基于RS和GIS的万源市生态保护红线划定方法研究

邓地娟，王静雅，谢 强，田 雨

(1.四川省生态环境科学研究院，成都 610041；2.成都理工大学环境学院，成都 610059； 3.成都理工大学地球探测与信息技术教育部重点实验室，成都 610059)

前 言

生态保护红线是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，通常包括具有重要水源涵养、生物多样性维护、水土保持、防风固沙、海岸生态稳定等功能的生态功能重要区域，以及水土流失、土地沙化、石漠化、盐渍化等生态环境敏感脆弱区域[1]。

目前国内学者对生态红线划定技术方面的研究有基于土地利用视角来划定生态红线[2]；基于生态系统敏感性、生态系统服务、生态服务功能脆弱性等生态因子，划定生态保护红线[3]；基于GIS的分析功能，识别生态控制线[4]；通过“生态阀值”对生态红线划定进行优化等[5～8]。目前《生态保护红线划定技术指南》中对生态保护红线划定区域研究尺度相对较大，而国内外对县级规划技术在小尺度范围内的应用研究很少，已有的方法不能直接应用于小尺度的县级生态保护红线划定。本研究是从县域尺度的重要生态功能区、生物多样性保护区以及禁止开发区等重要区域出发，在总结国内省、市级及县级规划技术的基础上，结合万源市红线划定中存在的生态问题，构建了基于GIS和RS的小尺度生态保护红线划定的技术方法。为区县生态保护红线划定提供支撑，使红线划定成果更具可靠性，切实保护好具有重要生态功能和生态敏感的区域。

1 数据与方法

1.1 研究区域概况

万源市位于四川省东北部的达州市辖县级市，与大巴山紧密相连，全市幅员面积4 065km2。东接重庆城口县，南连宣汉县，西与平昌县、通江县接壤，北和陕西省的镇巴县、紫阳县毗邻，是连结川陕两省的重要通道之一，素有“秦川锁钥”之称[9]。下辖15个镇，37个乡。万源市属大巴山弧形构造带，构造形迹以褶皱为主，构造线呈北西-南东走向。万源市地处中纬度地区，属于北亚热带季风气候区，气候温润，雨量充沛，主体气候特征明显，地域差异较大，境内野生动植物十分丰富。河流发育，境内溪河属长江流域的嘉陵江水系和汉江水系。

1.2 数据来源

气象数据来源于中国气象局降水数据集/气温数据集，1980～2010年平均值栅格数据，空间分辨率1km。土壤数据来源于中科院南京土壤研究所得中国1∶100万土壤数据库。数字高程模型(DEM)来自于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)，空间分辨率30m，用以提取坡度等地形数据。遥感数据植被覆盖度数据来源于美国地质调查局MOD9A1数据集，2000～2014年平均值栅格数据，空间分辨率1km。土地利用数据来源于万源市林业局、万源市交通局、万源市水务局基础数据，地灾数据来源于万源市住建局2015年地质灾害调查报告内容，植被NPP数据来源于四川省“生态十年”遥感调查NPP数据集，2000～2010年平均值栅格，空间分辨率30m。

为统一研究区域评价尺度，本研究根据数据类型统一数据标准，然后转换至国家2000大地坐标系(CGCS2000)。

2 研究方法

结合万源市的实际情况，从生态服务功能、生态环境敏感性、禁止开发区识别来研究万源市生态保护红线的划定方法研究。本论文定性定量分析不同的生态功能重要性评估模型，通过评估结果选取效果最优、精度较高的评估模型作为评估方法，同时通过与传统生态环境敏感性方法对比，构建了新的生态环境敏感性评估方法，最后通过资料收集法识别出研究区的禁止开发区校验划定模型的合理性，从而使划定结果更加的符合实际。

2.1 生态服务功能重要性评估

生态服务功能包括水源涵养、土壤保持、生物多样性保护、防风固沙等[10]，该市生态服务功能评价的核心是土壤保持状态、水源涵养以及生物资源的多样性，结合万源市生态环境质量良好、物种丰富、水资源充沛的特点，采用水源涵养、水土保持和生物多样性作为评价内容。

2.1.1 水源涵养生态服务功能评估

水源涵养量是指在与裸地进行比较的前提下，环境系统中涵养水分的增加量。本论文采用基于水源涵养服务能力指数的NPP定量指标评估法和基于降雨量贮存量的模型评估法以上两种评价方法对水源涵养方面进行评估。(见表1)

表1 水源涵养生态服务功能评估方法比较Tab.1 Comparison of functional assessment methods of water conservation ecological services

续表1

根据生态系统服务功能指数将其重要性划分出几个不同等级，从高到低依次是极其重要、重要、中等重要以及一般重要。(见表2)

表2 土壤保持生态服务功能评估方法比较Tab.2 Comparison of soil conservation ecological service function assessment methods

2.1.2 土壤保持生态服务功能评估

根据生态系统服务功能指数将其重要性划分出几个不同等级，基于GIS技术，采用自然间断法从高到低依次是划分极其重要、重要、中等重要以及一般重要四个等级。(见表3)

表3 生物多样性保护生态服务功能评估方法比较Tab.3 Comparison of assessment methods of biodiversity conservation ecological services Function

2.1.3 生物多样性保护生态服务功能评估

按生态系统服务功能指数对其重要性进行等级区分，级别从高到低依次为：极其重要、重要、中等重要、一般重要。

2.1.4 生态服务功能评估模型精度分析

对于同一种生态服务功能的两种模型方法进行比较的时候，将不同方法模型的ROC曲线绘制到同一坐标中，通过分别计算不同模型方法下的ROC曲线的面积(AUC)来进行比较[15]。ROC曲线下的面积值(are under curve,简称AUC)在0-1之间，面积越大，说明该方法的评估效果越好。将ROC曲线应用于生态服务功能模型的效果分析，本研究运用SPSS软件，将生态服务功能下结合研究区筛选出的水源涵养重要区、水土保持重要区、生物多样性保护重要区不同模型预测结果及建模区内已经存在区域，从而得到水源涵养、水土保持、生物多样性生态功能重要性评估模型精度结果如图1所示。ROC曲线的评断标准为：在AUC<0.5，模型评估准确性较差；AUC=0.5，模型无价值；AUC在0.5～0.7时有较低准确性，AUC在0.7～0.9时有一定准确性，AUC在0.9以上时说明模型效果好[15]。

图1 水源涵养、生物多样性、水土保持生态功能重要性评估模型精度评价结果Fig.1 Precision evaluation results of the ecological function importance evaluation model for water conservation,water and soil conservation and biodiversity

通过精度评价结果对比可知，水源涵养降雨贮存量法精度83.1%高于水源涵养服务能力指数模型的精度74.2%；生物多样性维护服务能力指数模型和InVEST模型精度分别是83.3%和71.4%；土壤保持功能采用USLE和RUSLE模型精度为81.3%和71.4%；精度越高，模型越能反映实际情况，本论文选取基于降雨贮存量法、InVEST模型、USLE模型三个精度较高的模型来作为生态服务功能的评估方法。

2.1.5 生态系统服务功能重要性综合评价

以万源市的水源涵养重要性评价、土壤保持重要性评价和生物多样性保护重要性评价，来对万源市的生态服务功能重要性进行综合评价。对水源涵养重要性、土壤保持重要性和生物多样性保护重要性赋予权重，运用GIS技术将被赋予了权重的栅格图像进行叠加，获得生态系统服务功能重要性综合图，采用自然间断法将综合分析结果分为一般重要、中等重要、重要和极重要。

通过对4位在生态系统服务功能方面有研究基础的咨询，对上述的三类生态系统服务功能的重要性进行打分，在对4位专家的意见进行综合考虑之后，确定各项服务功能的重要程度，得到水源涵养、土壤保持和生物多样性三项生态服务系统功能的权重依次为0.36、0.28和0.36。

2.2 生态环境敏感性模型构建及敏感性评估

生态敏感区主要是受人类活动、气候变化、环境污染等影响易于引发生态问题的区域[16]，陆地生态环境敏感性评估主要包括石漠化敏感性、盐渍化敏感性、水土流失敏感性和土地沙化敏感性。万源市位于秦巴山区，具有较高的地质灾害风险等级，在本文中结合研究区实际情况，将地质灾害敏感性评估纳入到生态环境敏感性评估之中，但与此同时，万源市几乎不存在盐渍化和石漠化现象，在本文中不对盐渍化敏感性和石漠化敏感性进行评估。

2.2.1 水土流失环境敏感性模型构建

根据万源市基础资料和遥感数据可知，万源市生态环境指数良好，水资源丰富，地形地貌变化较大，同时植被覆盖度高，本论文结合研究区上述特点，总结影响万源市水土流失的主要因子包括高程因子、坡度因子、水文因子、植被因子、生态敏感区因子。分析单因子的生态敏感性空间分布情况，进而通过GIS技术对生态单元生态敏感性综合评价，计算各地理单元水土流失环境敏感性综合指数[13]。

(1)

式中：

A为水土流失敏感性指数；

Pi为因子权重值；

Ci为因子无量纲化值。

根据万源市实际情况，对各个因子赋予不同权重，如表5。

表5 水土流失敏感性各因子权重Tab.5 Weight of each factor of soil erosion sensitivity

将水土流失敏感性评价结果基于GIS技术，采用自然间断法从低到高分不敏感、一般敏感、敏感、极敏感4个等级。

2.2.2 地质灾害敏感性模型构建及评估

地质灾害敏感性评估的构建主要从保障生态系统自身的安全和生态系统对人类服务的安全两方面进行考虑，因此识别生态评估因子也从上述两方面进行分析。

本研究以历史文献和专家意见为理论基础，对万源现阶段的地质灾害情况进行评价，在此基础上参考四川省地质灾害规划等相关技术指南后选定评估因子并赋权重，利用GIS技术进行地质灾害敏感性评估，确定了研究区的地质灾害敏感性的评估因子和权重(见表6)，评估的公式为：

(2)

式中：

RRj表示第j个栅格单元的评估值；

Cij表示第j个栅格单元第i个因子的贡献值；

Pi表示第i个因子的权重值。

表6 地质灾害敏感性评估因子及权重Tab.6 Sensitivity assessment factors and weights of geological hazards

通过 GIS 技术进行无纲量归一化处理；通过生态因子叠置法将评估因子进行叠加，采用自然断点法将万源市的地质灾害敏感性评估结果分为不敏感、一般敏感、敏感和极敏感四级。

2.2.3 生态环境敏感性综合评价

对水土流失敏感性和地质灾害敏感性赋予权重，就能够获得赋予权重的栅格图像，接着利用GIS技术将被赋予了权重的栅格图像进行叠加，获得生态环境敏感性综合图，采用自然间断法将得到的综合分析结果分为不敏感、一般敏感、敏感和极敏感四个级别。

2.3 生态保护红线识别与划定

2.3.1 万源市生态保护红线划定范围识别

万源市生态保护红线划定研究的范围为万源市行政管辖区域内陆域和水域，总面积4 065km2，包括全市52个乡镇。在遥感解译和GIS技术分析评估的基础上，重点对生态服务功能重要的区域、生态环境敏感的区域，自然保护区、风景名胜区、饮用水源保护区等法律法规要求的禁止开发区域,以及其他具有重要生态调节功能的相关区域进行判断与识别。

其他具备重要生态功能的地区以及生态敏感区包括生态公益林、重要草原、重要滨河滨湖绿地、重要的城市绿地区域、水利风景区、重要生态林盘、重要交通干线生态廊道绿地等。万源市主要包括生态公益林，根据万源市林业局提供的生态公益林数据，公益林总面积为2 003.84 km2。

2.3.2 禁止开发区生态保护红线划定

根据《四川省主体功能区划》万源市的禁止开发区包括花萼山国家级自然保护区、蜂桶山省级自然保护区、黑宝山深林公园、东林山森林公园、龙潭河特有鱼类国家级水产种质资源保护区、城市及乡镇集中式饮用水源地，花萼山国家级自然保护区；本论文通过收集该数据源并利用GIS技术将数据整理为标准格式，万源市禁止开发区划入红线对万源市的生态价值具有重大作用。

2.3.3 其他生态保护红线划定

其他具有重要生态功能或生态极敏感、极脆弱的区域，包括生态公益林、重要湿地、重要草原、重要滨河滨湖绿地、重要的城市绿地区域、水利风景区、重要生态林盘、重要交通干线生态廊道绿地等。万源市主要包括生态公益林。

2.3.4 生态保护红线叠加分析

在相同的空间参考系统中，对划定区域内的重点生态功能区保护红线、脆弱区保护红线、生态敏感区以及其他生态保护红线进行综合分析，最终根据分析结果形成空间分布总图，将不同类型的红线纳入其中，更加直观地呈现出各个空间的范围与距离。利用GIS技术将叠加后的红线数据进行聚合处理，将比较汇集或距离较近的图斑进行聚合，进而获得比较完整的连片图斑，扣除独立细小图斑，为保证生态保护红线区生态完整性和连续性，红线斑块最小面积为0.5km2，以减少红线区的破碎化程度。

3 结果与讨论

3.1 生态服务功能重要性评估结果

3.1.1 水源涵养生态服务功能评估结果

根据降水贮存量法模型计算得到万源市生态系统水源涵养功能分级评价结果，见图2和表7。从表中可以看出，万源市水源涵养功能以一般重要级为主，占万源市幅员面积的45.73%。

图2 万源市水源涵养功能评价分级图(基于降雨量贮存 量法下水源涵养功能评价结果)Fig.2 Grading diagram of Water conservation function evaluation in Wanyuan City (Based on evaluation results of water conservation function under rainfall storage Method)

表7 万源市水源涵养功能重要性分级表Tab.7 Importance grading table of water conservation function in Wanyuan City

3.1.2 土壤保持生态服务功能评估

根据通用土壤流失方程USLE模型计算结果将万源市土壤保持功能划分为4级，见图3和表8。

图3 万源市土壤保持功能评价分级图(通用土壤流失方程(USLE)模型)Fig.3 Grading Map of Soil conservation Function Evaluation in Wanyuan City (General Soil Loss Equation (USLE) Model)

表8 万源市土壤保持功能评价结果表Tab.8 Evaluation results of soil conservation function in Wanyuan City

从表中可以看出，万源市土壤保持功能以一般重要级、中等重要级和重要级为主，分别占万源市幅员面积的30.43%、34.35%和27.90%。极重要级别仅占7.32%。

3.1.3 生物多样性保护生态服务功能评估

根据InVEST模型评价计算得到万源市生物多样性保护功能评价结果，见图4和表9。

图4 万源市生物多样性保护功能评 价结果图(InVEST模型)Fig.4 Evaluation Result of biodiversity conservation function in Wanyuan City (InVEST model)

表9 万源市生物多样性保护功能评价结果表Tab.9 Evaluation results of biodiversity conservation function in Wanyuan City

根据表9可知，万源市生物多样性保护功能以一般重要与中等重要级别为核心，两者占比较大，分别占万源市幅员面积的45.16%和27.7%。重要级和极重要级分别占19.06%和8.08%。

3.1.4 生态系统服务功能重要性综合评价

生态系统服务功能综合评价结果见表10。通过对各重要区域的统计可知，其中一般重要面积占24.97 %，中等重要面积占27.62%，重要面积占25.13%，极重要面积占22.28%。

由图5可以看出万源市生态功能极重要区域面积为905.82 km2,主要分布在森林公园、自然保护区、风景名胜区、地质公园及林地区域，这些地区往往地形地貌复杂，植被较好，物种丰富，富含巨大的生态系统服务价值。重要区域与极重要区域相互嵌套，不重要区域主要分布在地势平缓、植被覆盖度低的区域。

表10 生态系统服务功能重要性综合评价结果表Tab.10 Comprehensive evaluation results of ecosystem service function importance

图5 生态功能重要性综合评价分级图Fig.5 Comprehensive evaluation grading chart of ecological function importance

3.2 生态环境敏感性模型构建及敏感性评估

3.2.1 水土流失环境敏感性评估

根据基于GIS叠加分析模型下计算得到万源市水土流失敏感性评估模型评价结果，见图6和表11。

图6 万源市水土流失敏感性评价分级图Fig.6 Grading chart of water and soil erosion sensitivity evaluation in Wanyuan City

表11 万源市水土流失敏感性评价结果表Tab.11 Evaluation results of soil and water loss sensitivity in Wanyuan City

根据构建的基于GIS叠加分析模型下的水土流失敏感性模型，可以看出万源市水土流失极敏感区主要集中在禁止开发区内，和万源市的东北部及中部区域，分布在花萼乡、庙坡乡等乡镇，其中水土流失敏感性主要以极敏感为主，占万源市总面积的32.37%，其次是不敏感地区，占万源市总面积的24.71%。

3.2.2 地质灾害敏感性模型构建及评估

通过GIS技术进行无纲量归一化处理；通过生态因子叠置法将评估因子进行叠加，采用自然断点法将万源市的地质灾害敏感性评估结果分为不敏感、一般敏感、敏感和极敏感四级，得到万源市地质灾害敏感性分级图(图7)。

图7 万源市地质灾害敏感性分布图Fig.7 Distribution map of geological disaster sensitivity in Wanyuan City

统计结果表明，万源市地质灾害敏感性主要为敏感为主，面积为2 692.61km2，占比为66.24%；其次是一般敏感，面积占万源市幅员面积的22.97%，将极敏感区域纳入万源市生态保护红线。采用自然断点法将评估结果分为以下四级，分级结果见表12。

表12 万源市地质灾害敏感性评价结果表Tab.12 The evaluation result table of geological disaster sensitivity in Wanyuan City

3.2.3 生态环境敏感性综合评价

选取万源市的水土流失敏感性和地质灾害敏感性对万源市的生态环境敏感性进行综合评价。对水土流失敏感性和地质灾害敏感性赋予权重，就能够获得赋予权重的栅格图像，接着利用GIS技术将被赋予了权重的栅格图像进行叠加，获得生态环境敏感性综合图，采用自然间断法将得到的综合分析结果分为不敏感、一般敏感、敏感和极敏感四个级别。

通过对3位在生态环境敏感性方面有研究基础的咨询，通过对上述的两类生生态环境敏感性进行打分，在对3位专家的意见进行综合考虑之后，水土流失权重确定为0.67，地质灾害权重确定为0.33。生态环境敏感性综合评价结果见表13。通过对各重要区域的统计可知，其中不敏感面积占22.93%，一般敏感面积占37.72%，敏感面积占28.22%，极敏感面积占13.14%。

表13 万源市生态环境敏感性综合评价结果表Tab.13 Comprehensive evaluation results of ecological environmental sensitivity in Wanyuan City

图8 生态环境敏感性综合评价分级图Fig.8 Grading chart of comprehensive evaluation of ecological environmental sensitivity

由图8可以看出，生态环境极敏感区域的面积为533.99km2，占万源市幅员面积的13.14 %，主要分布在花萼山国家级自然保护区、蜂桶山省级自然保护区、八台山省级风景名胜区、四川大巴山国家地质公园、东林山森林公园、黑宝山森林公园及植被覆盖度高、降雨量大及地势陡峭的区域；生态环境不敏感区域主要集中分布在地势平缓、降雨量小的区域。

3.3 生态保护红线划定结果

3.3.1 万源市禁止开发区划定

万源市生态环境起重要作用的禁止开发区及其面积统计如表14。

表14 万源市禁止开发区面积统计Tab.14 Statistics of prohibited development zone area in Wanyuan City

3.3.2 万源市生态保护红线划定

万源市生态保护红线由生态服务功能区、生态环境敏感区和禁止开发区组成，根据万源市生态保护红线划定方法得到如下结果：

根据生态功能重要性评价综合分析，纳入红线的面积为360.62km2；以生态环境敏感性最终评估结果与等级分配结果为主要依据，在万源市生态保护红线中加入极敏感区，纳入面积为304.66km2；禁止开发区纳入红线的面积为769.62km2。

将叠加后的红线图，与万源市土地利用规划、万源市域总体规划等重要规划的数据进行比较，将城镇、工业发展等重要建设用地、集中连片分布的农田等不具有重要生态功能和生态保护价值的区域扣除，同时这些区域作为地方经济社会发展的空间也应适当预留出来。

结合《四川省市(州)、县(市、区)生态保护红线划定技术指南》和万源市相关规划，除旅游用地、交通路线占地等用地保留外，将基本农田、商品林、工业园区、居民聚集区、城镇建设用地、已取得探矿权和采矿权的区域以及交通道路用地从红线区识别并扣除，最后形成了万源市县域尺度上的生态保护红线。

图9 万源市生态保护红线分布图Fig.9 Red line distribution map of Ecological protection in Wanyuan City

3.3.2 传统生态评价法和万源市县级红线对比

图10是传统生态评价法与生态保护红线划定结果的对比分析图，根据本论文方法计算的万源市生态保护红线面积1 405.73km2，占国土面积的34.58%，传统生态评价法划定的红线面积1 078.57km2，面积增加了327.16km2，主要增加的为公益林、饮用水源地及生态功能极重要区、生态环境极敏感性区。

图10 传统生态评价法和生态保护红线 划定结果对比分析图Fig.10 Comparison and analysis of results of traditional ecological evaluation method and ecological protection red line demarcation

基于本论文研究方法划定的生态保护红线保护区与指南中的生态评价法划定的生态保护红线相比多划入了A-G，A、B、E、G为生态林地分布区，以指南为基础的生态评价法划定的红线部分被纳入此区域，本研究使用的方法能完整画出生态保护红线的分布范围。C为万源市西北部后河段流域沿岸，附近有城市饮用水源地；D为白沙河滩涂湿地。这两个地块的分布相对集中，同时它们均具备较高的生态服务功能价值，能有效维护周围水域生态系统，有利于绿地生态系统的良性循环，所以这两个地块应当被纳入生态保护红线。E为龙滩河和白沙河之间的林地，资源潜力较大，生产功能相对较强，调节能力相对突出，生态利用价值高，所以这片林地应当被纳入生态保护红线。由此可以看出，相比于传统的生态保护红线划定方法，基于本研究的模型构建及模型择优法能对生态用地演变等因素进行综合考量，在满足生态环境敏感性、生态系统功能重要性、禁止开发区重要性同等重要的条件下，将生态用地中状态稳定且资源潜力较大的部分纳入生态保护红线，从而提高了划定结果的合理性。

4 结 论

生态保护红线是国家和区域生态安全的底线，是保护和恢复生态环境、维持人类社会与自然和谐相处的重要纽带。在愈演愈烈的人类城镇化建设和自然环境保护的矛盾之中，生态保护红线的划定要考虑经济、社会、环境的可持续发展，本论文以万源市生态保护红线划定为例来研究县域尺度生态保护红线划定方法与应用研究，得到以下结论：

4.1 利用万源市遥感影像进行解译分类得到：万源市县域面积4 065km2，其中耕地面积998.01 km2，占24.55%；林地面积2 881.66 km2，占70.89%；草地139.07 km2，占3.42%；水域面积23.05 km2，占0.57%；居住用地20.76 km2，占0.51%。

4.2 选择水源涵养功能重要性、水土保持功能重要性和生物多样性功能重要性对万源市生态服务功能重要性进行评估，将其分为一般重要、中等重要、重要和极重要四个等级区域。其中一般重要面积占24.97%，中等重要面积占27.62%，重要面积占25.13%，极重要面积占22.28 %。

4.3 选择水土流失敏感性和地质灾害敏感性对万源市生态环境敏感性进行评估，将其分为不敏感、一般敏感、敏感和极敏感四个等级区域。其中不敏感面积占22.93%，一般敏感面积占37.72%，敏感面积占28.22%，极敏感面积13.14%。

4.4 本论文通过选取不同角度的生态功能重要性评估方法，结合定性定量分析，选取精度较高的评估模型作为生态保护红线划定评估因子；同时构建了生态敏感区重要性评估模型，通过该模型与基于水土流失敏感性指数的评估结果进行了对比，结果显示在县域尺度下，采用该模型更符合研究区客观情况。

4.5 创新性地构建了生态环境敏感性评估模型，同时对模型评价效果与传统生态环境敏感性评估方法做了对比和综合分析。在县域尺度上的生态保护红线划定方法研究基础上，完成了生态保护红线划定的效果验证，根据得出的划定结果可知，该方法与研究区生态环境保护的整体格局一致性好，方法在县域尺度上的时效性更强，能为县域生态保护红线划定工作提供参考。