基于DEM 的雞籠山國家森林公園地形因子及森林資源分布相關(guān)性分析

邵加云，何圣兵

（和縣雞籠山林場(chǎng)，安徽 馬鞍山238200）

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model），簡(jiǎn)稱DEM，其建立是對(duì)地理信息系統(tǒng)必要的補(bǔ)充。在地理信息系統(tǒng)平臺(tái)上利用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(cè)，在數(shù)字林業(yè)建設(shè)中有良好的應(yīng)用前景[1-5]。DEM是通過有限的地形高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地面地形的數(shù)字化模擬（即地形表面形態(tài)的數(shù)字化表達(dá)），它是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型，是數(shù)字地形模型（Digital Terrain Model，簡(jiǎn)稱DTM）的一個(gè)分支，其他各種地形特征值均可由此派生[6-7]。

DEM 柵格影像中包括高程在內(nèi)的各種地貌因子，如坡度、坡向、坡度變化率等，利用地理信息系統(tǒng)相關(guān)軟件，使其與森林資源數(shù)據(jù)庫疊加分析后可以得到一系列與森林資源相關(guān)的數(shù)據(jù)，通過分析其內(nèi)在關(guān)系可以提煉出有價(jià)值的信息，供森林資源管理使用。

1 研究區(qū)概況

雞籠山國家森林公園位于118°04′～118°24′E、32°22′～32°30′N，在安徽省和縣境內(nèi)，地處江淮丘陵地區(qū)東部，距和縣縣城20 km，群山環(huán)拱、一峰獨(dú)雄、狀若雞籠，故名雞籠山。道家《洞天福地記》稱其為“第四十二福地”，素有“江北第一名山”之稱。

雞籠山國家森林公園總面積4 500 hm2。公園內(nèi)植被茂密、綠樹成蔭、氣候宜人、空氣清新，屬于北亞熱帶氣候，四季分明、氣候溫和、雨量適中、光照充足。年平均溫度15.7 ℃，極端最高溫度40 ℃，極端最低氣溫-13.2 ℃，年平均活動(dòng)積溫5 728.5 ℃；年平均降雨量1 006.3 mm；全年日照時(shí)數(shù)2 l26.1 h，平均無霜期232 d。

森林公園內(nèi)地帶性植被以落葉闊葉林為主，含少量喬灌木樹種的落葉與常綠混交林。境內(nèi)植物種類繁多，資源豐富，主要樹種有馬尾松（Pinus massoniana）、火炬松（Pinus taeda）、柏木（Cupressus funebris）、香樟（Cinnamomum camphora）、銀 杏（Ginkgo biloba）、杉木（Cunninghamia lanceolata）、樸樹（Celtis sinensis）、板栗（Castanea mollissima）、麻櫟（Quercus acutissima）、楓香（Liquidambar formosana）、烏桕（Sapium sebiferum）、油茶（Camellia oleifera）、毛竹（Phyllostachys heterocycla cv‘Pubescens’）、野柿（Diospyros kaki var. ilvestris）、 山 胡 椒（Lindera glauca）等200 多種。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：森林公園及周邊的DEM 柵格影像、1∶10 000 地形圖、2014 年森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)、2017 年林地一張圖數(shù)據(jù)和森林公園總體規(guī)劃圖等林業(yè)資料。

2.2 技術(shù)路線

DEM 的建立及相關(guān)地形分析技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 DEM 的建立及相關(guān)地形分析技術(shù)流程

2.3 提取地形因子

在ArcMap 軟件中，利用Arc-Toolbox 中的數(shù)據(jù)管理工具/柵格/柵格處理/裁剪工具，將森林公園界線與原始DEM柵格影像疊加并裁切，得到研究區(qū)域的DEM影像（見圖2），供研究使用。

在ArcCatalog 軟件中對(duì)文件進(jìn)行投影設(shè)置：高斯——克呂格投影、大地2 000（CGCS 2 000）座標(biāo)系、按3 度分帶（3 Degree），中央經(jīng)線117（CM117E）。在地理信息系統(tǒng)軟件平臺(tái)ArcMap 下，激活“3D Analyst”擴(kuò)展模塊，進(jìn)行相應(yīng)屬性設(shè)置，得到DEM數(shù)據(jù)TinGrid，結(jié)果見圖3。其中，每個(gè)柵格單元表示30 m×30 m 的區(qū)域。由于雞籠山的最高高程為315 m，海拔不高，所以直接生成的DEM效果不太明顯，在ArcGIS10.2 的另一個(gè)應(yīng)用程序ArcScene 下，設(shè)置DEM的基表面高度為20 m×20 m，再對(duì)轉(zhuǎn)換單位因子Z 進(jìn)行加大拉伸，其三維顯示效果如圖4。

圖2 雞籠山森林公園及周邊DEM 影像

圖3 裁切后的雞籠山森林公園DEM 影像

圖4 雞籠山國家森林公園的三維顯示

3 結(jié)果與分析

3.1 地形分析

3.1.1 坡度分析

在ArcMap 應(yīng)用程序中加載“3D Analyst”擴(kuò)展模塊進(jìn)行相應(yīng)屬性設(shè)置，按照《森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》（GB/T 26424-2010）對(duì)坡度分級(jí)的規(guī)定，在出現(xiàn)的對(duì)框中，將“類”指定為6，在“間隔值”列表中輸入間隔值：5，15，25，35，45，90，顯示結(jié)果如圖5 所示。

圖5 森林公園坡度分類示意

打開其屬性表可以看到屬性“SlopeCode”為數(shù)值1，2，3，4，5，6，查看矢量圖層：TinSlope 中要素屬性表，按照坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行坡度分級(jí)，其中屬性（SlopeCode）1，2，3，4，5，6 分別表示坡度范圍平坡（0°～5°）、緩坡（6°～15°）、斜坡（16°～25°）、陡坡（26°～35°）、急坡（36°～45°）、險(xiǎn)坡（≥46°）[8]。

由表1 可以看出，雞籠山國家森林公園土地坡度級(jí)以緩坡、斜坡為主，分別占40.56%、34.86%；其次為陡坡，占13.80%；平地占8.24%；急坡和險(xiǎn)坡僅占2.41%和0.13%。綜合上述情況，可以得出結(jié)論：雞籠山國家森林公園的坡度大多分布在平、緩、斜這三種坡度級(jí)，這非常有利于林木的生長，這三種坡度條件下的森林分布應(yīng)該較為廣泛。

表1 雞籠山國家森林公園各坡度級(jí)土地面積統(tǒng)計(jì)

3.1.2 坡向分析

在ArcMap 應(yīng)用程序中加載“3D Analyst”擴(kuò)展模塊進(jìn)行相應(yīng)屬性設(shè)置，根據(jù)《森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》（GB/T 26424-2010）對(duì)坡向分級(jí)的規(guī)定，將“類”指定為10，在“間隔值”列表中輸入間隔值：0，22.5，67.5，112.5，157.5，202.5，247.5，292.5，337.5，360，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 森林公園各坡向土地分布示意

打開其屬性表可以看到屬性“AspectCode”為數(shù)值-1，l，2，3，4，5，6，7，8，9，它們分別表示當(dāng)前圖斑的坡向?yàn)槠教?、東（67.5°～112.5°）、東南（112.5°～157.5°）、南（157.5°～202.5°）、西南（202.5°～247.5°）、西（247.5°～292.5°）、西北（292.5°～337.5°）、北（337.5°～360°）[2]，其中0°～22.5°和337.5°～360°均代表北方向，在統(tǒng)計(jì)的時(shí)候進(jìn)行合并處理。

由表2 可知，坡向?yàn)槲鞅钡耐恋孛娣e最大，為910.13 hm2，占20.2%；其次為東南坡位，面積為762.03 hm2，占16.93%；東、西、北坡位面積相當(dāng)，分別占總面積的12.89%、13.41%和11.13%。

表2 雞籠山國家森林公園各坡向土地面積統(tǒng)計(jì)

根據(jù)上述分析可以得知，雞籠山國家森林公園內(nèi)的山脈大多為“東北- 西南”走向，與實(shí)際情況相符。

由于雞籠山森林公園所處位置為我國東南部季風(fēng)區(qū)，“東北- 西南”走向的山脈有利于在春夏季在東南部創(chuàng)造降水條件，在冬季阻隔西北部的嚴(yán)寒氣流，加上充足的光熱條件，可以在山脈的不同坡向位置形成明顯的植被分布差異。

3.2 地形與樹種（組）關(guān)聯(lián)分析

3.2.1 坡度與樹種（組）關(guān)聯(lián)分析

在Arc-Map 應(yīng)用程序中加載“3D Analyst”擴(kuò)展模塊中的“重分類”工具，對(duì)坡度（Slope）進(jìn)行矢量化處理，得到“RasterT_Reclass”文件與林地“一張圖”小班數(shù)據(jù)庫疊加分析，得到“小班_Intersect”文件，統(tǒng)計(jì)分析見表3。

由表3 可知，在雞籠山國家森林公園內(nèi)，森林資源多分布在緩坡和斜坡地帶，其樹種組多為火炬松、硬闊、柏木和櫟類?；鹁嫠珊桶啬径酁榱謭?chǎng)人共栽植的，而硬闊多為天然次生樹種。

險(xiǎn)坡（≥46°）條件下，只有火炬松、柏木、櫟類和硬闊、其他軟闊有分布，由此可見，這些樹種能夠適應(yīng)較惡劣的立地條件，應(yīng)該對(duì)這些樹種進(jìn)行充分保護(hù)和合理利用。

3.2.2 坡向與樹種（組）關(guān)聯(lián)分析

在Arc-Map 應(yīng)用程序中加載“3D Analyst”擴(kuò)展模塊中的“重分類”工具，對(duì)坡向（Aspect）進(jìn)行矢量化處理，得到“RasterT_Reclass”文件與林地“一張圖”小班數(shù)據(jù)庫疊加分析，得到“小班_Intersect”文件，統(tǒng)計(jì)分析見表4。

表3 雞籠山國家森林公園各樹種在不同坡度級(jí)上的分布面積統(tǒng)計(jì)/hm2

由表4 可知，在雞籠山國家森林公園內(nèi)，森林資源分布最多的坡向是西北向，總面積達(dá)910.13 hm2，占20.23%；其次為東南向，總面積762.03 hm2，占16.93%。

在西北坡向條件下，分布面積最大的樹種為硬闊類（321.14 hm2），其次為火炬松（278.06 hm2）；在東南坡向條件下，分布面積最大的樹種仍為硬闊類（296.97 hm2），其次為火炬松（234.12 hm2）。

4 結(jié)論

根據(jù)對(duì)研究區(qū)域的DEM柵格影像分析，雞籠山國家森林公園的地形屬于丘陵地區(qū)，海拔較低，最高高程僅為315 m，所以得出的DEM 三維效果不明顯。利用雞籠山國家森林公園森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)及建立在DEM 的基礎(chǔ)上提取的地形因子與森林資源進(jìn)行疊加分析，得出以下結(jié)論：

（1）雞籠山國家森林公園內(nèi)土地坡度以緩坡和斜坡為主，面積比例最大，分別為40.56%、34.86%，其余各坡度級(jí)土地面積之和也不超過這兩種坡度面積之和。由此可知，雞籠山國家森林公園地形起伏較小，屬于丘陵岡地，比較平緩，適合人工造林和植被修復(fù)，陡坡、急坡和險(xiǎn)坡一起占總面積的16.34%，雖然所占比例不大，但所處生態(tài)區(qū)位重要，容易引起水土流失，需要得到嚴(yán)格保護(hù)。

（2）雞籠山國家森林公園各坡向土地面積比例最大的為西北向，占20.23%；其次為東南向，占16.93%。這兩個(gè)坡向正好處在季風(fēng)方向上，東南方的季風(fēng)可以帶來充足的降水，加上東南部光熱條件好，適宜林木生長，容易形成較為完整的森林生態(tài)群落。因此，在適地適樹的前提下，可以在森林公園的東南坡增加林木的品種，增加森林生物多樣性。西北坡的森林可以抵擋冬季西北部的寒流，生態(tài)區(qū)位較為重要，建議采取封育保育措施，確保惡劣生境條件下的林木得到充分保護(hù)。

表4 雞籠山國家森林公園各樹種在不同坡向上的分布面積統(tǒng)計(jì)

（3）森林公園內(nèi)主要樹種資源多分布在緩坡和斜坡，其樹種（組）多為火炬松、柏木和硬闊類，但是根據(jù)分析結(jié)果，在險(xiǎn)坡（≥46°）條件下，也有火炬松、柏木、櫟類和硬闊、其他軟闊的分布。由此得知：森林公園內(nèi)的外松、柏木和硬闊類樹木在各種條件下均能健康生長。由于森林公園附近人為活動(dòng)較為頻繁，森林公園內(nèi)松類感染松材線蟲的幾率較大，因此，建議后期林相改造以營造闊葉類混交林為主，松類純林可以考慮采取“抽針補(bǔ)闊”的方法進(jìn)行逐步改造，使其變?yōu)獒橀熁旖涣只蛘唛熑~混交林，以提高其抵御病蟲害和火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。

本研究做了雞籠山國家森林公園的地形因子與森林資源主要是樹種之間的相關(guān)分析，選取的因子有限，下一步應(yīng)當(dāng)提高DEM影像的分辨率，增加更多的因子如土壤、水分和溫度等，結(jié)合坡度、坡向來分析森林資源的空間分布特性，以便能更好地為國有林場(chǎng)和森林公園森林資源管理提供科學(xué)數(shù)據(jù)。