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【Ecological Indicators】用多源数据和深度学习革新生态安全格局:一种自适应生成方法

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信息简介

  • Ecological Indicators

  • 链接www.editorialmanager.com/ecolind/default.aspx

  • Received 31 May 2024; Accepted 3 March 2025

  • 刊级别SCI-1top

  • IF7

  • 文量1607

  • 均投稿周期3个月

  • 章处理费OA




01

摘要内容


01 背景

生态文明建设提出“山、水、林、田、湖、草生态生命共同体”的发展理念,对区域经济、社会发展和生态环境的协调发展具有重要的现实意义。构建生态安全格局是生态文明建设的重大战略举措,是平衡保护与发展、探索人与自然和谐相处的必然要求。然而,传统的研究方法在识别生态源时使用过于简单的指标和叠加分析法,无法识别各种因素所包含的原始信息,只能识别同质的生态源。

02 研究过程

基于此,本文以鄱阳湖生态城市群为例,构建了基于生态系统健康、完整性和生态系统服务关联视角的“贡献-敏感性-活力-组织”区域可持续发展创新框架。利用深度学习的自适应生成方法,特别是自组织映射神经网络模型,克服了传统的同质化问题,通过整合多源数据识别不同类型的生态源,解决了生态源叠加分析和同质化造成的原始信息丢失问题。

03 研究结果

在此基础上,利用最小累积阻力模型、重力模型等理论提取生态廊道和生态节点,构建了以20个生态源、30个生态廊道、61个生态节点为主体的生态空间规划(ESP)。提出了“一环、两廊、两区、多核”的优化格局,为区域土地开发优化和环境管理的加强提供了政策建议。这一格局是实现区域空间优化和可持续发展的重要参考。同时,为其他快速城市化城市在城市扩张过程中协调人类活动与自然资源生态安全的互动关系,促进城市健康可持续发展提供借鉴和思路。



02

方法罗列

01 生态资源评价中的因素&基于SOM的多分类生态源识别&确定生态走廊

生态资源评价中的因素

评估框架:提出“贡献-敏感性-活力-组织”四维框架,综合评估生态源的生态服务能力、抗干扰能力、代谢活力及景观连通性。具体指标:贡献能力:基于InVEST模型计算水产量(WY)、碳固存(CS)、土壤保持(SC)和栖息地质量(HQ)。敏感性:分析地质灾害风险和洪水风险,量化生态系统对扰动的脆弱性。活力:通过CASA模型计算净初级生产力(NPP),反映生态系统代谢能力。组织能力:采用连通性概率(PC)和连通性积分指数(IIC)评估景观连通性。

基于SOM的多分类生态源识别

方法:引入自组织映射神经网络(SOM)模型,将传统叠加分析转化为聚类过程,解决生态源同质化问题。优势:无监督学习揭示数据内在模式,减少人为干预。保留多指标原始信息,提升生态源分类的客观性和科学性。结果:PLEUA识别出20个生态源,总面积31,690.04km²,主要分布于研究区外围。

确定生态走廊

方法:基于最小累积阻力(MCR)模型,结合重力模拟提取生态廊道。步骤:构建阻力面:整合地形、土地利用、植被覆盖等6类因子,通过AHP确定权重。计算最小阻力路径:结合生态源分布,识别潜在生态廊道。结果:提取30条生态廊道,总长781.78km,主要分布于东西部,中部仅有1条南北向主廊道。

02 生态节点提取&电阻面设置&分配能力评估

生态节点提取

方法:基于电路理论和Linkage Mapper工具,识别生态节点(生态夹点与生态屏障)。生态夹点:高电流密度区域,为物种迁移关键节点。生态屏障:阻碍生态流的高阻力区域,需优先修复。结果:识别61个生态节点(34个夹点,27个屏障),集中于东部及2-3号生态源连接带。

电阻面设置

阻力因子:地形(海拔、坡度)、土地利用、植被覆盖、距河流/道路距离等6类。权重确定:通过层次分析法(AHP)计算权重(一致性比率 CR=0.0607<0.1,合理)。阻力面构建:加权叠加各因子,生成综合阻力表面,反映生态流的阻碍程度。

分配能力评估

模型:InVEST模型量化生态系统服务。指标计算:水产量(W Y):基于降水与蒸散量差值。碳固存(CS):整合土壤、地上/地下生物量碳密度。土壤保持(SC):USLE模型计算土壤侵蚀量与保持量。栖息地质量(HQ):结合生境退化度与土地利用适宜性。

03 敏感性评估&生命力评估&组织能力评估

敏感性评估

地质灾害敏感性:基于修正通用土壤流失方程(USLE)评估洪水风险。洪水风险:结合地形降雨、植被覆盖等因素,通过逻辑回归模型量化。

生命力评估

模型:CASA模型计算净初级生产力(NPP)。

组织能力评估

指标:连通性概率(PC):衡量斑块间物种迁移可能性。连通性积分指数(IIC):量化景观整体连通性。公式:基于斑块面积、路径概率及连接数计算。



03

关键结果


01 多因子评估

评估指标:基于“贡献-敏感性-活力-组织”框架,采用自然断点分类法将指标分为低、较低、中等、较高、高五个等级。空间分布特征:洪水敏感性:高值区集中于南昌中部、宜春东北部及上饶西部;低值区位于鄱阳湖周边。地质灾害敏感性:高值区沿河流分布,覆盖整个研究区域。净初级生产力(NPP ):高值区位于景德镇、上饶南北部及宜春与九江交界处;低值区集中于九江、南昌、景德镇交界及宜春东部。土壤保持(SC)、碳固存(CS)、栖息地质量(HQ):高值区分布于研究区边缘山地,低值区位于城市化集中的中部区域。水产量(WY):高值区位于南昌中部、景德镇北部及上饶北部;低值区位于宜春与萍乡交界。

02 鄱阳湖生态城市群生态源识别

识别结果:共识别20个生态源,总面积31,690.04km²,占研究区的34.3%。最大生态源(4,334.97km²)位于九江市西北部,最小(390.44 km²)位于鹰潭与上饶交界处。分布特征:呈“外围密集、中心缺失”的空间格局,城市化核心区(南昌、鹰潭等)及鄱阳湖周边缺乏生态源。土地利用以林地(8 6.15%)和耕地(13.80%)为主,人类干扰较少,生态服务功能较强。

03  生态廊道提取

提取结果:共提取30条生态廊道,总长781.78km,平均长度26.06km。最长廊道(152.97km)连接2号与6号生态源,覆盖农田和水体;次长廊道(104.20km)连接2号与3号生态源,以农田和森林为主。分布特征:东西部廊道密集(占总数一半以上),中部仅1条南北向主廊道(穿越南昌)。中部因城市化、土地利用集约化及生态源缺失,廊道数量少且长度过长,不利于生态连通

局结构:生态源:20个,集中于研究区外围。生态廊道:30条,东西部密集,中部薄弱。生态节点:61个(34个生态夹点+27个生态屏障),集中于东部及2-3号生态源连接带。优化模式:提出“一环两廊两区多核”格局:一环:强化中心区潜在生态源建设,提升绿地质量与连通性。两廊:修复河流与铁路生态廊道,增强南北向连通性。两区:维护东西部破碎化生态敏感区,减少人类干扰。多核:建设关键生态屏障点,消除生态阻碍



04



















END


文章来源:城市生态日记

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