一種全國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的大數(shù)據(jù)計(jì)算與分析方法

程 滔

(國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值[1](ecosystem service values，ESV)的量化評估是近年來的研究熱點(diǎn)。謝高地等基于擴(kuò)展的勞動(dòng)價(jià)值論原理，主要采用單位面積生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值當(dāng)量因子的方法，對2010年中國生態(tài)系統(tǒng)提供的11種生態(tài)服務(wù)類型價(jià)值進(jìn)行了核算，得出了中國各種生態(tài)系統(tǒng)年提供總服務(wù)價(jià)值量[2-3]。姜翠紅等采用修正的EGESV模型等方法，對青海湖流域多個(gè)年度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了評估與分析[4-6]。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型劃分方法、價(jià)值化評估模型是量化計(jì)算的基礎(chǔ)。Costanza等將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)劃分為17個(gè)類型，國外已開發(fā)出InVEST[7]、CITYgreen[8]等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估模型?！肚晟鷳B(tài)系統(tǒng)評估》將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分為供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù)4大類，并在此基礎(chǔ)上劃分出若干二級類型[9]。

在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算過程中，遙感信息是重要的數(shù)據(jù)源。第一次全國地理國情普查在全國范圍以優(yōu)于1 m分辨率遙感影像為主要影像源，采集了高空間分辨率的地表覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品；MODIS數(shù)據(jù)以其高時(shí)間分辨率、高光譜分辨率的特點(diǎn)，已在資源、環(huán)境、生態(tài)方面發(fā)揮了重要作用。

本文以第一次全國地理國情普查地表覆蓋、MODIS數(shù)據(jù)蘊(yùn)涵的增強(qiáng)植被指數(shù)(enhanced vegetation index，EVI)、植被凈初級生產(chǎn)力(net primary production，NPP)、植被生長季等多源遙感信息為主要數(shù)據(jù)源，針對全國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算過程會(huì)產(chǎn)生大數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀，提出一種基于多源遙感信息的全國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算方法。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估模型

構(gòu)建地理國情普查地表覆蓋分類與中國陸地生態(tài)系統(tǒng)分類標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，建立轉(zhuǎn)換表達(dá)式，確定地表覆蓋柵格數(shù)據(jù)每個(gè)柵格所屬的生態(tài)系統(tǒng)；在此基礎(chǔ)上，利用多源遙感信息及單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子，計(jì)算各柵格供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)、文化服務(wù)單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，以及總的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。各柵格生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算公式如下：

總的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估模型為

Vi=Vig+Vit+Viz+Viw

(1)

式中，Vi為第i個(gè)柵格總的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；Vig、Vit、Viz、Viw分別為第i個(gè)柵格供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)、文化服務(wù)單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。

對于農(nóng)田、森林、草地這些特定地表覆蓋類型，按如下公式進(jìn)行修正：

供給服務(wù)價(jià)值評估修正模型為

(2)

式中，Si為第i個(gè)柵格面積；m_G為單位面積生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子；Hn為標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子經(jīng)濟(jì)價(jià)值量；m_NPPi為第i個(gè)柵格內(nèi)的特定地表覆蓋類型(農(nóng)田、森林、草地)的NPP，m_NPP′為全國特定地表覆蓋類型的生態(tài)系統(tǒng)的平均NPP。

調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值評估修正模型為

(3)

式中，m_T為單位面積生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子；m_GSi為第i個(gè)柵格內(nèi)的特定地表覆蓋類型的生長季；m_GS′為全國特定地表覆蓋類型的生態(tài)系統(tǒng)的平均生長季；m_EVIi為第i個(gè)柵格內(nèi)的特定地表覆蓋類型的EVI；m_EVI′為全國特定地表覆蓋類型的生態(tài)系統(tǒng)的平均EVI。

支持服務(wù)價(jià)值評估修正模型為

(4)

式中，m_Z為單位面積生態(tài)系統(tǒng)支持服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子。

文化服務(wù)價(jià)值評估修正模型為

(5)

式中，m_W單位面積生態(tài)系統(tǒng)文化服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子。

EVI、NPP、生長季數(shù)據(jù)融入計(jì)算，目的是對植被類生態(tài)系統(tǒng)，即農(nóng)田、森林、草地生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值進(jìn)行修正，以更加準(zhǔn)確地反映同一生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的空間異質(zhì)性及植被茂盛程度與年內(nèi)提供有效生態(tài)服務(wù)的時(shí)間在地理空間的差異。

1.2 數(shù)據(jù)計(jì)算模型

根據(jù)數(shù)據(jù)源類型、結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)量及柵格位深分析，全國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在計(jì)算模型設(shè)計(jì)時(shí)，需對其中的大數(shù)據(jù)進(jìn)行處理算法設(shè)計(jì)[10-13]，以保證：①大數(shù)據(jù)正確輸入；②大數(shù)據(jù)計(jì)算內(nèi)存不溢出；③同一計(jì)算單元，同時(shí)輸出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估數(shù)據(jù)集的各類結(jié)果；④批處理過程不異常。

目前，商業(yè)軟件難以滿足計(jì)算需求，主要表現(xiàn)在：軟件輸入端，數(shù)據(jù)量承載力有限，單次輸入數(shù)據(jù)量較?。挥?jì)算過程，不易實(shí)現(xiàn)批量處理模式；輸出端，對于同一計(jì)算單元，單次無法輸出生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值評估數(shù)據(jù)集的各類結(jié)果。這些問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)預(yù)處理工作量和數(shù)據(jù)計(jì)算工作量巨大，很大程度上影響了最終成果數(shù)據(jù)生產(chǎn)的效率。

針對這一現(xiàn)狀，筆者自主研發(fā)了一套基于柵格空間分析的生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值評估數(shù)據(jù)計(jì)算軟件，實(shí)現(xiàn)了處理流程、組織結(jié)構(gòu)、功能分配、數(shù)據(jù)接口、運(yùn)行和出錯(cuò)處理等功能，給出具體功能所涉及的主要算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及調(diào)用關(guān)系等，解決了全國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算過程中的這些技術(shù)難題，提升了數(shù)據(jù)處理水平，提高了數(shù)據(jù)計(jì)算效率和質(zhì)量。

大數(shù)據(jù)計(jì)算模型設(shè)計(jì)解決了3個(gè)方面的技術(shù)難題：①單個(gè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較大，直接進(jìn)入內(nèi)存將影響計(jì)算機(jī)運(yùn)行性能，需要解決此類數(shù)據(jù)的運(yùn)行問題；②全國地理國情普查地表覆蓋柵格數(shù)據(jù)、全國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估數(shù)據(jù)數(shù)量較大，需要解決合理、有序、分批批量處理問題；③一體化、多源數(shù)據(jù)I/O，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估模型中，每個(gè)柵格單元供給、調(diào)節(jié)、支持及文化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的計(jì)算，需要地理國情普查地表覆蓋柵格數(shù)據(jù)、中國陸地最大EVI數(shù)據(jù)、中國陸地NPP數(shù)據(jù)、中國陸地植被生長季數(shù)據(jù)，以及單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子等數(shù)據(jù)同步參與，成果的輸出也一步解決，因此，需要解決多源數(shù)據(jù)的一體化輸入、輸出問題，才能提升數(shù)據(jù)計(jì)算的效率。其模型設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 大數(shù)據(jù)計(jì)算模型設(shè)計(jì)

1.3 數(shù)據(jù)來源

1.3.1 地理國情普查地表覆蓋數(shù)據(jù)

地理國情普查地表覆蓋分類系統(tǒng)包含耕地、園地、林地、草地、房屋建筑(區(qū))、道路、構(gòu)筑物、人工堆掘地、荒漠與裸露地表、水域10個(gè)一級類，以及46個(gè)二級類、79個(gè)三級類，均是基于WorldView-1/2、GeoEye-1、ZY-3等高分辨率遙感影像采集，采集指標(biāo)基本要求是最小圖斑對應(yīng)的地面實(shí)地面積為400 m2[14]。

地表覆蓋分類產(chǎn)品初始矢量空間數(shù)據(jù)圖斑數(shù)量達(dá)到數(shù)億個(gè)，為便于計(jì)算，并保證成果精度，本文對其進(jìn)行柵格化處理，柵格化粒度確定為5 m×5 m，采用面積最大法確定各柵格所代表地表覆蓋類型，結(jié)果定義為16 bit unsigned integer型。

在全國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算過程中，參與計(jì)算的數(shù)據(jù)及其結(jié)構(gòu)類型包括：全國地理國情普查地表覆蓋柵格數(shù)據(jù)、中國陸地最大EVI數(shù)據(jù)(16 bit，signed integer型)、中國陸地NPP數(shù)據(jù)(32 bit，float型)、中國陸地植被生長季數(shù)據(jù)(32 bit，float型)等；成果數(shù)據(jù)均為32 bit float型。數(shù)據(jù)量合計(jì)在10 TB量級，形成了大數(shù)據(jù)計(jì)算規(guī)模。

依據(jù)《中國陸地生態(tài)系統(tǒng)分類標(biāo)準(zhǔn)》，中國陸地生態(tài)系統(tǒng)分為農(nóng)田、森林、草地、濕地、荒漠、水域6個(gè)一級類，以及15個(gè)二級類。在計(jì)算過程中，需構(gòu)建地理國情普查地表覆蓋數(shù)據(jù)分類系統(tǒng)與中國陸地生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換表達(dá)關(guān)系，每個(gè)柵格均采用轉(zhuǎn)換后的類型進(jìn)行計(jì)算。

1.3.2 MODIS數(shù)據(jù)集

MODIS數(shù)據(jù)集中的MOD13Q1陸地標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品包含12個(gè)子數(shù)據(jù)集，空間分辨率為250 m，其中的EVI數(shù)據(jù)能夠精確地反映陸地生態(tài)系統(tǒng)植被的生長狀態(tài)、季相和年際變化特征。

為了與地理國情普查成果反映同一時(shí)期的地表自然狀態(tài)，選取2015年MODIS數(shù)據(jù)集(數(shù)據(jù)來源于NASA官網(wǎng))，將MOD13Q1產(chǎn)品中的2015年內(nèi)中國陸地最大EVI數(shù)據(jù)，以及由EVI衍化生成的中國陸地NPP數(shù)據(jù)和中國陸地植被生長季數(shù)據(jù)，融入評估模型中進(jìn)行計(jì)算。

1.3.3 單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子

單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子主要引用謝高地等改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)價(jià)值當(dāng)量因子，見表1。同時(shí)，參照2015年全國單位面積糧食均產(chǎn)和糧食價(jià)格，以及居民消費(fèi)價(jià)格指數(shù)(consumer price index，CPI)信息等，將標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子經(jīng)濟(jì)價(jià)值量確定為3 595.22元/hm2。

表1 單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子

2 結(jié)果與分析

研究區(qū)麗水市位于浙江省西南部，空間位置介于東經(jīng)118°41′—120°26′，北緯27°25′—28°57′，面積為17 298 km2，人口為262萬[15]。

2.1 EVI、NPP與生長季空間格局

研究區(qū)2015年植被最大EVI、NPP與生長季空間格局如圖2所示。從圖2得出，研究區(qū)2015年植被最大EVI值總體處于較高水平，NPP值最大達(dá)到70 279.2 gC/m2，植被生長季值在(0,365]區(qū)間內(nèi)。

圖2 2015年EVI、NPP與生長季空間格局

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量與空間格局

(1) 研究區(qū)內(nèi)地理國情普查地表覆蓋圖斑數(shù)量合計(jì)73萬個(gè)，對分類代碼屬性進(jìn)行柵格化處理，得到5 m×5 m粒度的柵格成果。利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估模型，計(jì)算得到陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值結(jié)果，其空間格局如圖3所示。

對各價(jià)值量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包含各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量、各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類別價(jià)值量，以及各覆蓋類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量等，結(jié)果見表2。

圖3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間格局(5 m×5 m柵格粒度)

行政區(qū)劃人口/萬人面積/km2ESV總量/億元人均ESV/萬元單位面積價(jià)值量/(萬元/hm2)供給服務(wù)/萬元調(diào)節(jié)服務(wù)/萬元支持服務(wù)/萬元文化服務(wù)/萬元蓮都區(qū)39150290.582.326.0342783.10663576.24161307.8338105.93龍泉市293059144.164.974.7151665.36993337.95339829.7556771.25青田縣522484155.662.996.2771003.741128892.84293929.0262741.45縉云縣46148286.781.895.8643269.34630943.24156471.4837087.88遂昌縣232539139.986.095.5157750.96990923.42295352.5255822.81松陽縣24140678.383.275.5733304.46555015.23163463.9731975.59云和縣1197864.795.896.6229671.22479608.37113614.4625022.74慶元縣21189884.184.014.4428454.26566768.16212072.7334546.27景寧畬族自治縣171950123.697.286.3455656.70902857.39230041.1448390.14麗水市26217298968.203.705.60413559.156911922.841966082.90390464.07

(2) 根據(jù)圖3，從地域形勢看，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量東部略高于西部，整體趨于均衡。根據(jù)表2，麗水市2015年各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量為968.20億元，單位面積價(jià)值量為5.60萬元/hm2。在9個(gè)縣級行政區(qū)中，云和縣單位面積價(jià)值量最高，達(dá)到6.62萬元/hm2；慶元縣最低，為4.44萬元/hm2。

從生態(tài)系統(tǒng)覆蓋類型看，森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量最高，為807.91億元，占生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量的83.44%；其次是水域，為119.26億元；各覆蓋類型生態(tài)服務(wù)價(jià)值總量呈現(xiàn)森林>水域>草地>農(nóng)田>荒漠的特點(diǎn)。

從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類別看，調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值量最高，為691.19億元，占生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量的71.39%；其次是支持服務(wù)價(jià)值量，占生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量的20.31%；各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類別價(jià)值量呈現(xiàn)調(diào)節(jié)服務(wù)>支持服務(wù)>供給服務(wù)>文化服務(wù)的特點(diǎn)。

(3) 根據(jù)表2，麗水市2015年人均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量為3.70萬元；依據(jù)麗水市2015年統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，麗水市2015年全年GDP為1 102.34億元，人均GDP為4.21萬元；人均GDP與人均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值比值為1∶0.88。此結(jié)果表明，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值相對社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值仍然不夠富裕。

從全省來看，浙江省2015年全年人均GDP為7.76萬元，按照本文方法計(jì)算得到浙江省2015年人均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量為2.29萬元。這一結(jié)果表明，麗水市雖然人均GDP低于全省平均水平，但人均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量卻超過全省平均水平，說明當(dāng)?shù)卦诎l(fā)展社會(huì)經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，也注重對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

2.3 計(jì)算效率與性能

對于大數(shù)據(jù)計(jì)算處理，能夠接受的處理效率與合理科學(xué)的計(jì)算算法同樣重要，只有效率達(dá)到一定水平，才能保證在有限時(shí)間內(nèi)得到計(jì)算結(jié)果。通過采用單個(gè)大數(shù)據(jù)分塊、整體大數(shù)據(jù)分批循環(huán)處理算法，進(jìn)行合理的內(nèi)存分配，解決了數(shù)據(jù)運(yùn)行效率與計(jì)算性能問題。表3為單臺計(jì)算機(jī)、單線程數(shù)據(jù)計(jì)算效率(計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置為：Windows 7系統(tǒng)，64位操作系統(tǒng)，32 GB內(nèi)存，1.9 GHz處理器)。

表3 計(jì)算效率與性能

根據(jù)表3，采用單臺計(jì)算機(jī)、單線程，全國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算時(shí)長在3 d左右；如果采用2～3 臺計(jì)算機(jī)、多線程計(jì)算，0.5 d便可完成計(jì)算，能夠滿足計(jì)算需求。

3 結(jié) 論

(1) 遙感信息反映自然真實(shí)狀態(tài)，利用多源遙感信息進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算，有利于挖掘與揭示地表自然價(jià)值。地理國情普查地表覆蓋數(shù)據(jù)具有高空間分辨率、高精度的特征；MODIS數(shù)據(jù)具有高時(shí)間分辨率、高光譜分辨率的特征；通過空間分析計(jì)算與統(tǒng)計(jì)，充分利用各數(shù)據(jù)優(yōu)勢，結(jié)果更精確，能夠反映區(qū)域細(xì)節(jié)特征。

(2) 以5 m×5 m柵格大小計(jì)算，全國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算數(shù)據(jù)量在10 TB量級；數(shù)據(jù)類型包括影像、文檔、地理位置信息等結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；每個(gè)柵格均需計(jì)算其各類型服務(wù)價(jià)值；采用分塊、分批的大數(shù)據(jù)計(jì)算算法，大大提高了計(jì)算效率，解決了多源數(shù)據(jù)一體化輸入、輸出問題。這些均體現(xiàn)了大數(shù)據(jù)Volume、Variety、Value和Velocity的4“V”基本特征。

(3) 隨著地理國情監(jiān)測項(xiàng)目的開展，地理國情信息將持續(xù)更新；同時(shí)，中國陸地最大EVI、中國陸地NPP、中國陸地植被生長季等也會(huì)隨著時(shí)間推移而發(fā)生變化。因此，本文提出的方法應(yīng)用前景廣泛，不僅可應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估，而且可應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值更新及變化監(jiān)測，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。