基于ArcGIS的艾比湖周邊灌叢沙堆三維形態(tài)特征的提取與分析

李曉媛

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 引言

灌叢沙堆是干旱地區(qū)沙漠、半干旱半濕潤(rùn)沙地和沙質(zhì)海岸帶常見的風(fēng)積生物地貌類型，由于風(fēng)沙流遇到灌叢阻攔，沙物質(zhì)在灌叢及其周圍堆積而形成的［1］。新疆艾比湖湖濱廣泛分布著檉柳、白刺、鹽節(jié)木、梭梭、麻黃等植被，以這些固沙能力較強(qiáng)的灌叢植被為依托，在艾比湖較充足的沙源和強(qiáng)勁的風(fēng)力作用下，形成了不同植被類型、不同形態(tài)的灌叢沙堆。灌叢沙堆被吹揚(yáng)繼而沙堆與流沙相間分布是土地沙漠化過程的重要環(huán)節(jié)［2］，灌叢沙堆在半干旱草原和稀樹草原的沙漠化過程中扮演了重要的角色，沙漠化過程實(shí)際上就是沙漠灌叢大范圍取代草原的過程。沙堆的形成不僅改變了風(fēng)速和風(fēng)向，也在很大程度上優(yōu)化了當(dāng)?shù)氐男∩常?］。

本文嘗試以點(diǎn)線面調(diào)查相結(jié)合的方法，以RTK為平臺(tái)重點(diǎn)對(duì)艾比湖周邊典型樣方內(nèi)灌叢沙堆的形態(tài)特征、植物生態(tài)學(xué)特征進(jìn)行了實(shí)測(cè)和采樣分析，利用GIS技術(shù)生成數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)，結(jié)合對(duì)艾比湖的高分辨率遙感影像進(jìn)行目視解譯的結(jié)果，從灌叢沙堆的植被類型、密度、高度、面積和體積幾個(gè)方面進(jìn)行定量描述，從而研究艾比湖周邊灌叢沙堆的空間分布格局，并探討其成因。為研究區(qū)荒漠化防治以及區(qū)域生態(tài)保護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

新疆艾比湖濕地國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)地處新疆博爾塔拉蒙古自治州東北角。地理坐標(biāo)東經(jīng)82°36'～83°50'，北緯 44°30'～45°09'。位于準(zhǔn)噶爾盆地西南緣，三面環(huán)山，東北部與古爾班通古特沙漠相連，遠(yuǎn)離海洋，干燥少雨，光熱充足，屬于典型的溫帶干旱大陸性氣候。艾比湖為準(zhǔn)噶爾盆地最低洼地，是地表、地下水匯集中心，湖水礦化度高，湖面海拔196 m，現(xiàn)有水域面積683 km2。其地處阿拉山口大風(fēng)的主風(fēng)道上，常年以西北風(fēng)居多，年平均≥8級(jí)以上的大風(fēng)160多天，瞬時(shí)極大風(fēng)速達(dá) 55m/s［4］。

3 研究意義

由于艾比湖地處阿拉山口大風(fēng)通道區(qū)，氣候極端干旱，生態(tài)區(qū)位極為重要，成為影響這個(gè)新疆北部乃至內(nèi)地生態(tài)系統(tǒng)的重要因素之一，是指征準(zhǔn)噶爾盆地生態(tài)環(huán)境變化的關(guān)鍵地區(qū)，在我國(guó)內(nèi)陸荒漠自然生態(tài)系統(tǒng)中具有典型性和較高的保護(hù)價(jià)值［5］。灌叢沙堆的退化演替過程通常是自然因素和人為活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的壓力綜合作用的結(jié)果［6］。受氣候變化和人類活動(dòng)的影響和控制，灌叢沙堆的形成與發(fā)育是群落演替過程中植被與環(huán)境相互作用的結(jié)果，對(duì)其地貌形態(tài)特征的研究分析不僅有利于進(jìn)一步結(jié)實(shí)灌叢沙堆發(fā)育過程中植被生態(tài)特征與沙堆演化的關(guān)系，而且對(duì)研究區(qū)域的荒漠化防止有一定的現(xiàn)實(shí)意義［7］。

4 技術(shù)路線

圖1 技術(shù)路線圖

5 主要步驟

5.1 樣方設(shè)置及測(cè)量

在野外調(diào)查過程中，結(jié)合對(duì)研究區(qū)遙感影像進(jìn)行目視解譯的結(jié)果，通過對(duì)現(xiàn)地的觀察，根據(jù)對(duì)研究區(qū)地形地貌以及植被、土壤等各種自然地理要素分析，選擇能帶代表灌叢種群特征的6個(gè)典型樣區(qū)4種不同植被類型的灌叢沙堆進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)，樣方分別為:樣方A，100 m×100 m，白刺沙堆;樣方 B，50 m×50 m，鹽節(jié)木沙堆;樣方 C，50 m×50 m，白刺沙堆;樣 方 D，50 m×50 m，梭梭和白刺混生沙堆;樣方 E和樣方F，為100 m×100 m檉柳沙堆，如圖2所示。

圖2 樣方分布圖

其中樣方A、B、C、D使用RTK進(jìn)行測(cè)量，樣方E、F為人工測(cè)量。在實(shí)施測(cè)量時(shí)，根據(jù)所選樣區(qū)位置、衛(wèi)星狀況等進(jìn)行基準(zhǔn)站布設(shè)，硬件安裝。先以GPS圈定樣方范圍，用移動(dòng)站動(dòng)態(tài)測(cè)量每個(gè)沙堆輪廓線，脊線及頂點(diǎn)坐標(biāo)。在實(shí)際操作過程中，只需要設(shè)置好基準(zhǔn)站，然后帶上移動(dòng)測(cè)站在每個(gè)沙堆輪廓線及脊線上走一遍，GPS將會(huì)每秒記錄一次坐標(biāo)，形成連續(xù)的航跡，如圖3所示，在獲得數(shù)據(jù)后，對(duì)其進(jìn)行刪除冗余點(diǎn)和精度分析的操作。為了提高測(cè)量精度，一般對(duì)每個(gè)沙堆測(cè)量?jī)杀椋∑骄?。人工測(cè)量主要采用目測(cè)或者皮尺、鋼卷尺和羅盤等工具，測(cè)量沙堆迎風(fēng)坡坡長(zhǎng)(Ls)、迎風(fēng)坡坡角(α)、背風(fēng)坡坡長(zhǎng)(L1)與背風(fēng)坡坡角(β)，長(zhǎng)軸長(zhǎng)度(L)與走向、短軸長(zhǎng)度(W)以及沙堆高度(H)等形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖3 GPS動(dòng)態(tài)測(cè)量航跡圖

圖4 沙堆形態(tài)參數(shù)示意圖

5.2 構(gòu)建DEM

本文利用Trimble 5700獲取的實(shí)地三維數(shù)據(jù)，運(yùn)用美國(guó)ESRI公司的ArcGIS 9.1軟件中的三維分析(3DAnalyst)模塊、空間分析(Spatial Analyst)模塊，構(gòu)建四個(gè)灌叢沙堆樣區(qū)的DEM。

(1)高程點(diǎn)創(chuàng)建柵格DEM

在ArcGIS 9.1中內(nèi)插方法主要包括反距離權(quán)重插值(Interpolate to Raster)、樣條函數(shù)插值(Spline)、克利金插值(Kriging)和自然領(lǐng)域內(nèi)插(Natural Neighbors)。

本文采用反距離權(quán)重插值方法來創(chuàng)建樣區(qū)的柵格DEM。

(2)柵格表面生成等高線圖

本文運(yùn)用ArcGIS 9.1軟件的三維分析(3DAnalyst)模塊和柵格DEM中的表面分析功能生成樣區(qū)的等高線圖。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，為得到最佳效果，其等高距分別設(shè)置為:樣區(qū)A:0.02 m;樣區(qū)B:0.1 m;樣區(qū)C:0.05 m;樣區(qū)D:0.05 m。

(3)等高線生成TIN

通常TIN是從多種矢量數(shù)據(jù)源中創(chuàng)建的?？梢杂命c(diǎn)、線與多邊形要素作為創(chuàng)建TIN的數(shù)據(jù)源。其中，不要求所有要素都具有Z值，但有一些要素必須有Z值。同時(shí)，這些用以創(chuàng)建TIN的輸入要素還可以包含整數(shù)屬性值，并且這些屬性值也將在輸出的TIN要素中保留。TIN可以有效模擬樣區(qū)的地形表面。本文運(yùn)用ArcGIS 9.1軟件的三維分析(3DAnalyst)模塊中的創(chuàng)建TIN用等高線生成樣區(qū)的TIN，如圖5所示。

圖5 樣區(qū)TIN

5.3 灌叢沙堆三維形態(tài)特征提取

地貌形態(tài)的測(cè)量和表述，有很大的科學(xué)意義。量測(cè)得到的形態(tài)數(shù)字指標(biāo)，既是表述和比較地貌形態(tài)特征的數(shù)字參數(shù)，也是劃分地貌形態(tài)類型的科學(xué)依據(jù)［8］。對(duì)于多邊形地理實(shí)體，主要是以其形狀指數(shù)的測(cè)度來對(duì)其空間分布格局進(jìn)行描述，對(duì)三維空間特征分析時(shí)，需要考慮高程、體積等指標(biāo)［9］。

本文從灌叢沙堆的分布密度、高度、面積和體積幾個(gè)方面做分析。

(1)點(diǎn)密度特征提取

分布密度是指單位分布區(qū)域內(nèi)的分布對(duì)象的數(shù)量，是兩個(gè)比率尺度數(shù)據(jù)的比值。本文對(duì)灌叢沙堆點(diǎn)分布密度計(jì)算以頻數(shù)計(jì)，即分子為點(diǎn)的出現(xiàn)頻率，分母為樣地面積，公式為:

本文按此方法對(duì)樣區(qū)內(nèi)灌叢沙堆的點(diǎn)密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，如表1所示。

樣區(qū)灌叢沙堆點(diǎn)分布密度統(tǒng)計(jì)表 表1

總體看來，單位面積內(nèi)，鹽節(jié)木沙堆出現(xiàn)的頻率最高，分布密度為7.6×10－3個(gè)/m2，即鹽節(jié)木沙堆分布最密集;其次為梭梭沙堆，分布密度為5.2×10－3個(gè)/m2;白刺沙堆的分布在不同區(qū)域其密度不同，在湖西北岸的分布密度為5.2×10－3個(gè)/m2，湖東南岸分布密度為1.6×10－3個(gè)/m2。

(2)灌叢沙堆高度和體積特征提取

灌叢沙堆高度和體積的提取以前期工作得到的TIN格式DEM及等高線為基礎(chǔ)，將每一個(gè)沙堆單獨(dú)提取出來，應(yīng)用ArcGIS 9.2中三維分析模塊的創(chuàng)建垂直剖面圖。剖面圖直觀的表現(xiàn)出沿表面上某條線前進(jìn)時(shí)高程變化的情況，因此，對(duì)樣區(qū)內(nèi)所有灌叢沙堆的剖面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以計(jì)算灌叢沙堆的高度參數(shù)［11］。

將最高高程值與最低高程值相減，即得到灌叢沙堆的高度值。樣區(qū)內(nèi)灌叢沙堆高度的最高值、最小值和平均值，如表2所示。

樣區(qū)灌叢沙堆高度統(tǒng)計(jì)表 表2

本文利用ArcGIS中三維分析模塊的計(jì)算體積的功能，對(duì)樣區(qū)內(nèi)每個(gè)灌叢沙堆進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，如表3所示。

樣區(qū)灌叢沙堆體積統(tǒng)計(jì)表 表3

樣區(qū)E、F分別為艾比湖南岸和北岸的檉柳沙堆，測(cè)量數(shù)據(jù)如表4所示。

人工樣區(qū)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表 表4

5 結(jié)論

總體看來，艾比湖周邊的檉柳沙堆高度最高，體積最大，除檉柳沙堆以外，艾比湖周邊灌叢沙堆的高度分布呈一定規(guī)律性，即灌叢沙堆的高度隨植被高度的增加而增加，鹽節(jié)木的高度最低，其形成的沙堆最矮小;白刺的高度整體比鹽節(jié)木高，其形成的沙堆比鹽節(jié)木略高大;梭梭的高度最高，其形成的沙堆最為高大。

結(jié)合圖2中艾比湖周邊灌叢沙堆的分布與距湖遠(yuǎn)近的規(guī)律性，可以得出艾比湖周邊灌叢沙堆的高度和體積與湖濱距離遠(yuǎn)近的關(guān)系，即灌叢沙堆的高度和體積隨與湖濱距離的增加而增大。與湖濱距離最近的鹽節(jié)木沙堆的高度和體積最小，隨與湖濱距離的增加，漸變?yōu)楦叨润w積略大的白刺沙堆，隨與湖濱距離的繼續(xù)增加，則漸變?yōu)楦叨润w積更大的梭梭沙堆。

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