RS和GIS支持下的县域生态红线划定技术研究——以四川省汶川县为例

常睿春， 郭 科，王顾希，何予霄

(1.数学地质四川省重点实验室(成都理工大学)，四川 成都 610059；2.成都理工大学 管理科学学院，四川 成都 610059)



RS和GIS支持下的县域生态红线划定技术研究
——以四川省汶川县为例

常睿春1，2， 郭 科1，2，王顾希1，2，何予霄1，2

(1.数学地质四川省重点实验室(成都理工大学)，四川 成都 610059；2.成都理工大学 管理科学学院，四川 成都 610059)

“生态保护红线”是我国在生态保护领域的一项制度创新，“生态保护红线”的划定对维护我国生态安全具有重要战略意义。目前，我国“生态保护红线”的划定工作尚处于起步状态，在此背景下，采用遥感技术(RS)与空间信息技术(GIS)相结合的方法，以汶川县为例，研究县域尺度下的生态红线划定技术，研究结果表明，占汶川县辖区面积的62%属于生态功能红线保护范围。

生态红线；RS；GIS；AHP

中国社会经济高速发展了近40年，出现了人口激增、城市快速扩张、自然生态系统面积缩小、景观破碎化等问题，不仅导致了土地利用格局发生极大的改变，而且面临着自然资源耗竭，空气雾霾、水体污染等环境问题[1]。如何处理好环境、人口、资源和可持续发展之间的关系，将是未来中国社会经济发展的关键[2]。

2014年初，中国首个“生态保护红线划定”的纲领性技术指导文件《国家生态保护红线-生态功能红线划定技术指南(试行)》(以下简称“技术指南”)和《国家生态保护红线—环境质量安全底线划定技术指南(建议稿)》由环保部印发[3]，标志着即将启动全国范围内的生态保护红线划定工作。在此期间，不少学者纷纷展开相应研究，林生[4]、高吉喜[5]、董文渊[6]、林勇[7]等从理论上对政策的内涵、外延加以解读，同时提出环境影响评价的理论方法；喻本德[8]等以广东大鹏半岛为例，研究生态保护红线分区模式；燕守广等[9]在江苏省研究生态红线区域划分与保护。本文在前人研究的基础上，采用遥感技术与空间信息技术相结合的方法，以汶川县为例，研究县域尺度下的生态红线划定，将为汶川县生态保护的深化开展以及今后在我国全面推行生态红线划定工作提供有益的参考。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

汶川县位于四川省阿坝州东南部，东邻彭州市、都江堰市，南靠崇州市、大邑县，西接宝兴与小金县，西北至东北分别与理县、茂县相连(图1)。幅员面积4 084 km2，辖6个镇，7个乡。研究区地势由西北向东南倾斜，西部多分布海拔3 000m以上的高山，其中四姑娘山海拔为6 250m；东南部地势较低，其中漩口地区的岷江出口处海拔仅780m。随着东南向西北地势不断上升，呈现出比较完整的垂直气候带，可分为8个自然气候区，故有“十里不同天”之说。汶川县地质构造复杂，地层发育完整，岩浆岩分布广泛，矿产资源丰富。

1.2 数据来源

数字高程模型(DEM)数据源：ASTER GDEM 30m分辨率高程数据，ASTER GDEM 数据采用UTM/WGS84投影，数据格式为IMG栅格影像。遥感影像是本项目研究的重要数据源，是获取土地利用/土地覆被、植被盖度等地表信息因子的基础，对研究结果起着关键性作用。所以选择高质量的遥感影像非常重要。为覆盖研究区全区，在Landsat 8 OLI数据中选取了2013年两景影像(条带号130，行编号038，039，云量控制<5%)，影像清晰、数据质量较高满足遥感处理和信息获取的基本要求。其他基础数据来源于县志、年鉴、土地调查资料和地质资料等。

图1 研究区位置示意

1.3 研究方法

汶川县在四川省主体功能区规划中属于重要生态功能区(川滇森林及生物多样性功能区)，根据技术指南阐述“重要生态功能区红线划定意义在于维护自然生态系统服务，保障国家和区域生态安全。”生态系统服务(Ecosystem services)指自然生态系统为人类的生存与发展提供所需要的资源。可见，生态红线划定的依据就是评价生态系统服务功能对人类生存需求的满足程度，或者是为满足人类生存需要生态系统服务功能的实现情况。本次研究将利用遥感技术(RS)、空间信息技术(GIS)和层次分析法(AHP)相结合来进行生态系统服务功能的评价。

在大量收集和综合分析研究区背景数据后，根据实际情况，选取地形信息、人类活动和水土流失情况3个评价因子作为生态系统服务的基本指标。具体步骤如下：(1)地形信息：由高程值的大小和分布表征，在ArcGIS中利用重分类工具将DEM文件划分等级。(2)人类活动：人类活动的形式和物质能量交换的方式决定了生态系统因子的方向以及程度，进一步影响到整个区域生态系统的阈值和服务功能[10]。特别地，就一定范围而言，土地利用方式是否合理，直接影响了生态系统功能的协调与失调[11]。土地利用是人类通过土地获取服务和各种产品的过程，是人类活动的直接反应。本文由遥感影像提取土地利用/土地覆被信息。(3)水土流失情况：植被的分布情况和生长状况可以反映区域水土流失的程度。植被在陆生生态系统平衡中处于重要地位，本文用植被覆盖度来表达地表植被的覆盖情况。(4)生态系统服务功能的评价：首先构建层次结构的模型，其次各个评价因子重要性比较，再次由判别矩阵计算各个因子的权重、分级赋值，最后是判别矩阵的一致性检验。(5)区域生态功能红线划定：各个因子分级赋值后，在ArcGIS软件中将主要因子图层做叠加分析，得到生态系统服务评价值，再利用空间分析的重分类功能进行五级分类，按生态系统服务值由低到高依次划分：一般重要、较重要、中等重要、高度重要和极重要。根据研究区内主要生态系统服务重要性评价结果，将极重要和高度重要区域划定为生态功能红线范围。

2 结果与分析

2.1 高程信息

可以根据DEM中高程信息更加直观地了解研究区的地形、地貌总体格局及空间分布情况(图2)，分为<2 000 km；2 000～3 000 km；3 000～4 000 km；4 000～5 000 km；>5 000 km 5个等级。

2.2 土地利用/土地覆被信息提取

在提取土地利用/土地覆被信息之前，首先要对OLI数据进行预处理(图3)。接着按《土地利用现状分类标准》(2007)建立地表分类体系，然后构建土地利用/土地覆被解译标志，采用监督分类的方法完成遥感影像的分类，最后人机交互判读，对计算机自动分类结果修改，完成土地利用/土地覆被信息提取(图4)。

图2 DEM高程分级

图3 预处理流程

图4 研究区土地利用/土地覆被

根据划分结果可以看出：研究区林地覆盖范围最为广泛，其次为裸地和草地，城镇用地则多分布在水系附近，冰川及永久积雪分布在西部高海拔地区。

2.3 植被盖度遥感反演

植被盖度的计算是通过植被指数根据一定的关系模型和遥感分析方法。本文采用归一化植被指数(NDVI)对研究区进行分析。NDVI计算公式：

NDVI= (NIR-Red) /(NIR+Red)

(1)

式中：Red为红色波段(可见光)反射值，NIR为近红外波段反射值。

根据混合像元法的理论，利用研究区NDVI结果，计算出研究区的植被盖度。根据《水土保持技术规范》，将植被盖度分为5个等级(表1)。

表1 分级标准

图5 植被盖度

通过植被盖度图(图5)可以看出，中高植被类型是研究区主要的植被类型，总体而言，汶川县植被覆盖情况分布广泛，质量良好。研究区西部为裸地和一些冰川及永久积雪，由于受到不同气候、地形、地貌等自然因素影响，植被覆盖度较低，东部地区由于人类活动较频繁，也是低植被覆盖分布区域。区域植被覆盖好的的区域主要分布在中低海拔，水系发达地区，所占比例较大，主导着研究区的植被覆盖情况。

2.4 评价指标权重确定

根据实际与经验，对生态系统服务功能影响大小依次为：植被盖度、土地利用/土地覆被和高程。根据T.L.Seaty的标度法，对3个评价因子定量标度，构建研究区生态系统服务功能判别矩阵(表2)。

表2 判别矩阵

经过计算，得到矩阵的最大的特征根λmax=3.034，对判断矩阵进行一致性和随机性检验，结果符合AHP评价要求，最终各个评价因子(植被盖度、土地利用和高程)对生态系统服务功能影响的权重W0=(0.35，0.48，0.17)。

2.5 因子分级赋值

按照各个评价因子对生态系统服务总值的重要性由高到低依次赋值。植被盖度权重0.35，从高植被覆盖到低植被覆盖，对空气净化功能、水土稳固功能、气候调节功能等能力逐渐降低，即对生态系统的影响力越来越低，所以赋值也是越来越低。同理，土地利用反映的是人类活动，城镇用地→有林地、天然牧草地→冰川及永久积雪，人类活动越来越少，与生态系统的相互作用也逐渐降低，所以赋值也是越来越低。DEM数据直观描述了地形空间分布情况，高程值越大，区域相对高差越大，加之研究区江水切割影响，越易形成山势陡峻，河谷深切，高差悬殊的高山峡谷地貌。特别是临空面的陡崖、陡坡，堆积阶地变少，边坡稳定性变差，容易引发地质灾害。所以高程值越高，赋值越低。根据以上原则，对评价因子进行第二层赋值(表3)。

表3 评价因子分级赋值

在ArcGIS中导入3个因子图层，使用加算模型计算生态系统服务值。

(2)

式中：wi为生态系统服务功能影响的权重值，ci为因子分级赋值结果，再将结果相加，得到生态系统服务值数值范围：0.18～0.01。根据技术指南，将研究区的生态系统服务值由高到低分为5级(表4)。

表4 分级表

由图6可以看出，极重要与高度重要区域分别占汶川县辖区面积的40%与22%，按“技术指南”要求，汶川县生态功能红线面积占研究区面积的62%，对比收集的背景资料，研究区内包含了四川卧龙国家级自然保护区，四川草坡省级自然保护区，三江省级风景名胜区，特别是2008年地震后，草坡乡、银杏乡、耿达乡、卧龙镇等地区依然是滑坡、泥石流、崩塌等地质灾害频发的生态脆弱区域。说明该生态系统服务功能的评价方法有效，划定范围合理。

图6 分级面积比例结果

3 结论与讨论

通过本次县域尺度下生态红线划定技术的研究和探索，可以得到以下结论：

(1)研究结果表明汶川县总体植被覆盖率较高，林地与草地占较大比重，说明2008年地震过后，生态环境质量恢复较好，然而受地形影响，较大面积裸地开发难度高，加之汶川县灾后基础设施的重建与修复，在相当长的一段时期内，汶川县生态系统仍会受到各种开发建设活动的影响。

(2)本次研究是在遥感技术与空间信息技术的支持下进行的，利用DEM和Landsat 8 OLI数据提取高程、土地利用/土地覆被、植被覆盖度等3个因子做生态系统服务功能的评价，再利用空间分析的重分类功能进行一般重要、较重要、中等重要、高度重要和极重要五级分类。该技术流程为如何划定县域尺度的红线技术提供重要参考。下一步工作的方向将使用高分辨率的卫星遥感影像数据做进一步研究，提高划分精度和质量，以期得到更加精准的结果。

(3)红线划定后还需政府有关部门出台改善生态环境的一系列保护性政策，提高环境监管执法力度，确保重点生态功能区得到有效的保护。

[1]高吉喜.探索我国生态保护红线划定与监管[J].生物多样性，2015，23 (6):705-707.

[2]蒋大林，曹晓峰，匡鸿海.生态保护红线及其划定关键问题浅析[J].资源科学， 2015，37(9)：1755-1764.

[3]环境保护部自然生态保护司和生态红线划定技术组.国家生态保护红线：生态功能红线划定技术指南(试行)[M].北京：国家环境保护部印刷稿，2014.

[4] 林生，林惠宇，焦致娴.规划功能定位环境影响评价的方法与应用[J].环境影响评价，2014，(1):60-64.

[5] 高吉喜，邹长新，王丽霞.划定生态保护红线深化环境影响评价[J].环境影响评价，2014，(4):11-14.

[6] 董文渊，王逸之.生态保护红线划定对云南生物多样性保护影响研究[J].环境科学导刊，2015，34 (6):18-21.

[7] 林勇，樊景凤，温泉.生态红线划分的理论和技术探讨[J].生态学报，2016，36(5):1-10.

[8]喻本德，叶有华，郭微，等.生态保护红线分区建设模式研究——以广东大鹏半岛为例[J].生态坏境学报，2014，23(6)：962-971.

[9] 燕守广，林乃峰，沈渭寿，等.江苏省生态红线区域划分与保护[J].生态与农村环境学报，2014，30(3)：294-299.

[10]王成，魏朝富，高明.土地利用结构变化对区域生态健康的影响——以重庆市沙坪坝区为例[J].应用生态学报，2005，16(12):2296-2300.

[11] 肖玉，谢高地，安凯.莽措湖流域生态系统服务功能经济价值变化研究[J].应用生态学报，2003，14(5):676-680.

Delineation of Ecological Red Line in County Area Based on RS and GIS:A Case of Wenchuan County,Sichuan Province

CHANGRui-chun1,2,GUOKe1,2,WANGGu-xi1,2,HEYu-xiao1,2

(1.Geomathematics Key Laboratory of Sichuan Province(Chengdu University of Techndogy),Chengdu 610059，China;2.College of Management Science, Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China)

“ Ecological Redline” is a system innovation in the field of ecological protection in china to maintain the ecological security of our country which has an important strategic significance.At present,China's ecological protection redline delineation work is still in the initial state.Thus,by taking advantage of Remote Sensing Technology (RS) and spatial information technology (GIS),and taking Wenchuan County as an example,we do the ecological red delineation technology research at county scale.The research results show that 62% area of Wenchuan county belongs to the scope of protection of ecological function of the redline.

ecological redline;RS;GIS;AHP

10.3969/j.issn.1009-4210.2016.05.016

2016-09-09；改回日期：2016-09-12

国家自然科学基金主任基金项目(41541023)；四川省科技计划项目(2015SZ0199)；四川省科技厅支撑项目(2016FZ0008)；

常睿春(1983- )，女，博士，从事遥感技术及应用研究。E-mail：123124722@qq.com

X321

A

1009-4210-(2016)05-111-06

四川省社会研究“十二五”规划项目(SC15E008)