基于GIS識(shí)別生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)邊界的方法
——以北京市昌平區(qū)為例

王麗霞,鄒長(zhǎng)新,2,*,王 燕,林乃峰,吳 丹,姜 宏,徐德琳

1 環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所, 南京 210042 2 南京信息工程大學(xué)江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210044

基于GIS識(shí)別生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)邊界的方法
——以北京市昌平區(qū)為例

王麗霞1,鄒長(zhǎng)新1,2,*,王 燕1,林乃峰1,吳 丹1,姜 宏1,徐德琳1

1 環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所, 南京 210042 2 南京信息工程大學(xué)江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210044

生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)是中國(guó)生態(tài)保護(hù)的一項(xiàng)重要?jiǎng)?chuàng)新,已被列為國(guó)家監(jiān)管生態(tài)環(huán)境的重要政策。國(guó)家環(huán)境保護(hù)部于2015年發(fā)布了《生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)劃定技術(shù)指南》,確定了生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)的劃定方法,但是在識(shí)別生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)邊界時(shí)還存在一些技術(shù)難點(diǎn)。針對(duì)這一問(wèn)題,本文探索了生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)邊界的優(yōu)化方法。提出了生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)邊界優(yōu)化遵循基本原則。以北京市昌平區(qū)為例,闡明了如何利用ArcGIS軟件將劃定生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)的技術(shù)流程,包括評(píng)價(jià)各類(lèi)生態(tài)功能區(qū)和敏感區(qū),識(shí)別生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)范圍,準(zhǔn)確定位生態(tài)紅線(xiàn)邊界3個(gè)主要步驟。最后通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前后的生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)劃定方案,闡明了該方法的可行性和存在的問(wèn)題。

自然保護(hù)區(qū); 環(huán)境保護(hù); 生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn); 生態(tài)安全; 生態(tài)功能區(qū); 生態(tài)敏感區(qū)

為應(yīng)對(duì)日益突出的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,世界上許多國(guó)家建立了自然保護(hù)區(qū)、保護(hù)地、國(guó)家森林公園、名勝風(fēng)景區(qū)[1- 2]。實(shí)踐證明這些措施對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)起到顯著保護(hù)效果[3- 4]。但是仍有一些脆弱的和敏感的生態(tài)系統(tǒng)未受到有效保護(hù)[5- 6]。針對(duì)這一問(wèn)題,我國(guó)生態(tài)學(xué)家首次提出了“生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)”的概念,強(qiáng)調(diào)對(duì)重要生態(tài)功能區(qū)、生態(tài)敏感區(qū)、脆弱區(qū)和生物多樣性保護(hù)區(qū)進(jìn)行一體化保護(hù),以確保國(guó)家生態(tài)安全。生態(tài)紅線(xiàn)的早期雛形是生態(tài)規(guī)劃中的“紅線(xiàn)控制區(qū)”[7]。近年來(lái)生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)的概念主要以“生態(tài)紅線(xiàn)區(qū)”出現(xiàn)[8- 9]。目前,學(xué)術(shù)界對(duì)生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)的概念已有比較一致的認(rèn)識(shí),將生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)定義為“對(duì)于維護(hù)自然生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)揮,保障國(guó)家和區(qū)域生態(tài)安全具有關(guān)鍵作用,在重要生態(tài)功能區(qū)、生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)、脆弱區(qū)等區(qū)域劃定的必須實(shí)行嚴(yán)格保護(hù)的國(guó)土空間”[10-12]。

生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)是中國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的一項(xiàng)重要?jiǎng)?chuàng)新。中國(guó)是世界上第一個(gè)將生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)理論應(yīng)用于全國(guó)生態(tài)管理的國(guó)家[13]。生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)與國(guó)外的保護(hù)地(protected area)系統(tǒng)、國(guó)家公園體系、自然保護(hù)區(qū)網(wǎng)絡(luò)比較類(lèi)似[3,14-16]。但是生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)不僅強(qiáng)調(diào)保護(hù)完整的生態(tài)系統(tǒng)和分級(jí)保護(hù),還強(qiáng)調(diào)將重要生態(tài)功能區(qū)、生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)、脆弱區(qū)等進(jìn)行一體化管理[17- 18]。

生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)實(shí)質(zhì)是生態(tài)安全底線(xiàn),是嚴(yán)格管控的生態(tài)空間界線(xiàn),它由重要生態(tài)功能區(qū)保護(hù)紅線(xiàn)、生態(tài)敏感區(qū)和脆弱區(qū)保護(hù)紅線(xiàn)、生物多樣性保護(hù)紅線(xiàn)三大類(lèi)型構(gòu)成[9]。生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)強(qiáng)調(diào)從宏觀格局上優(yōu)化和調(diào)整生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間,對(duì)于維護(hù)國(guó)家和區(qū)域生態(tài)安全格局、保障生態(tài)系統(tǒng)功能、支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有關(guān)鍵作用。

劃定并嚴(yán)守生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)被寫(xiě)入2014年修訂的《中國(guó)環(huán)境保護(hù)法》。生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)上升到國(guó)家法律層面,建立了法律保障制度體系。2015年國(guó)家環(huán)保部頒布了《生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)劃定技術(shù)指南》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《指南》)[19],闡述了生態(tài)紅線(xiàn)的定義(生態(tài)紅線(xiàn)是指對(duì)維護(hù)自然生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),保障國(guó)家和區(qū)域生態(tài)安全具有關(guān)鍵作用,在重要生態(tài)功能區(qū)、生態(tài)敏感區(qū)、脆弱區(qū)等區(qū)域劃定的最小生態(tài)保護(hù)空間),以及生態(tài)紅線(xiàn)劃定的基本原則、技術(shù)流程、范圍、方法等,為國(guó)家生態(tài)紅線(xiàn)劃定提供方法指導(dǎo)和技術(shù)支撐。但是該技術(shù)指南沒(méi)有涉及劃定生態(tài)紅線(xiàn)的技術(shù)細(xì)節(jié)。生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)的劃定畢竟是一項(xiàng)新的工作,相關(guān)技術(shù)方法仍處于不斷探索階段,全國(guó)各地區(qū)對(duì)生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)的劃定方法都存在不少差異[20-25]。

目前,與生態(tài)紅線(xiàn)相關(guān)的區(qū)劃,如《全國(guó)主體功能區(qū)規(guī)劃》、《全國(guó)生態(tài)功能區(qū)劃(修編版)》、《全國(guó)生態(tài)脆弱區(qū)保護(hù)規(guī)劃綱要》等,借助區(qū)劃概念進(jìn)行劃分,空間分辨率較低,地面勘界的可操作性較差,無(wú)法為生態(tài)紅線(xiàn)劃分提供精確信息?，F(xiàn)實(shí)中,各生態(tài)區(qū)之間的邊界一般是模糊的和逐漸過(guò)渡的,沒(méi)有十分明確的界線(xiàn)[26-28]。生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)要求必須有明確的邊界,解決邊界不清的問(wèn)題,確定明確的空間保護(hù)范圍[29- 30]。但大部分生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和生態(tài)脆弱性的評(píng)價(jià)是在一定的空間尺度上進(jìn)行的[31],例如一部分生態(tài)功能和脆弱性評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)源來(lái)自MODIS數(shù)據(jù),其最大分辨率250m,部分1000m。由于受評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)精度、區(qū)域面積、及規(guī)劃等多因素的制約,邊界精度尚低。

目前,針對(duì)紅線(xiàn)邊界進(jìn)行內(nèi)業(yè)優(yōu)化調(diào)整的技術(shù)方法很少。如何高效、合理地優(yōu)化和調(diào)整區(qū)域生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)邊界成為目前的技術(shù)難點(diǎn)。針對(duì)這一問(wèn)題,本文以北京市昌平區(qū)為例,主要目的是探索一套基于遙感和GIS空間分析技術(shù)的區(qū)域生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)的邊界優(yōu)化方法,以提高生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)劃定的準(zhǔn)確性和分辨率,為生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)的實(shí)際落地勘查提供工作底圖,為實(shí)現(xiàn)生態(tài)紅線(xiàn)嚴(yán)格保護(hù)與監(jiān)管奠定基礎(chǔ)。

1 生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)邊界優(yōu)化的原則

劃定生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)需要對(duì)研究區(qū)的主要生態(tài)功能進(jìn)行評(píng)估,邊界優(yōu)化遵循以下原則：

1.1 評(píng)價(jià)結(jié)果未在自然保護(hù)地邊界內(nèi)的,按高分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)行邊界細(xì)化

經(jīng)過(guò)功能評(píng)估和生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)得出的生態(tài)紅線(xiàn)區(qū),如生態(tài)功能極重要區(qū)、生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)等,需參照高分辨率影像和土地利用的數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)化。細(xì)化的主要原則如下：外界細(xì)化與已有的高分辨率土地利用數(shù)據(jù)及各種規(guī)劃相協(xié)調(diào)(以評(píng)價(jià)方案邊界為參考疊加大比例尺數(shù)據(jù),以大比例尺數(shù)據(jù)為準(zhǔn),確定具體范圍)；調(diào)整后的生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)邊界基本與土地利用的邊界一致,調(diào)整前后面積相差不超過(guò)5%。

1.2 邊界遵循已有自然保護(hù)地邊界

有明確法律界限的嚴(yán)格按照法律界限：自然保護(hù)區(qū)、世界文化自然遺產(chǎn)、風(fēng)景名勝區(qū)、森林公園、地質(zhì)公園和飲用水源保護(hù)區(qū)等有明確法律依據(jù)的邊界,必須按照明確的邊界進(jìn)行劃定,不得更改。自然保護(hù)地內(nèi)有部分生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)的,生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)應(yīng)按照自然保護(hù)地邊界確定。

2 昌平區(qū)生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)劃定方案

2.1 昌平區(qū)概況

圖1 昌平區(qū)的位置圖Fig.1 The location map of Changping district

昌平區(qū)位于北京西北部,南接海淀區(qū)、東連朝陽(yáng)區(qū)和順義區(qū)。地理坐標(biāo)115°50′17″—116°29′49″E、40°2′18″—40°23′13″N之間,全區(qū)總面積1343.5km2(圖1)。截至2015年底,全區(qū)常住人口196.3萬(wàn)人。主要?dú)夂蝾?lèi)型為暖溫帶,半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候。主要河流有東沙河、北沙河、南沙河,三條支流匯聚成溫榆河干流,對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展具有重要支撐作用。昌平區(qū)有2個(gè)國(guó)家級(jí)森林公園、2個(gè)市級(jí)森林公園、1個(gè)國(guó)家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)和4個(gè)區(qū)縣級(jí)風(fēng)景名勝區(qū),總面積為436.30km2,占昌平區(qū)總面積的32.5%。昌平區(qū)是北京西北地區(qū)的重要生態(tài)屏障,其境內(nèi)的山區(qū)、半山區(qū)占全區(qū)總面積的60%。2015年昌平區(qū)森林覆蓋率達(dá)到48%[32]。

2.2 生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)劃定基本過(guò)程

生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)劃定包括生態(tài)功能評(píng)價(jià)、識(shí)別生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)區(qū)范圍和準(zhǔn)確定位生態(tài)紅線(xiàn)邊界3個(gè)基本步驟。

2.2.1 主要生態(tài)功能的評(píng)價(jià)

昌平區(qū)沒(méi)有國(guó)家級(jí)的生態(tài)功能區(qū)、生態(tài)敏感區(qū)脆弱區(qū)和自然保護(hù)區(qū)。依據(jù)昌平區(qū)生態(tài)環(huán)境實(shí)際情況,經(jīng)識(shí)別后認(rèn)定昌平區(qū)有重要生態(tài)功能區(qū)、生態(tài)脆弱區(qū)(土地沙化敏感區(qū)和泥石流易發(fā)區(qū))和國(guó)家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)3類(lèi)生態(tài)重要區(qū)域。根據(jù)《生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)劃定技術(shù)指南》,生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)包含了重要生態(tài)功能區(qū)保護(hù)紅線(xiàn)、生態(tài)敏感區(qū)和脆弱區(qū)保護(hù)紅線(xiàn)、生物多樣性保護(hù)紅線(xiàn)三大類(lèi)型。按照《指南》中的NPP快速評(píng)價(jià)法對(duì)昌平區(qū)的主要生態(tài)功能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

首先,基于CASA光能利用率模型計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)。然后對(duì)水源涵養(yǎng)功能、土壤保持功能、防風(fēng)固沙功能和生物多樣性維護(hù)功能(圖2)等進(jìn)行了分級(jí)評(píng)價(jià)(一般、較重要、重要、極重要)和空間分布識(shí)別。

其中,水源涵養(yǎng)(WR)、土壤保持(Spro)、防風(fēng)固沙(Sws)和生物多樣性(Sbio)分別由如下公式計(jì)算：

WR=NPPmean×Fsic×Fpre×(1-Fslo)

式中,WR為生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)能力指數(shù),NPPmean為評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)多年生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力平均值,Fsic為土壤滲流能力因子,Fslo為歸一化到0—1之間的評(píng)價(jià)區(qū)坡度,Fpre為歸一化到0—1之間的多年平均年降水量。

Spro=NPPmean×(1-K)×(1-Fslo)

式中,Spro為水土保持服務(wù)能力指數(shù)；NPPmean和Fslo含義與計(jì)算方法同上；K為土壤可侵蝕因子。

Sws=NPPmean×K×Fq×D

式中,Sws為防風(fēng)固沙服務(wù)能力指數(shù)；NPPmean含義與計(jì)算方法同上；K為土壤可侵蝕因子；Fq為多年平均氣候侵蝕力；D為地表粗糙因子。

Sbio=NPPmean×Fpre×Ftem×(1-Falt)

式中,Sbio為生物多樣性指數(shù)；NPPmean和Fpre含義與計(jì)算方法同上；Ftem為歸一化到0—1之間的多年平均氣溫;Falt為歸一化到0—1之間的海拔。

圖2 昌平區(qū)生態(tài)功能評(píng)價(jià)圖Fig.2 The assessment maps of ecological functions

并且搜集了昌平區(qū)土地沙化敏感性、泥石流易發(fā)區(qū)和名勝風(fēng)景區(qū)(包括國(guó)家級(jí)和市級(jí)森林公園分布范圍,國(guó)家級(jí)和區(qū)縣級(jí)的風(fēng)景名勝區(qū))的空間分布信息[33]。但是上述生態(tài)評(píng)估結(jié)果的分級(jí)類(lèi)別及對(duì)應(yīng)的空間精度一般較粗,只為識(shí)別生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)提供必要參考信息。

2.2.2 識(shí)別生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)區(qū)范圍

劃定生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)區(qū)的目的之一是將各生態(tài)功能區(qū)、敏感區(qū)、生物多樣性保護(hù)區(qū)等都納入統(tǒng)一管理的空間區(qū)域,實(shí)現(xiàn)一體化管理。生態(tài)紅線(xiàn)區(qū)是各生態(tài)功能區(qū)、敏感區(qū)和生物多樣性保護(hù)區(qū)的空間區(qū)域的集合,當(dāng)然存在重疊部分。為識(shí)別生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)區(qū)的空間范圍,利用ArcGIS軟件將昌平區(qū)的水源涵養(yǎng)功能、土壤保持功能、防風(fēng)固沙功能、生物多樣性、土地沙化敏感性、泥石流易發(fā)區(qū)和名勝風(fēng)景區(qū)的評(píng)價(jià)結(jié)果圖層進(jìn)行空間疊加分析,并根據(jù)疊加結(jié)果進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià),得到一個(gè)分級(jí)的綜合評(píng)估結(jié)果(圖2,表1)。根據(jù)綜合評(píng)估結(jié)果,刪除一些零散細(xì)小斑塊,并將生態(tài)紅線(xiàn)附近的細(xì)小斑塊合并到臨近的大斑塊。確定昌平區(qū)生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)綜合評(píng)估方案面積549.38km2,占全區(qū)面積的40.89%,主要分布在劉村鎮(zhèn)、南口地區(qū)、十三陵鎮(zhèn)和延壽鎮(zhèn)的部分地區(qū)。由于以上參與疊加分析的各圖層空間精度都比較粗,所以綜合評(píng)估圖層僅展示生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)區(qū)的大致范圍,還需要進(jìn)一步確定生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)的明確邊界。

2.2.3 準(zhǔn)確定位生態(tài)紅線(xiàn)邊界

確定生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)邊界,空間精度十分關(guān)鍵?？臻g精度越高,邊界定位越精準(zhǔn)。為得到更為精準(zhǔn)的生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)邊界,采用空間精度較高土地利用數(shù)據(jù)與上述分級(jí)的綜合評(píng)估圖進(jìn)行空間疊加分析。土地利用數(shù)據(jù)是國(guó)家第二次土地調(diào)查使用的高分辨率影像和解譯遙感影像得到的有明確邊界的矢量化數(shù)據(jù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)二調(diào)數(shù)據(jù))。二調(diào)數(shù)據(jù)以1∶1萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)分幅數(shù)字正射影像圖為載體,套合省、市、縣等各級(jí)境界與鄉(xiāng)、村等土地權(quán)屬界線(xiàn),確定了全國(guó)每一塊土地的類(lèi)型、面積、權(quán)屬和分布信息,是目前全國(guó)尺度上比例尺最大,準(zhǔn)確率較高的土地利用類(lèi)型圖[23]。空間精度較高土地利用數(shù)據(jù)與綜合評(píng)估圖進(jìn)行空間疊加分析,以實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)由低分辨率的綜合評(píng)價(jià)到高分辨率、具有明確邊界的轉(zhuǎn)變。

表1 昌平區(qū)各生態(tài)功能區(qū)面積及所占全區(qū)面積的比例

確定生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)精細(xì)邊界的技術(shù)流程主要包括：數(shù)據(jù)預(yù)處理,選取和初步處理土地利用數(shù)據(jù),疊加邊界處的處理,以及基于高分辨率圖像及各種規(guī)劃的調(diào)整(圖3)。

圖3 準(zhǔn)確定位生態(tài)紅線(xiàn)邊界的技術(shù)路線(xiàn)圖Fig.3 The technical route to locate the boundary of the ecological redline accurately

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理 主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)格式和投影轉(zhuǎn)換,以保證數(shù)據(jù)的空間投影信息一致性,防止疊加圖層之間空間上不對(duì)應(yīng)；將具有同一地類(lèi)屬性的斑塊進(jìn)行合并；還要?jiǎng)h除遙感反演、評(píng)估時(shí)產(chǎn)生的破碎及細(xì)小斑塊,消除細(xì)小斑塊的影響。按照生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)連續(xù)性分布和易于管理的原則,單個(gè)面積小于1km2,且分布零散的,將其刪除。單個(gè)面積小于1km2(此值可以根據(jù)不同的區(qū)域進(jìn)行調(diào)整),但分布較密集,說(shuō)明此處生態(tài)地位較重要,用聚合的辦法(ArcGIS軟件中ArcToolbox下的Cartography Tools中的Aggregate Polygons功能),將細(xì)小斑塊合并,使得生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)區(qū)相對(duì)較完整。破碎問(wèn)題得到一定程度上的解決,可以減少行政區(qū)內(nèi)生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)的斑塊數(shù)量,便于后續(xù)對(duì)生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)區(qū)的管理。

(2)選取和初步處理土地利用數(shù)據(jù) 按照上述“綜合評(píng)估圖層”中的生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)區(qū)的大致范圍選取二調(diào)土地利用數(shù)據(jù)(圖4a)。并對(duì)選取的土地利用數(shù)據(jù)按土地利用屬性進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,扣除土地利用中的建設(shè)用地、工礦用地等非生態(tài)用地。具體操方法是利用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS中的按位置選取功能(select by location)提取與生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)評(píng)價(jià)初步結(jié)果相交的土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)；在提取的土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)中,利用屬性融合工具(dissolve)將具有同一地類(lèi)屬性的斑塊進(jìn)行合并；利用屬性選擇工具(select by attributes),選取城市、建制鎮(zhèn)、工業(yè)開(kāi)發(fā)、礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)等建設(shè)用地,將大規(guī)模建設(shè)用地等不適宜劃入生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)區(qū)的土地利用類(lèi)型,予以刪除。

圖4 昌平區(qū)土地利用類(lèi)型圖及與綜合評(píng)估圖層疊加后多邊形拆分法示意圖Fig.4 The land use map in Changping District and the sketch map for the split-and-merge method of polygon after overlay with comprehensive evaluation map layer

(3)圖層疊加與邊界處理 二調(diào)土地利用數(shù)據(jù)與綜合評(píng)估圖層疊加之后,需要利用ArcGIS軟件的拆分工具(identity)對(duì)邊界處的多邊形斑塊進(jìn)行拆分。然后利用土地利用數(shù)據(jù)屬性表中的Fid號(hào)和面積比例確定邊界。拆分結(jié)果中位于評(píng)價(jià)結(jié)果范圍外而且面積百分比>50%的多邊形直接刪除；將位于評(píng)價(jià)結(jié)果范圍內(nèi)且面積百分比<50%的多邊形直接刪除。

具體操作步驟如下：二調(diào)數(shù)據(jù)中的原有A多邊形與生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)評(píng)價(jià)初步結(jié)果數(shù)據(jù)疊加后,拆分為A1和A2兩個(gè)多邊形,原有多邊形B拆分為B1和B2兩個(gè)多邊形(圖4b)。疊加后,位于生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)據(jù)內(nèi)的A1和B1兩個(gè)多邊形有一列fid_1號(hào)與原多邊形的fid號(hào)一致,而位于生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)評(píng)價(jià)初步結(jié)果數(shù)據(jù)外的A2和B2兩個(gè)多邊形,屬性表中有一列fid_1號(hào)為-1。計(jì)算疊加后A1,A2多邊形面積與原多邊形A的面積比例,B1,B2多邊形面積與原多邊形B的面積比例,發(fā)現(xiàn)疊加邊界處，綜合評(píng)估圖層外,多邊形A2的面積占原多邊形面積A的比例<50%,B2的面積占B的比例>50%。為了保持土地利用的完整性,把A多邊形保留,把B多邊形刪除。

圖5 利用高分辨率數(shù)據(jù)調(diào)整后的昌平區(qū)生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)邊界及生態(tài)紅線(xiàn)方案調(diào)整前后對(duì)比圖Fig.5 The boundary of ecological protection redline after the adjustment using the high resolution data in Changping District and the contrast map of ecological protection redline before and after adjustment

(4)基于高分辨率圖像及各種規(guī)劃的調(diào)整和修正邊界 經(jīng)過(guò)步驟(3)處理后的數(shù)據(jù)與國(guó)家二調(diào)的高精度遙感影像、土地規(guī)劃等輔助資料疊合,并參考土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)中的地類(lèi)圖斑、線(xiàn)狀地物圖層、注記圖層、行政區(qū)劃等屬性信息,采用交互式矢量化的方法,修正和確定生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)邊界。再根據(jù)昌平區(qū)土地利用規(guī)劃等各種規(guī)劃進(jìn)行調(diào)整。最終得到調(diào)整后的昌平區(qū)生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)建議方案(圖5a)。

3 昌平區(qū)生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)的調(diào)整優(yōu)化

調(diào)整后的生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)總面積562.84km2,與生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)初步評(píng)價(jià)結(jié)果(紅線(xiàn)面積549.38km2)相比,二者重疊474.19km2,重疊率為86.31%(圖5b)。其中城郊結(jié)合部位二者的差異較大,具體表現(xiàn)在劉村鎮(zhèn)的西南部土地利用類(lèi)型是果園,不適宜劃入生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)進(jìn)行永久保護(hù)。其次是延壽鎮(zhèn)北部區(qū)域,生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)評(píng)價(jià)結(jié)果生態(tài)功能處于重要和極重要之間,土地利用類(lèi)型是果園和灌木林地,將果園部分從生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)中刪除,保留了天然灌木林地部分。

生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)邊界優(yōu)化調(diào)整前后的差別主要表現(xiàn)以下3點(diǎn)：一是分辨率的變化。邊界調(diào)整前,根據(jù)評(píng)價(jià)得出的生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)的分辨率最高250m,馬賽克現(xiàn)象明顯；邊界優(yōu)化調(diào)整后,生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)的分辨率與土地二調(diào)的分辨率一致,且保持了生態(tài)景觀的完整性。二是紅線(xiàn)內(nèi)土地利用類(lèi)型的變化。調(diào)整前,由于分辨率較低,部分建設(shè)用地或其他不宜劃入生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)的土地利用類(lèi)型包含在生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)范圍內(nèi)。調(diào)整后,這一問(wèn)題不再存在。三是與相關(guān)規(guī)劃的銜接問(wèn)題。調(diào)整前,單純依靠評(píng)價(jià)的結(jié)果,沒(méi)與相關(guān)規(guī)劃進(jìn)行銜接,基于二調(diào)數(shù)據(jù)和相關(guān)規(guī)劃進(jìn)行調(diào)整后,預(yù)留出目前規(guī)劃的各種非生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)的用地,便于生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)范圍內(nèi)實(shí)行嚴(yán)格保護(hù)。

4 討論

生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)邊界的確定非常復(fù)雜,既是學(xué)術(shù)問(wèn)題,又是協(xié)調(diào)保護(hù)和發(fā)展的社會(huì)實(shí)踐問(wèn)題。中國(guó)將生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)作為生態(tài)管理的重要手段,主要目的是將現(xiàn)有各類(lèi)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)、生態(tài)脆弱和敏感區(qū)等進(jìn)行一體化管理,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展[10]。因此劃定生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)邊界時(shí)涉及到各類(lèi)自然保護(hù)區(qū)、生態(tài)脆弱區(qū)、生態(tài)敏感區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、各種建設(shè)規(guī)劃的歷史邊界。但是中國(guó)的許多保護(hù)區(qū)邊界不夠精確, 尤其是縣級(jí)、省級(jí)保護(hù)區(qū)。在生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)中,人們經(jīng)常采用分辨率較粗的MODIS數(shù)據(jù)、遙感反演的數(shù)據(jù)、模型模擬的柵格數(shù)據(jù),以及小比例尺區(qū)劃地圖[34-36]。而且在生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)過(guò)程中,投影坐標(biāo)系統(tǒng)不一致極易產(chǎn)生各數(shù)據(jù)層之間空間匹配偏差問(wèn)題,不同分辨率數(shù)據(jù)融合時(shí)經(jīng)常導(dǎo)致數(shù)據(jù)空間精度降低等問(wèn)題。因此生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)中劃定的生態(tài)功能區(qū)、生態(tài)脆弱區(qū)和生態(tài)敏感區(qū)的邊界也往往比較模糊。本文借助高分辨率影像和具有明確邊界的土地利用數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了由低分辨率到高分辨率的轉(zhuǎn)換,為生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)的實(shí)際落地勘查提供了精細(xì)工作底圖。有利于將生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)落實(shí)到邊界明確的具體地塊,一定程度上解決了生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)的邊界模糊問(wèn)題。

目前,國(guó)家生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)已經(jīng)被正式寫(xiě)入新修訂的《中國(guó)環(huán)境保護(hù)法》,并被確定為國(guó)家十三五規(guī)劃的重要內(nèi)容[19,37]。但是各省及全國(guó)的生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)的劃定還沒(méi)有完成,最終的野外設(shè)標(biāo)定界還在進(jìn)行之中,生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)的后期監(jiān)督管理尚未展開(kāi)。在圖上劃定生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)邊界之后,還需要野外核查。本研究以北京市昌平區(qū)為案例闡明生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)的流程及關(guān)鍵技術(shù),僅僅解決了生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)在圖上精確定界的技術(shù)問(wèn)題,還需要進(jìn)行野外勘察以提高劃界精度和修正圖上劃界錯(cuò)誤,以及野外設(shè)標(biāo)定界等問(wèn)題。

《生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)劃定技術(shù)指南》中建議將國(guó)土面積的35% 的區(qū)域確定為國(guó)家生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)。在本研究中,北京市昌平區(qū)生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)區(qū)面積占該區(qū)總面積的32.15%,比較接近國(guó)家尺度上的生態(tài)紅線(xiàn)區(qū)的面積比例。由于各地區(qū)生態(tài)環(huán)境存在非常大差異,確定生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)面積占國(guó)土面積比例時(shí)不必追求一致。應(yīng)綜合考慮當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口、城市等一系列問(wèn)題。既要保護(hù)生態(tài)環(huán)境,又要為經(jīng)濟(jì)、人口和城市的協(xié)調(diào)發(fā)展留出必要的空間。因此生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)占有的面積比例應(yīng)因地而異,不能盲目追求與國(guó)家整體的生態(tài)紅線(xiàn)面積比例一致。

本文技術(shù)方法是以衛(wèi)星遙感信息和GIS技術(shù)為基礎(chǔ)的。衛(wèi)星遙感影像及解譯的土地利用信息是精確識(shí)別生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)邊界的重要信息源。借助日益完善的GIS技術(shù),本文實(shí)現(xiàn)了精確定位生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)的空間位置。隨著遙感衛(wèi)星技術(shù)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展,以及相關(guān)的GIS軟件技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)的進(jìn)步,對(duì)生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)邊界精確定位,以及后期的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)管都將變得更加容易。

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MethodstoidentifytheboundaryofecologicalprotectionredlineregionsusingGISacasestudyinChangping,Beijing

WANG Lixia1, ZOU Changxin1,2,*, WANG Yan1, LIN Naifeng1, WU Dan1, JIANG Hong1, XU Delin1

1NanjingInstituteofEnvironmentalSciences,MinistryofEnvironmentalProtection,Nanjing210042,China2JiangsuCollaborativeInnovationCenterofAtmosphericEnvironmentandEquipmentTechnology(CICAEET),NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044，China

The ecological protection red line is an important innovation in ecological conservation in China, and underpins a national policy for monitoring and managing important ecological environments. Guidelines for identifying the red line areas were issued by the Ministry of Environmental Protection of China in 2015. However, there are some technical difficulties in identifying the boundaries of the red line regions. This paper explores an optimization method to identify the ecological protection red line using the spatial analysis function of GIS software. Two initial principles are put forward: first, the boundary should be refined using higher resolution data when these boundaries are not within a nature reserve; second, the boundaries of the ecological protection red line should follow the boundaries of natural conservation areas. We applied the optimized method to identify the boundaries of the ecological protection red line using the Changping District of Beijing city as an example. The ecological functions of water conservation, soil conservation, sand fixation and biodiversity in the study area were identified and classified according to the rapid evaluation method on basis of net primary productivity (NPP) in the guidelines, and maps of their spatial distribution were produced. Then, spatial overlay analysis was carried out using the evaluation layers, and a comprehensive evaluation result was obtained by grading the evaluation output from the spatial overlay analysis. The preliminary design of ecological protection red line was established after removing some scattered small patches or merging the small patches into the adjacent large patches. Then, the preliminary design was optimized by overlaying a land use layer which had a higher spatial accuracy to identify the explicit boundary of the ecological protection red line region. The use of the high-accuracy land use layer transformed the low spatial resolution boundary to a high spatial resolution boundary after the overlay. Finally, the ecological protection red line was fine-tuned with reference to high resolution imagery and various planning policies. This fine-tuning will benefit the identification of much more accurate boundary locations for the ecological protection red line, and guarantee the implementation of the ecological protection policy in a specific land block with a clearly defined spatial extent. The above case study resolved the technical difficulties surrounding delineation of the ecological protection red line, and showed how to adjust and optimize the red line boundary. The feasibility of the research methods to solve the boundary definition problem was confirmed by comparing the ecological protection red line before and after adjustment.

Nature reserve; environmental conservation; ecological protection red line; ecological security; ecological functional zone; ecological sensitive area

重要生態(tài)功能區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)模式研究與應(yīng)用示范(20140955)；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(20160103)

2016- 11- 18;

2017- 05- 31

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zcx@nies.org

10.5846/stxb201611182345

王麗霞,鄒長(zhǎng)新,王燕,林乃峰,吳丹,姜宏,徐德琳 .基于GIS識(shí)別生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)邊界的方法——以北京市昌平區(qū)為例.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(18):6176- 6185.

Wang L X, Zou C X, Wang Y, Lin N F, Wu D, Jiang H, Xu D L.Methods to identify the boundary of ecological protection red line regions using GIS: a case study in Changping, Beijing.Acta Ecologica Sinica,2017,37(18):6176- 6185.