基于GIS的神農(nóng)架國家公園網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)的劃分

林麗群，王俊，李亭亭，汪正祥,3，謝新銳，謝啟嬌，王文華

(1. 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062；2.湖北大學(xué)國家公園研究中心，湖北 武漢 430062；3.區(qū)域開發(fā)與環(huán)境響應(yīng)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430062；4.神農(nóng)架國家公園管理局，湖北 神農(nóng)架，442421)

基于GIS的神農(nóng)架國家公園網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)的劃分

林麗群1,2，王俊1，李亭亭1,2，汪正祥1,2,3，謝新銳1，謝啟嬌1,2，王文華4

(1. 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062；2.湖北大學(xué)國家公園研究中心，湖北 武漢 430062；3.區(qū)域開發(fā)與環(huán)境響應(yīng)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430062；4.神農(nóng)架國家公園管理局，湖北 神農(nóng)架，442421)

從地理分析角度出發(fā)，基于對山水林地一體化管理模式的理解與分析，進(jìn)行神農(nóng)架網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)劃分，以建立神農(nóng)架國家公園科學(xué)管護(hù)體系.神農(nóng)架國家公園網(wǎng)格小區(qū)的劃分兼顧交通可達(dá)性、河網(wǎng)流域、森林體系、行政邊界與各種保護(hù)區(qū)邊界等因素.基于DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件進(jìn)行水文分析與表面分析，根據(jù)河網(wǎng)流域、分水嶺、山谷線與山脊線進(jìn)行區(qū)劃，在綜合分析的基礎(chǔ)上，將神農(nóng)架國家公園劃分為18個網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)，有利于神農(nóng)架國家公園山水林地一體化管理目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和實(shí)施科學(xué)、高效、統(tǒng)一、規(guī)范的管理.

DEM數(shù)據(jù)；網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)；ArcGIS軟件；山水林地一體化

0 引言

神農(nóng)架現(xiàn)擁有國家級自然保護(hù)區(qū)、國家森林公園、國家濕地公園、世界地質(zhì)公園、世界自然遺產(chǎn)地等保護(hù)地.雖然這些保護(hù)地對自然生態(tài)系統(tǒng)、生物多樣性保護(hù)發(fā)揮了巨大作用，但保護(hù)地交叉、多頭管理、碎片化管理問題也很突出.隨著國家生態(tài)文明建設(shè)的深入推進(jìn)，無論以現(xiàn)有保護(hù)地為基礎(chǔ)的大范圍管理還是以村為單位的小范圍管理，都無法形成神農(nóng)架國家公園的科學(xué)、高效、統(tǒng)一、規(guī)范的管理.

原有幾大保護(hù)地基本以山脊或山谷構(gòu)成的一定范圍或者林斑為管理單位，而社區(qū)管理上又以行政村界為管理單元；這種僅以山系資源管護(hù)或社區(qū)管理的方式，無法為國家公園管理形成規(guī)范的、可復(fù)制的管護(hù)方式，也未能解決多頭管理、碎片化管理等問題.因此在神農(nóng)架國家公園總體規(guī)劃中，引入了城市網(wǎng)格化管理的模式，該模式依托統(tǒng)一的管理以及數(shù)字化的平臺，對神農(nóng)架國家公園的自然資源實(shí)行精細(xì)化網(wǎng)格化管理[1-3].

網(wǎng)格化管理首要解決的問題是網(wǎng)格如何劃分，而神農(nóng)架特殊的地形地貌，按照城市網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)顯然不合理，因此需要針對神農(nóng)架山地特點(diǎn)提出國家公園網(wǎng)格劃分方法.本文中從地理角度出發(fā)，基于對山水林地一體化管理模式的理解與分析，將其理念貫徹進(jìn)網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)劃分中.基于DEM數(shù)據(jù)，網(wǎng)格劃分利用ArcGIS軟件進(jìn)行水文分析與表面分析，根據(jù)河網(wǎng)流域[4-5]、分水嶺、山谷線與山脊線[6-8]進(jìn)行劃分，兼顧了交通可達(dá)性、河網(wǎng)流域、森林體系、行政邊界與各種保護(hù)地區(qū)邊界等幾方面因素.該管理區(qū)劃的建成有利于自然資源的合理管護(hù)，有利于推動國家公園社區(qū)共管體制的實(shí)施，也有利于形成可復(fù)制、可推廣的資源保護(hù)管理模式.

1 數(shù)據(jù)源與劃分方法

本文中以GDEMDEN 30 m分辨率的數(shù)字高程數(shù)據(jù)作為對大范圍流域提取的數(shù)據(jù)源，以神農(nóng)架林區(qū)提供的1∶1萬等高線數(shù)據(jù)作為對神農(nóng)架國家公園流域精細(xì)劃分的數(shù)據(jù)源，以及1∶1萬地形圖數(shù)據(jù)作河流水系的數(shù)據(jù)源.利用ArcGIS軟件，通過對DEM數(shù)據(jù)的分析，探索一種新的基于GIS的網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)的劃分方式.包括① 對匯水流域的提取，② 對山脊線與山谷線的提取，③ 對網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)的劃分與確定.

① 匯水流域提取.利用ArcGIS軟件空間分析的水文分析功能，實(shí)現(xiàn)匯水流域的提取.首先利用大范圍DEM提取匯水流域；將神農(nóng)架國家公園地區(qū)DEM按匯水流域分割，對分割區(qū)域進(jìn)行流域劃分，以實(shí)現(xiàn)對該地區(qū)的流域區(qū)劃.

②山脊線與山谷線提取.首先利用ArcGIS軟件的柵格計(jì)算器得到反地形DEM；分別計(jì)算DEM數(shù)據(jù)與反地形DEM數(shù)據(jù)坡向變率，使用柵格計(jì)算器計(jì)算進(jìn)行誤差糾正的地面坡向變率SOA.其次對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行鄰域分析，得到DEM平均數(shù)據(jù)；使用原始的DEM數(shù)據(jù)與DEM平均數(shù)據(jù)，經(jīng)柵格計(jì)算器計(jì)算得到正負(fù)地形分布數(shù)據(jù)Dvalue.最后利用上兩步得到的SOA數(shù)據(jù)與Dvalue數(shù)據(jù)，經(jīng)柵格計(jì)算器分析計(jì)算得到山脊線柵格數(shù)據(jù)與山谷線柵格數(shù)據(jù)；使用ArcScan自動矢量化山脊線與山谷線；并人工對該矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正與綜合，得到主山脊線與主山谷線.

③ 網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)劃分.首先以行政村界線為基礎(chǔ)，疊加各分支流域線數(shù)據(jù)(若有重疊或相鄰極近地方，以行政村界為主)，并將其轉(zhuǎn)換成面.最后結(jié)合各地區(qū)實(shí)際情況，參考主山脊線、山谷線、道路、各保護(hù)區(qū)邊界等，分析該矢量面數(shù)據(jù)分割的合理性，并對不合理之處進(jìn)行進(jìn)一步分割與合并，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)的半自動劃分.

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 匯水流域的提取 將大范圍DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼分析，形成無洼地DEM數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖1所示；利用水文分析下的流向分析工具，對大范圍無洼地DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行流向分析.

利用水文分析下的盆域分析工具，對流向數(shù)據(jù)進(jìn)行盆域分析，獲得大區(qū)域的柵格匯水流域數(shù)據(jù)，如圖2所示.柵格轉(zhuǎn)面，獲得匯水流域的矢量數(shù)據(jù).對神農(nóng)架國家公園地區(qū)的DEM數(shù)據(jù)按照匯水流域矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，得到4個流域的DEM數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖3所示.

分別對這4個流域的DEM數(shù)據(jù)，重復(fù)第一至第三步，進(jìn)行填洼、流向分析、盆域分析、矢量化處理分析，實(shí)現(xiàn)對神農(nóng)架國家公園地區(qū)的各個分支流域的劃分，如圖4所示.

圖1 大范圍

圖2 大范圍DEM流域

圖3 神農(nóng)架國家公園各分支流

圖4 神農(nóng)架國家公園各分支流域劃分結(jié)

在神農(nóng)架國家公園的劃分以及分析過程中借助了1∶1萬地形圖，已有現(xiàn)成的河網(wǎng)水系，故不再對河網(wǎng)水系進(jìn)行提取.

2.2 山脊線與山谷線的提取 對于山脊線和山谷線的提取是基于規(guī)則格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)，借助ArcGIS軟件空間分析工具下表面分析工具，使用平面曲率與坡形組合法來完成.

2.2.1 提取誤差糾正的地面坡向變率SOA

① 求取原始DEM數(shù)據(jù)層的最大高程值，記為H；使用空間分析工具集中的柵格計(jì)算器，使用公式[H-DEM]，獲得反地形DEM數(shù)據(jù).

② 對原始DEM數(shù)據(jù)提取坡向數(shù)據(jù)，并對坡向數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度分析，得到原始DEM數(shù)據(jù)的坡向變率SOA1.

③ 以反地形DEM為數(shù)據(jù)源，重復(fù)步驟②得到反地形DEM的坡向變率SOA2.

④ 使用空間分析工具集中的柵格計(jì)算器，輸入求取公式[( ([SOA1]+[SOA2])-Abs([SOA1]-[SOA2]))/2]，獲取DEM的無誤差坡向變率SOA.

2.2.2 提取正負(fù)地形分布數(shù)據(jù)Dvalue

① 使用空間工具下的鄰域分析中的焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)工具，設(shè)置統(tǒng)計(jì)類型為平均值，鄰域類型設(shè)置為矩形，鄰域大小為11*11，得到一個11*11的矩形平均數(shù)據(jù)層mean.② 利用空間分析-地圖代數(shù)-柵格計(jì)數(shù)器，輸入求取公式[″DEM″—″mean″]，得到結(jié)果Dvalue.

2.2.3 對主山脊線與主山谷線的提取

采用現(xiàn)有河流矢量作為主山谷線，見圖6.

圖5 神農(nóng)架國家公園主山脊

圖6 神農(nóng)架國家公園主山谷

2.3 道路體系分析 將神農(nóng)架林區(qū)提供的道路數(shù)據(jù)做歐式距離分析，得到神農(nóng)架國家公園道路體系分析數(shù)據(jù)，如圖7所示.

2.4 網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)劃分結(jié)果 ① 將2.2提取的各個分支流域與、鄉(xiāng)政村界線與各個保護(hù)區(qū)邊界矢量線文件進(jìn)行合并(若流域分界線與鄉(xiāng)政村界線沖突，以行政村界為主)，并轉(zhuǎn)換為面要素，將其作為網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)的底圖數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖7所示.

② 使用主山脊線與主山谷線對圖8結(jié)果進(jìn)行分割，得到網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)初步劃分結(jié)果，如圖9所示.

圖7 神農(nóng)架國家公園道路體

圖8 網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)劃分底

③ 根據(jù)地形、行政村界與流域分界線以及道路體系數(shù)據(jù)，以確保山林、水系的相對完整性為原則，對網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)初步劃分結(jié)果進(jìn)行合并，得到最小干擾度的、最少劃分?jǐn)?shù)量的網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)進(jìn)一步劃分示意圖，見圖10.

根據(jù)圖10劃分結(jié)果，按照各網(wǎng)格小區(qū)的實(shí)際情況，綜合考慮交通可達(dá)性、特色區(qū)域區(qū)、區(qū)域大小、行政區(qū)界線等幾方面因素，根據(jù)具體區(qū)域位置，各方面因素的權(quán)重情況對網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步歸并整合.以大九湖管護(hù)小區(qū)、坪塹管護(hù)小區(qū)、東溪管護(hù)小區(qū)、陰峪河管護(hù)小區(qū)、下谷坪管護(hù)小區(qū)、神農(nóng)頂管護(hù)小區(qū)為例進(jìn)行說明.

圖9 網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)初步劃分示意

圖10 網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)二次劃分結(jié)果示意

區(qū)域1在村界的基礎(chǔ)上完整地將出大九湖地區(qū)泥炭蘚濕地劃分出來，東以霸王寨為界將堵河流域下的洛陽河水系流域劃分出來，南以村界為界線將其與以坪塹水庫為基礎(chǔ)的河流體系分離，所以將區(qū)域1單獨(dú)劃為C1網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)，實(shí)施對大九湖小九湖區(qū)域的山林、湖泊、泥炭蘚濕地的管護(hù).并將C1網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)命名為大九湖管護(hù)小區(qū).

區(qū)域7屬于坪塹河流域，是坪塹水庫的位置所在.在區(qū)域7附近有區(qū)域8與區(qū)域6兩塊小區(qū)域，面積小不夠作為一個單獨(dú)的網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)，與區(qū)域8相鄰的區(qū)域中區(qū)域7在地理位置上最為符合，故將其歸入?yún)^(qū)域7中，由于區(qū)域6與區(qū)域7同屬一個行政村中，考慮到行政邊界有利于今后保護(hù)區(qū)實(shí)施社區(qū)共管，避免矛盾，故將其歸入?yún)^(qū)域7中.將區(qū)域6、7、8合并作為C2網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)，并將其命名為坪塹管護(hù)小區(qū).

大學(xué)理性失范的根源在于大學(xué)過分追求知識的外在功用，漸漸忽略和遺忘了大學(xué)理性的本質(zhì)功能和內(nèi)在要求。首先表現(xiàn)為大學(xué)內(nèi)部人員(包括大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)、教師和學(xué)生)價值觀判斷標(biāo)準(zhǔn)偏移，大量滋生實(shí)用主義、利己主義、拜金主義思想；其次表現(xiàn)為大學(xué)生人生觀定位錯誤，悲觀主義、輕生厭世、玩世不恭等情緒在校園流行；最后是大學(xué)文化的大眾化、消費(fèi)化、庸俗化和頹廢化，甚至嚴(yán)重扭曲。[3]在大學(xué)理性失范的背景下，大學(xué)生對知識理性的追求也由于外在因素的干擾表現(xiàn)出復(fù)雜多樣的變式，偏離了以知識理性為中心的學(xué)業(yè)目標(biāo)。

圖11 網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)最終劃分結(jié)果示意

在陰峪河流域中分布著區(qū)域9、10、11三個區(qū)域，南北較長，面積較為廣.由于交通方面的影響，對陰峪河實(shí)施的管理屬于自南向北進(jìn)行的，考慮到在具體管理時，工作量及對突發(fā)狀況的響應(yīng)時間問題，將陰峪河流域分成兩塊進(jìn)行管理，將區(qū)域11歸入相鄰的管理區(qū)內(nèi)，區(qū)域9與區(qū)域10合并為C5陰峪河管護(hù)小區(qū)，實(shí)施對陰峪河流域的山林與水系湖泊的管理.

區(qū)域13至區(qū)域17為沿渡河流域，該流域只有一條從西北到東南的主公路，顧將其分為上下兩個管護(hù)小區(qū)，區(qū)域13至區(qū)域15進(jìn)行合并，作為C8板橋管護(hù)小區(qū)；區(qū)域16與區(qū)域17進(jìn)行合并，作為C9下谷坪管護(hù)小區(qū).

在交通方面，鴨子口至坪塹水庫的公路作為僅次于國道的主要公路有著重要的意義，在這條主要公路兩旁，分布著眾多重要旅游景點(diǎn)，故將區(qū)域11、12、18、19合并為一個網(wǎng)管管護(hù)小區(qū)，即C7神農(nóng)頂管護(hù)小區(qū).

劃分共形成18個管護(hù)小區(qū)，如圖11所示(網(wǎng)管管護(hù)小區(qū)的編號為劃分完成后按一定順序完成).

2.5 網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)面積管理區(qū)域 18個管護(hù)小區(qū)的管護(hù)面積、管護(hù)區(qū)域等如表1所示.

3 結(jié)論與討論

在網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)劃分過程中，利用ArcGIS軟件，實(shí)現(xiàn)了神農(nóng)架網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)的半自動劃分.這種基于ArcGIS的劃分方式，在考慮到行政邊界的基礎(chǔ)上，解決了今后網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)管護(hù)過程中部分歸屬不清的問題.更重要的是，在此次劃分過程中，將山水林地一體化理念運(yùn)用在其中，以自然形成的山水格局劃分網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)，有利于實(shí)施流域管理和山、水、林、地的一體化管理，有利于保持生態(tài)系統(tǒng)的完整性與原真性.該劃分方案綜合了考慮原有保護(hù)區(qū)、濕地公園、風(fēng)景名勝區(qū)等保護(hù)地邊界以及行政村邊界，并結(jié)合了神農(nóng)架國家公園內(nèi)交通狀況，使網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)的劃分更加科學(xué)、實(shí)用，管理也更加方便，減少了人力成本.

神農(nóng)架原有保護(hù)地分區(qū)管理的主要劃分方式是根據(jù)地形圖中等高線的走勢結(jié)合其他參考數(shù)據(jù)人工劃分，較花費(fèi)時間，也難以實(shí)現(xiàn)對區(qū)域地形的完整把控，局限性較大.本文中提供的劃分方式不但考慮了更多影響因素，也以一種更加宏觀的視角，對各個影響因素在各個地區(qū)的實(shí)際影響進(jìn)行了整理與歸納.實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)的快速、精準(zhǔn)、科學(xué)的劃分.從實(shí)驗(yàn)方法來說，使用基于GIS的劃分方法劃分的網(wǎng)格管護(hù)小區(qū)實(shí)現(xiàn)了保護(hù)、管理、社區(qū)發(fā)展的主體功能，具有較好的實(shí)踐意義.

雖然這種半自動劃分方法很大程度上優(yōu)于原有保護(hù)地區(qū)劃方案，但也需要進(jìn)一步改進(jìn).如怎樣實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格小區(qū)由半自動劃分到自動化分？如何科學(xué)判定該網(wǎng)格小區(qū)歸棄整合過程中影響因子的權(quán)重？類似的問題需在今后的研究中進(jìn)一步探討.

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(責(zé)任編輯 游俊)

The division of grid cells of management for ShennongjiaNational Park based on GIS

LIN Liqun1,2, WANG Jun1，LI Tingting1,2, WANG Zhengxiang1,2,3,XIE Xinrui1, XIE Qijiao1,2, WANG Wenhua4

(1.Faculty of Resources and Environmental Sciences, Hubei University, Wuhan 430062, China；2.National Park Research Center, Hubei University, Wuhan 430062, China；3.Hubei Key Laboratory of Regional Development and Environmental Response (Hubei University), Wuhan 430062, China；4.Shennongjia National Park Administration, Shennongjia 442421, China)

From the perspective of geographical analysis, based on the understanding and analysis of integration of the land, water, and forest, we divides Shennongjia to several grid districts, aiming at establishing scientific management system.The division of Shennongjia National Park grid area takes into account the factors such as traffic accessibility, river network, forest system, administrative boundary and various protected area boundaries. Based on DEM data, we use ArcGIS software for hydrological analysis and surface analysis,and consider the river network watershed,valley line and ridge line to divide the grid area. On the basis of comprehensive analysis, the Shennongjia National Park is divided into 18 grid cells,which is conducive to the goal of the integrated management land,water,and forest for Shennongjia National Park and implement scientific, efficient, unified, standardized management.

DEM data；the grid management community；ArcGIS software；integration of land;water and forest

2017-03-23

國家支撐計(jì)劃(2013BAD03B03-01)、神農(nóng)架國家公園總體規(guī)劃項(xiàng)目、湖北省自然科學(xué)基金(2014CFB560)資助

林麗群(1981-)，女，副教授，主要從事遙感生態(tài)應(yīng)用；汪正祥，通信作者，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事生物地理學(xué)、保護(hù)生物學(xué)研究，E-mail：wangzx66@hubu.edu.cn

1000-2375(2017)05-0444-07

X36

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2017.05.002