InVEST模型 | HAbitat quality模块计算生境质量

  本文详细介绍使用InVEST模型中HAbitat quality模块计算生境质量，包含各个参数的含义、所需数据及处理、处理各参数时需要注意的地方等过程。

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1. 概述

  当前土地利用InVEST模型（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）中HAbitat quality模块，栖息地质量模型结合了 LULC 信息和生物多样性威胁来制作栖息地质量地图。
  生境质量是指生态环境能够提供适合自然生态条件的能力，高低能反映区域生境的破碎程度以及对生境退化的抗干扰能力。

式中，Qxj表示土地利用类型j中的栅格x的生境质量；Hj表示土地利用类型J的生境适合性；Dxj表示土地利用类型j中的栅格x所受胁迫水平；Z表示归一化常量；k是缩放常数。
   其中，式中Dxj的计算公式如下：

式中，R为胁迫因子数量；r为胁迫因子；y为胁迫因子r的栅格数；Yr为胁迫因子所占栅格数；Wr为胁迫因子权重，取值范围为0 - 1；irxy为胁迫因子r对生境的每个栅格产生的影响（指数或线性）；βx为生境抗干扰水平；Sjr为不同生境对每种胁迫因子的相对敏感性。

1.1 涉及参数

   HAbitat quality模块所设计到的参数有以下：

• Current Land Cover：当前土地利用
• Future Land Cover (optional)：未来土地利用
• Baseline Land Cover (optional)：基线土地利用
• Threats Data：威胁因子
• Threats Table：威胁表
• Accessibility To Threats (optional)：胁迫可达性
• Sensitivity Table：敏感性表
• Half-Saturation Constant：半包和参数

  参考：

1.http://releases.naturalcapitalproject.org/invest-userguide/latest/habitat_quality.html
2.https://storage.googleapis.com/releases.naturalcapitalproject.org/invest-userguide/latest/habitat_quality.html
3.https://www.bilibili.com/video/BV1VK4y1T7tx
4.Parameter assignment for InVEST habitat quality module based on principal component analysis and grey coefficient analysis

2. 处理流程

  使用HAbitat quality模块计算生境质量是InVEST应用最为广泛的功能，点击HAbitat quality进入操作界面，点击左侧User’s Guide 可进入该模块的帮助文档，有详细的说明。模型需要输入的元素有9个，其中5个必选，4个可选。
  第一类输入（第一个红框）主要是确定输出路径，和定义文件后缀；后两类输入（后两个红框）是所需的各项数据，下面将对各个参数进行详细介绍。HAbitat quality模块界面如下图所示：

2.1土地利用LULC数据（raster）

① Current Land Cover
  当前土地利用：必须有地类编码字段value；有投影；其分辨率和范围决定了最终结果的分辨率与范围；

②Future Land Cover (optional)
  未来土地利用：具有相同的LULC代码value字段
③Baseline Land Cover (optional)
  基线土地利用：具有相同的LULC代码value字段

2.2威胁与敏感性数据

注：旧版本中，Threats Data需要输入一个文件夹：包含威胁源数据和威胁表；
  新版本中，Threats Data变为Threats Table，需要输入一个csv表，但需要在表中CUR_PATH==写入各个威胁源数据的路径。

④Threats Data（raster）
  威胁源数据：表示对生境质量有威胁的地类的空间分布和强度的二值化栅格数据；如将旱地（crop）、水田（wat）、工矿用地（mine）、农村居民点（ru）、城镇建设用地（urb）、道路（road）等威胁源赋值为1，其余赋值为0。

  在模型界面没有输入位置，该数据需要放在工作空间路径下，且和威胁表处于统一路径下，并在威胁表中写入对应威胁源的路径；No Data的空值区域、某个区域没有威胁需设置为0。

  处理方法：重分类、栅格计算器来提取威胁源。

  本次以crops、railroad、urban、timber、roads1、roads2、roads3共7种地类作为威胁源。如下，通过重分类将威胁源赋值为1，其余赋值为0，NoData也需要设置为0。（一般是通过“value”地类编码字段分类，因自带的数据分类太细，所以新建了name字段来提取，且自带railroad数据有误）

  如果考虑多LULC情景状态的生境质量，威胁源的命名要注意加后缀以区分：“_b”(基准)，“_c”((当前)，或 “_f”(未来)表明威胁地图的时间段；

⑤Threats Table
  威胁表：MAX_DIST最大影响距离、WEIGHT权重、THREAT威胁因子、DECAY距离衰减函数（线性、指数）；后三列对应基准、当前、未来时间段下胁迫源的路径，具体如下表所示：

  THREAT列和威胁源数据名字对应，并在CUR_PATH写入对应威胁源的路径（不一致会报错）。

  处理方法：咨询专家、参考相关文献等确定。

⑥Accessibility To Threats (optional)
  胁迫可达性：矢量数据，为每一个多边形对退化源的相对合法可达程度。值为0-1之间，可达性最小的面，如自然保护区、森林公园、湿地、生态红线等，赋值为0；可达性最大的赋值为1；没有被多边形覆盖的栅格单元我们就假定是完全可达的并赋予1值。

  处理方法：部分保护类数据难以获取。

⑦Sensitivity Table
  敏感性表：威胁源对现有地类的威胁程度和现有地类有多大的适宜性，为逆向缓冲。表中LCLC要与①土地利用地类数据中value编码一致，表中地类顺序任意但需均有，即权重为0的不能省略（缺少地类不会报错，但对结果有影响）；要与威胁源表中的威胁因子一直（不一致会报错）；nodata需设置为0。

注：新版本的InVEST模型LULC威胁因子的命名不需要在地类前加“L_”，按“L_crops”格式。

  处理方法：咨询专家、参考相关文献等确定。

• 第一列和第二列必须和栅格数据对应；
• 第三列为生境适宜程度，地类生境越好，适宜程度越高；
• 第四列为威胁源对现有地类的影响程度，需查阅文献，或调参，结果应满足区域生境质量规律（如果出现非生态用地比生态用地的生境质量高，则结果有可能是错的）；
  

⑧Half-Saturation Constant*
  半包和参数：默认0.05，影响栖息地质量值的扩散和分布，但不改变生境质量的分级，便于结果分级可视化。

  k值校准：需要运行模型两次，首先设置为0.5，然后运行第二次将该值设置为最大退化分数的1/2。

注：k值默认是0.05，不是0.5，如果设置为0.5，则需要做两遍，网上部分教程写的是默认0.5，而不提及第二次调参。所以要注意辨别，多看官方文档。

3. 结果

  各参数输入完成后，且不提示报错，运行即可：

  输出的结果主要有：deg_sum_c生境退化结果和quality_c生境质量结果（ habitat rarity生境稀有性结果，若有基准）；以及intermediate中间变量，各个威胁源的威胁、敏感、可达性等结果；所得到的结果均是相对值。

  第一次：将k设置为0.5。

  第二次：将k设置为最大退化值的一半0.048，结果如下，比如第一次可视化效果更明显。但由于威胁数据的缘故，存在许多线条，散点。这通过道路威胁数据进行适当的缓冲，可以使结果更好看些。

总 结

  建议将空间数据的实际范围大于研究区范围进行分析，得到结果会使研究区边界处的值更加准确；关于威胁表、敏感性表的等参数的设定，大多数都是参考文献、专家经验等，也有采用PCA等方法来研究参数设定：
Parameter assignment for InVEST habitat quality module based on principal component analysis and grey coefficient analysis.
  本文详细介绍使用InVEST模型中HAbitat quality模块计算生境质量，包含各个参数的含义、所需数据、数据处理等过程。

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