基于GIS和RS的土地利用碳收支核算模块设计与开发

张 梅，章 志，黄贤金，谈俊忠，赖 力，揣小伟

（1.南京大学地理与海洋科学学院，江苏南京 210093；2.南京大学金陵学院城市与资源学院，江苏南京 210089；3.江苏省海涂研究中心，江苏南京 210036；4.江苏省信息中心，江苏南京 210013）

一、引 言

随着经济的不断发展，我国的碳排放量也不断增长。2005年我国二氧化碳排放量占全球总量的18%，居全球第二，仅次于美国；2006年我国碳排放量已超过美国成为世界第一。高碳排放已给我国的社会经济发展、环境生态健康及国际形象带来诸多压力［1］。同时，包括森林砍伐、湿地排水、农牧生产等在内的土地利用行为，已成为除化石能源燃烧排放以外的第二大温室气体排放源，约占人为总排放的1/3［2］。为了减少我国的总碳排放量，必须进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渐成为学术界的研究热点。

目前，已有诸多学者从不同的角度对土地利用碳排放进行了研究，但尚没有成熟的土地利用碳收支核算模块构建方面的研究。而土地利用碳排放研究过程中经常需要进行土地利用碳收支的核算，该模块的构建可为土地利用碳排放领域的研究学者节省大量用于计算的时间。同时，GIS作为一种强大的空间分析技术，特别是其与遥感数据的结合，已成为并且将继续是土地利用碳排放研究的重要助力之一。将GIS技术充分融入土地利用碳收支核算模块的构建过程中将对未来的土地利用碳排放研究起到很好的推进作用。

因此，本文提出利用GIS和RS等相关技术，构建一个完全依赖于遥感影像等空间数据的土地利用碳收支核算模块，并将GIS技术贯穿于模块设计和实现的始终。该模块具有直接的应用价值，并且可为进一步的土地利用碳排放研究提供参考。

二、模块功能需求

土地利用碳收支核算是土地利用碳排放研究的重要组成部分。总体来说，土地利用碳收支核算包括两方面的内容，即土地利用类型保持的碳收支核算和土地利用类型转变的碳收支核算［2-3］。本研究中，土地利用类型仅考虑6个一级土地利用分类，即耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地。土地利用碳收支核算结果的体现形式一般是统计表和统计图，模块结合GIS和RS等相关技术，可全面满足这些方面的要求。同时，还提供一些特有的成果体现形式，如以专题地图形式表现土地利用碳收支核算结果等。

三、模块设计与实现

1.模块总体设计

模块进行土地利用碳收支核算的总体流程如图1所示。首先，对准备用来进行土地利用碳收支核算的遥感影像进行判断分析，包括检查两幅影像的范围、坐标系统和像元大小是否一致等。确认无误后，通过编程组合运用ArcGIS的空间分析组件对两个年份的土地利用遥感数据进行土地利用转移分析，判断土地利用类型保持或转变的像元，并统计出各种土地利用类型保持或转变的面积。另一方面，利用土壤碳密度分布图、植被碳密度分布图和土地利用遥感数据计算得到各种土地利用类型保持或转变的碳排放/碳蓄积参数。在此基础上，将得到的土地利用转移分析结果和碳排放/碳蓄积参数计算结果进行对应和进一步的计算，得到土地利用碳收支核算的结果。

图1 土地利用碳收支核算流程

2.土地利用转移分析过程算法

应用ArcGIS Desktop进行二次开发的方式有很多，包括自定义ArcMap及ArcCatalog的布局和界面、使用VBA创建解决方案、创建ArcGIS扩展和创建独立的应用程序等［4］。本模块选择使用C#语言和ArcGIS Engine进行编程来实现。

本文主要使用的ArcGIS Engine组件基础库包括 IMap、IRasterLayer、IRaster、IRasterModel、IRaster-Dataset、IFields、IUniqueValueRender 和 ISymbol等。整个模块的接口使用情况如图2所示。

在计算土地利用变化和土地利用碳排放过程中，首先获取应用程序接口（IApp），遍历当前地图工程中的土地利用遥感影像（IRasterLayer），使用栅格模型对象（IRasterModel）绑定待计算的栅格图层对象（IRaster）；然后绑定栅格代数运算脚本进行土地利用栅格重编码操作（"con（［1］＜＞［2］，［1］*100+［2］，［1］*100+［2］）"）；接着使用 IRaster、IFields接口将唯一值字段加入唯一值渲染器（UniqueValueRenderer）；最后使用IRasterRender接口进行栅格图层渲染。

图2 模块接口使用示意图

3.土地利用碳排放/碳蓄积参数计算

土地利用碳排放/碳蓄积参数包括全国及华北地区、东北地区、华东地区、中南地区、西南地区和西北地区六大分区的碳排放/碳蓄积参数。港澳台地区因为数据不全，无法单独进行计算，而是直接使用全国的碳排放/碳蓄积参数。

全国及各个分区的土地利用碳排放/碳蓄积参数的计算过程为:①利用全国植被类型图和各种植被类型的碳密度［2，5-7］，生成全国植被碳密度分布图，再利用全国土壤类型图和各种土壤类型的碳密度［2，8-9］，生成全国土壤碳密度分布图；② 利用全国分区图按区域对全国植被碳密度分布图和全国土壤碳密度分布图进行切割，得到六大区域各自的植被碳密度分布图和土壤碳密度分布图；③利用对应年份的土地利用遥感数据和植被碳密度分布图计算全国及各区域各种土地利用类型的植被碳密度，并用同样的方法计算全国及各区域各种土地利用类型的土壤碳密度，再进一步得到各种土地利用类型的综合碳密度；④计算各种土地利用类型转变的综合碳密度变化，并结合土地类型保持的碳排放/碳蓄积研究成果、水域的碳排放/碳蓄积研究成果及转换后土地利用类型的碳汇［2，10］，得到初步的土地利用碳排放/碳蓄积参数；⑤使用相关的土地利用碳排放/碳蓄积研究成果对初步计算结果进行补充和修正，得到最终的土地利用碳排放/碳蓄积参数。

计算使用的数据来源为:植被类型图通过数字化1∶400万中国植被图得到，并按照1∶400万中国植被图的分类系统进行编码；土壤类型图根据中国土壤普查办公室1995年编制并出版的《1∶100万中华人民共和国土壤图》（土壤普查办公室，1995）数字化形成；各年份土地利用遥感数据由中国科学院遥感应用研究所制作，数据分辨率为1 km×1 km，格式为ArcGIS软件GRID数据格式。全部数据成果符合中国科学院KZCX1-Y-02（国土环境遥感时空信息分析与数字地球相关理论技术预研究）项目的相关技术要求。

四、模块应用

土地利用碳收支核算模块可用来进行全国任意区域任意两个年份间的土地利用碳收支核算。例如，利用江苏省1995年和2010年的土地利用遥感数据，可很快核算出1995—2010年江苏省6个一级土地利用分类保持或转变的碳排放。其中，土地利用碳收支核算界面如图3所示，核算结果的专题地图生成界面如图4所示。

图3 土地利用碳收支核算界面

图4 核算结果专题地图生成界面

五、结束语

本文介绍了利用ArcGIS Engine、C#语言及遥感数据等设计开发土地利用碳收支核算模块的过程，并利用该模块进行了具体的应用。研究表明，该模块能够充分实现用户对于土地利用碳收支核算的各种要求，并且提供报表、统计图及专题地图等多种成果展示形式。该模块的构建可进一步促进GIS和RS技术在土地利用碳排放领域的应用，对土地利用碳排放研究具有一定的推进作用，并且对相关模块的设计与开发具有一定的参考价值。但是，该模块还有一些不足之处，如用于模块参数计算的土地利用遥感影像精度不够高，可采用更高精度的遥感影像数据，以得到更为精确的结果。

［1］ 严婧，黄贤金，李颖，等.土地利用规划的碳排放评价和预测与调控——以安徽省滁州市南谯区为例［J］.国土资源科技管理，2010，27（1）:19-24.

［2］ 赖力.中国土地利用的碳排放效应研究［D］.南京:南京大学，2010.

［3］ 赖力，黄贤金.中国土地利用的碳排放效应研究［M］.南京:南京大学出版社，2011.

［4］ 肖提荣，何照攀，杨勇.基于ArcGIS的DLG自动符号化模块的设计与开发［J］.测绘通报，2012（7）:85-87.

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