基于多源数据的自然生态空间分类体系构建及其识别

张合兵，于 壮，邵河顺

（河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000）

1 引言

土地是人类赖以生存和发展的物质基础，具有社会、经济和自然生态属性，其对应的地域空间可以表述为城镇、农业和生态空间。近几十年来，随着城市化和工业化的进程加快，人口急剧增加，人类开发活动增强，对土地的需求不断增长。长期以来，中国的土地利用方式较多关注土地的社会经济特性，忽视土地的自然生态属性，很多有独特生态价值的自然生态空间被挤占，转变为农业、城镇空间，致使区域生态系统服务功能下降和生态敏感性增强，进而引发一系列严重的生态环境问题，如水体污染、土壤侵蚀、土地荒漠化和生物多样性丧失等，严重威胁区域生态环境安全与可持续发展。生态环境保护问题已成为各个国家所关注的共性问题，党的十八大将生态文明建设纳入到中国特色社会主义“五位一体”总布局，随后党中央、国务院以五大发展理念为引领，围绕“加快生态文明建设，提升国家国土空间治理能力和效率”目标，相继出台了《全面深化改革若干重大问题的决定》《中共中央、国务院关于加快推进生态文明建设的意见》《生态文明体制改革总体方案》等一系列政策，十九大提出建设美丽中国目标。可见生态文明建设已经成为新时代中国特色社会主义重要组成部分，因此开展自然生态空间内涵、分类和识别方法研究刻不容缓。在学术界，生态空间研究已成为热点，但目前对自然生态空间概念仍未有明确界定，其分类体系也存在争议，识别方法不尽相同[1]。本文拟基于国内外生态空间现有研究成果，界定自然生态空间内涵，构建多土地分类体系衔接的自然生态空间分类体系，并以鹤壁市为例，探索市县级自然生态空间识别方法，旨在为市县级自然生态空间用途管制试点工作提供理论和实践借鉴，推动区域生态文明建设，对于提升国家和地方国土空间治理能力和效率具有重大意义。

2 研究区概况、数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

鹤壁市位于河南省北部，太行山东麓与华北平原交界处。北纬35°26′～ 36°53′，东经113°59′～114°46′之间，东西北与安阳市接壤，南与新乡市相邻，南北宽约67 km，东西长约69 km，总面积 2 140.43 km2。全市辖三区（鹤山区、山城区、淇滨区）两县（浚县、淇县），其地表形态复杂，地势西北高东南低，呈阶梯式变化，层次分明。近年来鹤壁市主动适应新常态，积极融入河南省实施“一带一路”建设，社会经济发展迅速。但与此同时，也出现了一系列的环境问题，鹤壁市为资源型城市，随着对化石燃料的不断消耗，生态赤字、水资源短缺、水体污染严重、水土流失等生态环境问题较为突出。因此，开展鹤壁市自然生态空间信息识别提取，对于保障其生态系统结构和功能的完整性，改善生态环境现状，维护生态安全格局、协调经济发展与环境保护的关系至关重要。

2.2 数据来源与研究方法

土地利用现状数据是识别自然生态空间的重要基础数据。本文将采用从当地国土部门、环保部门、林业部门、水利部门、农业部门收集的多源数据，基于现有研究成果，在界定自然生态空间内涵基础上，采用归纳比较法构建市县级自然生态空间分类体系，并通过综合分析法建立与土地利用现状分类、地理国情普查分类、城乡用地分类、林业调查分类衔接的准则；采用GIS空间分析方法进行多源数据叠加分析。快速识别鹤壁市自然生态空间现状信息，确定自然生态空间类型、地域分布特征和面积。

3 自然生态空间概念及分类

3.1 自然生态空间研究现状和概念界定

目前，国际上对于自然生态空间的内涵没有明确和统一的内涵界定，国外在土地利用分类上或多或少体现了自然生态空间的理念和思想[2-5]。在国内，对生态用地研究较多，最早提出“生态用地”一词的是董雅文，她认为能提供生态功能的面状、线状或者带状要素都是生态用地[6]。此后，学术界对生态用地概念及内涵研究主要集中在两个方面：一方面是在城市尺度上为了保证城市生态安全格局而进行的城市生态空间内涵研究[7-9]；另一方面是在区域尺度上，以保护区域生态环境，维护区域生态安全格局，实现区域可持续发展而进行的区域生态空间内涵研究。但目前学术界对生态空间内涵尚未达成共识，主要存在三种观点：第一种观点为“生态要素决定论”，即重视土地生态要素的空间形态及其组合方式，董雅文认为按空间形态可分为两类，成片森林、湖泊水体、湿地、农业用地以及开敞空间等属于斑块生态空间；河流、沿海滩涂和交通走廊等属于带状或线状生态空间[6]。第二种观点为“生态功能决定论”，即认为凡是具有生态系统服务功能，能起到保护生态系统和自然环境的用地空间，都可作为生态空间。以龙花楼等学者的界定具有代表性，认为生态空间是指人工硬化地表之外，其他能直接或间接提供生态系统服务功能，且自身具有一定的自我调节、维持、修复和发展能力的土地[10]。第三种观点为“主体功能决定论”，认为土地是一个复合的系统，具有生活、生产和生态功能，生态空间应是以提供生态功能为主，对于以生产功能为主兼具生态功能的用地类型则不宜划为生态空间，如耕地、养殖水面等农用地。以喻锋等学者的界定具有代表性，认为区域生态空间是指农业和城镇空间以外，以提供生态产品、环境调节和生物多样性等生态系统服务功能为主要用途，对维持区域生态稳定，保障区域生态安全格局，实现区域可持续发展具有重要作用的用地空间[11]。可以看出，根据研究目的的不同，学术界对生态空间的内涵界定也不尽相同，但是都有着共同的认同，即认为是以发挥生态系统服务功能为主，对维持生态系统稳定性，调节生态系统内部结构具有重要意义的用地类型，如林地、草地、湿地、河湖、荒地等，对于以其他功能为主导地位的兼具生态功能的用地类型是否应该纳入生态用地的范畴还存在分歧，如耕地，园地、苗圃、养殖水面等以生产功能为主导地位兼具生态功能的用地类型。因此，基于国内外现有研究，依据《自然生态空间用途管制办法（试行）》，在应用于国土自然生态空间登记管理的前提下，笔者认为，对自然生态空间内涵界定应遵循生态功能主导性原则，考虑地域的实际差异性和空间的尺度性，将市县级自然生态空间定义为：生产性空间和承载性空间以外，以发挥环境调节、水土涵养、防风固沙、生物保育等生态系统服务功能，以提供维持生命支持系统、保障生态调节功能、提供环境舒适性的生态产品为主，对维护区域生态系统稳定性、保障区域生态安全格局具有重要作用的用地空间。这里指广义上的自然生态空间，既包括自然界中各类天然形成的自然生态空间，如森林、湿地、草原、沙漠、滩涂等，还包括那些经过人类改造形成的自然生态空间，例如防护林地、公益林地、人造水域、湿地公园，水源保护区，风景名胜区和自然保护区等。

3.2 自然生态空间分类体系

在国外生态空间并没有作为一项独立或专有的土地类型提出，但是在其土地利用分类体系中，或多或少地把能表征自然生态属性的用地类型单独分类出来[12-13]。在国内，学者们根据各自研究目的对生态空间分类体系作了大量研究，研究视角主要集中在两个方面：一是针对目前土地利用分类体系上存在的缺陷和问题，为了突出土地的自然生态属性，而进行的土地利用分类体系完整性的研究；另一方面是以保护生态系统服务功能、维护关键生态过程、保障区域生态安全格局为目的而进行的生态空间分类识别研究。从空间尺度上看有面向全国的多尺度、多维度分类体系，有服务于一般区域或城市扩展边界内的分类体系，也有因研究区的特殊性而进行的特定区域的分类体系。总体上看，国内学者对生态空间的分类主要有三种方法：根据土地利用/覆被类型划分；根据人类活动的影响程度划分；将两种方式相互结合划分。土地利用/覆被类型分类法主要是根据人类对土地的利用管理方式和土地所表现出来的自然和社会属性进行划分，如岳健、徐建、苏伟忠等[14-16]，该方法可以很好地与现行各种土地分类体系进行衔接，但不利于突出土地的生态功能，使得在界定生态空间时界线模糊；人类活动影响程度分类法主要是根据人类活动对土地功能影响程度的大小进行划分，如张红旗、周焱、龙华楼等[10，17-18]，该方法有利于区分生态系统服务功能重要区和生态系统敏感脆弱区，有利于人类对生态空间的规划管理和修复保护，但人类活动具有持续性、广泛性和复杂性，导致分类体系之间较为模糊，影响分类准确性。张月朋、刘芳、谭永忠等为了突出土地生态功能，同时有利于识别区域重要生态空间，以便于进行保护和修复，将两种方法结合对生态空间进行分类[1，19-20]。可以看出现有分类研究在各自研究体系内理论性很强，但实际推广应用难度大，不利于进行统一规划管理，同时各个分类体系之间难于横向对比，纵向上不具有衔接性，总之，生态空间分类体系仍在不断探索中。本文将在已有分类研究基础上，根据第三种分类方法，面向国家自然资源管理需要，构建多土地分类体系融合的市县级自然生态空间分类体系，主要包括基础生态空间、人工生态空间2个一级类，林地、草地等10个二级类，乔木林等26个三级类（表1）。

基础生态空间是指以发挥土地的生态功能为主，具有很高生态系统服务价值或者易受到人类活动影响而使环境恶化的空间，这类空间对于维护区域生态系统稳定性或者保障区域生态安全格局具有重大意义。对于该类土地应该采取科学全面的保护和修复措施，维护其原始状态，避免人类活动对其造成不利影响。人工生态空间是指经过人类活动改造，以发挥生态功能为主体，同时兼具一定的生产、生活功能，具有一定生态系统服务价值的空间，这类空间在改善人类生存环境，提供生态休闲场所等方面具有重要作用。此类空间应该在建立用途管制规则的基础上，有限制地进行建设用地开发活动，以减少对生态环境的破坏。

3.3 与现行分类体系的衔接准则

现行各种土地分类体系在实际国土资源管理中得到了广泛的应用，自然生态空间分类体系是以调查自然生态空间为目的。为了准确识别多源数据下自然生态空间，需要构建自然生态空间分类体系与多种土地分类体系的衔接准则。形成相互衔接的自然生态空间分类既是对现有土地分类体系的延伸和扩展，又在现有土地分类体系的基础上，凸显了自然生态空间的重要作用，使自然生态空间分类体系能与实际国土管理工作进行有效对接，推进自然生态空间分类体系在国土资源管理和生态建设中的实际应用。本文将通过以下衔接准则实现与土地利用现状分类、地理国情普查分类、城乡用地分类和林业调查分类的有效衔接（图1）。

4 多源数据下自然生态空间信息识别

4.1 多源数据下自然生态空间识别方法

自然生态空间的划定和管理涉及多个部门的职责，由于各个部门对自然资源的管理职权不同，对数据掌握的翔实情况不同，需要融合多部门收集的数据识别自然生态空间。本文中多源数据是指从涉及土地资源管理的多个部门中收集的数据（表2）。由于各个部门数据标准和形式不同，需要进行融合叠加处理，然后建立自然生态空间识别模型进行多源数据下自然生态空间识别（图2）。

（1）建立自然生态空间基础数据库。首先需确定数据库统一的坐标系统和属性结构，然后对全域调查数据和专项调查数据进行投影转换，按照统一的属性结构导入基础数据库中。

（2）对于全域调查数据，需要构建自然生态空间识别准则，解决多源数据图斑转换冲突问题。首先通过GIS空间分析法对全域数据进行叠加融合，建立多源数据下自然生态空间识别基准单元，使每个图斑单元具有多源数据属性结构，然后构建多分类体系组合的自然生态空间识别准则：①对于全部符合自然生态空间衔接准则的图斑单元直接转换到自然生态空间分类体系；②对于部分符合自然生态空间衔接准则的图斑单元，由于各类调查数据分类标准和调查精度不同，依据自然生态空间分类定义，构建不同自然生态空间地类下单一识别基准数据和组合识别基准数据，在符合单一识别基准数据源下，依据其识别自然生态空间地类，在不符合单一识别基准数据源下依据组合识别基准数据识别自然生态空间地类（表3）；③对于仅符合组合识别基准数据中的一种，则通过遥感影像进行判读，以乔木林为例，依据自然生态空间识别准则，可以识别转换为乔木林的地类组合有以下情况（表4），识别过程见图3。

表1 自然生态空间分类体系Tab.1 Ecological space classi fi cation system

（3）对于专项调查数据，作为对识别后的自然生态空间进行校核修正，修正步骤如下：①对专项调查数据和识别后自然生态空间进行叠加分析，专项调查数据范围内的自然生态空间保留原地类；②对专项调查数据内非自然生态空间和土地利用变更调查数据进行叠加分析，按照土地利用现状分类体系到自然生态空间衔接准则转换到自然生态空间。

（4）由于识别后自然生态空间破碎程度较高，需要相同地类间进行合并，对于面积小于1 000 m2的斑块采取就近融合处理方法，不能融合的独立斑块则不予保留。

图1 自然生态空间分类体系与多种土地分类体系衔接准则Fig.1 Interlink between ecological spatial classi fi cation system and multiple land classi fi cation system

4.2 自然生态空间识别结果

按照上述自然生态空间识别办法，识别出鹤壁市自然生态空间，其自然生态空间地域分布和各个地类面积及占比见图4和表5。从自然生态空间地域分布来看，呈现“西部集中，中东部分散”的特点。自然生态空间主要分布在鹤壁市西部，集中连片程度较高且自然生态空间类型丰富，主要为基础生态空间，受人类活动干扰程度较小，主要地类为林地和荒漠地。中部和西部多为人工生态空间和部分基础生态空间，人类活动影响程度较强，主要地类为城市绿色空间、园地、林地和河流等。结合鹤壁市地形地貌分析不难得出其原因，鹤壁市西部为太行山东麓与华北平原交错地带，多为山地丘陵，地势复杂，不宜作为农业和城镇用地，中部和东部属于华北平原地带，地势平坦，土壤肥沃，且交通便利，适宜农业生产和城镇建设。从面积上来看，鹤壁市自然生态空间总量为606.08 km2，占研究区面积28.32%。其中基础生态空间面积为554.41 km2，占研究区总面积25.90%，主要为林地和荒漠地，分别为331.09 km2和188.75 km2，占基础生态空间的93.76%。人工生态空间面积为51.67 km2，占研究区面积2.41%，主要为人工水面和城市绿色空间，分别为22.70 km2和17.65 km2，占人工生态空间的77.03%。可以看出，林地和荒漠地为鹤壁市主要自然生态空间，林地主要分布在西部山地区，部分分布在中东部河流和湿地周围，荒漠地主要分布在西部山区。林地在发挥水源涵养、水土保持、防风固沙等生态系统服务功能方面具有重要作用，荒漠地具有较高的生态敏感性，容易受到自然因素和人类活动的影响，进而引发自然生态空间退化等问题。因此，西部山区应该作为自然生态空间重点保护区，以生态系统服务功能保护和养育为主，禁止新增建设项目占用自然生态空间，同时积极开展荒漠地治理与恢复，提升生态系统稳定性，维护鹤壁市整体生态安全格局。

表2 多源数据形式及作用Tab.2 The forms of multi-sources data and their roles

图2 多源数据融合方法技术路线图Fig.2 Multi-sources data fusion method

表3 自然生态空间地类识别基准数据Tab.3 Benchmark data of ecological space types identi fi cation

图3 自然生态空间乔木林地类识别过程Fig.3 Identi fi cation process of arbor forest land in ecological space

表4 自然生态空间乔木林地类组合情况及识别准则Tab.4 Land combination and identi fi cation criteria of arbor forest in ecological spaces

图4 鹤壁市自然生态空间分布Fig.4 Distribution of ecological space in Hebi City

5 结论与讨论

5.1 结论

本文遵循生态功能主导原则对自然生态空间内涵进行了界定，提出了多种土地分类体系同自然生态空间的衔接准则，构建了多源数据下识别自然生态空间的方法，并以此为基础识别出鹤壁市自然生态空间，得到以下结论。

表5 鹤壁市自然生态空间规模及占比Tab.5 The scale and proportion of ecological space in Hebi City

（1）广义的自然生态空间是指生产性空间和承载性空间以外，以发挥环境调节、水土涵养、防风固沙、生物保育等生态系统服务功能，以提供维持生命支持系统、保障生态调节功能、提供环境舒适性的生态产品为主，对维护区域生态系统稳定性、保障区域生态安全格局具有重要作用的用地空间。

（2）构建了市县尺度自然生态空间分类体系，将自然生态空间分为两个一级类型、10个二级类型、26个三级类型，其中一级类型包括基础生态空间、人工生态空间。基础生态空间包括林地、草地、水域、特殊生态用地、湿地和荒漠地；人工生态空间包括园地、人工水面、城市绿色空间和生态基础设施空间。并探讨了自然生态空间同土地利用现状分类、地类国情普查分类、城乡用地分类和林业调查分类之间的衔接准则及其识别方法。

（3）依据自然生态空间分类体系、衔接准则和识别方法，识别出鹤壁市自然生态空间。其在地域分布上呈现“西部集中，中东部分散”的特点，其中基础生态空间面积554.41 km2，主要为林地和荒漠地；人工生态空间面积为51.67 km2，主要为人工水面和城市绿色空间。西部山区作为鹤壁市自然生态空间重点保护区，应该实行严格的自然生态空间用途管制，维护鹤壁市生态安全格局。

5.2 讨论

（1）本文通过界定市县级自然生态空间内涵，建立市县级自然生态空间分类体系、衔接准则以及多源数据下自然生态空间识别方法，为市县级自然生态空间识别提供了一种新的思路和方法。

（2）从某种意义上来说，任何地类都具有一定的生态功能，本文遵循生态功能主导原则，识别了具有普适性的自然生态空间。由于生态系统是一个复杂开放的巨系统，其与经济、社会、人口巨系统相互作用，相互影响，使得自然生态空间用地类型并不是一成不变的，其与周围其他地类共同发挥着生态功能。在实际情况中，要遵循因地制宜的原则，例如，在山区低丘缓坡耕地在防止水土流失，水源涵养，防风固沙方面发挥着重要的生态作用。

（3）各个分类体系分类标准不同，导致相同名称的地类在不同分类体系中范围不一致，本文只是在一定程度上实现了多源数据到自然生态空间的转换衔接，在快速识别市县级自然生态空间、了解其分布特征和规模方面上有重要意义，要精准识别市县级自然生态空间，仍需要进行野外人工调查。