一種基于防風(fēng)固沙生態(tài)屏障的生態(tài)保護(hù)紅線劃分方法與流程
本發(fā)明涉及地理信息技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種生態(tài)保護(hù)紅線的劃定方法。
背景技術(shù)：
風(fēng)域是以風(fēng)為載體和傳播介質(zhì)，通過風(fēng)的流動將上風(fēng)向和下風(fēng)向地區(qū)連接成為一個有機(jī)整體，形成一個完整的生態(tài)域。我國是一個沙漠化和土地退化嚴(yán)重的國家，光裸的地表由于缺乏植被的保護(hù)，沙塵很容易被風(fēng)吹離地表，進(jìn)入大氣，影響空氣質(zhì)量。在持續(xù)大風(fēng)或強(qiáng)天氣系統(tǒng)的影響下，沙塵通過風(fēng)遠(yuǎn)距離輸送，進(jìn)而影響更遠(yuǎn)的地區(qū)，帶來更大范圍的風(fēng)沙災(zāi)害。生態(tài)屏障能夠降低風(fēng)沙災(zāi)害對下風(fēng)區(qū)域的影響，為下風(fēng)向地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供良好的環(huán)境支撐。
《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》提出構(gòu)建以青藏高原生態(tài)屏障、黃土高原-川滇生態(tài)屏障、東北森林帶、北方防沙帶和南方丘陵山地帶以及大江大河重要水系為骨架，以其他國家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)為重要支撐，以點(diǎn)狀分布的國家禁止開發(fā)區(qū)域?yàn)橹匾M成的生態(tài)安全戰(zhàn)略格局。但是，由于受到氣候變化和人類活動干擾影響，我國生態(tài)屏障的生態(tài)環(huán)境問題依然突出。生態(tài)屏障的生態(tài)環(huán)境退化進(jìn)一步影響到下風(fēng)向城鎮(zhèn)居住區(qū)、糧食主產(chǎn)區(qū)的人居安全。因此，劃定并嚴(yán)守生態(tài)保護(hù)紅線有助于改善生態(tài)屏障的環(huán)境質(zhì)量，減緩和控制生態(tài)災(zāi)害，增強(qiáng)屏障的輻射效應(yīng)。
現(xiàn)有生態(tài)功能區(qū)的保護(hù)紅線劃定方法，多是通過對特定區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的物理總量或相對強(qiáng)弱的靜態(tài)評估，不考慮上下風(fēng)向、內(nèi)部區(qū)域間的關(guān)系，無法直接體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為聯(lián)系生態(tài)系統(tǒng)與人類福祉之間的紐帶作用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明旨在提供一種基于防風(fēng)固沙生態(tài)屏障的生態(tài)保護(hù)紅線劃分方法，用以解決現(xiàn)有方法不考慮上下風(fēng)向、內(nèi)部區(qū)域間的關(guān)系，難以定量、科學(xué)地進(jìn)行生態(tài)保護(hù)紅線劃分的問題。
本發(fā)明的目的主要是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
提供一種基于防風(fēng)固沙生態(tài)屏障的生態(tài)保護(hù)紅線劃分方法，包括以下步驟：
S1.獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，預(yù)處理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并制作專題圖；
S2.提取沙塵源地和風(fēng)沙傳輸路徑；
S3.確定保護(hù)對象；
S4.確定防風(fēng)固沙生態(tài)屏障范圍；
S5.評價防風(fēng)固沙功能重要性，其中，計(jì)算防風(fēng)固沙量，以防風(fēng)固沙量為基準(zhǔn)，將防風(fēng)固沙功能重要性劃分為至少2個等級，并在防風(fēng)固沙生態(tài)屏障范圍內(nèi)進(jìn)行重要性標(biāo)注，其中等級劃分可以采用自然斷裂法；
S6.將防風(fēng)固沙生態(tài)屏障范圍內(nèi)、標(biāo)注為高等級重要性的區(qū)域提取出來，以提取區(qū)域的邊界作為生態(tài)保護(hù)紅線。
其中，步驟S1中所述的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括覆蓋研究區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)、沙漠/沙地分布數(shù)據(jù)集、人口數(shù)據(jù)。所述的預(yù)處理具體包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換、重采樣、裁剪等過程。制作專題圖是經(jīng)過信息提取和數(shù)據(jù)插值得到的，專題圖的內(nèi)容具體包括風(fēng)速、風(fēng)向、沙塵暴年平均發(fā)生日數(shù)、沙塵暴移動路徑、植被覆蓋度、相對高程、生態(tài)系統(tǒng)類型、沙漠/沙地分布、人口密度分布、城鎮(zhèn)分布等。
步驟S2中提取沙塵源地和風(fēng)沙傳輸路徑的規(guī)則如下：基于沙塵暴年平均發(fā)生日數(shù)，植被覆蓋度，沙漠、沙地、荒漠分布區(qū)確定沙塵源地；依據(jù)氣象數(shù)據(jù)、沙漠/沙地分布、人口密度分布、城鎮(zhèn)分布圖，確定主導(dǎo)風(fēng)向、上風(fēng)向及下風(fēng)向；綜合沙塵源地及主導(dǎo)風(fēng)向，結(jié)合沙塵暴移動路徑，確定風(fēng)沙傳輸路徑。
步驟S3在風(fēng)沙傳輸路徑的下風(fēng)向區(qū)域，選取城鎮(zhèn)居住區(qū)作為保護(hù)對象。
步驟S4是基于風(fēng)沙傳輸路徑、植被覆蓋度、相對高程確定生態(tài)屏障范圍。
步驟S5中的防風(fēng)固沙量的計(jì)算公式為Q＝Q潛-Q實(shí)；
其中Q潛＝1.07×10-9×(F-450)3，
Q實(shí)＝1.07×10-9×[exp(-0.00338P-0.000202P2)×F-450]3；
式中，Q潛為潛在輸沙量，Q實(shí)為因風(fēng)蝕而引起的實(shí)際輸沙量，F(xiàn)為距地表1m高度處的風(fēng)速值(cm/s)，P為植被覆蓋度。
上述F值的計(jì)算規(guī)則如下：基于氣象數(shù)據(jù)和DEM，分區(qū)域進(jìn)行風(fēng)速的插值；其中，高程差在500m以內(nèi)的地區(qū)，采用反距離加權(quán)插值方法進(jìn)行風(fēng)速插值；其余地區(qū)針對不同風(fēng)向與地形的關(guān)系，在向風(fēng)坡與過渡風(fēng)帶采用冪指數(shù)擬合風(fēng)速隨高度的變 化；背風(fēng)坡與順風(fēng)坡采用逐年最大風(fēng)速進(jìn)行反距離加權(quán)插值。
本發(fā)明有益效果如下：本發(fā)明在生態(tài)保護(hù)紅線劃定中引入生態(tài)域理念，確定沙塵源地、風(fēng)沙傳輸路徑、城鎮(zhèn)位置等區(qū)域的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系，并考慮上下風(fēng)向、地形等下墊面因素，通過計(jì)算防風(fēng)固沙量來評價防風(fēng)固沙功能重要性，再根據(jù)重要性劃分生態(tài)保護(hù)紅線。該方案定量揭示上風(fēng)向生態(tài)屏障區(qū)與下風(fēng)向保護(hù)對象之間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)轉(zhuǎn)移的輻射范圍和路徑，以期為確定生態(tài)保護(hù)優(yōu)先對象和制定區(qū)域之間的生態(tài)補(bǔ)償提供科學(xué)參考。
本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分的從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過在所寫的說明書、權(quán)利要求書、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。
附圖說明
附圖僅用于示出具體實(shí)施例的目的，而并不認(rèn)為是對本發(fā)明的限制，在整個附圖中，相同的參考符號表示相同的部件。
圖1為生態(tài)保護(hù)紅線劃定的流程圖；
圖2為沙塵暴年平均發(fā)生日數(shù)分布圖；
圖3示出了主導(dǎo)風(fēng)向、上風(fēng)向與下風(fēng)向的空間結(jié)構(gòu)；
圖4為生態(tài)屏障空間分布圖；
圖5為主導(dǎo)風(fēng)作用下地形坡向的劃分圖；
圖6為防風(fēng)固沙功能評價結(jié)果圖；
圖7為中國北方地區(qū)的生態(tài)保護(hù)紅線分布圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖來具體描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中，附圖構(gòu)成本申請一部分，并與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于闡釋本發(fā)明的原理。
根據(jù)本發(fā)明的一個具體實(shí)施例，以中國北方地區(qū)為例，公開了一種基于防風(fēng)固沙生態(tài)屏障的生態(tài)保護(hù)紅線劃分方法，如圖1所示，具體包括以下步驟：
步驟S1.獲取區(qū)域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，預(yù)處理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，制作專題圖。
a.區(qū)域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括覆蓋研究區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)、沙漠/沙地分布數(shù)據(jù)集、人口數(shù)據(jù)等。其中：
氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，包括長時間序列(可以是10年數(shù)據(jù)或更長)、研究區(qū)域內(nèi)各氣象站點(diǎn)逐年的風(fēng)速、風(fēng)向、沙塵暴平均發(fā)生日數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)氣象站點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，采用Kriging空間插值法，將氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)在空間上差值，獲取各氣象數(shù)據(jù)的柵格圖像。這部分處理可以在地理信息系統(tǒng)平臺(如ArcGIS)上實(shí)現(xiàn)。
遙感數(shù)據(jù)在實(shí)施例中采用的是長時間序列的NDVI數(shù)據(jù)(Normalized Difference Vegetation Index，歸一化植被指數(shù))。實(shí)施例的數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局(NASA)的EOS/MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品，空間分辨率為250m。針對NDVI數(shù)據(jù)，為消除異常值的影響，采用最大合成法合成NDVI數(shù)據(jù)，再將月NDVI合成年最大NDVI影像，獲取研究區(qū)域逐年及逐月的NDVI影像。
高程數(shù)據(jù)在實(shí)施例中采用的是DEM(數(shù)字高程模型)，但所述高程數(shù)據(jù)并不局限于DEM。實(shí)施例的DEM數(shù)據(jù)來源于NASA的STRM數(shù)據(jù)，圖像空間分辨率為90m，數(shù)據(jù)來源可以不局限于STRM，也可以采用30m空間分辨率的ASTER GDEM或其他?；贒EM，可以進(jìn)一步提取研究區(qū)域的坡向、相對高差等數(shù)據(jù)。
生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)來源于全國生態(tài)十年調(diào)查數(shù)據(jù)庫，包括森林、灌叢、草地、濕地、農(nóng)田、城鎮(zhèn)、荒漠和裸地等8種地表覆蓋類型數(shù)據(jù)，時段為2000-2010年，范圍覆蓋我國北方大部分地區(qū)，數(shù)據(jù)以coverage和shp格式存儲。
中國沙漠、沙地分布數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心制作的中國1:10萬沙漠/沙地分布數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集包括我國沙漠的地理分布、面積大小、沙丘的流動性與固定程度等屬性，數(shù)據(jù)以shp格式存儲。
人口數(shù)量來源于研究區(qū)縣市級社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒。
b.數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換、重采樣、裁剪。經(jīng)過預(yù)處理后，各數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個坐標(biāo)系、相同的圖像分辨率下，并裁剪成相同大小的區(qū)域，以方便在后續(xù)步驟中進(jìn)行疊加和計(jì)算。數(shù)據(jù)預(yù)處理可以在地理信息系統(tǒng)平臺(如ArcGIS)上實(shí)現(xiàn)。
c.專題圖制作?；谙鄳?yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，經(jīng)過上述預(yù)處理后，進(jìn)行信息提取和數(shù)據(jù)插值，制作風(fēng)速、風(fēng)向、沙塵暴年平均發(fā)生日數(shù)、沙塵暴移動路徑、植被覆蓋度、相對高程(500m)、生態(tài)系統(tǒng)類型、沙漠/沙地分布、人口密度分布、城鎮(zhèn)分布等專題圖。專題圖制作可以在地理信息系統(tǒng)平臺(如ArcGIS)上實(shí)現(xiàn)。
其中，植被覆蓋度圖是基于NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的，計(jì)算方法如下：
植被覆蓋度式中NDVImin、NDVImax分別為區(qū)域最小、最大的NDVI值。通過對柵格像元值進(jìn)行分類，將位于所有像元NDVI的分布概率的95％和5％所對應(yīng)的NDVI值確定為NDVImax和NDVImin，進(jìn)而確定NDVImax＝0.9495，NDVImin＝0.049。
步驟S2.確定沙塵源地與風(fēng)沙傳輸路徑。
依據(jù)沙漠/沙地分布圖、生態(tài)系統(tǒng)類型圖、植被覆蓋度圖、沙塵暴年平均發(fā)生日數(shù)圖，將沙塵暴年平均發(fā)生日數(shù)≥10天(圖2)，且植被覆蓋度≤20％的沙漠、沙地、荒漠分布區(qū)確定為沙塵源地。
依據(jù)風(fēng)向數(shù)據(jù)、沙漠/沙地分布、人口密度分布、城鎮(zhèn)分布圖，確定研究區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向、上風(fēng)向及下風(fēng)向。圖3示例了主導(dǎo)風(fēng)向、上風(fēng)向與下風(fēng)向的空間結(jié)構(gòu)。
綜合沙塵源地及主導(dǎo)風(fēng)向，結(jié)合沙塵暴移動路徑，利用ArcGIS軟件，提取研究區(qū)的風(fēng)沙傳輸路徑。
步驟S3.確定保護(hù)對象。
在風(fēng)沙傳輸路徑的下風(fēng)向地區(qū)選取城區(qū)常住人口在100萬以上的城鎮(zhèn)居住區(qū)作為保護(hù)對象。其中，基于研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)中的城鎮(zhèn)屬性，利用GIS技術(shù)提取保護(hù)城鎮(zhèn)邊界，該邊界區(qū)域界定了保護(hù)對象。
步驟S4.確定防風(fēng)固沙生態(tài)屏障范圍。
防風(fēng)固沙生態(tài)屏障地理位置上介于風(fēng)沙源區(qū)與主要保護(hù)對象之間，一般由高大連續(xù)的山脈、高原以及地表植被組成。選取介于沙塵源地與保護(hù)對象之間區(qū)域，依據(jù)該區(qū)域位置的地形地貌特征、地表植被覆蓋狀況與風(fēng)沙傳輸特征，利用空間疊加，將位于風(fēng)沙傳輸路徑、植被覆蓋度≥30％、相對高程在500米以上的區(qū)域確定為生態(tài)屏障范圍。該步驟可以在地理信息系統(tǒng)平臺(如ArcGIS)上實(shí)現(xiàn)，實(shí)施例的生態(tài)屏障范圍如圖4。
步驟S5.評價防風(fēng)固沙功能重要性。
步驟S51.計(jì)算防風(fēng)固沙量。具體采用風(fēng)蝕輸沙率改進(jìn)模型，依據(jù)該模型，防風(fēng)固沙量為潛在輸沙率(Q潛)與實(shí)際輸沙率(Q實(shí))之間的差值。公式為：
Q＝Q潛-Q實(shí) (1)
Q潛＝1.07×10-9×(F-450)3 (2)
Q實(shí)＝1.07×10-9×[exp(-0.00338P-0.000202P2)×F-450]3 (3)
式中，Q為因風(fēng)蝕而引起的防風(fēng)固沙量；Q潛為潛在輸沙量；Q實(shí)為因風(fēng)蝕而引起的實(shí)際輸沙量；F為距地表1m高度處的風(fēng)速值(cm/s)；P為植被覆蓋度。
其中，F(xiàn)值的計(jì)算規(guī)則如下：
面對地形復(fù)雜區(qū)域，地形對風(fēng)速的影響很大，風(fēng)在運(yùn)動過程中遇到復(fù)雜地形，經(jīng)過抬升、分流、阻擋等作用，風(fēng)速會發(fā)生顯著變化。高程差在500m以內(nèi)的地區(qū)，地形起伏小，可以忽略地形對風(fēng)速的影響；向風(fēng)坡風(fēng)速隨海拔升高而變大，過渡風(fēng)帶風(fēng)速明顯增大，順風(fēng)坡風(fēng)速則與來風(fēng)風(fēng)速相差不大，背風(fēng)坡風(fēng)速受地形阻擋、風(fēng)速低于來風(fēng)風(fēng)速。因此，基于氣象數(shù)據(jù)中的風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)和基于DEM提取出的坡度、坡向數(shù)據(jù)，分區(qū)域進(jìn)行風(fēng)速的插值。
實(shí)施例中，基于研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)中的多年風(fēng)向資料與DEM數(shù)據(jù)，確定主導(dǎo)風(fēng)作用下地形坡向的劃分情況(圖5)。高程差在500m以內(nèi)的地區(qū)，采用反距離加權(quán)插值方法進(jìn)行風(fēng)速插值。其余地區(qū)針對不同風(fēng)向與地形的關(guān)系，向風(fēng)坡(270° -360°)與過渡風(fēng)帶(0-45° and 225° -270°)采用冪指數(shù)擬合風(fēng)速隨高度的變化；背風(fēng)坡(90° -180°)與順風(fēng)坡(180° -225°)則直接用逐年最大風(fēng)速做反距離加權(quán)插值。
上述冪指數(shù)模型為
式中，u、u1分別為z、z1高度上的風(fēng)速，u1取反距離加權(quán)插值結(jié)果；z1為氣象站風(fēng)速測點(diǎn)高度(10m)，z為海拔相對高差，ρ為冪指數(shù)。本實(shí)施例中ρ取值為0.16。
步驟S52.采用自然斷裂法，將防風(fēng)固沙量(t/hm2)作為標(biāo)準(zhǔn)，將防風(fēng)固沙功能重要性進(jìn)行分級，并在防風(fēng)固沙生態(tài)屏障范圍內(nèi)進(jìn)行重要性標(biāo)注。本實(shí)施例根據(jù)研究區(qū)的環(huán)境狀況，分為5個等級：極重要Q≥475t/hm2；高度重要308t/hm2≤Q＜475t/hm2；中度重要183t/hm2≤Q＜308t/hm2；輕度重要80t/hm2≤Q＜183t/hm2；一般重要Q＜80t/hm2。評價結(jié)果如圖6。
步驟S6.在防風(fēng)固沙生態(tài)屏障范圍內(nèi)、將標(biāo)注為高等級重要性的區(qū)域提取出來，以提取區(qū)域的邊界作為生態(tài)保護(hù)紅線。
實(shí)施例中，將極重要、高度重要和中度重要這3個等級的區(qū)域標(biāo)注為高等級重要性區(qū)域，將防風(fēng)固沙生態(tài)屏障范圍內(nèi)的這部分區(qū)域提取出來，以提取區(qū)域的邊界作為生態(tài)保護(hù)紅線，結(jié)果如圖7。
需要說明的是，本發(fā)明并不局限于實(shí)施例中對沙塵源地、風(fēng)沙傳輸路徑、保護(hù)對象、防風(fēng)固沙生態(tài)屏障范圍的劃分?jǐn)?shù)值，針對不同的區(qū)域，應(yīng)選擇適合區(qū)域特征的數(shù)值進(jìn)行沙塵源地、風(fēng)沙傳輸路徑、保護(hù)對象、防風(fēng)固沙生態(tài)屏障范圍的確定；且本發(fā)明不局限于將防風(fēng)固沙量分為上述5個等級，也不局限于將極重要、高度重要和中度重要的這3個等級區(qū)域標(biāo)注為高等級重要性區(qū)域。劃分等級的數(shù)量、標(biāo)注高等級重要性的等級應(yīng)按照研究區(qū)的實(shí)際情況、生態(tài)保護(hù)的實(shí)際需求進(jìn)行選取。此外，本發(fā)明各步驟的操作均是利用地理信息系統(tǒng)平臺實(shí)現(xiàn)的，實(shí)施例采用的是ArcGIS軟件，但本發(fā)明并局限于該軟件，利用其它地理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的也在本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)。
綜上所述，使用本發(fā)明進(jìn)行生態(tài)紅線劃定，能夠較好的反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為聯(lián)系生態(tài)系統(tǒng)和人類福祉之間的紐帶作用，可以為識別生態(tài)保護(hù)優(yōu)先對象和制定區(qū)域之間的生態(tài)補(bǔ)償制度提供科學(xué)參考。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，實(shí)現(xiàn)上述實(shí)施例方法的全部或部分流程，可以通過計(jì)算機(jī)程序來指令相關(guān)的硬件來完成，所述的程序可存儲于計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)中。其中，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)為磁盤、光盤、只讀存儲記憶體或隨機(jī)存儲記憶體等。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
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