基于DEM的森林地形與植被空間格局關(guān)聯(lián)分析

馮曉麗，吳小芳，2，沈德才，朱劍云

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，廣東 廣州 510642； 2.建設(shè)用地再開發(fā)國土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642； 3.東莞林業(yè)科學(xué)研究所，廣東 東莞 523106)

基于DEM的森林地形與植被空間格局關(guān)聯(lián)分析

馮曉麗1，吳小芳1，2，沈德才3，朱劍云3

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，廣東 廣州 510642； 2.建設(shè)用地再開發(fā)國土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642； 3.東莞林業(yè)科學(xué)研究所，廣東 東莞 523106)

以大嶺山森林公園為研究對象，利用DEM自動(dòng)提取地形因子，獲取坡度、坡向分布圖；在其基礎(chǔ)上，結(jié)合林班數(shù)據(jù)對森林資源空間格局進(jìn)行相關(guān)分析，并著重研究優(yōu)勢樹種(荔枝、杉木、速相思、桉樹、馬尾松)的適宜性坡度與坡向，發(fā)現(xiàn)其分布規(guī)律，為森林資源的進(jìn)一步管理與規(guī)劃提供指導(dǎo)。

數(shù)字高程模型(DEM)；大嶺山森林公園；空間分布

近年來，由于森林資源調(diào)查領(lǐng)域研究的深入及計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，利用電子地圖生成數(shù)字高程模型(DEM)，利用DEM自動(dòng)提取地形因子進(jìn)行空間分析，具有快速、科學(xué)、客觀等特點(diǎn)，可以部分取代傳統(tǒng)作業(yè)中繁雜的野外實(shí)地觀測，在數(shù)字林業(yè)建設(shè)中有良好的應(yīng)用前景。

在森林公園中，森林植被的組成以及空間分布與配置格局是影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的重要因素[1]。在景觀甚至更小的尺度上，地形通過控制光、熱、水、土壤養(yǎng)分等資源的再分配而成為影響植被分布最重要的環(huán)境因子。研究植被格局與地形格局的相關(guān)關(guān)系具有重要意義，它可以探索森林景觀異質(zhì)性、森林資源的空間格局，為森林資源的經(jīng)營與管理提供參考[2]。本文以大嶺山森林公園為研究對象，利用DEM自動(dòng)提取地形因子，結(jié)合林班數(shù)據(jù)對森林資源空間格局進(jìn)行相關(guān)分析，著重研究大嶺山森林公園具有代表性樹種的適宜性坡度與坡向，直觀詳細(xì)地闡述地形與植被直接內(nèi)在的聯(lián)系，為森林資源的經(jīng)營與發(fā)展提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

大嶺山森林公園位于東莞市南部，珠江口的東北部，北鄰厚街，與莞城相對，南接虎門、長安，與深圳相望。地理坐標(biāo)為東經(jīng)113°42′22″—113°48′12″、北緯22°50′00″—22°53′32″，處于珠江三角洲開發(fā)區(qū)的中心地帶。地貌屬低山、丘陵，整個(gè)地勢東北部偏高，西北部偏低，海拔多在150～450 m之間，相對高差一般在150 m左右，最高峰為北部的大嶺山頂，海拔530.1 m，坡度15°～40°。公園土壤為赤紅壤，成土母巖為花崗巖，土層深厚。森林公園屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，全年暖熱，平均氣溫21.7 ℃，夏長冬短，無霜期達(dá)350 d，年平均降水量1790 mm，最大日降水量在6月，為395.5 mm，最小降水量在1月，為2.2 mm；水熱條件好，有助于林木生長。

圖1 技術(shù)流程圖

1.2 技術(shù)路線

圖2 大嶺山森林公園DEM圖

首先利用等高線生成DEM，再利用DEM自動(dòng)提取地形因子，對坡度、坡向以及森林植被空間格局進(jìn)行分析(圖1)。

2 DEM建立與空間分析

2.1 DEM建立

在ArcGIS 10.0中利用等高線矢量圖，使用工具3D Analyst/create TIN/create TIN form features 生成Tin，再用3D Analyst/convert/TIN to raster 轉(zhuǎn)換生成GRID，生成DEM效果圖(圖2)[3]。

2.2 坡度與坡向分析

利用ArcGIS軟件的Spatial Analyst功能模塊對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度和坡向分析。

2.2.1 坡度分析 用Slope函數(shù)提取坡度，對坡度進(jìn)行重分類，然后對該數(shù)據(jù)層的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。操作流程為：①坡度分析。運(yùn)行Spatial Analyst/Surface Analysis/Slope進(jìn)行坡度分析，生成研究區(qū)的坡度圖，柵格圖形中每個(gè)點(diǎn)的像素單元值即為該點(diǎn)的坡度值。②坡度重分類。運(yùn)行Spatial Analyst/Reclassify進(jìn)行坡度重分類，將坡度按照分級標(biāo)準(zhǔn)分為平坡(0～5°)、緩坡(6°～15°)、斜坡(16°～25°)、陡坡(26°～35°)、急坡(36°～45°)、險(xiǎn)坡(>46°)共6級，由于研究區(qū)最高坡度小于45°，所以無第6級險(xiǎn)坡。③坡度分類統(tǒng)計(jì)。將重分類后生成的柵格圖形屬性表導(dǎo)出為.dbf文件，通過Excel軟件進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出研究區(qū)坡度組成以及各分類比例[4](圖3、圖4)。由圖3、圖4可知：大嶺山森林公園坡度以平坡為主，比例最大，占59.68%，其次是緩坡，占25.96%；無險(xiǎn)坡。

2.2.2 坡向分析 運(yùn)行Spatial Analyst/Surface Analysis/ Aspect提取各坡向，將坡向?qū)傩员韺?dǎo)出為.dbf文件，通過Excel軟件進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出研究區(qū)坡向組成以及各分類比例(圖5、圖6)。由圖5、圖6可知：大嶺山森林公園坡向分布較均勻，其中北坡偏多，平坦地區(qū)幾乎沒有。

圖3 坡度圖圖4 各坡度分類統(tǒng)計(jì)圖5 坡向圖圖6 坡向分類統(tǒng)計(jì)

2.3 坡度與林班疊加分析

利用上述坡度重分類圖，進(jìn)行柵格矢量化，再利用ArcToolBox/Overlay工具，將矢量圖與林班圖層進(jìn)行疊加分析，疊加的結(jié)果見圖7。在疊加圖中打開屬性表，選擇坡度、樹種、面積字段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)輸出，然后按樹種組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[5]，不同植被類型在不同坡度上的分布面積見圖8。由圖7、圖8可知，大嶺山森林公園大部分植被分布在平坡、緩坡和斜坡且分布較均勻，在陡坡和急坡地帶分布較少甚至沒有。另外，非林地比例很大，有待進(jìn)一步利用。

圖7 坡度林班疊加圖圖8 林班坡度圖

2.4 坡向與林班疊加分析

利用上述坡向圖，進(jìn)行柵格矢量化，然后利用ArcToolBox/Overlay工具，將矢量圖與林班圖層進(jìn)行疊加分析，疊加的結(jié)果見圖9。在疊加圖中打開屬性表，選擇坡度、樹種、面積字段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)輸出，然后按樹種組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，不同植被類型在不同坡向上的分布面積見表1、圖10。

圖9 坡向與林班疊加圖圖10 林班坡向圖

表1 大嶺山森林公園林班坡向分布圖 hm2

由表1、圖10可知，在大嶺山森林公園，森林資源分布較均勻，北坡偏多，平坦地區(qū)幾乎沒有。這也與大嶺山森林公園的氣候有關(guān)，大嶺山森林公園屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，水熱條件好，有助于林木的生長。

2.5 優(yōu)勢樹種適宜性坡度分析

選出林班中面積最大的5個(gè)樹種作為優(yōu)勢樹種，分別為荔枝、速相思、桉樹、馬尾松、杉木。將這5個(gè)樹種的林班數(shù)據(jù)與坡度疊加，輸出統(tǒng)計(jì)分析得出各樹種在坡度上的分布(表2)。由表2可知，5大優(yōu)勢樹種大致可分為2類：①荔枝和杉木的適宜性坡度均為平坡，隨著坡度的增加，分布面積逐漸減少；②速相思、桉樹、馬尾松的適宜性坡度為緩坡，在緩坡的分布尤為明顯。

表2 大嶺山森林公園優(yōu)勢樹種的坡度分布 hm2

2.6 優(yōu)勢樹種適宜性坡向分析

將5個(gè)優(yōu)勢樹種的林班數(shù)據(jù)與坡向疊加，輸出統(tǒng)計(jì)分析得出各樹種在坡向上的分布(表3)。

表3 大嶺山森林公園優(yōu)勢樹種的坡向分布 hm2

由表3可知：優(yōu)勢樹種在北坡和西北坡分布較多，這是由于北坡面積較其他坡向較大，而大嶺山森林公園地勢較低，氣候適宜，受坡向影響較小，所以坡向分布總體較均勻。大嶺山森林公園各樹種分布，并無明顯的差異性，這也與大嶺山森林公園氣候有關(guān)，大嶺山森林公園屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，水熱條件好，而優(yōu)勢樹種大部分的適宜生長環(huán)境就是亞熱帶氣候，所以適宜生長。

3 結(jié)論

在ArcGIS 10.0軟件的支持下，建立大嶺山森林公園數(shù)字高程模型DEM，提取坡度、坡向等地形因子，并與林班數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，得到以下結(jié)論：①大嶺山森林公園坡度以平坡為主，比例最大，占59.68%；其次是緩坡；無險(xiǎn)坡。由此說明，大嶺山森林公園地形起伏不大，比較平緩，大部分植被分布在平坡、緩坡和斜坡且分布較均勻，在陡坡和急坡地帶分布較少甚至沒有；森林資源坡向分布較均勻，其中北坡偏多，平坦地區(qū)幾乎沒有。②優(yōu)勢樹種的適宜性坡度分為2類：荔枝、杉木的適宜性坡度均為平坡，隨著坡度的增加，分布面積逐漸減少；速相思、桉樹、馬尾松的適宜性坡度為緩坡，在緩坡的分布尤為明顯。優(yōu)勢樹種的適宜性坡向?yàn)楸逼潞臀鞅逼拢溆喾植驾^均勻。③非林地面積比例大于任何一種植被，而大嶺山森林公園地貌屬低山、丘陵，較平坦，易于造林，有必要加強(qiáng)對非林地地區(qū)的利用。

本文研究了大嶺山森林公園的地形因子與森林資源之間的相關(guān)關(guān)系，并選取5個(gè)代表性優(yōu)勢樹種進(jìn)行適宜性坡度和坡向研究，選取的因子有限，然而在實(shí)際生產(chǎn)中，林木的生長受光照、土地肥力、水分條件、土層厚度和經(jīng)營措施等諸多因子的共同影響，因此，在下一步研究中，應(yīng)選取更多的環(huán)境因子結(jié)合地形因子綜合分析植被類型的空間分布規(guī)律，從而為森林資源的合理經(jīng)營和科學(xué)管理提供服務(wù)。

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[2]曾宏達(dá).基于DEM和地統(tǒng)計(jì)的森林資源空間格局分析——以武夷山山區(qū)為例[J].地球信息科學(xué)，2005，7(2)：83-88.

[3]湯國安，楊昕.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

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Association Analysis between Forest Terrain and Vegetation Spatial Pattern Based on DEM

FENG Xiao-li1，WU Xiao-fang1，2，SHEN De-cai3，ZHU Jian-yun3

(1.CollegeofInformation，SouthChinaAgriculturalUniversity，Guangzhou510642，Guangdong，China；2.LandResourceMinistryKeyLaboratoryofConstructionlandimprovement，Guangzhou510642，Guangdong，China；3.DongguanResearchInstituteofForestry，Dongguan523106，Guangdong，China)

In this paper，Dalingshan Forest Park is taken as the research region.Automatic extraction of topographic factors based on DEM，get slope and aspect maps。On its basis，compartment data combined with the spatial pattern of correlation analysis of forest resources，and focuses on the representative of the dominant species (lychee，fir，speed Acacia，Eucalyptus and Pinus massoniana) the suitability of slope and aspect analysis，F(xiàn)ound its distribution，to provide guidance for further management and planning of forest resources.

DEM；Dalingshan Forest Park；spatial distribution

2014-04-27

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAJ13B005)

馮曉麗(1992—)，女，河北邢臺人，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士研究生，從事地理信息系統(tǒng)研究。E-mail：547739708@qq.com。

吳小芳(1979—)，女，湖北荊州人，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授，博士，從事地圖制圖學(xué)，林業(yè)GIS和地理信息系統(tǒng)理論與方法研究。E-mail：somewxf@163.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2015.01.006

S718.51+1

A

1002-7351(2015)01-0026-05