基于GIS的神农架国家公园网格管护小区的划分

林丽群，王俊，李亭亭，汪正祥,3，谢新锐，谢启娇，王文华

(1. 湖北大学资源环境学院，湖北 武汉 430062；2.湖北大学国家公园研究中心，湖北 武汉 430062；3.区域开发与环境响应湖北省重点实验室，湖北 武汉 430062；4.神农架国家公园管理局，湖北 神农架，442421)

基于GIS的神农架国家公园网格管护小区的划分

林丽群1,2，王俊1，李亭亭1,2，汪正祥1,2,3，谢新锐1，谢启娇1,2，王文华4

(1. 湖北大学资源环境学院，湖北 武汉 430062；2.湖北大学国家公园研究中心，湖北 武汉 430062；3.区域开发与环境响应湖北省重点实验室，湖北 武汉 430062；4.神农架国家公园管理局，湖北 神农架，442421)

从地理分析角度出发，基于对山水林地一体化管理模式的理解与分析，进行神农架网格管护小区划分，以建立神农架国家公园科学管护体系.神农架国家公园网格小区的划分兼顾交通可达性、河网流域、森林体系、行政边界与各种保护区边界等因素.基于DEM数据，利用ArcGIS软件进行水文分析与表面分析，根据河网流域、分水岭、山谷线与山脊线进行区划，在综合分析的基础上，将神农架国家公园划分为18个网格管护小区，有利于神农架国家公园山水林地一体化管理目标的实现和实施科学、高效、统一、规范的管理.

DEM数据；网格管护小区；ArcGIS软件；山水林地一体化

0 引言

神农架现拥有国家级自然保护区、国家森林公园、国家湿地公园、世界地质公园、世界自然遗产地等保护地.虽然这些保护地对自然生态系统、生物多样性保护发挥了巨大作用，但保护地交叉、多头管理、碎片化管理问题也很突出.随着国家生态文明建设的深入推进，无论以现有保护地为基础的大范围管理还是以村为单位的小范围管理，都无法形成神农架国家公园的科学、高效、统一、规范的管理.

原有几大保护地基本以山脊或山谷构成的一定范围或者林斑为管理单位，而社区管理上又以行政村界为管理单元；这种仅以山系资源管护或社区管理的方式，无法为国家公园管理形成规范的、可复制的管护方式，也未能解决多头管理、碎片化管理等问题.因此在神农架国家公园总体规划中，引入了城市网格化管理的模式，该模式依托统一的管理以及数字化的平台，对神农架国家公园的自然资源实行精细化网格化管理[1-3].

网格化管理首要解决的问题是网格如何划分，而神农架特殊的地形地貌，按照城市网格划分标准显然不合理，因此需要针对神农架山地特点提出国家公园网格划分方法.本文中从地理角度出发，基于对山水林地一体化管理模式的理解与分析，将其理念贯彻进网格管护小区划分中.基于DEM数据，网格划分利用ArcGIS软件进行水文分析与表面分析，根据河网流域[4-5]、分水岭、山谷线与山脊线[6-8]进行划分，兼顾了交通可达性、河网流域、森林体系、行政边界与各种保护地区边界等几方面因素.该管理区划的建成有利于自然资源的合理管护，有利于推动国家公园社区共管体制的实施，也有利于形成可复制、可推广的资源保护管理模式.

1 数据源与划分方法

本文中以GDEMDEN 30 m分辨率的数字高程数据作为对大范围流域提取的数据源，以神农架林区提供的1∶1万等高线数据作为对神农架国家公园流域精细划分的数据源，以及1∶1万地形图数据作河流水系的数据源.利用ArcGIS软件，通过对DEM数据的分析，探索一种新的基于GIS的网格管护小区的划分方式.包括① 对汇水流域的提取，② 对山脊线与山谷线的提取，③ 对网格管护小区的划分与确定.

① 汇水流域提取.利用ArcGIS软件空间分析的水文分析功能，实现汇水流域的提取.首先利用大范围DEM提取汇水流域；将神农架国家公园地区DEM按汇水流域分割，对分割区域进行流域划分，以实现对该地区的流域区划.

②山脊线与山谷线提取.首先利用ArcGIS软件的栅格计算器得到反地形DEM；分别计算DEM数据与反地形DEM数据坡向变率，使用栅格计算器计算进行误差纠正的地面坡向变率SOA.其次对DEM数据进行邻域分析，得到DEM平均数据；使用原始的DEM数据与DEM平均数据，经栅格计算器计算得到正负地形分布数据Dvalue.最后利用上两步得到的SOA数据与Dvalue数据，经栅格计算器分析计算得到山脊线栅格数据与山谷线栅格数据；使用ArcScan自动矢量化山脊线与山谷线；并人工对该矢量数据进行修正与综合，得到主山脊线与主山谷线.

③ 网格管护小区划分.首先以行政村界线为基础，叠加各分支流域线数据(若有重叠或相邻极近地方，以行政村界为主)，并将其转换成面.最后结合各地区实际情况，参考主山脊线、山谷线、道路、各保护区边界等，分析该矢量面数据分割的合理性，并对不合理之处进行进一步分割与合并，实现对网格管护小区的半自动划分.

2 实验过程

2.1 汇水流域的提取 将大范围DEM数据进行填洼分析，形成无洼地DEM数据，结果如图1所示；利用水文分析下的流向分析工具，对大范围无洼地DEM数据进行流向分析.

利用水文分析下的盆域分析工具，对流向数据进行盆域分析，获得大区域的栅格汇水流域数据，如图2所示.栅格转面，获得汇水流域的矢量数据.对神农架国家公园地区的DEM数据按照汇水流域矢量数据进行裁剪，得到4个流域的DEM数据，结果如图3所示.

分别对这4个流域的DEM数据，重复第一至第三步，进行填洼、流向分析、盆域分析、矢量化处理分析，实现对神农架国家公园地区的各个分支流域的划分，如图4所示.

图1 大范围

图2 大范围DEM流域

图3 神农架国家公园各分支流

图4 神农架国家公园各分支流域划分结

在神农架国家公园的划分以及分析过程中借助了1∶1万地形图，已有现成的河网水系，故不再对河网水系进行提取.

2.2 山脊线与山谷线的提取 对于山脊线和山谷线的提取是基于规则格网DEM数据，借助ArcGIS软件空间分析工具下表面分析工具，使用平面曲率与坡形组合法来完成.

2.2.1 提取误差纠正的地面坡向变率SOA

① 求取原始DEM数据层的最大高程值，记为H；使用空间分析工具集中的栅格计算器，使用公式[H-DEM]，获得反地形DEM数据.

② 对原始DEM数据提取坡向数据，并对坡向数据进行坡度分析，得到原始DEM数据的坡向变率SOA1.

③ 以反地形DEM为数据源，重复步骤②得到反地形DEM的坡向变率SOA2.

④ 使用空间分析工具集中的栅格计算器，输入求取公式[( ([SOA1]+[SOA2])-Abs([SOA1]-[SOA2]))/2]，获取DEM的无误差坡向变率SOA.

2.2.2 提取正负地形分布数据Dvalue

① 使用空间工具下的邻域分析中的焦点统计工具，设置统计类型为平均值，邻域类型设置为矩形，邻域大小为11*11，得到一个11*11的矩形平均数据层mean.② 利用空间分析-地图代数-栅格计数器，输入求取公式[″DEM″—″mean″]，得到结果Dvalue.

2.2.3 对主山脊线与主山谷线的提取

采用现有河流矢量作为主山谷线，见图6.

图5 神农架国家公园主山脊

图6 神农架国家公园主山谷

2.3 道路体系分析 将神农架林区提供的道路数据做欧式距离分析，得到神农架国家公园道路体系分析数据，如图7所示.

2.4 网格管护小区划分结果 ① 将2.2提取的各个分支流域与、乡政村界线与各个保护区边界矢量线文件进行合并(若流域分界线与乡政村界线冲突，以行政村界为主)，并转换为面要素，将其作为网格管护小区的底图数据，结果如图7所示.

② 使用主山脊线与主山谷线对图8结果进行分割，得到网格管护小区初步划分结果，如图9所示.

图7 神农架国家公园道路体

图8 网格管护小区划分底

③ 根据地形、行政村界与流域分界线以及道路体系数据，以确保山林、水系的相对完整性为原则，对网格管护小区初步划分结果进行合并，得到最小干扰度的、最少划分数量的网格管护小区进一步划分示意图，见图10.

根据图10划分结果，按照各网格小区的实际情况，综合考虑交通可达性、特色区域区、区域大小、行政区界线等几方面因素，根据具体区域位置，各方面因素的权重情况对网格管护小区进行进一步归并整合.以大九湖管护小区、坪堑管护小区、东溪管护小区、阴峪河管护小区、下谷坪管护小区、神农顶管护小区为例进行说明.

图9 网格管护小区初步划分示意

图10 网格管护小区二次划分结果示意

区域1在村界的基础上完整地将出大九湖地区泥炭藓湿地划分出来，东以霸王寨为界将堵河流域下的洛阳河水系流域划分出来，南以村界为界线将其与以坪堑水库为基础的河流体系分离，所以将区域1单独划为C1网格管护小区，实施对大九湖小九湖区域的山林、湖泊、泥炭藓湿地的管护.并将C1网格管护小区命名为大九湖管护小区.

区域7属于坪堑河流域，是坪堑水库的位置所在.在区域7附近有区域8与区域6两块小区域，面积小不够作为一个单独的网格管护小区，与区域8相邻的区域中区域7在地理位置上最为符合，故将其归入区域7中，由于区域6与区域7同属一个行政村中，考虑到行政边界有利于今后保护区实施社区共管，避免矛盾，故将其归入区域7中.将区域6、7、8合并作为C2网格管护小区，并将其命名为坪堑管护小区.

大学理性失范的根源在于大学过分追求知识的外在功用，渐渐忽略和遗忘了大学理性的本质功能和内在要求。首先表现为大学内部人员(包括大学领导、教师和学生)价值观判断标准偏移，大量滋生实用主义、利己主义、拜金主义思想；其次表现为大学生人生观定位错误，悲观主义、轻生厌世、玩世不恭等情绪在校园流行；最后是大学文化的大众化、消费化、庸俗化和颓废化，甚至严重扭曲。[3]在大学理性失范的背景下，大学生对知识理性的追求也由于外在因素的干扰表现出复杂多样的变式，偏离了以知识理性为中心的学业目标。

图11 网格管护小区最终划分结果示意

在阴峪河流域中分布着区域9、10、11三个区域，南北较长，面积较为广.由于交通方面的影响，对阴峪河实施的管理属于自南向北进行的，考虑到在具体管理时，工作量及对突发状况的响应时间问题，将阴峪河流域分成两块进行管理，将区域11归入相邻的管理区内，区域9与区域10合并为C5阴峪河管护小区，实施对阴峪河流域的山林与水系湖泊的管理.

区域13至区域17为沿渡河流域，该流域只有一条从西北到东南的主公路，顾将其分为上下两个管护小区，区域13至区域15进行合并，作为C8板桥管护小区；区域16与区域17进行合并，作为C9下谷坪管护小区.

在交通方面，鸭子口至坪堑水库的公路作为仅次于国道的主要公路有着重要的意义，在这条主要公路两旁，分布着众多重要旅游景点，故将区域11、12、18、19合并为一个网管管护小区，即C7神农顶管护小区.

划分共形成18个管护小区，如图11所示(网管管护小区的编号为划分完成后按一定顺序完成).

2.5 网格管护小区面积管理区域 18个管护小区的管护面积、管护区域等如表1所示.

3 结论与讨论

在网格管护小区划分过程中，利用ArcGIS软件，实现了神农架网格管护小区的半自动划分.这种基于ArcGIS的划分方式，在考虑到行政边界的基础上，解决了今后网格管护小区管护过程中部分归属不清的问题.更重要的是，在此次划分过程中，将山水林地一体化理念运用在其中，以自然形成的山水格局划分网格管护小区，有利于实施流域管理和山、水、林、地的一体化管理，有利于保持生态系统的完整性与原真性.该划分方案综合了考虑原有保护区、湿地公园、风景名胜区等保护地边界以及行政村边界，并结合了神农架国家公园内交通状况，使网格管护小区的划分更加科学、实用，管理也更加方便，减少了人力成本.

神农架原有保护地分区管理的主要划分方式是根据地形图中等高线的走势结合其他参考数据人工划分，较花费时间，也难以实现对区域地形的完整把控，局限性较大.本文中提供的划分方式不但考虑了更多影响因素，也以一种更加宏观的视角，对各个影响因素在各个地区的实际影响进行了整理与归纳.实现了网格管护小区的快速、精准、科学的划分.从实验方法来说，使用基于GIS的划分方法划分的网格管护小区实现了保护、管理、社区发展的主体功能，具有较好的实践意义.

虽然这种半自动划分方法很大程度上优于原有保护地区划方案，但也需要进一步改进.如怎样实现网格小区由半自动划分到自动化分？如何科学判定该网格小区归弃整合过程中影响因子的权重？类似的问题需在今后的研究中进一步探讨.

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[2] 李舒. 城市网格化管理的运行机制研究[D] .上海：复旦大学，2008.

[3] 沈建. “数字城市”：北京网格化管理的新模式[N] .经济观察报，2005-11-20(2).

[4] 曾宏伟,李玉娟,刘玉梅,等. Arc Hydro Tools及多源DEM提取河网与精度分析—以洮儿河流域为例[J] .地球信息科学学报，2011，13 (1)：22-31.

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[8] 查正军. 基于数字高程模型(DEM)的地形特征提取[D] .上海：同济大学，2007.

(责任编辑 游俊)

The division of grid cells of management for ShennongjiaNational Park based on GIS

LIN Liqun1,2, WANG Jun1，LI Tingting1,2, WANG Zhengxiang1,2,3,XIE Xinrui1, XIE Qijiao1,2, WANG Wenhua4

(1.Faculty of Resources and Environmental Sciences, Hubei University, Wuhan 430062, China；2.National Park Research Center, Hubei University, Wuhan 430062, China；3.Hubei Key Laboratory of Regional Development and Environmental Response (Hubei University), Wuhan 430062, China；4.Shennongjia National Park Administration, Shennongjia 442421, China)

From the perspective of geographical analysis, based on the understanding and analysis of integration of the land, water, and forest, we divides Shennongjia to several grid districts, aiming at establishing scientific management system.The division of Shennongjia National Park grid area takes into account the factors such as traffic accessibility, river network, forest system, administrative boundary and various protected area boundaries. Based on DEM data, we use ArcGIS software for hydrological analysis and surface analysis,and consider the river network watershed,valley line and ridge line to divide the grid area. On the basis of comprehensive analysis, the Shennongjia National Park is divided into 18 grid cells,which is conducive to the goal of the integrated management land,water,and forest for Shennongjia National Park and implement scientific, efficient, unified, standardized management.

DEM data；the grid management community；ArcGIS software；integration of land;water and forest

2017-03-23

国家支撑计划(2013BAD03B03-01)、神农架国家公园总体规划项目、湖北省自然科学基金(2014CFB560)资助

林丽群(1981-)，女，副教授，主要从事遥感生态应用；汪正祥，通信作者，教授，博士生导师，主要从事生物地理学、保护生物学研究，E-mail：wangzx66@hubu.edu.cn

1000-2375(2017)05-0444-07

X36

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2017.05.002