基于GIS和RS的土地利用碳收支核算模塊設(shè)計(jì)與開發(fā)

張 梅，章 志，黃賢金，談俊忠，賴 力，揣小偉

（1.南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 210093；2.南京大學(xué)金陵學(xué)院城市與資源學(xué)院，江蘇南京 210089；3.江蘇省海涂研究中心，江蘇南京 210036；4.江蘇省信息中心，江蘇南京 210013）

一、引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國的碳排放量也不斷增長。2005年我國二氧化碳排放量占全球總量的18%，居全球第二，僅次于美國；2006年我國碳排放量已超過美國成為世界第一。高碳排放已給我國的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境生態(tài)健康及國際形象帶來諸多壓力［1］。同時(shí)，包括森林砍伐、濕地排水、農(nóng)牧生產(chǎn)等在內(nèi)的土地利用行為，已成為除化石能源燃燒排放以外的第二大溫室氣體排放源，約占人為總排放的1/3［2］。為了減少我國的總碳排放量，必須進(jìn)行土地利用碳排放的有效控制。因此，土地利用碳排放研究逐漸成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。

目前，已有諸多學(xué)者從不同的角度對土地利用碳排放進(jìn)行了研究，但尚沒有成熟的土地利用碳收支核算模塊構(gòu)建方面的研究。而土地利用碳排放研究過程中經(jīng)常需要進(jìn)行土地利用碳收支的核算，該模塊的構(gòu)建可為土地利用碳排放領(lǐng)域的研究學(xué)者節(jié)省大量用于計(jì)算的時(shí)間。同時(shí)，GIS作為一種強(qiáng)大的空間分析技術(shù)，特別是其與遙感數(shù)據(jù)的結(jié)合，已成為并且將繼續(xù)是土地利用碳排放研究的重要助力之一。將GIS技術(shù)充分融入土地利用碳收支核算模塊的構(gòu)建過程中將對未來的土地利用碳排放研究起到很好的推進(jìn)作用。

因此，本文提出利用GIS和RS等相關(guān)技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)完全依賴于遙感影像等空間數(shù)據(jù)的土地利用碳收支核算模塊，并將GIS技術(shù)貫穿于模塊設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的始終。該模塊具有直接的應(yīng)用價(jià)值，并且可為進(jìn)一步的土地利用碳排放研究提供參考。

二、模塊功能需求

土地利用碳收支核算是土地利用碳排放研究的重要組成部分。總體來說，土地利用碳收支核算包括兩方面的內(nèi)容，即土地利用類型保持的碳收支核算和土地利用類型轉(zhuǎn)變的碳收支核算［2-3］。本研究中，土地利用類型僅考慮6個(gè)一級土地利用分類，即耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地。土地利用碳收支核算結(jié)果的體現(xiàn)形式一般是統(tǒng)計(jì)表和統(tǒng)計(jì)圖，模塊結(jié)合GIS和RS等相關(guān)技術(shù)，可全面滿足這些方面的要求。同時(shí)，還提供一些特有的成果體現(xiàn)形式，如以專題地圖形式表現(xiàn)土地利用碳收支核算結(jié)果等。

三、模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.模塊總體設(shè)計(jì)

模塊進(jìn)行土地利用碳收支核算的總體流程如圖1所示。首先，對準(zhǔn)備用來進(jìn)行土地利用碳收支核算的遙感影像進(jìn)行判斷分析，包括檢查兩幅影像的范圍、坐標(biāo)系統(tǒng)和像元大小是否一致等。確認(rèn)無誤后，通過編程組合運(yùn)用ArcGIS的空間分析組件對兩個(gè)年份的土地利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用轉(zhuǎn)移分析，判斷土地利用類型保持或轉(zhuǎn)變的像元，并統(tǒng)計(jì)出各種土地利用類型保持或轉(zhuǎn)變的面積。另一方面，利用土壤碳密度分布圖、植被碳密度分布圖和土地利用遙感數(shù)據(jù)計(jì)算得到各種土地利用類型保持或轉(zhuǎn)變的碳排放/碳蓄積參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，將得到的土地利用轉(zhuǎn)移分析結(jié)果和碳排放/碳蓄積參數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對應(yīng)和進(jìn)一步的計(jì)算，得到土地利用碳收支核算的結(jié)果。

圖1 土地利用碳收支核算流程

2.土地利用轉(zhuǎn)移分析過程算法

應(yīng)用ArcGIS Desktop進(jìn)行二次開發(fā)的方式有很多，包括自定義ArcMap及ArcCatalog的布局和界面、使用VBA創(chuàng)建解決方案、創(chuàng)建ArcGIS擴(kuò)展和創(chuàng)建獨(dú)立的應(yīng)用程序等［4］。本模塊選擇使用C#語言和ArcGIS Engine進(jìn)行編程來實(shí)現(xiàn)。

本文主要使用的ArcGIS Engine組件基礎(chǔ)庫包括 IMap、IRasterLayer、IRaster、IRasterModel、IRaster-Dataset、IFields、IUniqueValueRender 和 ISymbol等。整個(gè)模塊的接口使用情況如圖2所示。

在計(jì)算土地利用變化和土地利用碳排放過程中，首先獲取應(yīng)用程序接口（IApp），遍歷當(dāng)前地圖工程中的土地利用遙感影像（IRasterLayer），使用柵格模型對象（IRasterModel）綁定待計(jì)算的柵格圖層對象（IRaster）；然后綁定柵格代數(shù)運(yùn)算腳本進(jìn)行土地利用柵格重編碼操作（"con（［1］＜＞［2］，［1］*100+［2］，［1］*100+［2］）"）；接著使用 IRaster、IFields接口將唯一值字段加入唯一值渲染器（UniqueValueRenderer）；最后使用IRasterRender接口進(jìn)行柵格圖層渲染。

圖2 模塊接口使用示意圖

3.土地利用碳排放/碳蓄積參數(shù)計(jì)算

土地利用碳排放/碳蓄積參數(shù)包括全國及華北地區(qū)、東北地區(qū)、華東地區(qū)、中南地區(qū)、西南地區(qū)和西北地區(qū)六大分區(qū)的碳排放/碳蓄積參數(shù)。港澳臺地區(qū)因?yàn)閿?shù)據(jù)不全，無法單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算，而是直接使用全國的碳排放/碳蓄積參數(shù)。

全國及各個(gè)分區(qū)的土地利用碳排放/碳蓄積參數(shù)的計(jì)算過程為:①利用全國植被類型圖和各種植被類型的碳密度［2，5-7］，生成全國植被碳密度分布圖，再利用全國土壤類型圖和各種土壤類型的碳密度［2，8-9］，生成全國土壤碳密度分布圖；② 利用全國分區(qū)圖按區(qū)域?qū)θ珖脖惶济芏确植紙D和全國土壤碳密度分布圖進(jìn)行切割，得到六大區(qū)域各自的植被碳密度分布圖和土壤碳密度分布圖；③利用對應(yīng)年份的土地利用遙感數(shù)據(jù)和植被碳密度分布圖計(jì)算全國及各區(qū)域各種土地利用類型的植被碳密度，并用同樣的方法計(jì)算全國及各區(qū)域各種土地利用類型的土壤碳密度，再進(jìn)一步得到各種土地利用類型的綜合碳密度；④計(jì)算各種土地利用類型轉(zhuǎn)變的綜合碳密度變化，并結(jié)合土地類型保持的碳排放/碳蓄積研究成果、水域的碳排放/碳蓄積研究成果及轉(zhuǎn)換后土地利用類型的碳匯［2，10］，得到初步的土地利用碳排放/碳蓄積參數(shù)；⑤使用相關(guān)的土地利用碳排放/碳蓄積研究成果對初步計(jì)算結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充和修正，得到最終的土地利用碳排放/碳蓄積參數(shù)。

計(jì)算使用的數(shù)據(jù)來源為:植被類型圖通過數(shù)字化1∶400萬中國植被圖得到，并按照1∶400萬中國植被圖的分類系統(tǒng)進(jìn)行編碼；土壤類型圖根據(jù)中國土壤普查辦公室1995年編制并出版的《1∶100萬中華人民共和國土壤圖》（土壤普查辦公室，1995）數(shù)字化形成；各年份土地利用遙感數(shù)據(jù)由中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所制作，數(shù)據(jù)分辨率為1 km×1 km，格式為ArcGIS軟件GRID數(shù)據(jù)格式。全部數(shù)據(jù)成果符合中國科學(xué)院KZCX1-Y-02（國土環(huán)境遙感時(shí)空信息分析與數(shù)字地球相關(guān)理論技術(shù)預(yù)研究）項(xiàng)目的相關(guān)技術(shù)要求。

四、模塊應(yīng)用

土地利用碳收支核算模塊可用來進(jìn)行全國任意區(qū)域任意兩個(gè)年份間的土地利用碳收支核算。例如，利用江蘇省1995年和2010年的土地利用遙感數(shù)據(jù)，可很快核算出1995—2010年江蘇省6個(gè)一級土地利用分類保持或轉(zhuǎn)變的碳排放。其中，土地利用碳收支核算界面如圖3所示，核算結(jié)果的專題地圖生成界面如圖4所示。

圖3 土地利用碳收支核算界面

圖4 核算結(jié)果專題地圖生成界面

五、結(jié)束語

本文介紹了利用ArcGIS Engine、C#語言及遙感數(shù)據(jù)等設(shè)計(jì)開發(fā)土地利用碳收支核算模塊的過程，并利用該模塊進(jìn)行了具體的應(yīng)用。研究表明，該模塊能夠充分實(shí)現(xiàn)用戶對于土地利用碳收支核算的各種要求，并且提供報(bào)表、統(tǒng)計(jì)圖及專題地圖等多種成果展示形式。該模塊的構(gòu)建可進(jìn)一步促進(jìn)GIS和RS技術(shù)在土地利用碳排放領(lǐng)域的應(yīng)用，對土地利用碳排放研究具有一定的推進(jìn)作用，并且對相關(guān)模塊的設(shè)計(jì)與開發(fā)具有一定的參考價(jià)值。但是，該模塊還有一些不足之處，如用于模塊參數(shù)計(jì)算的土地利用遙感影像精度不夠高，可采用更高精度的遙感影像數(shù)據(jù)，以得到更為精確的結(jié)果。

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