太阳能板覆盖的植被生态服务评价方法、系统及存储介质与流程

1.本发明涉及生态保护和修复技术领域，更具体的说是涉及太阳能板覆盖的植被生态服务评价方法、系统及存储介质。


背景技术：

2.过去十年里，太阳能光伏能源技术在全球范围内呈指数级增长，地面太阳能开发需要每兆瓦2.5至3.5公顷的土地，土地利用是未来太阳能开发的主要挑战。而在努力维护自然系统的同时，用于粮食和能源生产的土地资源压力越来越大，因此需要发展兼容的土地用途，使多种生态服务的共同利益最大化，其中一个土地兼容方式是恢复和管理地面太阳能设施下的原生植被，这既可以保护生物多样性，也可以恢复相关的生态服务，因此，对太阳能板下植被生态服务评价是发展土地兼容，从而解决土地资源压力的至关重要的环节。
3.目前，围绕太阳能能源-食物-生态关系的研究主要集中在草坪草和原生植被两种植被情景；太阳能设施的常规地面管理方法通常涉及建立和管理低生长的草坪草，虽然草坪草为生物多样性和水土控制提供了一些生态服务价值，但在这些地点转为原生植被管理实践有极大可能提高太阳能设施的生态服务潜力；其他研究集中在地面安装的太阳能设施中恢复原生植被，原生植被可以改善与生物多样性、碳储存、水源保护、土壤保持和附近农田授粉相关的生态服务，如太阳能光伏阵列创造的有利气候条件，可以改善原生植被的性能，从而增加地上生物量和相关碳封存。
4.但是，迄今为止，这些太阳能原生植被的生态服务效益还没有被充分量化，也没有在一个共同的框架内得到充分评估，从而无法了解一整套生态服务。
5.因此，如何对太阳能设施的不同植被管理方法所带来的潜在生态服务供应进行建模评估是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了太阳能板覆盖的植被生态服务评价方法、系统及存储介质以解决背景技术中提到的问题。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种太阳能板覆盖的植被生态服务评价方法，包括以下步骤：
9.s1.对大型太阳能设施进行识别，获取覆盖范围的大型地面太阳能设施的足迹信息，并获取足迹内的土地利用变化数据；
10.s2.确定太阳能设施足迹的土地利用情景，根据土地利用变化数据利用invest模型量化不同土地利用情景下的生态服务指标，生态服务指标包括传粉媒介供应、碳储存、表层土壤侵蚀量和产水量；
11.s3.评估在当前和未来的建设太阳能设施中不同土地利用情景的各生态服务指标的差异，研究未来太阳能发展的不同土地利用情景的潜力和对生态服务影响。
12.优选的，步骤s1的具体内容包括：
13.s11.获取卫星图像并识别大型地面太阳能设施，忽略大型屋顶太阳能设施；
14.s12.将太阳能设施的容量和足迹大小相关联，估计卫星图像中未观察到或观察不完整的太阳能设施的足迹大小；
15.s13.确定太阳能设施安装前后与太阳能设施足迹相交的土地利用类型，作为土地利用和土地覆盖lulc类型变化的衡量标准。
16.优选的，步骤s2中，太阳能设施足迹的土地利用情景包括基线情景、太阳能草坪草情景和太阳能原生植被情景。
17.优选的，步骤s2中，利用invest模型量化不同土地利用情景下的生态服务指标的具体内容包括：
18.s21.建立传粉媒介模型，获取不同土地利用情景下目标像元与周围像元的花卉和筑巢资源，在lulc像元尺度计算传粉者物种或团体的传粉媒介效应；
19.建立碳储存模型，为三种植被情景中的每一种土地利用类型分配碳密度值，对总碳储量进行建模，根据地上生物碳、地下生物碳、土壤碳和死亡有机碳四个基本库的聚合计算每种土地覆盖类型的总碳储存量；
20.建立沉积物输送模型，对每个lulc像元模拟沉积物输出，作为沉降损失的度量，根据修订后的通用土壤流失方程usle，计算年度土壤损失量，并计算沉积物输送比率sdr，即到达集水区的土壤流失比例，使用usle和sdr计算侵蚀量，作为集水区的总沉积物输出；
21.建立产水量模型，根据降水和实际蒸散量之间的差异，计算基于像元或流域尺度的净产水量，扩展产水量模型根据产水量与径流之间的差值计算保水率，即每个像元可用的水量；
22.s22.分别确定每种土地利用情景下的各模型参数值的下限和上限范围，利用建立的各模型生成传粉媒介供应、碳储存、沉积物输出和产水量的下限和上限估计值。
23.优选的，构建的传粉媒介模型具体为：
24.ps(x,s)=fr(x,s)hn(x,s)sa(s)
25.其中，ps(x,s)物种s在lulc的像元x上的传粉媒介效应，fr(x,s)为可利用花卉资源指数，hn (x,s)为invest计算的栖息地筑巢适宜性指数，sa(s)为物种或团体的相对丰度指数。
26.优选的，构建的沉积物输送模型具体为：
27.exporti=uslei·
sdri28.其中，exporti为lulc像元i输出总沉积物，uslei为i像元总土壤流失量，sdri为像元i的沉积物输送比；
29.uslei=ri·ki
·
lsi·ci
·
pi30.其中，r为降雨侵蚀性，k为土壤侵蚀性，ls为坡长-梯度因子，c为作物管理因子，p为支持实践因子；
31.lulc像元i的沉积物输送比sdr由连通性指数ic计算：
[0032][0033]
其中，sdr
max
为理论最大sdr，ic0和k为定义sdr-ic曲线形状的校准参数。
[0034]
优选的，构建的产水量模型具体为：
[0035]
根据budyko曲线，利用植被根系限制深度rrl和植被蒸散系数kc的估计值计算每个像元的产水量；
[0036]
扩展invest产水量模型来计算保水率即每个像元可用的水量：
[0037]
wri=y
i-runoffi[0038]
其中，wri是lulc像元i的年保水性，runoffi为lulc像素i的地表径流估计值；
[0039]
runoff
i =pi·ci
[0040]
其中，pi为lulc像元i的年降水量；ci为径流系数。
[0041]
优选的，步骤s3的具体内容包括：计算各模型结果平均值，比较当前每种生态系统服务分别在基线情景、太阳能草坪草情景和太阳能原生植被情景中的表现差异，并估计未来的区域太阳能开发足迹，利用各模型计算并比较未来所有太阳能设施都采用太阳能原生植被情景的管理策略情况下，与基线情景和太阳能草坪草情景相比的总碳储存量、沉积物输送和保水率的增减状况，进一步分析太阳能原生植被情景对生态环境的改善。
[0042]
一种光伏太阳能板覆盖地表的植被生态服务评价系统，基于所述的一种太阳能板覆盖的植被生态服务评价方法，包括数据获取模块、土地利用情景确定模块、invest模型量化模块和结果评价模块。
[0043]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的一种太阳能板覆盖的植被生态服务评价方法。
[0044]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种太阳能板覆盖的植被生态服务评价方法、系统及存储介质，具有以下优点：
[0045]
本发明可支撑实现太阳能板下的植被生态系统服务评价，比较了不同植被的生态服务，结果可用于太阳能行业和周边社区之间建立合作关系，以更好地将太阳能整合到农业景观上；
[0046]
本发明可为太阳能行业地太阳能原生植被商业决策提供信息，并量化向附近农民、土地所有者和其他利益相关者提供服务的经济效益；
[0047]
本发明首次在研究生态服务对太阳能土地利用的反应中应用invest模型，帮助决策者比较不同土地使用情景对提供生态服务的影响。
附图说明
[0048]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0049]
图1附图为本发明提供的植被生态服务评价方法示意图；
[0050]
图2附图为本发明提供的植被生态服务评价系统示意图。
具体实施方式
[0051]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0052]
本发明实施例公开了一种太阳能板覆盖的植被生态服务评价方法，包括以下步骤：
[0053]
s1.对大型太阳能设施进行识别，获取覆盖范围的大型地面太阳能设施的足迹信息，并获取足迹内的土地利用变化数据；
[0054]
s2.确定太阳能设施足迹的土地利用情景，根据土地利用变化数据利用invest模型量化不同土地利用情景下的生态服务指标，生态服务指标包括传粉媒介供应、碳储存、表层土壤侵蚀量和产水量；
[0055]
s3.评估在当前和未来的建设太阳能设施中不同土地利用情景的各生态服务指标的差异，研究未来太阳能发展的不同土地利用情景的潜力和对生态服务影响。
[0056]
为了进一步实施上述技术方案，步骤s1的具体内容包括：
[0057]
s11.获取卫星图像并识别大型地面太阳能设施，忽略大型屋顶太阳能设施；
[0058]
s12.将太阳能设施的容量和足迹大小相关联，估计卫星图像中未观察到或观察不完整的太阳能设施的足迹大小；
[0059]
s13.确定太阳能设施安装前后与太阳能设施足迹相交的土地利用类型，作为土地利用和土地覆盖lulc类型变化的衡量标准。
[0060]
为了进一步实施上述技术方案，步骤s2中，太阳能设施足迹的土地利用情景包括基线情景、太阳能草坪草情景和太阳能原生植被情景。
[0061]
在本实例中，基线情景：使用当地大多数太阳能设施的土地利用类型替换所有土地用途，以表示太阳能开发之前的土地利用类型，作为基线情景；
[0062]
太阳能草坪草情景：假设在太阳能设施内播种冷季草坪草，这种情况涉及太阳能设施的定期制备维护，草坪草是太阳能设施中常见的植被管理实践，被认为是运营太阳能设施的常规情景；
[0063]
太阳能原生植被情景：假设在太阳能设施足迹中建立原生植被，为本地昆虫传粉者提供饲料和筑巢栖息地，与草坪草情景相比，该情景允许植被开花并在太阳能光伏阵列内达到1米高度，由于原生植被通常比草坪草根系更深，因此该情景地上和地下植被生物量更大。
[0064]
在本实施例中，使用替代lulc类型来确定每种情景主要包括的生物物理参数，如表1：
[0065][0066]
为了进一步实施上述技术方案，步骤s2中，利用invest模型量化不同土地利用情景下的生态服务指标的具体内容包括：
[0067]
s21.建立传粉媒介模型，获取不同土地利用情景下目标像元与周围像元的花卉和筑巢资源，在lulc像元尺度计算传粉者物种或团体的传粉媒介效应；
[0068]
建立碳储存模型，为三种植被情景中的每一种土地利用类型分配碳密度值，对总碳储量进行建模，根据地上生物碳、地下生物碳、土壤碳和死亡有机碳四个基本库的聚合计算每种土地覆盖类型的总碳储存量；
[0069]
建立沉积物输送模型，对每个lulc像元模拟沉积物输出，作为沉降损失的度量，根据修订后的通用土壤流失方程usle，计算年度土壤损失量，并计算沉积物输送比率sdr，即到达集水区的土壤流失比例，使用usle和sdr计算侵蚀量，作为集水区的总沉积物输出；
[0070]
建立产水量模型，根据降水和实际蒸散量之间的差异，计算基于像元或流域尺度的净产水量，扩展产水量模型根据产水量与径流之间的差值计算保水率，即每个像元可用的水量；
[0071]
s22.分别确定每种土地利用情景下的各模型参数值的下限和上限范围，利用建立的各模型生成传粉媒介供应、碳储存、沉积物输出和产水量的下限和上限估计值。
[0072]
在本实例中，传粉媒介模型参数值选取常用参数值的25%和75%四分位作为下限和上限，如表2传粉媒介模型生物物理信息：
[0073]
表2：
[0074][0075]
为了比较不同的植被场景，采用本地大黄蜂（蜜蜂科）和本地汗蜂（隧蜂科）作为模型团体，假定两个团体的相对丰度在不同情景中恒定且相等，如表3为传粉媒介模型团体信
息：
[0076]
表3：
[0077][0078]
根据现有数据的25%和75%四分位数范围确定每种情景的总碳储存量的下限和上限范围，如表4为按土地利用情景划分的植被碳库：
[0079]
表4：
[0080][0081]
如表5为sdr模型lulc生物物理信息：
[0082]
表5：
[0083][0084]
如表6为产水量模型lulc生物物理信息：
[0085]
表6：
[0086][0087]
为了进一步实施上述技术方案，构建的传粉媒介模型具体为：
[0088]
ps(x,s)=fr(x,s)hn(x,s)sa(s)
[0089]
其中，ps(x,s)物种s在lulc的像元x上的传粉媒介效应，fr(x,s)为可利用花卉资源指数，hn (x,s)为invest计算的栖息地筑巢适宜性指数，sa(s)为物种或团体的相对丰度指数。
[0090]
为了进一步实施上述技术方案，构建的沉积物输送模型具体为：
[0091]
exporti=uslei·
sdri[0092]
其中，exporti为lulc像元i输出总沉积物，uslei为i像元总土壤流失量，sdri为像元i的沉积物输送比；
[0093]
uslei=ri·ki
·
lsi·ci
·
pi[0094]
其中，r为降雨侵蚀性，k为土壤侵蚀性，ls为坡长-梯度因子，c为作物管理因子，p为支持实践因子；
[0095]
lulc像元i的沉积物输送比sdr由连通性指数ic计算：
[0096][0097]
其中，sdr
max
为理论最大sdr，ic0和k为定义sdr-ic曲线形状的校准参数，在本实施例中，ic0，k和sdr
max
参数值分别为2，0.5和0.8。
[0098]
为了进一步实施上述技术方案，构建的产水量模型具体为：
[0099]
根据budyko曲线，利用植被根系限制深度rrl和植被蒸散系数kc的估计值计算每个像元的产水量；
[0100]
扩展invest产水量模型来计算保水率即每个像元可用的水量：
[0101]
wri=y
i-runoffi[0102]
其中，wri是lulc像元i的年保水性，runoffi为lulc像素i的地表径流估计值；
[0103]
runoff
i =pi·ci
[0104]
其中，pi为lulc像元i的年降水量；ci为径流系数。
[0105]
为了进一步实施上述技术方案，步骤s3的具体内容包括：计算各模型结果平均值，比较当前每种生态系统服务分别在基线情景、太阳能草坪草情景和太阳能原生植被情景中的表现差异，并估计未来的区域太阳能开发足迹，利用各模型计算并比较未来所有太阳能设施都采用太阳能原生植被情景的管理策略情况下，与基线情景和太阳能草坪草情景相比的总碳储存量、沉积物输送和保水率的增减状况，进一步分析太阳能原生植被情景对生态
环境的改善。
[0106]
在实际应用中，根据某地划定的现有太阳能足迹计算太阳能土地利用-兆瓦关系，估计未来的总太阳能足迹大小，并将invest模型结果投射到未来的太阳能发展方案中，探索这些生态服务的未来潜力，由于invest将传粉媒介供应量计算为无单位指数值，因此不对传粉媒介栖息地质量进行未来预测。
[0107]
在本实施中，采用美国中西部太阳能设施验证了本技术的有效性，invest模型用于模拟该地区30个太阳能设施的三种不同土地使用常见的生态服务，对于每个太阳能设施每个invest模型执行两次，量化每个生态服务指标的下限和上限估计值，根据中点值即平均值对植被情景之间的生态服务进行比较，结果显示，与基线情景相比，太阳能原生植被情景可能将未来太阳能站点的传粉媒介供应增加3倍，总碳储存能力增加500000毫克c，减少9000多吨沉积物损失，保留超过40000000m3地表径流水。
[0108]
一种光伏太阳能板覆盖地表的植被生态服务评价系统，基于一种太阳能板覆盖的植被生态服务评价方法，包括数据获取模块、土地利用情景确定模块、invest模型量化模块和结果评价模块。
[0109]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现一种太阳能板覆盖的植被生态服务评价方法。
[0110]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0111]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种太阳能板覆盖的植被生态服务评价方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.对大型太阳能设施进行识别，获取覆盖范围的大型地面太阳能设施的足迹信息，并获取足迹内的土地利用变化数据；s2.确定太阳能设施足迹的土地利用情景，根据土地利用变化数据利用invest模型量化不同土地利用情景下的生态服务指标，生态服务指标包括传粉媒介供应、碳储存、表层土壤侵蚀量和产水量；s3.评估在当前和未来的建设太阳能设施中不同土地利用情景的各生态服务指标的差异，研究未来太阳能发展的不同土地利用情景的潜力和对生态服务影响。2.根据权利要求1所述的一种太阳能板覆盖的植被生态服务评价方法，其特征在于，步骤s1的具体内容包括：s11.获取卫星图像并识别大型地面太阳能设施，忽略大型屋顶太阳能设施；s12.将太阳能设施的容量和足迹大小相关联，估计卫星图像中未观察到或观察不完整的太阳能设施的足迹大小；s13.确定太阳能设施安装前后与太阳能设施足迹相交的土地利用类型，作为土地利用和土地覆盖lulc类型变化的衡量标准。3.根据权利要求1所述的一种太阳能板覆盖的植被生态服务评价方法，其特征在于，步骤s2中，太阳能设施足迹的土地利用情景包括基线情景、太阳能草坪草情景和太阳能原生植被情景。4.根据权利要求1所述的一种太阳能板覆盖的植被生态服务评价方法，其特征在于，步骤s2中，利用invest模型量化不同土地利用情景下的生态服务指标的具体内容包括：s21.建立传粉媒介模型，获取不同土地利用情景下目标像元与周围像元的花卉和筑巢资源，在lulc像元尺度计算传粉者物种或团体的传粉媒介效应；建立碳储存模型，为三种植被情景中的每一种土地利用类型分配碳密度值，对总碳储量进行建模，根据地上生物碳、地下生物碳、土壤碳和死亡有机碳四个基本库的聚合计算每种土地覆盖类型的总碳储存量；建立沉积物输送模型，对每个lulc像元模拟沉积物输出，作为沉降损失的度量，根据修订后的通用土壤流失方程usle，计算年度土壤损失量，并计算沉积物输送比率sdr，即到达集水区的土壤流失比例，使用usle和sdr计算侵蚀量，作为集水区的总沉积物输出；建立产水量模型，根据降水和实际蒸散量之间的差异，计算基于像元或流域尺度的净产水量，扩展产水量模型根据产水量与径流之间的差值计算保水率，即每个像元可用的水量；s22.分别确定每种土地利用情景下的各模型参数值的下限和上限范围，利用建立的各模型生成传粉媒介供应、碳储存、沉积物输出和产水量的下限和上限估计值。5.根据权利要求4所述的一种太阳能板覆盖的植被生态服务评价方法，其特征在于，构建的传粉媒介模型具体为：ps(x,s)=fr(x,s)hn(x,s)sa(s)其中，ps(x,s)物种s在lulc的像元x上的传粉媒介效应，fr(x,s)为可利用花卉资源指数，hn (x,s)为invest计算的栖息地筑巢适宜性指数，sa(s)为物种或团体的相对丰度指数。
6.根据权利要求4所述的一种太阳能板覆盖的植被生态服务评价方法，其特征在于，构建的沉积物输送模型具体为：export
i
=usle
i
·
sdr
i
其中，export
i
为lulc像元i输出总沉积物，usle
i
为i像元总土壤流失量，sdr
i
为像元i的沉积物输送比；usle
i
=r
i
·
k
i
·
ls
i
·
c
i
·
p
i
其中，r为降雨侵蚀性，k为土壤侵蚀性，ls为坡长-梯度因子，c为作物管理因子，p为支持实践因子；lulc像元i的沉积物输送比sdr由连通性指数ic计算：；其中，sdr
max
为理论最大sdr，ic0和k为定义sdr-ic曲线形状的校准参数。7.根据权利要求4所述的一种太阳能板覆盖的植被生态服务评价方法，其特征在于，构建的产水量模型具体为：根据budyko曲线，利用植被根系限制深度rrl和植被蒸散系数kc的估计值计算每个像元的产水量；扩展invest产水量模型来计算保水率即每个像元可用的水量：wr
i
=y
i-runoff
i
其中，wr
i
是lulc像元i的年保水性，runoff
i
为lulc像素i的地表径流估计值；runoff
i =p
i
·
c
i
其中，p
i
为lulc像元i的年降水量；c
i
为径流系数。8.根据权利要求4所述的一种太阳能板覆盖的植被生态服务评价方法，其特征在于，步骤s3的具体内容包括：计算各模型结果平均值，比较当前每种生态系统服务分别在基线情景、太阳能草坪草情景和太阳能原生植被情景中的表现差异，并估计未来的区域太阳能开发足迹，利用各模型计算并比较未来所有太阳能设施均采用太阳能原生植被情景策略下，与基线情景和太阳能草坪草情景相比的总碳储存量、沉积物输送和保水率的增减状况，进一步分析太阳能原生植被情景对生态环境的改善。9.一种光伏太阳能板覆盖地表的植被生态服务评价系统，其特征在于，基于权利要求1-8任意一项所述的一种太阳能板覆盖的植被生态服务评价方法，包括数据获取模块、土地利用情景确定模块、invest模型量化模块和结果评价模块。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-8任意一项所述的一种太阳能板覆盖的植被生态服务评价方法。

技术总结
本发明公开了一种太阳能板覆盖的植被生态服务评价方法、系统及存储介质，包括：S1.对大型太阳能设施进行识别，获取覆盖范围的大型地面太阳能设施的足迹信息，并获取足迹内的土地利用变化数据；S2.确定太阳能设施足迹的土地利用情景，根据土地利用变化数据利用InVEST模型量化不同土地利用情景下的生态服务指标，生态服务指标包括传粉媒介供应、碳储存、表层土壤侵蚀量和产水量；S3.评估在当前和未来的建设太阳能设施中不同土地利用情景的各生态服务指标的差异，研究未来太阳能发展的不同土地利用情景的潜力和对生态服务影响；本发明模拟太阳能设施中不同植被管理方法的生态服务，量化了生态服务效益，创建了用于评价生态服务的评价系统。的评价系统。的评价系统。


技术研发人员：刘晓曼 章世喜 王义 王超 侯鹏 程洋 彭阳 李贯杰 付卓 秦建辉 马万栋 袁静芳 吕娜 周倩 尤春赫
受保护的技术使用者：生态环境部卫星环境应用中心
技术研发日：2023.09.04
技术公布日：2023/10/11