自然保護區人類活動天地一體化監管與評價技術體系

劉曉曼，李 靜，劉玉平，劉慧明，聞瑞紅 （環境保護部衛星環境應用中心，北京 100094）

自然保護區人類活動天地一體化監管與評價技術體系

劉曉曼，李 靜，劉玉平，劉慧明*，聞瑞紅 （環境保護部衛星環境應用中心，北京 100094）

基于遙感監測與實地核查相結合的技術，構建了集目標、內容、指標、流程為一體的自然保護區人類活動天地一體化監管與評價的技術體系，在此基礎上提出了自然保護區人類活動影響評價方法和模型.最后，為了驗證方法體系的可靠性，以河南董寨國家級自然保護區為例進行了示范研究，結果表明:該自然保護區有工礦用地、旅游用地、采石場、農業用地、居民點、其他人工設施和道路7種人類活動類型，人類活動總面積占保護區總面積的16.60%，以農業用地為主，占自然保護區人類活動總面積的89.41%.人類活動主要分布在實驗區，實驗區人類活動總面積5554.9h m2、總數量231處，分別占人類活動總面積和總數量的68.65%和58.93%.該自然保護區人類活動影響指數為0.000697，人類活動影響較明顯，不利于物種和生態系統的保護.

自然保護區；人類活動；天地一體化；監管；評價

自然保護區能為人類提供生態系統的天然“本底”，是各類自然生態系統和野生生物物種的天然存儲庫，對于保護自然環境、物種和維護生態平衡具有重要意義，在國民經濟建設和未來社會發展中具有戰略地位，因此，加強和發展自然保護區事業也是當前我國環境保護工作的一項重要而緊迫的任務［1-2］.

但隨著我國經濟的快速發展以及對自然資源的需求日益增加，保護與開發的矛盾日益增加，“人工化”、“生境退化”的趨勢日趨嚴重，造成自然保護區物種的減少和服務功能的降低［3-8］，自然保護區面臨著前所未有的壓力.武國柱［9］、高愛根［10］、陳盼［11］、李義明［12］等對六盤水、南麓列島、九寨溝、神農架等研究發現人類活動是導致自然保護區生態破壞的主要因素.近年來，隨著遙感技術的發展，很多學者嘗試利用遙感手段對自然保護區進行監測，崔文連［13］、吳東輝［14］、王坎［15］、阮英琴［16］分別對嶗山、可可西里、十八里長峽、佛坪等自然保護區的人類活動進行了遙感監測.但這些監測集中在典型自然保護區，尚未形成系統的自然保護區天地一體化監管與評價的技術體系.

本文針對我國自然保護區人類活動日益增加的壓力，緊密圍繞我國自然保護區管理的需求，將遙感技術與實地調查相結合，構建了集目標、內容、指標、模型、流程為一體的自然保護區人類活動天地一體化監管與評價的技術體系，不僅可以提高我國自然保護區的管理水平，也有利于我國自然保護區主管部門及時準確地掌握自然保護區的開發建設活動，防止不合理的開發建設

活動對物種和生態系統造成損害，對于維系我國自然保護區的生態功能、促進生物多樣性保護、加強生態文明建設具有重要意義.同時以河南董寨國家級自然保護區為例進行了示范研究，對技術體系的可靠性進行了有效驗證，為我國自然保護區的綜合監管提供了有效技術支持.

1 自然保護區人類活動天地一體化監管與評價技術體系

以多源衛星影像為數據源，利用遙感與GⅠS方法，提取保護區內各項人類活動信息.在此基礎上，對遙感監測結果進行實地核查，進一步修正遙感監測結果，并評價自然保護區的人類影響強度.

1.1 監管目標

自然保護區人類活動天地一體化監管與評價的目標是全面了解我國自然保護區的人類干擾現狀和強度，構建長效化、動態化、業務化的天地一體化自然保護區人類活動監管機制，為自然保護區的管理和執法提供依據，提升自然保護區天地一體化綜合監管水平.

1.2 監管內容

自然保護區人類活動天地一體化監管與評價主要包括自然保護區人類活動遙感監測、自然保護區人類活動實地核查、自然保護區人類活動影響程度評價3個方面的內容：

1.2.1 自然保護區人類活動遙感監測 對遙感影像進行數據處理的基礎上，根據影像的判讀標志，如色調（顏色）、形狀、位置、大小、陰影、布局、紋理及其它間接標志，采用遙感解譯的方法（包括目視解譯與自動分類方法），從遙感影像上提取自然保護區內各種人類活動信息.

1.2.2 自然保護區人類活動實地核查 根據遙感監測提取的人類活動信息，采用現場調查與座談交流相結合的方法，到實地對各自然保護區人類活動進行定位、驗證，并記錄其所在功能區、建成時間、設施現狀、相關審批手續等.在此基礎上，根據實地核查結果，對遙感解譯的人類活動結果進行修正.

1.2.3 自然保護區人類活動影響程度評價根據自然保護區人類活動監測結果，通過建立模型和算法，對自然保護區人類活動影響程度進行評價.

1.3 自然保護區人類活動天地一體化監管與評價技術

以多源衛星影像為數據源，采用面對對象和目視判讀相結合的方法，提取保護區內各項人類活動信息.利用GⅠS空間分析方法，獲取不同類型人類活動的位置、面積、數量、百分比和所在功能分區等信息.根據遙感提取的人類活動信息，采用現場調查與座談交流相結合的方法，對人類活動設施現狀、所在功能區、建成時間、環保手續等進行實地核查驗證.根據地面核查結果，對解譯過程中漏判的人類活動類型，進行補充，對錯判、誤判的人類活動類型進行屬性修改.最后，通過建立模型，對保護區的人類活動影響程度進行評價（圖1）.

1.3.1 自然保護區人類活動分類體系自然保護區人類活動分類系統的確定遵循如下原則：

（1）科學性、系統性.按照自然保護區人類活動的特性進行科學分類，形成系統的分類體系.

（2）兼容性.對于沒有出現過的類型，可根據區域的實際情況，統一劃歸為其他人工設施，由核查具體確定類型.

（3）完整性、互斥性和可擴充性.人類活動同位類之間是互斥的，不可存在交叉.不同區域的用戶可根據自己的需求對本分類系統進行調整和擴充.

根據以上分類原則，對自然保護區人類活動進行了分類（表1）.

圖1 自然保護區人類活動遙感天地一體化監管技術流程Fig.1 The flow chart of the integration of human activities in nature reserve

10種人類活動的定義分別如下：

（1）農業用地是指直接或間接為農業生產所利用的土地.

（2）居民點是指因生產和生活需要而形成的集聚定居地點.

（3）工礦用地是指獨立設置的工廠、車間、建筑安裝的生產場地等以及在礦產資源開發利用的基礎上形成和發展起來的工業區、礦業區.

（4）采石場是指開采建筑石（砂）料的場所.

（5）能源設施是指利用各種能源產生和傳輸電能的設施.

（6）旅游用地是指用于開展商業、旅游、娛樂活動所占用的場所.

（7）交通設施是指從事運送貨物和旅客的工具及設施.

（8）養殖場是指在灘涂、淺海、沿江及內陸，養殖經濟動植物的區域.

（9）道路是指供各種無軌車輛和行人通行的基礎設施.

（10）其他人工設施是指無法準確劃分到以上9種人類活動類別中的設施，如試驗場、糧倉、訓練場、貨場、科研基地等設施等.

表1 自然保護區人類活動分類體系Table 1 Classificationsystem of human activities in nature reserve

1.3.2 自然保護區人類活動天地一體化監管與評價指標圍繞自然保護區人類活動天地一體化監管目標和內容，構建了自然保護區人類活動天地一體化監管指標體系（表2）.

表2 自然保護區人類活動遙感監測與評價指標Table 2 The remote sensing monitoring and evaluation index of human activities in nature reserve

1.3.3 自然保護區人類活動影響程度評價為評價自然保護區人類活動影響程度，在綜合考慮不同人類活動對保護對象的影響以及人類活動所在功能區的情況下，通過建立評價模型，計算保護區的人類活動影響指數，從而對區域內自然保護區的人類活動影響程度進行評價.

（1）評價模型.以自然保護區作為評價單元，利用人類活動影響評價模型，計算各自然保護區人類活動影響指數，并進行分級，評價模型如下：

式中：NRHⅠ為自然保護區人類活動影響指數，xi為人類活動類型的面積，x為自然保護區的總面積.ai和bi為權重，其中ai根據每一類人類活動斑塊所在的功能區來確定，bi根據不同人類活動類型對自然保護區的影響程度來確定.

（2）權重確定.根據保護對象分布的區域不同，自然保護區被劃分為核心區、緩沖區和實驗區.其中，保存完好的天然狀態的生態系統以及珍稀、瀕危動植物的集中分布地為核心區，其次為緩沖區、實驗區［1］.因此，核心區的人類活動對自然保護區保護對象的影響最大，其次為緩沖區和實驗區.經過專家咨詢，核心區、緩沖區、實驗區的人類活動影響權重依次確定為0.6、0.3、0.1.

不同人類活動對自然保護區的影響因子bi根據其對自然保護區的影響程度來確定.人類活動對自然保護區保護對象的影響極其復雜［7,13］.通過給動物學、植物學、生態系統學、生態保護學等相關領域的專家和自然保護區領域的管理者發放50份問卷，分別對不同人類活動對自然保護區的影響程度進行打分，由低到高得分為0～100分.在此基礎上，取平均值，得到每一種人類活動對自然保護區的影響程度得分.單項得分除于總分，就是每一種人類活動對自然保護區的影響程度權重（表3）.其中工礦用地、能源設施、采石場、旅游用地會因為排放污染物等帶來地表水污染、空氣質量下降等環境風險，對保護區物種和生態系統的威脅相對其他類型要大；而養殖場、農田和居民點對保護對象的影響程度相對較小.

表3 不同人類活動類型對自然保護區的影響權重Table 3 The influence of different types of human activities on nature reserve

表4 自然保護區人類活動影響程度分級Table 4 Interferencegrade of human activities in nature reserve

（3）影響程度分級.根據自然保護區的人類活動影響指數，確定不同人類活動對自然保護區的影響程度，劃分為劇烈、明顯、較明顯、一般和輕微五個級別（表4）.由于各保護區人類活動類型、數量差異較大，人類活動影響程度分級范圍根據自然保護區實際情況自行確定.

2 應用實例與結果分析

2.1 保護區簡介

河南董寨國家級自然保護區，位于河南省南部，豫鄂兩省交界的大別山北麓，地理坐標為114°18′E～114°30′E，北緯31°28′N～32°09′N之間，屬野生動物類型自然保護區.保護區總面積4.68萬hm2，核心區面積1.65萬hm2，緩沖區面積1.1萬hm2，實驗區面積1.93萬hm2，1982年6月經省人民政府批準成立，2001年6月經國務院批準晉升為國家級自然保護區（圖2）.

圖2 河南董寨國家級自然保護區遙感影像Fig.2 The remote sensing image map of Henan Dongzhainational nature reserve

保護區屬于北亞熱帶向暖溫帶過渡區域，氣候溫暖濕潤，四季分明，年平均氣溫15.1℃、年降水量1200mm.該保護區蘊藏著大量的生物種類，具有典型的生物多樣性特點.據調查，共有維管植物175科、784屬、1876種，其中蕨類植物142種，裸子植物21種，被子植物1716種.鳥類44科，237種，占河南鳥類總數的79%.獸類16科37種.昆蟲99科700種.董寨被稱為“亞熱帶邊緣的綠色自然博物院，珍稀物種的天然基因庫.國家級重點和省級重點保護植物38種，狹葉瓶爾小草、銀杏、香果樹、杜仲、八角蓮、三尖杉、紅豆杉等.國家一、二級重點保護珍稀動物約50種：金錢豹、大靈貓、水獺、豪豬、狼、果子貍、東方白鸛、金雕、白腹山雕、白冠長尾雉、蒼鷹等［17］.

2.2 人類活動遙感解譯及信息提取

圖3 河南董寨國家級自然保護區人類活動監測圖Fig.3 The human activity monitoring map of Henan Dongzhainational nature reserve

采用2015年5月的2m高分一號高分辨率遙感影像作為數據源，在對影像進行幾何精校正、圖像鑲嵌與圖像裁切等預處理的基礎上，根據影像的色調（顏色）、形狀、位置、大小、陰影、布局、紋理及其它間接標志等，采用面向對象和目視判讀相結合的方法，從影像上識別各種人類活動信息（圖3）.

表5 河南董寨國家級自然保護區人類活動信息統計Table 5 The information statistics of human activities in the national nature reserve of Henan Dongzhai

利用GⅠS空間分析方法，統計了河南董寨國家級自然保護區人類活動斑塊的面積、百分比及其數量（表5）.經統計分析，該保護區有工礦用地、旅游用地、采石場、農業用地、居民點、其他人工設施和道路7種人類活動類型.①從面積而言，人類活動總面積為8096.1hm2，占保護區總面積的16.60%，以農業用地為主，總面積為7237hm2，占自然保護區人類活動總面積的89.39%；②從數量而言，人類活動總數量為392處，以居民點和農業用地為主，分別占自然保護區人類活動總數量的57.40%和36.99%；③從功能區來分析，人類活動主要分布在實驗區，實驗區人類活動總面積為5555.5hm2、總數量為231處，分別占人類活動總面積和總數量的68.62%和58.93%.實驗區道路總長度為146022.53m，占道路總長度的60.41%；④該保護區除了農業用地、居民點和道路以外，還有2處采石場、2處工礦用地、1處旅游用地和17處其他人工設施（圖4-7），存在較明顯的開發建設活動，不利于物種和生態系統的保護.

圖4 采石場高分影像Fig.4 The high score remote sensing image of quarry

圖5 工礦用地高分影像Fig.5 The highscore remote sensing image of industrial and mining land

圖6 旅游用地高分影像Fig.6 The high scores remote sensing image map of tourism land

圖7 其他人工設施高分影像Fig.7 The high score remote sensing image map of other artificial facilities

2.3 人類活動影響程度評價

通過人類影響指數模型，計算了董寨國家級自然保護區的人類活動影響指數.結果表明，該自然保護區人類活動影響指數為0.000697，在全國428個國家級自然保護區排名較前，人類活動影響較明顯.其中，實驗區人類活動影響指數最高，為0.000273，緩沖區和核心區影響指數相近，分別為0.000217和0.000207（表6），說明該保護區人類活動主要集中在實驗區.評估結果以定量的方式客觀描述了該自然保護區的人類活動影響程度，表明在實際應用中本文的評估方法和級別劃分是可靠的.

表6 河南董寨國家級自然保護區人類影響程度評價表Table 6 Evaluation of human interference degree in national nature reserve of Henan Dongzhai

3 結論

3.1 構建了集目標、內容、分類、指標和技術流程為一體的自然保護區人類活動天地一體化監管與評價的技術體系，在此基礎上提出了自然保護區人類活動影響評價方法和模型.

3.2 為了驗證方法體系的可靠性，以河南董寨國家級自然保護區為例進行了示范研究，結果表明：該自然保護區有工礦用地、旅游用地、采石場、農業用地、居民點、其他人工設施和道路7種人類活動類型.從面積而言，人類活動總面積占保護區總面積的16.60%，以農業用地為主，占自然保護區人類活動總面積的89.41%.從數量而言，以居民點和農業用地為主，分別占自然保護區人類活動總數量的57.40%和36.99%.從功能區來分析，人類活動主要分布在實驗區，實驗區人類活動總面積和總數量分別占人類活動總面積和總數量的68.65%和58.93%，實驗區道路總長度占道路總長度的60.41%.該自然保護區開發建設活動明顯，人類活動影響指數為0.000697，實驗區人類活動影響程度大于核心區和緩沖區.

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Method for supervising and assessing of human activities in nature reserve based on sky and earth.

LIU Xiao-man，LI Jing， LIU Yu-ping， LIU Hui-ming*， WEN Rui-hong （Satellite Environment Center， Ministry of Environmental Protection， Beijing 100029， China）. China Environmental Science， 2016，36（10）：3135～3142

It built themethod for supervising and assessing human activitiesinnature reserve based on sky and earth，including the target， content， index， process and so on. On the basis of this， the evaluation methods and models are built accordingly. Lastly， in order to verify the reliability of the method， a case study was carried out in Henan Dong Zhainational nature reserve. The results show that there are tourism land， quarry， agricultural land， residential， road and other artificial facilities in the nature reserve. The area of human activities accounts for 16.60% of the total area of the nature reserve. From the area， the main human activity type is agricultural land， which area is 89.41% of the total area of human activity in the nature reserve. The human activities mainly distribute in the experimentation area. The total area is 5554.9hm2and the total numberis 231 of the human activities in the experimentation area， accounting for 58.93% and 68.65% of the total area and total number of the reserve. The human disturbance index of this nature reserve is 0.000697，which means that interference intensity is obvious. It is not conducive to the protection of species and ecosystems.

nature reserves；human activities；sky and earth；supervising；assessing

X36，S127

A

1000-6923（2016）10-3135-08

劉曉曼（1979-），女，湖北宜昌人，高級工程師，博士，主要從事生態遙感和自然保護區監測方面的研究.發表文章20余篇.

2016-01-22

公益性行業科研專項經費項目:自然保護區動態監管關鍵技術研究與示范（201509042）；863項目:全球變化敏感區生態環境要素監測與評估技術（2012AA12A310）

* 責任作者， 高級工程師， liuhm1982@163.com