董茜， 李江風， 方世明， 方昆升

(1.中國地質大學(武漢)經濟管理學院，武漢　430074； 2.中國地質大學(武漢)公共管理學院，武漢　430074； 3.北卡羅來納州立大學自然資源學院，美國羅利　27606)

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基于GIS的地質公園保護區(qū)劃分
——以湖北神農架世界地質公園為例

董茜1， 李江風2， 方世明2， 方昆升3

(1.中國地質大學(武漢)經濟管理學院，武漢430074； 2.中國地質大學(武漢)公共管理學院，武漢430074； 3.北卡羅來納州立大學自然資源學院，美國羅利27606)

摘要：保護區(qū)的劃分是地質公園規(guī)劃的重要任務和公園建設的基礎，但目前還存在劃分標準隨意、主觀臆斷干擾大等問題。在地質遺跡資源調查的基礎上，基于游客體驗和資源框架，引入地質遺跡集中度、豐富度等評價因子，采用層次分析法建立地質公園保護區(qū)劃分評價體系，利用GIS空間分析等功能定量評價公園保護指數，以湖北神農架世界地質公園為研究區(qū)域，對其進行地質遺跡保護區(qū)劃分。結果顯示： 公園保護指數為8.4～124.4，呈現出聚集性和空間差異性； 在此基礎上，結合地方經濟發(fā)展等需要，劃定神農架世界地質公園保護區(qū)總面積174.749km2，其中一級保護區(qū)9.023km2，二級保護區(qū)75.403km2，三級保護區(qū)90.323km2； 保護區(qū)的劃分為地質公園規(guī)劃中園區(qū)建設和功能區(qū)劃分等關鍵問題提供了規(guī)劃依據。

關鍵詞：地理信息系統(tǒng)； 地質公園； 神農架； 地質遺跡； 保護區(qū)

0引言

地質公園是包含一定數量的、具有特殊重要性、稀有性及審美性的國家保護區(qū)[1]，其建設的首要目的是保護公園內的地質遺跡[2]。近些年來，地質公園的概念被進一步擴展[3]，地質旅游成為地質公園內最核心的活動之一并迅速發(fā)展[4-5]。中國是地質公園發(fā)展最快的國家之一，截止到2016年1月，國土資源部已批準命名國家地質公園190處。根據國土資源部89號文件有關地質公園總體規(guī)劃的規(guī)定[6]，地質公園內保護地質遺跡及生態(tài)環(huán)境的有效措施，即為劃定不同級別的保護區(qū)，從而形成對地質公園的主動保護機制； 保護區(qū)不僅是公園開展科普科研的重要場所，更是地質公園旅游開發(fā)的核心區(qū)域。地質遺跡資源作為地質公園的核心吸引物具有較高的科研和科普價值，但是其自然環(huán)境卻由于公園開發(fā)、旅游發(fā)展等因素受到人類活動的威脅[7]。地質遺跡保護區(qū)的科學劃分是地質公園規(guī)劃的重要任務，是地質公園未來建設的指導方向。

目前國內對地質公園的研究多集中于地質公園資源評價、地質公園旅游開發(fā)、地質公園管理等方面，對公園科學規(guī)劃方面的研究非常欠缺。其中有關保護區(qū)的劃分研究主要以定性分析為主，受規(guī)劃人員主觀臆斷干擾較大，保護區(qū)的劃分缺乏理論性、系統(tǒng)性和科學性[8]。國外國家公園研究中GIS被廣泛認為是重要的基礎工具，而我國基于GIS的地質公園規(guī)劃和建設工作還處于起步階段[9]。鑒于此，本文在基于地質遺跡評價調查結果的基礎上，結合游客體驗與資源保護理論，選取保護區(qū)劃分的相關指標，建立地質公園保護區(qū)劃分指標體系，利用GIS的空間分析等相關功能，對地質公園內保護區(qū)的劃分進行相關研究與探索，以期為公園規(guī)劃提供理論基礎和技術支撐。

1技術方法

國土資源部89號文件規(guī)定[6]，地質公園保護區(qū)的劃分主要依據為地質遺跡資源的分等定級，根據資源評價結果劃分為Ⅰ級保護區(qū)、Ⅱ級保護區(qū)和Ⅲ級保護區(qū)，并對各級保護區(qū)內的開發(fā)建設活動制定了嚴格規(guī)定：Ⅰ級保護區(qū)內嚴禁交通工具進入，合理安置必要的游步道和相關設施；Ⅱ，Ⅲ級保護區(qū)內允許建設與景觀環(huán)境協(xié)調的少量服務設施，不得進行與保護功能不相符的工程建設活動、礦產資源勘查等。此規(guī)定表明，地質公園保護區(qū)的劃分需考慮地質遺跡級別之外，還需綜合地形、交通等因素?；诖?，地質公園保護區(qū)劃分主要包含以下4個步驟，技術路線圖如圖1所示。

圖1　地質公園保護區(qū)劃分技術路線

1)以地質公園保護區(qū)劃分為目標層，通過總結國內外相關研究文獻、結合地質遺跡資源的特殊性和地質公園自身發(fā)展需求，對影響保護區(qū)劃分的因素進行逐級分析，選取影響因子。在廣泛收集相關指標和抽樣調查的基礎上，使用層次分析法(analytichierarchyprocess，AHP)科學客觀地構建地質公園保護區(qū)劃分評價指標體系。

2)運用ArcGIS10.01軟件，對研究區(qū)的數據矢量文件進行處理。首先根據研究區(qū)大小劃分相適應的評價單元，其次對保護區(qū)劃分評價因子層進行單獨評價，根據各個評價因子的定義進行初步處理得到單因子圖層。為了方便后期對圖層進行權重疊加，最后將單因子圖層進行柵格化處理，得到單因子柵格數據圖層。

3)由于量化各個因子的數據性質不同，先將各個指標圖層進行標準化處理，使得各圖層間量綱統(tǒng)一，在相同的標準下進行綜合分析。將標準化處理后的單因子圖層根據菲什拜因-羅森伯格模型(Fishbein-Rosenbergmodel)，在ArcGIS中進行多因子加權疊加分析，得到地質公園保護指數圖，即

(1)

式中： P為第n個單元的保護指數； Xi為第i項指標下的評價值； Wi為第i項指標的權重； n為評價單元數量。

4)綜合考慮地質公園所在地的重大項目規(guī)劃以及土地利用規(guī)劃，將保護區(qū)的范圍在此基礎上進行相應調整，最終得到地質公園保護區(qū)劃分圖。

2研究區(qū)概況

2.1研究區(qū)簡介

湖北神農架世界地質公園位于湖北神農架林區(qū)的中南部，是聯合國“人與生物圈計劃”世界生物圈保護區(qū)網成員以及全球環(huán)境基金資助的10個示范保護區(qū)之一，于2013年加入世界地質公園網絡組織。將其作為實證研究區(qū)具有一定的典型性和代表性： ①神農架是湖北“一江兩山”的重要組成部分及“靈秀湖北”的主要旅游名片之一，作為保護區(qū)具有示范作用； ②研究區(qū)晉升世界地質公園后游客大幅度增長，對地質遺跡保護工作產生了一定影響，明確保護區(qū)邊界刻不容緩； ③作為湖北省首個世界地質公園，地質遺跡的合理保護和保護區(qū)的科學劃分，是聯合國教科文組織對公園檢查的重點之一。

2.2地質遺跡資源調查和評價

湖北神農架地質公園位于揚子板塊北緣及秦嶺造山帶接觸帶，雪峰山前陸與大巴山前陸的復合區(qū)域，公園內發(fā)育了大量獨特的、具有全球科學意義的地質遺跡。明確研究區(qū)內地域各種地質遺跡資源空間分布特點、組合情況和結構，是地質公園的首要任務，也是開展各項工作的基礎。通過實地考察，研究區(qū)內共分布76處地質遺跡景觀，涵蓋地質剖面、地質構造、古生物、礦物與礦床、地貌景觀、水體景觀遺跡和環(huán)境地質遺跡7個大類，地質遺跡種類較為豐富。結合《中國國家地質公園建設技術要求和工作指南(試行)》等方案[1]，結合研究區(qū)地質遺跡資源特點，從地質遺跡資源的科學價值、文化價值及美學價值等方面建立相關地質遺跡評價指標體系[11-12]，對公園內地質遺跡資源的級別進行評定。評價結果為： 世界級地質遺跡7處(大龍?zhí)丁⑿↓執(zhí)?、神農頂、神農谷石林、陰峪河峽谷、鴨子口南沱組冰磧巖、神農架遠古人類舊石器遺址)、國家級地質遺跡45處(金猴嶺、瞭望塔、板壁巖石芽群、酒壺坪冰蝕谷、長巖屋冰川漂礫、猴子石寒凍石柱、南天門、金絲燕埡、香溪源、青天袍冰川地貌、木魚坪至里二溝冰蝕U形谷、木魚石、神農祭壇、天生橋、大千家坪巖溶地貌、野人峰石柱、寒武系牛蹄塘組鍋底灰?guī)r、古犀牛洞、燕子埡寒武系天河板組的鮞狀灰?guī)r、劉享寨、天門埡溯源侵蝕地貌、脊峰峰叢、紅坪畫廊、紅坪畫廊、大巖坪巖楔-角礫狀白云巖、野馬河疊套谷、大九湖沼澤泥炭堆積、卸甲套冰斗、大九湖角峰與刃脊、放牛灣槽谷、上壩槽谷、九燈河基巖鼓丘、小九湖冰川U形谷、側磧堤、國公坪冰川U形谷、大九湖巖溶盆地、大九湖黑水河、大九湖落水孔、大九湖高山濕地、落羊河峽谷、國公坪、川鄂古鹽道和大九湖古戰(zhàn)場)、省級及地方級地質遺跡21處(鯉魚石、龍嘴、響水河瀑布、紅石溝神龍洞、小當陽天然崖壁畫卷、官門山斷裂露頭、三堆河崩塌、水簾瀑、溶洞奇觀-冷熱洞、石槽河斷裂、亮石坪小型水晶礦床、龍頭峰高家屋場—廟溝溫泉群黃寶坪斷裂、燕子洞、天門埡石牌組三葉蟲和遺跡(蟲跡)化石、野馬河輝綠巖、燕子埡與飛云渡、紅坪畫廊經絡石、夾道河“瑪瑙”、冰洞山大型鉛鋅礦床、關門巖和杉樹坪)。公園內地質遺跡景觀豐富且級別較高，國家級及以上地質遺跡資源占總數的71.2%。

3保護區(qū)劃分評價因子量化方法

3.1保護區(qū)劃分評價指標體系

本文參考游客體驗及資源保護(visitorexperienceandresourceprotection,VERP)框架對保護區(qū)劃分進行指標選取。VERP是廣泛應用于美國國家公園規(guī)劃及管理的的理論框架之一，體現了美國國家公園是對公園內特色資源的的開發(fā)和社會條件管理的目標。VERP框架對公園發(fā)展的管理指標分為資源指標和社會指標，指標的選取具有“代表性、可量度”，便于公園管理者的監(jiān)測和管理[13]。

在收集相關圖件資料以及廣泛調查的基礎上，依據科學性、獨立性、可比性和可量化原則，選取資源指標和社會指標為評價層，其中資源指標又劃分為景源指標和自然環(huán)境評價層。景源指標按照地質遺跡的外部特性劃分為地質遺跡點級別、集中度和豐富度3個因子層[1]； 自然環(huán)境評價層劃分為高程和坡度2個因子層； 社會指標劃分為通達性和可及度2個評價層(表1)。

表1　地質公園保護區(qū)劃分評價指標體系

3.2評價因子量化方法

1)級別。地質公園和地質遺跡資源點的面積大小，對緩沖區(qū)的劃分有一定的影響，遺跡點的級別越高，保護區(qū)的等級越高。人為活動會改變景觀的結構，距離人為活動點600m范圍內為典型人為影響區(qū)，600～1 200m為過渡區(qū)域，超過1 200m屬于自然景觀范圍，且表示出明顯的梯度衰減趨勢[14]。根據以上研究結果及結合研究區(qū)實際情況，將緩沖區(qū)劃分為： 以地質遺跡點為圓心，半徑<600m范圍內為一級緩沖區(qū)； [600，1 200)m以內為二級緩沖區(qū)； [1 200，1 500)m以內為三級緩沖區(qū)。在ArcGIS中根據遺跡點的級別創(chuàng)建不同距離的緩沖區(qū)，將同級別緩沖區(qū)進行融合得到3個子圖層并疊加。將最終圖層柵格化處理后，得到級別指數子圖層。

2)集中度。地質遺跡集中度是表征地質遺跡分布特征的度量指標之一[15]，是保護區(qū)劃分的重要依據。本研究將用ArcGIS的空間統(tǒng)計功能，來研究地質遺跡點的空間分布模式。首先對研究區(qū)的地質遺跡點進行平均最鄰近距離操作(averagenearestneighbor)，來分析研究區(qū)內地質遺跡的空間分布模式，是呈聚集、隨機，還是分散狀態(tài)，數據進行統(tǒng)計后返回z得分，其值為負且越小則表明要素越趨向于聚類狀態(tài)。計算結果如表2所示。

表2　地質遺跡點鄰要素分析結果一覽表

其中z得分為-7.29,且p<0.01，表明在1%的顯著水平下，樣本呈現聚集狀態(tài)。在此基礎上，引入改進的辛普森(Simpson)指數來計算地質遺跡的集中度，即

(2)

式中: Cij為該評價單元內的集中度(concentration)指數； N為地質遺跡點總個數； nij為該評價單元內地質遺跡點的個數。集中度越高表明該單元的保護指數越高。在ArcGIS中進行運算，將結果進行柵格化處理，得到集中度指數子圖層。

3)豐富度。豐富度表明了該區(qū)域的地質遺跡種類的豐富程度，豐富度越高，表明該區(qū)域科研科普的價值越高，需要保護的級別越高。本文借鑒馬加萊夫(Margalef)豐富度指數[16]，來衡量地質遺跡點的豐富度，即

Dij=(Sij-1)/lnN,

(3)

式中: Dij為該評價單元的遺跡點豐富度指數，Dij值越大，則表示地質遺跡點越豐富； Sij為該評價單元內地質遺跡類型數； N表示地質遺跡點總數。通過地質遺跡調查，可以得到地質遺跡點總數(N)，并在此基礎上，根據國土資源部89號文件中的地質遺跡類型劃分表，可得到地質遺跡類型數(Sij)。與集中度采取相同的評價單元，計算每個評價單元內的地質遺跡豐富度。將數據進行柵格化處理，得到豐富度指數子圖層。

4)高程。研究區(qū)屬于山岳型地質公園，高程變化較大。高程的變化會引起溫度和降水量的明顯變化，同時造成了植物和生物的明顯垂直分層特征，對自然環(huán)境抗干擾能力有一定影響[8]。根據研究區(qū)被地形數據的原始矢量文件，利用ArcGIS的IDW空間分析方法，得到研究區(qū)的高程圖層，將數據柵格化后得到高程子圖層。

5)坡度。坡度描述的是保護區(qū)的地勢陡峭情況，絕大部分的泥石流、坍塌發(fā)生在坡度大于45°的陡坡，任何在此坡度上的輕微或局部人為活動對環(huán)境都可以造成不可逆轉的破壞，較大強度的人類活動可能導致水土流失的嚴重后果[16]。根據研究區(qū)的高程點，利用ArcGIS中的空間分析得到研究區(qū)坡度圖，數據柵格化后得到坡度子圖層。

6)通達性。將交通條件作為衡量研究區(qū)的通達性的指標，結合神農架林區(qū)交通總體規(guī)劃，綜合考慮研究區(qū)內的現狀交通數據(包括國道和省道)以及點狀交通數據(包括汽車站、火車站和機場)[18]，通達度表明游客進入該區(qū)域的難易度，其值越高表明越容易進入則需要保護的力度更大。結合點狀和面狀的交通條件，將交通路網合并為交通路網圖，計算研究區(qū)內每個地質遺跡點到與之距離最近的道路的歐式距離，將數據柵格化后得到通達度子圖層。

7)可及度。選取研究區(qū)內的地質遺跡點為中心，通過研究區(qū)內各點到達地質遺跡點的距離來來衡量該指標。在ArcGIS中計算研究區(qū)內所有點到目標源的歐式距離(Euclideandistance)，即

A=[Dij-min(Dij)]/[max(Dij)-min(Dij)] ,

(4)

式中： A為可及度指數，其得分與距離地質遺跡點遠近有關; Dij為該點至目標遠的距離，距離越遠，目標源的可及度越低，該區(qū)域保護力度就越低。得到可進入性的子圖層并柵格化，得到可及度子圖層。

3.3評價結果及綜合分析

將上述各單個影響因子柵格圖層進行標準化處理，根據表1所示各影響因子權重，在ArcGIS將標準化單因子圖層進行空間加權疊加，得到公園保護指數圖(圖2)，其分值范圍為8.4～124.4。圖中顏色越深表示疊加后分值越高，保護的價值越大，顏色越淺則反之。在ArcGIS中利用ReClass功能將結果劃分為3個等級： 較重要[20.0,50.0)、重要[50.0,75.0)和十分重要[75.0,124.4]，得到保護區(qū)初步劃分圖(圖3)。在對保護區(qū)進行實際定界時，將初步劃分圖作為主要依據，仍需要考慮以下2個因素： ①由于疊加圖層通過軟件處理和數學運算，產生了不連續(xù)、破碎的區(qū)域，不便于公園后期管理工作的進行，需根據附近較為明顯的標志(如山脊線、山谷線及道路等)對邊界進行融合和調整； ②需綜合考慮研究區(qū)土地利用狀況和兼顧地方經濟發(fā)展等因素[20]?；谝陨蟽牲c，在ArcGIS中將保護區(qū)初步劃分圖與神農架土地利用規(guī)劃圖及重大項目規(guī)劃圖進行等權疊加，將農用地、礦產及重大項目等用地排除在保護區(qū)初步范圍之外，并按照地形因素和行政區(qū)劃對保護區(qū)邊界進行微調，最終劃定公園地質遺跡保護區(qū)范圍(圖4)。神農架世界地質公園地質遺跡保護區(qū)劃定的總面積為174.749km2，其中一級保護區(qū)9.023km2，二級保護區(qū)75.403km2，三級保護區(qū)90.323km2。

圖2　湖北神農架世界地質公園保護指數圖

圖3　湖北神農架世界地質公園保護區(qū)初步劃分圖

圖4　湖北神農架世界地質公園地質遺跡保護區(qū)劃分圖

4結論

1)本文嘗試利用GIS技術對地質公園保護區(qū)劃分進行研究，通過GIS技術對各個評價指標定量化處理，相對于單純的定性評價更為客觀，其評價指標體系較好地應用于研究區(qū)； 根據劃分結果，后期在對保護區(qū)邊界進行實地考察過程中得到了較好的驗證，其邊界基本符合實際情況以及公園自身發(fā)展需求，說明該方法具有一定的實際操作意義。

2)從結果得知： 研究區(qū)保護區(qū)指數得分具有聚集性和空間差異性。①得分值較高的區(qū)域多位于地質遺跡級別較高區(qū)域和道路附近，因此在公園實際規(guī)劃的過程中，需根據保護區(qū)劃分圖對拐點坐標進行實地測量，針對不同等級的保護區(qū)采取有針對的保護措施，并在保護區(qū)邊界處做好標記和提示； ②湖北神農架世界地質公園保護區(qū)的分布在園區(qū)上體現出差異性，其中神農頂園和官門山園區(qū)保護區(qū)面積分別為62.525km2和54.237km2，分別占總保護區(qū)面積的35.8%和31.4%。地質公園不同園區(qū)中保護區(qū)面積的差異性可為功能區(qū)的劃分提供依據，于規(guī)劃近期將科普教育區(qū)設立于官門山園區(qū)，并設立科普教育基地； 神農頂園區(qū)為開展科學考察和開發(fā)地質旅游的主要園區(qū)，并將公園管理區(qū)設于此園區(qū)； 天燕園區(qū)、老君山園區(qū)和大九湖園區(qū)內保護區(qū)面積相對來說較小且基礎設施較為落后，以自然生態(tài)區(qū)和居民保留區(qū)為主，并設立發(fā)展預留區(qū)，最大程度保留地質公園的生態(tài)環(huán)境和民俗文化。

3)在劃分過程中，可能有如下幾點會影響保護區(qū)劃分的結果： ①地質調查的廣度和精度，以及地質遺跡的評價結果從一定程度上影響了緩沖區(qū)的劃分。為此，項目組先后5次進入湖北神農架世界地質公園進行考察，力求地質遺跡調查的全面性和分等定級的客觀性； ②影響保護區(qū)的劃分的因素很多，本文選取的景源級別、集中度、豐富度、研究區(qū)高程、坡度、交通便捷度和通達性作為神農架世界地質公園保護區(qū)的劃分評價指標，評價因子有待進一步細化，空間精度還有待提高； ③不同級別的地質遺跡景觀的緩沖區(qū)劃分具有一定的主觀性，在后續(xù)工作中可就道路、居民點和服務設施等對緩沖區(qū)的劃分影響做進一步的研究。

地質公園的保護和建設是長期和不斷完善的過程，基于GIS的地質公園保護區(qū)劃分為公園規(guī)劃提供了新的思路和方法，在后續(xù)研究中可借助GIS監(jiān)控保護區(qū)的變化及變化的模式和趨勢，有效地對公園進行科學管理。

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(責任編輯： 李瑜)

The division of protected areas in geoparks based on GIS: A case studyofShennongjiaGlobalGeoparkofHubeiProvince

DONG Qian1, LI Jiangfeng2, FANG Shiming2， FANG Kunsheng3

(1. College of Economics and Management, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China; 2. College of Republic Management, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China; 3. College of Natural Resource, North Carolina State University, Raleigh NC 27606, USA)

Abstract:Thedivisionofprotectedareaisoneofthemostimportanttasksinplanningofgeoparksandalsothefoundationforfutureconstruction;nevertheless,somerelevantproblemsexistsuchasvaguestandardsofdivision.ThisstudywasbasedontheinvestigationofgeositesandtheframeworkofVisitorExperienceandResourceProtection(VERP).Evaluationscalewascomposedof7indicatorsthatwereselectedandweightedbyAHP.TheGISwasusedasatooltoquantitativelyevaluatetheprotectedindexofthegeopark.TheShennongjiaGlobalGeoparkofHubeiProvincewasselectedasthestudyarea,andtheresultsshowedthattheprotectedindexwasfrom8.4to124.4,whichindicatedtheaggregationandspatialdifference.Thefinalprotectedareasweredividedonthebasisofthepreliminarymap,withtheconsiderationofthelocaleconomicdemandsandlandusingplanning.TheachievementshowsthattotalareaofprotectedareasintheShennongjiaGeoparkis174.749km2,whichisthebasisfortheplanningofdivisionoffunctionalzonesandconstructionofgeoparksinthefuture.

Keywords:GIS;geoparks;geoheritages;Shennongjia;protectedarea

doi:10.6046/gtzyyg.2016.03.24

收稿日期：2015-01-21；

修訂日期：2015-04-15

基金項目：國家自然科學基金項目“地質公園規(guī)劃關鍵問題與實施評價理論方法研究”(編號： 41201574)資助。

中圖法分類號：F59

文獻標志碼：A

文章編號：1001-070X(2016)03-0154-06

第一作者簡介：董茜(1988-)，女，博士研究生，主要從事地質公園規(guī)劃與建設、遺產旅游的保護與開發(fā)研究。Email:daisydong829@qq.com。

引用格式： 董茜，李江風，方世明,等.基于GIS的地質公園保護區(qū)劃分——以湖北神農架世界地質公園為例[J].國土資源遙感,2016,28(3):154-159.(DongQ,LiJF,FangSM,etal.ThedivisionofprotectedareasingeoparksbasedonGIS:AcasestudyofShennongjiaGlobalGeoparkofHubeiProvince[J].RemoteSensingforLandandResources,2016,28(3):154-159.)