基于遥感方法的生态资产评估模型.doc

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附件四

国家高技术研究发展计划（863计划）

子课题阶段验收报告书

子课题名称：

区域生态资产遥感测量模型　

课题名称：

中国西部生态资产定量遥感测量技术体系与应用示范

所属专题：

空间信息处理技术

所属主题/重大专项：

信息获取与处理技术

所属领域：

信息技术领域

课题责任人（甲方）：

史培军李京

子课题责任人（乙方）：

　　　潘耀　忠

起止年限：

2003年1月至2003年9月

北京师范大学资源科学研究所

二ΟΟ三年九月

ii

ii

目　　录

1生态系统服务指标体系的建立 1

1.1生态系统服务及功能 1

1.2基于遥感手段的区域生态资产评估指标 2

2基于遥感方法的生态资产评估特点 2

3生态资产遥感测量的概念模型与技术路线 3

3.1基于定量遥感测量的生态资产价值评估概念模型 3

3.1.1生态系统遥感分类 4

3.1.2生态参数遥感测量 4

3.1.3单位面积单项生态服务功能价值的定量计算 5

3.1.4测量结果实地检验 5

3.2生态资产生态遥感测量的技术路线 5

4区域生态资产估算的数学模型与方法 7

4.1植被净初级生产力（NPP）估算 7

4.1.1　年度NPP的算法 7

4.1.2　APAR的算法 7

4.1.3　光能转化率ε（x,t）的算法 8

4.2　生产有机物质的价值 9

4.3　吸收固定CO2的价值 10

4.4　释放O2的价值 10

4.5　N、P、K等营养物质循环的价值 11

4.5.1　每年吸收的氮元素（N）的价值 11

4.5.2　每年吸收的磷元素（P）的价值 11

4.5.3　每年吸收的钾元素（K）的价值 12

4.6　涵养水源的价值 12

4.6.1　基于母岩性质的贮水量计算 13

4.6.2　基于降水转换率的贮水量计算 13

4.7　水土保持价值 13

4.7.1　减少的土壤侵蚀量 13

4.7.2　减少表土损失的价值 13

4.7.3　减少土壤养分损失的价值 13

4.7.4　减少淤积损失的价值 13

5数据准备 13

5.1　遥感与栅格化的气象数据 13

5.2　栅格化的土壤理化性质数据 13

5.3　统计数据 13

6区域生态资产评估结果（内蒙古） 13

6.1　基于MODIS数据的生态资产评估结果 13

6.1.1　主要的植被参数 13

6.1.2内蒙古生态资产评估结果 13

6.2 基于TM数据的生态资产评估结果 13

7下一步工作设想 13

7.1文化与休闲娱乐价值估算 13

7.2生物多样性价值估算 13

7.3净化环境污染物的价值估算 13

参考文献 13

1生态系统服务指标体系的建立

生态系统的功能是指其生境、生物学性质或生态系统过程。

生态系统服务功能是指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用。

生态系统服务功能可以概略地分为两大类，一类是生态系统产品，如为人类提供食物、工业原材料、药品等可以商品化的功能；第二类是支撑与维持人类赖以生存的环境，如生态系统对气候调节、水源涵养、水土保持、土壤肥力的更新与维持、营养物的循环、二氧化碳的固定等难以商品化的功能，从而表现为间接价值。

生态服务功能的间接价值虽不表现在国家的核算体制上，但它们的价值可能大大超过直接价值。

而且直接价值常常源于间接价值。

1.1生态系统服务及功能

Costanza等（1997）把生态系统服务分为17大类（表1-1），其中只包括可再生的服务，不包括不可再生的燃料和矿物质以及大气。

表1-1　生态系统服务及功能

序号

生态系统服务

生态系统功能

举例

1

气体调节

大气化学成份调节

CO2/O2平衡，O3防紫外线，SOx水平

2

气候调节

全球温度、降水及其它由生物媒介的全球及地区性气候调节

温室气体调节，影响云形成的DMS产物

3

干扰调节

生态系统反应对环境波动的容量、衰减和综合

风暴防止，洪水控制，干旱恢复等生境对主要受植被结构控制的环境变化的反应

4

水调节

水文流的调节

为农业、工业和运输提供用水

5

供水

水的贮存和保持

向集水区、水库和含水岩层供水

6

控制侵蚀和保持沉积物

生态系统内的土壤保持

防止土壤被风、水侵蚀，把淤泥保存在湖泊和湿地中

7

土壤形成

土壤形成过程

岩石风化和有机质积累

8

养分循环

养分的贮存、内循环和获取

固氮，N、P和其它元素及养分循环

9

废物处理

易流失养分的再获取、过多或外来养分、化合物的去除或降解

废物处理，污染控制，解除毒性

10

传粉

有花植物配子的运动

提供传粉者以便植物种群繁殖

11

生物控制

生物种群的营养动力学控制

关键捕食者控制猎物种群，高级捕食者使食草动物减少

12

避难所

为定居和迁徙种群提供生境

育雏地，迁徙动物栖息地，当地收获物种栖息地或越冬场所

13

食品生产

总初级生产中可用为食物的部分

通过渔、猎、采集和农耕收获的鱼、鸟兽、作物、坚果、水果等

14

原材料

总初级生产中可用为原材料的部分

木材、燃料和饲料产品

15

基因资源

独一无二的生物和产品的资源

医药、材料科学产品，用于农作物抗病和抗植物感染的基因，家养物种（宠物和植物栽培品种）

16

休闲娱乐

提供休闲游乐活动机会

生态旅游、钓鱼运动及其它户外游乐活动

17

文化

提供非商业性用途的机会

生态系统的美学、艺术、教育、精神及科学价值

1.2基于遥感手段的区域生态资产评估指标

表1列出的生态系统服务和功能并不一定一一对应。

在有些情况下，一种生态功能可提供两种或多种服务，而且许多生态系统功能是相互依赖的。

从宏观生态学角度，根据基于遥感手段的区域生态资产计算的特点，考虑数据获取的可能性和可靠性，以及我国在这方面的研究情况（欧阳志云，1999；黄兴文，1999；陈仲新，2000），最终确定的基于遥感手段的区域生态资产评估指标如表1-2所示：

表1-2　基于遥感手段的生态资产评估指标

序号

生态系统服务

生态系统功能

1

太阳能的固定与食品生产

生产有机物质

2

促进营养元素循环

营养物质循环与贮存

3

水调节与供水

涵养水源

4

控制侵蚀和保持沉积物

保持土壤

5

气体调节

吸纳二氧化碳

6

气体调节

释放氧气

2基于遥感方法的生态资产评估特点

（1）遥感模型用于生态资产评估可以克服传统方法“以点代面”的缺点，减少了统计模型用地面观测值插值所引起的误差，提高了评估精度。

（2）遥感数据具有不同的波谱、时空分辨率，通过多源数据的融合处理，可以较精确的进行各种生态系统类型的划分，并且可以反演出一些生态与非生态的模型参数（如生物量模型、NPP模型，蒸散量模型等）。

（3）相对于传统的数据采集途径来说，遥感数据成本较低，而且获取容易，速度较快。

（4）基于遥感方法的生态资产评估模型，可以较容易地搭建在GIS平台上，通过和地面统计数据的链接，利用计算机技术可以实现区域生态资产自动化评估。

（5）受数据特点和自动化要求的限制，所选择的方法与模型会使一部分生态服务被忽略，但从工程性的角度来看，这样可以提高系统的可行性。

对于被忽略的生态服务，如果通过调查发现这部分价值不应该完全被忽略，则可以通过其它的途径进行计算，例如将某种被忽略的生态价值纳入到其它价值中进行计算，或者根据经验判断这部分价值在总价值中所占比重，这样可以通过计算其它价值来进行估算。

在区域生态资产评估中，有些服务，譬如游憩价值和生物多样性的价值，比较难于定量，通常的方法都需要有人的互动环节，但在工程中，这显然不太适用。

3生态资产遥感测量的概念模型与技术路线

3.1基于定量遥感测量的生态资产价值评估概念模型

一定区域内的生态资产的总量是一个随时间动态变化的量值，它是区域内所有生态系统类型提供的所有服务功能及其自然资源价值的总和，并随着区域内所含有的生态系统的类型、面积、质量的变化而变化。

Costanza（1997）等人在进行全球生态资产测量时，将全球生态系统划分为17个类型的研究方法，为基于定量遥感测量的生态资产价值评估模型的建立提供了一种可借鉴的方法。

一定区域内的生态资产价值总量（V）可以表示为：

（1）

其中：

c=1,2,…,n，表示生态系统的类型；Vc表示第C类生态系统生态资产价值。

（2）

其中：

i=1,2,…,n，表示第C生态系统的第i种生态服务功能；Vci表示第C生态系统的第i种生态服务功能类型的单位面积价值；j=1,2,…,m表示一定区域内Vci在空间上分布的斑块数，Sij表示各个斑块的面积大小，Rij表示Vci在不同斑块的调整系数，它是由生态系统的质量状况决定的。

（3）

其中：

A1,A2,…An是表征生态系统质量状况的生态参数，不同质量状况的同一生态系统类型的Vci是不同的，其差别由Rij来调整。

根据区域生态资产价值计算的要求，基于定量遥感测量的价值评估模型主要包括以下四部分内容：

生态系统遥感分类、生态参数遥感测量、单位面积（或单位质量）生态服务功能价值定量计算和测量结果经度检验，生态价值评估模型的技术流程如图3-1所示。

多尺度遥感数据

生态系统分类体系的确定

生态系统类型测量

生态服务功能的定义

生态参数测量

不同类型的空间分布

单位面积价值量计算

调整系数计算

生态学/环境经济学

估算方法/模型

生态资产价值量

图形输出

统计输出

图3-1基于遥感测量的生态资产价值评估模型流程图

精度检验

3.1.1生态系统遥感分类

不同的生态系统类型包含的自然资源价值和具有的生态服务功能是完全不同的，因而基于遥感的生态资产测量的第一步，就是根据不同的空间尺度确定适合于生态资产测量的生态系统分类体系，然后利用多尺度遥感技术获取这些类型的空间分布状况，在这一领域，遥感技术已经积累了相当丰富的经验。

3.1.2生态参数遥感测量

不同空间分布的同一生态系统类型的质量状况是不同的，同时也是随时间变化的，因而其所具有的生态资产价值也是变化的，这种变化是由生态系统的质量状况来决定的。

生态系统的质量状况可以由一系列的生态参数来表达，这些参数随时间、空间的变化的全覆盖数据只有通过遥感测量才能够得到。

根据前人的研究经验，本文认为：

选取地上总生物量、第一性净生产力（反映有机质生产的两个重要指标），以及植被覆盖度（反映生态系统随时间、空间变化的重要指标）三个参数来表达生态系统的质量状况，基本符合生态资产遥感定量测量的要求。

3.1.3单位面积单项生态服务功能价值的定量计算

包括两部分：

自然资源单位面积价值和生态服务功能单位面积价值。

同一生态系统同时具有多种生态服务功能，每一种生态服务功能的价值及其计算方法也是不同的，为使各种生态资产计算方法的结果具有可比性，建立单项服务功能的单位面积价值的标准计算方法和估算模型是必不可少的，这需要生态学和环境经济学为基础的大量的实地测量的基础性研究结果为依据的，目前这方面已经取得了一定的成果。

3.1.4测量结果实地检验

根据分层统计抽样的原理，根据不同测量尺度的要求，与遥感测量相匹配，按一定的标准和规范设计实地抽样测量样地和样点，按一定的指标体系和标准的调查测量规程，建立基于实地抽样测量的生态资产测量结果验证方法，并依此作为验证遥感测量结果精度的依据。

3.2生态资产生态遥感测量的技术路线

生态资产生态遥感测量的技术体系如图3-2所示。

模型的数据来源主要有三条途径：

气象数据、遥感数据、地面观测与统计资料。

遥感影像数据一方面用于生态系统类型的划分和面积估算，另一方面用于生态系统生物量、净初级生产力、植被覆盖度等生态参数的反演。

生态系统有机物质生产、营养物质循环、CO2吸收、O2释放这四项生态价值的评估是基于生态系统生物量和净初级生产力来计算的，即根据单位质量生物量所产生的价值进行估算。

生态系统涵养水源的效益分两种情况估算。

当下垫面为土壤时（如林地、灌丛、草地等），根据不同植被覆盖下的土壤储水能力来计算涵养水源价值；当下垫面为水时（如水域、水稻田、沼泽等），则根据降水转换率（降水贮存量占总降水量的百分比）来计算。

生态系统保护土壤主要通过减少表土损失量，保护土壤肥力，减轻泥沙淤积灾害，减少风沙等灾害的4个相互联系的生态过程来实现其经济价值。

在估算过程中，首先采用无植被覆盖的潜在土壤侵蚀量来估算各生态系统减少的土壤侵蚀量，在此基础之上再评价它们对表土损失、肥力损失和减轻泥沙淤积灾害三方面的价值。

所获得的各项量化的生态效益，最后通过影子工程法、市场价值法、机会成本法、替代价值法等转换成生态系统服务价值。

市场价值法

影子工程法

机会成本法

替代价值法

碳税法

工业制氧法

能量固定替换法

市场价值法

影子工程法

直接使用价值法

遥感影像数据

气象数据

地面观测与统计资料

生态系统类型及其面积

各生态系统生物量

各生态系统净初级生产力

生产有机物质

N、P、K等营养物质循环

吸收固定CO2

释　放　O2

降水量

涵养水源

各类生态系统的土壤侵蚀量

减少表土损失量

保护土壤肥力：

有机质、N、P、K

减轻泥沙淤积

水土保持

生态系统服务价值

图3-2　生态资产生态遥感测量的技术路线

4区域生态资产估算的数学模型与方法

4.1植被净初级生产力（NPP）估算

4.1.1　年度NPP的算法

（1）

NPP（x）：

象元x处全年净初级生产力（gC）；

NPP（x,t）：

t月份在象元x处的单位面积净初级生产力（gC·m-2·mon-1）；

Sp：

象元面积（m2）。

（2）

APAR（x,t）：

t月份在象元x处植被吸收的光合有效辐射（MJ·m-2）；

ε（x,t）：

t月份在象元x处的光能转化率（gC·MJ-1）。

4.1.2　APAR的算法

　　　　　　　　　　（3）

SOL（x,t）：

t月份在象元x处的太阳总辐射量（MJ·m-2）；

FPAR（x,t）：

t月份在象元x处植被层对入射的光合有效辐射的吸收比例；

r：

植被所能利用的太阳辐射占太阳总辐射的比例，在此取值0.5。

　　　　　　　　　（4）

　　　　　　　　　　　　　　　　（5）

SR（x,t）：

比值植被指数，SRmin取值为1.08，SRmax的大小与植被类型有关（各植被类型中的最大值），取值范围在4.14—6.17之间；

NDVI（x,t）：

归一化植被指数。

4.1.3　光能转化率ε（x,t）的算法

　　　　　　　　　（6）

Te1（x,t）：

t月份在象元x处的温度胁迫系数，反映在低温和高温时植物内在的生化作用对光合的限制　而降低净第一性生产力（Potter,etal.,1993;Field,etal.,1995）

Te2（x,t）：

t月份在象元x处的温度胁迫系数，表示环境温度从最适温度[Topt（x）]向高温和低温变化时植物的光合转化率逐渐变小的趋势（Potter,etal.,1993;Field,etal.,1995）

We1（x,t）：

t月份在象元x处的水分胁迫系数，反映水分条件的影响

emax：

理想条件下的最大光能转化率，在此取0.389gC·MJ-1（Potter,etal.,1993）

4.1.3.1　Te1（x,t）的算法

　　　　　　　　　　（7）

（当某一月的平均气温Mean[T（x,t）]≤－10℃时，Te1（x,t）=0）

Topt（x）：

某一区域一年内NDVI达最大值时月份的平均气温（℃）。

4.1.3.2Te2（x,t）的算法

　（8）

当T（x,t）>Topt（x,t）+10；或者T（x,t）

（9）

T（x,t）：

某月的平均温度（℃）。

4.1.3.3　We1（x,t）的算法

　　　　　　　　　　　（10）

EET（x,t）：

t月份在象元x处的区域估计蒸散量（mm）；

PET（x,t）：

t月份在象元x处的区域可能蒸散量（mm）；

当该月降水量PPT（x,t）≥PET（x,t）时，EET（x,t）＝PET（x,t），即We1（x,t）=1；

当该月降水量PPT（x,t）＜PET（x,t）时，用以下公式计算EET（x,t）和PET（x,t）：

（11）

PPT（x,t）：

t月份在象元x处的月降水量（mm）；

Rn（x,t）：

t月份在象元x处的月净辐射量（mm·mon-1）；

（12）

Ep（x,t）：

局地可能蒸散量（mm）

　　　　　　　　　　　　　　　（13）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（14）

　（15）

　　　　　　　　　　　　　（16）

4.2　生产有机物质的价值

净初级生产力是反映有机物质生产的一个重要指标，它是指植物在某一时间段（如一年）所生产的有机物质量。

Vn（x）:

象元x处每年生产的有机物质价值（元）；

NPP（x）:

象元x处每年生产的有机物质（gC）；

T（x）：

象元x处有机物质的单位质量价值（元·g-1C）；

Vn：

区域每年生产有机物质的价值（元）。

4.3　吸收固定CO2的价值

在评估生态系统对CO2的吸收与固定作用时，以生态系统有机物质生产为基础，根据光合作用和呼吸作用的反应方程式推算，每形成1g干物质，需要1.62gCO2。

Vr（x）：

象元x处每年吸收CO2的价值（元）；

NPP（x）:

象元x处每年生产的有机物质（gC）；

R：

碳税法中CO2的单位质量价值（元·gCO2）；

Vr：

区域每年吸收CO2的价值（元）。

4.4　释放O2的价值

在评估生态系统释放O2的价值时，以生态系统有机物质生产为基础，根据光合作用和呼吸作用的反应方程式推算，每形成1g干物质，可以释放1.2gO2。

V（x）：

象元x处每年释放O2的价值（元）

NPP（x）:

象元x处每年生产的有机物质（gC）

R：

工业制氧价格（元·g-1O2）。

V：

区域释放O2的价值（元）。

4.5　N、P、K等营养物质循环的价值

在评估生态系统营养物质循环的价值时，以生态系统的生物量和净初级生产力为基础，根据各生态系统中N、P、K的质量分配率来计算（表5-1）。

Va：

区域每年吸收的营养物质价值（元）；

Vna:

区域每年吸收的氮元素价值（元）；

Vpa:

区域每年吸收的磷元素价值（元）；

Vka:

区域每年吸收的钾元素价值（元）。

4.5.1　每年吸收的氮元素（N）的价值

Vna（x）：

象元x处每年吸收的氮元素价值（元）；

NPP（x）:

象元x处每年生产的有机物质（gC）；

r1：

不同生态系统中氮元素在有机物质中的分配率（gN/gC）；

r2：

纯N折算成化肥的比例，为79/14；

M：

氮肥的平均价格（元·g-1）；

Vna:

区域每年吸收的氮元素价值（元）。

4.5.2　每年吸收的磷元素（P）的价值

Vpa（x）：

象元x处每年吸收的磷元素价值（元）；

NPP（x）:

象元x处每年生产的有机物质（gC）；

r1：

不同生态系统中磷元素在有机物质中的分配率（gN/gC）；

r2：

纯P折算成化肥的比例，为506/62；

M：

磷肥的平均价格（元·g-1）；

Vpa:

区域每年吸收的磷元素价值（元）。

4.5.3　每年吸收的钾元素（K）的价值

Vka（x）：

象元x处每年吸收的钾元素价值（元）；

NPP（x）:

象元x处每年生产的有机物质（gC）；

r1：

不同生态系统中钾元素在有机物质中的分配率（gK/gC）；

r2：

纯K折算成化肥的比例，为174/78；

M：

钾肥的平均价格（元·g-1）；

Vka:

区域每年吸收的钾元素价值（元）。

4.6　涵养水源的价值

V（x）：

象元x处每年涵养水源的价值（元）；

Q（x）：

象元x处每年单位面积的降水贮水量（m3/m2）；

p：

每建设1m3库容的成本花费；

Sp：

象元面积（m2）；

V：

区域涵养水源的价值（元）。

下垫面为土壤时（如林地、灌丛、草地等）采用4.6.1的方法计算涵养水源价值；下垫面为水时（如水域、水稻田、沼泽等）采用4.6.2的方法来计算。

4.6.1　基于母岩性质的贮水量计算

Q（x）：

象元x处每年单位面积的降水贮水量（m3/m2）；

H（x）：

象元x处的土壤深度（m）；

P（x）：

象元x处的土壤粗孔隙率。

4.6.2　基于降水转换率的贮水量计算

Q（x）：

象元x处每年单位面积的降水贮水量（m3/m2）；

J（x）：

象元x处的年降水量（m）；

R（x）：

象元x处的降水贮存量占总降水量的百分比。

4.7　水土保持价值

生态系统保护土壤主要通过减少表土损失量，保护土壤肥力，减轻泥沙淤积灾害，减少风沙等灾害的4个相互联系的生态过程来实现其经济价值。

在估算过程中，首先采用无林地的土壤侵蚀量来估算各生态系统减少的土壤侵蚀量，然后再评价它们对表土损失、肥力损失和减轻泥沙淤积灾害三方面的价值。

V（x）：

在象元x处每年的水土保持价值（元）；

V1（x）：

在象元x处每年减少表土损失的价值（元）；

V2（x）：

在象元x处每年减少有机质损失的价值（元）；

V3（x）：

在象元x处每年减少氮肥损失的价值（元）；

V4（x）：

在象元x处每年减少磷肥损失的价值（元）；

V5（x）：

在象元x处每年减少钾肥损失的价值（元）；

V6（x）：

在象元x处每年减少泥沙淤积损失的价值（元）。

V：

区域每年水土保持价值（元）；

V1：

区域每年减少表土损失的价值（元）；

V2：

区域每年减少有机质损失的价值（元）；

V3：

区域每年减少氮肥损失的价值（元）；

V4：

区域每年减少磷肥损失的价值（元）；

V5：

区域每年减少钾肥损失的价值（元）；

V6：

区域每年减少泥沙淤积损失的价值（元）。

4.7.1　减少的土壤侵蚀量

Er（x）：

象元x处减少的土壤侵蚀量（m3）；

En（x）：

象元x处在裸露条件下的潜在土壤侵蚀深度（m）；

Ef（x）：

象元x处在有树木、灌丛、草、农作物等植被覆盖情况下的侵蚀深度（m）；

Sp：

象元面积（m2）；

Fc（x）：

象元x处的植被覆盖度。

NDVI（x）：

象元x处的归一化植被指数。

NDVImin和NDVImax分别为植物生长季NDVI的最小值和最大值（西北地区分别取值0.005和0.92）。

4.7.2　减少表土损失的价值

V1（x）：

在象元x处每年减少表土损失的价值（元）；

Er（x）：

象元x处减少的土壤侵蚀量（m3）；

D（x）：

象元x处的土壤深度（m）；

T（x）：

象元x处的土壤生产机会成本（元/m2）（表5－2）。

4.7.3　减少土壤养分损失的价值

减少养分损失包括减少有机质损失、减少N损失、减少P损失和减少K损失。

4.7.3.1　减少有机质损失的价值

V2（x）：

在