基于多源數據的自然生態空間分類體系構建及其識別

張合兵，于 壯，邵河順

（河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000）

1 引言

土地是人類賴以生存和發展的物質基礎，具有社會、經濟和自然生態屬性，其對應的地域空間可以表述為城鎮、農業和生態空間。近幾十年來，隨著城市化和工業化的進程加快，人口急劇增加，人類開發活動增強，對土地的需求不斷增長。長期以來，中國的土地利用方式較多關注土地的社會經濟特性，忽視土地的自然生態屬性，很多有獨特生態價值的自然生態空間被擠占，轉變為農業、城鎮空間，致使區域生態系統服務功能下降和生態敏感性增強，進而引發一系列嚴重的生態環境問題，如水體污染、土壤侵蝕、土地荒漠化和生物多樣性喪失等，嚴重威脅區域生態環境安全與可持續發展。生態環境保護問題已成為各個國家所關注的共性問題，黨的十八大將生態文明建設納入到中國特色社會主義“五位一體”總布局，隨后黨中央、國務院以五大發展理念為引領，圍繞“加快生態文明建設，提升國家國土空間治理能力和效率”目標，相繼出臺了《全面深化改革若干重大問題的決定》《中共中央、國務院關于加快推進生態文明建設的意見》《生態文明體制改革總體方案》等一系列政策，十九大提出建設美麗中國目標。可見生態文明建設已經成為新時代中國特色社會主義重要組成部分，因此開展自然生態空間內涵、分類和識別方法研究刻不容緩。在學術界，生態空間研究已成為熱點，但目前對自然生態空間概念仍未有明確界定，其分類體系也存在爭議，識別方法不盡相同[1]。本文擬基于國內外生態空間現有研究成果，界定自然生態空間內涵，構建多土地分類體系銜接的自然生態空間分類體系，并以鶴壁市為例，探索市縣級自然生態空間識別方法，旨在為市縣級自然生態空間用途管制試點工作提供理論和實踐借鑒，推動區域生態文明建設，對于提升國家和地方國土空間治理能力和效率具有重大意義。

2 研究區概況、數據來源與研究方法

2.1 研究區概況

鶴壁市位于河南省北部，太行山東麓與華北平原交界處。北緯35°26′～ 36°53′，東經113°59′～114°46′之間，東西北與安陽市接壤，南與新鄉市相鄰，南北寬約67 km，東西長約69 km，總面積 2 140.43 km2。全市轄三區（鶴山區、山城區、淇濱區）兩縣（浚縣、淇縣），其地表形態復雜，地勢西北高東南低，呈階梯式變化，層次分明。近年來鶴壁市主動適應新常態，積極融入河南省實施“一帶一路”建設，社會經濟發展迅速。但與此同時，也出現了一系列的環境問題，鶴壁市為資源型城市，隨著對化石燃料的不斷消耗，生態赤字、水資源短缺、水體污染嚴重、水土流失等生態環境問題較為突出。因此，開展鶴壁市自然生態空間信息識別提取，對于保障其生態系統結構和功能的完整性，改善生態環境現狀，維護生態安全格局、協調經濟發展與環境保護的關系至關重要。

2.2 數據來源與研究方法

土地利用現狀數據是識別自然生態空間的重要基礎數據。本文將采用從當地國土部門、環保部門、林業部門、水利部門、農業部門收集的多源數據，基于現有研究成果，在界定自然生態空間內涵基礎上，采用歸納比較法構建市縣級自然生態空間分類體系，并通過綜合分析法建立與土地利用現狀分類、地理國情普查分類、城鄉用地分類、林業調查分類銜接的準則；采用GIS空間分析方法進行多源數據疊加分析。快速識別鶴壁市自然生態空間現狀信息，確定自然生態空間類型、地域分布特征和面積。

3 自然生態空間概念及分類

3.1 自然生態空間研究現狀和概念界定

目前，國際上對于自然生態空間的內涵沒有明確和統一的內涵界定，國外在土地利用分類上或多或少體現了自然生態空間的理念和思想[2-5]。在國內，對生態用地研究較多，最早提出“生態用地”一詞的是董雅文，她認為能提供生態功能的面狀、線狀或者帶狀要素都是生態用地[6]。此后，學術界對生態用地概念及內涵研究主要集中在兩個方面：一方面是在城市尺度上為了保證城市生態安全格局而進行的城市生態空間內涵研究[7-9]；另一方面是在區域尺度上，以保護區域生態環境，維護區域生態安全格局，實現區域可持續發展而進行的區域生態空間內涵研究。但目前學術界對生態空間內涵尚未達成共識，主要存在三種觀點：第一種觀點為“生態要素決定論”，即重視土地生態要素的空間形態及其組合方式，董雅文認為按空間形態可分為兩類，成片森林、湖泊水體、濕地、農業用地以及開敞空間等屬于斑塊生態空間；河流、沿海灘涂和交通走廊等屬于帶狀或線狀生態空間[6]。第二種觀點為“生態功能決定論”，即認為凡是具有生態系統服務功能，能起到保護生態系統和自然環境的用地空間，都可作為生態空間。以龍花樓等學者的界定具有代表性，認為生態空間是指人工硬化地表之外，其他能直接或間接提供生態系統服務功能，且自身具有一定的自我調節、維持、修復和發展能力的土地[10]。第三種觀點為“主體功能決定論”，認為土地是一個復合的系統，具有生活、生產和生態功能，生態空間應是以提供生態功能為主，對于以生產功能為主兼具生態功能的用地類型則不宜劃為生態空間，如耕地、養殖水面等農用地。以喻鋒等學者的界定具有代表性，認為區域生態空間是指農業和城鎮空間以外，以提供生態產品、環境調節和生物多樣性等生態系統服務功能為主要用途，對維持區域生態穩定，保障區域生態安全格局，實現區域可持續發展具有重要作用的用地空間[11]。可以看出，根據研究目的的不同，學術界對生態空間的內涵界定也不盡相同，但是都有著共同的認同，即認為是以發揮生態系統服務功能為主，對維持生態系統穩定性，調節生態系統內部結構具有重要意義的用地類型，如林地、草地、濕地、河湖、荒地等，對于以其他功能為主導地位的兼具生態功能的用地類型是否應該納入生態用地的范疇還存在分歧，如耕地，園地、苗圃、養殖水面等以生產功能為主導地位兼具生態功能的用地類型。因此，基于國內外現有研究，依據《自然生態空間用途管制辦法（試行）》，在應用于國土自然生態空間登記管理的前提下，筆者認為，對自然生態空間內涵界定應遵循生態功能主導性原則，考慮地域的實際差異性和空間的尺度性，將市縣級自然生態空間定義為：生產性空間和承載性空間以外，以發揮環境調節、水土涵養、防風固沙、生物保育等生態系統服務功能，以提供維持生命支持系統、保障生態調節功能、提供環境舒適性的生態產品為主，對維護區域生態系統穩定性、保障區域生態安全格局具有重要作用的用地空間。這里指廣義上的自然生態空間，既包括自然界中各類天然形成的自然生態空間，如森林、濕地、草原、沙漠、灘涂等，還包括那些經過人類改造形成的自然生態空間，例如防護林地、公益林地、人造水域、濕地公園，水源保護區，風景名勝區和自然保護區等。

3.2 自然生態空間分類體系

在國外生態空間并沒有作為一項獨立或專有的土地類型提出，但是在其土地利用分類體系中，或多或少地把能表征自然生態屬性的用地類型單獨分類出來[12-13]。在國內，學者們根據各自研究目的對生態空間分類體系作了大量研究，研究視角主要集中在兩個方面：一是針對目前土地利用分類體系上存在的缺陷和問題，為了突出土地的自然生態屬性，而進行的土地利用分類體系完整性的研究；另一方面是以保護生態系統服務功能、維護關鍵生態過程、保障區域生態安全格局為目的而進行的生態空間分類識別研究。從空間尺度上看有面向全國的多尺度、多維度分類體系，有服務于一般區域或城市擴展邊界內的分類體系，也有因研究區的特殊性而進行的特定區域的分類體系。總體上看，國內學者對生態空間的分類主要有三種方法：根據土地利用/覆被類型劃分；根據人類活動的影響程度劃分；將兩種方式相互結合劃分。土地利用/覆被類型分類法主要是根據人類對土地的利用管理方式和土地所表現出來的自然和社會屬性進行劃分，如岳健、徐建、蘇偉忠等[14-16]，該方法可以很好地與現行各種土地分類體系進行銜接，但不利于突出土地的生態功能，使得在界定生態空間時界線模糊；人類活動影響程度分類法主要是根據人類活動對土地功能影響程度的大小進行劃分，如張紅旗、周焱、龍華樓等[10，17-18]，該方法有利于區分生態系統服務功能重要區和生態系統敏感脆弱區，有利于人類對生態空間的規劃管理和修復保護，但人類活動具有持續性、廣泛性和復雜性，導致分類體系之間較為模糊，影響分類準確性。張月朋、劉芳、譚永忠等為了突出土地生態功能，同時有利于識別區域重要生態空間，以便于進行保護和修復，將兩種方法結合對生態空間進行分類[1，19-20]。可以看出現有分類研究在各自研究體系內理論性很強，但實際推廣應用難度大，不利于進行統一規劃管理，同時各個分類體系之間難于橫向對比，縱向上不具有銜接性，總之，生態空間分類體系仍在不斷探索中。本文將在已有分類研究基礎上，根據第三種分類方法，面向國家自然資源管理需要，構建多土地分類體系融合的市縣級自然生態空間分類體系，主要包括基礎生態空間、人工生態空間2個一級類，林地、草地等10個二級類，喬木林等26個三級類（表1）。

基礎生態空間是指以發揮土地的生態功能為主，具有很高生態系統服務價值或者易受到人類活動影響而使環境惡化的空間，這類空間對于維護區域生態系統穩定性或者保障區域生態安全格局具有重大意義。對于該類土地應該采取科學全面的保護和修復措施，維護其原始狀態，避免人類活動對其造成不利影響。人工生態空間是指經過人類活動改造，以發揮生態功能為主體，同時兼具一定的生產、生活功能，具有一定生態系統服務價值的空間，這類空間在改善人類生存環境，提供生態休閑場所等方面具有重要作用。此類空間應該在建立用途管制規則的基礎上，有限制地進行建設用地開發活動，以減少對生態環境的破壞。

3.3 與現行分類體系的銜接準則

現行各種土地分類體系在實際國土資源管理中得到了廣泛的應用，自然生態空間分類體系是以調查自然生態空間為目的。為了準確識別多源數據下自然生態空間，需要構建自然生態空間分類體系與多種土地分類體系的銜接準則。形成相互銜接的自然生態空間分類既是對現有土地分類體系的延伸和擴展，又在現有土地分類體系的基礎上，凸顯了自然生態空間的重要作用，使自然生態空間分類體系能與實際國土管理工作進行有效對接，推進自然生態空間分類體系在國土資源管理和生態建設中的實際應用。本文將通過以下銜接準則實現與土地利用現狀分類、地理國情普查分類、城鄉用地分類和林業調查分類的有效銜接（圖1）。

4 多源數據下自然生態空間信息識別

4.1 多源數據下自然生態空間識別方法

自然生態空間的劃定和管理涉及多個部門的職責，由于各個部門對自然資源的管理職權不同，對數據掌握的翔實情況不同，需要融合多部門收集的數據識別自然生態空間。本文中多源數據是指從涉及土地資源管理的多個部門中收集的數據（表2）。由于各個部門數據標準和形式不同，需要進行融合疊加處理，然后建立自然生態空間識別模型進行多源數據下自然生態空間識別（圖2）。

（1）建立自然生態空間基礎數據庫。首先需確定數據庫統一的坐標系統和屬性結構，然后對全域調查數據和專項調查數據進行投影轉換，按照統一的屬性結構導入基礎數據庫中。

（2）對于全域調查數據，需要構建自然生態空間識別準則，解決多源數據圖斑轉換沖突問題。首先通過GIS空間分析法對全域數據進行疊加融合，建立多源數據下自然生態空間識別基準單元，使每個圖斑單元具有多源數據屬性結構，然后構建多分類體系組合的自然生態空間識別準則：①對于全部符合自然生態空間銜接準則的圖斑單元直接轉換到自然生態空間分類體系；②對于部分符合自然生態空間銜接準則的圖斑單元，由于各類調查數據分類標準和調查精度不同，依據自然生態空間分類定義，構建不同自然生態空間地類下單一識別基準數據和組合識別基準數據，在符合單一識別基準數據源下，依據其識別自然生態空間地類，在不符合單一識別基準數據源下依據組合識別基準數據識別自然生態空間地類（表3）；③對于僅符合組合識別基準數據中的一種，則通過遙感影像進行判讀，以喬木林為例，依據自然生態空間識別準則，可以識別轉換為喬木林的地類組合有以下情況（表4），識別過程見圖3。

表1 自然生態空間分類體系Tab.1 Ecological space classi fi cation system

（3）對于專項調查數據，作為對識別后的自然生態空間進行校核修正，修正步驟如下：①對專項調查數據和識別后自然生態空間進行疊加分析，專項調查數據范圍內的自然生態空間保留原地類；②對專項調查數據內非自然生態空間和土地利用變更調查數據進行疊加分析，按照土地利用現狀分類體系到自然生態空間銜接準則轉換到自然生態空間。

（4）由于識別后自然生態空間破碎程度較高，需要相同地類間進行合并，對于面積小于1 000 m2的斑塊采取就近融合處理方法，不能融合的獨立斑塊則不予保留。

圖1 自然生態空間分類體系與多種土地分類體系銜接準則Fig.1 Interlink between ecological spatial classi fi cation system and multiple land classi fi cation system

4.2 自然生態空間識別結果

按照上述自然生態空間識別辦法，識別出鶴壁市自然生態空間，其自然生態空間地域分布和各個地類面積及占比見圖4和表5。從自然生態空間地域分布來看，呈現“西部集中，中東部分散”的特點。自然生態空間主要分布在鶴壁市西部，集中連片程度較高且自然生態空間類型豐富，主要為基礎生態空間，受人類活動干擾程度較小，主要地類為林地和荒漠地。中部和西部多為人工生態空間和部分基礎生態空間，人類活動影響程度較強，主要地類為城市綠色空間、園地、林地和河流等。結合鶴壁市地形地貌分析不難得出其原因，鶴壁市西部為太行山東麓與華北平原交錯地帶，多為山地丘陵，地勢復雜，不宜作為農業和城鎮用地，中部和東部屬于華北平原地帶，地勢平坦，土壤肥沃，且交通便利，適宜農業生產和城鎮建設。從面積上來看，鶴壁市自然生態空間總量為606.08 km2，占研究區面積28.32%。其中基礎生態空間面積為554.41 km2，占研究區總面積25.90%，主要為林地和荒漠地，分別為331.09 km2和188.75 km2，占基礎生態空間的93.76%。人工生態空間面積為51.67 km2，占研究區面積2.41%，主要為人工水面和城市綠色空間，分別為22.70 km2和17.65 km2，占人工生態空間的77.03%。可以看出，林地和荒漠地為鶴壁市主要自然生態空間，林地主要分布在西部山地區，部分分布在中東部河流和濕地周圍，荒漠地主要分布在西部山區。林地在發揮水源涵養、水土保持、防風固沙等生態系統服務功能方面具有重要作用，荒漠地具有較高的生態敏感性，容易受到自然因素和人類活動的影響，進而引發自然生態空間退化等問題。因此，西部山區應該作為自然生態空間重點保護區，以生態系統服務功能保護和養育為主，禁止新增建設項目占用自然生態空間，同時積極開展荒漠地治理與恢復，提升生態系統穩定性，維護鶴壁市整體生態安全格局。

表2 多源數據形式及作用Tab.2 The forms of multi-sources data and their roles

圖2 多源數據融合方法技術路線圖Fig.2 Multi-sources data fusion method

表3 自然生態空間地類識別基準數據Tab.3 Benchmark data of ecological space types identi fi cation

圖3 自然生態空間喬木林地類識別過程Fig.3 Identi fi cation process of arbor forest land in ecological space

表4 自然生態空間喬木林地類組合情況及識別準則Tab.4 Land combination and identi fi cation criteria of arbor forest in ecological spaces

圖4 鶴壁市自然生態空間分布Fig.4 Distribution of ecological space in Hebi City

5 結論與討論

5.1 結論

本文遵循生態功能主導原則對自然生態空間內涵進行了界定，提出了多種土地分類體系同自然生態空間的銜接準則，構建了多源數據下識別自然生態空間的方法，并以此為基礎識別出鶴壁市自然生態空間，得到以下結論。

表5 鶴壁市自然生態空間規模及占比Tab.5 The scale and proportion of ecological space in Hebi City

（1）廣義的自然生態空間是指生產性空間和承載性空間以外，以發揮環境調節、水土涵養、防風固沙、生物保育等生態系統服務功能，以提供維持生命支持系統、保障生態調節功能、提供環境舒適性的生態產品為主，對維護區域生態系統穩定性、保障區域生態安全格局具有重要作用的用地空間。

（2）構建了市縣尺度自然生態空間分類體系，將自然生態空間分為兩個一級類型、10個二級類型、26個三級類型，其中一級類型包括基礎生態空間、人工生態空間。基礎生態空間包括林地、草地、水域、特殊生態用地、濕地和荒漠地；人工生態空間包括園地、人工水面、城市綠色空間和生態基礎設施空間。并探討了自然生態空間同土地利用現狀分類、地類國情普查分類、城鄉用地分類和林業調查分類之間的銜接準則及其識別方法。

（3）依據自然生態空間分類體系、銜接準則和識別方法，識別出鶴壁市自然生態空間。其在地域分布上呈現“西部集中，中東部分散”的特點，其中基礎生態空間面積554.41 km2，主要為林地和荒漠地；人工生態空間面積為51.67 km2，主要為人工水面和城市綠色空間。西部山區作為鶴壁市自然生態空間重點保護區，應該實行嚴格的自然生態空間用途管制，維護鶴壁市生態安全格局。

5.2 討論

（1）本文通過界定市縣級自然生態空間內涵，建立市縣級自然生態空間分類體系、銜接準則以及多源數據下自然生態空間識別方法，為市縣級自然生態空間識別提供了一種新的思路和方法。

（2）從某種意義上來說，任何地類都具有一定的生態功能，本文遵循生態功能主導原則，識別了具有普適性的自然生態空間。由于生態系統是一個復雜開放的巨系統，其與經濟、社會、人口巨系統相互作用，相互影響，使得自然生態空間用地類型并不是一成不變的，其與周圍其他地類共同發揮著生態功能。在實際情況中，要遵循因地制宜的原則，例如，在山區低丘緩坡耕地在防止水土流失，水源涵養，防風固沙方面發揮著重要的生態作用。

（3）各個分類體系分類標準不同，導致相同名稱的地類在不同分類體系中范圍不一致，本文只是在一定程度上實現了多源數據到自然生態空間的轉換銜接，在快速識別市縣級自然生態空間、了解其分布特征和規模方面上有重要意義，要精準識別市縣級自然生態空間，仍需要進行野外人工調查。