基于GIS識別生態保護紅線邊界的方法
——以北京市昌平區為例

王麗霞,鄒長新,2,*,王 燕,林乃峰,吳 丹,姜 宏,徐德琳

1 環境保護部南京環境科學研究所, 南京 210042 2 南京信息工程大學江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心, 南京 210044

基于GIS識別生態保護紅線邊界的方法
——以北京市昌平區為例

王麗霞1,鄒長新1,2,*,王 燕1,林乃峰1,吳 丹1,姜 宏1,徐德琳1

1 環境保護部南京環境科學研究所, 南京 210042 2 南京信息工程大學江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心, 南京 210044

生態保護紅線是中國生態保護的一項重要創新,已被列為國家監管生態環境的重要政策。國家環境保護部于2015年發布了《生態保護紅線劃定技術指南》,確定了生態保護紅線的劃定方法,但是在識別生態保護紅線邊界時還存在一些技術難點。針對這一問題,本文探索了生態保護紅線邊界的優化方法。提出了生態保護紅線邊界優化遵循基本原則。以北京市昌平區為例,闡明了如何利用ArcGIS軟件將劃定生態保護紅線的技術流程,包括評價各類生態功能區和敏感區,識別生態保護紅線范圍,準確定位生態紅線邊界3個主要步驟。最后通過對比優化前后的生態保護紅線劃定方案,闡明了該方法的可行性和存在的問題。

自然保護區; 環境保護; 生態保護紅線; 生態安全; 生態功能區; 生態敏感區

為應對日益突出的生態環境問題,世界上許多國家建立了自然保護區、保護地、國家森林公園、名勝風景區[1- 2]。實踐證明這些措施對區域生態系統起到顯著保護效果[3- 4]。但是仍有一些脆弱的和敏感的生態系統未受到有效保護[5- 6]。針對這一問題,我國生態學家首次提出了“生態保護紅線”的概念,強調對重要生態功能區、生態敏感區、脆弱區和生物多樣性保護區進行一體化保護,以確保國家生態安全。生態紅線的早期雛形是生態規劃中的“紅線控制區”[7]。近年來生態保護紅線的概念主要以“生態紅線區”出現[8- 9]。目前,學術界對生態保護紅線的概念已有比較一致的認識,將生態保護紅線定義為“對于維護自然生態系統服務持續穩定發揮,保障國家和區域生態安全具有關鍵作用,在重要生態功能區、生態環境敏感區、脆弱區等區域劃定的必須實行嚴格保護的國土空間”[10-12]。

生態保護紅線是中國生態文明建設的一項重要創新。中國是世界上第一個將生態保護紅線理論應用于全國生態管理的國家[13]。生態保護紅線與國外的保護地(protected area)系統、國家公園體系、自然保護區網絡比較類似[3,14-16]。但是生態保護紅線不僅強調保護完整的生態系統和分級保護,還強調將重要生態功能區、生態環境敏感區、脆弱區等進行一體化管理[17- 18]。

生態保護紅線實質是生態安全底線,是嚴格管控的生態空間界線,它由重要生態功能區保護紅線、生態敏感區和脆弱區保護紅線、生物多樣性保護紅線三大類型構成[9]。生態保護紅線強調從宏觀格局上優化和調整生產、生活和生態空間,對于維護國家和區域生態安全格局、保障生態系統功能、支撐經濟社會可持續發展具有關鍵作用。

劃定并嚴守生態保護紅線被寫入2014年修訂的《中國環境保護法》。生態保護紅線上升到國家法律層面,建立了法律保障制度體系。2015年國家環保部頒布了《生態保護紅線劃定技術指南》(以下簡稱《指南》)[19],闡述了生態紅線的定義(生態紅線是指對維護自然生態系統服務,保障國家和區域生態安全具有關鍵作用,在重要生態功能區、生態敏感區、脆弱區等區域劃定的最小生態保護空間),以及生態紅線劃定的基本原則、技術流程、范圍、方法等,為國家生態紅線劃定提供方法指導和技術支撐。但是該技術指南沒有涉及劃定生態紅線的技術細節。生態保護紅線的劃定畢竟是一項新的工作,相關技術方法仍處于不斷探索階段,全國各地區對生態保護紅線的劃定方法都存在不少差異[20-25]。

目前,與生態紅線相關的區劃,如《全國主體功能區規劃》、《全國生態功能區劃(修編版)》、《全國生態脆弱區保護規劃綱要》等,借助區劃概念進行劃分,空間分辨率較低,地面勘界的可操作性較差,無法為生態紅線劃分提供精確信息。現實中,各生態區之間的邊界一般是模糊的和逐漸過渡的,沒有十分明確的界線[26-28]。生態保護紅線要求必須有明確的邊界,解決邊界不清的問題,確定明確的空間保護范圍[29- 30]。但大部分生態系統服務功能和生態脆弱性的評價是在一定的空間尺度上進行的[31],例如一部分生態功能和脆弱性評價的數據源來自MODIS數據,其最大分辨率250m,部分1000m。由于受評價數據精度、區域面積、及規劃等多因素的制約,邊界精度尚低。

目前,針對紅線邊界進行內業優化調整的技術方法很少。如何高效、合理地優化和調整區域生態保護紅線邊界成為目前的技術難點。針對這一問題,本文以北京市昌平區為例,主要目的是探索一套基于遙感和GIS空間分析技術的區域生態保護紅線的邊界優化方法,以提高生態保護紅線劃定的準確性和分辨率,為生態保護紅線的實際落地勘查提供工作底圖,為實現生態紅線嚴格保護與監管奠定基礎。

1 生態保護紅線邊界優化的原則

劃定生態保護紅線需要對研究區的主要生態功能進行評估,邊界優化遵循以下原則：

1.1 評價結果未在自然保護地邊界內的,按高分辨率數據進行邊界細化

經過功能評估和生態敏感性評價得出的生態紅線區,如生態功能極重要區、生態環境脆弱區等,需參照高分辨率影像和土地利用的數據進行細化。細化的主要原則如下：外界細化與已有的高分辨率土地利用數據及各種規劃相協調(以評價方案邊界為參考疊加大比例尺數據,以大比例尺數據為準,確定具體范圍)；調整后的生態保護紅線邊界基本與土地利用的邊界一致,調整前后面積相差不超過5%。

1.2 邊界遵循已有自然保護地邊界

有明確法律界限的嚴格按照法律界限：自然保護區、世界文化自然遺產、風景名勝區、森林公園、地質公園和飲用水源保護區等有明確法律依據的邊界,必須按照明確的邊界進行劃定,不得更改。自然保護地內有部分生態保護紅線的,生態保護紅線應按照自然保護地邊界確定。

2 昌平區生態保護紅線劃定方案

2.1 昌平區概況

圖1 昌平區的位置圖Fig.1 The location map of Changping district

昌平區位于北京西北部,南接海淀區、東連朝陽區和順義區。地理坐標115°50′17″—116°29′49″E、40°2′18″—40°23′13″N之間,全區總面積1343.5km2(圖1)。截至2015年底,全區常住人口196.3萬人。主要氣候類型為暖溫帶,半濕潤大陸性季風氣候。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,對經濟和社會發展具有重要支撐作用。昌平區有2個國家級森林公園、2個市級森林公園、1個國家級風景名勝區和4個區縣級風景名勝區,總面積為436.30km2,占昌平區總面積的32.5%。昌平區是北京西北地區的重要生態屏障,其境內的山區、半山區占全區總面積的60%。2015年昌平區森林覆蓋率達到48%[32]。

2.2 生態保護紅線劃定基本過程

生態保護紅線劃定包括生態功能評價、識別生態保護紅線區范圍和準確定位生態紅線邊界3個基本步驟。

2.2.1 主要生態功能的評價

昌平區沒有國家級的生態功能區、生態敏感區脆弱區和自然保護區。依據昌平區生態環境實際情況,經識別后認定昌平區有重要生態功能區、生態脆弱區(土地沙化敏感區和泥石流易發區)和國家級風景名勝區3類生態重要區域。根據《生態保護紅線劃定技術指南》,生態保護紅線包含了重要生態功能區保護紅線、生態敏感區和脆弱區保護紅線、生物多樣性保護紅線三大類型。按照《指南》中的NPP快速評價法對昌平區的主要生態功能進行評價。

首先,基于CASA光能利用率模型計算生態系統凈初級生產力(NPP)。然后對水源涵養功能、土壤保持功能、防風固沙功能和生物多樣性維護功能(圖2)等進行了分級評價(一般、較重要、重要、極重要)和空間分布識別。

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

WR=NPPmean×Fsic×Fpre×(1-Fslo)

式中,WR為生態系統水源涵養服務能力指數,NPPmean為評價區內多年生態系統凈初級生產力平均值,Fsic為土壤滲流能力因子,Fslo為歸一化到0—1之間的評價區坡度,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為水土保持服務能力指數；NPPmean和Fslo含義與計算方法同上；K為土壤可侵蝕因子。

Sws=NPPmean×K×Fq×D

式中,Sws為防風固沙服務能力指數；NPPmean含義與計算方法同上；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；NPPmean和Fpre含義與計算方法同上；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 昌平區生態功能評價圖Fig.2 The assessment maps of ecological functions

并且搜集了昌平區土地沙化敏感性、泥石流易發區和名勝風景區(包括國家級和市級森林公園分布范圍,國家級和區縣級的風景名勝區)的空間分布信息[33]。但是上述生態評估結果的分級類別及對應的空間精度一般較粗,只為識別生態保護紅線提供必要參考信息。

2.2.2 識別生態保護紅線區范圍

劃定生態保護紅線區的目的之一是將各生態功能區、敏感區、生物多樣性保護區等都納入統一管理的空間區域,實現一體化管理。生態紅線區是各生態功能區、敏感區和生物多樣性保護區的空間區域的集合,當然存在重疊部分。為識別生態保護紅線區的空間范圍,利用ArcGIS軟件將昌平區的水源涵養功能、土壤保持功能、防風固沙功能、生物多樣性、土地沙化敏感性、泥石流易發區和名勝風景區的評價結果圖層進行空間疊加分析,并根據疊加結果進行分級評價,得到一個分級的綜合評估結果(圖2,表1)。根據綜合評估結果,刪除一些零散細小斑塊,并將生態紅線附近的細小斑塊合并到臨近的大斑塊。確定昌平區生態保護紅線綜合評估方案面積549.38km2,占全區面積的40.89%,主要分布在劉村鎮、南口地區、十三陵鎮和延壽鎮的部分地區。由于以上參與疊加分析的各圖層空間精度都比較粗,所以綜合評估圖層僅展示生態保護紅線區的大致范圍,還需要進一步確定生態保護紅線的明確邊界。

2.2.3 準確定位生態紅線邊界

確定生態保護紅線邊界,空間精度十分關鍵。空間精度越高,邊界定位越精準。為得到更為精準的生態保護紅線邊界,采用空間精度較高土地利用數據與上述分級的綜合評估圖進行空間疊加分析。土地利用數據是國家第二次土地調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據(以下簡稱二調數據)。二調數據以1∶1萬標準分幅數字正射影像圖為載體,套合省、市、縣等各級境界與鄉、村等土地權屬界線,確定了全國每一塊土地的類型、面積、權屬和分布信息,是目前全國尺度上比例尺最大,準確率較高的土地利用類型圖[23]。空間精度較高土地利用數據與綜合評估圖進行空間疊加分析,以實現生態保護紅線由低分辨率的綜合評價到高分辨率、具有明確邊界的轉變。

表1 昌平區各生態功能區面積及所占全區面積的比例

確定生態保護紅線精細邊界的技術流程主要包括：數據預處理,選取和初步處理土地利用數據,疊加邊界處的處理,以及基于高分辨率圖像及各種規劃的調整(圖3)。

圖3 準確定位生態紅線邊界的技術路線圖Fig.3 The technical route to locate the boundary of the ecological redline accurately

(1)數據預處理 主要是進行數據格式和投影轉換,以保證數據的空間投影信息一致性,防止疊加圖層之間空間上不對應；將具有同一地類屬性的斑塊進行合并；還要刪除遙感反演、評估時產生的破碎及細小斑塊,消除細小斑塊的影響。按照生態保護紅線連續性分布和易于管理的原則,單個面積小于1km2,且分布零散的,將其刪除。單個面積小于1km2(此值可以根據不同的區域進行調整),但分布較密集,說明此處生態地位較重要,用聚合的辦法(ArcGIS軟件中ArcToolbox下的Cartography Tools中的Aggregate Polygons功能),將細小斑塊合并,使得生態保護紅線區相對較完整。破碎問題得到一定程度上的解決,可以減少行政區內生態保護紅線的斑塊數量,便于后續對生態保護紅線區的管理。

(2)選取和初步處理土地利用數據 按照上述“綜合評估圖層”中的生態保護紅線區的大致范圍選取二調土地利用數據(圖4a)。并對選取的土地利用數據按土地利用屬性進行數據融合,扣除土地利用中的建設用地、工礦用地等非生態用地。具體操方法是利用地理信息系統軟件ArcGIS中的按位置選取功能(select by location)提取與生態保護紅線評價初步結果相交的土地利用調查數據；在提取的土地利用調查數據中,利用屬性融合工具(dissolve)將具有同一地類屬性的斑塊進行合并；利用屬性選擇工具(select by attributes),選取城市、建制鎮、工業開發、礦產開發等建設用地,將大規模建設用地等不適宜劃入生態保護紅線區的土地利用類型,予以刪除。

圖4 昌平區土地利用類型圖及與綜合評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 二調土地利用數據與綜合評估圖層疊加之后,需要利用ArcGIS軟件的拆分工具(identity)對邊界處的多邊形斑塊進行拆分。然后利用土地利用數據屬性表中的Fid號和面積比例確定邊界。拆分結果中位于評價結果范圍外而且面積百分比>50%的多邊形直接刪除；將位于評價結果范圍內且面積百分比<50%的多邊形直接刪除。

具體操作步驟如下：二調數據中的原有A多邊形與生態保護紅線評價初步結果數據疊加后,拆分為A1和A2兩個多邊形,原有多邊形B拆分為B1和B2兩個多邊形(圖4b)。疊加后,位于生態保護紅線評價結果數據內的A1和B1兩個多邊形有一列fid_1號與原多邊形的fid號一致,而位于生態保護紅線評價初步結果數據外的A2和B2兩個多邊形,屬性表中有一列fid_1號為-1。計算疊加后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,發現疊加邊界處，綜合評估圖層外,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 利用高分辨率數據調整后的昌平區生態保護紅線邊界及生態紅線方案調整前后對比圖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劃的調整和修正邊界 經過步驟(3)處理后的數據與國家二調的高精度遙感影像、土地規劃等輔助資料疊合,并參考土地利用調查數據和基礎地理信息數據中的地類圖斑、線狀地物圖層、注記圖層、行政區劃等屬性信息,采用交互式矢量化的方法,修正和確定生態保護紅線邊界。再根據昌平區土地利用規劃等各種規劃進行調整。最終得到調整后的昌平區生態保護紅線建議方案(圖5a)。

3 昌平區生態保護紅線的調整優化

調整后的生態保護紅線總面積562.84km2,與生態保護紅線初步評價結果(紅線面積549.38km2)相比,二者重疊474.19km2,重疊率為86.31%(圖5b)。其中城郊結合部位二者的差異較大,具體表現在劉村鎮的西南部土地利用類型是果園,不適宜劃入生態保護紅線進行永久保護。其次是延壽鎮北部區域,生態保護紅線評價結果生態功能處于重要和極重要之間,土地利用類型是果園和灌木林地,將果園部分從生態保護紅線中刪除,保留了天然灌木林地部分。

生態保護紅線邊界優化調整前后的差別主要表現以下3點：一是分辨率的變化。邊界調整前,根據評價得出的生態保護紅線的分辨率最高250m,馬賽克現象明顯；邊界優化調整后,生態保護紅線的分辨率與土地二調的分辨率一致,且保持了生態景觀的完整性。二是紅線內土地利用類型的變化。調整前,由于分辨率較低,部分建設用地或其他不宜劃入生態保護紅線的土地利用類型包含在生態保護紅線范圍內。調整后,這一問題不再存在。三是與相關規劃的銜接問題。調整前,單純依靠評價的結果,沒與相關規劃進行銜接,基于二調數據和相關規劃進行調整后,預留出目前規劃的各種非生態保護紅線的用地,便于生態保護紅線范圍內實行嚴格保護。

4 討論

生態保護紅線邊界的確定非常復雜,既是學術問題,又是協調保護和發展的社會實踐問題。中國將生態保護紅線作為生態管理的重要手段,主要目的是將現有各類生態功能保護區、生態脆弱和敏感區等進行一體化管理,實現經濟、社會和生態環境的協調可持續發展[10]。因此劃定生態保護紅線邊界時涉及到各類自然保護區、生態脆弱區、生態敏感區、風景名勝區、各種建設規劃的歷史邊界。但是中國的許多保護區邊界不夠精確, 尤其是縣級、省級保護區。在生態環境評價中,人們經常采用分辨率較粗的MODIS數據、遙感反演的數據、模型模擬的柵格數據,以及小比例尺區劃地圖[34-36]。而且在生態環境評價過程中,投影坐標系統不一致極易產生各數據層之間空間匹配偏差問題,不同分辨率數據融合時經常導致數據空間精度降低等問題。因此生態環境評價中劃定的生態功能區、生態脆弱區和生態敏感區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據,實現了由低分辨率到高分辨率的轉換,為生態保護紅線的實際落地勘查提供了精細工作底圖。有利于將生態保護紅線落實到邊界明確的具體地塊,一定程度上解決了生態保護紅線的邊界模糊問題。

目前,國家生態保護紅線已經被正式寫入新修訂的《中國環境保護法》,并被確定為國家十三五規劃的重要內容[19,37]。但是各省及全國的生態保護紅線的劃定還沒有完成,最終的野外設標定界還在進行之中,生態保護紅線的后期監督管理尚未展開。在圖上劃定生態保護紅線邊界之后,還需要野外核查。本研究以北京市昌平區為案例闡明生態保護紅線的流程及關鍵技術,僅僅解決了生態保護紅線在圖上精確定界的技術問題,還需要進行野外勘察以提高劃界精度和修正圖上劃界錯誤,以及野外設標定界等問題。

《生態保護紅線劃定技術指南》中建議將國土面積的35% 的區域確定為國家生態保護紅線。在本研究中,北京市昌平區生態保護紅線區面積占該區總面積的32.15%,比較接近國家尺度上的生態紅線區的面積比例。由于各地區生態環境存在非常大差異,確定生態保護紅線面積占國土面積比例時不必追求一致。應綜合考慮當地的自然環境特點、經濟發展、人口、城市等一系列問題。既要保護生態環境,又要為經濟、人口和城市的協調發展留出必要的空間。因此生態保護紅線占有的面積比例應因地而異,不能盲目追求與國家整體的生態紅線面積比例一致。

本文技術方法是以衛星遙感信息和GIS技術為基礎的。衛星遙感影像及解譯的土地利用信息是精確識別生態保護紅線邊界的重要信息源。借助日益完善的GIS技術,本文實現了精確定位生態保護紅線的空間位置。隨著遙感衛星技術、衛星定位系統的蓬勃發展,以及相關的GIS軟件技術、互聯網技術、大數據技術的進步,對生態保護紅線邊界精確定位,以及后期的實時動態監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

重要生態功能區退化生態系統修復模式研究與應用示范(20140955)；中央級公益性科研院所基本科研業務費項目(20160103)

2016- 11- 18;

2017- 05- 31

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

10.5846/stxb201611182345

王麗霞,鄒長新,王燕,林乃峰,吳丹,姜宏,徐德琳 .基于GIS識別生態保護紅線邊界的方法——以北京市昌平區為例.生態學報,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.