基于GIS和RS的土地利用碳收支核算模塊設計與開發

張 梅，章 志，黃賢金，談俊忠，賴 力，揣小偉

（1.南京大學地理與海洋科學學院，江蘇南京 210093；2.南京大學金陵學院城市與資源學院，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

隨著經濟的不斷發展，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濟發展、環境生態健康及國際形象帶來諸多壓力［1］。同時，包括森林砍伐、濕地排水、農牧生產等在內的土地利用行為，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術界的研究熱點。

目前，已有諸多學者從不同的角度對土地利用碳排放進行了研究，但尚沒有成熟的土地利用碳收支核算模塊構建方面的研究。而土地利用碳排放研究過程中經常需要進行土地利用碳收支的核算，該模塊的構建可為土地利用碳排放領域的研究學者節省大量用于計算的時間。同時，GIS作為一種強大的空間分析技術，特別是其與遙感數據的結合，已成為并且將繼續是土地利用碳排放研究的重要助力之一。將GIS技術充分融入土地利用碳收支核算模塊的構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作用。

因此，本文提出利用GIS和RS等相關技術，構建一個完全依賴于遙感影像等空間數據的土地利用碳收支核算模塊，并將GIS技術貫穿于模塊設計和實現的始終。該模塊具有直接的應用價值，并且可為進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容，即土地利用類型保持的碳收支核算和土地利用類型轉變的碳收支核算［2-3］。本研究中，土地利用類型僅考慮6個一級土地利用分類，即耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地。土地利用碳收支核算結果的體現形式一般是統計表和統計圖，模塊結合GIS和RS等相關技術，可全面滿足這些方面的要求。同時，還提供一些特有的成果體現形式，如以專題地圖形式表現土地利用碳收支核算結果等。

三、模塊設計與實現

1.模塊總體設計

模塊進行土地利用碳收支核算的總體流程如圖1所示。首先，對準備用來進行土地利用碳收支核算的遙感影像進行判斷分析，包括檢查兩幅影像的范圍、坐標系統和像元大小是否一致等。確認無誤后，通過編程組合運用ArcGIS的空間分析組件對兩個年份的土地利用遙感數據進行土地利用轉移分析，判斷土地利用類型保持或轉變的像元，并統計出各種土地利用類型保持或轉變的面積。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據計算得到各種土地利用類型保持或轉變的碳排放/碳蓄積參數。在此基礎上，將得到的土地利用轉移分析結果和碳排放/碳蓄積參數計算結果進行對應和進一步的計算，得到土地利用碳收支核算的結果。

圖1 土地利用碳收支核算流程

2.土地利用轉移分析過程算法

應用ArcGIS Desktop進行二次開發的方式有很多，包括自定義ArcMap及ArcCatalog的布局和界面、使用VBA創建解決方案、創建ArcGIS擴展和創建獨立的應用程序等［4］。本模塊選擇使用C#語言和ArcGIS Engine進行編程來實現。

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

在計算土地利用變化和土地利用碳排放過程中，首先獲取應用程序接口（IApp），遍歷當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）綁定待計算的柵格圖層對象（IRaster）；然后綁定柵格代數運算腳本進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/碳蓄積參數計算

土地利用碳排放/碳蓄積參數包括全國及華北地區、東北地區、華東地區、中南地區、西南地區和西北地區六大分區的碳排放/碳蓄積參數。港澳臺地區因為數據不全，無法單獨進行計算，而是直接使用全國的碳排放/碳蓄積參數。

全國及各個分區的土地利用碳排放/碳蓄積參數的計算過程為: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 利用全國分區圖按區域對全國植被碳密度分布圖和全國土壤碳密度分布圖進行切割，得到六大區域各自的植被碳密度分布圖和土壤碳密度分布圖；③利用對應年份的土地利用遙感數據和植被碳密度分布圖計算全國及各區域各種土地利用類型的植被碳密度，并用同樣的方法計算全國及各區域各種土地利用類型的土壤碳密度，再進一步得到各種土地利用類型的綜合碳密度；④計算各種土地利用類型轉變的綜合碳密度變化，并結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；⑤使用相關的土地利用碳排放/碳蓄積研究成果對初步計算結果進行補充和修正，得到最終的土地利用碳排放/碳蓄積參數。

計算使用的數據來源為:植被類型圖通過數字化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進行編碼；土壤類型圖根據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）數字化形成；各年份土地利用遙感數據由中國科學院遙感應用研究所制作，數據分辨率為1 km×1 km，格式為ArcGIS軟件GRID數據格式。全部數據成果符合中國科學院KZCX1-Y-02（國土環境遙感時空信息分析與數字地球相關理論技術預研究）項目的相關技術要求。

四、模塊應用

土地利用碳收支核算模塊可用來進行全國任意區域任意兩個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據，可很快核算出1995—2010年江蘇省6個一級土地利用分類保持或轉變的碳排放。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 核算結果專題地圖生成界面

五、結束語

本文介紹了利用ArcGIS Engine、C#語言及遙感數據等設計開發土地利用碳收支核算模塊的過程，并利用該模塊進行了具體的應用。研究表明，該模塊能夠充分實現用戶對于土地利用碳收支核算的各種要求，并且提供報表、統計圖及專題地圖等多種成果展示形式。該模塊的構建可進一步促進GIS和RS技術在土地利用碳排放領域的應用，對土地利用碳排放研究具有一定的推進作用，并且對相關模塊的設計與開發具有一定的參考價值。但是，該模塊還有一些不足之處，如用于模塊參數計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據，以得到更為精確的結果。

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