一种基于防风固沙生态屏障的生态保护红线划分方法与流程

本发明涉及地理信息技术领域，尤其涉及一种生态保护红线的划定方法。

背景技术：

风域是以风为载体和传播介质，通过风的流动将上风向和下风向地区连接成为一个有机整体，形成一个完整的生态域。我国是一个沙漠化和土地退化严重的国家，光裸的地表由于缺乏植被的保护，沙尘很容易被风吹离地表，进入大气，影响空气质量。在持续大风或强天气系统的影响下，沙尘通过风远距离输送，进而影响更远的地区，带来更大范围的风沙灾害。生态屏障能够降低风沙灾害对下风区域的影响，为下风向地区社会经济发展提供良好的环境支撑。

《全国主体功能区规划》提出构建以青藏高原生态屏障、黄土高原-川滇生态屏障、东北森林带、北方防沙带和南方丘陵山地带以及大江大河重要水系为骨架，以其他国家重点生态功能区为重要支撑，以点状分布的国家禁止开发区域为重要组成的生态安全战略格局。但是，由于受到气候变化和人类活动干扰影响，我国生态屏障的生态环境问题依然突出。生态屏障的生态环境退化进一步影响到下风向城镇居住区、粮食主产区的人居安全。因此，划定并严守生态保护红线有助于改善生态屏障的环境质量，减缓和控制生态灾害，增强屏障的辐射效应。

现有生态功能区的保护红线划定方法，多是通过对特定区域生态系统服务的物理总量或相对强弱的静态评估，不考虑上下风向、内部区域间的关系，无法直接体现生态系统服务作为联系生态系统与人类福祉之间的纽带作用。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种基于防风固沙生态屏障的生态保护红线划分方法，用以解决现有方法不考虑上下风向、内部区域间的关系，难以定量、科学地进行生态保护红线划分的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

提供一种基于防风固沙生态屏障的生态保护红线划分方法，包括以下步骤：

S1.获取基础数据，预处理基础数据，并制作专题图；

S2.提取沙尘源地和风沙传输路径；

S3.确定保护对象；

S4.确定防风固沙生态屏障范围；

S5.评价防风固沙功能重要性，其中，计算防风固沙量，以防风固沙量为基准，将防风固沙功能重要性划分为至少2个等级，并在防风固沙生态屏障范围内进行重要性标注，其中等级划分可以采用自然断裂法；

S6.将防风固沙生态屏障范围内、标注为高等级重要性的区域提取出来，以提取区域的边界作为生态保护红线。

其中，步骤S1中所述的基础数据包括覆盖研究区域的气象数据、遥感数据、高程数据、生态系统类型数据、沙漠/沙地分布数据集、人口数据。所述的预处理具体包括数据格式转换、投影转换、重采样、裁剪等过程。制作专题图是经过信息提取和数据插值得到的，专题图的内容具体包括风速、风向、沙尘暴年平均发生日数、沙尘暴移动路径、植被覆盖度、相对高程、生态系统类型、沙漠/沙地分布、人口密度分布、城镇分布等。

步骤S2中提取沙尘源地和风沙传输路径的规则如下：基于沙尘暴年平均发生日数，植被覆盖度，沙漠、沙地、荒漠分布区确定沙尘源地；依据气象数据、沙漠/沙地分布、人口密度分布、城镇分布图，确定主导风向、上风向及下风向；综合沙尘源地及主导风向，结合沙尘暴移动路径，确定风沙传输路径。

步骤S3在风沙传输路径的下风向区域，选取城镇居住区作为保护对象。

步骤S4是基于风沙传输路径、植被覆盖度、相对高程确定生态屏障范围。

步骤S5中的防风固沙量的计算公式为Q＝Q_潜-Q_实；

其中Q_潜＝1.07×10^-9×(F-450)³，

Q_实＝1.07×10^-9×[exp(-0.00338P-0.000202P²)×F-450]³；

式中，Q_潜为潜在输沙量，Q_实为因风蚀而引起的实际输沙量，F为距地表1m高度处的风速值(cm/s)，P为植被覆盖度。

上述F值的计算规则如下：基于气象数据和DEM，分区域进行风速的插值；其中，高程差在500m以内的地区，采用反距离加权插值方法进行风速插值；其余地区针对不同风向与地形的关系，在向风坡与过渡风带采用幂指数拟合风速随高度的变 化；背风坡与顺风坡采用逐年最大风速进行反距离加权插值。

本发明有益效果如下：本发明在生态保护红线划定中引入生态域理念，确定沙尘源地、风沙传输路径、城镇位置等区域的空间结构关系，并考虑上下风向、地形等下垫面因素，通过计算防风固沙量来评价防风固沙功能重要性，再根据重要性划分生态保护红线。该方案定量揭示上风向生态屏障区与下风向保护对象之间生态系统服务转移的辐射范围和路径，以期为确定生态保护优先对象和制定区域之间的生态补偿提供科学参考。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为生态保护红线划定的流程图；

图2为沙尘暴年平均发生日数分布图；

图3示出了主导风向、上风向与下风向的空间结构；

图4为生态屏障空间分布图；

图5为主导风作用下地形坡向的划分图；

图6为防风固沙功能评价结果图；

图7为中国北方地区的生态保护红线分布图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

根据本发明的一个具体实施例，以中国北方地区为例，公开了一种基于防风固沙生态屏障的生态保护红线划分方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤S1.获取区域基础数据，预处理基础数据，制作专题图。

a.区域基础数据包括覆盖研究区域的气象数据、遥感数据、高程数据、生态系统类型数据、沙漠/沙地分布数据集、人口数据等。其中：

气象数据来源于中国气象数据网，包括长时间序列(可以是10年数据或更长)、研究区域内各气象站点逐年的风速、风向、沙尘暴平均发生日数等数据。根据气象站点的经纬度信息，采用Kriging空间插值法，将气象站点的气象数据在空间上差值，获取各气象数据的栅格图像。这部分处理可以在地理信息系统平台(如ArcGIS)上实现。

遥感数据在实施例中采用的是长时间序列的NDVI数据(Normalized Difference Vegetation Index，归一化植被指数)。实施例的数据来源于美国国家航空航天局(NASA)的EOS/MODIS数据产品，空间分辨率为250m。针对NDVI数据，为消除异常值的影响，采用最大合成法合成NDVI数据，再将月NDVI合成年最大NDVI影像，获取研究区域逐年及逐月的NDVI影像。

高程数据在实施例中采用的是DEM(数字高程模型)，但所述高程数据并不局限于DEM。实施例的DEM数据来源于NASA的STRM数据，图像空间分辨率为90m，数据来源可以不局限于STRM，也可以采用30m空间分辨率的ASTER GDEM或其他。基于DEM，可以进一步提取研究区域的坡向、相对高差等数据。

生态系统类型数据来源于全国生态十年调查数据库，包括森林、灌丛、草地、湿地、农田、城镇、荒漠和裸地等8种地表覆盖类型数据，时段为2000-2010年，范围覆盖我国北方大部分地区，数据以coverage和shp格式存储。

中国沙漠、沙地分布数据来源于中国科学院寒区旱区科学数据中心制作的中国1:10万沙漠/沙地分布数据集，该数据集包括我国沙漠的地理分布、面积大小、沙丘的流动性与固定程度等属性，数据以shp格式存储。

人口数量来源于研究区县市级社会经济统计年鉴。

b.数据预处理，包括数据格式转换、投影转换、重采样、裁剪。经过预处理后，各数据统一到一个坐标系、相同的图像分辨率下，并裁剪成相同大小的区域，以方便在后续步骤中进行叠加和计算。数据预处理可以在地理信息系统平台(如ArcGIS)上实现。

c.专题图制作。基于相应的基础数据，经过上述预处理后，进行信息提取和数据插值，制作风速、风向、沙尘暴年平均发生日数、沙尘暴移动路径、植被覆盖度、相对高程(500m)、生态系统类型、沙漠/沙地分布、人口密度分布、城镇分布等专题图。专题图制作可以在地理信息系统平台(如ArcGIS)上实现。

其中，植被覆盖度图是基于NDVI数据进行计算的，计算方法如下：

植被覆盖度式中NDVI_min、NDVI_max分别为区域最小、最大的NDVI值。通过对栅格像元值进行分类，将位于所有像元NDVI的分布概率的95％和5％所对应的NDVI值确定为NDVImax和NDVI_min，进而确定NDVI_max＝0.9495，NDVI_min＝0.049。

步骤S2.确定沙尘源地与风沙传输路径。

依据沙漠/沙地分布图、生态系统类型图、植被覆盖度图、沙尘暴年平均发生日数图，将沙尘暴年平均发生日数≥10天(图2)，且植被覆盖度≤20％的沙漠、沙地、荒漠分布区确定为沙尘源地。

依据风向数据、沙漠/沙地分布、人口密度分布、城镇分布图，确定研究区的主导风向、上风向及下风向。图3示例了主导风向、上风向与下风向的空间结构。

综合沙尘源地及主导风向，结合沙尘暴移动路径，利用ArcGIS软件，提取研究区的风沙传输路径。

步骤S3.确定保护对象。

在风沙传输路径的下风向地区选取城区常住人口在100万以上的城镇居住区作为保护对象。其中，基于研究区生态系统类型数据中的城镇属性，利用GIS技术提取保护城镇边界，该边界区域界定了保护对象。

步骤S4.确定防风固沙生态屏障范围。

防风固沙生态屏障地理位置上介于风沙源区与主要保护对象之间，一般由高大连续的山脉、高原以及地表植被组成。选取介于沙尘源地与保护对象之间区域，依据该区域位置的地形地貌特征、地表植被覆盖状况与风沙传输特征，利用空间叠加，将位于风沙传输路径、植被覆盖度≥30％、相对高程在500米以上的区域确定为生态屏障范围。该步骤可以在地理信息系统平台(如ArcGIS)上实现，实施例的生态屏障范围如图4。

步骤S5.评价防风固沙功能重要性。

步骤S51.计算防风固沙量。具体采用风蚀输沙率改进模型，依据该模型，防风固沙量为潜在输沙率(Q潜)与实际输沙率(Q实)之间的差值。公式为：

Q＝Q_潜-Q_实 (1)

Q_潜＝1.07×10^-9×(F-450)³ (2)

Q_实＝1.07×10^-9×[exp(-0.00338P-0.000202P²)×F-450]³ (3)

式中，Q为因风蚀而引起的防风固沙量；Q_潜为潜在输沙量；Q_实为因风蚀而引起的实际输沙量；F为距地表1m高度处的风速值(cm/s)；P为植被覆盖度。

其中，F值的计算规则如下：

面对地形复杂区域，地形对风速的影响很大，风在运动过程中遇到复杂地形，经过抬升、分流、阻挡等作用，风速会发生显著变化。高程差在500m以内的地区，地形起伏小，可以忽略地形对风速的影响；向风坡风速随海拔升高而变大，过渡风带风速明显增大，顺风坡风速则与来风风速相差不大，背风坡风速受地形阻挡、风速低于来风风速。因此，基于气象数据中的风向、风速数据和基于DEM提取出的坡度、坡向数据，分区域进行风速的插值。

实施例中，基于研究区气象数据中的多年风向资料与DEM数据，确定主导风作用下地形坡向的划分情况(图5)。高程差在500m以内的地区，采用反距离加权插值方法进行风速插值。其余地区针对不同风向与地形的关系，向风坡(270° -360°)与过渡风带(0-45° and 225° -270°)采用幂指数拟合风速随高度的变化；背风坡(90° -180°)与顺风坡(180° -225°)则直接用逐年最大风速做反距离加权插值。

上述幂指数模型为

式中，u、u1分别为z、z1高度上的风速，u1取反距离加权插值结果；z1为气象站风速测点高度(10m)，z为海拔相对高差，ρ为幂指数。本实施例中ρ取值为0.16。

步骤S52.采用自然断裂法，将防风固沙量(t/hm²)作为标准，将防风固沙功能重要性进行分级，并在防风固沙生态屏障范围内进行重要性标注。本实施例根据研究区的环境状况，分为5个等级：极重要Q≥475t/hm²；高度重要308t/hm²≤Q＜475t/hm²；中度重要183t/hm²≤Q＜308t/hm²；轻度重要80t/hm²≤Q＜183t/hm²；一般重要Q＜80t/hm²。评价结果如图6。

步骤S6.在防风固沙生态屏障范围内、将标注为高等级重要性的区域提取出来，以提取区域的边界作为生态保护红线。

实施例中，将极重要、高度重要和中度重要这3个等级的区域标注为高等级重要性区域，将防风固沙生态屏障范围内的这部分区域提取出来，以提取区域的边界作为生态保护红线，结果如图7。

需要说明的是，本发明并不局限于实施例中对沙尘源地、风沙传输路径、保护对象、防风固沙生态屏障范围的划分数值，针对不同的区域，应选择适合区域特征的数值进行沙尘源地、风沙传输路径、保护对象、防风固沙生态屏障范围的确定；且本发明不局限于将防风固沙量分为上述5个等级，也不局限于将极重要、高度重要和中度重要的这3个等级区域标注为高等级重要性区域。划分等级的数量、标注高等级重要性的等级应按照研究区的实际情况、生态保护的实际需求进行选取。此外，本发明各步骤的操作均是利用地理信息系统平台实现的，实施例采用的是ArcGIS软件，但本发明并局限于该软件，利用其它地理信息系统实现的也在本发明保护范围内。

综上所述，使用本发明进行生态红线划定，能够较好的反映生态系统服务作为联系生态系统和人类福祉之间的纽带作用，可以为识别生态保护优先对象和制定区域之间的生态补偿制度提供科学参考。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。