HJ 1172-2021 全国生态状况调查评估技术规范——生态系统质量评估.pdf

1、中 华 人 民 共 和 国 国 家 生 态 环 境 标 准 HJ 1172 2021 全国生态 状况调查 评估技术 规范 生态 系统质量 评估 Technical specification for investigation and assessment of national ecological status Ecosystem quality assessment 本电子 版为 正式 标准 文本 ，由生 态环 境部 环境 标准 研究所 审校 排版 。 2021-05-12 发布 2021-08-01 实施 生 态 环 境 部 发 布 HJ 1172 2021 i 目 次 前 言 . i

2、i 1 适 用范 围 . 1 2 规 范性 引用 文件. 1 3 术 语和 定义 . 1 4 总则 . 2 5 技 术流 程 . 2 6 生 态系 统质 量评 估指 标 与方法 . 2 7 生 态系 统质 量分 级 . 3 附录 A （ 资料 性附 录） 全 国生态 系统 分类 体系 表 . 4 附录 B （ 规范 性附 录） 遥 感关键 生态 参数 计算 方法 . 5 HJ 1172 2021 ii 前 言 为贯彻 中 华人 民共 和国 环境保 护法 及 相关 法律 法规， 以及 全 国生 态状 况定期 遥感 调查 评 估 方 案 （ 环办 生态 2019 45 号） ，制 定本 标准 。

3、本标准 规定 了生 态系 统质 量评估 的总 则、 技术 流程 、指标 与方 法和 生态 系统 质量分 级等 要求 。 本标准 的附 录 A 为资料 性 附录， 附 录 B 为规 范性 附 录。 本标准 为首 次发 布。 本标准 与以 下标 准同 属全 国生态 状况 调查 评估 技术 规范系 列标 准： 全国 生态 状况 调查 评估 技 术规范 生态 系统 遥感 解译与 野外 核查 （HJ 1166 2021）； 全国 生态 状况 调查 评估 技 术规范 森林 生态 系统 野外观 测 （HJ 11672021）； 全国 生态 状况 调查 评估 技 术规范 草地 生态 系统 野外观 测 （HJ

4、11682021）； 全国 生态 状况 调查 评估 技 术规范 湿 地 生 态 系 统 野 外 观 测 （HJ 1169 2021）； 全 国 生 态 状 况 调 查 评 估 技 术 规 范 荒 漠生 态系 统野外 观测 （HJ 1170 2021）； 全国 生态 状况 调查 评估 技 术规范 生态 系统 格局 评估 （HJ 11712021）； 全国 生态 状况 调查 评估 技 术规范 生态 系统 服务 功能评 估 （HJ 11732021）； 全国 生态 状况 调查 评估 技 术规范 生态 问题 评估 （HJ 1174 2021）； 全国 生态 状况 调查 评估 技 术规范 项目 尺度 生

5、态 影响评 估 （HJ 11752021）； 全国 生态 状况 调查 评估 技 术规范 数据 质量 控制 与集成 （HJ 1176 2021） ； 。 本标准 由生 态环 境部 自然 生态保 护司 、法 规与 标准 司组织 制订 。 本标准 主要 起草 单位 ：生 态环境 部卫 星环 境应 用中 心、中 国科 学院 生态 环境 研究中 心。 本标准 生态 环境 部 2021 年 5 月 12 日批 准。 本标准 自 2021 年 8 月 1 日 起实施 。 本标准 由生 态环 境部 解释 。 HJ 1172 2021 1 全 国生态 状况调查 评估技 术规范 生 态系统 质量 评估 1 适用范

6、围 本标准 规定 了区 域自 然生 态系统 质量 评估 的总 则、 技术流 程、 指标 与方 法和 生态系 统质 量分 级 等 要 求。 本标准 主要 适用 于全 国及 省级行 政区 陆域 以植 被为 主的自 然生 态系 统的 质量 评估， 其他 地理 区 域 可 参照本 标准 执行 。 2 规范性引用 文件 本标准 引用 了下 列文 件或 其中的 条款 。凡 是注 明日 期的引 用文 件， 仅注 日期 的版本 适用 于本 标 准 。 凡是未 注日 期的 引用 文件 ，其最 新版 本（ 包括 所有 的修改 单） 适用 于本 标准 。 HJ 192 生态环 境状 况评 价技 术规 范 3 术语和

7、定义 下列术 语和 定义 适用 于本 标准。 3.1 生态系 统质 量 ecosystem quality 表征生 态系 统自 然植 被的 优劣程 度， 反映 生态 系统 内植被 与生 态系 统整 体状 况。 3.2 评估单 元 assessment unit 根据评 估目 的和 评估 方法 的需要 ，划 分的 用于 评估 的地理 空间 单元 。 3.3 叶面积 指数 leaf area index 单位土 地面 积上 植物 叶片 总面积 与土 地面 积的 比值 ，主要 表征 了植 被垂 直结 构复杂 性。 3.4 总初级 生产 力 gross primary productivity 在单位

8、 时间 和单 位面 积上 ， 绿色 植物 通过 光合 作用 所固定 的有 机碳 总量 ， 主 要表征 植被 光合 作 用 能 力强弱 。 3.5 植被覆 盖度 fractional vegetation cover 植被 （ 包括 叶、 茎、 枝） 在 地面的 垂直 投影 面积 占统 计区总 面积 的百 分比 ， 主 要表征 植被 水平 结 构 状况。 HJ 1172 2021 2 4 总则 生态系 统质 量评 估应 遵循 规范性 、可 操作 性、 先进 性和经 济与 技术 可行 性的 原则。 5 技术流程 生 态 系 统 质 量 评 估 技 术 规 范 流 程 ： 基 于 遥 感 生 态 参

9、 数 ， 分 区 分 生 态 系 统 类 型 开 展 生 态 系 统 质 量 评 估 （图 1）。 图 1 生态系统 质量 评估 总体技 术流 程 6 生态系统质 量评 估指 标 与方法 生态系 统质 量评 估以 遥感 生态参 数 （ 植被 覆盖 度、 叶面积 指数 、 总 初级 生产 力） 作 为指 标， 三 个 参 数 计 算 方 法 见 附 录 B ， 采 取 分 区 分 生 态 系 统 类 型 选 取 参 照 值 的 方 法 构 建 生 态 系 统 质 量 指 数 ， 分 区 参 照 全 国生 态功 能区 划 的 242 个生 态功 能区 边界 ，生 态系统 类型 参见 附录 A 。

10、具体过 程如 下： 以每 个生 态功能 区内 森林 、 灌丛 、 草 地和农 田四 类植 被类 型生 态系统 的生 态参 数最 大值 作为参 照值 ， 依次 计算 分 区内每 个植 被类 型生 态系 统参数 值与 其参 照值 的比 值， 得 到该 分区 内该 生态 参数的 相对 密度 ， 相 对 密 度 越接 近 1 代 表该 像元 该生 态参数 越接 近参 照值 。具 体计算 方法 按公 式（1）： , , max , , RVI i j k i j k i j k F F （1 ） 式中： , RVI i j k 为第i 年第 j 分区 第k 类植 被生 态系 统生 态参 数的相 对密 度

11、 , i j k F 为第i 年第 j 分区第k 类植 被生态 系统 生 态 参数 值； max , , i j k F 为第i 年第 j 分区第k 类植 被生态 系统 生态 参数 最大 值。 依照此 方法 ， 对 植被 覆盖 度、 叶 面积 指数 、 总 初级 生产力 分区 分类 型选 取参 照值计 算相 对密 度 ， 将 结果归 一化 到 0 1 之间 ， 归一化 方法 如下 ： 遥感数据 数据预处理 其他辅助信息 遥感生态参数 生态功能分区 植被覆盖度 相对密度 叶面积指数 相对密度 总初级生产力 相对密度 生态系统质量 生态系统质量分级 HJ 1172 2021 3 指数归 一化 是

12、将 各指 数值 域转换 到 0 1 之间 ，归 一 化具体 方法 按公 式（2）： min( ) max( ) min( ) xx x xx （2） 式中：x 为归 一化 处理 后指数 ； x 为 原指 数。 生 态 系 统 质 量 反 映 区 域 生 态 系 统 质 量 整 体 状 况 ， 由 植 被 覆 盖 度 、 叶 面 积 指 数 和 总 初 级 生 产 力 的 相 对 密度来 构建 ，具 体计 算方 法按公 式（3）： , , , , LAI FVC GPP EQI 100 3 i j i j i j ij （3） 式中： , EQI ij 为第i 年第 j 分区 生态系 统质 量；

13、 , LAI ij 为第i 年第 j 分区叶 面积 指数相 对密 度； , FVC ij 为第i 年第 j 分区植 被覆 盖度相 对密 度； , GPP ij 为第i 年第 j 分区总 初级 生产力 相对 密度 。 7 生态系统质 量分 级 根据生态系统质量评估结果， 将生态系统质量分为 5 级 ， 即 优 、 良 、 中 、 低 、 差 ， 具 体 可 参 照 HJ 192 实施， 见 表 1 。 表 1 生态系统 质量 分级 级别 优 良 中 低 差 生态系统质量 EQI 75 55EQI 75 35EQI 55 20 EQI 35 EQI 20 描述 生态系统质量为优 生态系统质量良好

14、生态系统质量为中等水平 生态系统质量较低 生态系统质量较差 HJ 1172 2021 4 附 录 A （资料 性附 录） 全国生 态系 统分 类体 系表 级代码 级分类 级代码 级分类 1 森林生态系统 11 阔叶林 12 针叶林 13 针阔混交林 14 稀疏林 2 灌丛生态系统 21 阔叶灌丛 22 针叶灌丛 23 稀疏灌丛 3 草地生态系统 31 草甸 32 草原 33 草丛 34 稀疏草地 4 湿地生态系统 41 沼泽 42 湖泊 43 河流 5 农田生态系统 51 耕地 52 园地 6 城镇生态系统 61 居住地 62 城市绿地 63 工矿交通 7 荒漠生态系统 71 沙漠 72 沙地

15、 73 盐碱地 8 其他 81 冰川/ 永久积雪 82 裸地 HJ 1172 2021 5 附 录 B （规范 性附 录） 遥感关 键生 态参 数计 算方 法 B.1 叶面积指 数（LAI ） 叶面积 指数 （leaf area index ，LAI ）反映一 个生 态系 统中单 位面 积上 的叶 面积 大小 ，是 模拟 陆地 生 态系统 、 水 热循 环和 生物 地球化 学循 环的 重要 参数 。 目前 基于 光学 数据 获取 叶面积 指数 的方 法 主 要 包 括 两类 ， 一 类是 统计 方法 ， 常 用的是 建立 叶面 积指 数与 植被指 数之 间经 验或 半经 验关系 ； 一类 是基

16、 于辐 射 传输模 型的 遥感 反演 方法 。 （1 ）统 计法 经验模 型法 是常 用的 统计 方法， 该方 法是 用植 被指 数估算 叶面 积指 数， 一般 过程是 建立 植被 指 数 和 叶面积 指数 的经 验关 系 ， 并使用 观测 数据 进行 拟合 ， 再 使用 拟合 好的 模型 估 算叶面 积指 数 ， 常 用表 达 叶 面积指 数和 植被 指数 的经 验关系 主要 有以 下几 种形 式： 32 L Ax Bx Cx D （B.1 ） c L A Bx （B.2 ） 1/ 2 ln(1 ) L A x （B.3 ） 式中：L 叶面 积指 数； x 从 遥感 数据 获取 的植 被指数

17、 或反 射率 ； A 、B 、C 和D 经验 参 数，随 着植 被类 型变 化。 （2 ）冠 层模 型 冠层模 型通 常可 划分 为四 类： 参 数模 型、 几何 光学 模型、 混合 介质 模型 和计 算机模 拟模 型。 这 些 模 型 已 在 冠 层 形 态 和 光 学 特 征 估 算 中 得 到 广 泛 应 用 ， 目 前 基 于 冠 层 模 型 估 算 叶 面 积 指 数 常 采 用 反 演 优 化 算 法、 神 经网 络技 术、 遗传 算法、 贝叶 斯网 络算 法和 查找表 方法 等， 可根 据评 估区域 和所 具备 的 实 际 条 件 选择合 适的 模型 和方 法估 算叶面 积指 数

18、 B.2 植被覆盖 度（FVC ） 植被覆 盖度 （fractional vegetation cover ，FVC ） 量化 了植被 的茂 密程 度， 反映 了植被 的生 长 态 势 ， 是描述 生态 系统 的重 要基 础数据 ， 被 广泛 运用 于水 文、 生 态、 气候 、 大 气污 染等研 究领 域。 遥 感 由 于 其 大范围 的数 据获 取和 连续 观测能 力已 成为 估算 植被 覆盖度 的主 要技 术手 段。 基 于遥感 的植 被覆 盖度 估 算 方法主 要有 以下 几种 ： （1 ）回 归（ 统计 ）模 型法 回归 （统 计 ） 模 型法 是通 过 对遥感 数据 的某 一波

19、段 、 波段组 合或 利用 遥感 数据 计算的 植被 指数 如归 一化植 被指 数 、 土 壤调 节 植被指 数等 与植 被覆 盖度 进行回 归分 析 ， 建 立经 验 估算模 型 。 线 性回 归模 型 通 过地面 测量 的植 被覆 盖度 与遥感 图像 的波 段或 植被 指数进 行线 性回 归得 到研 究区域 的估 算模 型； 非 线 性 回归模 型法 主要 是通 过将 遥感数 据的 波段 或植 被指 数与植 被覆 盖度 进行 拟合 ，得到 非线 性回 归模 型。 （2 ）混 合像 元分 解法 HJ 1172 2021 6 遥感图 像中 每个 像元 一般 由多个 组分 构成 ， 每 个组 分

20、对传 感器 观测 到的 信息 都有贡 献， 可由 此 建 立 像元分 解模 型进 行植 被覆 盖度的 估算 。混 合像 元分 解模型 主要 有线 性模 型、 概率模 型、 几何 光学 模 型 、 随机几 何模 型和 模糊 分析 模型等 ， 其 中线 性分 解模 型应用 最为 广泛 。 线 性像 元分解 法中 最常 用 的 是 像 元 二分模 型 ， 是 指假 定像 元 由植被 和非 植被 两部 分构 成， 光谱 信息 为这 两个 组 分的线 性组 合 。 计 算获 得 的 植被覆 盖所 占像 元比 例即 为该像 元的 植被 覆盖 度， 计算方 法如 下： soil veg soil FVC N

21、DVI NDVI NDVI NDVI （B.4 ） 式中：FVC 像 元植 被 覆盖度 ； NDVI 混 合像 元 的 NDVI 值； NDVI soil 纯 裸土 覆盖 像 元的 NDVI 值； NDVI veg 纯 植被 覆盖 像 元的 NDVI 值。 由于受 土壤 、植 被类 型等 因素的 影响 ，目 前 NDVI soil 和 NDVI veg 主要通过 对图 像的统 计分 析确 定 ， 如直接 将图 像 中 NDVI 的最大值 和最 小值 分别 作为 纯植被 覆盖 和纯 裸土 覆盖 的 NDVI 值。 （3 ）机 器学 习法 随 着 计 算 机 技 术 的 发 展 ， 机 器 学 习

22、 法 被 广 泛 应 用 到 植 被 覆 盖 度 的 估 算 中 ， 包 括 神 经 网 络 、 决 策 树 、 支持向 量机 等 。 机 器学 习 方法的 步骤 一般 为确 定训 练 样本 、 训练 模型 和估 算 植被覆 盖度 。 根据 训练 样 本 选取的 不同 ，机 器学 习方 法分为 基于 遥感 影像 分类 和基于 辐射 传输 模型 两大 类。 基于遥 感影 像分 类的 方法 首先采 用高 空间 分辨 率数 据进行 分类 ， 区 分出 植被 和非植 被， 再将 分 类 结 果聚合 到低 空间 分辨 率尺 度，计 算低 空间 分辨 率像 元中植 被的 比例 作为 训练 样本， 训练 机

23、器 学习 模 型 ， 进而估 算植 被覆 盖度 。 基 于 辐 射 传 输 模 型 的 方 法 首 先 由 辐 射 传 输 模 型 模 拟 出 不 同 参 数 情 况 下 的 光 谱 反 射 率 值 ， 再 根 据 传 感 器 的 光 谱 响 应 函 数 将 模 拟 的 光 谱 反 射 率 值 重 采 样 ， 不 同 的 参 数 和 模 拟 的 波 段 值 作 为 训 练 样 本 对 机 器 学习 模 型进 行训 练。 机器 学习 方 法的 关键 在于 训练 样本的 选择 ，要 确保 准确 性和代 表性 。 （4 ）其 他方 法 除了上述常用植被覆盖度遥感估算方法，主要还有物理模型法、光谱梯度

24、差法、FCD （forest canopy density ）分级法 等。 植被覆 盖度 估算 可根 据评 估区域 特点 和已 有条 件选 择适用 的估 算方 法。 B.3 总初级生 产力 （GPP ） 总初级 生产 力（gross primary productivity ，GPP ） 指 在单位 时间 和单 位面 积上 ，绿色 植物 通过 光合 作用所 固定 的有 机碳 总量 。 陆地 总初 级生 产力 是描 述陆地 生态 系统 的重 要参 数， 提 供了 全球 气 候 变 化 情 况 下碳 循环 的定 量化 描述 。 目前通 用的 估测 总初 级生 产力方 法主 要有 通量 站连 续观测

25、 、 陆 地生 态过 程模 型估测 等方 法。 通 量 站 连续观 测是 利用 涡度 相关 法测量 大气 与生 态系 统边 界的交 换 ， 包 括碳 、 水等 物 质， 从而 间接 计算 出生 态 系统总初级生产力的量。 涡度相关技术实现了定量 连续测量陆地生物圈- 大气 圈碳和水汽交换，是在生 态系统 尺度 上解 释陆 气交 换作用 的最 有效 方法 。 陆 地生态 过程 模型 则是 结合 陆地表 面过 程、 植 被 冠 层 生 理等生 态系 统过 程要 素开 发出的 模型 。结 合遥 感数 据的 GPP 估测 模型 实现 了 空间连 续、 不破 坏植 被 的 植被总 初级 生产 力估 测 。 遥感估 测总 初级 生产 力 模 型主要 分 为 3 类 ： 经验 型 植被指 数模 型 、 植 被生 态 过 程模型及机器学习模型， 可根据评估区域和所具备的实际条件选择合适的模型和方法估算总初级生 产力。