基于地表覆蓋/土地利用數據的沁河源區生態保護紅線邊界處理

寧 婷，杜世勛，榮月靜，王 偉，李 超

(1.山西省生態環境研究中心，山西 太原 030009；2.北京山海礎石信息技術有限公司，北京 100012)

生態保護紅線是指在生態空間范圍內具有特殊重要生態功能、必須強制性嚴格保護的區域，是保障和維護生態安全的底線和生命線，通常包括生態功能重要區域、生態環境敏感脆弱區域等。依據原環境保護部、國家發展改革委發布的《生態保護紅線劃定指南》，全國各省紅線劃定工作自2017年全面鋪開，現已基本完成省級層面劃定方案，即將形成全國“一張圖”。紅線劃定流程主要包括開展科學評估、校驗劃定范圍、確定紅線邊界、形成劃定成果、開展勘界定標等。其中，確定紅線邊界首要工作是進行邊界處理，也就是借助地理信息系統軟件，將柵格形式的極重要區、極敏感區科學評估結果轉變為具有明確邊界的矢量形式的極重要紅線、極敏感紅線邊界，也稱之為紅線的“落圖”。精準的紅線落圖對于下一步紅線勘界定標和管理管控具有重要意義[1]。但是，目前生態保護紅線相關研究工作多集中在科學評估和管控措施等領域[2-6]，有關邊界處理方法的專門報道較少[7]。

《生態保護劃定指南》指出，可根據地理國情普查、全國土地調查等明確的地塊邊界，也就是地表覆蓋數據和土地利用數據來勾繪調整生態保護紅線邊界[8]。這兩種數據是當前應用范圍最廣的土地分類數據，二者相互聯系又有所區別：地表覆蓋是土地利用的必要條件，土地利用是地表覆蓋變化的最直接和主要的驅動因子，區別在于前者重點是對地球表面的自然屬性進行描述，后者則側重對土地社會屬性進行分類[9-10]。目前，各省份紅線劃定過程中通常采用一種數據源進行紅線邊界處理，關于兩種數據在生態保護紅線邊界落圖中的適用性與差異性有待研究。

沁河是山西省第二大河，發源于太岳山脈霍山南麓，其源頭區地處太岳山水源涵養與生物多樣性保護重點生態功能區，是山西省生態保護紅線劃定的重要區域和典型區域。本文以沁河源區為例，分別采用地表覆蓋和土地利用兩種分類數據對生態功能極重要區評估結果進行落圖，分析二者在紅線落圖過程中的優勢，并探討如何聯合應用兩種數據更加科學、精準地確定紅線邊界，以期為今后河流源頭區等生態功能重要區域紅線邊界的優化調整提供參考。

1 研究區概況

沁河源區是指沁河流域范圍內孔家坡水文站以上河段的集水區，地理位置處于北緯36°32′—36°58′，東經111°58′—112°32′之間，行政區劃上屬于山西省沁源縣，面積1 360.71 km2，約占沁河流域總面積的10%(如圖1所示)。地勢西北高、東南低，平均海拔1440 m。地形地貌以土石山區為主，植被類型豐富，覆蓋率高，生態功能強。區內主要河流有沁河(干流)、赤石橋河、紫紅河等，均為山區泉溪性河流，呈自然形態。

2 材料與方法

2.1 數據來源

本文研究所用生態功能極重要區分布數據由研究區綜合生態功能重要性評估結果分級后經數據格式轉換(柵格→矢量)、數據聚合、填充孔洞、扣除破碎斑塊等預處理步驟得到，面積為877.87 km2，主要分布在研究區內山高坡陡、植被覆蓋良好的區域，中部河谷地帶分布極少(如圖2所示)。地表覆蓋數據來源于山西省第一次全國地理國情普查成果，土地利用數據來源于山西省第二次土地利用現狀調查數據庫，均為最新矢量數據。

2.2 紅線邊界落圖步驟與方法

采用ArcGIS 10.2軟件對生態保護紅線邊界進行落圖，主要步驟流程如圖3所示。

(1)壓覆面積比例(p)，是指極重要區柵格與其壓覆的地表覆蓋或土地利用地塊的面積之比，取值范圍為0

(2)非生態用地。在地表覆蓋分類體系中，包括房屋建筑、鐵路與道路、構筑物、人工堆掘地等；在土地利用分類體系中，包括耕地、園地、水利設施用地、城鎮村及工礦用地、交通運輸用地及部分其他土地。

(3)孔洞。孔洞是指位于生態保護紅線合并斑塊內部的地塊。孔洞一般為耕地、村莊、低覆蓋度草地等生態功能較弱的地塊，未納入生態功能極重要區或由于被極重要區壓覆面積比例較低而剔除。為保證生態系統結構與功能的完整性，對面積小于1 km2的孔洞進行填充，面積大于1 km2的孔洞仍保留。

2.3 落圖過程中的數據質控要求

為提高紅線落圖結果與評估結果的相符性，減少主觀的人為判斷，本文研究將落圖過程中最大允許偏差設定為評估結果的“千分之一”。極重要區評估面積為877.87 km2，落圖后極重要區紅線面積保持在876.99—878.75 km2之間。

3 結果與分析

3.1 研究區地表覆蓋與土地利用分類情況

3.1.1 地表覆蓋分類

研究區地表覆蓋類型可分為8大類44個亞類(見表1)。生態用地總面積1 270.88 km2，占研究區總面積的93.40%，絕大多數為林草覆蓋，主要分布在研究區海拔較高的山地、丘陵等地帶；非生態用地面積比例僅為6.60%，包括種植土地、房屋建筑、鐵路與道路等，主要分布在研究區地勢較為低平的河谷地帶。

表1 沁河源區地表覆蓋/土地利用分類

3.1.2 土地利用分類

研究區土地利用類型可分為8大類24個亞類(見表1)。其中，生態用地總面積1 247.08 km2，占研究區總面積的91.65%，主要包括林地、其他草地和灌木林地等；非生態用地面積比例僅為8.35%，絕大多數為旱地。由土地利用數據統計的生態用地面積比由地表覆蓋數據統計的面積略少，這是由于土地利用數據按土地權屬進行分類，某些耕地和園地的地表覆蓋類型可能是草地或闊葉灌木林[11]。

3.2 基于單一數據源的生態保護紅線邊界落圖

3.2.1 基于地表覆蓋分類數據的紅線邊界落圖

研究區綜合生態功能極重要區壓覆的地表覆蓋地塊共24 605個，總面積1 167.44 km2，是極重要區面積的1.33倍。從中進一步篩選出壓覆面積比例較高的地塊891.25 km2。經剔除非生態用地—孔洞填充—扣除破碎斑塊后，得到紅線落圖面積為878.16 km2，占研究區面積的64.54%(如圖4(a)所示)。

3.2.2 基于土地利用分類數據的紅線邊界落圖

研究區綜合生態功能極重要區壓覆的地表覆蓋地塊共11 146個，總面積1 198.35 km2，是極重要區面積的1.37倍，略高于利用地表覆蓋數據處理中的結果。從中進一步篩選出壓覆面積比例較高的地塊共885.72 km2。經剔除非生態用地—孔洞填充—扣除破碎斑塊后，得到紅線落圖面積為878.71 km2，占研究區面積的64.57%(如圖4(b)所示)。

由圖4可知，二者落圖面積相當，均滿足最大允許偏差要求，與綜合生態功能極重要區吻合性均較好。落圖結果中二者重疊面積高達806.46 km2，不重疊部分主要位于紅線斑塊的邊緣。這表明兩種數據均適用于紅線邊界處理，只是紅線斑塊的邊界有所不同。

3.3 地表覆蓋數據和土地利用數據的聯合應用

3.3.1 地表覆蓋/土地利用數據落圖特點

兩種數據均適用于研究區紅線邊界處理，進一步對比分析可知，基于地表覆蓋數據落圖的優勢在于從土地的自然屬性出發，亞類更多更具體，其邊界更能反映森林、灌叢、草地、河流等自然生態系統的邊界。而土地利用數據中地類屬性代表土地權屬，采用該數據對生態保護紅線落圖斑塊內耕地、園地等非生態用地作進一步剔除處理，可確保將紅線落在自然生態空間內，避免與生產、生活空間交叉[12]。因此，若將兩種數據聯合應用，可有效結合二者的優勢，既能確保將紅線劃定在生態空間內，又使其邊界與自然生態系統邊界充分吻合。

3.3.2 聯合落圖

首先，采用地表覆蓋數據選出并進一步篩選壓覆地塊，然后采用土地利用現狀數據剔除其中面積為7.42 km2的非生態用地，得到生態保護紅線面積由891.25 km2降至883.83 km2。經合并地塊—填充孔洞—扣除破碎斑塊后，得到紅線落圖結果共包含33個斑塊，面積為877.73 km2，占研究區面積的64.51%(如圖5所示)。與極重要區的重疊率在90%以上，吻合良好。

最終落圖結果中，99.49%為林地、草地等生態用地，只有0.51%為孔洞填充過程中補回的非生態用地，均位于紅線斑塊內部，以面積較小的耕地居多。而使用地表覆蓋或土地利用數據單獨對極重要區落圖時，圖4紅線內非生態用地面積為8.92 km2和8.00 km2，占比分別為1.02%和0.91%。可見，兩種數據聯合應用時，紅線內非生態用地的面積及占比進一步減少，既有效提高了紅線保護效率，也便于紅線后續的管控[13]。

4 結論與討論

本文首先分別采用地表覆蓋和土地利用兩種土地分類數據對沁河源區綜合生態功能極重要區紅線進行落圖，結果顯示，兩種數據均可用于紅線邊界處理工作，與極重要區評估結果吻合度均較高。進一步分析表明，前者更符合自然生態系統邊界，后者則較好地兼顧了人工生態系統的土地權屬。在此基礎上，聯合應用兩種數據，即先利用地表覆蓋數據篩選壓覆地塊，再利用土地利用數據剔除非生態用地，得到研究區極重要紅線。相比于采用單一數據源落圖，紅線內非生態用地的面積及占比進一步減少，邊界更加精準、清晰，有利于下一步紅線勘界定標和管控。

本文研究可為今后河流源頭區等生態功能重要區域生態保護紅線邊界的調整優化提供參考，但對于水土流失、土地沙化等生態環境敏感區域，由于其紅線分布往往更加零散和破碎，還需進一步研究。