技术领域
[0001] 本发明涉及生态环境监测评估的技术领域，尤其是涉及一种面向统一监管的生态系统碳汇保护空间划定方法及装置。
相关背景技术
[0002] 生态系统碳汇保护空间划定是生态保护修复工程布局、碳汇能力巩固提升的基础和依据，直接关系到生态保护修复碳汇成效。
[0003] 然而，对于生态系统碳汇高值区域、退化区域的区分往往是不明晰的，且，生态系统碳汇保护空间也很少进行划定，不利于生态保护修复工程合理布局和生态保护修复碳汇成效，也不利于碳汇能力巩固提升。
[0004] 并且，从研究现状看，当前生态系统碳汇的研究一般以某一区域、某一类型的生态系统为主，利用各类资源调查监测、实地观测等数据对生态系统碳汇进行评估，对于掌握某一区域、某一类型生态系统碳汇具有重要意义。
[0005] 然而，由于目前森林、草地等各类自然资源调查监测在时间、周期、方法等方面的不一致，并且，生态系统碳汇评估的基本单元较粗，而且生态系统碳汇评估在空间上也存在空缺或重叠等问题，加之目前生态系统碳汇的高值区域、退化区域等保护空间尚不明晰，面向统一监管的全国生态系统碳汇研究仍然滞后，不利于生态保护修复工程的合理布局及其对碳汇能力的巩固提升。
[0006] 因此，针对当前生态系统碳汇研究，尤其是生态系统碳汇保护空间划定方面存在的不足，目前尚未有较为有效的解决方法。
具体实施方式
[0036] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037] 生态系统碳汇是指绿色植物通过光合作用吸收大气中的二氧化碳，并固定在植物体或土壤中。其中，植物通过光合作用形成的有机物质越多，植物净初级生产力越大，生态系统碳汇能力越强；反之，生态系统碳汇能力越弱。因此，生态系统碳汇是生态系统中植物生长、发育过程形成的服务功能之一，植物光合作用是各类生态系统碳汇的共同机理和根本机制。
[0038] 并且，采用绿色植物每年通过光合作用吸收、固定的二氧化碳量作为生态系统碳汇的衡量指标，可以避免因各类资源调查监测时间、周期、范围等不一致导致的生态系统碳汇评估在空间上不连续及重复、遗漏等问题。同时，采用绿色植物每年通过光合作用吸收、固定的二氧化碳量作为生态系统碳汇的衡量指标，可以体现气候、土壤、地形地貌、植被类型等因素对植物生长、发育及生态系统碳汇的影响，反映生态系统碳汇能力的变化趋势和地域差异，进而满足建立以空间管控和质量提升为目标的生态系统碳汇监管体系、实施生态保护修复碳汇成效监测评估等需求。
[0039] 因此，本发明实施例中，针对目前生态系统碳汇评估技术存在的主要不足，综合考虑各类生态系统碳汇的共同机理和根本机制，以及生物量与碳储量转化、植物枯损等因素的影响，选择绿色植物每年通过光合作用吸收、固定的二氧化碳量作为衡量指标，构建了一种面向统一监管的生态系统碳汇保护空间划定方法及装置。
[0040] 为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种面向统一监管的生态系统碳汇保护空间划定方法进行详细介绍。
[0041] 在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供了一种面向统一监管的生态系统碳汇保护空间划定方法，如图1所示的一种面向统一监管的生态系统碳汇保护空间划定方法的流程图，该方法包括以下步骤：
[0042] 步骤S102，收集预设区域的生态数据；
[0043] 其中，本发明实施例中的预设区域，可以是某一地区，也可以是整个全国范围，进一步，本发明实施例中的预设区域包括至少一个评估单元，每个评估单元对应预设区域范围内在空间上的一个基本单元，如预设区域内的某一个国土斑块。
[0044] 在实际使用时，生态系统碳汇评估是生态系统碳汇保护空间划定的基础，目前生态系统碳汇评估研究的主要区别在于植物生物量的数据来源，包括调查监测、模型模拟、遥感等数据。其中，遥感数据具有大面积同步观测、更新周期短、可比性强等优势，适用于国家尺度、长时间序列的生态系统碳汇评估。因此，以预设区域为全国范围为例，上述步骤S102中，收集的预设区域的生态数据可以包括覆盖全国的遥感影像、影像派生数据，以及行政区划、生态系统类型、植被类型等数据，进而构成面向统一监管的生态系统碳汇保护空间划定的基础数据。
[0045] 其中，上述所收集的生态数据中，遥感数据、影像派生数据通常包括覆盖全国的植物净初级生产力(NPP)数据；植被类型则来源于植被图数据，生态系统类型数据可以参照生态状况遥感调查与评估生态系统分类系统，即，通常包括森林、灌丛、草地、湿地、农田、城镇、荒漠和裸地等多种类型，行政区划数据通常采用全国行政区划数据集的数据，具体的数据来源还可以根据实际使用情况进行设置，本发明实施例对此不进行限制。
[0046] 步骤S104，基于生态数据评估预设区域中每个评估单元的碳吸收量，并将碳吸收量确定为每个评估单元的生态系统碳汇；
[0047] 具体地，本发明实施例中的碳吸收量，是生态系统的一个绝对的量，指的是绿色植物每年通过光合作用吸收、固定的二氧化碳量，通过该碳吸收量作为生态系统碳汇的衡量指标，可以避免因各类资源调查监测时间、周期、范围等不一致导致的生态系统碳汇评估在空间上不连续及重复、遗漏等问题，同时，还可以体现气候、土壤、地形地貌、植被类型等因素对植物生长、发育及生态系统碳汇的影响，进而反映生态系统碳汇能力的变化趋势和地域差异。
[0048] 步骤S106，对每个评估单元的生态系统碳汇进行汇总，得到预设区域范围内的生态系统碳汇总量；
[0049] 步骤S108，基于生态系统碳汇总量时间序列确定生态系统碳汇保护空间划定标准；
[0050] 其中，本发明实施例中的生态系统碳汇保护空间划定标准包括生态系统碳汇高值区域的划定标准和生态系统碳汇退化区域的划定标准；
[0051] 步骤S110，根据生态系统碳汇保护空间划定标准，识别预设区域范围内的生态系统碳汇高值斑块和退化斑块，并基于高值斑块和退化斑块划定预设区域范围内面向统一监管的生态系统碳汇保护空间。
[0052] 在实际使用时，对于上述得到的高值斑块和退化斑块，在划定面向统一监管的生态系统碳汇保护空间时，可以将上述生态系统碳汇的高值斑块和退化斑块转化为生态系统碳汇的高值区域和退化区域；以及，将生态系统碳汇的高值区域和退化区域进行合并，可以形成一个预设区域范围内，面向统一监管的生态系统碳汇保护空间的矢量范围，进而用于实施生态保护修复碳汇成效监测评估、建立以空间管控和质量提升为目标的生态系统碳汇监管体系、优化生态保护修复工程布局等。
[0053] 因此，本发明实施例提供的生态系统碳汇保护空间的划定方法，能够收集预设区域的生态数据；基于生态数据评估预设区域中每个评估单元的碳吸收量，并将碳吸收量确定为每个评估单元的生态系统碳汇，并对每个评估单元的生态系统碳汇进行汇总，得到该预设区域范围内的生态系统碳汇总量，进而基于生态系统碳汇总量时间序列确定生态系统碳汇保护空间划定标准，以便于根据生态系统碳汇保护空间划定标准识别预设区域范围内的生态系统碳汇高值斑块和退化斑块，基于该高值斑块和退化斑块形成预设区域范围内的生态系统碳汇高值区域和退化区域，并根据该高值区域和退化区域划定预设区域范围内的生态系统碳汇保护空间，通过对生态系统碳汇保护空间的划定，不仅有利于对生态系统碳汇实施统一监管，同时，也可以为建立以空间管控和质量提升为目标的生态系统碳汇监管体系、优化生态保护修复工程布局、实施生态保护修复碳汇成效监测评估等提供科学依据。
[0054] 在实际使用时，对于上述步骤S102中所收集的生态数据，多需要进一步的统计处理，进而提取到本发明实施例中所需的评估参数，因此，上述步骤S104中，在评估碳吸收量时，需要基于生态数据提取每个评估单元的评估参数；然后根据评估参数计算每个评估单元的碳吸收量。
[0055] 例如，根据行政区划提取出评估单元的面积，以及，根据遥感影像、影像派生数据来推算植物净初级生产力等等，然后根据所需的评估参数进行进一步的计算。
[0056] 为了便于理解，在上述图1的基础上，图2还提供了另一种面向统一监管的生态系统碳汇保护空间划定方法的流程图，对碳吸收量的评估过程进行详细说明。如图2所示，包括以下步骤：
[0057] 步骤S202，收集预设区域的生态数据；
[0058] 步骤S204，基于生态数据提取每个评估单元的评估参数；根据评估参数计算每个评估单元的碳吸收量，并将碳吸收量确定为每个评估单元的生态系统碳汇；
[0059] 其中，本发明实施例中，按照下述公式计算每个评估单元的碳吸收量：
[0060] CSij＝MDij×S×∝；
[0061] MDij＝γ×NPPij；
[0062] 式中，CSij为第j年评估单元i的碳吸收量；S为评估单元i的面积；∝为植物生物量与碳的转换系数；MDij为第j年评估单元i的地上生物量密度；γ为植物枯损系数；NPPij为第j年评估单元i的植物净初级生产力。
[0063] 在实际使用时，通常按照“宜林则林、宜草则草、宜湿则湿、宜荒则荒”的生态保护修复要求，以国土斑块为一个评估单元、年度为一个时间单元，利用上述计算碳吸收量的公式，可以开展生态系统碳汇的评估，进而确定各国土斑块的年度生态系统碳汇，即各国土斑块的生态系统每年可吸收、固定的二氧化碳的量，例如2000—2022年各国土斑块的生态系统碳汇。因此，本发明实施例中，在对各个评估单元的生态系统碳汇进行汇总时，实际是对上述各个国土斑块的生态系统碳汇进行汇总，通常，以全国的国土范围作为预设区域进行汇总，并统计连续几个年度的各国土斑块的生态系统碳汇。具体的生态系统碳汇的汇总过程参照下述步骤进行。
[0064] 步骤S206，获取预设的评估时段，对评估时段内的每个评估单元的生态系统碳汇进行汇总，得到评估时段内，预设区域范围的生态系统碳汇总量；
[0065] 其中，本发明实施例中的评估时段通常是以年度为一个时间单元进行的，如将2000至2022年作为一个评估时段。
[0066] 在实际使用时，对评估时段内的每个评估单元的生态系统碳汇进行汇总时，还可以借助于ArcGIS软件，该软件是一种地理信息系统(GIS)软件，可以提供完整的工具和功能，用于管理、分析和可视化地理数据，并适用于各种规模和领域的地理分析和空间数据管理。
[0067] 具体地，借助于该ArcGIS软件的栅格数据处理功能，可以实现对预设区域，如，全国范围内，各国土斑块的生态系统碳汇进行汇总，形成覆盖各类生态系统的全国生态系统碳汇“一张图”，以建立生态系统碳汇总量时间序列，例如2000—2022年全预设区域范围内，生态系统碳汇总量时间序列，进而为确定生态系统碳汇高值区域、退化区域划定标准和划定面向统一监管的生态系统碳汇保护空间等提供科学依据。
[0068] 进一步，上述步骤中，得到预设区域范围的生态系统碳汇总量之后，可以基于执行下述步骤。
[0069] 步骤S208，根据生态系统碳汇总量时间序列计算评估时段内，预设区域范围内所有评估单元的生态系统碳汇的平均值，并将平均值确定为生态系统碳汇高值区域的划定标准；以及，
[0070] 步骤S210，根据生态系统碳汇总量时间序列计算评估时段内，预设区域范围内各评估单元的生态系统碳汇的多年平均值，并将多年平均值确定为生态系统碳汇退化区域的划定标准；
[0071] 具体地，本发明实施例中，生态系统碳汇高值区域的划定标准通过下述公式计算：
[0072]
[0073]
[0074] 其中，HCS表示生态系统碳汇高值区域的划定标准，m表示评估时段的年数；CSj为第j年预设区域的生态系统碳汇总量；n为评估单元的数量。
[0075] 进一步，生态系统碳汇退化区域的划定标准通过下述公式计算：
[0076]
[0077] 其中，DCSi为生态系统碳汇退化区域的划定标准；CSi为评估时段内第i个评估单元的生态系统碳汇的多年平均值。
[0078] 例如，同样以上述2000至2022年作为一个评估时段为例，假设预设区域为全国区域，此时，可以取该评估时段内，全国所有国土斑块生态系统碳汇的平均值，作为生态系统碳汇高值区域的划定标准，即上述HCS，同时，取各国土斑块生态系统碳汇的多年平均值，作为生态系统碳汇退化区域的划定标准，即，上述DCSi。
[0079] 得到上述生态系统碳汇高值区域的划定标准和生态系统碳汇退化区域的划定标准之后，可以进一步执行下述步骤对评估单元进行划分。
[0080] 步骤S212，将生态系统碳汇高于生态系统碳汇高值区域的划定标准的评估单元划分为高值斑块；以及，
[0081] 步骤S214，将生态系统碳汇低于生态系统碳汇退化区域的划定标准的评估单元划分为退化斑块；
[0082] 在实际使用时，上述步骤S212和步骤S214的过程，也可以借助于ArcGIS软件的栅格数据处理功能，例如，以国土斑块为评估单元，对照上述步骤得到的生态系统碳汇高值区域的划定标准HCS，利用ArcGIS软件的栅格数据处理功能和各国土斑块的生态系统碳汇的属性表，识别生态系统碳汇的高值斑块，即筛选CSij>HCS的国土斑块，并基于ArcGIS软件生成生态系统碳汇的高值栅格数据图层。
[0083] 该类高值斑块对应的国土斑块的生态系统碳汇通常高于全国平均水平，即，国土斑块内绿色植物通过光合作用吸收、固定二氧化碳的能力较强，是全国生态系统碳汇的重要组成和生态系统碳汇监管的重点对象，应予以重点保护。
[0084] 进一步，同样以国土斑块为评估单元，对照上述步骤得到的生态系统碳汇退化区域的划定标准DCSi，利用ArcGIS软件的栅格数据处理功能和各国土斑块的生态系统碳汇的属性表，识别生态系统碳汇的退化斑块，即筛选CSij
[0085] 该类退化斑块对应的国土斑块的生态系统碳汇低于其多年平均水平，说明在这些国土斑块内绿色植物通过光合作用吸收、固定二氧化碳的能力下降，是生态系统碳汇监管和生态保护修复的重点对象，应予以重点修复。
[0086] 步骤S216，基于高值斑块和退化斑块划定预设区域范围内面向统一监管的生态系统碳汇保护空间。
[0087] 在实际使用时，上述步骤S216的过程，即是划定生态系统碳汇保护空间的过程，具体地，该过程也可以借助ArcGIS软件实现，例如，利用ArcGIS软件的转换工具(Conversion Tools)将前述得到的生态系统碳汇的高值栅格数据转换为矢量数据(Raster To Polygon)，形成生态系统碳汇的高值区域；利用转换工具(Conversion Tools)，将生态系统碳汇的退化栅格数据转换为矢量数据(Raster To Polygon)，形成生态系统碳汇的退化区域。
[0088] 然后，利用ArcGIS软件的分析工具中叠加分析的联合工具(Union)，将生态系统碳汇的高值区域图层、退化区域图层合并，形成面向统一监管的生态系统碳汇保护空间矢量范围，该生态系统碳汇保护空间矢量范围可以用于实施生态保护修复碳汇成效监测评估、建立以空间管控和质量提升为目标的生态系统碳汇监管体系、优化生态保护修复工程布局等。
[0089] 综上，本发明实施例选择绿色植物每年通过光合作用吸收、固定的二氧化碳量，即碳吸收量作为生态系统碳汇的衡量指标，建立了一种面向统一监管的生态系统碳汇评估方法公式，并收集生态系统碳汇保护空间划定相关的生态数据；按照“宜林则林、宜草则草、宜湿则湿、宜荒则荒”的生态保护修复要求，以国土斑块为评估单元、年度为时间单元，开展生态系统碳汇评估，对各国土斑块的生态系统碳汇进行评估和汇总，可以得出全国生态系统碳汇“一张图”，并建立全国生态系统碳汇时间序列，以及，根据长时间序列的全国生态系统碳汇“一张图”，确定生态系统碳汇高值区域、退化区域的划定标准；进而识别生态系统碳汇的高值斑块、退化斑块，以便于划定面向统一监管的生态系统碳汇保护空间。
[0090] 进一步，本发明实施例中提供的面向统一监管的生态系统碳汇保护空间划定方法，可以为优化生态保护修复工程布局、实施生态保护修复碳汇成效监测评估、建立以空间管控和质量提升为目标的生态系统碳汇监管体系等提供一种有效的方法，为生态环境部门统一行使生态系统碳汇监管与行政执法职责等奠定了坚实基础。
[0091] 进一步，在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种面向统一监管的生态系统碳汇保护空间划定装置，如图3所示的一种面向统一监管的生态系统碳汇保护空间划定装置的结构示意图，该装置包括：
[0092] 收集模块30，用于收集预设区域的生态数据，其中，所述预设区域包括至少一个评估单元，每个所述评估单元对应所述预设区域范围内在空间上的一个基本单元；
[0093] 评估模块32，用于基于所述生态数据评估所述预设区域中每个所述评估单元的碳吸收量，并将所述碳吸收量确定为每个所述评估单元的生态系统碳汇；
[0094] 汇总模块34，用于对每个所述评估单元的生态系统碳汇进行汇总，得到所述预设区域范围内的生态系统碳汇总量；
[0095] 确定模块36，用于基于所述生态系统碳汇总量时间序列确定生态系统碳汇保护空间划定标准；其中，所述生态系统碳汇保护空间划定标准包括生态系统碳汇高值区域的划定标准和生态系统碳汇退化区域的划定标准；
[0096] 划定模块38，用于根据所述生态系统碳汇保护空间划定标准，识别所述预设区域范围内生态系统碳汇的高值斑块和退化斑块，基于所述高值斑块和所述退化斑块划定所述预设区域范围内面向统一监管的生态系统碳汇保护空间。
[0097] 本发明实施例提供的面向统一监管的生态系统碳汇保护空间划定装置，与上述实施例提供的面向统一监管的生态系统碳汇保护空间划定方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
[0098] 进一步，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
[0099] 本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行上述方法的步骤。
[0100] 进一步，本发明实施例还提供了一种电子设备的结构示意图，如图4所示，为该电子设备的结构示意图，其中，该电子设备包括处理器41和存储器40，该存储器40存储有能够被该处理器41执行的计算机可执行指令，该处理器41执行该计算机可执行指令以实现上述方法。
[0101] 在图4示出的实施方式中，该电子设备还包括总线42和通信接口43，其中，处理器41、通信接口43和存储器40通过总线42连接。
[0102] 其中，存储器40可能包含高速随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non‑volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口43(可以是有线或者无线)实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。总线42可以是ISA(Industry Standard Architecture，工业标准体系结构)总线、PCI(Peripheral Component Interconnect，外设部件互连标准)总线或EISA(Extended Industry Standard
Architecture，扩展工业标准结构)总线等。所述总线42可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图4中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
[0103] 处理器41可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器41中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器41可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field‑Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器41读取存储器中的信息，结合其硬件完成前述方法。
[0104] 本发明实施例所提供的面向统一监管的生态系统碳汇保护空间划定方法及装置的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
[0105] 所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0106] 另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0107] 所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read‑Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0108] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0109] 最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
