，生态功能异质性表达不足。

3、当前生态阻力面构建方法多以土地利用类型赋值作为基础阻力，较少综合考虑地形起伏、人类活动强度等因素，导致阻力面的空间异质性表达不足，难以真实反映生态过程中的迁移阻力特征。同时，现有生态廊道构建方法通常基于最小累积阻力模型提取生态源地之间的最小成本路径，默认不同生态源地之间形成的生态廊道具有相同生态属性，缺乏依据生态源地主导生态功能对生态廊道进行分类的能力，难以揭示不同生态功能之间的生态联系及物质能量流动特征，也无法为差异化生态保护和修复提供针对性的依据。

4、现有生态安全格局构建研究主要侧重生态源地和生态廊道的空间识别，缺少对不同生态功能类型形成机制及其关键驱动因素的定量分析，生态安全格局构建结果可解释性不足，难以支撑区域生态保护和国土空间优化决策。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种基于som-mcr耦合的都市圈多特征生态安全格局构建方法及系统，用于解决现有生态安全格局构建中生态源地功能类型识别不足、廊道同质化表达、阻力面内部差异刻画不充分以及修复节点难以精确落位的问题。

2、本发明采取的第一种技术方案是：一种基于som-mcr耦合的都市圈多特征生态安全格局构建方法，包括如下步骤：

3、s1：多源空间数据采集与标准化处理：获取包括研究区域土地利用数据、数字高程模型数据、归一化植被指数数据、降水数据、实际蒸散发数据、土壤数据、夜间灯光数据、道路网络数据以及行政边界数据的多源空间数据，并统一空间基准，形成生态安全格局分析数据库；

4、s2：生态系统服务重要性与生态敏感性指标测算：基于所述生态安全格局分析数据库，分别获得生境质量、年产水量、碳储量、粮食供给能力、水土流失敏感性和地质灾害敏感性六类生态指标；

5、s3：基于自组织映射神经网络的生态服务簇识别：对步骤s2得到的六类生态指标进行标准化处理，输入自组织映射神经网络进行无监督聚类，得到具有不同主导生态功能的生态服务簇，并形成反映各评价单元所属生态服务簇类别及各簇空间分布的整体聚类结果；

6、s4：生态功能分异驱动因素解析：对步骤s3得到的各生态服务簇及整体聚类结果开展可解释性分析，确定不同生态服务簇的关键驱动指标及其贡献程度；

7、s5：多类型生态源地筛选：结合生态服务簇类型、斑块面积阈值和景观连通性指标，筛选并分级得到不同主导生态功能的生态源地；

8、s6：异质生态阻力面构建：以土地利用类型为基础阻力，结合地形起伏度和夜间灯光指数对基础阻力进行修正，得到综合生态阻力面；

9、s7：多类型生态廊道及关键生态节点识别：基于步骤s5得到的生态源地和步骤s6得到的综合生态阻力面，利用最小累积阻力模型提取生态源地之间的潜在生态廊道，并依据廊道两端生态源地主导功能确定生态廊道类型；同时识别生态夹点、生态障碍点和生态断裂点；

10、s8：生态安全格局构建与优化：根据多类型生态源地、多类型生态廊道及关键生态节点，构建都市圈多特征生态安全格局，并形成差异化生态保护修复方案。

11、进一步地，步骤s1的具体方法为：

12、所述多源空间数据统一采用wgs 1984坐标参考系统；对栅格数据执行空间裁剪、重采样和空值检查，对矢量数据执行拓扑检查和边界匹配，使土地利用、地形、植被、气象、土壤、人类活动和道路网络数据在同一空间范围内参与评价。

13、进一步地，步骤s2中生境质量通过土地利用类型的生境适宜性和外部威胁因子的空间影响强度进行评价；年产水量通过降水量和实际蒸散发量之间的水量差异进行估算；碳储量通过不同土地利用类型对应的地上生物量碳库、地下生物量碳库、土壤碳库和枯落物碳库进行估算；粮食供给能力通过粮食统计量、耕地空间分布和归一化植被指数进行空间分配；水土流失敏感性通过降雨侵蚀力、土壤可蚀性、坡长坡度、植被覆盖和水土保持措施因子进行评价；地质灾害敏感性通过高程、坡度、地层岩性、断裂距离、河流距离、降水和人类活动因子进行评价。

14、进一步地，步骤s3中将生境质量、年产水量、碳储量、粮食供给能力、水土流失敏感性和地质灾害敏感性构成多维生态特征向量，并采用r语言kohonen包构建自组织映射神经网络，对评价单元进行拓扑保持型无监督聚类，从而得到不同主导生态功能的生态服务簇。

15、进一步地，步骤s4中通过shap可解释性分析分别输出单个生态服务簇的局部驱动因素和全部生态服务簇的整体驱动因素，用于判定各生态指标对生态功能分异的贡献程度。

16、进一步地，步骤s5中基于面积—数量稳定性准则确定生态源地最小面积阈值，并采用conefor计算整体连通性指数iic和斑块重要性指数dpc，对初步生态源地进行筛选、保留和等级划分。

17、进一步地，步骤s6中土地利用基础阻力包括林地、水田、旱地、草地、水体、建设用地和未利用地对应的阻力值，并以同一景观类型内地形起伏度相对值和夜间灯光指数相对值对基础阻力进行修正，以表征自然本底和人类活动共同作用下的生态迁移阻力。

18、进一步地，步骤s7中的生态廊道类型根据廊道两端生态源地的主导生态功能确定；当廊道两端均为粮食生产型生态源地时确定为粮食生产型廊道，当廊道两端均为碳汇型生态源地时确定为碳汇型廊道，当廊道两端分别属于不同主导生态功能类型时确定为复合型生态廊道；

19、生态夹点根据生态廊道中的电流密度集中程度识别，生态障碍点根据局部阻力降低后生态源地间通达阻力改善程度识别，生态断裂点通过生态廊道与道路网络的空间叠置关系识别。

20、本发明采取的第二种技术方案是：一种基于som-mcr耦合的都市圈多特征生态安全格局构建系统，用于实现第一种技术方案所述的构建方法，包括相互通信连接的多源空间数据预处理模块、生态指标测算模块、som生态服务簇识别模块、shap驱动因素解析模块、生态源地筛选分级模块、异质生态阻力面构建模块、mcr生态廊道与关键生态节点识别模块以及生态安全格局与保护修复方案输出模块；所述系统还包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器用于执行所述计算机程序，实现多特征生态安全格局构建；

21、其中，所述多源空间数据预处理模块用于获取研究区域土地利用数据、数字高程模型数据、归一化植被指数数据、降水数据、实际蒸散发数据、土壤数据、夜间灯光数据、道路网络数据以及行政边界数据，并统一空间基准；

22、所述生态指标测算模块用于测算生境质量、年产水量、碳储量、粮食供给能力、水土流失敏感性和地质灾害敏感性；

23、所述som生态服务簇识别模块用于对六类生态指标进行标准化和无监督聚类，输出不同主导生态功能的生态服务簇及整体聚类结果；

24、所述shap驱动因素解析模块用于计算各生态指标对单个生态服务簇及整体聚类结果的贡献程度；

25、所述生态源地筛选分级模块用于结合生态服务簇类型、斑块面积阈值、整体连通性指数iic和斑块重要性指数dpc筛选并分级多类型生态源地；

26、所述异质生态阻力面构建模块用于以土地利用基础阻力为基础，利用地形起伏度和夜间灯光指数修正各评价单元的阻力值，形成综合生态阻力面；

27、所述mcr生态廊道与关键生态节点识别模块用于提取生态源地之间的潜在生态廊道，依据廊道两端生态源地主导功能确定廊道类型，并识别生态夹点、生态障碍点和生态断裂点；

28、所述生态安全格局与保护修复方案输出模块用于叠加多类型生态源地、多类型生态廊道及关键生态节点，输出都市圈多特征生态安全格局和差异化生态保护修复方案。

29、本发明的有益效果在于：

30、（1）现有som-mcr研究通常利用som完成生态功能分区后直接进入源地和廊道分析，聚类类别的形成依据不够明晰；本发明以六类生态指标和som聚类结果为基础，训练随机森林代理模型，利用shap计算各指标对单个评价单元、各生态服务簇及整体聚类结果的贡献，据此识别主导功能及驱动因素。该方法可明确各类生态空间的形成原因，提高源地分类和保护措施制定的可解释性，避免仅凭聚类均值进行经验判定；

31、（2）现有方法直接从高值簇中提取源地时，容易保留细碎斑块，且无法明确具有重要连接作用的斑块；本发明先根据面积—数量关系的稳定区间确定最小面积阈值，剔除规模过小、功能稳定性不足的候选斑块，再计算iic和dpc，分别评价景观整体连通性和单个斑块对连通性的贡献，完成源地筛选和分级，由此得到的源地兼具功能代表性、空间稳定性和网络重要性，可提高后续廊道模拟的可靠性；

32、（3）现有som-mcr多按土地利用类型赋予固定阻力，同一地类内部的地形条件和人类扰动差异未得到充分反映；本发明以土地利用基础阻力为底值，采用地形起伏度和夜间灯光指数相对于同类地类平均值的比值进行修正，使同一土地利用类型内部形成差异化阻力。该处理能够更准确反映生态流动的实际通行条件，减少最小阻力路径穿越高扰动区或绕开适宜区域的偏差；

33、（4）现有som-mcr研究多侧重源地识别和最小成本路径提取，对廊道承担的生态功能及不同受阻位置缺少统一表达；本发明根据廊道两端源地的主导功能确定粮食生产型、碳汇调节型、生境保育型和复合型廊道，并结合电流密度、局部阻力降低后的通达改善程度以及廊道与道路的空间叠置关系，分别识别夹点、障碍点和断裂点。由此可同时获得廊道功能、连通瓶颈、修复收益较高区域和道路切割位置，为分类型保护、分机制修复和工程选址提供依据。