一种水源涵养功能保护红线的划定方法

摘要

本发明涉及一种水源涵养功能保护红线的划定方法，包括步骤：获取区域基础数据，并预处理基础数据；基于预处理后的基础数据，对区域的水源涵养功能进行重要性评估；基于重要性评估结果，将矢量格式的水源涵养功能区域与至少一个矢量化的保护区域进行空间叠加，得到水源涵养功能保护红线初步划定区域；对上一步中得到的初步划定区域的图斑进行修正，得到水源涵养功能保护红线的划定结果。通过对研究区开展水源涵养功能重要性评估，将水源涵养极重要区划入生态保护红线，结合湿地公园、重要湿地、重要水源保护地等分布，通过空间叠加得到区域水源涵养功能保护红线。本方法提供了自动化、标准化且准确的水源涵养功能保护红线的划定方法。

说明书

技术领域

本发明涉及地理信息技术领域，尤其涉及一种水源涵养功能保护红线划定方法。

背景技术

长期的生态系统开发利用和巨大的人口压力使得我国生态系统和生态系统服务严重退化，由此引起的水资源短缺、水土流失、水污染等问题持续加剧，干旱、洪涝等自然灾害频发，大江大河源头的生态环境恶化呈加速趋势，沿江沿河的重要湖泊、湿地日趋萎缩，生态系统已呈现出由结构性破坏向功能性紊乱演变的发展态势。由人类干扰和破坏所导致的大自然对人类的报复和惩罚，越来越引起人类对生态系统水源涵养服务的关注与重视。2000年，国务院颁布了《全国生态环境保护纲要》，要求开展生态功能区划，建立江河源头区、重要水源涵养区、江河洪水调蓄区等重要生态功能区，防止生态环境的破坏和生态功能的退化，以维持流域、区域生态平衡，确保国家和地区生态环境安全。2008年，环境保护部和中国科学院联合发布了《全国生态功能区划》，明确了我国主要生态系统服务的类型及其空间分布。2010年，国务院印发了《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。

水源涵养功能保护红线主要保护我国大江大河源头区及重要饮用水水源地，以涵养水源、保护水质为主要功能，同时具有调节区域水分循环，防止河流、湖泊、水库淤塞等功能，对于调节径流，减缓与控制水旱灾害，合理开发、利用水资源具有重要意义。目前，针对水源涵养功能保护红线划定对象、划定方法的研究较少，如何合理地划定区域水源涵养功能保护红线成为目前的难点。因此，有必要提供一种水源涵养功能保护红线划定方法，以填补现有研究的空白。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种水源涵养功能保护红线的划定方法，用以解决没有自动化、标准化的合理划定区域水源涵养功能保护红线的方法的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

提供一种水源涵养功能保护红线的划定方法，包括步骤：

步骤S1.获取区域基础数据，并预处理基础数据；

步骤S2.基于预处理后的基础数据，对区域的水源涵养功能进行重要性评估，并提取水源涵养功能区域；

步骤S3.基于重要性评估结果，将矢量格式的水源涵养功能区域与至少一个矢量化的保护区域进行空间叠加，得到水源涵养功能保护红线初步划定区域；

步骤S4.对步骤S3中得到的初步划定区域的图斑进行修正，得到水源涵养功能保护红线的划定结果。

其中，步骤S1中所述的基础数据包括：行政区基础地理信息数据、遥感影像、土地利用调查数据、气象数据、国家级和省级禁止开发区域的图件数据、重要保护区域的图件数据；

所述气象数据包括气温、降水、蒸发、风速、湿度、日照时数等；

所述国家级和省级禁止开发区域的图件数据包括湿地公园、重要湿地、重要水源保护地、重要蓄滞洪区等；

所述重要保护区域的图件数据包括重要江河湖泊水功能区、重要保护水域等；

针对遥感图像的预处理包括：地理坐标系变换、投影变换、配准和几何纠正；

针对气象数据的预处理包括：剔除多年观测数据中的无效数据；根据气象站点的经纬度信息，将气象数据在空间上插值，并用栅格计算器进行多年平均；

针对图件数据的预处理包括：扫描，建立扫描图像的坐标系与投影方式，再与行政区基础地理信息数据进行配准，并进行矢量化。

上述国家级和省级禁止开发区域和重要保护区域均作为保护区域，用于空间叠加。

步骤S2进一步包括：

步骤S21.以水源涵养量作为评价指标，采用水量平衡法估算水源涵养量；

步骤S22.对水源涵养量进行分级；优选的，将水源涵养量分为4个等级，即一般重要、中等重要、重要、极重要这4个等级；

步骤S23.提取水源涵养量最高级别的区域，得到水源涵养功能区域；

步骤S24.将水源涵养功能区域转换成矢量格式，作为水源涵养功能保护红线的划定的组成部分之一。

具体地，步骤S21中采用水量平衡法估算水源涵养量的公式为：WY＝P-ET

式中，WY为水源涵养量，表征生态系统的水源涵养功能；P为多年平均年降水量；ET为多年平均蒸散量；

多年平均蒸散量ET用Budyko水热耦合平衡假设进行计算，计算公式为：

式中，PET为多年平均潜在蒸散量，采用Penman-Monteith公式计算；ω为常数，表示自然气候-土壤性质的非物理参数。

具体地，步骤S22中对水源涵养量进行分级是采用自然分界法，将水源涵养量进行分级。

步骤S4中对初步划定区域的图斑进行修正，进一步包括步骤：聚合处理、扣除破碎斑块、剔除人工用地、优化调整边界和地面核查。

所述聚合处理是采用地理信息系统平台的聚合工具，将相对聚集或邻近的图斑聚合为连片图斑；

所述扣除破碎斑块是将斑块面积在阈值以下的独立细小图斑删除；

所述剔除人工用地是扣除聚合后图斑内的大型建设用地和集中连片农田；

所述优化调整边界是结合遥感影像中的自然地理边界，调整水源涵养功能保护红线的边界；

所述地面核查是查明图上难以明确界定或具有争议的红线区块边界走向，确定红线边界拐点地理坐标，并修正生态保护红线区块边界走向。

优选的，聚合处理中聚合距离为250m，最小孔洞大小为1km²；扣除破碎斑块中的阈值为1km²。

本发明有益效果如下：

通过对研究区开展水源涵养功能重要性评估，将水源涵养极重要区划入生态保护红线，结合湿地公园、重要湿地、重要水源保护地、重要蓄滞洪区等分布，叠加得到区域水源涵养功能保护红线。以此方法，提供了自动化、标准化的水源涵养功能保护红线的划定方法，解决了现有技术中红线划分方法中的空白。

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为水源涵养功能保护红线的划定方法的流程图。

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。

本发明的一个具体实施例，公开了一种水源涵养功能保护红线的划定方法，如图1，包括以下步骤：

步骤S1.获取区域基础数据，并预处理基础数据。

所述基础数据包括：行政区基础地理信息数据(包括行政区边界、水系、道路等信息)；区域的遥感影像；土地利用调查数据；气象数据(包括气象站点的气温、降水、蒸发、风速、湿度、日照时数、气压等数据，但不限于上述数据类型)；国家级和省级禁止开发区域的图件数据(主要类型包括湿地公园、重要湿地、重要水源保护地、重要蓄滞洪区等)；重要江河湖泊水功能区、重要保护水域等重要保护区域的图件数据。上述基础数据的电子版一般为矢量格式或栅格格式，纸质数据为纸质地图的形式。

本实施例中，具体获取的数据包括：行政区基础地理信息数据、遥感图像、土地利用调查数据、降水、蒸发、气温等气象数据；湿地公园、重要湿地、重要水源保护地、重要蓄滞洪区、重要江河湖泊水功能区、重要保护水域的图件数据。其中，行政区基础地理信息数据、土地利用调查数据为shp格式，降水、蒸发为气象站点的文本数据，湿地公园、重要湿地、重要水源保护地、重要蓄滞洪区、重要江河湖泊水功能区、重要保护水域的图件数据为纸质图件的形式，用于作为保护区域，在后续步骤中进行空间叠加。

针对遥感图像的预处理是以行政区基础地理信息数据为基础进行的，具体包括：地理坐标系变换、投影变换、配准和几何纠正。

针对气象数据进行的预处理包括：剔除多年观测数据中的无效数据；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插值，覆盖整个区域，并用栅格计算器进行多年平均，得到区域多年平均气温、平均年降水量、平均蒸发、平均日照时数、平均风速、平均湿度、平均气压等数据的栅格图。这部分的处理可以在地理信息系统平台(如ArcGIS)上实现。本发明不限于使用Kriging空间插值法，可以根据区域范围、区域特点选择其他的插值方法。

对湿地公园、重要湿地、重要水源保护地、重要蓄滞洪区、重要江河湖泊水功能区、重要保护水域的图件数据进行扫描，建立扫描图像的坐标系与投影方式，再与行政区基础地理信息数据进行配准，并进行矢量化，得到湿地公园、重要湿地、重要水源保护地、重要蓄滞洪区、重要江河湖泊水功能区、重要保护水域等保护区域的矢量图。

步骤S2.基于预处理后的气象数据栅格图，对水源涵养功能进行重要性评估。

步骤S21.以水源涵养量作为研究区生态系统水源涵养功能的评价指标，采用水量平衡法估算水源涵养量，即以大气降水作为水分输入量，以蒸发作为水分输出量，公式如下：

WY＝P-ET

式中：WY为水源涵养量(mm)，表征生态系统的水源涵养功能；P为多年平均年降水量(mm)；ET为多年平均蒸散量(mm)。

多年平均蒸散量用Budyko水热耦合平衡假设进行计算：

式中：PET为多年平均潜在蒸散量(mm)，可采用Penman-Monteith公式计算，Penman-Monteith公式的计算参数包括：气温、饱和水汽压、蒸发、日照时数、风速等，其中饱和水汽压根据气压、湿度和温度计算，上述计算参数均来源于气象站点的观测数据；ω为常数，表示自然气候-土壤性质的非物理参数，依据土地利用类型取值，根据文献或资料获取耕地、林地、草地、湿地、人工用地等类型的参考值。

步骤S22.对水源涵养量进行分级。

具体地，基于地理信息系统平台(如ArcGIS软件)空间分析模块中的重分类工具，采用自然分界法，将水源涵养量进行分级。实施例中按水源涵养量大小分为4个等级，即一般重要、中等重要、重要、极重要。

步骤S23.提取水源涵养量最高级别的区域，得到栅格形式的水源涵养功能区域。

需要说明的是，本实施例以将水源涵养量大小分为4个等级、提取水源涵养量最高级别的区域为例进行说明，但本发明不限于按照水源涵养量大小分为4个等级，可以按照水源涵养量大小分为3或5个等多个等级；且也不限于提取最高级别的区域，可以根据实际需求，提取最高级别区域、或最高级别区域和次高级别区域、或前3高级别区域等等，作为水源涵养功能区域。

步骤S24.将水源涵养功能区域的栅格数据转换成矢量格式，作为水源涵养功能保护红线的划定的一个组成部分。

步骤S3.基于重要性评估结果，将矢量格式的水源涵养功能区域与至少一个矢量化的保护区域进行空间叠加，得到水源涵养功能保护红线初步划定区域。

将上一步中得到的矢量格式的水源涵养功能区域，与湿地公园、重要湿地、重要水源保护地、重要蓄滞洪区、重要江河湖泊水功能区、重要保护水域等保护区域的矢量数据进行空间叠加，得到水源涵养功能保护红线初步划定方案。

步骤S4.对上一步经过空间叠加得到的初步划定区域的图斑进行修正，得到水源涵养功能保护红线的划定结果。

以遥感影像和土地利用调查数据为底图，采用地理信息系统软件对叠加图斑进行聚合处理，根据生态系统完整性合理扣除独立细小图斑和人工用地，修订水源涵养功能保护红线初步划定区域。具体包括以下步骤：

a.聚合处理

采用地理信息系统平台上的聚合工具，如ArcGIS软件中ArcToolbox下Cartography Tools模块中的Aggregate Polygons功能，将相对聚集或邻近的图斑聚合为相对完整的连片图斑。本实施例中设定聚合距离为250m，最小孔洞大小为1km²。但是，本发明并不限于上述聚合距离和孔洞大小，各行政区可根据图斑的破碎化程度和辖区面积适当调整聚合距离。

b.扣除破碎斑块

本实施例中，为避免生态保护红线斑块破碎化，将斑块面积在阈值以下的独立细小图斑删除，删除图斑的面积阈值可根据行政区面积大小进行适当调整，本实施例采用1km²作为阈值，并不局限于1km²。

c.剔除人工用地

根据土地利用现状与规划等资料，扣除聚合后图斑内的大型建设用地和集中连片农田。本实施例基于土地利用调查数据，扣除大型建设用地和集中连片农田。

d.优化调整边界

将经过上述处理后得到的水源涵养功能保护红线的矢量数据，对照遥感影像，结合遥感影像中的山脉、河流、湖泊、植被等要素的自然地理边界，调整水源涵养功能保护红线的边界，以保持生态系统完整性和稳定性。

e.地面核查

根据以上优化调整的结果，进一步开展地面核查，查明图上难以明确界定或具有争议的红线区块边界走向，确定红线边界拐点地理坐标。根据生态保护红线地面核查结果，在矢量图上修正生态保护红线区块边界走向，形成水源涵养功能保护红线划定方案。

经过上述a～e的修订处理，最终获得了水源涵养功能保护红线的划定结果。

综上所述，本发明实施例提供了一种水源涵养功能保护红线的划定方法，通过对研究区开展水源涵养功能重要性评估，将水源涵养极重要区划入生态保护红线，结合湿地公园、重要湿地、重要水源保护地、重要蓄滞洪区等分布，叠加得到区域水源涵养功能保护红线，再经过多个步骤的修订，最终得到的保护红线充分考虑了水源因素以及不同的地表条件，涵盖了重要水源区域，与水源涵养功能评估结合，使得划分结果更加准确。以此方法，提供了自动化、标准化的水源涵养功能保护红线的划定方法。

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。