基于地表覆盖/土地利用数据的沁河源区生态保护红线边界处理

宁 婷，杜世勋，荣月静，王 伟，李 超

(1.山西省生态环境研究中心，山西 太原 030009；2.北京山海础石信息技术有限公司，北京 100012)

生态保护红线是指在生态空间范围内具有特殊重要生态功能、必须强制性严格保护的区域，是保障和维护生态安全的底线和生命线，通常包括生态功能重要区域、生态环境敏感脆弱区域等。依据原环境保护部、国家发展改革委发布的《生态保护红线划定指南》，全国各省红线划定工作自2017年全面铺开，现已基本完成省级层面划定方案，即将形成全国“一张图”。红线划定流程主要包括开展科学评估、校验划定范围、确定红线边界、形成划定成果、开展勘界定标等。其中，确定红线边界首要工作是进行边界处理，也就是借助地理信息系统软件，将栅格形式的极重要区、极敏感区科学评估结果转变为具有明确边界的矢量形式的极重要红线、极敏感红线边界，也称之为红线的“落图”。精准的红线落图对于下一步红线勘界定标和管理管控具有重要意义[1]。但是，目前生态保护红线相关研究工作多集中在科学评估和管控措施等领域[2-6]，有关边界处理方法的专门报道较少[7]。

《生态保护划定指南》指出，可根据地理国情普查、全国土地调查等明确的地块边界，也就是地表覆盖数据和土地利用数据来勾绘调整生态保护红线边界[8]。这两种数据是当前应用范围最广的土地分类数据，二者相互联系又有所区别：地表覆盖是土地利用的必要条件，土地利用是地表覆盖变化的最直接和主要的驱动因子，区别在于前者重点是对地球表面的自然属性进行描述，后者则侧重对土地社会属性进行分类[9-10]。目前，各省份红线划定过程中通常采用一种数据源进行红线边界处理，关于两种数据在生态保护红线边界落图中的适用性与差异性有待研究。

沁河是山西省第二大河，发源于太岳山脉霍山南麓，其源头区地处太岳山水源涵养与生物多样性保护重点生态功能区，是山西省生态保护红线划定的重要区域和典型区域。本文以沁河源区为例，分别采用地表覆盖和土地利用两种分类数据对生态功能极重要区评估结果进行落图，分析二者在红线落图过程中的优势，并探讨如何联合应用两种数据更加科学、精准地确定红线边界，以期为今后河流源头区等生态功能重要区域红线边界的优化调整提供参考。

1 研究区概况

沁河源区是指沁河流域范围内孔家坡水文站以上河段的集水区，地理位置处于北纬36°32′—36°58′，东经111°58′—112°32′之间，行政区划上属于山西省沁源县，面积1 360.71 km2，约占沁河流域总面积的10%(如图1所示)。地势西北高、东南低，平均海拔1440 m。地形地貌以土石山区为主，植被类型丰富，覆盖率高，生态功能强。区内主要河流有沁河(干流)、赤石桥河、紫红河等，均为山区泉溪性河流，呈自然形态。

2 材料与方法

2.1 数据来源

本文研究所用生态功能极重要区分布数据由研究区综合生态功能重要性评估结果分级后经数据格式转换(栅格→矢量)、数据聚合、填充孔洞、扣除破碎斑块等预处理步骤得到，面积为877.87 km2，主要分布在研究区内山高坡陡、植被覆盖良好的区域，中部河谷地带分布极少(如图2所示)。地表覆盖数据来源于山西省第一次全国地理国情普查成果，土地利用数据来源于山西省第二次土地利用现状调查数据库，均为最新矢量数据。

2.2 红线边界落图步骤与方法

采用ArcGIS 10.2软件对生态保护红线边界进行落图，主要步骤流程如图3所示。

(1)压覆面积比例(p)，是指极重要区栅格与其压覆的地表覆盖或土地利用地块的面积之比，取值范围为0

(2)非生态用地。在地表覆盖分类体系中，包括房屋建筑、铁路与道路、构筑物、人工堆掘地等；在土地利用分类体系中，包括耕地、园地、水利设施用地、城镇村及工矿用地、交通运输用地及部分其他土地。

(3)孔洞。孔洞是指位于生态保护红线合并斑块内部的地块。孔洞一般为耕地、村庄、低覆盖度草地等生态功能较弱的地块，未纳入生态功能极重要区或由于被极重要区压覆面积比例较低而剔除。为保证生态系统结构与功能的完整性，对面积小于1 km2的孔洞进行填充，面积大于1 km2的孔洞仍保留。

2.3 落图过程中的数据质控要求

为提高红线落图结果与评估结果的相符性，减少主观的人为判断，本文研究将落图过程中最大允许偏差设定为评估结果的“千分之一”。极重要区评估面积为877.87 km2，落图后极重要区红线面积保持在876.99—878.75 km2之间。

3 结果与分析

3.1 研究区地表覆盖与土地利用分类情况

3.1.1 地表覆盖分类

研究区地表覆盖类型可分为8大类44个亚类(见表1)。生态用地总面积1 270.88 km2，占研究区总面积的93.40%，绝大多数为林草覆盖，主要分布在研究区海拔较高的山地、丘陵等地带；非生态用地面积比例仅为6.60%，包括种植土地、房屋建筑、铁路与道路等，主要分布在研究区地势较为低平的河谷地带。

表1 沁河源区地表覆盖/土地利用分类

3.1.2 土地利用分类

研究区土地利用类型可分为8大类24个亚类(见表1)。其中，生态用地总面积1 247.08 km2，占研究区总面积的91.65%，主要包括林地、其他草地和灌木林地等；非生态用地面积比例仅为8.35%，绝大多数为旱地。由土地利用数据统计的生态用地面积比由地表覆盖数据统计的面积略少，这是由于土地利用数据按土地权属进行分类，某些耕地和园地的地表覆盖类型可能是草地或阔叶灌木林[11]。

3.2 基于单一数据源的生态保护红线边界落图

3.2.1 基于地表覆盖分类数据的红线边界落图

研究区综合生态功能极重要区压覆的地表覆盖地块共24 605个，总面积1 167.44 km2，是极重要区面积的1.33倍。从中进一步筛选出压覆面积比例较高的地块891.25 km2。经剔除非生态用地—孔洞填充—扣除破碎斑块后，得到红线落图面积为878.16 km2，占研究区面积的64.54%(如图4(a)所示)。

3.2.2 基于土地利用分类数据的红线边界落图

研究区综合生态功能极重要区压覆的地表覆盖地块共11 146个，总面积1 198.35 km2，是极重要区面积的1.37倍，略高于利用地表覆盖数据处理中的结果。从中进一步筛选出压覆面积比例较高的地块共885.72 km2。经剔除非生态用地—孔洞填充—扣除破碎斑块后，得到红线落图面积为878.71 km2，占研究区面积的64.57%(如图4(b)所示)。

由图4可知，二者落图面积相当，均满足最大允许偏差要求，与综合生态功能极重要区吻合性均较好。落图结果中二者重叠面积高达806.46 km2，不重叠部分主要位于红线斑块的边缘。这表明两种数据均适用于红线边界处理，只是红线斑块的边界有所不同。

3.3 地表覆盖数据和土地利用数据的联合应用

3.3.1 地表覆盖/土地利用数据落图特点

两种数据均适用于研究区红线边界处理，进一步对比分析可知，基于地表覆盖数据落图的优势在于从土地的自然属性出发，亚类更多更具体，其边界更能反映森林、灌丛、草地、河流等自然生态系统的边界。而土地利用数据中地类属性代表土地权属，采用该数据对生态保护红线落图斑块内耕地、园地等非生态用地作进一步剔除处理，可确保将红线落在自然生态空间内，避免与生产、生活空间交叉[12]。因此，若将两种数据联合应用，可有效结合二者的优势，既能确保将红线划定在生态空间内，又使其边界与自然生态系统边界充分吻合。

3.3.2 联合落图

首先，采用地表覆盖数据选出并进一步筛选压覆地块，然后采用土地利用现状数据剔除其中面积为7.42 km2的非生态用地，得到生态保护红线面积由891.25 km2降至883.83 km2。经合并地块—填充孔洞—扣除破碎斑块后，得到红线落图结果共包含33个斑块，面积为877.73 km2，占研究区面积的64.51%(如图5所示)。与极重要区的重叠率在90%以上，吻合良好。

最终落图结果中，99.49%为林地、草地等生态用地，只有0.51%为孔洞填充过程中补回的非生态用地，均位于红线斑块内部，以面积较小的耕地居多。而使用地表覆盖或土地利用数据单独对极重要区落图时，图4红线内非生态用地面积为8.92 km2和8.00 km2，占比分别为1.02%和0.91%。可见，两种数据联合应用时，红线内非生态用地的面积及占比进一步减少，既有效提高了红线保护效率，也便于红线后续的管控[13]。

4 结论与讨论

本文首先分别采用地表覆盖和土地利用两种土地分类数据对沁河源区综合生态功能极重要区红线进行落图，结果显示，两种数据均可用于红线边界处理工作，与极重要区评估结果吻合度均较高。进一步分析表明，前者更符合自然生态系统边界，后者则较好地兼顾了人工生态系统的土地权属。在此基础上，联合应用两种数据，即先利用地表覆盖数据筛选压覆地块，再利用土地利用数据剔除非生态用地，得到研究区极重要红线。相比于采用单一数据源落图，红线内非生态用地的面积及占比进一步减少，边界更加精准、清晰，有利于下一步红线勘界定标和管控。

本文研究可为今后河流源头区等生态功能重要区域生态保护红线边界的调整优化提供参考，但对于水土流失、土地沙化等生态环境敏感区域，由于其红线分布往往更加零散和破碎，还需进一步研究。