本发明涉及生态安全技术领域，尤其涉及一种城市生态安全空间格局模型构建方法。
背景技术：
工业革命以来，人类活动和工业化过程已使地球环境严重恶化。人类活动造成的土地利用变化引发各类陆地生态系统面积、空间分布与格局变化，从而导致生境与结构破碎、生物地球化学循环过程改变、环境污染、水循环过程改变等一系列问题。从全球范围来看，全球性的生态灾难和环境危机，正在严重威胁着人类社会的生存、发展。一系列严重的生态和环境问题警示我们人类社会生存的环境正在退化。这些退化影响着人类的生活质量，威胁着国际经济的稳定，同时，还会触发许多新的国际争端，干扰人类社会的进步。生态安全是随着生态恶化和环境问题日益严重而提出的一种安全理念，其可在一定程度上揭示一个国家或地区的生态环境与社会经济发展之间的相互关系，表明国家或地区生态环境的状况是否对社会经济发展构成了威胁，生态环境与社会经济之间是否出现了不协调现象；依据此理念及相关措施可监控生态环境的变化，确保国家或地区社会经济的稳定。随着生态灾难的频繁发生，生态安全研究的紧迫性和必要性越来越大，生态安全作为国家或地区安全的有机组成部分，其重要性日益突出。生态安全空间格局是从空间尺度认知生态安全问题，不同层面具有不同的内涵。国土尺度生态安全格局是国家与区域的自然生命支持系统，它是由河流、湿地、林地、草原、野生动物栖息地和其他自然区域共同构成的相互连接的生态网络，用以支持生物物种、维护自然生态过程、提供空气和水资源，提高居民健康和生活质量。区域生态安全格局是针对区域生态环境问题，在干扰排除的基础上保护和恢复生物多样性、维持生态系统结构和过程的完整性、实现对区域生态环境问题有效控制和持续改善的区域性空间格局。景观生态安全格局是指景观中存在着某种潜在的空间格局，它们由一些关键性的局部、点及位置关系所构成，对维护和控制某种生态过程有着关键性的作用。城市生态安全空间格局是国土生态安全格局和区域生态安全格局的重要组成部分，是各种生态空间的有机组合，用以维持城市生态系统结构和过程的完整性，实现土地资源可持续利用、生态环境问题得到持续改善的城市区域性空间格局。总体来看，城市生态安全空间格局是城市发展的基本保障，已经成为城市发展的基本保障之一。目前尚缺乏一种可靠性强的城市生态安全空间格局模型构建方法。
技术实现要素：
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种城市生态安全空间格局模型构建方法，具有可靠性强和可视化的优点。
为了实现上述目的，本发明提供一种城市生态安全空间格局模型构建方法，包括步骤：
s1：利用状态空间法对一目标城市的生态空间安全状态进行分析获得第一分析结果；
s2：利用生态系统服务功能对所述目标城市的生态空间的服务能力进行分析获得第二分析结果；
s3：利用地理信息系统对所述目标城市的生态空间的网络性能进行分析获得第三分析结果；
s4：根据所述第一分析结果、所述第二分析结果和所述第三分析结果构建所述目标城市的城市生态安全空间格局模型。
本发明的进一步改进在于，所述s1步骤进一步包括步骤：
s11：统计所述目标城市各区县的生态用地面积，获得生态用地统计数据；
s12：统计所述目标城市各区县的人类行为的生态环境负荷数据，所述人类行为的生态环境负荷数据包括地区国内生产总值、地区人口数量和工业综合能耗；
s13：计算所述目标城市各区县的生态区位系数；
s14：根据所述生态区位系数和公式(1)计算所述目标城市各区县的区域生态安全指数：
其中，g表示所述地区国内生产总值，p表示所述地区人口数量，e表示所述工业综合能耗，s表示所述生态用地面积；μ表示所述生态区位系数；
s15：根据所述生态安全指数评价所述目标城市的生态安全状态，所述生态安全指数作为所述第一分析结果。
本发明的进一步改进在于，所述步骤s13进一步包括步骤：
s131：确定多个评价要素，所述评价要素包括河流、森林公园、地质灾害和土壤质量；
s132：通过层次分析法确定各所述评价要素的权重；
s133：根据所述权重确定所述目标城市各区县的生态区位系数。
本发明的进一步改进在于，所述s132步骤进一步包括步骤：
s1321：设置相对重要性比例标度，所述相对重要性比例标度包括多个不同的重要性等级和多个不同的重要性数值，所述重要性数值与所述重要性等级一一对应；
s1322：根据所述相对重要性比例标度建立所述评价要素的重要性判断矩阵k：
所述重要性评断矩形的元素αij为第i评价要素相对于第j评价要素的重要性数值；i、j为大于1的自然数；
s1323：计算所述矩阵k中每一行元素的乘积mi，
s1324：计算所述乘积mi的n次方根
s1325：根据公式(2)对所述次方根
s1326：验证矩阵k的一致性比率，当所述一致性比率满足预设条件时，继续后续步骤，否则返回步骤s1322。
本发明的进一步改进在于，所述s1326步骤包括步骤：
根据一公式(3)计算所述判断矩阵k的最大特征根λmax：
其中a表示矩阵；
根据一公式(4)计算一致性指标ci：
根据一公式(5)计算一致性比率cr：
cr＝ci/ri(5)；
其中ri为判断矩阵k的一致性指标。
本发明的进一步改进在于，所述ri与评价要素个数n的关系为：n＝1，ri＝0；n＝2，ri＝0；n＝3，ri＝0.52；n＝4，ri＝0.89；n＝5，ri＝1.12；n＝6，ri＝1.26；n＝7，ri＝1.36；n＝8，ri＝1.41；n＝9，ri＝1.46；n＝10，ri＝1.49；n＝11，ri＝1.52；n＝12，ri＝1.54；n＝13，ri＝1.56；n＝14，ri＝1.58；n＝15，ri＝1.59。
本发明的进一步改进在于，所述s2步骤进一步包括步骤：
s21：将所述目标城市的土地分为m个土地利用类型，m为大于1的自然数，并设置各土地利用类型的生态服务价值系数；
s22：统计复数个时间段的各土地利用类型的土地面积；
s23：根据一公式(6)计算各所述时间段所对应的所述目标城市的生态系统服务价值v：
v＝∑ai×ri(6)；
其中，1≤i≤m，且i为自然数；ai为第i土地利用类型的土地面积；ri为第i土地利用类型的生态服务价值系数；
s24：根据所述目标城市的生态系统服务价值计算所述目标城市各区县的区县生态系统服务价值；
s25：根据所述区县生态系统服务价值和所述目标城市各区县的常驻人口数据计算所述目标城市各区县的人均生态服务功能价值；
s26：计算所述区县生态系统服务价值与所述地区国内生产总值的比值，获得单位国内生产总值生态系统服务功能价值；
s27：计算所述人均生态服务功能价值和所述地区国内生产总值的和获得所述目标城市各区县的生态安全系数，所述目标城市各区县的生态安全系数作为所述第二分析结果。
本发明的进一步改进在于，所述s3步骤进一步包括步骤：
s31：获取所述目标城市所需时间点的tm遥感图像；
s32：处理所述tm遥感图像，将所述目标城市的道路和绿地网络进行矢量化，获得所述目标城市的道路网络矢量图和绿地网络矢量图；
s33：根据公式(7)计算所述道路网络矢量图和所述绿地网络矢量图的是网络中连线的数目与该网络最大可能的连线数之比γ：
γ＝l/3(v-2)(7)；
其中l为所述道路网络矢量图或所述绿地网络矢量图中实际存在的连线数；v表示网络实际的节点数；
s34：根据公式(8)计算所述道路网络矢量图或所述绿地网络矢量图的环度α：
s35:根据公式(9)计算所述道路网络矢量图或所述绿地网络矢量图的节点联系难易度指标β：
β＝l/v(9)；
s36：根据公式(10)计算一成本比指数costration：
costration＝l-1/d(10)；
其中l为网络廊道数，d为廊道长度；所述成本比指数作为第三分析结果。
本发明的进一步改进在于，所述s4步骤进一步包括步骤：
s41：根据第一分析结果、所述第二分析结果和所述第三分析结果确定所述目标城市各区县的综合生态安全指数；
s42：将所述目标城市的地图中的各区县根据所述综合生态安全指数按照预设不同颜色显示。
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
其通过将统计数据通过算法的处理获得更可靠的城市生态安全格局模型，并将该模型进行可视化显示，使得用户能够更直观快速地获得所需的信息。
附图说明
图1为本发明实施例的城市生态安全空间格局模型构建方法的流程图。
具体实施方式
下面根据附图1，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
请参阅图1，本发明实施例的一种城市生态安全空间格局模型构建方法，包括步骤：
s1：利用状态空间法对目标城市的生态空间安全状态进行分析获得第一分析结果；
具体的，s1步骤进一步包括步骤：
s11：统计目标城市各区县的生态用地面积，获得生态用地统计数据；
s12：统计目标城市各区县的人类行为的生态环境负荷数据，人类行为的生态环境负荷数据包括地区国内生产总值、地区人口数量和工业综合能耗；
s13：计算目标城市各区县的生态区位系数；
步骤s13进一步包括步骤：
s131：确定多个评价要素，评价要素包括河流、森林公园、地质灾害和土壤质量；
s132：通过层次分析法确定各评价要素的权重；
本发明的进一步改进在于，s132步骤进一步包括步骤：
s1321：设置相对重要性比例标度，相对重要性比例标度包括多个不同的重要性等级和多个不同的重要性数值，重要性数值与重要性等级一一对应；
s1322：根据相对重要性比例标度建立评价要素的重要性判断矩阵k：
重要性评断矩形的元素αij为第i评价要素相对于第j评价要素的重要性数值；i、j为大于1的自然数；
s1323：计算矩阵k中每一行元素的乘积mi，
s1324：计算乘积mi的n次方根
s1325：根据公式(2)对次方根
s1326：验证矩阵k的一致性比率，当一致性比率满足预设条件时，继续后续步骤，否则返回步骤s1322。
其中，s1326步骤包括步骤：
根据公式(3)计算判断矩阵k的最大特征根λmax：
其中a表示矩阵(是层次分析法中进行一致性检验时用的一致性检验矩阵)；
根据公式(4)计算一致性指标ci：
根据公式(5)计算一致性比率cr：
cr＝ci/ri(5)；
其中ri为判断矩阵k的一致性指标。
其中，ri与评价要素个数n的关系为：n＝1，ri＝0；n＝2，ri＝0；n＝3，ri＝0.52；n＝4，ri＝0.89；n＝5，ri＝1.12；n＝6，ri＝1.26；n＝7，ri＝1.36；n＝8，ri＝1.41；n＝9，ri＝1.46；n＝10，ri＝1.49；n＝11，ri＝1.52；n＝12，ri＝1.54；n＝13，ri＝1.56；n＝14，ri＝1.58；n＝15，ri＝1.59。
s133：根据权重确定目标城市各区县的生态区位系数。
s14：根据生态区位系数和公式(1)计算目标城市各区县的区域生态安全指数：
其中，g表示地区国内生产总值，p表示地区人口数量，e表示工业综合能耗，s表示生态用地面积；μ表示生态区位系数；
s15：根据生态安全指数评价目标城市的生态安全状态，生态安全指数作为第一分析结果。
s2：利用生态系统服务功能对目标城市的生态空间的服务能力进行分析获得第二分析结果；
其中，s2步骤进一步包括步骤：
s21：将目标城市的土地分为m个土地利用类型，m为大于1的自然数，并设置各土地利用类型的生态服务价值系数；
s22：统计复数个时间段的各土地利用类型的土地面积；
s23：根据公式(6)计算各时间段所对应的目标城市的生态系统服务价值v：
v＝∑ai×ri(6)；
其中，1≤i≤m，且i为自然数；ai为第i土地利用类型的土地面积；ri为第i土地利用类型的生态服务价值系数；
s24：根据目标城市的生态系统服务价值计算目标城市各区县的区县生态系统服务价值；
s25：根据区县生态系统服务价值和目标城市各区县的常驻人口数据计算目标城市各区县的人均生态服务功能价值；
s26：计算区县生态系统服务价值与地区国内生产总值的比值，获得单位国内生产总值生态系统服务功能价值；
s27：计算人均生态服务功能价值和地区国内生产总值的和获得目标城市各区县的生态安全系数，目标城市各区县的生态安全系数作为第二分析结果。
s3：利用地理信息系统对目标城市的生态空间的网络性能进行分析获得第三分析结果；
其中，s3步骤进一步包括步骤：
s31：获取目标城市所需时间点的tm遥感图像；
s32：处理tm遥感图像，将目标城市的道路和绿地网络进行矢量化，获得目标城市的道路网络矢量图和绿地网络矢量图；
s33：根据公式(7)计算道路网络矢量图和绿地网络矢量图的是网络中连线的数目与该网络最大可能的连线数之比γ：
γ＝l/3(v-2)(7)；
其中l为道路网络矢量图或绿地网络矢量图中实际存在的连线数；v表示网络实际的节点数；
s34：根据公式(8)计算道路网络矢量图或绿地网络矢量图的环度α：
s35:根据公式(9)计算道路网络矢量图或绿地网络矢量图的节点联系难易度指标β：
β＝l/v(9)；
s36：根据公式(10)计算成本比指数costration：
costration＝l-1/d(10)；
其中l为网络廊道数，d为廊道长度；成本比指数作为第三分析结果。
例如，上海道路网络和绿地网络均有相似的网络特征，其景观生态网络基本特征度量状态请参见表1：
表1
通过γ、α、β和成本比指数分析可以发现，上海道路网络和绿地网络二者网络连接度均达到0.6以上，说明绿地网络和道路网络的网络连接度均较好。环路数量均小于0.5，说明这两个网络的环路数量中等偏少，与γ指数形成较大反差，使网络呈现出较高线性连接和较低环状连接的网络特征。路网的网状连接度较低，呈现出辐射状延伸特征。形成的节点间连接途径指数均大于1，处于适中水平，且二者成本比都较高。形成这样的特征，可能是因为道路网络和绿地网络在建设过程中，注意所有节点的连接度，但是对于环路建设和节点间的相互连接有所欠缺。这些特征一方面反映出道路和绿地节点的廊道建设程度较低，另一方面也反映节点建设存在节点孤立化、点状化和平面化的问题。未来在上海市生态网络建设过程中，要加强节点间的连接程度，注意环路的建设，增加绿地斑块和廊道建设，改善连接的生境质量，降低生态网络建设成本比。根据对现状生态网络的分析，提出现有网络建设过程中存在的孤立、效率低等问题，后续根据合适的方法增加绿地斑块，合理构建增加生态廊道，优化绿地空间布局，改善生境斑块之间的连接，是新一轮城市绿地系统规划的关键任务，有利于生物物种在生态网络中的迁移和扩散，从而有效保护城市生物多样性，增进城市可持续发展能力。
s4：根据第一分析结果、第二分析结果和第三分析结果构建目标城市的一城市生态安全空间格局模型。
其中，s4步骤进一步包括步骤：
s41：根据第一分析结果、第二分析结果和第三分析结果确定目标城市各区县的综合生态安全指数；
s42：将目标城市的地图中的各区县根据综合生态安全指数按照预设不同颜色显示。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。