一种基于文化服务保护的国家公园边界范围划定方法

1.本发明属于国家公园边界范围划定方法领域，尤其涉及用于侧重考虑文化服务功能保护的国家公园边界范围划定方法。


背景技术：

2.现有技术和缺陷：在中国国家公园的建设与发展脉络中，涉及了风景名胜区、森林公园、世界遗产、地质公园、水利风景区、湿地公园等多种自然保护地类型，这些自然保护地存在重叠设置、多头管理、边界不清及权责不明等问题，如何对其整合归并、划定国家公园边界范围，保护最具国家代表性的自然生态系统以及景观和文化遗产资源，成为当前国家公园体制建设中领域亟待解决的问题。
3.国家公园边界范围的划定是确定是分配有限的自然景观资源、保护生物多样性和生态系统服务的关键一步。美国、德国、英国、日本等很多国家都针对各自的国情制定了国家公园标准，我国国家公园的设立标准在《建立国家公园体制总体方案》中有表述，即：考虑自然生态系统代表性、面积适宜性和管理可行性。但如何合理划定国家公园的边界范围，国内外文献中鲜有提及具体的操作方法，关于国家公园范围与边界的理论研究还停留在初期阶段，学者多是从划定原则、管理保护、结构功能等角度进行探讨国家公园的边界范围，且边界范围的划定与决策态度及定位紧密相关。如：schmeller等人提出多个政治管辖区范围内的优先保护区划定的决策方法，并认为威胁状况并不总是反映实际的保护需要，而且可能与实际的保护优先次序有很大不同；larsen等人明确讨论生物多样性和生态系统服务在优先领域的选择，通过揭示生态系统服务之间的重要协同作用和权衡，实现协同增效和减轻权衡的特定区域和服务组合；he 等提出使用生态系统服务框架和数据来确定国家公园的受益者和管理问题，并用于确定国家公园的关键区域范围；陈曦等人从“多规合一”国土空间用途管制、景观生态与生命共同体视角，提出国家公园双层边界划定的构想。
4.边界划分是国家公园保护与管理的重要手段, 通常以行政区和自然地理边界为参考, 借助人工干预的方法进行划分,而较少考虑生态系统的文化服务及人为干扰因素，造成边界划分不合理、不清晰。国家公园的建立高度重视其科研教育和公众游憩等文化服务功能，在探索国家公园边界范围划定方法时考虑生态系统的文化服务价值具有实际意义，然而从该角度切入国家公园研究的文献观点鲜见提及。
5.解决上述技术问题的难度和意义：因此，基于这些问题，提供一种基于文化服务保护的国家公园边界范围划定具体操作方法，为国家公园边界范围划定提供新的路径，同时也为区域开发规划提供参考，具有重要的现实意义。


技术实现要素：

6.本发明目的在于为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种可用于指导合理
确定基于文化服务保护的国家公园边界范围划定的具体操作方法。
7.本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于文化服务保护的国家公园边界范围划定方法，所述用于文化服务保护的国家公园边界范围划定方法包括以下步骤：s1、基础数据收集与处理：poi
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数据，通过91卫图企业版软件下载区域范围内的自然保护地
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poi
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数据。原始数据经过一系列去重、纠偏、筛选等操作，得到含有名称、分类以及坐标信息等属性的各类兴趣点数据，从而运用 arcgis 10.4平台建立自然保护地空间属性数据库，包含自然保护区、风景名胜区、森林公园、地质公园、湿地公园、水利风景区等。
8.s2、文化服务评估指标选择：中国国家公园是一种新型的自然保护区模式，强调生态保护、国家性和全民公益性。国家公园的划定针对研究区域实际情况，从文化服务保护入手，选取文化价值、游憩价值、生物多样性价值、疗养价值和审美价值五个方面作为评价指标，服务价值等级划分为低、较低、一般、较高、很高5个等级，数值为1-5范围。
9.s3、文化服务评价文本的获取：可以采用问卷调查的方式获得文化服务评价数据，但需要问卷调査的数据量足够大，才能获得更好的调查数据；也可采用后弈采集器采集携程、大众点评等网站关于自然保护地poi兴趣点的评价文本，作为自然保护地生态系统文化服务价值评估的基础数据，依据s2的文化服务价值等级划定标准进行评估。
10.s4、文化服务价值空间插值及标准化处理：基于 arcgis10.4平台，采用经验贝叶斯克里金法对文化服务价值进行空间插值，生成文化服务价值地图，并采用自然断点法将价值地图从低到高重新划分为1-5级。
11.s5、确定指标权重：采用层次分析法(ahp)确定各指标的准则权重，通过terrset中的 weight模块来实现。在模块中输入各层次中每个指标的标准化栅格图层，将咨询景观规划专家关于两两重要性的判评结果输入进去，得到判断矩阵，要求评价指标体系中的各层次单排序与层次总排序均通过一致性检验。
12.s6、风险与权衡(owa确定有序权重)：利用有序加权平均（owa）计算多种决策风险系数背景下各指标的有序权重，owa在考虑准则层权重的同时还引入次序权重来克服由指标间数值差异过大和层次分析主观方法确定准则权重产生的决策误差。可设定n种风险下的权重集合，但考虑实际模拟的预案数量及运算模拟的可操作性，建议采用7种不同风险下的权重集合。
13.s7、文化服务价值综合评估：将准则图层（即各文化服务价值）量化之后，在 gis 环境中，根据不同的决策风险对要素进行集结。基于terrset平台的mce模块，选择ordered weighted average，生成对应的owa-gis栅格图，从而实现文化服务价值的综合评估。
14.s8、风险情景的预案模拟：对各栅格单元值进行高低排序，将国家公园规模转换为栅格数目，选取对应栅格数目的范围（从栅格的最大值开始选取）即为国家公园范围的情景预案。
15.s9、各风险预案文化服务保护效率的计算：e=c/o其中，e为国家公园特定生态系统服务的保护效率，c为国家公园的特定生态系统服务平均值,o为整个研究区特定生态系统服务的平均值。
16.分别计算每一种情景的每一种生态系统服务的保护效率，若保护效率大于1，则代表该地对该种生态服务的保护效率高；若小于1，则代表该地对该种生态系统服务的保护效率低。
17.s10、比较各风险预案的保护效率，权衡不同生态系统服务的保护，确定最优的生态系统服务保护情景，该情景即为划定的国家公园范围。
18.综上所述，本发明具有以下优点和积极效果：本发明将生态系统文化服务引入到国家公园边界范围划定方法研究中来，考虑不同因素组合下的决策风险与权衡，模拟形成多种情景预案并通过文化服务功能保护效率的对比分析确定最优边界范围，为国家公园边界范围划定提供新的路径，同时也为区域开发规划提供参考。
附图说明
19.以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造。
20.图1是本发明的技术路线图。
21.图2是自然保护地poi分布图。
22.图3是文化服务价值空间插值图。
23.图4是文化服务价值标准化处理图。
24.图5是不同风险情景下的文化服务价值分类图。
25.图6是不同风险情景下的国家公园边界范围模拟预案。
具体实施方式
26.首先，需要说明的是，以下将结合附图来具体说明本发明的用于指导基于文化服务保护的国家公园边界范围划定方法的具体结构、技术路线、特点和优点等，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将其理解为对本发明形成任何限制。此外，在本文所提及各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，仍然可在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。
27.图1给出了本发明的技术路线图，图2示出了研究范围内的自然保护地poi分布点位，图3示出了文化服务价值空间插值图，图4示出了文化服务价值标准化处理图，图5示出了不同风险情景下的文化服务价值分类图，图6示出了不同风险情景下的国家公园边界范围模拟预案。下面就结合图1至图6对本发明的具体实施案例（基于文化服务保护的粤港澳大湾区国家公园边界范围）做说明。
28.本发明公开了一种基于文化服务保护的国家公园边界范围划定方法，所述基于文化服务保护的国家公园边界范围划定方法包括以下步骤：s1、基础数据收集与处理：需要收集粤港澳大湾区的landsat oli卫星影像（http://earthexplorer.usgs.gov/），用于土地利用类型空间分布信息提取，以及广东省国土资源信息、广东省地图、地形图、国土空间规划相关图纸，用于辅助影像校正和解译以
及道路、水体、地形坡度和行政边界提取。还需要获取国家公园及自然保护地的poi数据，作为文化服务价值评估的对象。poi数据可以通过91卫图企业版软件下载，也可以通过百度地图等数据平台获取。原始数据经过一系列去重、纠偏、筛选等操作，得到含有名称、分类以及坐标信息等属性的各类兴趣点数据，从而运用 arcgis 10.4平台建立自然保护地空间属性数据库（图2），包含自然保护区、风景名胜区、森林公园、地质公园、湿地公园、水利风景区等。
29.s2、文化服务评估指标选择：中国国家公园是一种新型的自然保护区模式，强调生态保护、国家性和全民公益性。文化服务类型多样，包括美学价值、文化价值、遗产价值、历史价值、学习价值、娱乐价值、精神价值、康体健身价值、经济价值、生命支持价值、生物多样性价值等。国家公园的划定针对研究区域实际情况，选取文化价值、游憩价值、生物多样性价值、疗养价值和审美价值五个方面作为评价指标来进行文化服务保护，服务价值等级划分为低、较低、一般、较高、很高5个等级，数值为1-5范围。
30.s3、可以采用问卷调查的方式获得文化服务评价数据，但需要问卷调査的数据量足够大，才能获得更好的调查数据。由于人们对于当地的认知，除了与当地实际水平密切相关，还与人们自身的条件有很大的关系，因此调查问卷的方式在如此大的范围内展开无法取得立项的结果。因此采用后弈采集器采集携程、大众点评等网站关于自然保护地poi兴趣点的评价文本，作为自然保护地生态系统文化服务价值评估的基础数据，依据s2的文化服务价值等级划定标准(划分为低、较低、一般、较高、很高5个等级，数值为1-5范围)进行评估。
31.s4、文化服务价值空间插值及标准化处理：基于 arcgis10.4平台，采用经验贝叶斯克里金法对文化服务价值进行空间插值（图3），该方法只需要极少的交互式建模,通过估计基础半变异函数来说明所引入的误差，便可自动执行构建有效克里金模型过程中的那些最困难的步骤。考虑到软件计算能力与下一步预案模拟时长，将空间分辨率设置为1000，通过经验贝叶斯克里金法生成文化服务价值地图，并采用自然断点法将价值地图从低到高重新划分为1-5级（图4）。
32.s5、确定指标权重：采用层次分析法(ahp)确定各指标的准则权重，通过terrset中的 weight模块来实现。在模块中输入各层次中每个指标的标准化栅格图层，将咨询景观规划专家关于两两重要性的判评结果输入进去，得到判断矩阵。经计算，文化价值权重为0.0771，娱乐价值权重为0.0449，生物多样性权重为0.5263，疗养价值权重为0.2306，美学价值权重为 0.1212。consistency ratio = 0.06，评价指标体系中的各层次单排序与层次总排序均通过一致性检验。
33.s6、风险与权衡(owa确定有序权重)：利用有序加权平均（owa）计算多种决策风险系数背景下各指标的有序权重，owa在考虑准则层权重的同时还引入次序权重来克服由指标间数值差异过大和层次分析主观方法确定准则权重产生的决策误差。可设定n种风险下的权重集合，但考虑实际模拟的预案数量及运算模拟的可操作性，建议采用7种不同风险下的权重集合。为了平衡时间和效果，风险值从0开始到1，间隔0.2的风险值设置一种情景，中间值0.5也设置一种情景，这样既能得到较多的情景，又不至于因情景过多而延误时间。owa的算数公式为：，（ , (1)
其中，是指在第j个经过标准化处理后的栅格图上的第ｉ个位置处的一组属性值。在本文中，标准化后的栅格图层即指经过标准化处理后的五种生态系统文化服务价值，即美学、文化、娱乐、生物多样性和疗养价值。是与对应的经过标准化之后，五种生态系统文化服务栅格值由大到小的降序排列之后获得的新的五个数据集，是五个新数据集的有序权重。有序权重是根据各指标值的数值大小和对决策风险的认识为基础来确定的。通常用风险因子来体现决策风险，风险因子是根据实际情况中指标因子数值差异和主观权重差异带来的决策风险的认识来制定，取决于决策者对风险的态度。不同的有序权重选择下的风险（risk）和权衡（trade-off）的计算公式如下：quote
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(2)quote
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(3)式中，n为所有栅格图集的总数量，ω1为第i个栅格的权重。理论上，通过改变owa的决策策略范围内的风险和权衡水平，可以获得无数个情景。场景的风险值越高，丢失生态系统服务的风险就越高。场景的权衡值越高，来自每个生态系统服务的值在最终owa结果中越平均。
34.结合上文中的数学公式（1），（2）和（3）可获得各个情景的的有序权重值，分别为；情景1：risk=0时，权重系数分别为：0，0，0，0，0；情景2：risk=0.2时，权重系数分别为：0，0.04，0.18，0.32，0.46；情景3：risk=0.4时，权重系数分别为：0.12，0.16，0.2，0.24，0.28；情景4：risk=0.5时，权重系数分别为：0.2，0.2，0.2，0.2，0.2；情景5：risk=0.6时，权重系数分别为：0.28，0.24，0.2，0.16，0.12；情景6：risk=0.8时，权重系数分别为：0.46，0.32，0.18，0.04，0；情景7：risk=1时，权重系数分别为：1，0，0，0，0；s7、文化服务价值综合评估：将准则图层（即各文化服务价值）量化之后，在 gis 环境中，根据不同的决策风险对要素进行集结。基于terrset平台的mce模块，选择ordered weighted average，生成对应的owa-gis栅格图，从而实现文化服务价值的综合评估，见图5。
35.s8、风险情景的预案模拟：对各栅格单元值进行高低排序，将国家公园规模转换为栅格数目，选取对应栅格数目的范围（从栅格的最大值开始选取）即为国家公园范围的情景预案。考虑粤港澳大湾区土地利用的实际情况将总面积的15%确定为国家公园占地规模，将国家公园规模转换为栅格数目（5.64
×
10
８
×
15%)/(1000
×
1000)=8460，使用geosos 1.2.0面优化中的aco-ca模块，相应的aco参数设定为：信息强度设置为5，启发权重2，挥发素数0.04，信息权重3，适宜性因子1，紧凑性因子1，蚂蚁数目8460，网格边长1000，总迭代次数300。该算法按照按照栅格单元值从高到低的顺序进行优选，同时兼顾国家公园分布的紧凑性，模拟结果即为国家公园边界范围的情景预案，见图6。
36.s9、各风险预案文化服务保护效率的计算：e=c/o(4)其中，e为国家公园特定生态系统服务的保护效率，c为国家公园的特定生态系统服务平均值,o为整个研究区特定生态系统服务的平均值。分别计算每一种情景的每一种生态系统服务的保护效率，若保护效率大于1，则代表该地对该种生态服务的保护效率高；若小于1，则代表该地对该种生态系统服务的保护效率低。
37.利用公式（4），首先统计各情景下国家公园划定范围内文化、游憩、生物多样性、疗养和美学等五种生态系统文化服务价值，除以栅格单元数量，得到每个栅格单元对应的5种生态系统服务平均值。之后统计粤港澳大湾区全部区域内每个栅格单元5种生态系统文化服务的平均值。用各情景预案下划定的国家公园范围内的平均值，除以粤港澳大湾区平均值得到各风险情景预案的生态系统文化服务的保护效率，结果分别为：risk=0时，e
culture
=1.430，e
recreation =1.391，e
(biodiversity
=1.335，e
rehabilitation
=1.399，e
aesthetic
=1.393；risk=0.2时，e
culture
=1.240，e
recreation =1.380，e
(biodiversity
=1.504，e
rehabilitation
=1.442，e
aesthetic
=1.337；risk=0.4时，e
culture
=1.226，e
recreation =1.437，e
(biodiversity
=1.503，e
rehabilitation
=1.502，e
aesthetic
=1.366；risk=0.5时，e
culture
=1.260，e
recreation =1.453，e
(biodiversity
=1.501，e
rehabilitation
=1.517，e
aesthetic
=1.375；risk=0.6时，e
culture
=1.292，e
recreation =1.520，e
(biodiversity
=1.469，e
rehabilitation
=1.543，e
aesthetic
=1.430；risk=0.8时，e
culture
=1.422，e
recreation =1.514，e
(biodiversity
=1.386，e
rehabilitation
=1.473，e
aesthetic
=1.450；risk=1时，e
culture
=1.410，e
recreation =1.499，e
(biodiversity
=1.398，e
rehabilitation
=1.478，e
aesthetic
=1.412表中，7种情景预案划定的国家公园范围，对于5种生态系统文化服务均具有较好的保护作用。其中，对文化价值保护效率最优的是情景1，保护效率为1.430；对游憩价值保护效率最优的是情景5，保护效率为1.520；对生物多样性保护效率最优的是情景2，保护效率为1.504；对疗养价值保护效率最优的是情景5，保护效率是1.543；对美学价值保护效率最优的是情景6，保护效率是1.430。其中，情景5实现了对游憩价值和生物多样性保护效率最优。
38.s10、比较各风险预案的保护效率，权衡不同生态系统服务的保护，确定最优的生态系统服务保护情景，该情景即为划定的国家公园范围。通过前文各风险情景下的国家公园划定范围分析，我们认为：从土地利用角度看，情景1和情景6是不合理的；从均衡的为更多人民提供教育和游憩机会的角度看，情景1，5，6和7是较为合理的。通过前文各风险情景下的文化服务保护效率分析，我们认为：情景5实现了对游憩价值和生物多样性保护效率最优。综上理由，权衡不同生态系统服务的保护，确定情景5为最优，该情景即为划定的粤港澳
大湾区国家公园范围。
39.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。