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福田红树林自然保护区湿地生态系统模型框架的构建.doc
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2024-09-23
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数学建模 为了实现对深圳湾福田红树林保护区湿地生态系统的动态监测,运用遥感技术实现对福田保护区数据的动态监测,由于数据模型巨大,我们首次利用数据库实现对数据的统计和管理。由于遥感技术自身的限制,我们同时建立监测站实现对福田红树林植被、土壤、水质、大气环境等环境因子的监测以及保护政策、居民意识等社会因子管理。为了方便管理,我们进行了数据的统一化,利用隶属函数,进行数据的计算。例如:大气指标隶属度得分为0,说明该指标对福田红树林生态系统产生的压力微乎其微;福田红树林的外来入侵物种海桑和无瓣海桑,该指标隶属度为0.4,说明外来物种对本地的生态环境压力影响较大,根据单因子评价指数H1及水质综合指数H2,计算得到福田保护区铁山港的水质综合指数为0.5×H1+0.5×H2=0.5×0.981+0.5×0.6073=0.794.根据生态系统状态评价标准,深圳近海的水环境质量的综合得分为0.794,处于0.6-0.8之间,属于“良”,说明生态系统功能较为完善,受到干扰后一般可以恢复(具体相关数据请查阅文件中yaaph数据和湿地生态系统数据)。利用数据库和yaaph软件,我们基于PSR 模型建立
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封一
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论文题目: “福田红树林自然保护区湿地生态系统模型框架的构建
及应用实例研究”C
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摘要
为了实现对深圳湾福田红树林保护区湿地生态系统的动态监测,运用遥感技
术实现对福田保护区数据的动态监测,由于数据模型巨大,我们首次利用数据库
实现对数据的统计和管理。由于遥感技术自身的限制,我们同时建立监测站实现
对福田红树林植被、土壤、水质、大气环境等环境因子的监测以及保护政策、居
民意识等社会因子管理。为了方便管理,我们进行了数据的统一化,利用隶属函
数,进行数据的计算。例如:大气指标隶属度得分为 0,说明该指标对福田红树
林生态系统产生的压力微乎其微;福田红树林的外来入侵物种海桑和无瓣海桑,
该指标隶属度为 0.4,说明外来物种对本地的生态环境压力影响较大,根据单因
子评价指数 H1 及水质综合指数 H2,计算得到福田保护区铁山港的水质综合指数
为 0.5×H1+0.5×H2=0.5×0.981+0.5×0.6073=0.794.根据生态系统状态评价
标准,深圳近海的水环境质量的综合得分为 0.794,处于 0.6-0.8 之间,属于
“良”,说明生态系统功能较为完善,受到干扰后一般可以恢复(具体相关数据请
查阅文件中 yaaph 数据和湿地生态系统数据)。利用数据库和 yaaph 软件,我们
基于 PSR 模型建立了深圳湾福田红树林保护区生态系统健康评价体及健康预警
系统,运用层次分析法对保护区健康状况进行评价。结果表明:保护区生态系统
的压力、状态、响应在体系中的比例分别为 53.89%、29.73%、16.38%,健康指
数分别为 0.4080、0.5891、0.6037;保护区综合健康指数为 0.4939,处于健康
等级Ⅲ级 ( 亚健康状态 )。造成以上结果的主要原因为:①近 30 年来城市化发
展导致保护区生态系统丧失部分生态功能,健康水平不断下降;②水污染、人工
引种植物和病虫害等对保护区造成巨大外界压力;③建筑施工和人类活动影响保
护区自然状态的恢复。保护、管理建议:①针对外界压力,保护区需要进行长期
有效的污染治理;加强对红树林内部结构的调整及外来物种蔓延的控制;以生物
防治为主,化学物理方法为辅,加强病虫害的防治;逐渐减少建筑施工等人类活
动。②福田红树林保护区的面积虽小,但依靠人员进行湿地考察和研究(如红树
林林带结构分析等)还是有一定难度的,所以在以后的研究中应结合 3S 技术,
在保护区内建立合理、规范的监测体系,进行长期监测,并整理、建立信息数据
库,准确掌握保护区生态系统的健康状况。
关键词 湿地生态系统;遥感技术;动态监测;健康评价;层次分析法;PSR;yaaph
1
一、问题的提出
福田红树林自然保护区湿地生态系统的生态健康因其面积小,且易受到外来
因素的影响。为了实现对福田红树林湿地生态系统的保护,现阶段,迫切需要实
现对福田红树林湿地生态系统的动态监测、生态健康评估及预警系统的建立来支
撑其保护、管理工作。为了弥补抽样监测数据和专家经验的静态方法的不足,我
们在论文中首次用到了遥感技术,来实现对福田生态系统数据的动态监测。同时,
监测的数据除了生物因子还有环境因子等等,为了实现数据的准确测量,我们利
用抽样监测的方法和遥感监测相互参照的方法,提高数据的准确性。
二、问题的分析
2.1 问题 1 的分析
我们利用遥感技术和监测站取样监测的方法实现对福田红树林自然保护区
湿地生态系统数据的动态监测,对于监测的数据我们利用数据库来实现对数据的
统计与管理。同时基于 PSR 模型建立对福田红树林生态系统的健康评价。
2.2 问题 2 的分析
我们选取的是福田红树林湿地保护系统水质重金属超标的问题,我们以福田
红树林湿地生态系统健康评价的标准为基础建立健康预警系统,实现对福田湿地
生态系统的环境监测和保护。我们基于 PSR 模型的统一标准,利用 Hakanson 指
数法来对福田水质中的重金属进行监测与分析,同时对其生态发展趋势进项预测
分析,并给出具体的保护、管理建议。
三、建模的假设
确保所获取的遥感数据及各个监测站所获得的数据的准确性,忽略遥感数据
所带来的误差。由于我们检测的水质和土壤等因素指标的复杂性,我们选取了其
中重要的几个指标进行监测,而忽略一些次要因素。例如,对于福田保护区水质
的重金属的监测我们仅选取了危害比较大的几种元素。在生物多样性评估中,由
于不能运用遥感技术以及监测的范围的扩大,我们只能采取取样的方法监测,这
2
样对于系统的动态监测都会有影响。最后,为了方便系统的统一评估,我们采取
了数据的统一化处理,将抽象的标准转化为具体数值来进行运算,而忽略了因素
之间的相互影响。
四、符号说明
NDVI
:归一化植被指数
T
:水温(℃)
NIR
:近红外波段
i
DO
:i 点溶解氧浓度
R
:红波段
s
DO
为溶解氧评价标准
Vc
:植被覆盖度
WQI
:水质综合指数
i
P
:环境质量指数
Wi
:第 i 参数的权重值
i
C
:i 因子在环境中的浓度
Qi
:第 i 种因子的单因子环境质量指数分值
i
S
:该因子的环境质量标准值
Pi
:单因子环境质量指数
i
P
:i 点的溶解氧质量指数
r
i
E
:重金属的潜在生态危害系数
f
DO
:饱和溶解氧浓度
i
r
T
:毒性系数
i
:某一金属元素
i
C
实测
:重金属元素的实测含量
i
n
C
:该元素的评价标准
RI
:重金属综合潜在生态危害指数
'H
:物种多样性
DI
表示近海生态系统的综合评价指数
i
P
:群落中第 i 种个体的比例
EHI
:湿地生态系统健康评价分值
RI:生态系统健康指数
五、模型的建立与求解
5.1 湿地生态系统动态监测
5.1.1 湿地的位置与面积监测
5.1.1.1 福田保护区植被分布图模型
植被指数是利用遥感技术监测地面植物状态的一种方法。通过对大量植物反
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Victor-Tian
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